唐敏 肖小明

摘要：將化學(xué)教學(xué)視聽媒體和方法與“經(jīng)驗之塔”三個類別、十個層次從底部向頂部一一對應(yīng)，化學(xué)“三重表征”出現(xiàn)了從宏觀表征到微觀表征到符號表征逐漸過渡的表達(dá)特性?！叭乇碚鳌敝笇?dǎo)下的化學(xué)教學(xué)設(shè)計具有從具體到抽象的時序性，化學(xué)“三重表征”除了“宏觀表征一微觀表征一符號表征”這一教學(xué)時序，還有“宏觀表征-符號表征”以及“微觀表征一符號表征”等不同的表征時序?；瘜W(xué)教學(xué)設(shè)計遵循“具體-抽象-具體”的任務(wù)序列設(shè)計原則。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué)設(shè)計;化學(xué)“三重表征”;視聽理論;經(jīng)驗之塔;時序性

文章編號：1008-0546（2020）04-0002-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.001

化學(xué)“三重表征”自提出以來，對其研究從理論構(gòu)建到教學(xué)案例分析，提出了一些化學(xué)教學(xué)策略和方法，產(chǎn)生了一些基于化學(xué)“三重表征”的教學(xué)模型。在化學(xué)教學(xué)設(shè)計中如何運用化學(xué)“三重表征”進(jìn)行化學(xué)教學(xué)，一直缺乏有效的教育技術(shù)理論引領(lǐng)，現(xiàn)有對化學(xué)“三重表征”的實踐研究停留在教學(xué)策略設(shè)計的層面，缺乏一種對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析的理論研究。雖然教學(xué)中運用化學(xué)“三重表征”能更好地幫助學(xué)生理解聯(lián)系微觀與宏觀世界，但實際教學(xué)過程中，學(xué)生的化學(xué)“三重表征”仍然存在不少問題。尋求教育技術(shù)基本理論的支持，在化學(xué)教學(xué)設(shè)計過程中更好地運用化學(xué)“三重表征”是本文討論的關(guān)鍵問題所在。

一、學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)“三重表征”存在的問題

化學(xué)作為研究物質(zhì)組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及變化規(guī)律的科學(xué)，既從宏觀層面研究物質(zhì)的性質(zhì)及其變化，又從微觀層面研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，并且發(fā)展出一套完備的化學(xué)符號，用于表征與交流?！睹绹鴩铱茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)有三大領(lǐng)域：可觀察現(xiàn)象的宏觀世界;分子、原子和亞原子微粒構(gòu)成的微觀世界;化學(xué)式、方程式和符號等構(gòu)成的符號與數(shù)學(xué)世界[1]。

從宏觀、微觀和符號三種水平上認(rèn)識和理解化學(xué)知識，并建立三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而形成化學(xué)學(xué)科特有的思維方式，我們稱之為化學(xué)學(xué)習(xí)的三重表征。學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)實質(zhì)上是建構(gòu)化學(xué)的三種表征，以及能在三種表征之間自由、靈活地轉(zhuǎn)換[2]。德維塔克（Izlok Devetak）認(rèn)為化學(xué)教育應(yīng)該指向?qū)W生對知識的理解，這種理解應(yīng)該包含化學(xué)概念的宏觀、微觀和符號3種水平。具有科學(xué)素養(yǎng)的人，能通過化學(xué)符號“看到”符號所表達(dá)出來的宏觀現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)及變化[3]。

與經(jīng)驗教師相比，學(xué)生在三重表征的心理方面往往出現(xiàn)了不能從微觀水平上理解化學(xué)反應(yīng)、不理解化學(xué)方程式的符號含義、難以在不同表征水平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換等困難。出現(xiàn)這種困難的原因除了微觀世界的抽象性、化學(xué)符號系統(tǒng)的復(fù)雜性因素外，教材和教學(xué)的局限性也是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因之一。在教學(xué)中教師往往強調(diào)符號表征和問題解決，而不重視宏觀現(xiàn)象和微觀表征的聯(lián)系，往往導(dǎo)致學(xué)生頭腦中的化學(xué)知識機械、凌亂、碎片化，缺乏系統(tǒng)性、整體性，不能很好凸顯化學(xué)學(xué)科特征。如何提高學(xué)生在心理層面三重表征的能力？我們認(rèn)為，化學(xué)教師如果能借助教育技術(shù)理論，開發(fā)出一些有利于學(xué)生三重表征的教學(xué)策略、教學(xué)方法、教學(xué)模式，科學(xué)合理地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，將有助于學(xué)生三重表征心理能力的提升[4]。

