吳晗清，高慧

（1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京100037；2.首都師范大學(xué)化學(xué)教育研究所，北京100048）

教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)的起始階段，往往興致勃勃，主要是由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的豐富多彩；然而到了學(xué)習(xí)物質(zhì)的量的時(shí)候，眾多的符號(hào)、化學(xué)反應(yīng)方程式等，尤其是微觀領(lǐng)域的概念，讓學(xué)生望而生畏，從而學(xué)習(xí)興趣大大減退。由此導(dǎo)致化學(xué)學(xué)習(xí)中的宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)脫節(jié)，學(xué)生雖然能記住相關(guān)化學(xué)概念的定義，然而并不理解概念的實(shí)質(zhì)，不理解化學(xué)符號(hào)的含義。更有甚者，認(rèn)為化學(xué)是理科中的文科，像背誦英語單詞一樣記憶化學(xué)符號(hào)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象?；瘜W(xué)符號(hào)之所以難記難背、難以理解，究其原因，就是沒有將化學(xué)反應(yīng)宏觀現(xiàn)象、微觀本質(zhì)與化學(xué)符號(hào)建立對(duì)應(yīng)的正確的聯(lián)系，“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征能力缺失，學(xué)生在三者之間無法進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)譯。

一、三重表征的相關(guān)研究

1.三重表征概念的提出

1982年蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的斯通（John Stone）教授首先提出三重表征的概念，他認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)存在三種水平：（1）描述的和功能的（descriptive and functional）；（2）表征的（represen?tational）；（3）解釋說明的（explanatory）。[1]1991年他又把最初的三種水平進(jìn)行了修正，改稱為宏觀、微觀、符號(hào)，認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)要從這三種水平上來進(jìn)行。首先是宏觀水平，它是用來描述可觀察的現(xiàn)象的（如溶解、發(fā)光、沉淀現(xiàn)象等）；其次是微觀水平，它是用來描述微粒及其相互作用；再次是符號(hào)水平，它是根據(jù)化學(xué)式和化學(xué)方程式來表征化學(xué)物質(zhì)與反應(yīng)的，這樣從化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)出發(fā)，更全面更準(zhǔn)確地概括了化學(xué)學(xué)習(xí)的三種水平。

2.國內(nèi)關(guān)于化學(xué)三重表征的研究

國內(nèi)對(duì)三重表征的研究相對(duì)較晚，有研究者基于化學(xué)學(xué)科的特質(zhì)分析并結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)的研究，界定了化學(xué)“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的內(nèi)涵和關(guān)系，認(rèn)為宏觀表征是指物質(zhì)在變化過程中表現(xiàn)出來的、可以直接感知到的宏觀現(xiàn)象在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映；微觀表征主要是指有關(guān)物質(zhì)的微觀組成和結(jié)構(gòu)、微觀粒子的運(yùn)動(dòng)及相互作用等微觀屬性在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映；符號(hào)表征主要是指由字母組成的符號(hào)和圖形符號(hào)在學(xué)習(xí)者頭腦中的反映。[2]基于上述觀點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生難以將宏觀表征和微觀表征相聯(lián)系起來，造成知識(shí)鏈的脫節(jié)；中學(xué)生對(duì)符號(hào)表征的比較模糊，宏觀表征與微觀表征的轉(zhuǎn)換存在障礙；任何一種表征出現(xiàn)問題都會(huì)不同程度上影響學(xué)生三重表征的水平與能力。[3]

而造成上述常見狀況的原因在于，化學(xué)教師對(duì)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)手段較為單一，多數(shù)是單純地通過黑板圖示來演示微觀粒子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律；學(xué)生學(xué)習(xí)微觀表征的方法比較有限；化學(xué)教材中知識(shí)表征的表示方式不同，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度；三重表征思維方式不能完全依靠學(xué)生自己形成，而需要教師的引導(dǎo)和培養(yǎng)，等等。

