“三重表征”能力培養(yǎng)的瓶頸及其突破

吳晗清，高慧

（1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京100037；2.首都師范大學(xué)化學(xué)教育研究所，北京100048）

教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)的起始階段，往往興致勃勃，主要是由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的豐富多彩；然而到了學(xué)習(xí)物質(zhì)的量的時(shí)候，眾多的符號(hào)、化學(xué)反應(yīng)方程式等，尤其是微觀領(lǐng)域的概念，讓學(xué)生望而生畏，從而學(xué)習(xí)興趣大大減退。由此導(dǎo)致化學(xué)學(xué)習(xí)中的宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)脫節(jié)，學(xué)生雖然能記住相關(guān)化學(xué)概念的定義，然而并不理解概念的實(shí)質(zhì)，不理解化學(xué)符號(hào)的含義。更有甚者，認(rèn)為化學(xué)是理科中的文科，像背誦英語(yǔ)單詞一樣記憶化學(xué)符號(hào)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象。化學(xué)符號(hào)之所以難記難背、難以理解，究其原因，就是沒(méi)有將化學(xué)反應(yīng)宏觀現(xiàn)象、微觀本質(zhì)與化學(xué)符號(hào)建立對(duì)應(yīng)的正確的聯(lián)系，“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征能力缺失，學(xué)生在三者之間無(wú)法進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)譯。

一、三重表征的相關(guān)研究

1.三重表征概念的提出

1982年蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的斯通（John Stone）教授首先提出三重表征的概念，他認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)存在三種水平：（1）描述的和功能的（descriptive and functional）；（2）表征的（represen?tational）；（3）解釋說(shuō)明的（explanatory）。[1]1991年他又把最初的三種水平進(jìn)行了修正，改稱(chēng)為宏觀、微觀、符號(hào)，認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)要從這三種水平上來(lái)進(jìn)行。首先是宏觀水平，它是用來(lái)描述可觀察的現(xiàn)象的（如溶解、發(fā)光、沉淀現(xiàn)象等）；其次是微觀水平，它是用來(lái)描述微粒及其相互作用；再次是符號(hào)水平，它是根據(jù)化學(xué)式和化學(xué)方程式來(lái)表征化學(xué)物質(zhì)與反應(yīng)的，這樣從化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)出發(fā)，更全面更準(zhǔn)確地概括了化學(xué)學(xué)習(xí)的三種水平。

2.國(guó)內(nèi)關(guān)于化學(xué)三重表征的研究

國(guó)內(nèi)對(duì)三重表征的研究相對(duì)較晚，有研究者基于化學(xué)學(xué)科的特質(zhì)分析并結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)的研究，界定了化學(xué)“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的內(nèi)涵和關(guān)系，認(rèn)為宏觀表征是指物質(zhì)在變化過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的、可以直接感知到的宏觀現(xiàn)象在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映；微觀表征主要是指有關(guān)物質(zhì)的微觀組成和結(jié)構(gòu)、微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用等微觀屬性在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映；符號(hào)表征主要是指由字母組成的符號(hào)和圖形符號(hào)在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映。[2]基于上述觀點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生難以將宏觀表征和微觀表征相聯(lián)系起來(lái)，造成知識(shí)鏈的脫節(jié)；中學(xué)生對(duì)符號(hào)表征的比較模糊，宏觀表征與微觀表征的轉(zhuǎn)換存在障礙；任何一種表征出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)不同程度上影響學(xué)生三重表征的水平與能力。[3]

而造成上述常見(jiàn)狀況的原因在于，化學(xué)教師對(duì)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)手段較為單一，多數(shù)是單純地通過(guò)黑板圖示來(lái)演示微觀粒子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律；學(xué)生學(xué)習(xí)微觀表征的方法比較有限；化學(xué)教材中知識(shí)表征的表示方式不同，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度；三重表征思維方式不能完全依靠學(xué)生自己形成，而需要教師的引導(dǎo)和培養(yǎng)，等等。

