徐志军　李思婷　王存宽

摘要： 众多研究表明，化学的三重表征能促进学生对化学概念的理解。同时，学生对化学概念的三重表征能真实反映学生对概念或化学现象的掌握程度。通过图示法考查了高二学生对氯化钠溶于水原理的三重表征，调查学生对这一概念的理解。结果显示，75%的学生能从不同表征的角度进行图示解释，大部分学生认为溶解为简单的电离过程。学生以微粒间相互作用的角度来解释溶解及其他化学变化的能力仍需加强。

关键词： 三重表征; 图示; 氯化钠; 化学概念

文章编号： 10056629（2020）01002106

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

2017年新修订的化学课程标准提出了化学学科五大核心素养，“宏观辨识与微观探析”便是其中之一，要求学生在化学的学习中能从不同层次认识物质，能用宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题[1]。很多研究显示，对学生而言，进行三重表征的学习和切换存在一定的困难[2，3]。如Zhang和Linn（2011）发现，学生善于进行三重表征中的宏观表征和符号表征，而对物质的微观表征、三重表征间的联系认识不足。研究发现，学生对化学概念的三重表征能真实反映其对概念的掌握程度。因此，本文以学生对氯化钠溶于水原理的理解为背景，调查当前高中学生对化学概念的三重表征，为培养学生“宏微符”三重表征思维提供参考。

1国内外对三重表征及图示的研究

1.1化学三重表征与图示之间的关系

化学中的三重表征由Johnstone在1982年首次提出。他认为学生学习化学时，需要接触宏观（macro）微观（submicro）符号（symbolic）三重表征。宏观表征为学生能够观察或接触到的化学现象及其变化，如化学反应中的光、颜色变化、生成沉淀等。微观表征为产生或导致这些化学现象及变化的微观粒子间的相互作用，如原子、分子、离子等及其相互作用。而符号表征是以符号、化学式、方程式、图像等来描述宏观及微观表征。三者在化学的学习中同等重要，并互相补充。Johnstone指出，学生觉得学习化学困难是因为学生需要有“多重水平思维（multilevel thought）”，他们在学习过程中需要同时处理这三重表征[4]。

Taber指出，学生在学习化学时，首先会将观察到的外界的光、颜色、变化等视为现象，然后再将这些现象概念化为自我对现象的宏观表征，如物质、化学反应等;或将这些现象概念化为自我对现象的微观表征，如分子、离子、电子的相互作用等;或先将现象概念化为宏观表征，再用微观表征对已概念化的宏观表征进行解释，并用符号表征将这两重表征表示出来[5]。因此，学生对概念的宏观表征及微观表征，将会影响其符号表征。

基于Taber的解释，我们可以理解三重表征具有两层含义： 客观三重表征和主观三重表征。客观三重表征为科学的三重表征，不会因学生的认知而改变。而主观三重表征则为学生自己对观察到的现象进行概念化，而生成的三重表征。例如，在双氧水分解的实验中，有学生会认为生成的气泡没有气味（概念化后的宏观表征），故认为反应生成的气体分子为氧气分子（概念化后的微观表征）;也有学生因为双氧水有味道（概念化后的宏观表征），故认为反应生成的气体分子为臭氧分子（概念化后的微观表征）。这导致他们所写的化学方程式（概念化后的符号表征）也不同，前者为2H2O22H2O+O2，而后者为3H2O23H2O+O3。当主观三重表征符合客观三重表征时，我们认为学生真正掌握了化学概念。因此，我们有必要了解学生的主观三重表征，并有针对性地进行教学，促进学生形成这一概念的客观三重表征。

