高三學生基于“宏微符”轉換的化學圖形理解能力研究

陸惠蓮+王祖浩

摘要：本研究在“宏微符”轉換理論和化學圖形教學功能分析基礎上，劃分化學圖形理解能力水平，確定化學圖形理解中的“宏微符”轉換和化學圖形形式要素（數形義）理解兩個基本方面及其水平，進而對高三學生對涉及“宏微符”轉換的化學圖形理解能力進行考察，揭示學生發生圖形理解障礙的關鍵性問題，為培養學生化學圖形理解能力提供參考。

關鍵詞：化學圖形；圖形理解；宏微符；數形義；化學學習

文章編號：1005–6629（2014）9–0024–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 研究背景

化學圖形既是化學學習的重要內容，又是化學學習的思維工具及載體。因此培養學生閱讀圖形信息能力，幫助學生使用化學圖形構建模型及推理演繹，對于他們獲取知識、拓展思路，啟發思維具有重要意義。

化學是在原子、分子水平上研究物質組成、結構、性質和變化規律的科學[1]，化學性質主要表現為宏觀變化，物質的組成和結構理論是解釋物質性質和變化的依據，而化學符號則簡明地表達了宏觀與微觀的聯系，由此形成了“宏觀—微觀—符號”有機結合的三重表征形式[2]?；瘜W圖形的使用往往從三重表征有機結合的角度，直觀、形象地展示物質宏觀形態特征和微觀結構特點、數量特征以及空間分布特征，促使學生實現由感性認知向理性認識的轉變。

除了“宏微符”表征以外，化學圖形還包含了數形義等形式要素?！皵怠奔磾底终f明，“形”即呈現真實的影像或模擬構型，“義”則指對圖形內涵和特征的文字描述。因此，化學圖形理解主要是指學生通過圖形閱讀，快速捕捉圖形傳遞的宏微符表征信息和數形義包含的信息，并能對信息進行認知加工形成意義。本研究著眼于探索學生化學圖形理解能力以及其中“宏微符”表征和化學圖形數形義形式要素理解兩個方面的表現，揭示學生發生圖形理解障礙的關鍵性問題，由此思考培養學生化學圖形理解能力、提高化學學習有效性的教學實踐問題。

2 研究設計

2.1 測試材料設計

本研究所使用的測試材料包含六張化學圖形，圖形設計分別涉及宏-微、宏-符、微-符、宏-微-符等四種轉換關系，并進一步融合圖形中數形義等形式要素變量。每張圖形都承擔了具體的考察任務，如圖1所示為測試材料中的圖形5，涉及“宏微符”三種表征形式，并包含了數量關系和模型要素。表1為測試材料考察任務的設計說明。測試時要求被試觀察測試材料上的圖形，即時性地在圖形下方的空白位置上用3～4句話概括性描述從圖上獲取的關鍵信息。

2.2 測試過程與數據采集

研究選擇具有一定知識基礎、化學思維能力發展相對成熟的高三學生為研究對象——上海市某區級重點高中三年級的一個自然班，共41名學生。

研究采用紙筆測試的方式，在測試活動中研究者向被試說明測試的要求，測試時間不做嚴格規定，被試受到施測活動氛圍的影響，自覺地按照應有的節奏完成測試，對每張圖片進行閱讀和描述，時間為半小時至45分鐘。

測試結束后，回收測試卷并進行分析和匯總，通過定義學生化學圖形理解的水平、宏微符表征思維水平以及數形義的理解水平，對被試每一個圖形的理解水平、宏微符表征思維水平和數形義的理解水平進行判斷，進而了解被試化學圖形理解的平均水平以及圖形理解兩個方面的具體表現。

3 研究結果及分析討論

3.1高三學生化學圖形理解能力水平分析

以被試對圖形的描述內容為依據，將學生的化學圖形理解能力水平劃分為由低到高的三個層次，見表2。

根據化學圖形理解三水平的判斷標準對被試有關圖形的描述內容加以分析，確定了每一位被試每一張圖形的理解水平。例如，圖1所示的測試材料圖形5，如學生未能發現圖形反映的是氫氧化鋁的酸式電離和堿式電離，則認為圖形理解處于水平1；如僅能指出是關于氫氧化鋁的酸式電離和堿式電離，而未建立宏觀現象中的溶解與沉淀、微觀結構中的粒子以及電離方程式三種表征信息之間的關系或關系分析不準確，則為水平 2；如能指出圖形呈現的是有關氫氧化鋁的酸式電離和堿式電離，并能對三種表征形式的信息加以對應分析或說明，則認為被試對該圖形的理解達到水平3。

