摘? ?要

從宏觀、微觀、符號(hào)、曲線等四重表征層次上，引領(lǐng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)和理解初中化學(xué)知識(shí)，并逐漸構(gòu)建多重表征的內(nèi)在聯(lián)系。它是初中化學(xué)學(xué)習(xí)的重要思維方式，也是培養(yǎng)學(xué)生形成多重思維方式的重要教學(xué)途徑。通過相關(guān)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)分析，幫助學(xué)生形成宏觀、微觀、符號(hào)、曲線等表征及其相互聯(lián)系生成二重、三重、四重表征思維方式，重點(diǎn)介紹運(yùn)用微觀、曲線等類型實(shí)驗(yàn)圖形進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐的案例及其分析，希望這些研究成果有助于初中化學(xué)教師培養(yǎng)學(xué)生“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征的思維方式。

關(guān)鍵詞

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 初中化學(xué)? 四重表征? 思維方式

多重表征理論是應(yīng)用于概念教學(xué)的理論，概念的多重表征理論研究與化學(xué)概念教學(xué)研究的融合是一線化學(xué)教師研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。1982年來自蘇格蘭的約翰斯頓首次提出了化學(xué)“三重表征”模式（宏觀-微觀-符號(hào)），有關(guān)學(xué)生化學(xué)概念的三重表征[1]理論和教學(xué)實(shí)踐研究就此遍地開花。錢揚(yáng)義教授在手持實(shí)驗(yàn)即時(shí)收集數(shù)據(jù)和自動(dòng)生成曲線的技術(shù)背景下，2009年首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并構(gòu)建化學(xué)“四重表征”[2]的教學(xué)范式，包括“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征。其中“曲線表征”是以手持實(shí)驗(yàn)（微型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)）所得曲線為分析模板，學(xué)習(xí)者要將曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、拐點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)、曲線變化趨勢(shì)及不同線段與宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微粒變化和化學(xué)方程式等符號(hào)建立聯(lián)結(jié)，最終在頭腦中以坐標(biāo)圖曲線的形式反映實(shí)驗(yàn)中因變量與時(shí)間變量的關(guān)系?！盎瘜W(xué)四重表征”研究的最大意義在于將化學(xué)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)工具、傳感器等強(qiáng)大電子信息技術(shù)融為一體，研究價(jià)值和教學(xué)影響深遠(yuǎn)。面向信息化時(shí)代，在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中，教師需要積極重視培養(yǎng)學(xué)生的“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”多重表征（見圖1）的思維方式。

這幾種表征方式不僅能在大腦中獨(dú)立呈現(xiàn)，而且它們之間也能相互作用，形成“宏觀-微觀”“宏觀-符號(hào)”“微觀-符號(hào)”“宏觀-微觀-符號(hào)”等多重表征，甚至還能共同作用形成學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征思維方式。但是，初中學(xué)生抽象思維能力還比較薄弱，尤其對(duì)“微觀”“符號(hào)”“數(shù)字化曲線”等在生活、實(shí)驗(yàn)中看不見、摸不著的一些化學(xué)學(xué)科特有的表征材料，不能在自己的頭腦中進(jìn)行有效的信息加工。為此，在總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和深入專題研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)分析，幫助學(xué)生形成宏觀、微觀、符號(hào)等表征及其相互聯(lián)系生成二重、四重表征思維方式，重點(diǎn)介紹運(yùn)用微觀類型實(shí)驗(yàn)圖形進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐的案例及其分析，希望有助于初中化學(xué)教師培養(yǎng)學(xué)生“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征的思維方式。

一、“微觀”表征是四重表征思維方式的重要基礎(chǔ)

初中學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在描述現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論等方面還不會(huì)觀察、記錄、分析和研究。他們對(duì)宏觀表征的思維基礎(chǔ)主要來源于生活經(jīng)驗(yàn)，尤其是在八年級(jí)第一單元的化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生還沒有建立宏觀表征系統(tǒng)，更沒有微觀表征的思維能力。關(guān)于宏觀表征系統(tǒng)的構(gòu)建，教師可以運(yùn)用有關(guān)實(shí)驗(yàn)類型的教材插圖，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)用化學(xué)的特有語言闡釋化學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究。