綜上所述，基于化學(xué)學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)，研究者普遍認(rèn)可培養(yǎng)學(xué)生以“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的角度看待化學(xué)問(wèn)題，并認(rèn)為三重表征是相互有機(jī)聯(lián)系的，培養(yǎng)學(xué)生三重表征轉(zhuǎn)化能力也是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的關(guān)鍵。但由于教師教學(xué)方式、學(xué)生學(xué)習(xí)能力、教材表征方式等因素造成學(xué)生無(wú)法獨(dú)自建立三重表征能力，導(dǎo)致“宏觀—微觀—符號(hào)”相互轉(zhuǎn)化的能力十分薄弱。另外在研究方法上，已有研究多采用問(wèn)卷調(diào)查法及訪談法，對(duì)照法進(jìn)行相應(yīng)研究。已有研究的不足之處主要體現(xiàn)在：研究較為籠統(tǒng)，沒(méi)有將所謂的“宏觀現(xiàn)象”進(jìn)一步解構(gòu)，導(dǎo)致對(duì)此蜻蜓點(diǎn)水、不求甚解，從而導(dǎo)致對(duì)于如何有效地培養(yǎng)這一能力，依然需要進(jìn)一步深入的研究。

二、學(xué)生化學(xué)三重表征能力的測(cè)查

本研究對(duì)北京市普通中學(xué)的高二學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的三重表征能力測(cè)查，發(fā)放測(cè)試卷210份，回收有效測(cè)試卷196份，有效率為93.3%。正如上文所述，已有研究沒(méi)有對(duì)具體的“宏觀”內(nèi)涵進(jìn)行解構(gòu)。本研究擬將“宏觀”解構(gòu)為顏色、狀態(tài)、氣味、聲音、能量（外顯表現(xiàn)為是否發(fā)光、溫度變化、電流計(jì)是否偏轉(zhuǎn)）、速率（外顯表現(xiàn)為顏色變化、氣泡產(chǎn)生、生成沉淀等的快慢）等六個(gè)維度。從而考查學(xué)生對(duì)六個(gè)維度的掌握程度，以及相關(guān)的“微觀”及“符號(hào)”表征的能力。

1.微觀與符號(hào)：大部分學(xué)生能較好地利用符號(hào)來(lái)表征微觀世界

在微觀與符號(hào)維度，學(xué)生不能很好地對(duì)溶液體系的微觀粒子進(jìn)行分析。比如考查學(xué)生寫(xiě)出水的電離化學(xué)方程式并用微觀示意圖表示反應(yīng)過(guò)程。有67.9%的學(xué)生有化學(xué)反應(yīng)中斷鍵成鍵的意識(shí)；但有14.2%的學(xué)生無(wú)法正確地分析水中的微觀粒子，認(rèn)為水中存在氫離子和氧離子，電解時(shí)他們各自得失電子生成氫氣和氧氣；有60.7%的學(xué)生能較好地用微觀示意圖表示水的電解，多采用比例模型進(jìn)行解釋。對(duì)水的電解這樣一個(gè)熟悉的反應(yīng)，雖有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，但是學(xué)生并未能夠很好地認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，并對(duì)溶液體系中離子組成的分析存在一定知識(shí)性問(wèn)題。

進(jìn)一步考查溶液中的離子活動(dòng)，比如分析CH3COONa溶液為什么pH＞7時(shí)，約有30%學(xué)生認(rèn)為是由于氫氧化鈉的堿性強(qiáng)而醋酸酸性弱，導(dǎo)致溶液呈堿性，沒(méi)有考慮到水的電離平衡以及水解維度。只從字面上機(jī)械記憶：誰(shuí)強(qiáng)顯誰(shuí)性，卻難以分析出鹽類(lèi)電離出來(lái)的陰陽(yáng)離子影響了水的電離平衡，從而導(dǎo)致溶液的酸堿性。通過(guò)關(guān)于微觀與符號(hào)維度的研究，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生無(wú)法將反應(yīng)的微觀本質(zhì)與化學(xué)符號(hào)、化學(xué)方程式很好地建立轉(zhuǎn)化關(guān)系。雖然學(xué)生能理解符號(hào)的意義，但對(duì)符號(hào)表征的微觀世界無(wú)清晰的認(rèn)識(shí)。并且學(xué)生對(duì)微觀粒子的認(rèn)識(shí)局限在原子要用圓球來(lái)表示的程度，對(duì)分子原子無(wú)豐富的認(rèn)識(shí)。

2.宏觀與微觀：大部分學(xué)生認(rèn)為兩者之間存在鴻溝，缺乏二者相互聯(lián)系的能力，并且對(duì)物質(zhì)性質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是割裂的

