200年第期“化一学教育一化学学习中宏观微观黄符号三重表征的研究开英丽济南2014”毕华林婕山东师范大学化学系化学教育研究所摘要“宏观一微观一符号三重表征是体现化学学科特征的思维方式能增进学生对化学知识的理解。”,。本研究在对三重表征思维方式进行分析的基础上采用问卷调查的方法对不同群体学生化学学习三重表征水平进行了探查和分析为化学教学提供了一个新的视角关键词宏观一微观一符号三重表征思维方式化学学习211问题的提出化学是一门在分子原子水平上研究物质的组成结构、研究目的本研究旨在探查我国学生在化学学习中是否形成了宏观“”、、性质及其变化规律的自然科学、。物质的性质体现在宏观变、、一微观一符号三重表征的思维方式以及不同学生群体三重表。化上物质的组成结构等微观理论则是理解性质把握变化本质的依据而化学符号则从微观层次上科学简明地表达了宏观物质及其变化规律成为联接宏观与微观的中介、征的思维水平旨在为促进化学学习提供有益的启示22研究对象为了使研究结果具有一定的代表性我们分别对高中一年、。这。样在化学学习中学习者心理上就形成了对物质及其变化:所特有的3种表征形式宏观表征微观表征和符号表征级(相当于初中毕业水平)大学化学专业一年级(相当于高中毕业水平)和大学三年级的学生进行了抽样调查的测查对象为济南市。其中高一年级、表征是现代认知心理学的核心概念之一它指信息在人脑中记载和呈现的方式〔`3所不同层次学校的高一新生每所学校11、。宏观表征是指物质在物理和化随机抽取3个班级共收回有效问卷49份;大一大三的学生均学变化过程中表现出来的可以直接观察到的宏观现象在学习者头脑中的反映;微观表征主要是指有关物质的微观组成来自山东师范大学化学系化学教育本科专业大一年级收回有6份大三年级收回有效问卷2伪份效问卷2323。和结构微观粒子的运动及相互作用等微观属性在学习者头、测试材料脑中的反映;符号表征主要是指由拉丁文或英文字母组成的本研究采用自编问卷化学知识均为学生已知的。根据研究目的问卷中涉及到的问卷共包括两部分第一部分为。符号和图形符号在学习者头脑中的反映。这,3种表征形式。:之间不应是孤立的而应有机地联系起来共同构成学习者对化学知识完整的表征系统因此从宏观微观和符号、选择题主要考查学生在不同表征之间的转换能力;第二部。分为一道开放题旨在探查学生的三重表征水平3,对3个群种表征水平上认识和理解,,体样本运用同一问卷进行调查331311。化学知识并建立,3者之间的内在联系是化学学习特有的1调查结果及分析选择题测查结果及分析思维方式我们称之为三重表征思维方式如图所示:不同群体学生三重表征水平的差异l我们把学生对问卷中选择题的回答情况进行了统计分析结果见表和表表l12。选择题正确率统计结果2题题9%3题4%4题0%高一大一大三图l60%374613712%967%97725%766%420%718%1%5%化学学习的三重表征表2题号1不同年级差异显著性分析运用三重表征思维方式学习化学能增进学生对化学知高一与大一的比较2大一与大三的比较2=二识的理解提高学生分析和解决化学问题的能力、。143014但国外研z二Z二2二990一*·中中究表明许多学生在化学学习中缺乏三重表征的思维方式2232042:井z不能有效地建立宏观微观和符号3种表征之间的有机联][系从而导致化学学习困难z那么我国学生化学学习的。,481二361二显著性水平a二050z=1%三重表征水平如何呢?为此我们采用抽样调查的方式对从以上数据我们可以看出不同年级的学生随着知识的增长在不同表征间转换的能力有所提高然而到了一定程度即使学生的知识经验仍在不断丰富但这种能力的发展却趋于缓慢。,高中一年级大学化学专业一年级和三年级学生的三重表征水平进行初步研究以获得有关的信息和结论2、,。