视听理论指导下的化学“三重表征”

唐敏 肖小明

摘要：将化学教学视听媒体和方法与“经验之塔”三个类别、十个层次从底部向顶部一一对应，化学“三重表征”出现了从宏观表征到微观表征到符号表征逐渐过渡的表达特性。“三重表征”指导下的化学教学设计具有从具体到抽象的时序性，化学“三重表征”除了“宏观表征一微观表征一符号表征”这一教学时序，还有“宏观表征-符号表征”以及“微观表征一符号表征”等不同的表征时序。化学教学设计遵循“具体-抽象-具体”的任务序列设计原则。

关键词：化学教学设计;化学“三重表征”;视听理论;经验之塔;时序性

文章编号：1008-0546（2020）04-0002-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.001

化学“三重表征”自提出以来，对其研究从理论构建到教学案例分析，提出了一些化学教学策略和方法，产生了一些基于化学“三重表征”的教学模型。在化学教学设计中如何运用化学“三重表征”进行化学教学，一直缺乏有效的教育技术理论引领，现有对化学“三重表征”的实践研究停留在教学策略设计的层面，缺乏一种对其进行结构化分析的理论研究。虽然教学中运用化学“三重表征”能更好地帮助学生理解联系微观与宏观世界，但实际教学过程中，学生的化学“三重表征”仍然存在不少问题。寻求教育技术基本理论的支持，在化学教学设计过程中更好地运用化学“三重表征”是本文讨论的关键问题所在。

一、学生化学学习“三重表征”存在的问题

化学作为研究物质组成、性质、结构以及变化规律的科学，既从宏观层面研究物质的性质及其变化，又从微观层面研究物质结构及性质，并且发展出一套完备的化学符号，用于表征与交流。《美国国家科学教育标准》认为化学学习有三大领域：可观察现象的宏观世界;分子、原子和亚原子微粒构成的微观世界;化学式、方程式和符号等构成的符号与数学世界[1]。

从宏观、微观和符号三种水平上认识和理解化学知识，并建立三者之间的内在联系，从而形成化学学科特有的思维方式，我们称之为化学学习的三重表征。学生的化学学习实质上是建构化学的三种表征，以及能在三种表征之间自由、灵活地转换[2]。德维塔克（Izlok Devetak）认为化学教育应该指向学生对知识的理解，这种理解应该包含化学概念的宏观、微观和符号3种水平。具有科学素养的人，能通过化学符号“看到”符号所表达出来的宏观现象和微观结构及变化[3]。

与经验教师相比，学生在三重表征的心理方面往往出现了不能从微观水平上理解化学反应、不理解化学方程式的符号含义、难以在不同表征水平间进行转换等困难。出现这种困难的原因除了微观世界的抽象性、化学符号系统的复杂性因素外，教材和教学的局限性也是导致这种现象的主要原因之一。在教学中教师往往强调符号表征和问题解决，而不重视宏观现象和微观表征的联系，往往导致学生头脑中的化学知识机械、凌乱、碎片化，缺乏系统性、整体性，不能很好凸显化学学科特征。如何提高学生在心理层面三重表征的能力？我们认为，化学教师如果能借助教育技术理论，开发出一些有利于学生三重表征的教学策略、教学方法、教学模式，科学合理地进行教学设计，将有助于学生三重表征心理能力的提升[4]。

二、视听理论指导下的化学“三重表征”

1946年，戴尔出版了《教学中的视听方法》（Au—dio- Visual Methods in Teaching）一书，书中依据各类视听媒体和方法所提供的学习经验之抽象程度对传播媒体进行系统分类，创立了以“经验之塔”（Cone ofexperience）为核心的视听教学理论[5]。“经验之塔”作为研究教学媒体效果的重要基础理论之一，由十个层次三大类别组合而成，如图l所示。

经验之塔分为三个大类，即做的经验、观察的经验（替代的经验）、抽象的经验。三个大类中有十个层次，从底部开始向顶部分别为：有目的的直接的经验、设计的经验、参与演戏的经验属于第一类活动性的直接经验，其共同特征为学生通过“做”来学习，一般被称为“做的经验”。第二类观察的经验，学生学习的方式为间接学习，包含有观摩示范，野外旅行，参观展览，电影电视，录音、广播、静态图像等的学习形象性的图像经验，学生学习以观察为主，习惯称为“观察的经验”。第三类“抽象的经验”包含视觉符号、言语符号。视觉符号主要指图表、模拟图形等，看不到事物的实在形态，只是一个抽象的符号，而语言符号是纯粹的抽象，如原理、概念、公式等等。