（1）顏色方面。學(xué)生在回答測(cè)試題“同樣是鐵元素為什么含二價(jià)鐵離子溶液呈淺綠色，含三價(jià)鐵離子的溶液呈棕黃色”的時(shí)候，僅有17.9%的學(xué)生能回答出與離子的電子層結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中僅有10.7%的學(xué)生能回答出顏色與離子吸收光的程度有關(guān)。有高達(dá)82.1%的學(xué)生表示是常識(shí)，從沒(méi)考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題，甚至有的學(xué)生直接反問(wèn)“1加1為什么等于2”，這充分說(shuō)明了學(xué)生認(rèn)為化學(xué)物質(zhì)有顏色是理所當(dāng)然，而未從微觀的角度考慮過(guò)內(nèi)在的原因。在考查影響物質(zhì)顏色的因素時(shí)，僅有一名學(xué)生考慮到物質(zhì)的狀態(tài)，如氧氣與液氧，兩者雖為同一物質(zhì)但狀態(tài)不同導(dǎo)致顏色各異。進(jìn)一步考查狀態(tài)的影響因素時(shí)，大部分學(xué)生能認(rèn)識(shí)到物質(zhì)狀態(tài)與分子間距有關(guān)，但沒(méi)有一人能回答出狀態(tài)與晶體類(lèi)型有關(guān)。

（2）氣味方面。學(xué)生在回答“為什么會(huì)聞到化學(xué)藥品的氣味”時(shí)，有67.9%的學(xué)生能以案例的方式回答，如易揮發(fā)性的醋酸、氨水、鹽酸等。其要點(diǎn)都在于分子的不斷運(yùn)動(dòng)，卻沒(méi)有學(xué)生回答出聞到氣味也是化學(xué)物質(zhì)與受體細(xì)胞的一種微觀反應(yīng)。

（3）聲音方面。在回答“某些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中為什么出現(xiàn)聲音”時(shí)，大部分學(xué)生能舉出實(shí)例，集中為鈉與水反應(yīng)的“嘶嘶”聲及氫氣驗(yàn)純的爆鳴聲，他們從氣體產(chǎn)生的角度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的聲音進(jìn)行解釋。但僅有46.4%的學(xué)生能夠從較為微觀的角度解釋?zhuān)@部分學(xué)生中的一少半還能從能量角度進(jìn)行考慮，表明學(xué)生極少?gòu)奈⒂^的角度來(lái)考量聲音這一宏觀的體驗(yàn)。

（4）化學(xué)反應(yīng)速率方面。學(xué)生能夠從氣泡產(chǎn)生、沉淀生成的快慢等宏觀現(xiàn)象判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢。但僅有49%的學(xué)生在追問(wèn)下回答化學(xué)反應(yīng)快慢與微粒單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞有關(guān)。如解釋“對(duì)反應(yīng)N2（g）+3H2（g）?2NH3（g），△H=-92.4kJ/mol來(lái)說(shuō)，增加氫氣濃度或升溫會(huì)加快反應(yīng)速率”時(shí)，絕大多數(shù)學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為是平衡移動(dòng)影響了反應(yīng)速率，分不清化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與熱力學(xué)問(wèn)題。極少數(shù)的學(xué)生提到了濃度增加導(dǎo)致反應(yīng)混合物之間接觸更充分從而速率加快，但卻沒(méi)有學(xué)生明確指出是有效碰撞概率增加導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率加快。

（5）能量方面。學(xué)生知道化學(xué)反應(yīng)能量有多種形式，包括光能、電能、熱能等形式，化學(xué)反應(yīng)能量與化學(xué)反應(yīng)成鍵與斷鍵有關(guān)。但在分析“為什么同一個(gè)反應(yīng)方程式如2H2+O2=2H2O，既可以產(chǎn)生光能、熱能，還可以作為氫氧燃料電池產(chǎn)生電能”時(shí)，有46.4%的學(xué)生答出是由于反應(yīng)條件的不同導(dǎo)致物質(zhì)轉(zhuǎn)化相同但能量轉(zhuǎn)化卻不同。但只有一名學(xué)生對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了詳細(xì)論述，認(rèn)為投料比例、催化劑及反應(yīng)物物態(tài)都會(huì)影響能量的轉(zhuǎn)化。沒(méi)有任何人提到反應(yīng)發(fā)生的裝置問(wèn)題，表明學(xué)生沒(méi)有從微觀的角度去理解原電池的原理。

