以圖示探究學生對化學概念的三重表征

徐志軍　李思婷　王存寬

摘要： 眾多研究表明，化學的三重表征能促進學生對化學概念的理解。同時，學生對化學概念的三重表征能真實反映學生對概念或化學現(xiàn)象的掌握程度。通過圖示法考查了高二學生對氯化鈉溶于水原理的三重表征，調查學生對這一概念的理解。結果顯示，75%的學生能從不同表征的角度進行圖示解釋，大部分學生認為溶解為簡單的電離過程。學生以微粒間相互作用的角度來解釋溶解及其他化學變化的能力仍需加強。

關鍵詞： 三重表征; 圖示; 氯化鈉; 化學概念

文章編號： 10056629（2020）01002106

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

2017年新修訂的化學課程標準提出了化學學科五大核心素養(yǎng)，“宏觀辨識與微觀探析”便是其中之一，要求學生在化學的學習中能從不同層次認識物質，能用宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題[1]。很多研究顯示，對學生而言，進行三重表征的學習和切換存在一定的困難[2，3]。如Zhang和Linn（2011）發(fā)現(xiàn)，學生善于進行三重表征中的宏觀表征和符號表征，而對物質的微觀表征、三重表征間的聯(lián)系認識不足。研究發(fā)現(xiàn)，學生對化學概念的三重表征能真實反映其對概念的掌握程度。因此，本文以學生對氯化鈉溶于水原理的理解為背景，調查當前高中學生對化學概念的三重表征，為培養(yǎng)學生“宏微符”三重表征思維提供參考。

1國內(nèi)外對三重表征及圖示的研究

1.1化學三重表征與圖示之間的關系

化學中的三重表征由Johnstone在1982年首次提出。他認為學生學習化學時，需要接觸宏觀（macro）微觀（submicro）符號（symbolic）三重表征。宏觀表征為學生能夠觀察或接觸到的化學現(xiàn)象及其變化，如化學反應中的光、顏色變化、生成沉淀等。微觀表征為產(chǎn)生或導致這些化學現(xiàn)象及變化的微觀粒子間的相互作用，如原子、分子、離子等及其相互作用。而符號表征是以符號、化學式、方程式、圖像等來描述宏觀及微觀表征。三者在化學的學習中同等重要，并互相補充。Johnstone指出，學生覺得學習化學困難是因為學生需要有“多重水平思維（multilevel thought）”，他們在學習過程中需要同時處理這三重表征[4]。

Taber指出，學生在學習化學時，首先會將觀察到的外界的光、顏色、變化等視為現(xiàn)象，然后再將這些現(xiàn)象概念化為自我對現(xiàn)象的宏觀表征，如物質、化學反應等;或將這些現(xiàn)象概念化為自我對現(xiàn)象的微觀表征，如分子、離子、電子的相互作用等;或先將現(xiàn)象概念化為宏觀表征，再用微觀表征對已概念化的宏觀表征進行解釋，并用符號表征將這兩重表征表示出來[5]。因此，學生對概念的宏觀表征及微觀表征，將會影響其符號表征。

基于Taber的解釋，我們可以理解三重表征具有兩層含義： 客觀三重表征和主觀三重表征?？陀^三重表征為科學的三重表征，不會因學生的認知而改變。而主觀三重表征則為學生自己對觀察到的現(xiàn)象進行概念化，而生成的三重表征。例如，在雙氧水分解的實驗中，有學生會認為生成的氣泡沒有氣味（概念化后的宏觀表征），故認為反應生成的氣體分子為氧氣分子（概念化后的微觀表征）;也有學生因為雙氧水有味道（概念化后的宏觀表征），故認為反應生成的氣體分子為臭氧分子（概念化后的微觀表征）。這導致他們所寫的化學方程式（概念化后的符號表征）也不同，前者為2H2O22H2O+O2，而后者為3H2O23H2O+O3。當主觀三重表征符合客觀三重表征時，我們認為學生真正掌握了化學概念。因此，我們有必要了解學生的主觀三重表征，并有針對性地進行教學，促進學生形成這一概念的客觀三重表征。

