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中學生化學反應三重表征的困難及原因分析論文
正如化學諾貝爾獎獲得者霍夫曼RoaldHoff?man所說，化學即表征。從某種意義上講，化學就是一門表征的學科，表征是化學學習的一種必需工具。從認知心理的角度分析，學生對化學概念的理解就是學生對化學概念形成了怡當?shù)男睦肀碚�。而化學學習有三大領域：可觀察現(xiàn)象的宏觀世界；分子、原子和亞原子微粒構(gòu)成的微觀世界；化學式、方程式和符號等構(gòu)成的符號與數(shù)學世界�；瘜W學科的內(nèi)容特點決定了化學學習中存在著三重表征：宏觀表征、微觀表征和符號表征。以往的研究表明，對于化學三重表征，中學生存在許多困難。本文以化學反應學習為例，探討中學生三重表征的困難，并分析其形成的原因。
一、中學生化學反應三重表征的困難
1、不能從微觀水平上理解化學反應
相關文獻綜述表明，很多研究者對學生是否在分子水平上理解了化學反應進行了探查。研究發(fā)現(xiàn)，學生即使能正確配平化學方程式，也不能在微觀上理解化學反應，這可能與用數(shù)學化的方式配平化學方程式有很大關系。國外對這個問題的探查多是結(jié)合畫微粒圖和訪談等方法進行的。例如，蓋貝爾（Gabel等設計了14個題目來考查大學生對事物微觀本質(zhì)的理解情況。題目用不同大小和形狀的圓圈來描述分子、原子，要求學生在物質(zhì)發(fā)生物理或化學變化后再畫一幅新的圖畫。分析結(jié)果令人吃驚：第一，有50%的學生忽視了微粒守恒和微粒的排列次序；第二，盡管學過化學的學生比沒學過化學的學生回答得要好，但這種差別并不顯著。這表明，盡管化學課程在一定程度上涉及物質(zhì)的微觀本質(zhì)，但通過微觀本質(zhì)的學習并沒有使學生較好地理解化學。另外，學生的回答中普遍出現(xiàn)的錯誤有：（1當液體變成氣體時，原子被畫大，而不是原子間的距離變大；（2用線條表示液體的水平面，而不是用頂層的微粒來暗示表面；（3氣體分子排列有序；（4在分子分解之后，仍用完整的單位來描述微粒，而不是用更小的原子等單元表示。這表明，盡管化學課程在一定程度上涉及物質(zhì)的微觀本質(zhì)，但通過微觀本質(zhì)的學習學生并沒有較好地理解化學。再如，亞洛克Yarroch要求成績中等以上的高二學生配平給出的化學方程式，并根據(jù)方程式畫出微觀圖像，以探查學生對化學方程式的理解。結(jié)果顯示，60%的學生能夠配平化學方程式卻不能解釋方程式的意義。這說明學生沒有從微觀水平上理解化學反應。
可以看出，學生不能像化學家那樣進行微觀表征，對學生而言，微觀表征復雜而抽象，這可以從學生對原子結(jié)構(gòu)、化學反應、溶液等特定內(nèi)容存有_定的相異構(gòu)想中窺見_二。在過去的三十年里，文獻中關于化學相異構(gòu)想的研究可謂數(shù)不勝數(shù)，其中相當部分的內(nèi)容就集中在微觀表征上，這就反映出學生在微觀表征方面的困難。對于化學反應，學生也存在這樣的困難。
2、不理解化學方程式的符號含義
化學方程式既可以表征宏觀水平的物質(zhì)變化，也可以表征微觀水平上的粒子行為，符號表征指向的這種模糊性提供了_種思維轉(zhuǎn)換的流動性，即借助于符號表征，思維可以很方便地在宏觀表征和微觀表征間轉(zhuǎn)換，這為交流和傳播解釋提供了強有力的工具。符號表征在任何時刻都具有特定的含義，這在專家看來是非常明確的，但對于學生而言，怡怡是符號表征指向的模糊性增加了學生的認知負擔，學生必須能利用上下文和背景知識來明確符號表征的指向。
