国外化学三重表征的研究进展及其启示

龚文慧

关键词：三重表征;宏观表征;微观表征;符号表征;化学教育

化学三重表征主要指宏观、微观与符号表征。近40年来，三重表征既是指导化学教育研究理论框架的基础，也是指导世界范围内的化学教学，化学课程、软件开发及化学教材编写的重要依据，三重表征已经成为化学教育和科学教育研究中的重要范式，成为此领域最有力量、最富有成效的思想之一。三重表征与我国化学学科核心素养中的“宏观表征与微观探析”是比较一致的，因此，对国外三重表征的发展历程及研究进展进行梳理与评述，可以为我国化学学科核心素养的发展提供借鉴与启示。

1约翰斯顿对化学三重表征的研究

在20世纪60年代的课程政革中，课程计划通常都有试图将自己固定在一些概念性三脚架上的习惯，因此，几乎在所有的科学中都隐藏着一个思维三角形。1982年，约翰斯顿（A.H Johnstone）基于化学学科的特点，首次提出化学家至少可以在三个水平上看待化学学科：描述和功能水平（体验、观察和描述现象）;表征水平（用来表示概念和思想的符号）;解释水平（解释现象），这一观点为三重表征的提出奠定了坚实的基础。

基于地质学家使用三角形来表示矿物家族中各组分比例的灵感（即纯二氧化硅、氧化铝、氧化镁分别位于三角形的三个角，任何种类的硅酸铝和硅酸镁盐类都可以由两个角的连线表示，根据每种成分的贡献，铝镁硅酸盐的任一成分都可与三角形内的一个点相对应）。1991年，约翰斯顿分别将“描述和功能”与宏观化学对应;将“表征”与符号语言对应;将“解释”与“亚微观化学”对应，进而提出了著名的“化学三角形”（ chemistry triplet）[如图1（a）所示]。约翰斯顿将“下雪”这一现象作为隐喻，通过对化学专家及其他人的思维进行对比，生动形象地阐明了化学三重表征的价值和意义。他认为化学专家的思维可以根据需要在三角形的每一个角、每一条边之间进行来回切换和迁移，可以将“现实”构建为宏观、亚微观和符号的动态混合体。因此，当看到雪时，化学专家能够很自如地“从覆盖在屋顶和树木上美丽的白雪，迁移到雪花的六边形、氢键及晶体;其他人则只会关注到三角形的一角——宏观现象”。如汽车司机由于担心道路积雪会带来安全隐患，因此认为“雪是危险的”，地方管理人员则会认为这是一个“物品处置问题”。有人可能会对在显微镜下观察雪花感兴趣，位于宏观亚微观边缘的宏观末端，他们或许会意识到这是一个“微晶问题”，但很少有人能想到氢键的品格能，无法“看到它的H/O键角为1050”。对大多数人来说，三角形的内部就像一个“黑洞”。

约翰斯顿认为，传统的化学教学只关注宏观和表征，忽视微观结构。基于此，他再次对“化学三角形”进行了改造，提出化学应由以下三个基本成分构成：（1）可触摸、可见的化学;（2）原子、分子等微观化学;（3）符号、方程式、计量学、数学等表征化学[如图1（b）所示]。

在约翰斯顿看来，化学三角形的内部从来没有被开发，并非所有的学生都能够了解化学三角形并在其间自由地切换。2006年，约翰斯顿赋予化学三角形量化的性质，并对其进行了重新解读（如图2所示），他认为化学三角形实际上是半定量化的，三角形的每一个角都表示相应媒介的占比为100%。例如，宏观表征所对应的角表示完全使用宏观的方法。当教师基于化学方程式解释宏观现象时，就需要沿着三角形右边的某个地方进行。然而，多数化学课程中的三种表征类型同时混在一起，在三角形模型中的具体位置由三个表征的相对比例决定。化学家的思维可以在三角形中自由穿梭，但对于“初学者能否在三角形中形成专家的思维方式，而不会加重思维负荷或产生错误的理论框架？”的问题表示质疑，他认为在三角形内部存在工作记忆空间严重超负荷的倾向。因此，他认为在化学课程中，应该从一个角开始，再经过一条边，然后把学生带到三角形的中间。

2010年，约翰斯顿再次修正了化学三角形（如图3所示），并重新表述了三个角的名称和含义，他认为看待或表征化学（变化）的方式包括：“宏观和有形的”;“分子和不可见的”;“符号和数学的”。