“经验之塔”作为教育技术的基础理论之一所阐述的是经验抽象程度的关系，具有鲜明的层次性，符合人们认识事物由具体到抽象，由感性到理性，由个别到一般的认识规律，对于学科教学的研究起着基础理论支撑的作用。“经验之塔”理论的要点有：“经验之塔”的底层“做的经验”来自于学生亲自尝试和体验，学生容易理解和记忆，但耗时长，单位时间学习的信息量少。塔顶层符号性的抽象经验，主要是概念的学习，学生学习的概念越多，有利于日后的交流与学习。有效的学习，是建立在众多具体经验的基础上。学生记忆中储存许多抽象的法则与概念，如果没有具体经验作它们的支柱，很难理解与领悟，更不用谈如何运用。当然，学生学习不能止于直接经验，而必须要上升到符号经验的层面，以发展学生学习思维，形成抽象概念。学习的过程宜从具体经验人手，逐步上升到抽象经验。位于“经验之塔”中部的观察的经验，作为间接经验不局限于时间场地，既弥补学生直接经验的不足又利于学习者观察能力的培养。在学校教育中运用各种教育媒体，可以使得抽象概念更为具体，从而更有利于学习者形成科学的抽象[6]。

将化学教学视听媒体和方法与经验之塔三个大类，十个层次从底部向顶部一一对应，化学“三重表征”出现了从宏观表征到微观表征到符号表征逐渐过渡的表达特性。在实际的教学中，对于教学方法媒体的使用，依据“经验之塔”从具体到抽象的指导性思想，化學“三重表征”的使用顺序依次为“宏观表征一微观表征一符号表征”，如表l所示。

以实验为基础是化学最基本的特征，化学教学通过实验事实认识事物的客观本质。在进行化学教学设计时，在条件允许的范围之中，应尽量让学生动手参与实验以积累直接经验。演示实验现象鲜明，有较强的示范性与直观性，通过化学演示实验能为学生提供准确并且生动的感性材料。多媒体教学兼收了具体经验和抽象经验的长处，利用图片、声音、视频、动画模拟等，既可弥补学生直接经验的不足，又能实现高效率的学习。学生是能动的个体，要充分发挥学生的主观能动性，教师需要合理科学地选择“经验之塔”的不同层次对教学进行设计。另外，教师一定要善于总结和提升，要帮助学生把直接经验和观察的经验提炼加工，得到抽象的经验，建构起化学符号表征的化学知识体系。

三、“三重表征”指导下的化学教学设计

1.化学教学设计的时序性——从具体到抽象

化学教学设计的过程往往体现为一系列教学任务的序列。这些教学任务序列的设计包含着对化学物质、概念、原理的宏观、微观、符号三个层面的“三重表征”。借助化学实验、模型、实验视频等手段实现化学的宏观表征。微观世界的表征往往抽象而需要充分的想象，教师可以利用教育技术手段来模拟微观世界，帮助学生构建微观世界，实现化学微观表征。如：运用3D技术模拟微观粒子及其结构、运动、变化，运用动画效果模拟化学反应等。利用化学式、方程式等构成的符号与数学世界将微观和宏观世界联结，并利用数学符号进行精确的计算。如何将这些教学任务序列进行合理的编撰与设计，“经验之塔”给予教学最大的启示是教学的时序应从具体到抽象。

在化学教学中，从直接或者间接的具体的经验下手，逐步上升到抽象。戴尔认为，学生积累一些具体的经验，并能够理解真实事物的抽象表现形式，在这个基础上，才能有效地参加更加抽象的教学活动。具体的经验支撑学生对于抽象的符号理解起到非常重要的作用，这一点对于化学教学尤为重要。学生记住了许多概念、法则、符号，却没有具体经验作为支撑，没有对概念深层次的理解，停留在陈述性知识学习的层面，仅能描述出事物的特征，不能更加有效地进行程序性知识的理解和学习，其结果是对于概念、规则、原理能背不能用，对于实际问题的解决没有帮助。化学教学不应停留在具体经验的层面，应由生动直观向抽象和普遍发展，帮助学生形成概念、理解原理、运用规则。因此，化学教学的任务需从具体人手，逐步学习抽象的符号。如氯气的性质的教学，遵循“宏观表征一微观表征一符号表征”这一教学时序设计，就是基于从具体经验到观察的经验到抽象经验这一教学原理（图2）。

2.运用化学“三重表征”的几种教学设计时序

个人的经历会受到时空限制，化学学习未必一定从位于“经验之塔”最底层的诸如化学实验之类“做的经验”开始，化学概念、化学符号的学习往往始于对演示实验的观察、多媒体视频这一类间接具体经验的学习。依照这一原理，化学“三重表征”除了“宏观表征-微观表征-符号表征”这一教学时序，还有“宏观表征一符号表征”以及“微观表征一符号表征”这些不同的表征时序的运用。