化學方程式隱含著豐富的信息，對化學方程式的理解也包含著多重含義：明確化學式和各個數(shù)字及箭頭的含義、理解化學反應過程中鍵的斷裂和形成、考察化學變化的定量關系等。研究發(fā)現(xiàn)，學生對化學方程式的理解存在困難。如，桑格MJ.Sanger)讓學生根據(jù)微粒圖書寫化學方程式，他發(fā)現(xiàn)44%的學生對下標和系數(shù)的理解有不同程度的混淆，有的學生將C3書寫成3C,學生只知道下標表示某分子中的原子個數(shù)，卻不知道下標可以表示組成物質(zhì)的元素比例；約翰斯頓Johnstone等人研究發(fā)現(xiàn)，離子方程式中沒有參與反應的離子、氧化數(shù)和離子電荷給學生造成了最大的障礙；巴克（Bark探查德國學生對鎂條燃燒的理解，他對八、九、十年級的272名學生進行了測驗，結(jié)果顯示，30%的學生能正確寫出反應方程式，并能正確進行微觀表征，70%的學生只能記住方程式而不能正確理解其微觀含義，巴克由此得出結(jié)論，單純使用化學符號不能幫助學生理解化學反應。
3、難以在不同表征水平間進行轉(zhuǎn)換
化學概念在本質(zhì)上是多重表征的，成功的化學學習應該建構(gòu)三重表征的整體模型，在三重表征之間實現(xiàn)思維的自由轉(zhuǎn)換�，F(xiàn)已公認化學教學經(jīng)常包含宏觀表征和微觀表征間的轉(zhuǎn)換，用微觀表征解釋可觀察的宏觀現(xiàn)象，然而對學生而言，這種不同表征間的轉(zhuǎn)換是困難的，這不僅因為微觀世界的抽象本質(zhì)，還因為對學生來說轉(zhuǎn)換本身可能就是挑戰(zhàn)。教師與學生在知識和經(jīng)驗背景方面存在鴻溝，教師已經(jīng)能很流暢、很容易地實現(xiàn)不同表征間的思維轉(zhuǎn)換，而學生對物質(zhì)不是很熟悉，當這種轉(zhuǎn)換發(fā)生時，學生可能會經(jīng)歷激烈的認知沖突才能實現(xiàn)。作為宏觀水平和微觀水平中介的符號水平不僅增加了學生學習的復雜性，而且由于它指向的模糊性，增加了初學者在宏觀表征和微觀表征間討論的困惑。
已有大量研究發(fā)現(xiàn)，很多學生能正確回答談話性的測試題目，然而進一步測試表明，他們不是真的理解了概念，很多學生能夠解決計算問題，而不能解決概念性問題。例如，研究發(fā)現(xiàn)，學生成功配平化學方程式并不能保證他們能用圖表的形式準確表征相應的化學反應。[8]我們對這一發(fā)現(xiàn)的解釋是，能夠配平化學方程式是符號水平的理解，然而畫微粒圖的能力是微觀水平的理解，學生在聯(lián)系兩種表征水平方面存在困難，難以實現(xiàn)不同表征水平間的思維轉(zhuǎn)換，因此不能成功地解決問題。再如，對于化學平衡，即使是高等化學專業(yè)的學生也存在三重表征轉(zhuǎn)換的困難。研究發(fā)現(xiàn)，食鹽溶于水，達到平衡狀態(tài)即飽和時，很多學生會認為反應結(jié)束了，即將“平衡”等同于“結(jié)束”。這說明學生對平衡的動態(tài)性缺乏理解，無法建立宏觀表征與微觀表征的聯(lián)系。還有很多學生認為，當溶液達到平衡時，化學方程式左邊的物質(zhì)數(shù)目就等于右邊的物質(zhì)數(shù)目，換句話說，學生經(jīng)常將化學反應中的理解為“等于”，即如果達到化學平衡就意味著反應物濃度等于生成物濃度。這種相異構(gòu)想可能緣于等號的應用，也說明學生沒有將符號表征和宏觀表征、微觀表征建立起聯(lián)系。
