三重表征思维能力培养的入与出.doc

重视“三重表征”思维能力培养，建构微粒观摘要：关键词：由中国化学会主办，中国化学会化学教育编辑部、中国化学会化学教育委员会、延边大学师范学院承办的“化学教育改革与教师专业发展暨第二届化学教育读者、作者、编者学术交流会，于2013年7月26日至29日在吉林省延吉市举行。山东师范大学的毕华林教授作了“化学教育中的三重表征”报告，介绍了化学三重表征的研究进展及其本人的研究成果，指出化学三重表征已经成为化学课程设计、教科书编制、教学研究等的重要理论基础；关注化学表征能力的提升。“宏观微观符号”三重表征能力的考查是化学学科的特色。考生有效地克服化学表征障碍是化学学习是否入门、是否过关的“试金石”和“关节点”，应注意以“物质的微粒性”、“物质的化学反应”等为中心内容进行系统梳理，夯实基础，准确、规范地表达。三重表征思维能力培养的重要性三重表征的内容三重表征思维能力的特征三重表征思维能力的培养方法学生宏观、微观、符号三重表征的思维方式不能完全依靠学生自己形成，而需要教师的引导和培养。在教学中，教师要采取相应的策略，如以典型物质及其变化为载体，充分利用实验、模型、图片、多媒体等直观手段，突出符号的宏观与微观意义，挖掘实验教学对培养学生三重表征的作用，促进学生用宏观、微观、符号三者结合的思维方式学习化学。如以水为载体，介绍水的元素组成、介绍化学式的宏观和微观含义；以水的蒸发、电解为例，利用分子模型展示水分子挥发和分解的示意图，可以帮助学生利用宏观、微观、符号三者结合的思维方式，从分子、原子的角度认识物理变化和化学变化的不同。为什么学生记忆的化学方程式是带系数？为什么学生今天记住的化学方程式，第二天又忘记了？教师教与导“三相同步”法建立三重表征思维模式定势：宏观微观符号教材有关三重表征思维方式的运用例证与表现：人教版细致入微鲁教版：读懂“微观图”的意义 微粒的性质时： 物质变化时 物质分类时“宏观-微观-符号的关系复杂”，要重视以典型物质及其变化为载体加强对三重表征相互联系的认识。学生三重表征思维能力的检测时：让学生画（或选择）“微观变化过程中的过程图像”，了解学生的大脑世界中的微观表征情况。加热降温 以水为例： 水蒸气 水 冰三重表征思维能力的考查的方式解题时：微观“符号化”：将微观图示符号表达根据符号进行解题或计算摘 要对物质进行“宏观微观符号”三重表征以及建立三者间的联系是化学学科特有的思维方式，对于初三学生学习化学知识有极大地促进作用。本文在分析化学思维方式基础上，结合三重表征的特征，提出了怎样突破学生学习化学用语困难的教学策略。 关键词化学 用语 学习 困难 三重表征 （一） 问题的提出 义务教育阶段化学新课程标准要求初三的学生能够用化学用语表示生活中简单的物质以及化学反应，解释一些简单的现象。但是，实际情况并非如此。在近几年的教育实习中，发现初三的学生在学习化学过程中，刚开始兴趣盎然，但是在学习分子、原子以及元素符号之后，学生的学习开始出现分化现象，大约30-40%（依据多个学校化学教师的测试成绩统计）左右的学生感觉到化学难学，听不懂，没有兴趣，不能够达到上述目标。这种现象引起我们的关注。 2006年10月我们在郑州地区做了“郑州地区初中化学学习情况调查”，结果显示，初三的学生化学学习的障碍来自各个方面，但最大的困难是化学符号和具体的宏观物质与微观物质不能产生联系。调查表明：初中阶段学习化学，符号表征的分化作用最大。因此，笔者提出在初中化学教学中重视学生的三重表征过程，突破化学用语学习困难造成的学习分化现象，提高化学教学效果。 （二） 化学学科思维方式的特殊性 1.初三学生化学学习的认知特点。化学是一门研究物质的组成、结构、性质和变化规律的科学，由于化学学科的特点，要求学生从不同的角度去认识物质：物质的性质体现在宏观上，要求学生认真地观察；物质的组成结构等微观理论则是通过让学生理解、想象，从而认识物质的本质；化学符号则是化学学科独特的表达方式，运用化学符号来代表事物，把化学符号作为思维运演的工具和媒介而进行的思维活动方式就是化学符号思维。