研究设计具体来看:化高一与大一学生在4个题目中有学教育《)5年第5期3个呈显著性差异,这另外在这个题目中3个年级的成绩无显著差异说明学说明学生通过高中阶段的化学学习在不同表征之间进行转换的能力有了一定的提高但这能否就说明大一学生已经具生对某些微观知识的机械记忆并没有随着知识的增多而有所改善3。备了三重表征的能力了呢?通过后面的分析我们可以看出的要求。13学生微观表征与符号表征间转换能力的分析。即使是成绩略高一点的大三学生也都远没有达到三重表征因此我们认为大一学生转换能力的增强并不是因第2题要求学生选择合适的微观图示来表示化学方程式以考察学生由符号表征向微观表征的抽象能力3明有23H:二结果表(O十为他们掌握了三重表征思维方式而提高的而是经过高中阶段的学习在接触了大量的微观与符号知识之后一种应有的在正常范围内的提高、。0%的高一学生认为3H2应表示为0+00000,代表氢原子)甚至有ZNH396%的学生认为化学方程式NZ应表示为.而大一与大三学生有3个题目无显著性差异这表明在没有形成三重表征思维方式的情况下虽然经过2二3OOOOOO(o表示氮原子)二。000000显然这些学生倾向于,年的大学。2以一种加合的方式来理解化学符号他们不知道3H应该是系统学习但学生的实际能力却没有明显的提高、换句话个的双原子分子却把它理解为6个紧密相连的粒子。说在不同表征间相互转换的能力与知识的增长并不成正比在没有外部因素(如教材教师)的支持引导下即便知识把2个的氨分子错误地理解为氮原子和氢原子的长条排列由此可以看出学生并不理解化学方程式中角标和系累积到了一定程度不同表征间转换的能力也很难再有大的数的含义符号表征向微观表征的转换也存在困难,。造成这发展。同时这也说明三重表征思维方式很难自发形成,。应一现象的原因我们认为主要是学生不理解符号所表示的信该说在三重表征思维方式的培养中教师所肩负的作用是至关重要的教师要发挥好播火者的作用3,息这与教师在教学中总是有意无意地把化学方程式等化学“”。符号当作数学技能来训练是分不开的承载的丰富信息揭示出来正确率也都在97肠左右,,。。。在教学中教师一般12学生宏观表征与微观表征间转换能力的分析1用更多的时间去训练学生配平化学方程式却没有将符号所第个题目从宏观现象入手考察学生由宏观表征向微。观表征转换的能力这道题的回答情况并不理想。3个年级这个题目对于大一与大三学生应该说比较容易他们的的正确率均在70%左右“”但这并不能说明大一大三学生,、温度计内汞柱热胀冷缩是学生早已形成的宏观表征就不存在符号表征向微观表征的转换困难这从同样涉及微观表征和符号表征转换的第5题(大一学生正确率仅为微粒间存在间隔也应是学生头脑中普遍存在的微观表征然而许多学生却不能将两者有效地联系起来这大致说明两240%,大三学生正确率也仅为58、9%)就可以看出。同个问题:样是微观表征与符号表征间的转换结果却如此悬殊这说,第一学生确实存在由宏观表征向微观表征转换的困难其主要原因可能是(l)学生对于微观知识只是机械记忆因此头脑中的微观表征僵化不灵活这样的知识只能在有限的背景下才能提取出来宏观表征与微观表征之间出现“,明对于学过的教师反复强调的内容学生能够记住于其本质内容却并不理解更不会应用“”,但对:,。因此即便是化学专业的大学生也难以在微观表征和符号表征间进行顺利转换而且困难比较严重314,。断路也就在所难免了。”。(2)学生有把宏观表征与微观表学生三重表征水平的分析4征相混淆的倾向以本题为例学生出现的错误多集中在将,。第3题和第况其中第3题都是考察学生三重表征的掌握应用状“”,汞热胀冷缩这一宏观性质与汞原子的性质混为一谈上这与国外的研究结果相一致eo比如DV,题要求学生比较水分子中氢原子所占的质量分。s和Vedronk(1987)和数与一杯水中氢元素所占的质量分数间的关系考察学生能否把宏观表征与微观表征统一到符号表征中去Leeet(la。