專家可以在三重表征之間隨意轉(zhuǎn)換，而且可能是自發(fā)進行的，而學生的三重表征轉(zhuǎn)換就困難得多。盡管如此，由于三重表征提供了科學概念不同水平上的信息，對概念理解是極其重要的，學生應努力建構(gòu)起三重表征的內(nèi)在聯(lián)系，增進對科學概念的理解。
二、中學生化學反應三重表征困難產(chǎn)生的原因
從學生自身角度來看，三重表征困難的一個原因是，學生的思維受到他們已有的宏觀經(jīng)驗的強烈影響，從而無法理解微觀表征，如，_滴水里含有大量的水分子，這些分子竟然在不斷運動著，這對于初學者來說很難接受；第二個原因是，他們有限的概念性知識和貧乏的空間想象能力，導致學生經(jīng)常不能將_種表征轉(zhuǎn)化為另_種表征。
本文主要討論化學反應三重表征困難產(chǎn)生的外部因素，這是因為外部因素可以在教學實踐中進行可行性設計，對教學實踐更有啟發(fā)意義。
1、微觀世界的抽象性
微觀表征關注的世界是一個不可視的世界，只能通過想象來觸及。由于學生已有的知識經(jīng)驗有限，缺乏空間想象能力，對微觀粒子的表征就很困難，很容易將宏觀性質(zhì)直接遷移過去，如，認為微觀粒子有顏色、是連續(xù)的、有生命、不同狀態(tài)下質(zhì)量不同大小可變等。由于缺乏宏觀經(jīng)驗的支持，學生的微觀表征就顯得異常困難。盡管存在各種模型和動畫模擬等可視化教學的幫助，但大量研究顯示，學生對微觀世界的理解還是存有大量的相異構(gòu)想，過去二十年間化學教育文獻的研究熱點就是對學生相異構(gòu)想的探查，其中相當部分的內(nèi)容集中在微觀表征上，由此可見，學生微觀表征的困難程度。
現(xiàn)代化學的重要特征之_，就是將微觀粒子間的相互作用模型作為解釋理論的基礎，這些粒子帶有科學猜想的性質(zhì)。對學生來說，粒子這個詞有_定的誤導性，學生可能把糖和鹽的細粒當作教師提到的粒子，而不是相當小空間水平內(nèi)的假定粒子。這些微觀水平上的粒子是分子、原子和電子等等，這些粒子存在空間如此之小以致量子效應（對可以直接觀察的粒子來說是微不足道的變得非常顯著，這些“量子物質(zhì)”擁有屬性的方式和我們熟悉的宏觀粒子擁有屬性的方式有很大不同，它是解釋化學的微粒模型的一個有力證據(jù)。量子物質(zhì)不是堅硬的難以穿透的有鋒利邊緣的實體，而是帶有量子規(guī)則模型化了的屬性的很多模糊區(qū)域。對化學反應宏觀表征的解釋都是借助于這些微觀粒子的行為來解釋的，在科學上，微粒模型具有真實的和重大的解釋價值。
眾所周知，這種微觀表征模型的使用對許多學生來說具有很大的挑戰(zhàn)性，他們不能完全理解量子物質(zhì)顯著不同于熟悉的宏觀粒子屬性，學生通常采用一種虛假的解釋，這可能與中學生理解科學模型和科學本質(zhì)的水平有限有關系，即使是大學生也可能沒有形成有效思考微觀世界所需的心智模型?。
2、教材編制的局限性
教材的編制和內(nèi)容呈現(xiàn)具有1定的局限性，這嚴重影響了學生化學反應三重表征的建構(gòu)。