二、視聽理論指導(dǎo)下的化學(xué)“三重表征”

1946年，戴爾出版了《教學(xué)中的視聽方法》（Au—dio- Visual Methods in Teaching）一書，書中依據(jù)各類視聽媒體和方法所提供的學(xué)習(xí)經(jīng)驗之抽象程度對傳播媒體進(jìn)行系統(tǒng)分類，創(chuàng)立了以“經(jīng)驗之塔”（Cone ofexperience）為核心的視聽教學(xué)理論[5]?！敖?jīng)驗之塔”作為研究教學(xué)媒體效果的重要基礎(chǔ)理論之一，由十個層次三大類別組合而成，如圖l所示。

經(jīng)驗之塔分為三個大類，即做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗（替代的經(jīng)驗）、抽象的經(jīng)驗。三個大類中有十個層次，從底部開始向頂部分別為：有目的的直接的經(jīng)驗、設(shè)計的經(jīng)驗、參與演戲的經(jīng)驗屬于第一類活動性的直接經(jīng)驗，其共同特征為學(xué)生通過“做”來學(xué)習(xí)，一般被稱為“做的經(jīng)驗”。第二類觀察的經(jīng)驗，學(xué)生學(xué)習(xí)的方式為間接學(xué)習(xí)，包含有觀摩示范，野外旅行，參觀展覽，電影電視，錄音、廣播、靜態(tài)圖像等的學(xué)習(xí)形象性的圖像經(jīng)驗，學(xué)生學(xué)習(xí)以觀察為主，習(xí)慣稱為“觀察的經(jīng)驗”。第三類“抽象的經(jīng)驗”包含視覺符號、言語符號。視覺符號主要指圖表、模擬圖形等，看不到事物的實在形態(tài)，只是一個抽象的符號，而語言符號是純粹的抽象，如原理、概念、公式等等。

“經(jīng)驗之塔”作為教育技術(shù)的基礎(chǔ)理論之一所闡述的是經(jīng)驗抽象程度的關(guān)系，具有鮮明的層次性，符合人們認(rèn)識事物由具體到抽象，由感性到理性，由個別到一般的認(rèn)識規(guī)律，對于學(xué)科教學(xué)的研究起著基礎(chǔ)理論支撐的作用?！敖?jīng)驗之塔”理論的要點有：“經(jīng)驗之塔”的底層“做的經(jīng)驗”來自于學(xué)生親自嘗試和體驗，學(xué)生容易理解和記憶，但耗時長，單位時間學(xué)習(xí)的信息量少。塔頂層符號性的抽象經(jīng)驗，主要是概念的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的概念越多，有利于日后的交流與學(xué)習(xí)。有效的學(xué)習(xí)，是建立在眾多具體經(jīng)驗的基礎(chǔ)上。學(xué)生記憶中儲存許多抽象的法則與概念，如果沒有具體經(jīng)驗作它們的支柱，很難理解與領(lǐng)悟，更不用談如何運用。當(dāng)然，學(xué)生學(xué)習(xí)不能止于直接經(jīng)驗，而必須要上升到符號經(jīng)驗的層面，以發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)思維，形成抽象概念。學(xué)習(xí)的過程宜從具體經(jīng)驗人手，逐步上升到抽象經(jīng)驗。位于“經(jīng)驗之塔”中部的觀察的經(jīng)驗，作為間接經(jīng)驗不局限于時間場地，既彌補學(xué)生直接經(jīng)驗的不足又利于學(xué)習(xí)者觀察能力的培養(yǎng)。在學(xué)校教育中運用各種教育媒體，可以使得抽象概念更為具體，從而更有利于學(xué)習(xí)者形成科學(xué)的抽象[6]。