綜上所述，基于化學(xué)學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)，研究者普遍認(rèn)可培養(yǎng)學(xué)生以“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的角度看待化學(xué)問題，并認(rèn)為三重表征是相互有機(jī)聯(lián)系的，培養(yǎng)學(xué)生三重表征轉(zhuǎn)化能力也是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的關(guān)鍵。但由于教師教學(xué)方式、學(xué)生學(xué)習(xí)能力、教材表征方式等因素造成學(xué)生無法獨(dú)自建立三重表征能力，導(dǎo)致“宏觀—微觀—符號(hào)”相互轉(zhuǎn)化的能力十分薄弱。另外在研究方法上，已有研究多采用問卷調(diào)查法及訪談法，對(duì)照法進(jìn)行相應(yīng)研究。已有研究的不足之處主要體現(xiàn)在：研究較為籠統(tǒng)，沒有將所謂的“宏觀現(xiàn)象”進(jìn)一步解構(gòu)，導(dǎo)致對(duì)此蜻蜓點(diǎn)水、不求甚解，從而導(dǎo)致對(duì)于如何有效地培養(yǎng)這一能力，依然需要進(jìn)一步深入的研究。

二、學(xué)生化學(xué)三重表征能力的測查

本研究對(duì)北京市普通中學(xué)的高二學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的三重表征能力測查，發(fā)放測試卷210份，回收有效測試卷196份，有效率為93.3%。正如上文所述，已有研究沒有對(duì)具體的“宏觀”內(nèi)涵進(jìn)行解構(gòu)。本研究擬將“宏觀”解構(gòu)為顏色、狀態(tài)、氣味、聲音、能量（外顯表現(xiàn)為是否發(fā)光、溫度變化、電流計(jì)是否偏轉(zhuǎn)）、速率（外顯表現(xiàn)為顏色變化、氣泡產(chǎn)生、生成沉淀等的快慢）等六個(gè)維度。從而考查學(xué)生對(duì)六個(gè)維度的掌握程度，以及相關(guān)的“微觀”及“符號(hào)”表征的能力。

1.微觀與符號(hào)：大部分學(xué)生能較好地利用符號(hào)來表征微觀世界

在微觀與符號(hào)維度，學(xué)生不能很好地對(duì)溶液體系的微觀粒子進(jìn)行分析。比如考查學(xué)生寫出水的電離化學(xué)方程式并用微觀示意圖表示反應(yīng)過程。有67.9%的學(xué)生有化學(xué)反應(yīng)中斷鍵成鍵的意識(shí)；但有14.2%的學(xué)生無法正確地分析水中的微觀粒子，認(rèn)為水中存在氫離子和氧離子，電解時(shí)他們各自得失電子生成氫氣和氧氣；有60.7%的學(xué)生能較好地用微觀示意圖表示水的電解，多采用比例模型進(jìn)行解釋。對(duì)水的電解這樣一個(gè)熟悉的反應(yīng)，雖有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，但是學(xué)生并未能夠很好地認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，并對(duì)溶液體系中離子組成的分析存在一定知識(shí)性問題。

進(jìn)一步考查溶液中的離子活動(dòng)，比如分析CH3COONa溶液為什么pH＞7時(shí)，約有30%學(xué)生認(rèn)為是由于氫氧化鈉的堿性強(qiáng)而醋酸酸性弱，導(dǎo)致溶液呈堿性，沒有考慮到水的電離平衡以及水解維度。只從字面上機(jī)械記憶：誰強(qiáng)顯誰性，卻難以分析出鹽類電離出來的陰陽離子影響了水的電離平衡，從而導(dǎo)致溶液的酸堿性。通過關(guān)于微觀與符號(hào)維度的研究，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生無法將反應(yīng)的微觀本質(zhì)與化學(xué)符號(hào)、化學(xué)方程式很好地建立轉(zhuǎn)化關(guān)系。雖然學(xué)生能理解符號(hào)的意義，但對(duì)符號(hào)表征的微觀世界無清晰的認(rèn)識(shí)。并且學(xué)生對(duì)微觀粒子的認(rèn)識(shí)局限在原子要用圓球來表示的程度，對(duì)分子原子無豐富的認(rèn)識(shí)。

2.宏觀與微觀：大部分學(xué)生認(rèn)為兩者之間存在鴻溝，缺乏二者相互聯(lián)系的能力，并且對(duì)物質(zhì)性質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是割裂的

