基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学研究

　　文章编号：1005-6629(2011)10-0024-04

　　中图分类号：G633.8

　　文献标识码：B

　　1、问题的提出

　　高中的化学教学涉及许多化学概念。化学概念是后续化学知识的基础，学生只有建构起正确的化学概念，才能在解决问题的过程中进行正确的推理和判断。化学概念一般较抽象，高中生学习高度抽象和内涵丰富的化学概念往往会存在困难，容易产生迷思概念。这使得概念教学成为高中化学教学中的―大难点。

　　“电离”是高中化学的核心概念之一，但其微观抽象性往往使学生在概念形成的过程中产生障碍。在教学中，让学生从多角度理解“电离”的概念，将有利于他们对“电离”建构起正确的认识，同时也有利于相关概念的学习迁移。本文以“酸、碱、盐在水溶液中的电离”为例，从理论和实践两个方面，探讨如何运用“四重表征”的教学模式，结合信息技术(多媒体技术、手持技术)和自主设计的教学图形进行概念教学，帮助学生进行化学概念的建构。

　　2、理论基础

　　2.1

　　概念“四重表征”教学

　　“多重表征”是化学概念教学的重要方法，能帮助学生通过化学概念的各种表征形式进行有意义学习。有利于学生更好地理解化学，突破学生学习化学的困难，可以减轻学生的记忆负担，便于知识的储存与提取，有利于知识的迁移应用，提高问题解决能力。四重表征教学模式(Tetra-Representation Teaching Model，简称TRTM)，具体指的是“宏观-微观-符号-曲线”的表征并进行表征间的转换。其中，“曲线表征”是指由某些自变量的变化引起因变量的变化以坐标图的曲线形式在学习者头脑中的反映，将坐标轴物理意义、曲线上的起点、终点与拐点曲线走向等与实验数据相结合，反映事物的变化趋势，也是将宏观表征和微观表征联系起来的桥梁。曲线表征有助于学生的定量图像信息处理能力的培养。本研究采用四重表征教学流程(如图1所示)：宏观表征(实验现象等)、微观表征(粒子图等)、符号表征(化学式、化学方程式)、曲线表征(电导率曲线)，结合运用宏观(Ih)、符号(If)、微观(1w)、曲线(1q)图象(或图形)进行教学组织，包括图象(或图形)的单独呈现、组合呈现，并通过多媒体展示(如图2所示)，帮助学生从多角度直观地进行概念建构。

　　

　　2.2

　　POE教学策略

　　POE教学策略，指的是“预测-观察-解释”策略(Prediet―Observe--Explain)。POE基本的程序是，首先设计某一情境让学生进行“预测”会有何结果或现象发生，要求学生写下自己的预测并说明理由，接着通过实际操作让学生“观察”有何结果或现象发生，记录观察结果，如果与预测的不一样，让学生“解释”原因或理由。POE教学策略增强了学习活动的指向性与目的性，有助于学生在原有的知识结构上进行概念建构。

　　2.3

　　手持技术支持下的实验探究教学

　　本教学设计运用传统实验与数字化手持技术实验相结合进行探究实验。其中，手持技术是一种先进的便携式数据采集系统，它与各种传感器连接可以同时进行多变量的实验探究，并实现对整个实验过程的动态测量；突破了单点测量的制约；可以自动绘制图表，使测量结果更直观，所提供的信息更为丰富，并使之定量化，收集的数据更为精确。它常用在课堂教学与研究性学习中，是课程学习内容和学习资源的获得工具，是知识构建和应用实践的有力工具。

　　3、基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学案例

　　3.1

　　教学内容

　　此教学课例选取人民教育出版社高中化学《必修1》中第二单元第二节“离子反应”第一课时“酸、碱、盐在水溶液中的电离”为教学内容，包括电解质在水溶液中的电离、电离方程式的书写、从电离角度定义酸、碱、盐等知识。