根據(jù)佩維奧（Pavio）提出的長時記憶中的雙重編碼理論，語義系統(tǒng)專門編碼、組織言語或與語言相關的信息，而表象系統(tǒng)則處理有關非言語的物體和事件的信息，并在腦海中形成事物或概念的心理意象或形象[6]。表象系統(tǒng)和語義系統(tǒng)是相互平行獨立但又緊密聯(lián)系的認知系統(tǒng)，它們各自獨立處理、保存、提出使用所接收的信息，并能同時或單獨被使用。表象系統(tǒng)的信息或者學生將表象系統(tǒng)信息以圖示的形式呈現(xiàn)出來，能夠更準確地體現(xiàn)學生對于概念的真實理解，因為圖像能以準確的方式來描述具體的概念及信息[7，8]。以氯化鈉晶體結構為例，“一個鈉離子附近有六個氯離子”，學生根據(jù)這句語義信息會在腦中形成或圖形化為圖1（立體排布）或圖2（平面排布）的表象信息[9]。此外，Zhang和Linn（2011）認為，只有當學生透徹理解該主題或問題時，才可能畫出相關概念的科學圖像。通過作圖，學生能將物質的三重表征有效聯(lián)系起來，有助于學生認識到已有知識和新知識的矛盾、發(fā)展學生整合知識的能力[10]。

1.2國內(nèi)對三重表征及學生概念理解圖示化的研究

宏觀、微觀、符號三重表征的內(nèi)涵及關系自2005年由畢華林等提出至今，已發(fā)展成為一種能體現(xiàn)化學學科特征的思維方式，它有助于學生理解宏觀現(xiàn)象和分子水平的變化以及兩者間的聯(lián)系，受到了國內(nèi)廣大化學教育研究者的認可。在實際教學中，也發(fā)現(xiàn)了三重表征思維教學的困難，具體體現(xiàn)在： 微觀表征復雜而抽象，對學生來說，微觀表征有難度;符號表征指向有一定的模糊性，學生對化學方程式的內(nèi)涵理解存在困難;不同表征間的思維轉換對學生來說是一個挑戰(zhàn)[11]。

在化學概念教學和建構三重表征關系時，教師采用較多的是思維導圖或概念圖的形式，但這兩者主要以語義信息為主，學生表象系統(tǒng)的運用很少[12]。也有使用VR虛擬技術輔助微觀表征，加強三重表征間的關聯(lián)，但這種技術的推廣性較差[13]。

國內(nèi)關于圖像化教學的研究不少，遍及各個學科，以生物、地理這兩個科目居多。研究顯示，識圖和作圖教學有助于提高學科教學質量，對學生大腦的開發(fā)、學習興趣的培養(yǎng)、知識體系的建構、觀察力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)、空間思維的發(fā)展都有積極作用[14～16]。另外，在化學的圖像化教學中，對于學生作圖能力的培養(yǎng)較少，尤其是作圖表征化學反應的微觀本質。在教學過程中，用作圖的方法能引導學生動手、動腦，主動參與到學習的過程中。作圖學習法是一種體驗式的學習方式，積極的情感體驗和深層次的認知參與充分發(fā)揮了學生學習的主體作用，有利于活躍學習氛圍、發(fā)展學生的實踐能力和綜合思維能力[17]。

2研究問題分析與研究設計

2.1研究問題

以圖示的表達方式，對比學生對于氯化鈉溶于水的主觀三重表征和客觀三重表征，找出學生對于溶解本質，即對粒子間相互作用的理解困難，并提出相應的教學建議。

2.2研究設計

采用問卷法對浙江省某省重點中學的高二理科創(chuàng)新班（該創(chuàng)新班中的學生，化學科是高考科目之一，并且總成績在全校排名前5%）的36位學生進行調查，鼓勵學生根據(jù)自己對溶解的理解，以圖示的方式解釋氯化鈉溶于水的過程與變化。