每一個化學圖形理解的平均水平如圖2所示，可以看到圖形4的理解情況較好，其次為圖3、6，圖形1、2、5的理解情況不夠理想，平均值最低為1.6。通過求取被試六張圖片的理解水平的平均值以代表被試的化學圖形理解水平，從整體上看，被試的圖形理解平均水平不夠理想，所有被試化學圖形理解水平的平均值為1.9，達到水平2及以上的人數僅占50%。

3.2 高三學生化學圖形中“宏-微-符”表征思維水平分析

關于化學圖形理解過程中“宏-微-符”表征思維水平的定義，主要以被試對表征形式變量的組成及其關系的把握為核心，也形成了如表3所示的三個水平。

根據化學圖形中“宏-微-符”表征思維的三水平標準，對被試有關圖形的描述內容加以分析，確定被試每一張圖形中“宏-微-符”表征的思維水平。例如，圖1所示的測試材料圖形5，如被試只能指出宏觀現象中的溶解與沉淀、微觀結構中的粒子以及電離方程式中的某一種表征形式所包含的信息，則判定為水平1；如僅能分別描述三種表征形式所包含的信息，而未建立三種表征之間的關系或關系分析不準確，則認為“宏微符”表征思維處于水平2；如能將宏觀現象中的溶解與沉淀、微觀結構中的粒子以及電離方程式三個方面的信息加以對應分析或說明，則認為被試對該圖形中的“宏微符”表征思維達到水平3。

每一個化學圖形中“宏微符”表征思維的平均水平如圖3所示。據圖3可以看到測試材料中的圖形4“宏微符”表征思維水平值最高，其次是圖形1、3，學生對三個圖形中“宏微符”表征的思維水平值相當，圖形2、5、6的“宏微符”表征思維水平值最低，最低值僅為1.5。圖形5和圖形6均涉及三重表征形式，而其他圖形均只涉及宏微符中的兩種表征形式，由此可以初步推斷“宏微符”表征形式的多少可能會對被試理解和建立多重表征的形式和意涵之間的關系產生影響。通過求取被試六張圖片中“宏微符”表征思維的平均水平以此作為被試化學圖形中“宏-微-符”表征思維的水平，整體而言，被試“宏微符”表征思維平均水平一般，所有被試化學“宏微符”表征思維水平的平均值為2.0，達到水平2及以上的人數僅占55%。

3.3 高三學生化學圖形中“數形義”要素理解水平分析

關于被試對化學圖形中出現的“數形義”等要素的理解水平，也可以按照如下標準定義為三個水平，見表4。

需要說明的是，當圖形中僅涉及數形義中的單一要素，如不能準確理解和使用要素的信息則判定為水平1，而只要能對要素傳遞的信息進行準確描述可判定為水平3。

根據化學圖形中“數形義”要素理解水平的標準，對被試有關圖形的描述內容加以分析，確定了被試每一張圖形中“數形義”要素的理解水平。例如，圖1所示的測試材料圖形5，如被試錯誤描述了圖形中涉及的物質微觀結構模型特征和電離方程式包含的粒子的數量關系等數、形信息，則認為“數形義”理解處于水平1；如未建立兩種形式要素之間的關系或關系分析不準確，則判定為水平2；如被試能描述物質的微觀結構模型特征和電離方程式包含的粒子的數量關系，并能將兩者結合進行對應性說明，則認為被試對該圖形中的“數形義”的理解達到水平3。

每一個化學圖形中“數形義”理解的平均水平如圖4所示。根據圖4可知，圖形4的平均值最高，達到了3.0，其次為圖形2、3，平均值為2.0和2.5，圖形5“數形義”要素理解水平值最低，為1.1。通過求取被試六張圖形“數形義”理解水平的平均值作為被試化學圖形中“數形義”要素理解水平，整體而言，被試“數形義”理解的平均水平一般，所有被試化學圖形中“數形義”理解水平的平均值為1.9，達到水平2及以上的人數僅占53%。