因为，化学学科的特点要求学生从宏观、微观、符号三个角度去认知化学知识。所以，教师必须重视学生心理上的宏观表征、微观表征及其符号表征的形成及融合的问题。 2.三重表征的涵义。表征是指信息在人脑中记载和呈现的方式。宏观表征是指对物质所进行的外在可观察的现象在学习者头脑中的反映，在化学学科中具体指物质的物理性质和化学性质的外在表现。当进行木炭在氧气中燃烧实验时，学生通过观察木炭可感知木炭是黑色的固体，氧气是无色气体；通过闻氧气的气味得出氧气是没有气味的，同时，通过实验知道木炭燃烧是需要氧气的；通过观察发光的实验现象以及触摸瓶壁得出木炭燃烧放出热量，从而完成一系列的直观感知，形成对物质的宏观表征的认识。宏观表征的难度不大且有记忆再现性。 微观表征是不能直接被观察到的，主要指物质的微观组成和结构、微观粒子的运动及相互作用等微观属性在学习者头脑中的反映。学生微观表征的形成，需要通过想象来完成，而学生缺乏这方面的想象力，所以教师通过模型展示、多媒体演示或生活中相类似的事物作比喻等手段来帮助学生理解。例如，讲原子的构成时，可将原子核比作是放在十层大楼的一个小枣，电子在大楼的空间里不停的运动。凭此帮助学生理解原子不是一个实心球体。 符号表征：是指由拉丁文和英文字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映。它属于人们认识的第二信号系统，间接地反映了事物的本质，因而符号表征的学习比较困难。符号表征是化学学科的特点。这种符号虽然简洁，但是内涵丰富。例如：“CO2”既有宏观意义：表示“二氧化碳这种物质”，“二氧化碳是由碳元素和氧元素组成的”；又有微观意义：表示“1个二氧化碳分子”；“1个二氧化碳分子是由1个碳原子和2个氧原子构成的”等。符号表征不仅是化学学习的一种语言，也是将宏观表征和微观表征联系起来的桥梁。因此，在教学中必须重视化学用语的中介作用。 （三） 学习化学用语的教学策略 1.运用“类比”和“想象”。类比是依据两个对象之间存在着某种类似或相似的关系，根据已知对象具有的某种性质推出未知对象具有相应性质的一种推理方法。在初中阶段，学生倾向于直观思维、形象思维，因此，严格意义上的类比不多，常见的是用身边事物中的某些相仿点来帮助学生想像，理解问题。例如，一堆小麦是由无数粒小麦一粒一粒的“堆积”起来的，由此类比一滴水是由无数个小得用肉眼看不见的水分子“堆积”起来的。借此类比，有助于学生想象水分子。 另外，精心组织语言，引导学生想像也能帮助学生形成微观表征。例如，讲解“分子是由原子组成的，它是保持物质化学性质的最小微粒”时，学生会产生疑惑，既然分子是由原子组成的，但为什么原子不是保持物质化学性质的最小微粒？组织语言，引导学生想象：一滴水中含有许多个水分子，一个水分子就好比一朵鲜花，一个水分子中的氢原子和氧原子就好比花蕊和花瓣。通过这段描述，学生就可以区分开原子和分子，从而理解“分子是保持物质化学性质的最小微粒”。 2.采用发散思维和直观思维方法。化学式和化学方程式是化学世界的独特语言文字，是化学学习者的专业语言。 化学方程式的记忆对于初三学生来说负担较重，单纯死记硬背效果较差。教学中发现从以下几个方面着手，效果颇好。其一，让学生对化学符号主动进行发散思维，以赋予符号更多的信息，丰富对它们的认识。例如：提供给学生元素符号“C”，学生说“C”是半圆、或是耳朵、或是月亮、或是钻戒这样，通过发散思维学生找到切入点来认识“C”在化学学科中的意义。其二，选择学生熟悉的一个化学反应作为模板，引导学生分析、理解这个化学方程式的含义，储存在头脑中。当学生再遇到其他化学方程式时，将其与模板作对照，理解新的化学方程式意义。