綜上所述，在宏觀與微觀維度，學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象變化如顏色、狀態(tài)、氣味、聲音等問(wèn)題熟視無(wú)睹、習(xí)以為常，大多當(dāng)作常識(shí)性知識(shí)來(lái)死記硬背的，沒(méi)考慮過(guò)這些宏觀現(xiàn)象背后的微觀原因，沒(méi)有很好地建立起物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的這一觀念，從而宏觀與微觀之間的有機(jī)聯(lián)系被生硬割裂。而對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率部分，大部分學(xué)生無(wú)法分清動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與熱力學(xué)問(wèn)題，將二者混為一談，關(guān)鍵的一點(diǎn)是沒(méi)將微觀粒子有效碰撞與宏觀上我們觀測(cè)到的速率變化建立聯(lián)系。

3.宏觀與符號(hào)：絕大部分學(xué)生難以用符號(hào)來(lái)表征宏觀現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系

在宏觀與符號(hào)維度，學(xué)生能很好地掌握一些宏觀物質(zhì)及其對(duì)應(yīng)的化學(xué)符號(hào)、反應(yīng)方程式等。經(jīng)過(guò)訪談，學(xué)生普遍表示沒(méi)什么捷徑，基本都是背誦下來(lái)的。而對(duì)于定量關(guān)系方面的考查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生會(huì)根據(jù)化學(xué)計(jì)量數(shù)，能夠進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題的簡(jiǎn)單計(jì)算，他們往往按照教師強(qiáng)調(diào)的解題程序，知其然而不知其所以然。如向氯化鋁溶液中滴加氫氧化鈉溶液，考查學(xué)生是否掌握這一反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生能寫(xiě)出兩者反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的方程式，只有少部分學(xué)生在沒(méi)有提示反應(yīng)物量的情況下，寫(xiě)出了過(guò)量的氫氧化鈉進(jìn)一步和前期生成的氫氧化鋁沉淀反應(yīng)。進(jìn)一步考查量化的反應(yīng)，即已知溶液中含有0.2mol氯化鋁和0.7mol氫氧化鈉，發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生束手無(wú)策，只有極個(gè)別的學(xué)生寫(xiě)出了正確的反應(yīng)方程式：2AlCl3+7NaOH=Al(OH)3+NaAlO2+6NaCl+2H2O。這充分表明，絕大部分學(xué)生難以用符號(hào)來(lái)表征宏觀現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系。

4.“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的構(gòu)架

如上所述，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)宏觀現(xiàn)象我們可以從物質(zhì)的顏色、狀態(tài)、氣味、聲音、能量、速率這幾個(gè)方面進(jìn)行微觀角度的分析。從調(diào)查結(jié)果及學(xué)生訪談可知，學(xué)生對(duì)于這些化學(xué)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)并沒(méi)有思考過(guò)，從而導(dǎo)致他們主要以機(jī)械背誦的方式來(lái)學(xué)習(xí)化學(xué)?；诖?，可以整合構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)的“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征關(guān)系（如表1），從而促進(jìn)學(xué)生三重表征的內(nèi)在一致性認(rèn)知。

（1）顏色方面?；瘜W(xué)物質(zhì)顯色主要與其粒子中電子的分子軌道有關(guān)，由于分子軌道之間的能級(jí)差較小，可見(jiàn)光照射到分子時(shí)，會(huì)因能級(jí)躍遷而被部分吸收，從而該分子的反射光就是其他未被吸收的單色光的復(fù)合色，因而該化學(xué)物質(zhì)就會(huì)顯色。當(dāng)有些物質(zhì)和它反應(yīng)時(shí)，生成了新分子，而新分子的分子軌道能級(jí)差較大，不吸收光，發(fā)生完全反射，因此就褪色了，如常見(jiàn)的酸性高錳酸鉀溶液反應(yīng)后褪色。

表1 “宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征關(guān)系

（2）狀態(tài)方面。物質(zhì)狀態(tài)與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著不可分離的關(guān)系，包括物質(zhì)的自身性質(zhì)。比如晶體類(lèi)型，分子晶體、離子晶體還是原子晶體，有無(wú)氫鍵；物質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)等外部條件，對(duì)微粒之間的距離及物質(zhì)狀態(tài)有著重要影響。