從身邊的一杯水開始研究，面對(duì)宏觀的一杯水，我們想過水是由什么構(gòu)成的嗎？其實(shí)，在一滴水中就含有約1021個(gè)水分子，如果運(yùn)用一種工具，可以看到每個(gè)水分子的結(jié)構(gòu)（見圖2）。同理，我們用這種思維方式還可以研究：氫氣和氧氣是由什么構(gòu)成的？氫分子和氫原子有什么區(qū)別？1個(gè)氧分子和2個(gè)氧原子有什么區(qū)別？（見圖3）通過課本中的插圖，我們可以直觀地“看到”微觀粒子，而且通過這種微觀表征的思維方式，認(rèn)識(shí)到世界是物質(zhì)的、物質(zhì)是由微粒（分子、原子等）構(gòu)成的。

二、“宏觀-微觀”“宏觀-微觀-符號(hào)”表征是四重表征思維方式的橋梁

1.“宏觀-微觀”二重表征

學(xué)生構(gòu)建來源于生活的宏觀表征系統(tǒng)相對(duì)微觀表征系統(tǒng)要快一些，比如學(xué)會(huì)觀察、描述化學(xué)變化的現(xiàn)象，分析化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，得出化學(xué)科學(xué)探究的結(jié)論。這些學(xué)生明顯感到相對(duì)比較容易接受，也能夠拾階而上、順應(yīng)宏觀表征的內(nèi)在聯(lián)系和形成，最終初步形成化學(xué)學(xué)科特有的宏觀表征系統(tǒng)。從而，學(xué)生不僅能夠做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，還能提出問題、設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行深入的化學(xué)科學(xué)探究。雖然學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)能夠構(gòu)建宏觀表征系統(tǒng)和微觀表征系統(tǒng)，但是如何搭建“宏觀-微觀”二重表征系統(tǒng)，探究它們的內(nèi)在聯(lián)系和互動(dòng)關(guān)系，這是學(xué)習(xí)化學(xué)的關(guān)鍵和重點(diǎn)之一，也是形成四重表征思維方式的橋梁。教師可以通過水的蒸發(fā)和水蒸氣的冷凝這兩個(gè)簡(jiǎn)單的、常見的物理變化來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和構(gòu)建。在雨后初晴的炎炎夏日，道路上留下了雨水的“散兵游將”，經(jīng)過太陽“無情”的照射，水蒸發(fā)了，不一會(huì)就悄無聲息的“走了”。教師可以通過水變成水蒸氣這幅教材插圖，形象直觀地展示出水分子是如何運(yùn)動(dòng)的：首先它們吸收了太陽光的能量，運(yùn)動(dòng)速度加快，克服了水分子之間的相互作用，它們的間隔變大了，然后它們離開液體表面，逐漸運(yùn)動(dòng)到空氣中去了，所以水蒸發(fā)了。為了鞏固“宏觀-微觀”二重表征的思維方式，課本緊接著還通過水蒸氣變成水這幅教材插圖說明了：水燒開后，水分子獲得了足夠的能量，離開水面向鍋蓋處運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，鍋蓋開始的溫度比較低，水蒸氣中的水分子遇到冷的鍋蓋失去了能量，運(yùn)動(dòng)速度減慢，因?yàn)樗肿娱g的相互作用而間隔變小了，然后它們聚集在鍋蓋的內(nèi)側(cè)，凝結(jié)成水滴，所以水蒸氣變成水了。

教材借助水的三態(tài)變化，學(xué)習(xí)和構(gòu)建“宏觀-微觀”二重表征系統(tǒng)，后面的教材中還用水通電分解化學(xué)變化的案例，徐徐深入“宏觀-微觀”二重表征系統(tǒng)，使學(xué)生能夠舉一反三、左右逢源，靈活運(yùn)用這種思維方式進(jìn)入化學(xué)學(xué)科的殿堂，重新認(rèn)識(shí)整個(gè)物質(zhì)世界。

