中学生化学反应三重表征的困难及原因分析

　　正如化学诺贝尔奖获得者霍夫曼RoaldHoff?man所说，化学即表征。从某种意义上讲，化学就是一门表征的学科，表征是化学学习的一种必需工具。从认知心理的角度分析，学生对化学概念的理解就是学生对化学概念形成了怡当的心理表征。而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。化学学科的内容特点决定了化学学习中存在着三重表征：宏观表征、微观表征和符号表征。以往的研究表明，对于化学三重表征，中学生存在许多困难。本文以化学反应学习为例，探讨中学生三重表征的困难，并分析其形成的原因。

　　一、中学生化学反应三重表征的困难

　　1不能从微观水平上理解化学反应

　　相关文献综述表明，很多研究者对学生是否在分子水平上理解了化学反应进行了探查。研究发现，学生即使能正确配平化学方程式，也不能在微观上理解化学反应，这可能与用数学化的方式配平化学方程式有很大关系。国外对这个问题的探查多是结合画微粒图和访谈等方法进行的。例如，盖贝尔（Gabel等设计了14个题目来考查大学生对事物微观本质的理解情况。题目用不同大小和形状的圆圈来描述分子、原子，要求学生在物质发生物理或化学变化后再画一幅新的图画。分析结果令人吃惊：第一，有50%的学生忽视了微粒守恒和微粒的排列次序；第二，尽管学过化学的学生比没学过化学的学生回答得要好，但这种差别并不显著。这表明，尽管化学课程在一定程度上涉及物质的微观本质，但通过微观本质的学习并没有使学生较好地理解化学。另外，学生的回答中普遍出现的错误有：（1当液体变成气体时，原子被画大，而不是原子间的距离变大；（2用线条表示液体的水平面，而不是用顶层的微粒来暗示表面；（3气体分子排列有序；（4在分子分解之后，仍用完整的单位来描述微粒，而不是用更小的原子等单元表示。这表明，尽管化学课程在一定程度上涉及物质的微观本质，但通过微观本质的学习学生并没有较好地理解化学。再如，亚洛克Yarroch要求成绩中等以上的高二学生配平给出的化学方程式，并根据方程式画出微观图像，以探查学生对化学方程式的理解。结果显示，60%的学生能够配平化学方程式却不能解释方程式的意义。这说明学生没有从微观水平上理解化学反应。

　　可以看出，学生不能像化学家那样进行微观表征，对学生而言，微观表征复杂而抽象，这可以从学生对原子结构、化学反应、溶液等特定内容存有_定的相异构想中窥见_二。在过去的三十年里，文献中关于化学相异构想的研究可谓数不胜数，其中相当部分的内容就集中在微观表征上，这就反映出学生在微观表征方面的困难。对于化学反应，学生也存在这样的困难。

　　(二不理解化学方程式的符号含义

　　化学方程式既可以表征宏观水平的物质变化，也可以表征微观水平上的粒子行为，符号表征指向的这种模糊性提供了_种思维转换的流动性，即借助于符号表征，思维可以很方便地在宏观表征和微观表征间转换，这为交流和传播解释提供了强有力的工具。符号表征在任何时刻都具有特定的含义，这在专家看来是非常明确的，但对于学生而言，怡怡是符号表征指向的模糊性增加了学生的认知负担，学生必须能利用上下文和背景知识来明确符号表征的指向。

　　化学方程式隐含着丰富的信息，对化学方程式的理解也包含着多重含义：明确化学式和各个数字及箭头的含义、理解化学反应过程中键的断裂和形成、考察化学变化的定量关系等。研究发现，学生对化学方程式的理解存在困难。如，桑格)让学生根据微粒图书写化学方程式，他发现44%的学生对下标和系数的理解有不同程度的混淆，有的学生将C3书写成3C,学生只知道下标表示某分子中的原子个数，却不知道下标可以表示组成物质的元素比例；约翰斯顿Johnstone等人研究发现，离子方程式中没有参与反应的离子、氧化数和离子电荷给学生造成了最大的障碍；巴克（Bark〗探查德国学生对镁条燃烧的理解，他对八、九、十年级的272名学生进行了测验，结果显示，30%的学生能正确写出反应方程式，并能正确进行微观表征，70%的学生只能记住方程式而不能正确理解其微观含义，巴克由此得出结论，单纯使用化学符号不能帮助学生理解化学反应。