根據(jù)《普通高中化學課程標準（2017年版）》中模塊2“物質結構與性質”的要求：“（學生需要）認識物質的構成微粒、微粒間相互作用與物質性質的關系”[18]，且在進行問卷調查前，學生已經(jīng)學習了溶液的性質、離子化合物的電離及電離方程式、離子鍵、共價鍵及鍵的極性。因此，本研究期待學生對氯化鈉溶于水的客觀三重表征為： （1）宏觀表征。固體氯化鈉溶解于水中（固體逐漸減少），最終形成均一透明的溶液。（2）微觀表征。在氯化鈉晶體中，帶正電的鈉離子被水分子中帶負電的氧原子吸引，帶負電的氯離子被水分子中帶正電的氫原子吸引，離子與水分子間的相互作用力破壞了正負離子間的吸引力（離子鍵），氯化鈉溶解后，水合鈉離子和水合氯離子均勻地分布在溶液中。（3）符號表征。學生用數(shù)學符號、化學方程式等描述其理解的宏觀表征和/或微觀表征。

3數(shù)據(jù)分析

從宏觀表征、微觀表征、符號表征，及多重表征四個維度，抽取具有代表性的學生圖示，根據(jù)氯化鈉溶于水的客觀三重表征對學生的主觀三重表征進行分析。

3.1宏觀表征

學生用圖示描繪氯化鈉溶于水時可以直接觀察到的現(xiàn)象。如圖3，某學生描繪了將一定量的鹽放在水中，經(jīng)過一段時間后，固體食鹽逐漸消失，最后形成均一穩(wěn)定的氯化鈉溶液。該學生只使用了宏觀表征來表達其對于氯化鈉溶于水的理解，學生對溶解的理解停留于觀察層面，并未從粒子間的相互作用進行解釋。

3.2微觀表征

在解釋氯化鈉溶于水的原理時，學生用圖示表示原子、離子或分子及其相互作用和變化。

3.2.1簡單粒子模型表征

學生用簡單粒子（即不同大小的圓圈）表示原子、離子或分子，以此解釋氯化鈉的溶解過程。如圖4，某學生利用不同大小的圓圈表示鈉離子和氯離子（或鈉原子和氯原子），認為氯化鈉的溶解是氯化鈉晶體中規(guī)律排列的鈉離子和氯離子（或鈉原子和氯原子）變成自由移動的粒子，最后均勻分布的過程。這類型的微觀表征只是簡單地解釋氯化鈉固體溶解并擴散的過程，并沒有從相互作用力的角度分析為什么這些粒子能夠擺脫氯化鈉晶體的束縛并均勻擴散。此外，在這個微觀表征中，學生并沒有考慮溶劑水在氯化鈉溶解過程中的作用。

3.2.2離子模型表征

學生從離子的角度解釋氯化鈉的溶解過程。如圖5，某學生表示了氯化鈉晶體中鈉離子和氯離子規(guī)律排列，并使用橫線表示不同電荷的離子間的吸引力（離子鍵）。當氯化鈉晶體溶解于水后，鈉離子和氯離子間的化學鍵斷裂，且變成了自由移動的正負離子。該類型的微觀表征體現(xiàn)了學生從離子鍵的角度分析離子化合物溶解的過程，突出了粒子的電荷本質，并在一定程度上體現(xiàn)了鈉離子與氯離子之間存在的靜電作用力，即離子鍵，并通過離子鍵形成氯化鈉晶體。但這種離子模型并沒有考慮離子間的作用力是如何被破壞，從而形成自由移動的離子。此外，與簡單粒子模型一樣，學生并沒有考慮溶劑水在離子化合物溶解過程中的作用。

3.2.3不完整的靜電作用力模型表征

學生在其微觀表征中表現(xiàn)出氯化鈉的溶解是水分子與帶電粒子間相互作用的結果。如圖6，某同學認為在氯化鈉固體溶于水形成的溶液中，有帶正電的鈉離子和帶負電的氯離子，氯離子會被水分子包圍形成自由的水合離子。但圖6并沒有從粒子間相互的靜電作用來解釋中性的水分子為什么會包圍帶電離子的微觀現(xiàn)象，也并未解釋水分子對形成自由移動的鈉離子、氯離子所起的作用。

3.3符號表征

學生使用化學方程式或化學符號描述或解釋氯化鈉的溶解過程。

3.3.1電離方程式

學生使用電離方程式來描述和解釋氯化鈉的溶解過程。如圖7，某學生用電離方程式解釋氯化鈉溶于水的過程： NaCl電離為Na+和Cl-。但是這種作圖及文字解釋并不能夠說明水在氯化鈉溶于水或者電離時的作用，也不能體現(xiàn)溶解過程中離子鍵的變化。