（3）氣味方面。分子是不斷運(yùn)動(dòng)的，我們聞到氣味是化學(xué)物質(zhì)與生物感受器作用的結(jié)果。嗅覺(jué)是由物體發(fā)散于空氣中的物質(zhì)微粒作用于鼻腔上的感受細(xì)胞而引起的。在鼻腔上鼻道內(nèi)有嗅上皮，嗅上皮中的嗅細(xì)胞，是嗅覺(jué)器官的外周感受器。嗅細(xì)胞的黏膜表面帶有纖毛，可以同有氣味的物質(zhì)相接觸。接觸后，通過(guò)神經(jīng)傳導(dǎo)，將信號(hào)傳導(dǎo)到大腦，產(chǎn)生嗅覺(jué)，比如氯氣、氨氣等的刺激性氣味。

（4）聲音方面。物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)時(shí)瞬間體積急劇膨脹或瞬間放出大量能量，可能發(fā)生爆炸，會(huì)引起容器壁劇烈振動(dòng)，分子撞擊器壁，從而發(fā)出爆鳴聲，同時(shí)在溶液體系中氣泡破裂也會(huì)發(fā)出聲音。

（5）能量方面?；瘜W(xué)反應(yīng)中，舊化學(xué)鍵斷裂吸收的能量與新化學(xué)鍵生成放出的能量之間存在能量差，從而有能量的轉(zhuǎn)化。而能量具體轉(zhuǎn)化形式與反應(yīng)條件、發(fā)生裝置以及反應(yīng)的劇烈程度有關(guān)。比如正是由于發(fā)明了原電池裝置，才能順利地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。

（6）速率方面?；瘜W(xué)反應(yīng)速率往往可以通過(guò)觀察宏觀現(xiàn)象（顏色變化、氣泡產(chǎn)生、生成沉淀等）變化的快慢來(lái)判斷。內(nèi)因與物質(zhì)自身性質(zhì)有關(guān)，如化學(xué)鍵強(qiáng)弱、氧化性還原性的強(qiáng)弱；外因有溫度、濃度、壓強(qiáng)、溶劑化效應(yīng)、有無(wú)催化劑等。從微觀上講，反應(yīng)中單位時(shí)間內(nèi)活化因子的有效碰撞的多少?zèng)Q定了化學(xué)反應(yīng)的快慢。

三、三重表征能力建構(gòu)的教學(xué)建議

通過(guò)上述的調(diào)查分析，我們可以看出學(xué)生在化學(xué)反應(yīng)的三重表征能力方面存在較為嚴(yán)重的問(wèn)題。比如無(wú)法從多個(gè)角度看待化學(xué)反應(yīng)與現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了很多知識(shí)性的問(wèn)題與迷思概念。在化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，往往死記硬背化學(xué)現(xiàn)象、知識(shí)，概念、原理等，而且視其理所當(dāng)然，沒(méi)有深入地去理解和分析背后的原因，以致“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征能力欠缺，尤其缺乏對(duì)三者之間的內(nèi)在一致性的認(rèn)識(shí)。為了改變這一現(xiàn)狀，可以從以下三個(gè)方面入手。

1.結(jié)合化學(xué)史，挖掘化學(xué)符號(hào)背后的歷史意義

在教學(xué)中，我們應(yīng)充分利用豐富的化學(xué)史資源，幫助學(xué)生理解符號(hào)的由來(lái)及含義，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“符號(hào)”本身歷史意義的深度認(rèn)知。從而突出符號(hào)的宏觀與微觀意義，強(qiáng)化微粒作用觀的形成，幫助學(xué)生理解符號(hào)在微觀與宏觀之間搭建橋梁的重要意義。比如“H2O”這一化學(xué)符號(hào)，它是什么意義呢？宏觀層面，它指的是一種通常狀況下無(wú)色無(wú)味的液體，是生命之源，是人類(lèi)社會(huì)生活不可或缺的重要資源；微觀層面，它指的是兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合成一個(gè)水分子。如果讓學(xué)生去機(jī)械背誦這些，則失去了化學(xué)符號(hào)本身承載的意義。

