基于三重表征的化學(xué)教學(xué)實(shí)踐與思考

【摘 要】“宏觀—微觀—符號”三重表征是化學(xué)學(xué)科獨(dú)有的、最顯著的思維方式。研究者以“水的組成”教學(xué)為例，讓學(xué)生經(jīng)歷宏觀觀察、微觀辨析與符號表征的過程，培養(yǎng)學(xué)生“宏觀—微觀—符號”的思維方式和表征方法，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】宏觀—微觀—符號;三重表征;水的組成

【作者簡介】黃瑞萍，一級教師。

正如化學(xué)諾貝爾獎獲得者霍夫曼教授所說，化學(xué)即表征。從某種意義上說，化學(xué)就是一門表征的學(xué)科。自從1982年約翰斯頓教授首先提出化學(xué)學(xué)習(xí)的三重表征以來，三重表征的研究得到了國內(nèi)外化學(xué)教育專家的重視。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)三重表征是化學(xué)學(xué)科獨(dú)有的、最顯著的思維，是學(xué)好化學(xué)必備的核心能力之一。本文以人教版化學(xué)九年級上冊的“水的組成”為例，對三重表征的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探究。

一、“宏觀—微觀—符號”的內(nèi)涵與意義

化學(xué)是一門研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律的學(xué)科，化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容特點(diǎn)決定了宏觀、微觀、符號是對化學(xué)學(xué)科的教學(xué)起到統(tǒng)領(lǐng)和高度概括的思想，從這三方面來研究化學(xué)不僅能幫助學(xué)生厘清宏觀、微觀、符號之間的關(guān)系，還能幫助學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科的思維方式，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

表征是指信息在頭腦中的呈現(xiàn)方式。宏觀表征是指物質(zhì)在物理和化學(xué)變化中表現(xiàn)出來的，可以直接觀察到的宏觀現(xiàn)象在人腦中的反映，是一種豐富的感性認(rèn)識。如鐵絲在氧氣中燃燒，可以觀察到鐵絲劇烈燃燒，火星四射，有黑色固體生成，同時(shí)通過觸摸集氣瓶還可感知鐵絲燃燒放出熱量。微觀表征主要是指有關(guān)物質(zhì)的微觀組成和結(jié)構(gòu)，微觀粒子的性質(zhì)及相互關(guān)系等微觀屬性在學(xué)生頭腦中的反映。微觀表征是看不見摸不著的，往往需要通過建模、動畫模擬等形式來幫助學(xué)生形成微觀表征。如金剛石和石墨物理性質(zhì)的差異，教師可以通過展示金剛石的正八面體立體網(wǎng)狀模型讓學(xué)生感知金剛石的穩(wěn)固性，同時(shí)讓學(xué)生去推拉石墨結(jié)構(gòu)的層狀模型，從而感知石墨的質(zhì)軟和滑膩的成因。符號表征主要是指物質(zhì)組成的符號和圖形符號在學(xué)生頭腦中的反映。如“O2”表示氧氣，其由氧元素組成，還可以表示一個氧分子，其中一個氧分子由兩個氧原子構(gòu)成?？梢?，符號表征是聯(lián)結(jié)宏觀表征與微觀表征的紐帶。這三種表征形式之間不是孤立的，而是有機(jī)聯(lián)系的，它們共同構(gòu)成學(xué)生對化學(xué)知識完整的表征系統(tǒng)。

二、基于“宏觀—微觀—符號”三重表征思維的構(gòu)建模式“宏觀—微觀—符號”三重表征的思維方式是解讀化學(xué)的重要思維方法，該思維方式指出了化學(xué)的研究對象是宏觀世界與微觀世界，同時(shí)借助化學(xué)符號來表示研究所得?；谌乇碚飨嘟Y(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)，教師可通過可感觀的宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，以建模等形式引導(dǎo)學(xué)生從微觀層面進(jìn)行分析、解釋化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，最后再以符號的形式將宏觀的化學(xué)反應(yīng)直觀、簡潔地表示出來（如圖1）。

基于三重表征相結(jié)合的思維構(gòu)建模式形成了學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中的三種思維與知識表征方式，運(yùn)用這樣的思維和表征方式學(xué)習(xí)化學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生對化學(xué)知識的理解，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