19)已经指出33[1很多学生认为一个分子或一个答错的学生原子具有和物质一样的性质如水分子是湿的碳原子是黑的等等中有少数认为二者不相等大多数学生(高一年级301三年级25%1%大这可能是因为当学生缺乏对微观知识的真正理解、)认为二者无法比较。假如让学生单独计算水,时他们就倾向于用头脑中已有的熟悉的宏观表征按自己中氢元素的质量分数学生一般都会作对但一涉及到宏观与微观相统一的计算学生就不知所措了许多学生事后也不理解为什么二者是相等的、,。,的方式去给予合理的解释而这难免就会出错、“”,。这就要求、教师在讲解微观知识时应尽可能用丰富的科学的特别是学生头脑中已有的宏观事例来帮助学生形成正确而深刻的实际上这道题的解决关键在于对符号的宏观微观双重含义的准确把握这再次说明许多学生并不理解化学式的意义他们头脑中的符号表征是薄弱的并没微观表征。第二对于微粒很小微粒在不断运动微粒间有间隔”“,有起到联接宏观表征与微观表征的桥梁作用而这也直接导致了学生难以实现三者间的顺利转换,。微粒间存在着相互作用等基本的微粒观念学生只是当作纯粹的知识点来学习而没有内化为自己的一种固有观念第4题给出了一个化学反应的微观图示让学生选择相应的化学方程式本题的正确率最低。没有形成学习化学后应该具有的基本科学素养这可能与平乍看这个题目是考,时教学中只重视具体知识的学习而忽视基本观念的培养有察微观表征与符号表征两重间的转换但要解决则必须在微观表征向符号表征转换的过程中不断贯穿思考化学很大关系。05年第5期化学教育观微观符号的顺序依次降低、、反应和化学方程式的宏观含义即不断地在三者间互译转。也就是说学生对于可观察、、换成O。如果学生具有三重表征的思维方式在看完题后就会形Y的宏观现象的理解要显著优于对于抽象概念(如分子原子离子以及方程式等符号系统)的理解物质没有完全参加反应这一宏观表征因而将图中2个。3种表征比例的严重。。划去然后再进行表征间的转换选择。不协调明显阻碍了学生三重表征思维方式的形成3A或B的学生只是把构成反应物和生成物的微观具体分析我们发现主要存在以下几方面的问题2粒子进行简单加合其头脑中的微观表征和符号表征都非常薄弱三重表征思维方式就更无从谈起了集中于选项他们在选择式有2mol。1学生宏观表征较好但微观表征符号表征薄弱、、本题的问题主要与学生的宏观表征几乎没有什么大的问题这可能是由于宏观表征具有鲜明生动具体等感性特点而成为学生最熟、DD上有很多学生不断地在选项(3XYCD之间徘徊。十SY二3XY:十ZY)后又发现此方程C悉也最易接受和形成的表征形式观表征和符号表征则比较薄弱征和符号表征的质量不高:。、。但相比起来学生的微的。物质可以约去又改成了、这就暴露了学生。一方面在数量上前面已,的思维过程表面上他们只是根据题目所给信息(微观和经提到它们的巨大差异;另一方面我们发现学生的微观表符号)进行简单机械的对照而更深层次的原因在于学生不理解化学反应的实质也没有真正理解反应方程式的含义其认知结构中缺乏三者间的有效联系32,微观表征方面具有动态作用少静态组成多灵活运用少书本知识多等不足。。以高一学生为例在346条单重微开放题的测查结果及分析观表征中有、261条(754%、)是关于H:、0:、HZO的微观组化学符号是随着化学学科发展而诞生的一套简明严密国际通用的符号系统是说明问题的一种简单易懂的形式是一种高度概括和抽象的语言因为符号中既包含物质及其宏观现象又包含着微观本质还表示着量的关系因此,、成原子个数比等表面的较低层次的微观表征而像化学反应的本质是原子的重新排列与组合等较高层次的表征则仅占2HZo0%。在大一大三学生中想到最多的也是、、、“H:、O:、的微观组成原子守恒原子是化学变化中的最小微粒“、、”成为联接宏观与微观的有效中介和桥梁。