首先，教材對有些知識的論述不是很明確，如，對原子的論述就是典型的例子。沒有人能說明原子是什么或者原子像什么，雖然通過原子級顯微鏡我們看到了金色的原子1個挨著_個一但是原子級顯微鏡的輸出結(jié)果是它自己的模型應用的結(jié)果。很多教科書回避了原子是或像什么這個尷尬問題，只給出了關于原子性質(zhì)的論述，那么，學生很容易認同教材中畫出的原子圖像就是原子本來的樣子。對化學反應過程的描述也存在類似的局限性。
其次，文本、圖表或圖形的使用存在問題。如，教材中有的圖是這樣畫的：在一燒杯水中僅畫了幾個液態(tài)水分子，這會使得學生認為_燒杯水中只含有那么多個水分子，而這種理解在學生看來是很自然的，因為他們看到的就是這樣，和宏觀經(jīng)驗是吻合的。在印刷的紙張上不能描繪一燒杯水中大量的水分子，這是文本編制與生俱來的問題。如果文本不對此作出說明或解釋，那么，學生就很容易產(chǎn)生相異構(gòu)想。
再次，教材內(nèi)容不能很好地體現(xiàn)微粒的立體性和化學反應的動態(tài)性�；瘜W微粒是立體的，化學反應是動態(tài)的，但是落實到教材文本中，只能以二維的和靜態(tài)的方式呈現(xiàn)，這是教材文本印刷難以克服的局限性。
3、化學符號的復雜性
符號表征包含著大量的信息，初學者對其理解起來非常困難，對于化學反應更是如此。我們通常用化學方程式來表征_個化學反應，這個方程式里內(nèi)含著大量的信息，包括_些抽象的概念，如元素、化合價、電負性、化學反應、能量等，還包括_些普適性的書寫規(guī)則，如分子式的書寫規(guī)則、方程式的配平規(guī)則、離子式的書寫規(guī)則等�；瘜W符號本身就是人為表征的，因此，對學生而言，它更像是_些無意義的音節(jié)，要熟記這些復雜的符號系統(tǒng)，的確是非常困難的。更何況，化學符號表征的還是-些學生本身就覺得學習困難的知識。
為了使符號表征有意義，教師必須花費大量時間讓學生熟知符號的含義，熟練掌握化學方程式的書寫規(guī)則，從一開始就注重從三重表征的角度建構(gòu)符號表征的意義。符號表征的意義在于，它是一種非常有利的交流工具，_旦建構(gòu)起正確的符號表征，就會便利我們快速地、有效地交流，并有助于我們在三重表征間的思維轉(zhuǎn)換。
因此，在教授符號表征的時候，教師應清晰地認識到：（1和專家相比，學生的符號表征能力不如專家有效；（2使用符號表征的方式可能增加感知的復雜性和任務認知需求的復雜性；（3考慮化學符號指向?qū)ο笫欠袷悄：模绻媸沁@樣，要明確符號在任1點元素、物質(zhì)、分子、原子等上的含義，注意方程式中符號使用的貫性。
4、化學三重表征教學的困難性
化學教育的一個難題是，宏觀表征模型本質(zhì)上是連續(xù)性的，而微觀表征模型本質(zhì)上是分離的，如，氣體的流動宏觀來看是連續(xù)的，而從微觀本質(zhì)上看氣體分子的行為是分離的。建立宏觀表征和微觀表征的聯(lián)系需要理解微觀世界的粒子是極小的。對于“粒子”微�！边@樣的主題詞，學生早就接觸過，因此，學生會借助已有的理解解釋微觀世界中的粒子行為。教師如果不注意聯(lián)系學生的已有經(jīng)驗，借助于宏觀表征和微觀表征的聯(lián)系進行教學，很容易造成學生理解上的困惑。