（1）顏色方面。學(xué)生在回答測試題“同樣是鐵元素為什么含二價(jià)鐵離子溶液呈淺綠色，含三價(jià)鐵離子的溶液呈棕黃色”的時(shí)候，僅有17.9%的學(xué)生能回答出與離子的電子層結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中僅有10.7%的學(xué)生能回答出顏色與離子吸收光的程度有關(guān)。有高達(dá)82.1%的學(xué)生表示是常識(shí)，從沒考慮過這個(gè)問題，甚至有的學(xué)生直接反問“1加1為什么等于2”，這充分說明了學(xué)生認(rèn)為化學(xué)物質(zhì)有顏色是理所當(dāng)然，而未從微觀的角度考慮過內(nèi)在的原因。在考查影響物質(zhì)顏色的因素時(shí)，僅有一名學(xué)生考慮到物質(zhì)的狀態(tài)，如氧氣與液氧，兩者雖為同一物質(zhì)但狀態(tài)不同導(dǎo)致顏色各異。進(jìn)一步考查狀態(tài)的影響因素時(shí)，大部分學(xué)生能認(rèn)識(shí)到物質(zhì)狀態(tài)與分子間距有關(guān)，但沒有一人能回答出狀態(tài)與晶體類型有關(guān)。

（2）氣味方面。學(xué)生在回答“為什么會(huì)聞到化學(xué)藥品的氣味”時(shí)，有67.9%的學(xué)生能以案例的方式回答，如易揮發(fā)性的醋酸、氨水、鹽酸等。其要點(diǎn)都在于分子的不斷運(yùn)動(dòng)，卻沒有學(xué)生回答出聞到氣味也是化學(xué)物質(zhì)與受體細(xì)胞的一種微觀反應(yīng)。

（3）聲音方面。在回答“某些化學(xué)反應(yīng)過程中為什么出現(xiàn)聲音”時(shí)，大部分學(xué)生能舉出實(shí)例，集中為鈉與水反應(yīng)的“嘶嘶”聲及氫氣驗(yàn)純的爆鳴聲，他們從氣體產(chǎn)生的角度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的聲音進(jìn)行解釋。但僅有46.4%的學(xué)生能夠從較為微觀的角度解釋，這部分學(xué)生中的一少半還能從能量角度進(jìn)行考慮，表明學(xué)生極少從微觀的角度來考量聲音這一宏觀的體驗(yàn)。

（4）化學(xué)反應(yīng)速率方面。學(xué)生能夠從氣泡產(chǎn)生、沉淀生成的快慢等宏觀現(xiàn)象判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢。但僅有49%的學(xué)生在追問下回答化學(xué)反應(yīng)快慢與微粒單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞有關(guān)。如解釋“對(duì)反應(yīng)N2（g）+3H2（g）?2NH3（g），△H=-92.4kJ/mol來說，增加氫氣濃度或升溫會(huì)加快反應(yīng)速率”時(shí)，絕大多數(shù)學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為是平衡移動(dòng)影響了反應(yīng)速率，分不清化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題與熱力學(xué)問題。極少數(shù)的學(xué)生提到了濃度增加導(dǎo)致反應(yīng)混合物之間接觸更充分從而速率加快，但卻沒有學(xué)生明確指出是有效碰撞概率增加導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率加快。

（5）能量方面。學(xué)生知道化學(xué)反應(yīng)能量有多種形式，包括光能、電能、熱能等形式，化學(xué)反應(yīng)能量與化學(xué)反應(yīng)成鍵與斷鍵有關(guān)。但在分析“為什么同一個(gè)反應(yīng)方程式如2H2+O2=2H2O，既可以產(chǎn)生光能、熱能，還可以作為氫氧燃料電池產(chǎn)生電能”時(shí)，有46.4%的學(xué)生答出是由于反應(yīng)條件的不同導(dǎo)致物質(zhì)轉(zhuǎn)化相同但能量轉(zhuǎn)化卻不同。但只有一名學(xué)生對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了詳細(xì)論述，認(rèn)為投料比例、催化劑及反應(yīng)物物態(tài)都會(huì)影響能量的轉(zhuǎn)化。沒有任何人提到反應(yīng)發(fā)生的裝置問題，表明學(xué)生沒有從微觀的角度去理解原電池的原理。