三、基于“宏觀—微觀—符號”三重表征的教學(xué)設(shè)計(jì)1教學(xué)內(nèi)容分析

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》指出，水是學(xué)生最熟悉的物質(zhì)，在教學(xué)中要注意引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究水的組成和性質(zhì)[1]，從本課題開始，學(xué)生對物質(zhì)的認(rèn)識進(jìn)入了分子微觀層面。學(xué)習(xí)人教版第三單元“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”恰是學(xué)生形成“宏觀—微觀—符號”思維的鋪墊時(shí)期，而“水的組成”則是學(xué)生形成“宏觀—微觀—符號”思維的入門時(shí)期。學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的關(guān)鍵就在于建立“宏觀—微觀—符號”的思維方式（這也是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的難點(diǎn)），這相當(dāng)于既掌握了技術(shù)類工具知識（化學(xué)符號的識、讀、寫），又掌握了原子論的思想和方法，如同學(xué)生手中掌握了一支獵槍和尋找獵物的基本方法，在化學(xué)的森林里，他就能主動獲取知識，立于不敗之地[2]。

2教學(xué)目標(biāo)分析

“水的組成”一課的教學(xué)目標(biāo)如下。

（1）通過氫氣燃燒和水的電解實(shí)驗(yàn)探究水的組成。

（2）結(jié)合化學(xué)史實(shí)，在人類認(rèn)識水的組成過程中體會科學(xué)探究過程和思維方法。

（3）逐步認(rèn)識“宏觀—微觀—符號”三重表征的思維方式。

3教學(xué)流程圖

4教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：化學(xué)史實(shí)引入課題——情境創(chuàng)設(shè)化學(xué)史是人類在長期社會實(shí)踐活動中關(guān)于大自然的化學(xué)知識的系統(tǒng)的歷史描述[3]。我國著名化學(xué)教育家傅鷹先生曾說：“化學(xué)給人以知識，化學(xué)史給人以智慧?！痹诮虒W(xué)中，教師要充分挖掘化學(xué)史料，讓其在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮作用。水是學(xué)生非常熟悉的物質(zhì)，對于熟悉的物質(zhì)，學(xué)生有時(shí)往往會熟視無睹。為了激發(fā)學(xué)生對本節(jié)課“水的組成”的探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的精神，教師通過介紹“水的組成”研究的化學(xué)史，以此創(chuàng)設(shè)本節(jié)課的教學(xué)情境。在歷史上，水曾經(jīng)被看作一種元素，后來因?yàn)橛茖W(xué)家普利斯特里將“可燃空氣”跟空氣混合點(diǎn)燃發(fā)出巨大聲響，瓶內(nèi)有不少水珠后，人們才開始對水的組成進(jìn)行研究。在同一時(shí)期，英國科學(xué)家卡文迪許用純氧代替空氣進(jìn)行了上述實(shí)驗(yàn)，但在當(dāng)時(shí)，他們對水的組成都沒有做出正確的解釋。直到18世紀(jì)末，卡文迪許的助手訪問巴黎時(shí)，將這一實(shí)驗(yàn)告訴了拉瓦錫，拉瓦錫在隨即進(jìn)行的跟蹤實(shí)驗(yàn)中，不僅合成了水，還成功將水進(jìn)行分解，這樣才開啟了人們對“水的組成”的正確認(rèn)識。教師通過創(chuàng)設(shè)化學(xué)史實(shí)的教學(xué)情境，讓學(xué)生從化學(xué)視角認(rèn)識“水的組成”，激發(fā)學(xué)生的探究欲。

環(huán)節(jié)二：實(shí)驗(yàn)探究水的組成——宏觀表征課堂上，教師以科學(xué)家拉瓦錫的故事引導(dǎo)學(xué)生從水的合成和水的分解兩個方面探究水的組成。教師用啟普發(fā)生器制取氫氣，演示氫氣燃燒，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生分小組探究水的電解實(shí)驗(yàn)。通過自己動手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察到水通電后，兩極上都有氣泡生成，一段時(shí)間后，正極上形成氣體體積大約是負(fù)極氣體體積的二分之一;正極上形成的氣體能使帶火星的木條復(fù)燃，負(fù)極上形成的氣體能燃燒，發(fā)出淡藍(lán)色火焰。通過這樣的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生獲得良好的感性認(rèn)識，形成宏觀表征。接著，教師再通過宏觀現(xiàn)象在學(xué)生頭腦中的表征，引導(dǎo)學(xué)生討論、分析水的組成。小組討論的結(jié)果如下。

在水的合成和水的分解兩個環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生體會到如何準(zhǔn)確地進(jìn)行宏觀表征，學(xué)生分析反應(yīng)歷程以及新物質(zhì)的生成證據(jù)推理等能力也得到了提升。

環(huán)節(jié)三：借助模型認(rèn)識水的組成——微觀表征通過前面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)能從宏觀角度認(rèn)識水的組成元素。接著，教師借助模型讓學(xué)生從分子、原子微觀角度認(rèn)識水的組成，將宏觀現(xiàn)象與微觀實(shí)質(zhì)有機(jī)地結(jié)合起來。最后，教師展示水電解的微觀過程（如圖2）。

