高考題對(duì)“多重表征”教學(xué)的需求*——以“化學(xué)反應(yīng)原理題”為例

邱惠芬

（廣東省中山市教育局教研室 廣東 中山 528400）

自2010年來(lái)全國(guó)普通高考理科綜合化學(xué)試題（廣東卷）取消X 科，以理科綜合形式呈現(xiàn)。理科綜合化學(xué)部分的非選擇題依次為有機(jī)題、化學(xué)反應(yīng)原理題、無(wú)機(jī)綜合題和實(shí)驗(yàn)題，有機(jī)和無(wú)機(jī)題都在考查化學(xué)反應(yīng)原理的知識(shí)， 其中化學(xué)反應(yīng)原理題更為突出。2010－2014年的化學(xué)反應(yīng)原理題凸顯“化學(xué)科學(xué)特點(diǎn)和化學(xué)研究基本方法”。在高考題導(dǎo)向下的教學(xué)需求：培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科所特有的多重表征思維方式，幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)科學(xué)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、理論基礎(chǔ)

表征又稱心理表征或知識(shí)表征，是現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的核心概念之一，它指信息在人腦中記載和呈現(xiàn)的方式［1］。多重表征作為化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的表征模式，已經(jīng)取得了諸多研究成果。1991年，約翰斯頓提出了經(jīng)典的“多重表征”的三角模型，如圖1 所示。［2］

圖1 約翰斯頓的多重表征三角模型

圖2 四重表征教學(xué)模式的結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，錢揚(yáng)義等人提出了“曲線表征”，將“三重表征”發(fā)展為“四重表征”，如圖2 所示。其中宏觀表征指向人類感知器官可以直接感知到的物質(zhì)及其性質(zhì)；微觀表征指向亞微觀水平和亞原子微粒水平上的物質(zhì)及其性質(zhì)； 符號(hào)表征指向表示化學(xué)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化、狀態(tài)、數(shù)量、單位等的符號(hào)，如分子式、化學(xué)方程式等。曲線表征是指由某些自變量的變化引起因變量的變化以坐標(biāo)圖的曲線形式在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映。［3］

張丙香、畢華林在《化學(xué)多重表征的界定及其關(guān)系分析》中構(gòu)建的表征關(guān)系如圖3 所示。

圖3 張丙香、畢華林的多重表征關(guān)系圖

每一種表征水平和其他兩種表征水平都有交集，三種表征水平也有共同的交集，交集部分說(shuō)明知識(shí)的表征水平間具有內(nèi)在聯(lián)系。這表示有些知識(shí)是以一種表征水平存在（如對(duì)純凈物的顏色、氣味僅從宏觀角度理解），有些知識(shí)是以兩種（如對(duì)化學(xué)變化和物理變化的界定就是從宏觀和微觀的角度進(jìn)行理解的）或者三種表征水平（如化學(xué)方程式的理解）存在的。交集中表征水平越多，交集面積越大，說(shuō)明知識(shí)理解越深刻也越豐富。交集部分意味著學(xué)生能在它所包含的不同表征水平之間進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換。且交集部分是可變化的，隨著學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解越來(lái)越深刻，交集部分就越來(lái)越大，包含的表征水平也越來(lái)越多。［4］這是我們教學(xué)期望達(dá)到的，這種交集的能力要求在高考題中體現(xiàn)得淋漓盡致。

二、對(duì)高考“化學(xué)反應(yīng)原理題”的多重表征分析

廣東高考實(shí)施理綜高考模式5年來(lái)，理綜試題中化學(xué)反應(yīng)原理題是重要組成部分。從對(duì)2010－2014年的化學(xué)原理題進(jìn)行分析可知：“化學(xué)反應(yīng)原理題”既考查學(xué)生對(duì)物質(zhì)及其性質(zhì)理解應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)方案、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論等的“宏觀表征”能力，也考查學(xué)生進(jìn)行理論分析與微觀解析的“微觀表征”能力，還考查學(xué)生書(shū)寫(xiě)化學(xué)用語(yǔ)、方程式、公式計(jì)算的“符號(hào)表征”能力以及曲線分析、預(yù)測(cè)、繪制的“曲線表征”能力?！盎瘜W(xué)反應(yīng)原理題”與多重表征緊密結(jié)合是這類題目的整體特點(diǎn)，各表征之間相互滲透、融合，需要學(xué)生有較強(qiáng)的多重表征思維能力才能解決問(wèn)題。具體分析如表1 所示。