3.3.2化學鍵斷裂

學生用化學符號表示物質溶解的過程是粒子間的化學鍵斷裂的過程。如圖8，某學生指出氯化鈉溶解的過程是鈉離子和氯離子間的離

子鍵斷裂的過程，離子

鍵斷裂后產(chǎn)生了自由移動的鈉離子和氯離子。

但并沒有解釋離子鍵斷裂的原因，即水分子是如何使得鈉離子和氯離子間的離子鍵斷裂的。

3.4多重表征

學生結合宏觀表征、微觀表征、符號表征等多種表征，從多個角度對氯化鈉溶于水的過程進行解釋。如圖9，某學生既在宏觀上表征了氯化鈉溶于水的過程，即往燒杯中加入一定量的氯化鈉固體，攪拌后固體逐漸消失，最后形成氯化鈉溶液;又能在微觀層面上表征鈉離子和氯離子能與水分子結合，并且水分子結合不同的離子時其取向不同。該學生的微觀表征能從一定程度上解釋其宏觀表征，能夠解釋固體氯化鈉溶解并在水中擴散的原因。但微觀表征中雖然描述了水分子與鈉離子、氯離子之間的相互作用，但并沒有清晰體現(xiàn)出這種相互作用為粒子間的靜電作用力。

3.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

根據(jù)學生在問卷中的作答，我們將從單一表征或多重表征，單一表征中的何種具體表征類型，及學生表征的正確率進行統(tǒng)計分析。表1表明，在問卷中有25.0%的學生沒有使用任何表征，69.4%的學生僅使用單一表征，這說明學生對于同一化學概念或現(xiàn)象的三重表征間的聯(lián)系并不熟悉，因此學生在理解化學概念或現(xiàn)象并未能把“宏觀微觀符號”三重表征的信息有效地結合。表2表明，學生傾向于用離子模型表征（33.3%）和不完整的靜電力模型（25.0%）來解釋氯化鈉溶解的原理。使用離子模型是因為學生能理解氯化鈉溶解發(fā)生了電離，形成自由移動的離子，但這個模型并沒有解釋溶劑水在氯化鈉電離時的作用。而不完整的靜電力模型體現(xiàn)學生已嘗試著將氯化鈉晶體的電離與溶劑的相互作用相聯(lián)系，符合課程標準中要求學生“認識物質的構成微粒、微粒間相互作用與物質性質的關系”的要求。

根據(jù)化學課程標準的要求，我們設定了評價學生表征情況的標準（見表3）。學生在三重表征中能體現(xiàn)水分子與離子間的相互作用，則視為完全正確;學生在三重表征中僅體現(xiàn)氯化鈉或離子的擴散，沒有考慮溶劑水在溶解中的作用，則視為部分正確;完全錯誤為沒有從三重表征角度解釋或空白。在本研究中，大部分的學生（77.8%）均能使用表征描述出氯化鈉的電離及擴散，并有27.8%的學生能從粒子間相互作用的角度分析溶劑水與氯化鈉溶解的關系，這說明學生是能夠從粒子間相互作用的角度來理解離子化合物在水溶液中的溶解原理。

4總結與建議

4.1總結

本文通過對36位學生的調查發(fā)現(xiàn)，大部分參與本研究的學生能夠從三重表征，特別是微觀表征的角度來解釋其對于離子化合物氯化鈉溶于水原理的理解。這些學生對氯化鈉溶解原理的理解大多是鈉離子與氯離子的擴散和電離，并沒有進一步思考為什么氯化鈉晶體可以在水中擴散和電離，以及水對于離子化合物電離及離子鍵的影響。此外，仍有9位學生在本研究中沒有使用任何表征進行解釋，學生對于化學概念內(nèi)化后的再表達需要加強。