在前面的化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)知道化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是分子分裂成原子，原子重新組合成新分子的過程。教師通過水電解的微觀動畫展示，讓學(xué)生從微觀角度認(rèn)識到水的電解過程是水分子分裂成氫原子和氧原子，然后氫原子和氧原子重新組合成新的氫分子和氧分子的微觀實(shí)質(zhì)的過程，從而得出由于氫、氧原子的種類不變，因此元素的種類也是不變的結(jié)論，將宏觀現(xiàn)象與微觀實(shí)質(zhì)有機(jī)地結(jié)合起來。

在教學(xué)過程中，教師還利用阿伏加德羅定律，即同溫同壓下，體積相同的氣體，分子個數(shù)相同，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象氧氣和氫氣的體積比為1∶2，結(jié)合水電解的微觀過程分析水分子的構(gòu)成，在這個過程中從微觀角度再次印證了水的元素組成，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用宏微結(jié)合的思維推導(dǎo)出水的化學(xué)符號為H2O，分析過程如下。

水分子中氫氧原子個數(shù)比是2︰1，水的化學(xué)符號為H2O（符號表征）環(huán)節(jié)四：化學(xué)用語直觀表示——符號表征符號表征是聯(lián)結(jié)宏觀表征與微觀表征的紐帶。教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)兩個新的化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生用化學(xué)符號將這兩個化學(xué)反應(yīng)表示出來。學(xué)生板書如下。

氫氣燃燒符號表征：H2+O2點(diǎn)燃H2O;

水的電解符號表征：H2O通電H2+O2。

通過以上教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生從這三種表征之間的聯(lián)系，認(rèn)識到它們共同構(gòu)成對化學(xué)知識完整的表征系統(tǒng)。

環(huán)節(jié)五：歸納小結(jié)——形成思維教師以“水的組成”教學(xué)為例，為學(xué)生構(gòu)建“宏觀—微觀—符號”三重表征的思維方式（如圖3），提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨析與微觀探析的化學(xué)核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)啟示

1轉(zhuǎn)變理念，提升素養(yǎng)

21世紀(jì)的課堂教學(xué)，著重關(guān)注學(xué)生的核心素養(yǎng)。因此，教師要轉(zhuǎn)變理念，從知識的講授者轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代教育教學(xué)的實(shí)踐者和培養(yǎng)者，平時(shí)多學(xué)習(xí)相關(guān)的教育教學(xué)理念，提高自身的專業(yè)素養(yǎng)，理解培養(yǎng)三重表征思維的重要性和必要性，提高自身三重表征的思維水平，只有這樣才能有效提升學(xué)生三重表征思維的意識和能力，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2挖掘教材，整合資源

由于教材編排的階段性及教材內(nèi)容的局限性，學(xué)生三重表征思維的形成不可能一氣呵成，教師在教學(xué)中要善于挖掘教材，整合資源，把握不同教學(xué)內(nèi)容與階段對三重表征思維的培養(yǎng)。如在執(zhí)教人教版第三單元“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”時(shí)，教師要把握好時(shí)機(jī)，這是三重表征思維形成的鋪墊時(shí)期。教師要為學(xué)生打開認(rèn)識化學(xué)世界的微觀大門，引領(lǐng)學(xué)生從分子、原子微觀層面來認(rèn)識物質(zhì)、認(rèn)識化學(xué)，為學(xué)生三重表征思維的形成打好基礎(chǔ)。又如教師在執(zhí)教人教版第五單元“如何正確書寫化學(xué)方程式”時(shí)，通過前期的鋪墊、訓(xùn)練和積累，反復(fù)構(gòu)建化學(xué)方程式的“宏觀—微觀—符號”三重表征含義，不斷強(qiáng)化三重表征之間的交互關(guān)系，幫助學(xué)生形成和實(shí)現(xiàn)“宏觀—微觀—符號”三重表征思維方式的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。

3持之以恒，培養(yǎng)思維

“宏觀—微觀—符號”三重表征的思維是化學(xué)學(xué)科特有的思維。在教學(xué)中，教師要將三重表征的思維滲透到日常的教學(xué)中，不斷強(qiáng)化三重表征相結(jié)合的化學(xué)思維，讓學(xué)生學(xué)會從微觀水平分析宏觀現(xiàn)象，依據(jù)宏觀現(xiàn)象揭示微觀本質(zhì)，并用化學(xué)符號語言進(jìn)行表述。教師在持之以恒的教學(xué)實(shí)踐中，引導(dǎo)學(xué)生形成“宏觀—微觀—符號”的化學(xué)思維方式，能為學(xué)生在初中化學(xué)學(xué)習(xí)過程中打開化學(xué)世界之門，落實(shí)化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[2]胡久華，王磊.初中化學(xué)教學(xué)策略[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2010.

[3]汪朝陽，肖信.化學(xué)史人文教程[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

（責(zé)任編輯：陸順演）