空间表征的化学问题探讨

空间问题的空间表征就是用各种图表来表示事物间的空间关系及空间转换等，如同数学上的几何问题。而对于非空间问题的空间表征，它寻求的是空间信息和非空间信息的一种对应，将非空间信息用空间表征的形式呈现。利用空间表征可促进学生进行视觉化思维，更好地记住和理解其中对应的非空间信息，这类似于数学上的代数问题用几何的方法来解决。空间表征在空间问题和非空间问题中的应用有很多优势，当然也受到一些因素的影响。

化学图表是一个示意性、说明性和符号性的表征。化学学科中主要的图表形式有流程图、等级图和概念图，还有化学仪器图、化学现象图、物质结构图和有机合成的机理图等。一个化学图表有众多目的，如解释、描述、介绍及提供心理表象等。化学图表的主要特征是在宏观表征和微观表征的水平上提供视觉冲击，这种视觉冲击能增加心理模型的发展，促进学习上的联结。化学学科需要在宏观、微观和符号三个表征水平间进行转换，而各种表征都涉及很多空间信息，所以空间表征对化学学科而言非常重要。以前的研究一般只注意到化学空间问题中的空间信息，如物质结构的各种图表、有机化学中的分子结构图和机理图等，对于化学非空间问题中的空间表征基本没有涉及过。

一、空间表征在化学空间问题中的应用

化学是一门视觉性的学科，化学家要研究分子和原子的结构，以及它们交互作用之后的结果。这些微观的化学变化过程并不能直接观察到，为了理解和操作物质的微观结构，化学家设计了一系列的二维符号、图像、化学式和图表等来表征分子的三维结构和化学现象。这些用来反映化学分子的三维结构和化学现象的表征统称为化学表征，化学表征从水平上可分为三种：宏观水平、微观水平和符号水平[1]。化学宏观表征涉及图像或图表表征可观察到的现象，化学微观表征涉及模型或其他视觉显示来描述排列和微粒的运动。符号表征包括符号、数字和化学标志，这些标志如化学符号、化学结构和分子式，可用来表示原子、分子、化合物和化学过程。尽管微观表征和符号表征在化学教材中频繁使用，但构建微观表征并使用微粒的观点去解释物质的性质和观察到的现象还是非常困难的。

1.晶胞结构。化学学科中存在很多空间问题，如物质结构和晶体类型等，也有很多问题涉及空间信息，如有机分子的物理化学性质受其空间结构的影响，有机合成的产物受到原料和试剂的空间位置关系的影响等。对于这些问题，教学中应尽可能多地使用微观表征，利用教学模型和多媒体教学来展现微观过程，使用各种图表来解释物质的性质与反应过程等。这些用来表示那些空间问题或涉及空间信息的教学模型和各种图表，就是化学空间问题的空间表征。

例一，微粒在晶胞中主要有四种情况：处在顶点、处在棱上、处在面上、处在体内。其中处在体内最好理解，这时整个微粒都属于这个晶胞，而其他三个理解比较困难，此时采用晶胞示意图就很有优势，其中①代表处在顶点，晶胞占有1/8；②代表处在棱上，晶胞占有1/4；③代表处在面上，晶胞占有1/2。

图1 晶胞示意图

2.有机反应机理图。有机合成中特别是有机反应机理的解释中，需要用图形的形式将整个过程表示出来。化学家用各种图表尽可能清晰地展现有机分子的结构，用各种符号、箭头和化学式来描述化学过程，这些符号和二维形状构成了一系列的空间语言，使化学家进行视觉化的思考，并通过视觉化的方式将信息有效地传达出来。这种涉及空间问题并使用暗含空间特性的图表来表征的形式，就是化学学科空间问题的空间表征。下面举例阐述：

例二，wittig反应的空间机理过程：三苯基磷呈电正性，与之相连的C为电负性，会进攻带正电的羰基碳，形成右上角的中间过渡态，这个过渡态不稳定时会进行旋转，使磷原子与氧原子在同面上形成磷氧键，然后发生消去反应，生成烯烃和三苯氧膦。（见图2）

图2 wittig反应的空间机理过程

二、空间表征在化学非空间问题中的应用

化学学科中除了那些空间特性非常明显的空间问题，还涉及很多非空间问题，如基本的概念和原理等，这些概念和原理从某种意义上讲没有任何空间特性，也不存在空间表征。

1.类属关系。下面考察空间表征在化学非空间问题中的一个应用实例：

例三，初中化学中有四大基本化学反应类型，高中学习过氧化还原反应后，教材和习题中总是尝试将四大基本化学反应类型和氧化还原反应统一起来，具体如下：置换反应肯定是氧化还原反应；复分解反应肯定不是氧化还原反应；化合反应中有单质参与的才是氧化还原反应；分解反应中有单质生成的才是氧化还原反应。（用图形反映如图3）

图3 四大基本反应与氧化还原反应的关系

例三所描述的类属关系，表达的信息不存在任何空间线索，问题本身与空间无关，因而可界定为非空间问题。将图三与例三对应分析可以发现：例三中没有空间线索，图三却具有明显的空间属性，两者在信息表达上基本是等价的。因此，图中的空间关系与所要表述的非空间关系必然存在对应联系，这种将非空间问题的信息内容和结构借助一定的空间关系和空间位置体现出来，即为非空间问题的空间表征。

2.流程图。化学学科中除了有类属关系的非空间问题外，其他问题也存在空间表征，如化学中的推断题和化学工艺流程题，图表中也存在各种物质的位置关系等空间属性。

图4 废旧锂离子电池的回收处理工艺

例四，2013年全国Ⅰ卷理综化学27题——废旧锂离子电池的回收处理工艺。图中的箭头指明了参与反应的反应物和生成物，清晰地说明了锂离子电池是如何回收处理的。（见图4）

3.化学钟表。国外对化学元素周期表的教学也会采用空间表征，如将短周期中的24个元素按照原子序数的顺序排列成钟表的形式，如图5所示。

图5 化学钟表（Chem Time）

图表表征之所以普遍存在，与其在一定情景下的简单有效性密不可分，而空间表征又是图表表征中与化学学科联系十分紧密的一种表征形式。实践证明，对于解决日常事务和学科问题，建构适当的图表往往是一种很有效的方法，一幅简单的图表有时能帮助理解问题，还能帮助完成化学实验。所以，在数学、物理学、化学领域里，如何使用图表表征问题以及从这类表征中提取信息一直倍受重视。

空间表征的应用研究目前主要集中在数学学科，针对物理学、化学和生物学等自然科学的相关研究还较少。教育对空间表征能力有很大的影响，而学生不会使用空间表征策略正反映出他们缺乏系统指导[3]。因此，这方面的研究对中小学校在教学内容和教学方式上的实践有重要指导意义。

参考文献：

[1]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，2005，26，（5）:51-54.

[2]曾盼盼，俞国良.小学生视觉——空间表征类型和数学问题解决的研究[J].心理科学，2003，26，（2）:268-272.

[3]徐速.数学问题解决中视觉空间表征研究的综述[J].数学教育学报，2006，15，（1）:35-38.