徐志軍　李思婷　王存寬

摘要： 眾多研究表明，化學(xué)的三重表征能促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)概念的理解。同時，學(xué)生對化學(xué)概念的三重表征能真實(shí)反映學(xué)生對概念或化學(xué)現(xiàn)象的掌握程度。通過圖示法考查了高二學(xué)生對氯化鈉溶于水原理的三重表征，調(diào)查學(xué)生對這一概念的理解。結(jié)果顯示，75%的學(xué)生能從不同表征的角度進(jìn)行圖示解釋，大部分學(xué)生認(rèn)為溶解為簡單的電離過程。學(xué)生以微粒間相互作用的角度來解釋溶解及其他化學(xué)變化的能力仍需加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 三重表征; 圖示; 氯化鈉; 化學(xué)概念

文章編號： 10056629（2020）01002106

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

2017年新修訂的化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出了化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)，“宏觀辨識與微觀探析”便是其中之一，要求學(xué)生在化學(xué)的學(xué)習(xí)中能從不同層次認(rèn)識物質(zhì)，能用宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題[1]。很多研究顯示，對學(xué)生而言，進(jìn)行三重表征的學(xué)習(xí)和切換存在一定的困難[2，3]。如Zhang和Linn（2011）發(fā)現(xiàn)，學(xué)生善于進(jìn)行三重表征中的宏觀表征和符號表征，而對物質(zhì)的微觀表征、三重表征間的聯(lián)系認(rèn)識不足。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對化學(xué)概念的三重表征能真實(shí)反映其對概念的掌握程度。因此，本文以學(xué)生對氯化鈉溶于水原理的理解為背景，調(diào)查當(dāng)前高中學(xué)生對化學(xué)概念的三重表征，為培養(yǎng)學(xué)生“宏微符”三重表征思維提供參考。

1國內(nèi)外對三重表征及圖示的研究

1.1化學(xué)三重表征與圖示之間的關(guān)系

化學(xué)中的三重表征由Johnstone在1982年首次提出。他認(rèn)為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)時，需要接觸宏觀（macro）微觀（submicro）符號（symbolic）三重表征。宏觀表征為學(xué)生能夠觀察或接觸到的化學(xué)現(xiàn)象及其變化，如化學(xué)反應(yīng)中的光、顏色變化、生成沉淀等。微觀表征為產(chǎn)生或?qū)е逻@些化學(xué)現(xiàn)象及變化的微觀粒子間的相互作用，如原子、分子、離子等及其相互作用。而符號表征是以符號、化學(xué)式、方程式、圖像等來描述宏觀及微觀表征。三者在化學(xué)的學(xué)習(xí)中同等重要，并互相補(bǔ)充。Johnstone指出，學(xué)生覺得學(xué)習(xí)化學(xué)困難是因為學(xué)生需要有“多重水平思維（multilevel thought）”，他們在學(xué)習(xí)過程中需要同時處理這三重表征[4]。

Taber指出，學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)時，首先會將觀察到的外界的光、顏色、變化等視為現(xiàn)象，然后再將這些現(xiàn)象概念化為自我對現(xiàn)象的宏觀表征，如物質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等;或?qū)⑦@些現(xiàn)象概念化為自我對現(xiàn)象的微觀表征，如分子、離子、電子的相互作用等;或先將現(xiàn)象概念化為宏觀表征，再用微觀表征對已概念化的宏觀表征進(jìn)行解釋，并用符號表征將這兩重表征表示出來[5]。因此，學(xué)生對概念的宏觀表征及微觀表征，將會影響其符號表征。

基于Taber的解釋，我們可以理解三重表征具有兩層含義： 客觀三重表征和主觀三重表征?？陀^三重表征為科學(xué)的三重表征，不會因?qū)W生的認(rèn)知而改變。而主觀三重表征則為學(xué)生自己對觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行概念化，而生成的三重表征。例如，在雙氧水分解的實(shí)驗中，有學(xué)生會認(rèn)為生成的氣泡沒有氣味（概念化后的宏觀表征），故認(rèn)為反應(yīng)生成的氣體分子為氧氣分子（概念化后的微觀表征）;也有學(xué)生因為雙氧水有味道（概念化后的宏觀表征），故認(rèn)為反應(yīng)生成的氣體分子為臭氧分子（概念化后的微觀表征）。這導(dǎo)致他們所寫的化學(xué)方程式（概念化后的符號表征）也不同，前者為2H2O22H2O+O2，而后者為3H2O23H2O+O3。當(dāng)主觀三重表征符合客觀三重表征時，我們認(rèn)為學(xué)生真正掌握了化學(xué)概念。因此，我們有必要了解學(xué)生的主觀三重表征，并有針對性地進(jìn)行教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生形成這一概念的客觀三重表征。