所以我们选择了等静态知识而像化学反应的实质是旧键的断裂与新键的生成微粒间存在相互作用化学反应是微粒间相互作用的从最典型的化学符号重表征水平。—化学方程式人手来考察学生的三结果等动态微观表征则较少提及:、”。我们认为如果学生具备了三重表征思维方式就能够由化学符号出发去提取头脑中相应的宏观表征微观表征以及其他的符号表征而且能够在不同表征之间建立起内在符号表征方面虽然本题是由化学符号入手但假如学生具备三重表征思维方式还是会联系到许多其他的符号表征的然而即使在大三学生中像氢气氧气水的化学式为玩。,“、、、02、的联系顺利完成表征间的互译转换的联系大致可以从以下几个方面考虑(l)实验现象应现象等。、。具体分析这些内在、、从o氢气氧气等的实验室制备方程式水的电解方程式等等、”:较低级的化学符号表征也占到了188%而像水的电子式结、:HZ、02和HZO的有关性质反应条件反构式用化学键比例模型等形式表示的化学方程式等较高层次的符号表征却仅为4、4%。这说明学生对于化学符号的理解非(2)定量关系:H:。、02和H20三者之间的定量关系(包括、常狭窄不能充分揭示化学符号的丰富内涵尤其是其微观涵义这就影响了三重表征思维方式的形成,。,质量和物质的量等)微观结构等。(3)物质组成与结构方面(4)化学反应本质子化学键的生成:H:02和H20的元素组成及H20。322学生难以在不同表征间建立有效联系、在学生所回答的宏观表征微观表征和符号表征中有:H:、02分子化学键的断裂与,、分很多是具有明显的内在联系的但学生十分缺乏将其进行结HO:、原子重新组合微粒间相互作用等、合的意识如有25,。也就是说学生的三重表征意识十分薄弱1%,。例(5)符号方面H:。02和HZO的结构式电子式以及相。的高一学生意识到反应遵守质量守恒定律而1%关的化学方程式等:4且其中有1的学生想到了反应中原子的种类和个数不。(6)能量方面反应过程中能量的变化等到的内容也涉及较广。变但却没有一个能够将这种微观本质上的解释与宏观的质,从学生所写的信息可以看出他们的思维非常开阔想但是量守恒定律联系起来再如某学生认为原子是化学变化“3个年级80%左右的信息都集中的最小微粒反应中它不能再分只能重新组合又写化学反应的实质是有新物质生成”紧接着。中于宏观表征有54,6%的高一学生所写的信息全部为宏。“”就是缺乏化学反”“观表征即使在已经学习了大量微观与符号知识的大三学生中这一比例也高达38应中原子重新进行组合因此有新物质生成这样的观念地提高将不同表征进行结合的能力3%这也说明学生只有具备了三重表征结合的意识才能有效。另外我们对学生所回答的每一条信息都做了详细地整理归类结果发现、,3个年级的学生所想到的宏观表征总数一据我们统计在高一年级中这种建立了联系的表征仅占学生表征总数的0均是其所想到的微观表征总数的5又是符号表征总数的26倍而微观表征总数,7%而大一与大三学生也仅为,16%。7一39倍。这说明随着知识的增长学生三重表征的意识并没有明显地提高。由此我们可以看出学生对化学的理解明显地沿着宏而且通过进一步分析我们还发现即使在这样低的化联系中绝大部分也属于像还有许多其他的化合反应如H:十,学教育05年第5期“,这些错误表征不但无助于三重表征思维方式的建立而Cl:二ZHCI”这种较低级的联系大约占总数的75%。我且它作为一种已有知识经验直接影响到新的正确表征的形成甚至会导致学生在不同表征形式间建立错误的联系其危害性应当引起我们的重视324“”、们认为其主要原因不在于学生的知识有限而主要是由于学生缺乏将三者结合起来的意识在他们的认知结构中十分缺乏这种类似的联系323。。在不同表征间能够建立联系的学生选择题成绩较高学生头脑中有较多较为明显的错误表征在每个年级中我们根据学生的回答情况将符合条件的学生分为3个组毫无微观意识组指学生的回答丝毫没:、从学生的回答情况看我们在各个年级中均发现不少较为明显的错误表征子组成”,。