　　3.2 教学目标

　　(1)知识与技能：理解电离以及电解质的含义；学习酸、碱、盐在水溶液中电离方程式的书写；从电离角度进一步认识酸、碱、盐；初步认识到“手持技术”的使用方法与优势。

　　(2)过程与方法：通过探究实验，培养学生发现问题，分析问题，合作解决问题的能力；通过微观粒子示意图，认识电解质在溶液中电离的过程，并知道离子是以水合离子的形式存在，初步建立宏观现象与微观本质之间的联系；通过思考与交流，对常见酸碱盐的电离方程式的比较，从电离的角度概括出酸、碱、盐的本质；最后通过“四重表征”教学图形，培养学生运用“宏观-微观-符号-曲线”的联系解决问题的化学思维。

　　(3)情感、态度与价值观：激发和增强学生对化学现象的好奇心和探究欲，提高学习化学的兴趣；在认识离子反应本质与特点的过程中建立微粒观。

　　3.3

　　教学过程

　　环节1：创设实验情境一宏观表征

　　教师活动：请同学们联系初中学习到的物质导电性试验，预测以下实验的现象。[实验]利用图3所示的装置，试验物质的导电性。(1)把碳棒插入盛有氯化钠固体的烧杯中，观察现象；(2)把碳棒插入盛有纯水的烧杯中，观察现象；(3)往纯水中慢慢加入氯化钠固体，观察现象。

　　学生活动：(P-预测)预测实验现象：(1)、(2)灯泡不亮；(3)灯泡变亮。

　　教师活动：邀请学生一同完成演示实验。

　　学生活动：(O一观察)观察并描述实验现象，并尝试解析产生该现象的原因：(1)氯化钠固体，灯泡不亮；(2)纯水，灯泡也不亮；(3)随着氯化钠固体的加入，灯泡逐渐变亮，继续加入氯化钠固体，灯泡越来越亮。(E一解释)这实验说明氯化钠固体、纯水不导电，但氯化钠溶液导电，浓度越高，导电能力越强。

　　教师活动：结合现象图(如图3)分析原因：氯化钠固体中不存在自由移动的离子，而纯水中存在自由移动的离子极少。NaCl溶液导电的原因是，溶液中有―定浓度能自由移动的离子；对于同一溶液，自由移动离子的浓度越高，溶液的导电性越强。

　　

　　设计意图：创设实验情境，激发学生的探究欲望，引入新知教学，同时，培养学生观察、分析实验现象的科学能力；展示“连动式”的“实验现象图”，使学生在头脑中形成“宏观表征”的表象。

　　环节2：宏观表征→符号表征→微观表征

　　教师活动：(设问)如何从微观的角度解释上述实验?NaCl在水中溶解后发生了怎样的微观变化呢?

　　学生活动：(P-预测)根据初中所学的知识，酸、碱、盐在水中会解离出带电的粒子，使酸、碱、盐溶液能够导电。NaCl在水中溶解后解离出能够自由移动的Na⁺ 和Cl^-，能够导电。

　　教师活动：(配合板书)NaCl→Na⁺+C1^-

　　(If)

　　学生活动：(O-观察)阅读课本中微观示意图(见图4)解析实验现象。

　　教师活动：展示“NaCl在水中的溶解和电离过程的微观粒子示意图”(见图4)并对学生进行适当的引导。

　　

　　学生活动：(E-解释)NaCl加入到水中，在水分子的作用下，NaCl溶解并发生了解离，钠离子(Na⁺)和氯离子(Cl^-)脱离晶体表面，进入水中，与水分子形成能够自由移动的水合钠离子和水合氯离子。

　　教师活动：(补充)在外加电场的作用下，自由离子发生了定向移动，溶液便能导电。随着自由离子的增加，自由离子的浓度增高，溶液的导电能力逐渐增强。

　　设计意图：通过“微观粒子图”，实现“宏观表征”向“微观表征”的转换，使学生在头脑中形成“微观表征”的表象，学会从微观的角度解释宏观实验现象。

　　环节3：微观表征一曲线表征

　　教师活动：(引导)我们通常用物理量“电导率”来表示电解质溶液的导电能力大小。电导率越大，溶液导电能力就越强。如果我们把实验(3)过程中测得的电导率以点的形式记录在坐标系中，用平滑的线把各点连起来，会得到怎样的一条电导率曲线呢?