將化學(xué)教學(xué)視聽媒體和方法與經(jīng)驗之塔三個大類，十個層次從底部向頂部一一對應(yīng)，化學(xué)“三重表征”出現(xiàn)了從宏觀表征到微觀表征到符號表征逐漸過渡的表達(dá)特性。在實際的教學(xué)中，對于教學(xué)方法媒體的使用，依據(jù)“經(jīng)驗之塔”從具體到抽象的指導(dǎo)性思想，化學(xué)“三重表征”的使用順序依次為“宏觀表征一微觀表征一符號表征”，如表l所示。

以實驗為基礎(chǔ)是化學(xué)最基本的特征，化學(xué)教學(xué)通過實驗事實認(rèn)識事物的客觀本質(zhì)。在進(jìn)行化學(xué)教學(xué)設(shè)計時，在條件允許的范圍之中，應(yīng)盡量讓學(xué)生動手參與實驗以積累直接經(jīng)驗。演示實驗現(xiàn)象鮮明，有較強的示范性與直觀性，通過化學(xué)演示實驗?zāi)転閷W(xué)生提供準(zhǔn)確并且生動的感性材料。多媒體教學(xué)兼收了具體經(jīng)驗和抽象經(jīng)驗的長處，利用圖片、聲音、視頻、動畫模擬等，既可彌補學(xué)生直接經(jīng)驗的不足，又能實現(xiàn)高效率的學(xué)習(xí)。學(xué)生是能動的個體，要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，教師需要合理科學(xué)地選擇“經(jīng)驗之塔”的不同層次對教學(xué)進(jìn)行設(shè)計。另外，教師一定要善于總結(jié)和提升，要幫助學(xué)生把直接經(jīng)驗和觀察的經(jīng)驗提煉加工，得到抽象的經(jīng)驗，建構(gòu)起化學(xué)符號表征的化學(xué)知識體系。

三、“三重表征”指導(dǎo)下的化學(xué)教學(xué)設(shè)計

1.化學(xué)教學(xué)設(shè)計的時序性——從具體到抽象

化學(xué)教學(xué)設(shè)計的過程往往體現(xiàn)為一系列教學(xué)任務(wù)的序列。這些教學(xué)任務(wù)序列的設(shè)計包含著對化學(xué)物質(zhì)、概念、原理的宏觀、微觀、符號三個層面的“三重表征”。借助化學(xué)實驗、模型、實驗視頻等手段實現(xiàn)化學(xué)的宏觀表征。微觀世界的表征往往抽象而需要充分的想象，教師可以利用教育技術(shù)手段來模擬微觀世界，幫助學(xué)生構(gòu)建微觀世界，實現(xiàn)化學(xué)微觀表征。如：運用3D技術(shù)模擬微觀粒子及其結(jié)構(gòu)、運動、變化，運用動畫效果模擬化學(xué)反應(yīng)等。利用化學(xué)式、方程式等構(gòu)成的符號與數(shù)學(xué)世界將微觀和宏觀世界聯(lián)結(jié)，并利用數(shù)學(xué)符號進(jìn)行精確的計算。如何將這些教學(xué)任務(wù)序列進(jìn)行合理的編撰與設(shè)計，“經(jīng)驗之塔”給予教學(xué)最大的啟示是教學(xué)的時序應(yīng)從具體到抽象。