通過(guò)分析化學(xué)史料發(fā)現(xiàn)，1803年道爾頓發(fā)表了原子學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為自然界存在著不可分割的原子。若兩種元素只能形成一種化合物，則在該化合物中只含有每種元素的一個(gè)原子，所以水的簡(jiǎn)寫(xiě)表達(dá)式被定為“HO”。1805年蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)，在相同溫度、壓力下，氣體反應(yīng)中各氣體體積互成簡(jiǎn)單整數(shù)比。例如氫氣和氧氣化合成水蒸氣，體積比恰好是2∶1∶2，據(jù)此他提出了一個(gè)假說(shuō)，在相同溫度和壓力下，同體積的不同氣體含有原子的數(shù)目相同。但是道爾頓堅(jiān)決反對(duì)蓋呂薩克的這一假說(shuō)，因?yàn)槿舫闪ⅲ潜厝粫?huì)推出半個(gè)氧原子存在的結(jié)論，即O＋2H→2HO，那么一個(gè)水分子的形成就如：1/2O＋H→HO。然而道爾頓的原子論認(rèn)為簡(jiǎn)單原子是不可分割的。1811年阿伏伽德羅為了解決這一矛盾，提出了“分子假說(shuō)”。他認(rèn)為，無(wú)論是單質(zhì)還是化合物，在原子之上還存在一個(gè)分子層次；單質(zhì)分子由同種原子組成，化合物分子由不同種原子組成；化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是不同物質(zhì)的分子間各原子的重新組合。因?yàn)?，氫氣和氧氣的化合就?個(gè)氫分子（包括4個(gè)氫原子）和1個(gè)氧分子（包括2個(gè)氧原子）結(jié)合成2個(gè)水分子的過(guò)程，即2H2＋O2＝2H2O。

我們從歷史的角度來(lái)挖掘化學(xué)符號(hào)“H2O”的意義，發(fā)現(xiàn)化學(xué)符號(hào)不是隨便提出的，它是基于已有的知識(shí)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而確定的。另外，沉淀下來(lái)的符號(hào)一定是目前認(rèn)識(shí)范圍內(nèi)正確的，即要經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。蓋呂薩克假說(shuō)，導(dǎo)致半個(gè)原子的存在，而這顯然與道爾頓假說(shuō)的原子不可分矛盾。阿伏伽德羅假說(shuō)之所以能成為理論，是因?yàn)榻鉀Q了上述矛盾，能成功地解釋氫氣和氧氣化合成水蒸氣的過(guò)程中三者體積比這一宏觀現(xiàn)象。如果在教學(xué)中，簡(jiǎn)化上述歷史過(guò)程，讓學(xué)生經(jīng)歷探究，那么學(xué)生對(duì)化學(xué)符合“H2O”的認(rèn)知就不會(huì)停留在表面，而是深度蘊(yùn)含了原子論、蓋呂薩克定律以及分子學(xué)說(shuō)等，合理地通過(guò)符號(hào)“H2O”構(gòu)建了無(wú)色液體水與氫氧原子微觀結(jié)合的系統(tǒng)認(rèn)知。

2.從定量的角度，用符號(hào)來(lái)精準(zhǔn)表征宏觀和微觀世界

上文的分析表明，絕大部分學(xué)生難以用符號(hào)來(lái)表征宏觀現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系。另有研究也表明，大部分學(xué)生對(duì)定量?jī)H有表層淺顯的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有深度的認(rèn)知。他們并不清楚定量的重要性，不了解化學(xué)現(xiàn)象背后的量的關(guān)系，更不清楚量的關(guān)系體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)關(guān)系。例如把二氧化硫氣體通入澄清的石灰水中，澄清的石灰水變渾濁，此實(shí)驗(yàn)可以定性地檢驗(yàn)刺激性氣味的二氧化硫。但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若繼續(xù)通入二氧化硫氣體，則發(fā)現(xiàn)溶液變渾濁后，又由渾濁變?yōu)槌吻?。這是由于二氧化硫與澄清的石灰水反應(yīng)生成白色沉淀亞硫酸鈣，若繼續(xù)通入二氧化硫則生成的沉淀繼續(xù)與過(guò)量的二氧化硫反應(yīng)生成易溶于水的亞硫酸氫鈣。其實(shí)定量的意識(shí)在化學(xué)學(xué)習(xí)乃至整個(gè)科學(xué)研究中的作用都不容忽視，我們應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中動(dòng)手操作、動(dòng)腦思考，做到手腦并用。