总体来看，约翰斯顿对“化学三角形”的几次调整体现出他对化学教育认识发展取向的转变。从“化学三角形”的内容来看，基本经历了从关注三个基本组成成分，到三者之间的关系，再到“化学三角形”的内部成分;从关注“化学三角形”的质性组成，到关注“化学三角形”的半定量化构成。显而易见，三重表征研究取向的转变，反映出约翰斯顿及相关研究者对化学学科本质及化学教育认识的不断深化。

2国外其他学者对化学三重表征的反思

自三重表征提出以来，国外众多研究者纷纷从本体论及认识论等角度对这一理论进行了深入的解读与反思，为化学三重表征的发展与完善做出了重要贡献。

2.1三重表征的内涵不清

当前，国外研究者对化学三重表征各个组成部分的内涵及其相互关系的认识存在较大分歧。首先，在宏观表征层面，有研究者认为宏观水平主要包括在日常生活或实验室中所经历的实际现象，是可见的、有形的。也有研究者认为，宏观水平主要包括用来描述物质本体属性的概念和思想，如pH、温度、压力、密度和浓度。有研究者试图将这两种观点进行综合，认为宏观水平指物质及其属性、科学过程和现象，主要包括實际现象和用来描述它们的概念。然而，一些研究者对此表示质疑，认为一些科学概念（如化合物、化学元素、燃烧反应、物质、能量、光）虽然在本质上是“宏观的”，但远非有形和可见的。宏观水平主要指与学生日常生活的“真实”宏观世界不同的化学课堂和实验室中所经历的现象，这是因为化学学科关注的宏观水平与日常生活中的感知体验并不完全相同。在化学课堂和化学实验室中，真实世界往往会被简化为纯化学物质，而这些物质在现实生活中却并不多见，这就导致学生非常缺乏对典型化学现象的宏观体验。针对人们对宏观表征的多样性解读，有研究者对宏观表征进行了更具可操作性的分类，认为宏观表征包括三类：宏观观察（macroscopic

observations），如气体的体积在特定条件下如何变化;具体的宏观成分（ concrete macroscopicconstructs），指可以直接测量的宏观成分，如温度和压力;抽象的宏观成分（abstract macroscopic constructs），指对化学系统更为抽象的描述，如热容和焓变。由此可见，研究者对宏观表征的认识不仅存在分歧，甚至还存在不同程度的内在矛盾，这就为具体判断某一表征是否为宏观表征带来了一定程度的困难。

其次，在符号表征层面，其内涵及组成部分之间的关系也长期困扰着研究者。就符号表征的组成而言，约翰斯顿最初（1982）认为，符号表征指所有类型的符号，包括化学符号或数学符号。在纳克勒（M.B.Nakhleh）等人看来，符号表征包括化学语言和图形，而公式、图表等则属于代数范畴。另一些研究者则认为化学符号表征至少包括化学符号（symbols）和图形（iconics），前者包括用来表示物质的组成（如H、0、H：0）、性质和行为[如+，（g），-]的标记（signs），后者主要指一种类似于特定对象或事件的标记（如分子的空间填充图、化学物质或反应的粒子图）。就符号表征组成成分的内在关系而言，符号和图形之间的关系也并非是泾渭分明的，一些符号表征同时结合了符号和图形的价值。例如，一个分子的透视图可以使用路易斯结构、楔形和破折号来表示。虽然组成这个系统的原子和键的类型是用符号表示的，但由于该图也可以用来表示模型分子的三维结构，因此也具有图形的价值。

最后，从三重表征内部组成成分之间的关系角度来看，虽然化学三角形的顶点对应三个表征水平，但化学表征的本质可能超出其所指定顶点的特征。例如，符号表征往往包含着宏观表征及微观表征这两种语言。以化学式NaCI为例，它本身是化学符号;在微观层面上，可将其理解为一个钠离子与一个氯离子或由这两种离子交互排列而成的三维结构;在宏观层面上，它是一种白色固态晶体。对于不同研究者而言，他们对表征类型的判断也可能会有所不同。如果研究者认为某一视觉表征仅仅是符号，他们就倾向于将其视为符号表征，然而如果他们将其视为具有描述性、解释性和预测能力的模型，则更倾向于将其视为亚微观水平。此外，研究者通常将图形视为符号表征，然而，如果用图形来表示宏观现象，那么仅仅将图形理解为符号表征是有问题的。

由此可见，上述观点一方面表明三重表征各组成成分之间密不可分、相互渗透，另一方面，则反映出三重表征内涵及本质的不确定性。这既是三重表征不断发展与完善的必经阶段，是学术发展繁荣的表现，但同时也说明，如果三重表征的基本内涵长期不能达成共识，就会在一定程度上会阻碍化学教育学术共同体对三重表征的深度交流，从而导致对三重表征的研究出现混乱的局面。