第三，结合化学反应时的现象，对于识记化学方程式、理解其意义也能起到促进作用。在描述物质反应时，配上文字表达式和化学方程式,将它们与实验现象结合起来，丰富联想的线索，减少机械记忆,增强意义识记，效果较好。 3.运用“形象组块法”。化学用语的中介作用体现在将物质的宏观性质和微观本质联系在一起。然而，学生缺乏将三重表征统一的意识，倘若运用形象组块法，则完全能克服三重表征融合难的问题。例如，结合生活实际，引导学生想象：吃饭时感觉到咸味，由此想到食盐的味道；通过观察食盐的状态、颜色而形成宏观表征；如果用化学符号表示，食盐是“NaCl”。当学生在实验室中接触到氯化钠晶体模型时，形成微观表征，用化学符号表示便是“NaCl”。学生见到“NaCl”时，很快想象出它的宏观状态和晶体结构。以上过程可用下图表示。由此能帮助学生解决三重表征融合难的问题。 图1： 氯化钠的三重表征图 根据化学学科的特殊性，结合学生认知特点，采用适当方法，将三重表征融合为一体，突破化学用语教学困难，学生在这一方面的学习分化现象将得以解决，在实践中确实起到了较好的教学效果。 参考文献： 1吴俊明,王祖浩.化学学习论M.南宁：广西教育出版社,1996.157. 2毕华林,王玲玲.化学学科中物质三重表征的教学策略J.中学化学教学参考,2006，(3). 3 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，(化学学科中物质三重表征的教学策略毕华林 王玲玲摘要：对物质进行的三重表征以及建立起三者间的联系是化学学科独特的思维方式，对形成学生良好的认知结构和化学科学观念，具有重要的作用。本文在分析了化学学科中物质的三重表征的基础上，提出了相应的教学策略。关键词：化学学科 三重表征 教学策略化学学习中学习者对物质进行的宏观表征、微观表征和符号表征以及建立三者间的联系是化学学科不同于其他科学最典型的思维方式，离开了这个基本点，就不是化学。然而，调查发现学生学习化学的困难却是缺乏将它们进行有机联系起来的能力，学生很难完成从宏观到微观、从微观到符号和从宏观到符号的抽象。本文通过对学习者三重表征形成过程的研究，提出了相应的教学略，以此来促进学生良好的化学思维方式及认知结构，并帮助学生理解化学学科内在的逻辑结构。一、物质三重表征的涵义及形成表征是认知心理学中的一个术语，它是指客观事物在人的心理上的感知反映，它可以是图像的、声像的、动作的、符号的，也可以是语义的、情景的、概念的、意象的和逻辑的。化学作为研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的一门学科，既研究物质宏观上（可以直接观察到）的性质及其变化，也研究物质微观上（不能直接观察到）的组成、结构，而作为研究和交流化学的工具则诞生了表述物质组成、结构和变化的符号。因此，在学习者心理上就形成了对物质特有的三重表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征。这三种表征形式涉及心理的各个感知，这些感知在心理上的内化表征形式越丰富，对物质的认识和理解也越趋全面和透彻。因此，研究化学学科中物质的三重表征及其形成，并以此来指导教学具有重要的价值和意义。1三重表征的涵义宏观表征：是指对物质所进行的外在可观察的现象在学习者头脑中的反映。化学学科中可以直接观察到的现象主要是指物质属性中的物理性质和化学性质的外在表现。学生通过观察物质的形状、颜色，或是通过与其他物质发生反应所产生的一系列可观察的现象如光、热等来感知事物，在头脑中形成图像的如黑色粉末状的氧化铜，形成声像的如点燃氢气所发出的“噗”的一声响，形成动作的如用小刀切割金属钠等对物质的多重感知反映，形成对物质宏观表征的一种认识。这是初期刚接触化学学科的学生最易接受和形成的表征形式，是一种最丰富的感性认识，为以后进行微观领域的表征学习打下基础。