因此，培養(yǎng)學(xué)生的三重表征能力，定量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)是重要的切入口。讓學(xué)生從宏觀現(xiàn)象的變化，去探求微觀的量變，從而正確地用符號(hào)表征，深刻構(gòu)建宏觀與微觀的精致化關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確把握化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的關(guān)系。教材中有許多表述，如果不從量的角度去思考微觀層面的原因，學(xué)生難以理解。如乙醛與新制的氫氧化銅反應(yīng)時(shí)，氫氧化鈉需要過(guò)量。為什么呢，由于生成的氧化亞銅在堿性環(huán)境中才能穩(wěn)定存在。就像康德名言所說(shuō)，“在自然科學(xué)的各門(mén)分支中，只有那些能以數(shù)學(xué)表達(dá)的分支才是真正的科學(xué)”。從這個(gè)層面上來(lái)說(shuō)，定量實(shí)驗(yàn)是對(duì)定性實(shí)驗(yàn)的升華，它讓學(xué)生從表層的宏觀現(xiàn)象進(jìn)入了微觀的本質(zhì)的原理，讓量化的化學(xué)符號(hào)精準(zhǔn)地將宏觀和微觀兩個(gè)割裂的視域緊密聯(lián)系起來(lái)。

3.培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)特的化學(xué)眼光：條件反射地以三重表征來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)問(wèn)題

前已述及，學(xué)生看待問(wèn)題時(shí)，化學(xué)學(xué)科特色的眼光還遠(yuǎn)未形成，也就是說(shuō)沒(méi)有入木三分地將宏觀現(xiàn)象到微觀本質(zhì)進(jìn)行持續(xù)深入的洞察。要么看到現(xiàn)象，淺嘗輒止；要么從化學(xué)原理分析，無(wú)視現(xiàn)實(shí)條件的限制；要么難以用符號(hào)正確地表征已知的宏觀或微觀世界。因此，培養(yǎng)學(xué)生一種獨(dú)特的能力就顯得非常重要，即看到一個(gè)問(wèn)題，瞬間就條件反射地從微觀、宏觀、符號(hào)三個(gè)視角去深入探討。當(dāng)今，信息技術(shù)飛速發(fā)展，化學(xué)理論與技術(shù)也是日臻完善，我們緊密結(jié)合化學(xué)前沿，充分利用模型、圖片、多媒體等直觀教具，來(lái)幫助學(xué)生建立宏觀與微觀的聯(lián)系。如直接給出最新化學(xué)技術(shù)“拍攝”出來(lái)的分子、原子的“照片”，讓學(xué)生直觀地感知原本看不見(jiàn)的微觀粒子。除了直觀，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維也非常重要，這樣才能將宏觀的辨識(shí)與微觀的探析深度一致地結(jié)合起來(lái)。

例如金剛石和石墨。宏觀層面上，金剛石是目前地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，于幾十億年前在地下深處高溫高壓下結(jié)晶而成。硬度最大，折射率高、色散性強(qiáng)，所以看起來(lái)五彩繽紛。石墨，其名稱(chēng)源于希臘文，原是“用來(lái)寫(xiě)”的意思，常用作鉛筆芯，質(zhì)軟，有滑膩感，可導(dǎo)電。兩種物質(zhì)風(fēng)馬牛不相及。微觀層面上，拉瓦錫等人燃燒金剛石發(fā)現(xiàn)得到的竟然是二氧化碳，從而表明它與石墨互為同素異形體。性質(zhì)的迥異，源自結(jié)構(gòu)的不同。二十世紀(jì)初，人們用X射線研究金剛石晶體內(nèi)原子的存在形式，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)碳原子都與周?chē)乃膫€(gè)碳原子緊密結(jié)合，形成一種正四面體的致密結(jié)構(gòu)，碳原子間距離為154pm。而石墨的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，每一層間的距離為340pm，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為142pm，具有完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對(duì)分子吸引力較弱，故其質(zhì)軟，滑膩感強(qiáng)?；瘜W(xué)符號(hào)表征方面，金剛石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性，高溫下不與濃HF、HCl、HNO3作用。石墨常溫下也比較穩(wěn)定，燃燒時(shí)生成二氧化碳或一氧化碳，可與氟直接反應(yīng)，具有還原性，在高溫下可以冶煉金屬。通過(guò)這樣的引導(dǎo)，學(xué)生就會(huì)以三重表征整合的視野，將復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入系統(tǒng)的思考，從而行成化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。▲

[1]畢華林.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，2005，26（5）：51-54.

[2]梁永平.微粒作用觀的科學(xué)學(xué)習(xí)價(jià)值及其科學(xué)建構(gòu)[J].化學(xué)教育，2003，24（6）：6-10.

[3]吳晗清.化學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生定量概念的建構(gòu)[J].化學(xué)教育，2013，34（7）：70-72.