初中学生化学四重表征的思维方式

摘   要

从宏观、微观、符号、曲线等四重表征层次上，引领学生深度学习和理解初中化学知识，并逐渐构建多重表征的内在联系。它是初中化学学习的重要思维方式，也是培养学生形成多重思维方式的重要教学途径。通过相关的数字化实验分析，帮助学生形成宏观、微观、符号、曲线等表征及其相互联系生成二重、三重、四重表征思维方式，重点介绍运用微观、曲线等类型实验图形进行教学实践的案例及其分析，希望这些研究成果有助于初中化学教师培养学生“宏观-微观-符号-曲线”四重表征的思維方式。

关键词

数字化实验  初中化学  四重表征  思维方式

多重表征理论是应用于概念教学的理论，概念的多重表征理论研究与化学概念教学研究的融合是一线化学教师研究的热点和焦点。1982年来自苏格兰的约翰斯顿首次提出了化学“三重表征”模式（宏观-微观-符号），有关学生化学概念的三重表征[1]理论和教学实践研究就此遍地开花。钱扬义教授在手持实验即时收集数据和自动生成曲线的技术背景下，2009年首次提出“曲线表征”的定量分析方法，并构建化学“四重表征”[2]的教学范式，包括“宏观-微观-符号-曲线”四重表征。其中“曲线表征”是以手持实验（微型数字化实验）所得曲线为分析模板，学习者要将曲线的起点、终点、拐点等关键点、曲线变化趋势及不同线段与宏观实验现象、微粒变化和化学方程式等符号建立联结，最终在头脑中以坐标图曲线的形式反映实验中因变量与时间变量的关系。“化学四重表征”研究的最大意义在于将化学教学与互联网工具、传感器等强大电子信息技术融为一体，研究价值和教学影响深远。面向信息化时代，在化学学科教学中，教师需要积极重视培养学生的“宏观-微观-符号-曲线”多重表征（见图1）的思维方式。

这几种表征方式不仅能在大脑中独立呈现，而且它们之间也能相互作用，形成“宏观-微观”“宏观-符号”“微观-符号”“宏观-微观-符号”等多重表征，甚至还能共同作用形成学生对化学知识“宏观-微观-符号-曲线”四重表征思维方式。但是，初中学生抽象思维能力还比较薄弱，尤其对“微观”“符号”“数字化曲线”等在生活、实验中看不见、摸不着的一些化学学科特有的表征材料，不能在自己的头脑中进行有效的信息加工。为此，在总结教学经验和深入专题研究的基础上，我们进行数字化实验分析，帮助学生形成宏观、微观、符号等表征及其相互联系生成二重、四重表征思维方式，重点介绍运用微观类型实验图形进行教学实践的案例及其分析，希望有助于初中化学教师培养学生“宏观-微观-符号-曲线”四重表征的思维方式。

一、“微观”表征是四重表征思维方式的重要基础

初中学生刚开始学习化学实验，在描述现象、分析实验、得出结论等方面还不会观察、记录、分析和研究。他们对宏观表征的思维基础主要来源于生活经验，尤其是在八年级第一单元的化学学习中，学生还没有建立宏观表征系统，更没有微观表征的思维能力。关于宏观表征系统的构建，教师可以运用有关实验类型的教材插图，帮助学生学会用化学的特有语言阐释化学实验和科学探究。

从身边的一杯水开始研究，面对宏观的一杯水，我们想过水是由什么构成的吗？其实，在一滴水中就含有约1021个水分子，如果运用一种工具，可以看到每个水分子的结构（见图2）。同理，我们用这种思维方式还可以研究：氢气和氧气是由什么构成的？氢分子和氢原子有什么区别？1个氧分子和2个氧原子有什么区别？（见图3）通过课本中的插图，我们可以直观地“看到”微观粒子，而且通过这种微观表征的思维方式，认识到世界是物质的、物质是由微粒（分子、原子等）构成的。