4.2建議

4.2.1教材編寫建議

基于“宏觀辨識與微觀探析”這一素養(yǎng)，學生在掌握了極性分子、化學鍵本質、晶體類型的基礎上，對于氯化鈉溶于水的過程，不僅要能理解氯化鈉在水中溶解擴散的宏觀表征，以及氯化鈉電離的微觀和符號表征，還要能夠從粒子間相互作用，即極性水分子與帶電離子間的靜電作用的角度進一步分析溶劑水對氯化鈉晶體中離子鍵與電離的影響，從而使學生形成微觀結構決定物質性質，粒子間相互作用力影響物質變化的觀點。例如，在圖中體現(xiàn)粒子間的靜電作用，即鈉離子受水分子中帶負電的氧原子所吸引，氯離子受水分子中帶正電的氫原子所吸引，氯化鈉晶體與水分子因發(fā)生水合作用而電離，最終形成鈉離子和氯離子（如圖10）。因此，在教材中將離子化合

物氯化鈉在水中的溶解作為一個經(jīng)典案例進行三重表征圖示分析，可為后續(xù)進一步學習極性共價化合物的電解質的電離（如HCl、 HClO等）奠定了分析思路。

4.2.2教學建議

教師在講述氯化鈉溶于水時，除了解釋在這個過程中氯化鈉發(fā)生了電離外，還可以引導學生從粒子間相互作用力的角度分析水對于氯化鈉電離及氯化鈉晶體中離子鍵破壞的影響，為后續(xù)解釋強弱電解質在水中的電離差異作鋪墊;

學生的主觀三重表征能夠真實反映他們對化學概念的理解情況，教師可以在課后讓學生以三重表征的圖示形式代替簡單的文字復述，讓學生解釋對化學概念及化學現(xiàn)象的了解，從而進一步了解學生的學習難點;

教師在課堂上可以引導學生先從宏觀表征開始觀察，接著分析微觀表征，然后用微觀表征和/或符號表征來解釋化學概念和現(xiàn)象，加強學生對三重表征聯(lián)系的思維能力。

參考文獻：

[1][18]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 3～5.

[2][10]Zhang Z H & Linn M C. Can generating representations enhance learning with dynamic visualizations？ [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2011， 48（10）： 1177～1198.

[3]吳晗清， 高慧. “三重表征”能力培養(yǎng)的瓶頸及其突破[J]. 中小學教師培訓， 2018， 384（7）： 65～69.

[4]Johnstone A H. Why is science difficult to learn？ Things are seldom what they seem [J]. Journal of computer assisted learning， 1991， 7（2）： 75～83.

[5]Taber K S. Revisiting the chemistry triplet： drawing upon the nature of chemical knowledge and the psychology of learning to inform chemistry education [J]. Chemistry Education Research and Practice， 2013， 14（2）： 156～168.

[6]Paivio A. Mental representations： A dual coding approach [M]. Oxford University Press， 1990.

[7]White， Richard， and Richard Gunstone. Probing understanding [M]. National Research Council. Routledge， 2014.

[8]Learning science in informal environments： People， places， and pursuits [M]. National Academies Press， 2009.

[9]Ainsworth S， Prain V， Tytler R. Drawing to learn in science [J]. Science， 2011， 333（6046）： 1096～1097.

[11]張丙香， 畢華林. 中學生化學反應三重表征的困難及原因分析[J]. 教育科學研究， 2013， （6）： 67～71.

[12]劉志華， 李佳. 基于SOLO理論的思維導圖建構三重表征整體關系的教學研究[J]. 化學教育（中英文）， 2016， 37（9）： 24～28.

[13]吳榮華， 嚴曉梅. VR技術實現(xiàn)化學的三重表征教學[J]. 中學化學教學參考， 2019， 486（2）： 56～58.

[14]彭建麗. 通過識圖、 繪圖能力的培養(yǎng)提高生物教學質量[J]. 大理大學學報， 2001， （3）： 103～105.

[15]江文英. 高中生地理繪圖能力培養(yǎng)策略研究[D]. 武漢： 華中師范大學碩士學位論文， 2015.

[16]金雙嬌. 高中化學圖像語言理解現(xiàn)狀的調查分析[D]. 武漢： 華中師范大學碩士學位論文， 2016.

[17]鄭岐言. 過程性學習： 地理學科核心素養(yǎng)培育的“捷徑”[J]. 中國教育報， 2017， （10）： 1～2.