2.2三重表征的维度片面

一些研究者认为，化学表征仅分为三个维度太过片面，因此，他们试图增加额外的水平来对其进行改良和优化。例如，纳克勒等人认为，应该将符号系统（用化学语言和图形来表示物质和过程）以及代数系统（用公式和图表来表示物质属性之间的关系）分离开来，因此，他们在三重表征的基础上增加了代数水平。多瑞（Y.J.Dori）等人认为在三重表征的基礎上，应该增加过程水平，用来解释化学反应的动态本质以及宏观、微观和符号层次之间的关系。丹古尔（V.Dangur）等人在这四个水平的基础上，增加了量子水平（quantum level），如离子、分子、电子构型以及它们与量子力学的关系等。吉基齐亚（V.Gkitzia）等人则在宏观、微观、符号表征水平的基础上增加了多重（Multiple）、混杂（Hybrid）和混合（Mixed）表征。为了提升学生的科学素养，马哈菲（P.Mahaffy）将三重表征的平面三角形扩展成四面体（如图4所示），其中的第四个顶点代表“人的因素”。Mahaffy认为，四面体隐喻整合了内容与情境，化学教师应该将化学概念、符号表征、化学物质和化学过程置于人类创造和使用物质的文化背景中，以此来实践四面体化学教育。

舍约姆（J.Sjostrom）等人认为，传统意义上的化学教学与日常生活、技术、社会、科学史及哲学的联系薄弱，因此整合了三重表征模型及马哈菲提出的四面体化学教育模型，并对其进行了改造与细化，提出了四重表征模型（如图5所示）。其中，人本主义方法包括三个层次：应用化学、社会化学和批判反思方法。应用化学，指通过关注日常生活问题和化学的不同应用来引人人的因素的化学教育方法;在复杂程度更高的社会化学水平上，化学教学包括旨在评估化学知识、实践和产品的发展及使用的方法，以及对科学工作和思想的社会文化嵌入性的理解;四面体顶端的批判反思化学，旨在让学生从历史、哲学、社会学和文化的角度进行反思分析，为社会、经济、正义采取批判性民主行动。

塔兰克（V.Talanquer）认为将化学与学生的日常生活、社会问题及需求联系起来固然重要，但他也提出一个关键问题，即“如果我们需要在三重表征中加入人的成分，为什么不考虑哲学、历史或技术的成分呢？”。同样，我们也可以进一步追问，是否有必要增加代数、过程以及量子水平等。实际上，约翰斯顿本人曾明确提出，三重表征模型中没有隐含的层次结构，对它的任何添加都是多余和复杂的。“让我们保持简单，否则就没有必要使用三重表征模型了”。显然，这是两种截然相反的观念，究竟孰是孰非，尚需深入论证。

2.3三重表征的尺度粗糙

随着科学技术的发展，从宏观到纳米等各种尺度上探索化学物质已经成为可能，因此，用来描述、解释和预测化学物质性质及变化的理论尺度仅仅分为宏观和微观是不够的，三重表征的具体内容需要不断得到更新。基于此，一些研究者开始逐渐在不同尺度上探索化学理论（模型）。例如，本·兹维（R.Ben-Zvi）等人认为，虽然可以在单粒子水平上解释化学性质，但宏观物质的许多物理性质（如密度或物质状态）只能用多原子或多分子的摩尔数进行解释，因此，非常有必要区分单粒子和多粒子模型水平。基于此，他们认为，可以在宏观（现象）、原子分子（一个单粒子）和多原子（许多粒子）这三个水平来表征物质。塔兰克对化学的尺度进行了更为细致的划分：宏观水平、中观水平、多粒子水平、复杂分子水平、分子水平和亚原子水平。杰森（W.B.Jensen）则根据现代化学学科的发展历史，将化学分为组成和结构、能量以及时间这三个维度，每一维度均包括三个水平：摩尔、分子和电子。杰森认为，当今化学教材不但没有清晰地指出摩尔、分子和电子水平的存在，而且还会将之混淆。仔细分析不难发现，杰森提出的摩尔水平与宏观水平的意义相似，分子水平与微观水平对应，时间维度则与过程水平类似。然而，根据杰森提出的化学学科逻辑对课程及教学内容进行组织往往会缺乏教学性，对初学者来说会有一定困难。因此，在对三重表征的尺度进行划分时，需要同时兼顾学科性与教学性，使其既能体现化学学科的特色，也能符合学生的认知发展机制。