　　三难以在不同表征水平间进行转换

　　化学概念在本质上是多重表征的，成功的化学学习应该建构三重表征的整体模型，在三重表征之间实现思维的自由转换。现已公认化学教学经常包含宏观表征和微观表征间的转换，用微观表征解释可观察的宏观现象，然而对学生而言，这种不同表征间的转换是困难的，这不仅因为微观世界的抽象本质，还因为对学生来说转换本身可能就是挑战。教师与学生在知识和经验背景方面存在鸿沟，教师已经能很流畅、很容易地实现不同表征间的思维转换，而学生对物质不是很熟悉，当这种转换发生时，学生可能会经历激烈的认知冲突才能实现。作为宏观水平和微观水平中介的符号水平不仅增加了学生学习的复杂性，而且由于它指向的模糊性，增加了初学者在宏观表征和微观表征间讨论的困惑。

　　已有大量研究发现，很多学生能正确回答谈话性的测试题目，然而进一步测试表明，他们不是真的理解了概念，很多学生能够解决计算问题，而不能解决概念性问题。例如，研究发现，学生成功配平化学方程式并不能保证他们能用图表的形式准确表征相应的化学反应。[8]我们对这一发现的解释是，能够配平化学方程式是符号水平的理解，然而画微粒图的能力是微观水平的理解，学生在联系两种表征水平方面存在困难，难以实现不同表征水平间的思维转换，因此不能成功地解决问题。再如，对于化学平衡，即使是高等化学专业的学生也存在三重表征转换的困难。研究发现，食盐溶于水，达到平衡状态即饱和时，很多学生会认为反应结束了，即将“平衡”等同于“结束”。这说明学生对平衡的动态性缺乏理解，无法建立宏观表征与微观表征的联系。还有很多学生认为，当溶液达到平衡时，化学方程式左边的物质数目就等于右边的物质数目，换句话说，学生经常将化学反应中的理解为“等于”，即如果达到化学平衡就意味着反应物浓度等于生成物浓度。这种相异构想可能缘于等号的应用，也说明学生没有将符号表征和宏观表征、微观表征建立起联系。

　　专家可以在三重表征之间随意转换，而且可能是自发进行的，而学生的三重表征转换就困难得多。尽管如此，由于三重表征提供了科学概念不同水平上的信息，对概念理解是极其重要的，学生应努力建构起三重表征的内在联系，增进对科学概念的理解。

　　二、中学生化学反应三重表征困难产生的原因

　　从学生自身角度来看，三重表征困难的一个原因是，学生的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，如，_滴水里含有大量的水分子，这些分子竟然在不断运动着，这对于初学者来说很难接受；第二个原因是，他们有限的概念性知识和贫乏的空间想象能力，导致学生经常不能将_种表征转化为另_种表征。

　　本文主要讨论化学反应三重表征困难产生的外部因素，这是因为外部因素可以在教学实践中进行可行性设计，对教学实践更有启发意义。

　　1微观世界的抽象性

　　微观表征关注的世界是一个不可视的世界，只能通过想象来触及。由于学生已有的知识经验有限，缺乏空间想象能力，对微观粒子的表征就很困难，很容易将宏观性质直接迁移过去，如，认为微观粒子有颜色、是连续的、有生命、不同状态下质量不同大小可变等。由于缺乏宏观经验的支持，学生的微观表征就显得异常困难。尽管存在各种模型和动画模拟等可视化教学的帮助，但大量研究显示，学生对微观世界的理解还是存有大量的相异构想，过去二十年间化学教育文献的研究热点就是对学生相异构想的探查，其中相当部分的内容集中在微观表征上，由此可见，学生微观表征的困难程度。