根据佩维奥（Pavio）提出的长时记忆中的双重编码理论，语义系统专门编码、组织言语或与语言相关的信息，而表象系统则处理有关非言语的物体和事件的信息，并在脑海中形成事物或概念的心理意象或形象[6]。表象系统和语义系统是相互平行独立但又紧密联系的认知系统，它们各自独立处理、保存、提出使用所接收的信息，并能同时或单独被使用。表象系统的信息或者学生将表象系统信息以图示的形式呈现出来，能够更准确地体现学生对于概念的真实理解，因为图像能以准确的方式来描述具体的概念及信息[7，8]。以氯化钠晶体结构为例，“一个钠离子附近有六个氯离子”，学生根据这句语义信息会在脑中形成或图形化为图1（立体排布）或图2（平面排布）的表象信息[9]。此外，Zhang和Linn（2011）认为，只有当学生透彻理解该主题或问题时，才可能画出相关概念的科学图像。通过作图，学生能将物质的三重表征有效联系起来，有助于学生认识到已有知识和新知识的矛盾、发展学生整合知识的能力[10]。

1.2国内对三重表征及学生概念理解图示化的研究

宏观、微观、符号三重表征的内涵及关系自2005年由毕华林等提出至今，已发展成为一种能体现化学学科特征的思维方式，它有助于学生理解宏观现象和分子水平的变化以及两者间的联系，受到了国内广大化学教育研究者的认可。在实际教学中，也发现了三重表征思维教学的困难，具体体现在： 微观表征复杂而抽象，对学生来说，微观表征有难度;符号表征指向有一定的模糊性，学生对化学方程式的内涵理解存在困难;不同表征间的思维转换对学生来说是一个挑战[11]。

在化学概念教学和建构三重表征关系时，教师采用较多的是思维导图或概念图的形式，但这两者主要以语义信息为主，学生表象系统的运用很少[12]。也有使用VR虚拟技术辅助微观表征，加强三重表征间的关联，但这种技术的推广性较差[13]。

国内关于图像化教学的研究不少，遍及各个学科，以生物、地理这两个科目居多。研究显示，识图和作图教学有助于提高学科教学质量，对学生大脑的开发、学习兴趣的培养、知识体系的建构、观察力和创造力的培養、空间思维的发展都有积极作用[14～16]。另外，在化学的图像化教学中，对于学生作图能力的培养较少，尤其是作图表征化学反应的微观本质。在教学过程中，用作图的方法能引导学生动手、动脑，主动参与到学习的过程中。作图学习法是一种体验式的学习方式，积极的情感体验和深层次的认知参与充分发挥了学生学习的主体作用，有利于活跃学习氛围、发展学生的实践能力和综合思维能力[17]。

2研究问题分析与研究设计

2.1研究问题

以图示的表达方式，对比学生对于氯化钠溶于水的主观三重表征和客观三重表征，找出学生对于溶解本质，即对粒子间相互作用的理解困难，并提出相应的教学建议。

2.2研究设计

采用问卷法对浙江省某省重点中学的高二理科创新班（该创新班中的学生，化学科是高考科目之一，并且总成绩在全校排名前5%）的36位学生进行调查，鼓励学生根据自己对溶解的理解，以图示的方式解释氯化钠溶于水的过程与变化。

根据《普通高中化学课程标准（2017年版）》中模块2“物质结构与性质”的要求：“（学生需要）认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系”[18]，且在进行问卷调查前，学生已经学习了溶液的性质、离子化合物的电离及电离方程式、离子键、共价键及键的极性。因此，本研究期待学生对氯化钠溶于水的客观三重表征为： （1）宏观表征。固体氯化钠溶解于水中（固体逐渐减少），最终形成均一透明的溶液。（2）微观表征。在氯化钠晶体中，带正电的钠离子被水分子中带负电的氧原子吸引，带负电的氯离子被水分子中带正电的氢原子吸引，离子与水分子间的相互作用力破坏了正负离子间的吸引力（离子键），氯化钠溶解后，水合钠离子和水合氯离子均匀地分布在溶液中。（3）符号表征。学生用数学符号、化学方程式等描述其理解的宏观表征和/或微观表征。