二、“宏观-微观”“宏观-微观-符号”表征是四重表征思维方式的桥梁

1.“宏观-微观”二重表征

学生构建来源于生活的宏观表征系统相对微观表征系统要快一些，比如学会观察、描述化学变化的现象，分析化学现象的本质，得出化学科学探究的结论。这些学生明显感到相对比较容易接受，也能够拾阶而上、顺应宏观表征的内在联系和形成，最终初步形成化学学科特有的宏观表征系统。从而，学生不仅能够做化学实验，还能提出问题、设计化学实验，进行深入的化学科学探究。虽然学生经过学习能够构建宏观表征系统和微观表征系统，但是如何搭建“宏观-微观”二重表征系统，探究它们的内在联系和互动关系，这是学习化学的关键和重点之一，也是形成四重表征思维方式的桥梁。教师可以通过水的蒸发和水蒸气的冷凝这两个简单的、常见的物理变化来引导学生学习和构建。在雨后初晴的炎炎夏日，道路上留下了雨水的“散兵游将”，经过太阳“无情”的照射，水蒸发了，不一会就悄无声息的“走了”。教师可以通过水变成水蒸气这幅教材插图，形象直观地展示出水分子是如何运动的：首先它们吸收了太阳光的能量，运动速度加快，克服了水分子之间的相互作用，它们的间隔变大了，然后它们离开液体表面，逐渐运动到空气中去了，所以水蒸发了。为了巩固“宏观-微观”二重表征的思维方式，课本紧接着还通过水蒸气变成水这幅教材插图说明了：水烧开后，水分子获得了足够的能量，离开水面向锅盖处运动，同时，锅盖开始的温度比较低，水蒸气中的水分子遇到冷的锅盖失去了能量，运动速度减慢，因为水分子间的相互作用而间隔变小了，然后它们聚集在锅盖的内侧，凝结成水滴，所以水蒸气变成水了。

教材借助水的三态变化，学习和构建“宏观-微观”二重表征系统，后面的教材中还用水通电分解化学变化的案例，徐徐深入“宏观-微观”二重表征系统，使学生能够举一反三、左右逢源，灵活运用这种思维方式进入化学学科的殿堂，重新认识整个物质世界。

2.“宏观-微观-符号”三重表征

建立了“宏观-微观”二重表征系统还不够，对于形成“宏观-微观-符号”三重表征思维方式来说，最难的是构建“微观-符号”二重表征系统，它是学习化学用语的难点，也是初中学生深入学习化学的一个分水岭，具有承前启后的重要作用。

通过学习，学生知道用元素符号可以表示某种元素，也可以表示这种元素的一个原子，这就是最简单的从宏观概念“元素”到微观概念“原子”以及相应表示符号的内在关联，形成最基本的“宏观-微观-符号”三重表征系统，但是关于“微观-符号”这个二重表征系统还需要加强和巩固。教材在展示物质的组成与化学式的关系（见图4）时，重点介绍了微粒构成物质的三种情况以及与相应化学式的关系。

按照学习教材的顺序，首先以水为例，研究了由分子构成的物質，如何用相关的元素符号来表示水这种物质、表示构成水的分子。这样就建立了一个从宏观概念“水”到微观概念“水分子”以及相应表示符号（即水的化学式H2O）的“宏观-微观-符号”三重表征系统。通过图中第三行第三个微观图“一个水分子”的展示，明确了每个水分子中含有1个氧原子和2个氢原子。从“微观-符号”二重表征的角度，重点说明了化学式“H2O”中字母H表示氢原子、O表示氧原子、2表示每个水分子中含有2个氢原子，同时按照化合价“正价在前负价在后”的一般规律，把字母H和下标数字2排在字母O的左侧，最后形成了符号-水的化学式“H2O”。