在化學(xué)教學(xué)中，從直接或者間接的具體的經(jīng)驗下手，逐步上升到抽象。戴爾認(rèn)為，學(xué)生積累一些具體的經(jīng)驗，并能夠理解真實事物的抽象表現(xiàn)形式，在這個基礎(chǔ)上，才能有效地參加更加抽象的教學(xué)活動。具體的經(jīng)驗支撐學(xué)生對于抽象的符號理解起到非常重要的作用，這一點對于化學(xué)教學(xué)尤為重要。學(xué)生記住了許多概念、法則、符號，卻沒有具體經(jīng)驗作為支撐，沒有對概念深層次的理解，停留在陳述性知識學(xué)習(xí)的層面，僅能描述出事物的特征，不能更加有效地進(jìn)行程序性知識的理解和學(xué)習(xí)，其結(jié)果是對于概念、規(guī)則、原理能背不能用，對于實際問題的解決沒有幫助。化學(xué)教學(xué)不應(yīng)停留在具體經(jīng)驗的層面，應(yīng)由生動直觀向抽象和普遍發(fā)展，幫助學(xué)生形成概念、理解原理、運用規(guī)則。因此，化學(xué)教學(xué)的任務(wù)需從具體人手，逐步學(xué)習(xí)抽象的符號。如氯氣的性質(zhì)的教學(xué)，遵循“宏觀表征一微觀表征一符號表征”這一教學(xué)時序設(shè)計，就是基于從具體經(jīng)驗到觀察的經(jīng)驗到抽象經(jīng)驗這一教學(xué)原理（圖2）。

2.運用化學(xué)“三重表征”的幾種教學(xué)設(shè)計時序

個人的經(jīng)歷會受到時空限制，化學(xué)學(xué)習(xí)未必一定從位于“經(jīng)驗之塔”最底層的諸如化學(xué)實驗之類“做的經(jīng)驗”開始，化學(xué)概念、化學(xué)符號的學(xué)習(xí)往往始于對演示實驗的觀察、多媒體視頻這一類間接具體經(jīng)驗的學(xué)習(xí)。依照這一原理，化學(xué)“三重表征”除了“宏觀表征-微觀表征-符號表征”這一教學(xué)時序，還有“宏觀表征一符號表征”以及“微觀表征一符號表征”這些不同的表征時序的運用。

3.“具體-抽象-具體”的任務(wù)序列

學(xué)生習(xí)得抽象符號，最好的保持方法是運用。運用于具體的經(jīng)驗中的抽象符號，與學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，日后的提取才能運用自如?；瘜W(xué)教學(xué)設(shè)計中，任務(wù)序列的設(shè)計有著廣泛心理學(xué)基礎(chǔ)和教育技術(shù)理論的支持，運用也非常靈活。做的直接經(jīng)驗和模擬的間接經(jīng)驗都構(gòu)成任務(wù)序列中的具體經(jīng)驗，抽象的符號學(xué)習(xí)，源于此也運用于此?！熬唧w-抽象-具體”的任務(wù)序列應(yīng)成為每一個相對完整的教學(xué)環(huán)節(jié)的基本教學(xué)方式。

“具體-抽象-具體”作為教學(xué)任務(wù)設(shè)汁的一條重要設(shè)計原則，在化學(xué)教學(xué)中針對不同類型的知識點，特別是化學(xué)基本概念、化學(xué)原理、元素化合物、基本有機物的教學(xué)中等有著廣泛的運用。值得注意的是，在上述教學(xué)設(shè)計過程之中，不管是做的經(jīng)驗還是觀察的經(jīng)驗，都要提煉上升到抽象的經(jīng)驗，把抽象的經(jīng)驗具體化，達(dá)到知識的遷移、發(fā)散、運用的目的。

比如：同位素的學(xué)習(xí)。教師通過展示在自然界存在的三種氫原子——氕、氘、氚的用途，進(jìn)而給出這幾種原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖，分析它們的原子結(jié)構(gòu)：質(zhì)子數(shù)相同，核外電子數(shù)相同，中子數(shù)不同。由質(zhì)子數(shù)相同得出它們屬于同種元素;中子數(shù)不同，導(dǎo)致它們屬于不同種原子，因此可以導(dǎo)出同位素的概念。這一過程體現(xiàn)了由具體到抽象的教學(xué)過程，但是教學(xué)過程并不能止于此。同位素概念抽象，學(xué)生難以理解，需要實例的支撐來幫助學(xué)生理解以及概念辨析。教學(xué)設(shè)計以大多數(shù)天然元素都有同位素，并以鈾元素、碳元素的同位素舉例說明。通過概念辨析，學(xué)生學(xué)會區(qū)分元素、核素、同位素;同時，學(xué)生應(yīng)學(xué)會同位素相關(guān)的兩個關(guān)系，電荷數(shù)關(guān)系（核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)）;質(zhì)量數(shù)關(guān)系（質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)）。并且通過實例分析，區(qū)分同位素與同素異形體這兩個相似但絕不一樣的概念。