根據(jù)佩維奧（Pavio）提出的長時記憶中的雙重編碼理論，語義系統(tǒng)專門編碼、組織言語或與語言相關(guān)的信息，而表象系統(tǒng)則處理有關(guān)非言語的物體和事件的信息，并在腦海中形成事物或概念的心理意象或形象[6]。表象系統(tǒng)和語義系統(tǒng)是相互平行獨(dú)立但又緊密聯(lián)系的認(rèn)知系統(tǒng)，它們各自獨(dú)立處理、保存、提出使用所接收的信息，并能同時或單獨(dú)被使用。表象系統(tǒng)的信息或者學(xué)生將表象系統(tǒng)信息以圖示的形式呈現(xiàn)出來，能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)學(xué)生對于概念的真實(shí)理解，因為圖像能以準(zhǔn)確的方式來描述具體的概念及信息[7，8]。以氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)為例，“一個鈉離子附近有六個氯離子”，學(xué)生根據(jù)這句語義信息會在腦中形成或圖形化為圖1（立體排布）或圖2（平面排布）的表象信息[9]。此外，Zhang和Linn（2011）認(rèn)為，只有當(dāng)學(xué)生透徹理解該主題或問題時，才可能畫出相關(guān)概念的科學(xué)圖像。通過作圖，學(xué)生能將物質(zhì)的三重表征有效聯(lián)系起來，有助于學(xué)生認(rèn)識到已有知識和新知識的矛盾、發(fā)展學(xué)生整合知識的能力[10]。

1.2國內(nèi)對三重表征及學(xué)生概念理解圖示化的研究

宏觀、微觀、符號三重表征的內(nèi)涵及關(guān)系自2005年由畢華林等提出至今，已發(fā)展成為一種能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特征的思維方式，它有助于學(xué)生理解宏觀現(xiàn)象和分子水平的變化以及兩者間的聯(lián)系，受到了國內(nèi)廣大化學(xué)教育研究者的認(rèn)可。在實(shí)際教學(xué)中，也發(fā)現(xiàn)了三重表征思維教學(xué)的困難，具體體現(xiàn)在： 微觀表征復(fù)雜而抽象，對學(xué)生來說，微觀表征有難度;符號表征指向有一定的模糊性，學(xué)生對化學(xué)方程式的內(nèi)涵理解存在困難;不同表征間的思維轉(zhuǎn)換對學(xué)生來說是一個挑戰(zhàn)[11]。

在化學(xué)概念教學(xué)和建構(gòu)三重表征關(guān)系時，教師采用較多的是思維導(dǎo)圖或概念圖的形式，但這兩者主要以語義信息為主，學(xué)生表象系統(tǒng)的運(yùn)用很少[12]。也有使用VR虛擬技術(shù)輔助微觀表征，加強(qiáng)三重表征間的關(guān)聯(lián)，但這種技術(shù)的推廣性較差[13]。

國內(nèi)關(guān)于圖像化教學(xué)的研究不少，遍及各個學(xué)科，以生物、地理這兩個科目居多。研究顯示，識圖和作圖教學(xué)有助于提高學(xué)科教學(xué)質(zhì)量，對學(xué)生大腦的開發(fā)、學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)、知識體系的建構(gòu)、觀察力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)、空間思維的發(fā)展都有積極作用[14～16]。另外，在化學(xué)的圖像化教學(xué)中，對于學(xué)生作圖能力的培養(yǎng)較少，尤其是作圖表征化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)。在教學(xué)過程中，用作圖的方法能引導(dǎo)學(xué)生動手、動腦，主動參與到學(xué)習(xí)的過程中。作圖學(xué)習(xí)法是一種體驗式的學(xué)習(xí)方式，積極的情感體驗和深層次的認(rèn)知參與充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，有利于活躍學(xué)習(xí)氛圍、發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合思維能力[17]。