綜上所述，在宏觀與微觀維度，學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象變化如顏色、狀態(tài)、氣味、聲音等問題熟視無睹、習(xí)以為常，大多當(dāng)作常識(shí)性知識(shí)來死記硬背的，沒考慮過這些宏觀現(xiàn)象背后的微觀原因，沒有很好地建立起物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的這一觀念，從而宏觀與微觀之間的有機(jī)聯(lián)系被生硬割裂。而對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率部分，大部分學(xué)生無法分清動(dòng)力學(xué)問題與熱力學(xué)問題，將二者混為一談，關(guān)鍵的一點(diǎn)是沒將微觀粒子有效碰撞與宏觀上我們觀測到的速率變化建立聯(lián)系。

3.宏觀與符號(hào)：絕大部分學(xué)生難以用符號(hào)來表征宏觀現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系

在宏觀與符號(hào)維度，學(xué)生能很好地掌握一些宏觀物質(zhì)及其對(duì)應(yīng)的化學(xué)符號(hào)、反應(yīng)方程式等。經(jīng)過訪談，學(xué)生普遍表示沒什么捷徑，基本都是背誦下來的。而對(duì)于定量關(guān)系方面的考查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生會(huì)根據(jù)化學(xué)計(jì)量數(shù)，能夠進(jìn)行相關(guān)問題的簡單計(jì)算，他們往往按照教師強(qiáng)調(diào)的解題程序，知其然而不知其所以然。如向氯化鋁溶液中滴加氫氧化鈉溶液，考查學(xué)生是否掌握這一反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生能寫出兩者反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的方程式，只有少部分學(xué)生在沒有提示反應(yīng)物量的情況下，寫出了過量的氫氧化鈉進(jìn)一步和前期生成的氫氧化鋁沉淀反應(yīng)。進(jìn)一步考查量化的反應(yīng)，即已知溶液中含有0.2mol氯化鋁和0.7mol氫氧化鈉，發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生束手無策，只有極個(gè)別的學(xué)生寫出了正確的反應(yīng)方程式：2AlCl3+7NaOH=Al(OH)3+NaAlO2+6NaCl+2H2O。這充分表明，絕大部分學(xué)生難以用符號(hào)來表征宏觀現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系。

4.“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的構(gòu)架

如上所述，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)宏觀現(xiàn)象我們可以從物質(zhì)的顏色、狀態(tài)、氣味、聲音、能量、速率這幾個(gè)方面進(jìn)行微觀角度的分析。從調(diào)查結(jié)果及學(xué)生訪談可知，學(xué)生對(duì)于這些化學(xué)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)并沒有思考過，從而導(dǎo)致他們主要以機(jī)械背誦的方式來學(xué)習(xí)化學(xué)。基于此，可以整合構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)的“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征關(guān)系（如表1），從而促進(jìn)學(xué)生三重表征的內(nèi)在一致性認(rèn)知。

（1）顏色方面。化學(xué)物質(zhì)顯色主要與其粒子中電子的分子軌道有關(guān)，由于分子軌道之間的能級(jí)差較小，可見光照射到分子時(shí)，會(huì)因能級(jí)躍遷而被部分吸收，從而該分子的反射光就是其他未被吸收的單色光的復(fù)合色，因而該化學(xué)物質(zhì)就會(huì)顯色。當(dāng)有些物質(zhì)和它反應(yīng)時(shí)，生成了新分子，而新分子的分子軌道能級(jí)差較大，不吸收光，發(fā)生完全反射，因此就褪色了，如常見的酸性高錳酸鉀溶液反應(yīng)后褪色。

表1 “宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征關(guān)系

（2）狀態(tài)方面。物質(zhì)狀態(tài)與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著不可分離的關(guān)系，包括物質(zhì)的自身性質(zhì)。比如晶體類型，分子晶體、離子晶體還是原子晶體，有無氫鍵；物質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)等外部條件，對(duì)微粒之間的距離及物質(zhì)狀態(tài)有著重要影響。

（3）氣味方面。分子是不斷運(yùn)動(dòng)的，我們聞到氣味是化學(xué)物質(zhì)與生物感受器作用的結(jié)果。嗅覺是由物體發(fā)散于空氣中的物質(zhì)微粒作用于鼻腔上的感受細(xì)胞而引起的。在鼻腔上鼻道內(nèi)有嗅上皮，嗅上皮中的嗅細(xì)胞，是嗅覺器官的外周感受器。嗅細(xì)胞的黏膜表面帶有纖毛，可以同有氣味的物質(zhì)相接觸。接觸后，通過神經(jīng)傳導(dǎo)，將信號(hào)傳導(dǎo)到大腦，產(chǎn)生嗅覺，比如氯氣、氨氣等的刺激性氣味。