2.“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征

建立了“宏觀-微觀”二重表征系統(tǒng)還不夠，對(duì)于形成“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征思維方式來說，最難的是構(gòu)建“微觀-符號(hào)”二重表征系統(tǒng)，它是學(xué)習(xí)化學(xué)用語的難點(diǎn)，也是初中學(xué)生深入學(xué)習(xí)化學(xué)的一個(gè)分水嶺，具有承前啟后的重要作用。

通過學(xué)習(xí)，學(xué)生知道用元素符號(hào)可以表示某種元素，也可以表示這種元素的一個(gè)原子，這就是最簡(jiǎn)單的從宏觀概念“元素”到微觀概念“原子”以及相應(yīng)表示符號(hào)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，形成最基本的“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征系統(tǒng)，但是關(guān)于“微觀-符號(hào)”這個(gè)二重表征系統(tǒng)還需要加強(qiáng)和鞏固。教材在展示物質(zhì)的組成與化學(xué)式的關(guān)系（見圖4）時(shí)，重點(diǎn)介紹了微粒構(gòu)成物質(zhì)的三種情況以及與相應(yīng)化學(xué)式的關(guān)系。

按照學(xué)習(xí)教材的順序，首先以水為例，研究了由分子構(gòu)成的物質(zhì)，如何用相關(guān)的元素符號(hào)來表示水這種物質(zhì)、表示構(gòu)成水的分子。這樣就建立了一個(gè)從宏觀概念“水”到微觀概念“水分子”以及相應(yīng)表示符號(hào)（即水的化學(xué)式H2O）的“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征系統(tǒng)。通過圖中第三行第三個(gè)微觀圖“一個(gè)水分子”的展示，明確了每個(gè)水分子中含有1個(gè)氧原子和2個(gè)氫原子。從“微觀-符號(hào)”二重表征的角度，重點(diǎn)說明了化學(xué)式“H2O”中字母H表示氫原子、O表示氧原子、2表示每個(gè)水分子中含有2個(gè)氫原子，同時(shí)按照化合價(jià)“正價(jià)在前負(fù)價(jià)在后”的一般規(guī)律，把字母H和下標(biāo)數(shù)字2排在字母O的左側(cè)，最后形成了符號(hào)-水的化學(xué)式“H2O”。

然后，以金屬銅為例，研究由原子構(gòu)成的物質(zhì)與化學(xué)式的關(guān)系，形成“金屬銅-銅原子-化學(xué)式Cu”的三重表征思維方式;以氯化鈉為例，了解由離子構(gòu)成的物質(zhì)與相應(yīng)化學(xué)式的關(guān)系。只不過要通過第二行第二幅圖片，使學(xué)生明確NaCl中沒有單個(gè)的NaCl分子，而是在鈉離子和氯離子大量聚集的晶體結(jié)構(gòu)中，Na+和Cl-的個(gè)數(shù)比為1∶1，因此氯化鈉的化學(xué)式為NaCl。

三、“宏觀-曲線”表征是構(gòu)建四重表征思維方式的激發(fā)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在大時(shí)代背景下的師生探究活動(dòng)，在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的潮流中，我們需要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念進(jìn)行更新，跟上時(shí)代發(fā)展節(jié)奏，甚至為未來培養(yǎng)需要的創(chuàng)新人才。

筆者有幸作為評(píng)委全程參與了淄川區(qū)初中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課評(píng)選的活動(dòng)，在經(jīng)過模擬講課的初賽之后，決賽的選手們以魯教版五四學(xué)制九年級(jí)全一冊(cè)化學(xué)教材第二單元第四節(jié)“酸堿中和反應(yīng)”為課題進(jìn)行課堂教學(xué)“比拼”，有的選手播放視頻讓學(xué)生觀看數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程，有的選手展示圖片讓學(xué)生思考數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有的選手準(zhǔn)備學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身體驗(yàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程等等，真是“八仙過海、各顯神通”！