表1 2010－2014年廣東高考理綜“化學(xué)反應(yīng)原理題” 多重表征的分析

從表1 可發(fā)現(xiàn)，高考化學(xué)原理題中，幾乎每個(gè)小題都有其側(cè)重的考查視角， 有些小題還同時(shí)考查多個(gè)表征水平。從下表2 數(shù)據(jù)來(lái)看，可以說(shuō)明這五年試題的優(yōu)秀性，區(qū)分度均在0．4 以上。難度基本上都大于或等于當(dāng)年的全卷難度（除2010年外），說(shuō)明學(xué)生用多重表征思維方式答題還存在一定的困難，也說(shuō)明了從多重表征的視角來(lái)剖析高考試題的合理性。

表2 2010－2014年廣東高考理綜“化學(xué)反應(yīng)原理題”數(shù)據(jù)分析

綜上所述，高中化學(xué)教學(xué)需要培養(yǎng)學(xué)生的多重表征思維方式。那么，多重表征在高中化學(xué)教學(xué)中具有哪些功能？ 下面通過(guò)結(jié)合高中化學(xué)學(xué)科能力和高考試題進(jìn)行分析。

三、多重表征在高中化學(xué)教學(xué)中的功能

1．培養(yǎng)學(xué)生的多重表征思維，提高學(xué)生分析問(wèn)題能力

高中化學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)生面臨的學(xué)習(xí)困難是： 分子、原子、催化劑、物質(zhì)的量、化學(xué)鍵、同系物、化學(xué)平衡、電離平衡等抽象的化學(xué)概念和理論；化學(xué)事實(shí)性知識(shí)頭緒繁雜、零亂，學(xué)生理不清線索，難以在頭腦中形成系統(tǒng)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)；大量的化學(xué)符號(hào)等等。多重表征能從化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)出發(fā)統(tǒng)領(lǐng)整合化學(xué)學(xué)習(xí)，可在宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征和曲線表征實(shí)質(zhì)性聯(lián)系上進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)、組塊和結(jié)構(gòu)化，從而得到多維有序的、清晰合理的化學(xué)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。優(yōu)良的多重表征認(rèn)知結(jié)構(gòu)，將提高學(xué)生分析問(wèn)題能力，使學(xué)生時(shí)時(shí)（在學(xué)習(xí)的各個(gè)階段）處處（在宏觀、微觀、符號(hào)和曲線各個(gè)維度）有序地進(jìn)行分析問(wèn)題。當(dāng)學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)，可以習(xí)慣性地從多重表征來(lái)理解問(wèn)題的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)得更全面。例如：2012年廣東卷第31題第（2）小題，為探討反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案如下表：

?

表中Vx＝_____mL， 理由是 __________________。已知某條件下，濃度c（S2O82－）～反應(yīng)時(shí)間t 的變化曲線如圖4，若保持其他條件不變，請(qǐng)?jiān)诖痤}卡坐標(biāo)圖中，分別畫(huà)出降低反應(yīng)溫度和加入催化劑時(shí)c（S2O82－）～t 的變化曲線示意圖（進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)注）

圖4

如果在平時(shí)教學(xué)時(shí)，能夠從多重表征的角度來(lái)引導(dǎo)學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)，那么，當(dāng)學(xué)生遇到這個(gè)陌生的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，學(xué)生頭腦中也可以立即呈現(xiàn)出各反應(yīng)物濃度與時(shí)間的關(guān)系等等，并成功地解決問(wèn)題。

2．培養(yǎng)學(xué)生的多重表征思維，加強(qiáng)學(xué)生獲取信息的能力

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師和教材會(huì)向?qū)W生呈現(xiàn)大量的化學(xué)知識(shí)信息，但是每個(gè)學(xué)生有選擇地進(jìn)行感知的信息量是不同的。學(xué)習(xí)化學(xué)存在困難的學(xué)生，可能只注意到一些有趣的宏觀現(xiàn)象。而能夠運(yùn)用多重表征來(lái)學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)生，由于他們已經(jīng)儲(chǔ)存了一些宏觀、微觀、符號(hào)和曲線的有機(jī)聯(lián)系，他們對(duì)信息的選擇面就會(huì)寬泛的多， 因而能夠最大程度地增加有用信息進(jìn)行儲(chǔ)存。在儲(chǔ)存、提取信息時(shí)，提取線索起著非常重要的作用，對(duì)于同一知識(shí)點(diǎn)，運(yùn)用多重表征之后就會(huì)有至少三個(gè)提取線索。因此，在提取知識(shí)時(shí)，即使有一兩個(gè)線索中斷，仍然會(huì)有其他的線索可用，從而達(dá)到提取效果。近幾年高考考生答卷反應(yīng)的主要問(wèn)題之一：信息獲取能力較弱， 缺乏提取有效信息并進(jìn)行加工的能力。例如：2010年廣東卷第31 題第（2）小題，（2）在其他條件相同時(shí)， 反應(yīng)H3BO3＋3CH3OH?B（OCH3）3＋3H2O 中，H3BO3的轉(zhuǎn)化率（α）在不同溫度下隨反應(yīng)時(shí)間（t）的變化見(jiàn)圖5，由此圖可得出：