2研究問題分析與研究設(shè)計

2.1研究問題

以圖示的表達(dá)方式，對比學(xué)生對于氯化鈉溶于水的主觀三重表征和客觀三重表征，找出學(xué)生對于溶解本質(zhì)，即對粒子間相互作用的理解困難，并提出相應(yīng)的教學(xué)建議。

2.2研究設(shè)計

采用問卷法對浙江省某省重點(diǎn)中學(xué)的高二理科創(chuàng)新班（該創(chuàng)新班中的學(xué)生，化學(xué)科是高考科目之一，并且總成績在全校排名前5%）的36位學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，鼓勵學(xué)生根據(jù)自己對溶解的理解，以圖示的方式解釋氯化鈉溶于水的過程與變化。

根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中模塊2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”的要求：“（學(xué)生需要）認(rèn)識物質(zhì)的構(gòu)成微粒、微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系”[18]，且在進(jìn)行問卷調(diào)查前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了溶液的性質(zhì)、離子化合物的電離及電離方程式、離子鍵、共價鍵及鍵的極性。因此，本研究期待學(xué)生對氯化鈉溶于水的客觀三重表征為： （1）宏觀表征。固體氯化鈉溶解于水中（固體逐漸減少），最終形成均一透明的溶液。（2）微觀表征。在氯化鈉晶體中，帶正電的鈉離子被水分子中帶負(fù)電的氧原子吸引，帶負(fù)電的氯離子被水分子中帶正電的氫原子吸引，離子與水分子間的相互作用力破壞了正負(fù)離子間的吸引力（離子鍵），氯化鈉溶解后，水合鈉離子和水合氯離子均勻地分布在溶液中。（3）符號表征。學(xué)生用數(shù)學(xué)符號、化學(xué)方程式等描述其理解的宏觀表征和/或微觀表征。

3數(shù)據(jù)分析

從宏觀表征、微觀表征、符號表征，及多重表征四個維度，抽取具有代表性的學(xué)生圖示，根據(jù)氯化鈉溶于水的客觀三重表征對學(xué)生的主觀三重表征進(jìn)行分析。

3.1宏觀表征

學(xué)生用圖示描繪氯化鈉溶于水時可以直接觀察到的現(xiàn)象。如圖3，某學(xué)生描繪了將一定量的鹽放在水中，經(jīng)過一段時間后，固體食鹽逐漸消失，最后形成均一穩(wěn)定的氯化鈉溶液。該學(xué)生只使用了宏觀表征來表達(dá)其對于氯化鈉溶于水的理解，學(xué)生對溶解的理解停留于觀察層面，并未從粒子間的相互作用進(jìn)行解釋。

3.2微觀表征

在解釋氯化鈉溶于水的原理時，學(xué)生用圖示表示原子、離子或分子及其相互作用和變化。

3.2.1簡單粒子模型表征

學(xué)生用簡單粒子（即不同大小的圓圈）表示原子、離子或分子，以此解釋氯化鈉的溶解過程。如圖4，某學(xué)生利用不同大小的圓圈表示鈉離子和氯離子（或鈉原子和氯原子），認(rèn)為氯化鈉的溶解是氯化鈉晶體中規(guī)律排列的鈉離子和氯離子（或鈉原子和氯原子）變成自由移動的粒子，最后均勻分布的過程。這類型的微觀表征只是簡單地解釋氯化鈉固體溶解并擴(kuò)散的過程，并沒有從相互作用力的角度分析為什么這些粒子能夠擺脫氯化鈉晶體的束縛并均勻擴(kuò)散。此外，在這個微觀表征中，學(xué)生并沒有考慮溶劑水在氯化鈉溶解過程中的作用。