（4）聲音方面。物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)時(shí)瞬間體積急劇膨脹或瞬間放出大量能量，可能發(fā)生爆炸，會(huì)引起容器壁劇烈振動(dòng)，分子撞擊器壁，從而發(fā)出爆鳴聲，同時(shí)在溶液體系中氣泡破裂也會(huì)發(fā)出聲音。

（5）能量方面?；瘜W(xué)反應(yīng)中，舊化學(xué)鍵斷裂吸收的能量與新化學(xué)鍵生成放出的能量之間存在能量差，從而有能量的轉(zhuǎn)化。而能量具體轉(zhuǎn)化形式與反應(yīng)條件、發(fā)生裝置以及反應(yīng)的劇烈程度有關(guān)。比如正是由于發(fā)明了原電池裝置，才能順利地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為人類社會(huì)進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。

（6）速率方面?；瘜W(xué)反應(yīng)速率往往可以通過觀察宏觀現(xiàn)象（顏色變化、氣泡產(chǎn)生、生成沉淀等）變化的快慢來判斷。內(nèi)因與物質(zhì)自身性質(zhì)有關(guān)，如化學(xué)鍵強(qiáng)弱、氧化性還原性的強(qiáng)弱；外因有溫度、濃度、壓強(qiáng)、溶劑化效應(yīng)、有無催化劑等。從微觀上講，反應(yīng)中單位時(shí)間內(nèi)活化因子的有效碰撞的多少?zèng)Q定了化學(xué)反應(yīng)的快慢。

三、三重表征能力建構(gòu)的教學(xué)建議

通過上述的調(diào)查分析，我們可以看出學(xué)生在化學(xué)反應(yīng)的三重表征能力方面存在較為嚴(yán)重的問題。比如無法從多個(gè)角度看待化學(xué)反應(yīng)與現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了很多知識(shí)性的問題與迷思概念。在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，往往死記硬背化學(xué)現(xiàn)象、知識(shí)，概念、原理等，而且視其理所當(dāng)然，沒有深入地去理解和分析背后的原因，以致“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征能力欠缺，尤其缺乏對(duì)三者之間的內(nèi)在一致性的認(rèn)識(shí)。為了改變這一現(xiàn)狀，可以從以下三個(gè)方面入手。

1.結(jié)合化學(xué)史，挖掘化學(xué)符號(hào)背后的歷史意義

在教學(xué)中，我們應(yīng)充分利用豐富的化學(xué)史資源，幫助學(xué)生理解符號(hào)的由來及含義，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“符號(hào)”本身歷史意義的深度認(rèn)知。從而突出符號(hào)的宏觀與微觀意義，強(qiáng)化微粒作用觀的形成，幫助學(xué)生理解符號(hào)在微觀與宏觀之間搭建橋梁的重要意義。比如“H2O”這一化學(xué)符號(hào)，它是什么意義呢？宏觀層面，它指的是一種通常狀況下無色無味的液體，是生命之源，是人類社會(huì)生活不可或缺的重要資源；微觀層面，它指的是兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子通過共價(jià)鍵結(jié)合成一個(gè)水分子。如果讓學(xué)生去機(jī)械背誦這些，則失去了化學(xué)符號(hào)本身承載的意義。

