化学三重表征的含义及其教学策略

作者：张丙香毕华林

中国教育学刊 2013年05期

　　自从1982年苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的约翰斯顿（A.H.Johnstone）教授首先提出化学学习的三重表征以来，三重表征的研究就受到了国外化学教育专家的重视。研究表明，学生在三重表征方面存在困难，影响了其化学学习的深度和广度；如果学生能整合三重表征进行学习，那么其会提升自身对化学概念的理解，提高化学学习水平。学生三重表征的能力不是自发形成的，需要教师采取三重表征的教学策略。为了促进概念理解，教师应该联系三重表征进行教学，帮助学生完成三重表征的意义建构。

　　一、化学三重表征的含义

　　化学作为研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的学科，既研究物质宏观上的性质及其变化，也研究物质微观上的组成及结构，化学符号则是化学研究和交流的工具。《美国国家科学教育标准》认为化学学习有三大领域：可观察现象的宏观世界；分子、原子和亚原子微粒构成的微观世界；化学式、方程式和符号等构成的符号与数学世界。[1]化学学科的内容特点决定了化学学习中，学习者必然要从宏观、微观和符号等方面对物质及其变化进行多种感知，从而在学习者心理上形成化学学习独特的三重表征：宏观表征、微观表征和符号表征。

　　表征是一个心理学概念，既有表征过程的动态含义，也有表征结果的静态含义。有的认知心理学家把“信息在人脑中呈现和记载的方式”统称为知识的表征，这种界定主要考虑了表征结果的静态含义。认知心理学家和人工智能的创始人西蒙（H.A.Simon）指出：“表征包含了两个方面的含义：信息和对信息的加工。”[2]西蒙的提法既有动态的含义，也有静态的含义，后来演变成为表征的两种形式——内部表征（Internal-representation）和外部表征（External-representation）。人们直接把信息的记载或问题本身的提法称为问题的外部表征，相当于西蒙提出的信息，而将对信息的加工或问题的理解过程称为内部表征，它是内部的、主观的表征，故有时也称为心理表征（Mental Representation）或内在表征，相当于西蒙提出的对信息的加工。西蒙的这种划分维度是表征的心理和客观界面。

　　借鉴外部表征和内部表征的分类，化学三重表征可分为三重外部表征和三重内部表征。其中三重外部表征指的是化学宏观知识、微观知识和符号知识外在的呈现方式，化学中常见的外部表征有文本、图表、动画模拟等表征形式，是静态的。三重内部表征指的是化学宏观知识、微观知识和符号知识在学习者头脑中的加工和呈现方式，既有动态表征过程的含义，如信息的输入、编码、转换、存储和提取等，也有作为表征结果的静态含义，如概念、命题、认知结构、心智模型等。因此，化学三重表征指的是宏观知识、微观知识及符号知识的外在呈现形式和在头脑中的加工与呈现形式。

　　具体而言，宏观表征是指对人类感知器官可以直接感知到的物质及其性质的外部和内部表征，如物质的形状、颜色、气味等，具有生动、直观、可以再现等特点；微观表征是指对构成物质的微观粒子及其性质进行的外部和内部表征，微观粒子包括分子、离子、原子、质子、电子、中子等；符号表征是指对表示化学物质组成、结构、性质、变化、状态、数量、单位等的符号进行外部和内部表征，如分子式、方程式等。

　　外部表征可以与头脑中的内部表征相结合，在认知活动中共同起作用。研究表明，外部表征对内部表征有直接，甚至是决定性影响，而这种影响未必都是通过内部表征机制实现的。[3]我们只能通过使用者的描述和使用结果来推断内部表征的过程和结果。这就告诉我们，教师在化学教学中要合理呈现化学知识的三重外部表征，以帮助学生完成三重内部表征的建构。因此，化学三重表征的教学策略主要指向三重外部表征的合理呈现。

　　二、化学三重表征的教学策略

　　学生在理解三重表征上的困难主要是由以下三方面原因造成的：微观世界抽象而又不可见；学生思维受到他们已有的宏观经验的强烈影响，从而无法理解微观表征；学生有限的概念性知识和贫乏的空间可视能力，使其不能将一种表征转化为另一种表征。[4]研究也显示，很多高中教师在教学中没有联系三种表征，在不同表征间转换时没有点明它们之间的内部联系。[5]为了促进概念理解，帮助学生看到三重表征间的联系是很重要的。教师应该联系三重表征进行教学，帮助学生完成三重表征的意义建构。

　　（一）加强实验教学，增加宏观表征的体验

　　化学从本质上来说是一门实验科学，三重表征的学习也离不开实验。约翰斯顿认为，在解释微观世界和理论之前，一定要让学生有一定的宏观认识，并且这种宏观认识的材料提供得越多，越有利于学生的学习。[5]这种观点与建构主义学习理论相一致，在化学教育中的应用非常普遍。