　　学生活动：(P-预测)学生预测曲线的变化趋势：由“灯泡越来越亮”可以推测到，电导率曲线呈现上升的趋势。

　　教师活动：为了连续地、更准确地测量电导率，我们可以引入更精确的测量技术“手持技术”进行测量。让我们来看看，将NaCl固体不断地加入蒸馏水中，溶液电导率的具体变化。(演示，同样邀请一位学生配合老师完成这个实验)利用手持技术进行实验：将电导率传感器置于蒸馏水中，开启数据采集器，将NaCl固体慢慢地加到蒸馏水中形成氯化钠溶液(适当地搅拌)，在大屏幕上同步显示出溶液电导率曲线的变化过程，最后得到电导率的变化曲线(见图5)。

　　

　　学生活动：(O-观察)观察实验，记录电导率曲线的变化趋势。

　　教师活动：如何解释溶液的导电性为什么会这样变化?

　　学生活动：学生小组讨论，与预测的结果进行对比、解释。(E-解释)分析曲线：起初溶液的电导率为零，说明蒸馏水几乎不导电；随着NaCl固体的不断加入，溶解并产生大量的自由移动的离子，溶液的导电性发生了较大的变化，电导率不断上升，原因是自由移动离子的浓度逐渐增高，溶液的导电性不断增强。

　　设计意图：通过手持技术生成的电导率曲线，实现“符号表征”向“曲线表征”的转换。使学生在头脑中形成“曲线表征”的形象，学会分析曲线解释实验。手持技术的引入，在解决教学难点的同时，进一步激发学生实验探究的兴趣，结合POE教学策略可以有效地实现和提高演示实验的教学效果。

　　环节4：构建“四重表征”之间的联系

　　教师活动：结合“四重表征”教学图形(如图6)，总结这节课的知识要点。

　　

　　设计意图：结合“四重表征”教学图形进行总结，帮助学生通过各种表征形式对化学概念进行意义建构，有利于学生更好地理解化学，减轻他们的记忆负担，便于知识的识记与运用，提高问题解决能力。

　　4、信息技术支持下的化学“四重表征”图形化教学的思考

　　4.“四重表征”教学与“教学图形”相结合

　　采用教学图形与“四重表征”教学相结合，增强了教学的直观性，将复杂的化学原理与抽象的化学概念用图片、图形、图象和形象性的符号来描述，使原理和概念生动化、直观化和整体化，促进学生对抽象知识的理解与知识的意义建构，同时促进“宏观一微观一符号一曲线’’之间的转换，提高了“四重表征”教学的有效性。

　　4.2　“四重表征”教学与数字化实验相结合

　　采用实验探究教学，让学生学会采用实验的手段来研究化学问题，也加深他们对知识的理解。数字化实验的实时性与直观性让学生能够通过多元化、图形化的数据显示方式，即时地对实验现象进行归纳与分析、及时地对实验结果做出判断，并对实验预测进行修正；而“手持技术”的易操作性与准确性实现了在降低实验操作难度的同时，保证实验的精确性；数字化实验使化学实验从“定性”转变为“定量”，实现了定量的表征形式一一曲线表征，给予学生更多空间进行逻辑思考，综合所得的实验数据与现象、概括并得出可靠的实验结论。此外，信息技术的引入也将大大提高了学生对化学学习与实验探究的兴趣。

　　4.3

　　“四重表征”教学与“数字化实验”相结合

　　POE教学策略的使用，有利于“四重表征”的概念建构。在教学过程中，预测阶段能呈现学生原有的认知结构，又能激发学习动机。在观察的阶段，当观察到的现象与预测的一致时，将新知识与已有的适当知识建立联系；当观察到的现象与预测的不一样时，产生“认知冲突”，进而激发学生进行探索，解释自己的观点与现象之间的差异，将新知识与原有的认知结构结合，通过纳入、重组和改造，构成新的认知结构，实现知识建构。

　　4.4

　　“四重表征”概念教学模式的应用拓展

　　采用概念四重表征教学，让学生通过不同角度对知识进行意义建构，有利于他们对化学概念的整体理解与把握。突破学习化学的困难，提高问题解决能力。在教学过程中，通过“问题”设置，可以实现不同表征之间的转换，“宏观－微观－符号－曲线”两两之间皆可相互转换。教师可以根据知识体系结构与具体教学内容来选取不同的转换顺序。四重表征教学，还适用于“离子反应”、“酸碱中和反应”、“化学反应速率”、“化学平衡”、“化学反应能量变化”等各类概念教学。

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