通過分析化學(xué)史料發(fā)現(xiàn)，1803年道爾頓發(fā)表了原子學(xué)說，他認(rèn)為自然界存在著不可分割的原子。若兩種元素只能形成一種化合物，則在該化合物中只含有每種元素的一個(gè)原子，所以水的簡寫表達(dá)式被定為“HO”。1805年蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)，在相同溫度、壓力下，氣體反應(yīng)中各氣體體積互成簡單整數(shù)比。例如氫氣和氧氣化合成水蒸氣，體積比恰好是2∶1∶2，據(jù)此他提出了一個(gè)假說，在相同溫度和壓力下，同體積的不同氣體含有原子的數(shù)目相同。但是道爾頓堅(jiān)決反對(duì)蓋呂薩克的這一假說，因?yàn)槿舫闪?，那必然?huì)推出半個(gè)氧原子存在的結(jié)論，即O＋2H→2HO，那么一個(gè)水分子的形成就如：1/2O＋H→HO。然而道爾頓的原子論認(rèn)為簡單原子是不可分割的。1811年阿伏伽德羅為了解決這一矛盾，提出了“分子假說”。他認(rèn)為，無論是單質(zhì)還是化合物，在原子之上還存在一個(gè)分子層次；單質(zhì)分子由同種原子組成，化合物分子由不同種原子組成；化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是不同物質(zhì)的分子間各原子的重新組合。因?yàn)?，氫氣和氧氣的化合就?個(gè)氫分子（包括4個(gè)氫原子）和1個(gè)氧分子（包括2個(gè)氧原子）結(jié)合成2個(gè)水分子的過程，即2H2＋O2＝2H2O。

我們從歷史的角度來挖掘化學(xué)符號(hào)“H2O”的意義，發(fā)現(xiàn)化學(xué)符號(hào)不是隨便提出的，它是基于已有的知識(shí)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而確定的。另外，沉淀下來的符號(hào)一定是目前認(rèn)識(shí)范圍內(nèi)正確的，即要經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。蓋呂薩克假說，導(dǎo)致半個(gè)原子的存在，而這顯然與道爾頓假說的原子不可分矛盾。阿伏伽德羅假說之所以能成為理論，是因?yàn)榻鉀Q了上述矛盾，能成功地解釋氫氣和氧氣化合成水蒸氣的過程中三者體積比這一宏觀現(xiàn)象。如果在教學(xué)中，簡化上述歷史過程，讓學(xué)生經(jīng)歷探究，那么學(xué)生對(duì)化學(xué)符合“H2O”的認(rèn)知就不會(huì)停留在表面，而是深度蘊(yùn)含了原子論、蓋呂薩克定律以及分子學(xué)說等，合理地通過符號(hào)“H2O”構(gòu)建了無色液體水與氫氧原子微觀結(jié)合的系統(tǒng)認(rèn)知。

2.從定量的角度，用符號(hào)來精準(zhǔn)表征宏觀和微觀世界

上文的分析表明，絕大部分學(xué)生難以用符號(hào)來表征宏觀現(xiàn)象的數(shù)量關(guān)系。另有研究也表明，大部分學(xué)生對(duì)定量僅有表層淺顯的認(rèn)識(shí)，沒有深度的認(rèn)知。他們并不清楚定量的重要性，不了解化學(xué)現(xiàn)象背后的量的關(guān)系，更不清楚量的關(guān)系體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)關(guān)系。例如把二氧化硫氣體通入澄清的石灰水中，澄清的石灰水變渾濁，此實(shí)驗(yàn)可以定性地檢驗(yàn)刺激性氣味的二氧化硫。但是在實(shí)驗(yàn)過程中若繼續(xù)通入二氧化硫氣體，則發(fā)現(xiàn)溶液變渾濁后，又由渾濁變?yōu)槌吻?。這是由于二氧化硫與澄清的石灰水反應(yīng)生成白色沉淀亞硫酸鈣，若繼續(xù)通入二氧化硫則生成的沉淀繼續(xù)與過量的二氧化硫反應(yīng)生成易溶于水的亞硫酸氫鈣。其實(shí)定量的意識(shí)在化學(xué)學(xué)習(xí)乃至整個(gè)科學(xué)研究中的作用都不容忽視，我們應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中動(dòng)手操作、動(dòng)腦思考，做到手腦并用。