3.2.2離子模型表征

學(xué)生從離子的角度解釋氯化鈉的溶解過程。如圖5，某學(xué)生表示了氯化鈉晶體中鈉離子和氯離子規(guī)律排列，并使用橫線表示不同電荷的離子間的吸引力（離子鍵）。當(dāng)氯化鈉晶體溶解于水后，鈉離子和氯離子間的化學(xué)鍵斷裂，且變成了自由移動的正負(fù)離子。該類型的微觀表征體現(xiàn)了學(xué)生從離子鍵的角度分析離子化合物溶解的過程，突出了粒子的電荷本質(zhì)，并在一定程度上體現(xiàn)了鈉離子與氯離子之間存在的靜電作用力，即離子鍵，并通過離子鍵形成氯化鈉晶體。但這種離子模型并沒有考慮離子間的作用力是如何被破壞，從而形成自由移動的離子。此外，與簡單粒子模型一樣，學(xué)生并沒有考慮溶劑水在離子化合物溶解過程中的作用。

3.2.3不完整的靜電作用力模型表征

學(xué)生在其微觀表征中表現(xiàn)出氯化鈉的溶解是水分子與帶電粒子間相互作用的結(jié)果。如圖6，某同學(xué)認(rèn)為在氯化鈉固體溶于水形成的溶液中，有帶正電的鈉離子和帶負(fù)電的氯離子，氯離子會被水分子包圍形成自由的水合離子。但圖6并沒有從粒子間相互的靜電作用來解釋中性的水分子為什么會包圍帶電離子的微觀現(xiàn)象，也并未解釋水分子對形成自由移動的鈉離子、氯離子所起的作用。

3.3符號表征

學(xué)生使用化學(xué)方程式或化學(xué)符號描述或解釋氯化鈉的溶解過程。

3.3.1電離方程式

學(xué)生使用電離方程式來描述和解釋氯化鈉的溶解過程。如圖7，某學(xué)生用電離方程式解釋氯化鈉溶于水的過程： NaCl電離為Na+和Cl-。但是這種作圖及文字解釋并不能夠說明水在氯化鈉溶于水或者電離時的作用，也不能體現(xiàn)溶解過程中離子鍵的變化。

3.3.2化學(xué)鍵斷裂

學(xué)生用化學(xué)符號表示物質(zhì)溶解的過程是粒子間的化學(xué)鍵斷裂的過程。如圖8，某學(xué)生指出氯化鈉溶解的過程是鈉離子和氯離子間的離

子鍵斷裂的過程，離子

鍵斷裂后產(chǎn)生了自由移動的鈉離子和氯離子。

但并沒有解釋離子鍵斷裂的原因，即水分子是如何使得鈉離子和氯離子間的離子鍵斷裂的。

3.4多重表征

學(xué)生結(jié)合宏觀表征、微觀表征、符號表征等多種表征，從多個角度對氯化鈉溶于水的過程進(jìn)行解釋。如圖9，某學(xué)生既在宏觀上表征了氯化鈉溶于水的過程，即往燒杯中加入一定量的氯化鈉固體，攪拌后固體逐漸消失，最后形成氯化鈉溶液;又能在微觀層面上表征鈉離子和氯離子能與水分子結(jié)合，并且水分子結(jié)合不同的離子時其取向不同。該學(xué)生的微觀表征能從一定程度上解釋其宏觀表征，能夠解釋固體氯化鈉溶解并在水中擴(kuò)散的原因。但微觀表征中雖然描述了水分子與鈉離子、氯離子之間的相互作用，但并沒有清晰體現(xiàn)出這種相互作用為粒子間的靜電作用力。

3.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

根據(jù)學(xué)生在問卷中的作答，我們將從單一表征或多重表征，單一表征中的何種具體表征類型，及學(xué)生表征的正確率進(jìn)行統(tǒng)計分析。表1表明，在問卷中有25.0%的學(xué)生沒有使用任何表征，69.4%的學(xué)生僅使用單一表征，這說明學(xué)生對于同一化學(xué)概念或現(xiàn)象的三重表征間的聯(lián)系并不熟悉，因此學(xué)生在理解化學(xué)概念或現(xiàn)象并未能把“宏觀微觀符號”三重表征的信息有效地結(jié)合。表2表明，學(xué)生傾向于用離子模型表征（33.3%）和不完整的靜電力模型（25.0%）來解釋氯化鈉溶解的原理。使用離子模型是因為學(xué)生能理解氯化鈉溶解發(fā)生了電離，形成自由移動的離子，但這個模型并沒有解釋溶劑水在氯化鈉電離時的作用。而不完整的靜電力模型體現(xiàn)學(xué)生已嘗試著將氯化鈉晶體的電離與溶劑的相互作用相聯(lián)系，符合課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生“認(rèn)識物質(zhì)的構(gòu)成微粒、微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系”的要求。