圖5

①溫度對(duì)應(yīng)該反應(yīng)的反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)的影響是 ______________________。

②該反應(yīng)的ΔH____0（填“＜”、“＝”或“＞”）。

具有多重表征思維的學(xué)生，當(dāng)看到該反應(yīng)的符號(hào)表征時(shí)，在腦中即會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行其他表征，提取相應(yīng)的信息，進(jìn)行分析：溫度越高，反應(yīng)速率越大，越早出現(xiàn)拐點(diǎn)；若該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率則隨溫度升高而減小，若該反應(yīng)吸熱，轉(zhuǎn)化率隨溫度降低而增大等等相關(guān)曲線趨勢(shì)，等等。具有多重表征思維的考生，可以從曲線表征獲得的信息推動(dòng)逆向思考，并從微觀的角度進(jìn)行解釋，全面地理解該反應(yīng)的本質(zhì)。

3．培養(yǎng)學(xué)生的多重表征思維，提高學(xué)生解決問(wèn)題能力

培養(yǎng)學(xué)生的多重表征思維，學(xué)生運(yùn)用多重表征思維方式可將大量信息在頭腦中進(jìn)行分類，從而空出更多的空間來(lái)考慮問(wèn)題的其他方面， 如問(wèn)題的已知條件、未知條件與該知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，以及該知識(shí)點(diǎn)與其它有關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系等。同時(shí)多重表征良好的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可根據(jù)問(wèn)題情景的需要，在宏觀、微觀、符號(hào)和曲線四個(gè)層面迅速互譯，提取相關(guān)信息（如看到宏觀現(xiàn)象、曲線，立即提取相應(yīng)的微觀和符號(hào)信息），從而解決問(wèn)題。

例如：2013年廣東卷第31 題第（3）小題，O3將I－氧化成I2的過(guò)程由3 步反應(yīng)組成：

（3）為探究Fe2＋對(duì)O3氧化I－反應(yīng)的影響（反應(yīng)體如圖6）， 某研究小組測(cè)定兩組實(shí)驗(yàn)中I3－濃度和體系pH，結(jié)果見(jiàn)圖7 和下表。

圖6

圖7

?

①第1 組實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)致反應(yīng)后pH 升高的原因是______________。

②圖6 中的A 為_(kāi)_______， 由Fe3＋生成A 的過(guò)程能顯著提高I－的轉(zhuǎn)化率，原因是__________。

③第2 組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行18s 后，I3－濃度下降。導(dǎo)致下降的直接原因有（雙選）___________。

A．c（H＋）減小 B．c（I－）減小

C．I2（g）不斷生成 D．c（Fe3＋）增加

從反應(yīng)機(jī)理中，具有多重表征的學(xué)生可以從符號(hào)表征中發(fā)現(xiàn)與圖表中信息的交叉點(diǎn)——?dú)潆x子濃度（pH）在反應(yīng)中的變化，從而解決第①個(gè)問(wèn)題。又可以根據(jù)圖表中“Fe3＋”多個(gè)表征，對(duì)它的存在進(jìn)行微觀角度（得失電子、水解等）分析、加以假設(shè)，并通過(guò)圖表表征中“pH 變化”的信息，可以推斷出“A”是Fe（OH）3，而不是Fe2＋。如果考生缺乏多重表征思維，可能在簡(jiǎn)單假設(shè)后思維得到收斂，誤以為Fe3＋被還原。

以上三個(gè)功能并不是相互獨(dú)立的，而是相互促進(jìn)的。能夠根據(jù)多重表征的思維分析問(wèn)題的各個(gè)方面，是提取、分析信息的重要前提，而提取的信息質(zhì)量又影響了學(xué)生對(duì)信息的分析和判斷。如果學(xué)生能夠?qū)?wèn)題進(jìn)行多重表征思考，那么對(duì)相互之間的關(guān)系也能把握得更好，從而提高解決問(wèn)題的概率。綜上所述，在教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生多重表征思維是有必要的。

四、多重表征的教學(xué)建議

1．注重創(chuàng)設(shè)和聯(lián)系學(xué)生的宏觀表征，凸顯多重表征

化學(xué)教學(xué)應(yīng)聯(lián)系學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，從學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)中找到和新知識(shí)相關(guān)的聯(lián)系點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生的理解。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師不僅要指導(dǎo)學(xué)生怎樣觀察現(xiàn)象，還應(yīng)啟發(fā)學(xué)生怎樣利用這些宏觀現(xiàn)象去思考問(wèn)題，看到化學(xué)現(xiàn)象背后的本質(zhì)，也就是說(shuō)要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)有意識(shí)地聯(lián)系起來(lái)，增強(qiáng)對(duì)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