　　现代化学的重要特征之_，就是将微观粒子间的相互作用模型作为解释理论的基础，这些粒子带有科学猜想的性质。对学生来说，粒子这个词有_定的误导性，学生可能把糖和盐的细粒当作教师提到的粒子，而不是相当小空间水平内的假定粒子。这些微观水平上的粒子是分子、原子和电子等等，这些粒子存在空间如此之小以致量子效应（对可以直接观察的粒子来说是微不足道的变得非常显著，这些“量子物质”拥有属性的方式和我们熟悉的宏观粒子拥有属性的方式有很大不同，它是解释化学的微粒模型的一个有力证据。量子物质不是坚硬的难以穿透的有锋利边缘的实体，而是带有量子规则模型化了的属性的很多模糊区域。对化学反应宏观表征的解释都是借助于这些微观粒子的行为来解释的，在科学上，微粒模型具有真实的和重大的解释价值。

　　众所周知，这种微观表征模型的使用对许多学生来说具有很大的挑战性，他们不能完全理解量子物质显著不同于熟悉的宏观粒子属性，学生通常采用一种虚假的解释，这可能与中学生理解科学模型和科学本质的水平有限有关系，即使是大学生也可能没有形成有效思考微观世界所需的心智模型?。

　　(二教材编制的局限性

　　教材的编制和内容呈现具有1定的局限性，这严重影响了学生化学反应三重表征的建构。

　　首先，教材对有些知识的论述不是很明确，如，对原子的论述就是典型的例子。没有人能说明原子是什么或者原子像什么，虽然通过原子级显微镜我们看到了金色的原子1个挨着_个一但是原子级显微镜的输出结果是它自己的模型应用的结果。很多教科书回避了原子是或像什么这个尴尬问题，只给出了关于原子性质的论述，那么，学生很容易认同教材中画出的原子图像就是原子本来的样子。对化学反应过程的描述也存在类似的局限性。

　　其次，文本、图表或图形的使用存在问题。如，教材中有的图是这样画的：在一烧杯水中仅画了几个液态水分子，这会使得学生认为_烧杯水中只含有那么多个水分子，而这种理解在学生看来是很自然的，因为他们看到的就是这样，和宏观经验是吻合的。在印刷的纸张上不能描绘一烧杯水中大量的水分子，这是文本编制与生俱来的问题。如果文本不对此作出说明或解释，那么，学生就很容易产生相异构想。

　　再次，教材内容不能很好地体现微粒的立体性和化学反应的动态性。化学微粒是立体的，化学反应是动态的，但是落实到教材文本中，只能以二维的和静态的方式呈现，这是教材文本印刷难以克服的局限性。

　　三化学符号的复杂性

　　符号表征包含着大量的信息，初学者对其理解起来非常困难，对于化学反应更是如此。我们通常用化学方程式来表征_个化学反应，这个方程式里内含着大量的信息，包括_些抽象的概念，如元素、化合价、电负性、化学反应、能量等，还包括_些普适性的书写规则，如分子式的书写规则、方程式的配平规则、离子式的书写规则等。化学符号本身就是人为表征的，因此，对学生而言，它更像是_些无意义的音节，要熟记这些复杂的符号系统，的确是非常困难的。更何况，化学符号表征的还是-些学生本身就觉得学习困难的知识。

　　为了使符号表征有意义，教师必须花费大量时间让学生熟知符号的含义，熟练掌握化学方程式的书写规则，从一开始就注重从三重表征的角度建构符号表征的意义。符号表征的意义在于，它是一种非常有利的交流工具，_旦建构起正确的符号表征，就会便利我们快速地、有效地交流，并有助于我们在三重表征间的思维转换。

　　因此，在教授符号表征的时候，教师应清晰地认识到：（1和专家相比，学生的符号表征能力不如专家有效；（2使用符号表征的方式可能增加感知的复杂性和任务认知需求的复杂性；（3考虑化学符号指向对象是否是模糊的，如果真是这样，要明确符号在任1点元素、物质、分子、原子等上的含义，注意方程式中符号使用的贯性。