例如有的学生认为水由氢分子氧原2,“有涉及微观;单重表征良好组指从学生的回答情况看宏观微观符号3种表征都比较好但三者之间未建立联系;、、,有的认为一个水分子中有““个氢离子和12个氧离个水分,子子”还有的认为“。2个氢气和1个氧气反应生成建立联系组指从学生的回答情况看能够在宏观微观符号3种表征间建立联系者进行了对比结果发现、、”水分解生成氢气和氧气说明水中含有氢分子和氧分这说明许多被试头脑中的表征十分混乱而且这。。我们对这3个组的选择题成绩。子等等”3,个组的成绩依次上升3。限于篇幅些错误表征大都是因为学生头脑中的宏观表征与微观表征相混淆的结果表34我们仅以大三学生为例其结果列于表大三年级道题l3个组学生选择题成绩的差异3组别毫无微观意识组(68人)单重表征良好组(2人)1人)建立联系组(9答对答对道题1答对2道题答对l勺1道题O八平均答对的比例(%)19的比例(%)的比例(%)250182的比例%L0题目数27133635345455262734740从表3我们可以清楚地看出毫无微观意识组成绩最差且呈现两头相对较小中间相对较大的正态分布、。同表征间转换的困难并会进一步影响学生进行三重表征的水平和能力而单重表征良2。(3)三重表征思维方式不能完全依靠学生自己。好组虽然答对8试也占到了(144个选择题的较多(52%,4%)但答对道题的被、形成而需要教师的引导和培养)这说明学生虽然能提取较多的宏观表征参考:文n献微观表征和符号表征但由于缺乏三者间的有机联系不能将现〔1」皮连生智育心理学北京人民教育出版社〔2〕Do,t19%:24ou象与本质联系起来在建立联系组中虽然全部答对的比例相对于单重表征良好组稍差一点但由于其基础比较扎实因此成。hyGea成tion1Imporvi飞:T`ehigandeL尼atrnri飞thhgChemis-妙3〕仁EduRese毗h:旧kAl丈tothuFeeurteOJmu`lafChe而eloa绩最高如果其单重表征再好一些或不同表征之间的联系再多一些其问题解决能力还将有更大的提高4Eduetaion19997Direlesa。OxmteodeJongJannavtPiotpor叩eetivmaerchesa一seoneme,司洲〕ut结论通过上述分析我们可以得出以下结论(l)学生化学学chingChemistyrartaro一mieoruymboileemtrafseePaPe:拼既etnetdahe1999NARSI)AnnlaMeetingBotonUSA19993习三重表征思维方式尚未形成缺乏将宏观微观符号三者,、、:4」〔毕华林元英丽化学教育新视角济南山东教育出版社2创妈进行有机结合的意识。(2)任何一种表征的薄弱都会引起不〔附」1问卷调查温度升高时温度计内的水银(汞)柱会上升从微观角度分析你)B水分子中氢原子所占的质量分数大认为其原因是(ABCD一杯水中氢元素所占的质量分数大两者无法比较X汞原子数目增多了汞原子受热后运动速度加快都冲到温度计另一端去了汞原子热胀冷缩汞原子自身体积变大了汞原子受热后运动速度加快原子间间隔增大了4物质(口)和物质Y(O)的反应如下图所示CD2氮气和氢气在一定条件下能发生反应N:十3H:二ZNH3若用.)来表示氮原子用O来表示氢原子则上述反应可表示为(比么爪曰O`仁o:;OQA3XCX压00扭..十:O(义心以)(二O..十O〕(刀(O汉尤尤口一一.自汉X龙以〕扩B3XD3X+弱..十二3十000000一一甲学学学.帐又心以哪一个化学方程式描述了这个化学反应(+SYZY二二X3Y`6YSY2H20二二X3Y`3XYZ+〕O5+XYZZH:ZY水分子中氢原子所占的质量分数与一杯水中氢元素所占的质量分)A从化学方程式02塑你都能想到哪些有关的知数(识?请尽可能多的写出你所知道的信息。两者相等