其次，教師要盡可能多地為學(xué)生創(chuàng)造親自運(yùn)用多重表征的機(jī)會(huì)，為其創(chuàng)建一個(gè)有利于進(jìn)行多重表征的學(xué)習(xí)情景。例如，引導(dǎo)學(xué)生思考：“對(duì)于這一知識(shí)點(diǎn)，我是從宏觀、微觀、符號(hào)、曲線相結(jié)合的角度考慮、學(xué)習(xí)的嗎？”“今天學(xué)習(xí)的這些知識(shí)之間有什么內(nèi)在聯(lián)系？”“這一現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是什么？ 怎樣用符號(hào)來(lái)表示呢？ ”等等。通過(guò)這些問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生逐步提高多重表征的意識(shí)與能力。［5］

2．充分利用模型、圖片、多媒體等直觀教具，增強(qiáng)微觀表征

模型、圖片、多媒體等直觀教具對(duì)于學(xué)生從多重表征的角度理解和學(xué)習(xí)化學(xué)具有重要意義。例如，運(yùn)用模型展示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)用多媒體技術(shù)把“電離過(guò)程”“共價(jià)鍵的形成”等抽象的微觀知識(shí)形象地表示出來(lái)，從而增強(qiáng)對(duì)微觀表征的理解。在教學(xué)中，教師要激發(fā)學(xué)生的興趣，在學(xué)生產(chǎn)生“為什么”的想法時(shí)，教師通過(guò)模型、微觀圖片、多媒體動(dòng)畫(huà)等方式，引導(dǎo)其分析微觀結(jié)構(gòu)、變化過(guò)程，使學(xué)生們對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生微觀的本質(zhì)上的動(dòng)態(tài)的理解，再把宏觀現(xiàn)象、微觀過(guò)程簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確地抽象為化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式、反應(yīng)方程式等符號(hào)表征，從而讓學(xué)生用多重表征的思維方式來(lái)構(gòu)建化學(xué)知識(shí)。

3．突出化學(xué)用語(yǔ)的意義，強(qiáng)化符號(hào)表征

在符號(hào)表征的教學(xué)中，要充分利用實(shí)驗(yàn)、實(shí)物、模型、圖示、多媒體等直觀手段，在帶給學(xué)生充分感知的基礎(chǔ)上，把化學(xué)符號(hào)所蘊(yùn)涵的宏觀和微觀信息表示出來(lái)，使學(xué)生明白符號(hào)代表的宏觀和微觀含義，使得學(xué)生自動(dòng)實(shí)現(xiàn)思維在宏觀、微觀和符號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。

4．挖掘數(shù)據(jù)曲線的規(guī)律特點(diǎn)，增值曲線表征

教學(xué)中需要培養(yǎng)學(xué)生查找資料、分析信息的能力。充分利用教材中的素材，教材中有大量的數(shù)據(jù)曲線類的圖表，且數(shù)據(jù)曲線真實(shí)有效，有極大的權(quán)威性和很強(qiáng)的說(shuō)服力，是處理量化信息的使用工具。高考每一年都考查考生：通過(guò)觀察和分析數(shù)據(jù)曲線，以及從數(shù)據(jù)曲線中準(zhǔn)確提取實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，并進(jìn)行初步加工和有序存儲(chǔ)的能力。基于數(shù)據(jù)曲線的化學(xué)原理題不僅是廣東近年來(lái)高考的重要組成部分，而且也是其命題特色，其充分體現(xiàn)了高考題對(duì)多重表征教學(xué)的需求。

［1］吳慶麟．認(rèn)知教學(xué)心理學(xué)［M］．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000

［2］畢華林，黃婕，亓英麗．化學(xué)學(xué)習(xí)中“宏觀－微觀－符號(hào)”三重表征的研究［J］．化學(xué)教育，2005，（5）：51－54

［3］魯新玲．運(yùn)用“手持技術(shù)”與“互動(dòng)課堂反饋系統(tǒng)”的高三化學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)實(shí)踐與思考 ［J］．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2010，（4）：18～21

［4］張丙香，畢華林．化學(xué)三重表征的界定及其關(guān)系分析［J］．化學(xué)教育，2013，（3）：8－11

［5］張丙香．高中生化學(xué)反應(yīng)多重表征心智模型的研究—以氧化還原反應(yīng)為例［D］．濟(jì)南：山東師范大學(xué)學(xué)位論文，2013