3研究启示

通过梳理国外化学三重表征的理论研究过程，可以发现，三重表征在众多研究者的批判性反思中取得了显著的进展，这可以为我国化学教育工作者进一步对三重表征进行本体论反思，明确三重表征的适用范围，开展三重表征的本土化研究带来有益的启示。

3.1进行三重表征的本体论反思

长期以来，我国研究者主要是在约翰斯顿1991年提出的“化学三角形”模型基础上对化学三重表征展开研究的，但对约翰斯顿此后对“化学三角形”框架的修正关注不多，也鲜有引述其他研究者对化学三重表征进行发展及反思的文献，这就导致对化学三重表征的理论研究难以取得重要突破。同时，越来越多的研究者逐渐意识到，基于三重表征理论对具体化学概念进行判断与解释存在一定困难。如“物质的量、阿伏加德罗常数及摩尔等是宏观物理量还是微观物理量？”这一问题至今尚未达成共识。因此，非常有必要对化学三重表征进行本体论反思，进一步明确其内涵及本质。

在有关三重表征的研究中，我国研究者通常比较关注教师或学生在分析、解决问题的过程中，是否体现了宏观、微观及符号表征，或是否能在这三个表征之间建立联系，从而能够在这三个表征之间进行转换与迁移。事实上，化学三重表征是一个半量化模型，三重表征的三角形模型内部所传达的意义非常丰富，然而，当前对学生三重表征模型内部认知机制的半量化研究不足，还有待研究者对其进行深入挖掘。总之，在了解化学三重表征研究进展的基础上，研究者应该对三重表征进行本体论反思与元追问，在批判与反思中前行，在理论思维的指引下，不断深化对化学三重表征的认识。

3.2明确三重表征的适用范围

我国化學课程目标在三重表征方面的主要表现为：能从不同层次认识物质的多样性;通过观察能辨识一定条件下物质的形态及变化的宏观现象，能运用符号表征物质及其变化;能从微观层面理解和预测物质的组成、结构、性质及变化;能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。由此可见，三重表征是认识化学科学的重要视角和思维方式。

需要注意的是，尽管三重表征在化学学科具有重要的功能与价值，但也应该意识到三重表征不是万能的，不能盲目地将其套用在化学教育的所有领域中。因此，有必要进一步对化学三重表征的适用边界以及外延进行深入的研究，只有如此，才能最大程度地发挥三重表征的优势，从而更加全面且深入地促进化学教育研究的发展。例如，在探查学生解决真实复杂问题的心理机制或表征过程时，如果仅从三重表征的角度进行研究，就很难触及学生更深层次的认知发展过程。如果将化学三重表征与Zhang等人提出的内部表征和外部表征，或Bowen提出的言语表征、图像表征、方法学表征、原理定向表征、实验室定向表征和经济表征等表征类型相结合，就有可能会为问题解决的发展与完善提供一种行之有效的研究路径。

3.3开展三重表征的本土化研究

在借鉴国外三重表征的基础上，我国研究者也对三重表征的本土化进行了初步尝试。如叶静怡从表达方式、功能等角度对化学符号进行了分类，认为化学符号是代表物质的组成、结构和变化的一系列符号或图式。从表达方式上分，主要包括：字母型符号（如化学式、化学方程式）和构象型符号（如结构式、晶体模型、实验操作示意图）。从功能上分，包括表示元素（原子或离子）的符号或图示、表示物质组成和结构的式子以及物质变化的式子三大类，这对于我国化学三重表征的本土化研究与发展具有重要意义。

应当注意的是，在对三重表征进行本土化研究的同时，也应该加强与国际同行的学术交流与合作。由于各国语言文化背景不同，因此，在不同国别之间进行学术交流会受到一定程度的限制。例如，用来指称符号的英文词汇有picture、sVmbol、graph、icon、diagram、sign、character等。在中文语境中，这些词汇往往都会被翻译成符号，并将其纳入到符号表征的范畴。又如，在英文语境中，曲线一般属于符号表征的范畴，但国内研究者则认为曲线表征独立于符号表征的范畴，并将其与符号表征并列，认为应该在三重表征的基础上增加曲线表征，从而构建了“四重表征”，这也是由于国内外对于符号的认识不同所导致的。当然，这也可以认为是一种本土化的尝试，但与此同时，为了向国外研究者“讲好中国化学教育发展”的现状，就非常有必要从语义、语用等多角度对有关科学概念进行全方位考察，不断克服因文化差异而带来的学术沟通困难，从而真正实现化学教育跨文化的比较与借鉴研究。