宏观表征具有再现性，能再现一些情景，包括图像的、声像的、动作的等多种感知。比如，在以后的学习中遇到了有关金属钠的问题时，在学生头脑中的就会在浮现出老师或是自己亲自切割金属钠时的“动作形象”和切割后金属钠由银白色变为灰色的一些图像表征。微观表征：是指不能通过直接观察得到的，物质的结构、组成、反应机理等微观领域的属性在学习者头脑中的反映。学生通过教师的讲解、模型展示或借助一定的多媒体，想象微观水平上物质的内部结构、组成及变化运动来感知事物。在头脑中形成图像的如金刚石内部正四面体的网状结构、石墨内部层状的原子结构分布，语义的如原子是构成物质的一种微粒，形成逻辑的如分子是由原子组成的等，对物质的多重感知反应，形成对物质的微观表征。在中学化学中，微观表征的内容主要有反映物质微观组成和结构的基本概念和原理知识。如物质组成上的概念有：原子、分子、元素等；物质结构上的概念有：离子键、共价键、共价电子等；基本理论上的有：电离平衡、盐类水解等。从认识论上来说，宏观表征到微观表征是学习者对物质从感性认识到理性认识的一次飞跃。微观表征的形成，需要学生丰富的想象力，通过想象力来理解看不见摸不着的微观世界。如老师在讲解水分子的结构时，借助模型学生能想象出一个氧原子通过共用电子对结合氢原子形成水分子的结构。符号表征：是指由拉丁文和英文字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映。这些字母是化学独特的符号系统，有其特有的语言和语法规则，是化学学科内进行思维的最基本的工具，它是人们理解物质化学变化最贴切、最丰富的符号系统，不掌握化学语言就无法进行思考。如对于符号H2O，可以表示“水这种物质”、“1个水分子”、“水是由氢元素和氧元素组成的”，还可以表示“1个水分子由2个氢原子和1个氧原子组成”。可见化学符号不仅是一种思维的工具，还作为一种中介将宏观物质“水”和微观组成的水分子及符号“H2O”联系起来。符号表征的内容有实体符号（元素符号和化学式）、状态符号（表明物质所处的状态的符号）、结构符号（准确反映某一物质内部各构成单元之间的空间关系）、条件符号（表征化学反应的具体条件）及效应符号（表征与化学变化相伴而生的宏观效应）等，通过它们建立起对物质组成、结构及其变化的表示。用符号语言来表示物质的存在变化必须和宏观的事实经验与微观的组成结构联系起来，否则，这些符号在学生们的眼里只能是“第二外语”，是化学中一种毫无疑义的代数练习。2三重表征的形成关于物质的三重表征在学习者心理的形成，我们做一个初步的解释。学习者通过对物质外在物理性质和化学性质的现象观察，在头脑中产生了一些图像的、声像的、动作的、情景的等刺激，在教师借助一定的媒体手段如模型引导和语言的解说下，使学生通过丰富的想象建立起对物质微观的、图像的、符号的，语义的、概念的等多重感知，在化学符号的中介作用下，对这些表征信息给予梳理，整合，在大脑中形成对事物完整的表征认识。经过多次这种多重感知在头脑中的融合、存储和保持，就形成了对事物稳定的多重表征。在实际运用中，大脑会提取相关信息，重复再现表征，实现从理性认识到实践的再次飞跃。例如，在加热水，使水沸腾蒸发，水变少这一水的物质状态变化的过程中，学生是这样建立起三重表征关系的。通过图像的（冒出的水蒸气）、声音的（加热水的声音）、语义的（分子作无规则运动）、情景的（水变少）、概念的（水分子吸热）等对学生心理上的多重刺激，和H2O (l)H2O(g) 这一表示水状态变化的符号方程式在学生头脑中融合后，完成了关于“水”这一物质从液体变为气体的状态变化和从宏观到微观、再到符号的抽象过程。研究表明，经过融合后的多重表征其效果比单一的对物质所进行的表征能得到更综合的学习效果，对事物的认识和理解也更加深刻了。但是，随着学生对大量事物三重表征的学习及学生思维能力和想象能力的发展，通过教学，学生可在没有具体可观察事物的宏观表征时，直接形成对事物的微观表征和符号表征。