　　学生在试图掌握类似分子、原子这样的概念时，从宏观到微观的转换存在非常大的困难，实验教学应该起到支持微观理解的作用。但实验教学通常是宏观水平的展示，教师没能有意识地将宏观现象与微观结构联系起来。教师在实验中帮助学生将观察到的宏观现象与微观结构联系起来，会极大地促进学生思考能力的发展，增强其对化学概念的学习。

　　化学实验的鲜明特点就是通过物质的宏观现象来揭示物质的组成、结构、性质以及化学反应中内在变化的微观本质。实验教学中，教师要在实验过程中将宏观现象与微观结构有意识地联系起来，这样才能促进学生对化学概念的有意义的理解，化学实验才能起到支持理解微观表征的目的。宏观表征是微观表征的认识基础，没有一定的宏观认识作为学习的支撑，微观表征的学习就成为一种无意义学习。实验教学是为学生提供宏观体验的最好手段，是三重表征学习的基础，因此，教师在教学中应该加强实验教学，增加学生宏观表征的体验，充分发挥实验教学的价值。

　　（二）合理使用微观模拟，增强微观世界的可视化

　　学习化学是一项复杂的认知活动，为了将宏观现象和微观本质联系起来，学生需要具有想象微观世界的能力，需要具有建构和操控符号的心理表征能力。化学教育中的微观表征关注的是原子、分子和电子等微粒，这是一个人类肉眼不可视的世界，只能通过想象来触及。想象是化学研究的一个重要工具，同时也是丰富学生理解的重要一环，所以它的重要意义不能被低估。然而，仅靠想象是远远不够的，在化学教学中，一个非常有效的方法就是合理使用微观模拟，以增强微观世界的可视化，从而增强学生对微观表征的理解。

　　从有关相异构想的研究文献中我们可以看出，微观表征是化学学习中的关键内容，但是由于微观表征的抽象和困难，学生对微粒、原子结构、化学反应、溶液等特定内容存有一定的相异构想。微观表征的相异构想严重阻碍了学生对化学三重表征的整体建构，因此在解释宏观的化学现象或者解决化学问题时，学生会出现各种各样的障碍。例如，很多学生不能同时在宏观和微观水平上表征化学概念，不能通过观察方程式看到其蕴含的微观本质和相互作用的动态本质，不能通过二维的结构图看到三维的图像。

　　因此可以说，合理使用微观模型，增强微观世界的可视化，就相当于为学生提供可以观看微观世界的“眼睛”，使微观过程直观化、抽象过程形象化，并能把宏观现象跟微观世界的微粒运动联系起来，深化学生对物质组成及其性质的辩证关系的认识。实践证明，模型、图片、多媒体等直观教具对于学生从三重表征的角度理解和学习化学具有重要意义。例如，运用多媒体技术，可以使学生很容易地把像“电子云”“共价键的形成”等抽象的微观知识表示出来，使微观过程可视化，从而促进学生化学三重表征的建构。

　　计算机技术的不断完善，意味着可视化表征方式的质量、可靠性、细节和能力发展到更高水平。当今，化学教育中，多媒体和超文本的结合有利于创设有意义的超媒体环境。

　　很多研究表明，在学习抽象、复杂的概念中，多媒体具有重要功能，能够提高教师的教学效果。例如，化学概念的动画描绘了其微观本质，动态的图像在宏观现象和颗粒的微观行为之间建立起联系。具有这些特点和价值的教学环境给学生提供了多样的学习机会。例如，为了协调多媒体中大量实体的信息，学生需要抽象、分析、操控、形成概念、修改并评价他们内部知识的结构。

　　综上，合理使用微观模拟，增强微观世界的可视化，有助于学生对复杂概念的理解，有利于其形成三重表征的联系。

　　（三）理解化学用语的意义，强化符号表征的中介作用

　　为了使学习有意义，学习者必须将新信息与已有的知识联系起来，这是建构主义学习观的基础。然而，不管是学习者还是教师，其都没有清楚地意识到学习者特殊的“建构主义者的眼睛”可能会误解教师所指的含义。从教师和课程专家的角度看，使用化学符号进行化学交流可能是相当明智和清楚的，但实际上这种方式可能是学习者困惑和误解的来源，有时化学教学中使用起来相当便利的符号表征可能会阻碍学生的学习。

　　化学符号的学习与第二语言的学习类似，学生既学习语言，同时又利用语言理解大量的物质。可以想象，这种化学语言将会使化学学习变得更加复杂和困难。因此对于初学者来讲，化学符号表征的学习是极其困难的，特别是在没有完全明白符号表征代表的宏观和微观含义之前。很多初学者对化学符号感到茫然和陌生并且难以接受，不少学生用学习英语时死记硬背的方法来学习化学用语，久而久之便对学习化学失去了兴趣，继而丧失了学好化学的信心。