不過，選手們?cè)谡n堂教學(xué)中體現(xiàn)出來的教學(xué)觀念和教育理念卻參差不齊、大相徑庭。有的選手為了實(shí)驗(yàn)而單純地讓學(xué)生“照貓畫虎”，學(xué)生只有動(dòng)手體驗(yàn)和表層感覺，沒有深度學(xué)習(xí)和重新思考;有的選手為了烘托課堂氛圍和完成教學(xué)任務(wù)而選擇播放視頻，讓學(xué)生“走馬觀花”，也沒有認(rèn)真分析數(shù)字化實(shí)驗(yàn);有的選手雖然只是進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，卻是挖掘了曲線表征教學(xué)資源的教育價(jià)值，通過和學(xué)生一起觀察宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、聯(lián)系微觀粒子的變化實(shí)質(zhì)、用離子符號(hào)表示反應(yīng)的實(shí)質(zhì)、思考曲線中的3個(gè)特殊點(diǎn)，從而得出對(duì)應(yīng)曲線和宏觀現(xiàn)象之間相互關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

通過觀課活動(dòng)，思考在教學(xué)實(shí)踐中如何貫徹“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征教學(xué)觀念和培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)思維方式等問題，教師通過什么方式展示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程不是最重要的，比如圖片、視頻、手持實(shí)驗(yàn)等等，重要的是教師以什么教學(xué)觀念和教學(xué)理念引領(lǐng)課堂教學(xué)活動(dòng)，哪怕是用最原始的板書和板畫等呈現(xiàn)方式，也不能妨礙教師充分挖掘這個(gè)曲線表征與其他表征密切聯(lián)系教學(xué)資源的教育價(jià)值。層次決定高度，教學(xué)技術(shù)是為教育教學(xué)服務(wù)的，沒有先進(jìn)的教育理念和教學(xué)觀念引領(lǐng)，再“高大上”的教學(xué)呈現(xiàn)方式都是徒勞的[6]。只有明確了四重表征之間，尤其是“微觀-符號(hào)”“宏觀-曲線”等表征之間的內(nèi)在聯(lián)系，學(xué)生才能真正理解和靈活運(yùn)用化學(xué)用語進(jìn)行“讀、寫、算”;只有讓學(xué)生自主進(jìn)行交流，學(xué)會(huì)解決問題的思維方式和具體方法，才能從簡(jiǎn)單的模仿逐漸變成自主的思考，達(dá)到熟練掌握化學(xué)學(xué)科概念的目標(biāo)。

總之，合理利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)儀器和技術(shù)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)，是為了達(dá)到形象、直觀、激發(fā)四重表征思維方式的目的?；跀?shù)字化實(shí)驗(yàn)分析不僅僅重視微觀觀念的教學(xué)，還啟發(fā)學(xué)生通過表征之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征的思維方式。教教材不如用教材教，看實(shí)驗(yàn)做實(shí)驗(yàn)不及用實(shí)驗(yàn)思考，希望通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)圖形分析的研究，啟發(fā)老師們更多的“想象力”，讓它為實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究插上“信息化”的翅膀，把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)圖形從紙上深入腦中，不僅僅教會(huì)學(xué)生化學(xué)知識(shí)，更要提升學(xué)生的化學(xué)思維方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢華林，黃婕，亓英麗.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（05）：51-54.

[2] 林建芬， 盛曉婧，錢揚(yáng)義.化學(xué)"四重表征"教學(xué)模式的理論建構(gòu)與實(shí)踐研究——從15年數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究的回顧談起[J].化學(xué)教育（中英文），2015（07）：1-6.

[3][4][5] 畢華林，盧巍.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)（八年級(jí)全一冊(cè)）[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2013：6，7，66.

[6] 光程.數(shù)字實(shí)驗(yàn)室在ThinkQuest項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的應(yīng)用——選擇“刻繪材料”的化學(xué)數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2013（03）：71-75.

【責(zé)任編輯? 郭振玲】