3.“具体-抽象-具体”的任务序列

学生习得抽象符号，最好的保持方法是运用。运用于具体的经验中的抽象符号，与学生原有的认知结构发生作用，日后的提取才能运用自如。化学教学设计中，任务序列的设计有着广泛心理学基础和教育技术理论的支持，运用也非常灵活。做的直接经验和模拟的间接经验都构成任务序列中的具体经验，抽象的符号学习，源于此也运用于此。“具体-抽象-具体”的任务序列应成为每一个相对完整的教学环节的基本教学方式。

“具体-抽象-具体”作为教学任务设汁的一条重要设计原则，在化学教学中针对不同类型的知识点，特别是化学基本概念、化学原理、元素化合物、基本有机物的教学中等有着广泛的运用。值得注意的是，在上述教学设计过程之中，不管是做的经验还是观察的经验，都要提炼上升到抽象的经验，把抽象的经验具体化，达到知识的迁移、发散、运用的目的。

比如：同位素的学习。教师通过展示在自然界存在的三种氢原子——氕、氘、氚的用途，进而给出这几种原子的原子结构示意图，分析它们的原子结构：质子数相同，核外电子数相同，中子数不同。由质子数相同得出它们属于同种元素;中子数不同，导致它们属于不同种原子，因此可以导出同位素的概念。这一过程体现了由具体到抽象的教学过程，但是教学过程并不能止于此。同位素概念抽象，学生难以理解，需要实例的支撑来帮助学生理解以及概念辨析。教学设计以大多数天然元素都有同位素，并以铀元素、碳元素的同位素举例说明。通过概念辨析，学生学会区分元素、核素、同位素;同时，学生应学会同位素相关的两个关系，电荷数关系（核电荷数=质子数=核外电子数）;质量数关系（质量数=质子数+中子数）。并且通过实例分析，区分同位素与同素异形体这两个相似但绝不一样的概念。

四、视听理论下，化学“三重表征”教学案例

人教版教材选修4《化学反应原理》第四章电化学基础第三节电解池（第二课时）“电解原理的应用”。教学设计以电解原理的放电顺序为主线贯穿于整堂课中，教学内容由“氯碱工业原理”“电镀”“电解精炼铜”“电冶金”四个主要教学环节构成。教学环节充分考虑了化学“三重表征”和视听理论“经验之塔”对教学设计的指导意义。

任务1中，通过实验演示电解饱和食盐水进行宏观表征，帮助学生积累氯碱工业的间接经验，进而运用微观表征，通过动画模拟氯碱工业中阳离子膜的选择透过性。通过对学生提问和总结提升，要帮助学生对实验和动画观察的经验提炼加工，得到抽象的经验氯碱工业电极反应式与总反应式，并分析实验所用阳离子交换膜的作用以及实验的尾气处理。

任务2通过图片展示一些生活中常见的含有镀层的金属制品，并提出如何进行电镀引起学生兴趣。学生小组合作、实验探究，根据已有物品分析设计出可行的电镀组合，进行电镀实验，上台展示电镀成品，并写出每个电镀组合的电极反应式。电镀实验设计这一直接经验的获取，帮助学生化学思维的宏观表征，而结合电解原理深入分析电镀的实质，讲解关于电镀的定义等基本知识和原理则是从宏观表征进入符号表征，学生由直接经验转入抽象经验的学习。

任务3电解精炼铜，播放动画模拟粗铜与纯铜做电极进行电镀的实验，分析铜的电解精炼知识点。由微观表征到符号表征，学生间接经验过渡抽象经验的积累，能够根据电解原理相关知识分析阴极与阳极的电极反应式，阳极泥成分。

任务4学生回忆必修二冶炼金属知识，思考工业上如何来制取钠、铝等活泼金属。教师介绍电解法冶炼活泼金属的原理，并投影展示工业电解熔融氯化钠冶炼钠的方法和电解熔融氧化铝冶炼铝的方法。这一过程采用，学生由观察视频学习电解钠、电解铝的原理这一抽象经验。

化学教学设计，宜采用“符号表征一微观表征一宏观表征”来思考如何将抽象的化学知识表征为具体知识并为之设计一系列的师生交互式教学活动。学生通过“宏观表征-微观表征-符号表征”的学习过程，逐步构建关于化学知识的认知结构，并能够在不同的表征维度间灵活切换。

参考文献

[1]National Research Council.National Science Education Stan-dards[M].Washington， DC： National ACademv Press， 1996

[2]毕华林，黄婕，亓英丽.化学学习中“宏观微观符号”三重表征的研究[J].化学教育，2005（5）：51-54

[3]lztok Devetak. Janez VogrinC， Sa a AleksijGLaar.Researchin Science EduCation， 2009 .39： 157-179

[4]張丙香，毕华林.化学三重表征的含义及其教学策略[J].中国教育学刊，2013（2）：73-76

[5]埃德加·戴尔.教学中的视听方法[M].北京：中华书局，1969

[6]黎大志.现代教育技术[M].南京：南京大学出版社，2002