二、加强物质三重表征的教学策略物质三重表征的形成在很大程度上需要教师在教学过程中积极引导，进行有意的联系。通过学生亲身实验，或是通过投影片展示实物的宏观性质等其他方式，以引起学生的兴趣和求知欲望，在学生的脑海中产生“为什么”的想法时，教师通过描述，模型展示，多媒体放映或进一步的实验对比，使学生们了解物质的微观结构和特征。在结合物质的分子式、结构式或表示变化过程的反应式等符号表征下，使对物质的三重表征教学自然地融合在一起。 图1 物质的三重表征策略示意图1. 利用模型增强学生对微观结构的空间想象力，实现从宏观到微观的抽象多数研究者认为视觉图像表征在对问题解决中起到举足轻重的作用，因而在对物质微观领域的认识学习上，也具有重要的意义。因为它能增强直观性，形象地向学生展现出物质的微观结构，如分子的立体形状、分子内各原子的相对大小和空间位置，促进学生对知识的理解。因此，为了理解微观概念和原理，在教学中将微观结构与刺激视觉的模型（中学中最常用的刺激视觉的模型通常有实体球棍模型和图示比例模型）联系起来进行教学，同时，也将模型和符号联系起来，这样可以帮助学生很容易地在头脑中建立起联系宏观和微观的“观念模型”，培养学生的空间想象力。学生通过长期的这种观念的熏陶，会逐渐认识到物质在宏观上表现出的性质和现象，在微观上却“原来如此”，从而感叹科学的奥秘。2. 通过实验分析化学反应的微观动态过程，实现从宏观到微观、微观到符号的抽象通过实际操作，学生们从宏观上观察到的现象等直接经验和物质的内部结构联系起来，使学生认识到宏观上表现出的性质，实际是看不见的粒子在微观状态下集体行为的表现，从而不再对物质表现出的性质感到不解和神秘。如电解水的实验，通过对结果验证，证明两个试管中的气体分别是氧气和氢气，让学生从宏观上观察到水电离后的产物。当教师提出“电解水是如何生成氢气和氧气的呢？”这个问题的时候，也就意味着进入从物质的微观层面寻求答案的认识历程。通过多媒体课件播放水分子电解的动画过程，使同学们想象出水中微弱电离出的氢离子和氢氧根离子是怎样在电流的作用下运动的，就如同在学生们眼前展现了一幅离子排着整齐的队伍在各自朝着不同的目的前进的画面，实现了从宏观到微观的抽象。再通过离子方程式的书写，从而在同学们的头脑中建立起关于水电解从宏观上表现出的性质和微观电离过程及水分子电离出氢离子和氢氧根离子三重表征的有机联系，形成了对水这一物质的深刻认识。尽管在有的教学中，教师也讲述了电离的过程，但由于教学中缺乏对三重表征的有意联系，使学生不能形成整体统一的认识，这样的知识缺乏灵活性和迁移力，不易形成合理的认知结构。3利用概念图展示宏观物质与微观结构之间的层级关系，实现从宏观到微观的抽象概念图是用图的方法来表现概念以及其中的概念间的联系。一个概念图是由结点和连线构成的结构性的表征，其中，结点对应某领域中代表各种概念的重要术语名词，连线代表一对概念（结点）之间的关系，而连线上的标注则说明这是什么样的关系。各种关系在整体上组成了概念图的层级关系。化学学科中含有大量的表示宏观特征的概念名词如化合物、元素及微观结构如分子、原子的概念，这些概念按照从抽象到具体、概括性由大到小的层次，把概括性最广的概念放在顶层，最具体的概念放在最低层，展示各级概念间的层级关系的图示，能清楚地展现出物质宏观表征和微观表征之间的关系，对培养学生合理的认知结构起到重要的作用，在进行三者联系的教学中占有很重要的位置。图2是关于物质组成结构的一个简单的概念图的绘制。 图2 物质组成结构关系图从以上概念图中我们可以看出，从最高层级的宏观“物质”到组成物质的微观粒子“质子”、“中子”，使学生能很好地完成从宏观到微观的抽象过程。4通过精心设计类比案例，实现对物质从宏观性质到微观结构差异的认识不同类型的例子可以开阔学生的思路，从不同的角度和视野加深对物质宏观性质和微观结构之间关系的