四、視聽理論下，化學(xué)“三重表征”教學(xué)案例

人教版教材選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章電化學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)電解池（第二課時）“電解原理的應(yīng)用”。教學(xué)設(shè)計以電解原理的放電順序為主線貫穿于整堂課中，教學(xué)內(nèi)容由“氯堿工業(yè)原理”“電鍍”“電解精煉銅”“電冶金”四個主要教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成。教學(xué)環(huán)節(jié)充分考慮了化學(xué)“三重表征”和視聽理論“經(jīng)驗之塔”對教學(xué)設(shè)計的指導(dǎo)意義。

任務(wù)1中，通過實驗演示電解飽和食鹽水進(jìn)行宏觀表征，幫助學(xué)生積累氯堿工業(yè)的間接經(jīng)驗，進(jìn)而運用微觀表征，通過動畫模擬氯堿工業(yè)中陽離子膜的選擇透過性。通過對學(xué)生提問和總結(jié)提升，要幫助學(xué)生對實驗和動畫觀察的經(jīng)驗提煉加工，得到抽象的經(jīng)驗氯堿工業(yè)電極反應(yīng)式與總反應(yīng)式，并分析實驗所用陽離子交換膜的作用以及實驗的尾氣處理。

任務(wù)2通過圖片展示一些生活中常見的含有鍍層的金屬制品，并提出如何進(jìn)行電鍍引起學(xué)生興趣。學(xué)生小組合作、實驗探究，根據(jù)已有物品分析設(shè)計出可行的電鍍組合，進(jìn)行電鍍實驗，上臺展示電鍍成品，并寫出每個電鍍組合的電極反應(yīng)式。電鍍實驗設(shè)計這一直接經(jīng)驗的獲取，幫助學(xué)生化學(xué)思維的宏觀表征，而結(jié)合電解原理深入分析電鍍的實質(zhì)，講解關(guān)于電鍍的定義等基本知識和原理則是從宏觀表征進(jìn)入符號表征，學(xué)生由直接經(jīng)驗轉(zhuǎn)入抽象經(jīng)驗的學(xué)習(xí)。

任務(wù)3電解精煉銅，播放動畫模擬粗銅與純銅做電極進(jìn)行電鍍的實驗，分析銅的電解精煉知識點。由微觀表征到符號表征，學(xué)生間接經(jīng)驗過渡抽象經(jīng)驗的積累，能夠根據(jù)電解原理相關(guān)知識分析陰極與陽極的電極反應(yīng)式，陽極泥成分。

任務(wù)4學(xué)生回憶必修二冶煉金屬知識，思考工業(yè)上如何來制取鈉、鋁等活潑金屬。教師介紹電解法冶煉活潑金屬的原理，并投影展示工業(yè)電解熔融氯化鈉冶煉鈉的方法和電解熔融氧化鋁冶煉鋁的方法。這一過程采用，學(xué)生由觀察視頻學(xué)習(xí)電解鈉、電解鋁的原理這一抽象經(jīng)驗。

化學(xué)教學(xué)設(shè)計，宜采用“符號表征一微觀表征一宏觀表征”來思考如何將抽象的化學(xué)知識表征為具體知識并為之設(shè)計一系列的師生交互式教學(xué)活動。學(xué)生通過“宏觀表征-微觀表征-符號表征”的學(xué)習(xí)過程，逐步構(gòu)建關(guān)于化學(xué)知識的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并能夠在不同的表征維度間靈活切換。

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