3数据分析

从宏观表征、微观表征、符号表征，及多重表征四个维度，抽取具有代表性的学生图示，根据氯化钠溶于水的客观三重表征对学生的主观三重表征进行分析。

3.1宏观表征

学生用图示描绘氯化钠溶于水时可以直接观察到的现象。如图3，某学生描绘了将一定量的盐放在水中，经过一段时间后，固体食盐逐渐消失，最后形成均一稳定的氯化钠溶液。该学生只使用了宏观表征来表达其对于氯化钠溶于水的理解，学生对溶解的理解停留于观察层面，并未从粒子间的相互作用进行解释。

3.2微观表征

在解释氯化钠溶于水的原理时，学生用图示表示原子、离子或分子及其相互作用和变化。

3.2.1简单粒子模型表征

学生用简单粒子（即不同大小的圆圈）表示原子、离子或分子，以此解释氯化钠的溶解过程。如图4，某学生利用不同大小的圆圈表示钠离子和氯离子（或钠原子和氯原子），认为氯化钠的溶解是氯化钠晶体中规律排列的钠离子和氯离子（或钠原子和氯原子）变成自由移动的粒子，最后均匀分布的过程。这类型的微观表征只是简单地解释氯化钠固体溶解并扩散的过程，并没有从相互作用力的角度分析为什么这些粒子能够摆脱氯化钠晶体的束缚并均匀扩散。此外，在这个微观表征中，学生并没有考虑溶剂水在氯化钠溶解过程中的作用。

3.2.2离子模型表征

学生从离子的角度解释氯化钠的溶解过程。如图5，某学生表示了氯化钠晶体中钠离子和氯离子规律排列，并使用横线表示不同电荷的离子间的吸引力（离子键）。当氯化钠晶体溶解于水后，钠离子和氯离子间的化学键断裂，且变成了自由移动的正负离子。该类型的微观表征体现了学生从离子键的角度分析离子化合物溶解的過程，突出了粒子的电荷本质，并在一定程度上体现了钠离子与氯离子之间存在的静电作用力，即离子键，并通过离子键形成氯化钠晶体。但这种离子模型并没有考虑离子间的作用力是如何被破坏，从而形成自由移动的离子。此外，与简单粒子模型一样，学生并没有考虑溶剂水在离子化合物溶解过程中的作用。

3.2.3不完整的静电作用力模型表征

学生在其微观表征中表现出氯化钠的溶解是水分子与带电粒子间相互作用的结果。如图6，某同学认为在氯化钠固体溶于水形成的溶液中，有带正电的钠离子和带负电的氯离子，氯离子会被水分子包围形成自由的水合离子。但图6并没有从粒子间相互的静电作用来解释中性的水分子为什么会包围带电离子的微观现象，也并未解释水分子对形成自由移动的钠离子、氯离子所起的作用。

3.3符号表征

学生使用化学方程式或化学符号描述或解释氯化钠的溶解过程。

3.3.1电离方程式

学生使用电离方程式来描述和解释氯化钠的溶解过程。如图7，某学生用电离方程式解释氯化钠溶于水的过程： NaCl电离为Na+和Cl-。但是这种作图及文字解释并不能够说明水在氯化钠溶于水或者电离时的作用，也不能体现溶解过程中离子键的变化。

3.3.2化学键断裂

学生用化学符号表示物质溶解的过程是粒子间的化学键断裂的过程。如图8，某学生指出氯化钠溶解的过程是钠离子和氯离子间的离

子键断裂的过程，离子

键断裂后产生了自由移动的钠离子和氯离子。

但并没有解释离子键断裂的原因，即水分子是如何使得钠离子和氯离子间的离子键断裂的。

3.4多重表征

学生结合宏观表征、微观表征、符号表征等多种表征，从多个角度对氯化钠溶于水的过程进行解释。如图9，某学生既在宏观上表征了氯化钠溶于水的过程，即往烧杯中加入一定量的氯化钠固体，搅拌后固体逐渐消失，最后形成氯化钠溶液;又能在微观层面上表征钠离子和氯离子能与水分子结合，并且水分子结合不同的离子时其取向不同。该学生的微观表征能从一定程度上解释其宏观表征，能够解释固体氯化钠溶解并在水中扩散的原因。但微观表征中虽然描述了水分子与钠离子、氯离子之间的相互作用，但并没有清晰体现出这种相互作用为粒子间的静电作用力。