如，對于化學反應的判斷標準是有新物質(zhì)的產(chǎn)生，對于什么是新物質(zhì)是從微觀水平上進行判斷的，是我們應用了微觀模型的結(jié)果。而從可觀測的宏觀表征上來看，新物質(zhì)就是明顯不同于原來的物質(zhì)，對于學生來講，冰融化為水也是_種新物質(zhì)，盡管在化學上它們具有相同的結(jié)構(gòu)，但宏觀來看，物理變化產(chǎn)生的新物質(zhì)就像1些化學反應產(chǎn)生的新物質(zhì)那樣引人注目。很多化學方程式對于學生判斷是化學變化還是物理變化是有幫助的，因為它們可以揭示物質(zhì)的微觀粒子的行為，但文獻顯示，也有很多化學方程式對于學生的判斷幫助不大。如，對于碳酸鈣加熱生成氧化鈣和二氧化碳的反應而言，很多學生不認為這是1個化學反應，因為碳酸鈣沒有和任何物質(zhì)反應。另外，一些學生將加熱看作是1種物質(zhì)，認為碳酸鈣和熱發(fā)生了反應。這可能是曰常生活中“反應”的意思對理解化學術(shù)語的不利影響。
有研究者總結(jié)了化學教學導致三重表征的困難表現(xiàn)為三方面：（1化學教學中教師簡單強調(diào)符號表征和問題解決而不重視宏觀現(xiàn)象和微觀表征的聯(lián)系；（2化學教學中教師不能很好地結(jié)合宏觀、微觀和符號表征，使學生長時記憶中的信息分散零亂，不能系統(tǒng)全面地對化學知識進行理解；（3片面、機械地強調(diào)宏觀、微觀和符號三種表征，而不能夠?qū)⑵渑c學生的曰常生活聯(lián)系在_起，學生無法達到深刻的理解。
5、化學方程式配平的數(shù)學化
對于中學階段化學反應的學習而言，熟練配平化學方程式是學生要達到的一個重要學習目標。為了實現(xiàn)這_目標，教育工作者研究了很多方法幫助學生熟練配平方程式，其中很多方法就是借助于數(shù)學或計算機程序。如，布拉克利Blakley證明了幾乎每-個化學方程式都能用線性代數(shù)的Fotoan程序配平。盡管用數(shù)學的方法能正確地配平化學方程式，但正如科爾布Kib所說，反應物和產(chǎn)物在化學上真的是不同的物質(zhì)，化學方程式不像一個數(shù)學表達式，因此，它們不能在數(shù)學的感覺上等同起來，忽略數(shù)學上和化學方程式之間的細微差別增加了概念性錯誤的可能性已有研究表明，學生即使正確地配平了化學方程式，他們也不一定理解已配平的化學方程式的含義。用數(shù)學方式配平化學方程式導致了學生對化學反應本質(zhì)的忽略，從而導致了學生的很多相異構(gòu)想的產(chǎn)生。出于對這種狀況的反思，很多研究者認為，教師要幫助學生理解化學方程式的意義，讓學生學會用化學的方式正確配平化學方程式。目前，國外在這方面的研究大都集中在探查學生配平化學方程式過程中出現(xiàn)的錯誤及其相關教學建議上。
國內(nèi)有關配平化學方程式的教學研究主要是總結(jié)化學方程式配平的方法，或針對某類特定的化學反應方程式的配平進行具體研究，[14]目前，我國化學教學中仍然隨處可見各種各樣配平的口訣�？梢哉f，我國在配平化學方程式的教學上，許多教師并不以理解化學反應為基礎，而是以數(shù)學的方式配平，訓練學生配平技巧的成分很大。如此導致的結(jié)果是，學生可能會用數(shù)學化的方法配平化學方程式，但不理解化學方程式所代表的含義，從而出現(xiàn)對化學方程式本質(zhì)的理解困難。
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