然后，以金属铜为例，研究由原子构成的物质与化学式的关系，形成“金属铜-铜原子-化学式Cu”的三重表征思维方式;以氯化钠为例，了解由离子构成的物质与相应化学式的关系。只不过要通过第二行第二幅图片，使学生明确NaCl中没有单个的NaCl分子，而是在钠离子和氯离子大量聚集的晶体结构中，Na+和Cl-的个数比为1∶1，因此氯化钠的化学式为NaCl。

三、“宏观-曲线”表征是构建四重表征思维方式的激发点

实验教学是在大时代背景下的师生探究活动，在“互联网+教育”的潮流中，我们需要对实验教学仪器和实验教学观念进行更新，跟上时代发展节奏，甚至为未来培养需要的创新人才。

笔者有幸作为评委全程参与了淄川区初中化学优质课评选的活动，在经过模拟讲课的初赛之后，决赛的选手们以鲁教版五四学制九年级全一册化学教材第二单元第四节“酸碱中和反应”为课题进行课堂教学“比拼”，有的选手播放视频让学生观看数字化实验过程，有的选手展示图片让学生思考数字化实验，有的选手准备学生分组实验让学生亲身体验数字化实验过程等等，真是“八仙过海、各显神通”！

不过，选手们在课堂教学中体现出来的教学观念和教育理念却参差不齐、大相径庭。有的选手为了实验而单纯地让学生“照猫画虎”，学生只有动手体验和表层感觉，没有深度学习和重新思考;有的选手为了烘托课堂氛围和完成教学任务而选择播放视频，让学生“走马观花”，也没有认真分析数字化实验;有的选手虽然只是进行了演示实验，却是挖掘了曲线表征教学资源的教育价值，通过和学生一起观察宏观实验现象、联系微观粒子的变化实质、用离子符号表示反应的实质、思考曲线中的3个特殊点，从而得出对应曲线和宏观现象之间相互关联的实验结论。

通过观课活动，思考在教学实践中如何贯彻“宏观-微观-符号-曲线”四重表征教学观念和培养学生深度学习思维方式等问题，教师通过什么方式展示数字化实验过程不是最重要的，比如图片、视频、手持实验等等，重要的是教师以什么教学观念和教学理念引领课堂教学活动，哪怕是用最原始的板书和板画等呈现方式，也不能妨碍教师充分挖掘这个曲线表征与其他表征密切联系教学资源的教育价值。层次决定高度，教学技术是为教育教学服务的，没有先进的教育理念和教学观念引领，再“高大上”的教学呈现方式都是徒劳的[6]。只有明确了四重表征之间，尤其是“微观-符号”“宏观-曲线”等表征之间的内在联系，学生才能真正理解和灵活运用化学用语进行“读、写、算”;只有让学生自主进行交流，学会解决问题的思维方式和具体方法，才能从简单的模仿逐渐变成自主的思考，达到熟练掌握化学学科概念的目标。

总之，合理利用数字化实验、虚拟实验等教学仪器和技术进行化学教学，是为了达到形象、直观、激发四重表征思维方式的目的。基于数字化实验分析不仅仅重视微观观念的教学，还启发学生通过表征之间的内在联系，构建“宏观-微观-符号-曲线”四重表征的思维方式。教教材不如用教材教，看实验做实验不及用实验思考，希望通过数字化实验图形分析的研究，启发老师们更多的“想象力”，让它为实验教学研究插上“信息化”的翅膀，把数字化实验图形从纸上深入脑中，不仅仅教会学生化学知识，更要提升学生的化学思维方式。

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（05）：51-54.

[2] 林建芬， 盛晓婧，钱扬义.化学"四重表征"教学模式的理论建构与实践研究——从15年数字化手持技术实验研究的回顾谈起[J].化学教育（中英文），2015（07）：1-6.

[3][4][5] 毕华林，卢巍.义务教育课程标准实验教科书化学（八年级全一册）[M].济南：山东教育出版社，2013：6，7，66.

[6] 光程.数字实验室在ThinkQuest项目学习中的应用——选择“刻绘材料”的化学数字实验探究[J].中小学信息技术教育，2013（03）：71-75.

【责任编辑  郭振玲】