因此，培養(yǎng)學(xué)生的三重表征能力，定量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)是重要的切入口。讓學(xué)生從宏觀現(xiàn)象的變化，去探求微觀的量變，從而正確地用符號(hào)表征，深刻構(gòu)建宏觀與微觀的精致化關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確把握化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的關(guān)系。教材中有許多表述，如果不從量的角度去思考微觀層面的原因，學(xué)生難以理解。如乙醛與新制的氫氧化銅反應(yīng)時(shí)，氫氧化鈉需要過量。為什么呢，由于生成的氧化亞銅在堿性環(huán)境中才能穩(wěn)定存在。就像康德名言所說，“在自然科學(xué)的各門分支中，只有那些能以數(shù)學(xué)表達(dá)的分支才是真正的科學(xué)”。從這個(gè)層面上來說，定量實(shí)驗(yàn)是對(duì)定性實(shí)驗(yàn)的升華，它讓學(xué)生從表層的宏觀現(xiàn)象進(jìn)入了微觀的本質(zhì)的原理，讓量化的化學(xué)符號(hào)精準(zhǔn)地將宏觀和微觀兩個(gè)割裂的視域緊密聯(lián)系起來。

3.培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)特的化學(xué)眼光：條件反射地以三重表征來認(rèn)識(shí)化學(xué)問題

前已述及，學(xué)生看待問題時(shí)，化學(xué)學(xué)科特色的眼光還遠(yuǎn)未形成，也就是說沒有入木三分地將宏觀現(xiàn)象到微觀本質(zhì)進(jìn)行持續(xù)深入的洞察。要么看到現(xiàn)象，淺嘗輒止；要么從化學(xué)原理分析，無視現(xiàn)實(shí)條件的限制；要么難以用符號(hào)正確地表征已知的宏觀或微觀世界。因此，培養(yǎng)學(xué)生一種獨(dú)特的能力就顯得非常重要，即看到一個(gè)問題，瞬間就條件反射地從微觀、宏觀、符號(hào)三個(gè)視角去深入探討。當(dāng)今，信息技術(shù)飛速發(fā)展，化學(xué)理論與技術(shù)也是日臻完善，我們緊密結(jié)合化學(xué)前沿，充分利用模型、圖片、多媒體等直觀教具，來幫助學(xué)生建立宏觀與微觀的聯(lián)系。如直接給出最新化學(xué)技術(shù)“拍攝”出來的分子、原子的“照片”，讓學(xué)生直觀地感知原本看不見的微觀粒子。除了直觀，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維也非常重要，這樣才能將宏觀的辨識(shí)與微觀的探析深度一致地結(jié)合起來。

例如金剛石和石墨。宏觀層面上，金剛石是目前地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，于幾十億年前在地下深處高溫高壓下結(jié)晶而成。硬度最大，折射率高、色散性強(qiáng)，所以看起來五彩繽紛。石墨，其名稱源于希臘文，原是“用來寫”的意思，常用作鉛筆芯，質(zhì)軟，有滑膩感，可導(dǎo)電。兩種物質(zhì)風(fēng)馬牛不相及。微觀層面上，拉瓦錫等人燃燒金剛石發(fā)現(xiàn)得到的竟然是二氧化碳，從而表明它與石墨互為同素異形體。性質(zhì)的迥異，源自結(jié)構(gòu)的不同。二十世紀(jì)初，人們用X射線研究金剛石晶體內(nèi)原子的存在形式，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)碳原子都與周圍的四個(gè)碳原子緊密結(jié)合，形成一種正四面體的致密結(jié)構(gòu)，碳原子間距離為154pm。而石墨的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，每一層間的距離為340pm，同一網(wǎng)層中碳原子的間距為142pm，具有完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對(duì)分子吸引力較弱，故其質(zhì)軟，滑膩感強(qiáng)。化學(xué)符號(hào)表征方面，金剛石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性，高溫下不與濃HF、HCl、HNO3作用。石墨常溫下也比較穩(wěn)定，燃燒時(shí)生成二氧化碳或一氧化碳，可與氟直接反應(yīng)，具有還原性，在高溫下可以冶煉金屬。通過這樣的引導(dǎo)，學(xué)生就會(huì)以三重表征整合的視野，將復(fù)雜的化學(xué)問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的思考，從而行成化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)?！?/p>

[1]畢華林.化學(xué)學(xué)習(xí)中“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征的研究[J].化學(xué)教育，2005，26（5）：51-54.

[2]梁永平.微粒作用觀的科學(xué)學(xué)習(xí)價(jià)值及其科學(xué)建構(gòu)[J].化學(xué)教育，2003，24（6）：6-10.

[3]吳晗清.化學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生定量概念的建構(gòu)[J].化學(xué)教育，2013，34（7）：70-72.