　　四化学三重表征教学的困难性

　　化学教育的一个难题是，宏观表征模型本质上是连续性的，而微观表征模型本质上是分离的，如，气体的流动宏观来看是连续的，而从微观本质上看气体分子的行为是分离的。建立宏观表征和微观表征的联系需要理解微观世界的粒子是极小的。对于“粒子”微粒”这样的主题词，学生早就接触过，因此，学生会借助已有的理解解释微观世界中的粒子行为。教师如果不注意联系学生的已有经验，借助于宏观表征和微观表征的联系进行教学，很容易造成学生理解上的困惑。

　　如，对于化学反应的判断标准是有新物质的产生，对于什么是新物质是从微观水平上进行判断的，是我们应用了微观模型的结果。而从可观测的宏观表征上来看，新物质就是明显不同于原来的物质，对于学生来讲，冰融化为水也是_种新物质，尽管在化学上它们具有相同的结构，但宏观来看，物理变化产生的新物质就像1些化学反应产生的新物质那样引人注目。很多化学方程式对于学生判断是化学变化还是物理变化是有帮助的，因为它们可以揭示物质的微观粒子的行为，但文献显示，也有很多化学方程式对于学生的判断帮助不大。如，对于碳酸钙加热生成氧化钙和二氧化碳的反应而言，很多学生不认为这是1个化学反应，因为碳酸钙没有和任何物质反应。另外，一些学生将加热看作是1种物质，认为碳酸钙和热发生了反应。这可能是曰常生活中“反应”的意思对理解化学术语的不利影响。

　　有研究者总结了化学教学导致三重表征的困难表现为三方面：（1化学教学中教师简单强调符号表征和问题解决而不重视宏观现象和微观表征的联系；（2化学教学中教师不能很好地结合宏观、微观和符号表征，使学生长时记忆中的信息分散零乱，不能系统全面地对化学知识进行理解；（3片面、机械地强调宏观、微观和符号三种表征，而不能够将其与学生的曰常生活联系在_起，学生无法达到深刻的理解。

　　五化学方程式配平的数学化

　　对于中学阶段化学反应的学习而言，熟练配平化学方程式是学生要达到的一个重要学习目标。为了实现这_目标，教育工作者研究了很多方法帮助学生熟练配平方程式，其中很多方法就是借助于数学或计算机程序。如，布拉克利Blakley证明了几乎每-个化学方程式都能用线性代数的Fotoan程序配平。尽管用数学的方法能正确地配平化学方程式，但正如科尔布Kib所说，反应物和产物在化学上真的是不同的物质，化学方程式不像一个数学表达式，因此，它们不能在数学的感觉上等同起来，忽略数学上和化学方程式之间的细微差别增加了概念性错误的可能性。?已有研究表明，学生即使正确地配平了化学方程式，他们也不一定理解已配平的化学方程式的含义。用数学方式配平化学方程式导致了学生对化学反应本质的忽略，从而导致了学生的很多相异构想的产生。出于对这种状况的反思，很多研究者认为，教师要帮助学生理解化学方程式的意义，让学生学会用化学的方式正确配平化学方程式。目前，国外在这方面的研究大都集中在探查学生配平化学方程式过程中出现的错误及其相关教学建议上。

　　国内有关配平化学方程式的教学研究主要是总结化学方程式配平的方法，或针对某类特定的化学反应方程式的配平进行具体研究，[14]目前，我国化学教学中仍然随处可见各种各样配平的口诀。可以说，我国在配平化学方程式的教学上，许多教师并不以理解化学反应为基础，而是以数学的方式配平，训练学生配平技巧的成分很大。如此导致的结果是，学生可能会用数学化的方法配平化学方程式，但不理解化学方程式所代表的含义，从而出现对化学方程式本质的理解困难。

作者简介：张丙香，山东师范大学化学化工与材料科学学院博士生250014

　　    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250014