3.5数据统计及分析

根据学生在问卷中的作答，我们将从单一表征或多重表征，单一表征中的何种具体表征类型，及学生表征的正确率进行统计分析。表1表明，在问卷中有25.0%的学生没有使用任何表征，69.4%的学生仅使用单一表征，这说明学生对于同一化学概念或现象的三重表征间的联系并不熟悉，因此学生在理解化学概念或现象并未能把“宏观微观符号”三重表征的信息有效地结合。表2表明，学生倾向于用离子模型表征（33.3%）和不完整的静电力模型（25.0%）来解释氯化钠溶解的原理。使用离子模型是因为学生能理解氯化钠溶解发生了电离，形成自由移动的离子，但这个模型并没有解释溶剂水在氯化钠电离时的作用。而不完整的静电力模型体现学生已尝试着将氯化钠晶体的电离与溶剂的相互作用相联系，符合课程标准中要求学生“认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系”的要求。

根据化学课程标准的要求，我们设定了评价学生表征情况的标准（见表3）。学生在三重表征中能体现水分子与离子间的相互作用，则视为完全正确;学生在三重表征中仅体现氯化钠或离子的扩散，没有考虑溶剂水在溶解中的作用，则视为部分正确;完全错误为没有从三重表征角度解释或空白。在本研究中，大部分的学生（77.8%）均能使用表征描述出氯化钠的电离及扩散，并有27.8%的学生能从粒子间相互作用的角度分析溶剂水与氯化钠溶解的关系，这说明学生是能够从粒子间相互作用的角度来理解离子化合物在水溶液中的溶解原理。

4总结与建议

4.1总结

本文通过对36位学生的调查发现，大部分参与本研究的学生能够从三重表征，特别是微观表征的角度来解释其对于离子化合物氯化钠溶于水原理的理解。这些学生对氯化钠溶解原理的理解大多是钠离子与氯离子的扩散和电离，并没有进一步思考为什么氯化钠晶体可以在水中扩散和电离，以及水对于离子化合物电离及离子键的影响。此外，仍有9位学生在本研究中没有使用任何表征进行解释，学生对于化学概念内化后的再表达需要加强。

4.2建议

4.2.1教材编写建议

基于“宏观辨识与微观探析”这一素养，学生在掌握了极性分子、化学键本质、晶体类型的基础上，对于氯化钠溶于水的过程，不仅要能理解氯化钠在水中溶解扩散的宏观表征，以及氯化钠电离的微观和符号表征，还要能够从粒子间相互作用，即极性水分子与带电离子间的静电作用的角度进一步分析溶剂水对氯化钠晶体中离子键与电离的影响，从而使学生形成微观结构决定物质性质，粒子间相互作用力影响物质变化的观点。例如，在图中体现粒子间的静电作用，即钠离子受水分子中带负电的氧原子所吸引，氯离子受水分子中带正电的氢原子所吸引，氯化钠晶体与水分子因发生水合作用而电离，最终形成钠离子和氯离子（如图10）。因此，在教材中将离子化合

物氯化钠在水中的溶解作为一个经典案例进行三重表征图示分析，可为后续进一步学习极性共价化合物的电解质的电离（如HCl、 HClO等）奠定了分析思路。

4.2.2教学建议

教师在讲述氯化钠溶于水时，除了解释在这个过程中氯化钠发生了电离外，还可以引導学生从粒子间相互作用力的角度分析水对于氯化钠电离及氯化钠晶体中离子键破坏的影响，为后续解释强弱电解质在水中的电离差异作铺垫;

学生的主观三重表征能够真实反映他们对化学概念的理解情况，教师可以在课后让学生以三重表征的图示形式代替简单的文字复述，让学生解释对化学概念及化学现象的了解，从而进一步了解学生的学习难点;

教师在课堂上可以引导学生先从宏观表征开始观察，接着分析微观表征，然后用微观表征和/或符号表征来解释化学概念和现象，加强学生对三重表征联系的思维能力。

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