　　在教授符号表征的规则时，教师需要花费大量的时间让学生熟知符号的含义，熟练掌握书写化学方程式的规则。符号表征和它们表示的概念原理是紧密联系在一起的，如元素、化合价、电负性等抽象概念，这些知识的学习本身就很困难，如果不理解符号表征的化学概念或拥有不当的化学概念，那么就不可能正确理解符号表征。符号表征的学习是在抽象知识和陌生语言的基础上进行意义构建的，更加抽象难懂。因此，教师在教授符号表征时应该清晰地认识到：与专家相比，学习者学习大量符号不如专家有效；使用符号表征可能增加感知的复杂性和认知任务的复杂性；所使用的符号如果是含糊的，要明确符号在表示不同概念时（元素、原子、物质、分子等）的不同含义；当符号表征在宏观含义和微观含义之间进行转变时，要有清楚的标志，如教师可以提示“现在这个方程也表示……”

　　教师不能孤立地讲符号表征，也不能单纯依靠机械训练来使学生掌握符号表征的书写规则，否则就会使学生失去对化学学习的兴趣。在符号表征的教学中，教师要充分利用实验、实物、模型、图示、多媒体等直观手段，在带给学生充分感知的基础上，把化学符号所蕴含的宏观和微观信息展示出来，使学生明白符号表征代表的宏观和微观含义；要突出符号表征对于宏观表征、微观表征的中介功能，利用符号表征实现宏观表征和微观表征之间的思维转换，并用大量的文本和例子强化它、应用它，直到其在学生记忆中充分地将宏观表征和微观表征连结起来，使得学生一看到符号表征，就能理解它表征的宏观和微观含义，自动实现思维在宏观和微观之间的转换。只有学生真正理解了符号表征的宏观含义和微观含义，他才能有意义地学习符号表征。

　　化学符号的价值就在于其有利于人们快速和有效地交流化学信息，而不是成为理解的附加障碍。学生只有将符号表征的学习与宏观表征和微观表征的学习紧密联系起来，才能使符号表征的学习变得有意义，然后为进一步学习打下坚实的基础。

　　（四）强化在不同表征间进行转化的意识和能力

　　如果学生在化学学习中能自动化地、熟练地把化学三重表征有机结合起来，可以在三者间进行信息转换，做到由表及里、由此及彼，那么教师就可以认为学生完成了三重表征的意义建构，形成了三重内部表征。例如，学生见到宏观物质及其变化，就会试着用头脑中的微观表征去解释、理解它，用符号表征来表示它；见到化学符号，就会自动地提取出相应的宏观表征和微观表征；等等。但是学生在不同表征间信息转换的能力不是自发形成的，需要教师在教学过程中不断强化学生在不同表征间进行转化的意识和能力。

　　教师在教学过程中要有三重表征教学的意识，并强调三重表征的重要性，引起学生的关注。在教学中，教师应通过典型的三重表征实例，不断突出三重表征的意义，使学生切实体验到三重表征的“妙处”，增强学生进行三重表征的自觉性。这不但要求教师创造性地使用教材，善于挖掘知识点的三重表征价值，同时还要求教师善于把这种潜在的三重表征过程用一种恰当的、外在的形式呈现出来，将三重表征过程外显化。教师应向学生完整地呈现自己的学习过程，并经常与学生交流感受与收获。另外，教师要尽可能多地为学生创造亲自运用三重表征的机会，为其创建一个有利于进行三重表征的学习情境。三重表征学习方式的培养是一个长期的过程，其形成不能仅仅依赖于教师的讲解，还需要学生在学习过程中亲自运用并体验它，使其逐步内化为自己的学习方式。例如，教师引导学生思考“对于这一知识点，我是从宏观、微观、符号相结合的角度考虑、学习的吗”“今天学习的这些知识之间有什么内在联系”“这一现象的微观本质是什么，怎样用符号来表示呢”等问题。通过这些问题，教师可以引导学生逐步提高三重表征的意识与能力。

　　在过去的30年里，化学三重表征已经逐渐成为最有影响力、最富有创造性的思想之一。[6]三重表征已经成为化学教育研究的理论基础，指导着世界各地化学教师的教学和课程、软件、教材编制者的工作。[7]三重表征还影响了科学教育中建模和可视化的讨论。国外对化学教育中三重表征的研究已经取得了大量的成果，而我国对此领域的研究尚处于起始阶段。我们将继续关注化学三重表征的研究，为我国化学教育提供一条有效的改进思路和方法。

作者介绍：张丙香，山东师范大学化学化工与材料科学学院博士研究生，泰山学院化学化工学院讲师；毕华林，山东师范大学化学化工与材料科学学院教授，博士生导师，科研处处长（山东 济南 250014）。