根據(jù)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們設(shè)定了評價學(xué)生表征情況的標(biāo)準(zhǔn)（見表3）。學(xué)生在三重表征中能體現(xiàn)水分子與離子間的相互作用，則視為完全正確;學(xué)生在三重表征中僅體現(xiàn)氯化鈉或離子的擴(kuò)散，沒有考慮溶劑水在溶解中的作用，則視為部分正確;完全錯誤為沒有從三重表征角度解釋或空白。在本研究中，大部分的學(xué)生（77.8%）均能使用表征描述出氯化鈉的電離及擴(kuò)散，并有27.8%的學(xué)生能從粒子間相互作用的角度分析溶劑水與氯化鈉溶解的關(guān)系，這說明學(xué)生是能夠從粒子間相互作用的角度來理解離子化合物在水溶液中的溶解原理。

4總結(jié)與建議

4.1總結(jié)

本文通過對36位學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分參與本研究的學(xué)生能夠從三重表征，特別是微觀表征的角度來解釋其對于離子化合物氯化鈉溶于水原理的理解。這些學(xué)生對氯化鈉溶解原理的理解大多是鈉離子與氯離子的擴(kuò)散和電離，并沒有進(jìn)一步思考為什么氯化鈉晶體可以在水中擴(kuò)散和電離，以及水對于離子化合物電離及離子鍵的影響。此外，仍有9位學(xué)生在本研究中沒有使用任何表征進(jìn)行解釋，學(xué)生對于化學(xué)概念內(nèi)化后的再表達(dá)需要加強(qiáng)。

4.2建議

4.2.1教材編寫建議

基于“宏觀辨識與微觀探析”這一素養(yǎng)，學(xué)生在掌握了極性分子、化學(xué)鍵本質(zhì)、晶體類型的基礎(chǔ)上，對于氯化鈉溶于水的過程，不僅要能理解氯化鈉在水中溶解擴(kuò)散的宏觀表征，以及氯化鈉電離的微觀和符號表征，還要能夠從粒子間相互作用，即極性水分子與帶電離子間的靜電作用的角度進(jìn)一步分析溶劑水對氯化鈉晶體中離子鍵與電離的影響，從而使學(xué)生形成微觀結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)，粒子間相互作用力影響物質(zhì)變化的觀點(diǎn)。例如，在圖中體現(xiàn)粒子間的靜電作用，即鈉離子受水分子中帶負(fù)電的氧原子所吸引，氯離子受水分子中帶正電的氫原子所吸引，氯化鈉晶體與水分子因發(fā)生水合作用而電離，最終形成鈉離子和氯離子（如圖10）。因此，在教材中將離子化合

物氯化鈉在水中的溶解作為一個經(jīng)典案例進(jìn)行三重表征圖示分析，可為后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)極性共價化合物的電解質(zhì)的電離（如HCl、 HClO等）奠定了分析思路。

4.2.2教學(xué)建議

教師在講述氯化鈉溶于水時，除了解釋在這個過程中氯化鈉發(fā)生了電離外，還可以引導(dǎo)學(xué)生從粒子間相互作用力的角度分析水對于氯化鈉電離及氯化鈉晶體中離子鍵破壞的影響，為后續(xù)解釋強(qiáng)弱電解質(zhì)在水中的電離差異作鋪墊;

學(xué)生的主觀三重表征能夠真實(shí)反映他們對化學(xué)概念的理解情況，教師可以在課后讓學(xué)生以三重表征的圖示形式代替簡單的文字復(fù)述，讓學(xué)生解釋對化學(xué)概念及化學(xué)現(xiàn)象的了解，從而進(jìn)一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn);

教師在課堂上可以引導(dǎo)學(xué)生先從宏觀表征開始觀察，接著分析微觀表征，然后用微觀表征和/或符號表征來解釋化學(xué)概念和現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生對三重表征聯(lián)系的思維能力。

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