3.4 研究結論

3.4.1 高三學生化學圖形理解能力整體偏弱

學生在觀察圖形，獲取圖形信息，并建立信息的相互聯系及其意義時，一般只做簡單的圖形觀察，大致了解圖形中呈現的基本信息，然后就習慣性地從已有知識經驗出發，調用個人知識庫中與圖形信息相匹配的目標知識點，從而構建圖形的意義。學生對圖形中宏觀、微觀和符號表征形式的信息捕捉以及與數字、形態和文字信息的整合均表現為一種不自覺的行為，只有當他們原有的知識結構中存在上述信息及其聯結關系，學生才能順利地將其對應地描述和分析圖形中的相關內容。當學生無法找到目標知識點，或是目標知識點中并沒有豐富的宏微符及數形義等具體信息時，他們通常表現為無法確定圖形的意義指向，不能很好地辨識和獲取宏微符及數形義等信息，造成各種信息的遺漏，在圖形描述中往往無法有效整合各種信息，造成了無意義聯結的信息堆積現象。

3.4.2 高三學生對化學圖形中的微觀信息理解水平不高

在本研究測試材料的6個圖形中，除了圖形4，其他圖形均涉及微觀表征形式的信息。學生對圖形中微觀表征形式的信息獲取和描述并不理想。他們雖然能從圖形中辨識出微觀層面的信息，但是很多情況下，不能很好地理解微觀結構或過程信息的意義。如圖形2中極性鍵和非極性鍵中成鍵原子的電性分布情況是通過色差和分子構型的對稱與否來表現的，幾乎沒有學生能關注到圖形中這些微觀結構的特征，對于圖5中“Al（H2O）6-、Al（H2O）2（OH）3”三者的八面體空間構型，很少有學生提及或嘗試描述其特征，并從中獲得對物質轉化過程的解釋。與此同時，學生并未掌握對微觀信息進行分析和加以描述的思維方法和技巧，如圖形1中熔融狀態和水溶液狀態下微觀結構的差異是顯而易見的，學生不難發現，但是他們卻很難找到恰當的用詞對這種結構特征加以描述，只能將其描述為“移動更猛”、“運動更劇烈”等等。由于學生對微觀信息的理解和表達存在困難，影響了他們對圖形中宏微符表征形式的意義聯結，也影響了他們數形義信息的整合效果。

3.4.3 “宏微符”表征思維水平與“數形義”要素理解水平相互制約

化學圖形中“宏微符”表征形式代表的是圖形中各種信息的類別，“數形義”則是圖形中各種信息不同的呈現方式，可見“宏微符”表征形式與“數形義”要素往往是統一的，相互聯結的，如圖形1中三種狀態下燈泡亮度差異的宏觀現象與離子化合物的微觀結構差異均以“形”的方式來呈現。學生對宏微符表征形式的意義獲取和聯結通常會表現為對各種數形義信息的加工處理。從研究結果可以看出，各圖的“宏微符”表征思維的平均水平與“數形義”要素理解的平均水平值均有很大程度的關聯，當學生在“數形義”要素信息的理解和整合上出現問題，他們相應地會表現為“宏微符”聯結上的困難。應該說，“數形義”是圖形構成的顯性要素，是學生觀察圖形時能直接感知和理解圖形的契機。在測試過程中，我們發現學生并不能很好地利用圖形中有關“數形義”各種要素，對“數形義”信息的取舍較為隨意，如圖形2中被試就忽略了對微觀層面的“形”的信息分析。此外，學生對“數形義”信息的有效整合不夠，尤其以形-義的聯結與整合最為明顯。學生對“數形義”要素信息的處理不當，直接導致了學生很難順利地從宏觀、微觀和符號三種表征形式上對圖形表達的概念、原理或現象進行意義建構。

參考文獻：

[1]上海市教委.上海市中學化學課程標準（試行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：63.

[2]劉彩燕.高中化學概念的四重表征教學模式的設計與應用研究[D].廣州：華南師范大學碩士學位論文，2009.

3.3 高三學生化學圖形中“數形義”要素理解水平分析

關于被試對化學圖形中出現的“數形義”等要素的理解水平，也可以按照如下標準定義為三個水平，見表4。

需要說明的是，當圖形中僅涉及數形義中的單一要素，如不能準確理解和使用要素的信息則判定為水平1，而只要能對要素傳遞的信息進行準確描述可判定為水平3。

根據化學圖形中“數形義”要素理解水平的標準，對被試有關圖形的描述內容加以分析，確定了被試每一張圖形中“數形義”要素的理解水平。例如，圖1所示的測試材料圖形5，如被試錯誤描述了圖形中涉及的物質微觀結構模型特征和電離方程式包含的粒子的數量關系等數、形信息，則認為“數形義”理解處于水平1；如未建立兩種形式要素之間的關系或關系分析不準確，則判定為水平2；如被試能描述物質的微觀結構模型特征和電離方程式包含的粒子的數量關系，并能將兩者結合進行對應性說明，則認為被試對該圖形中的“數形義”的理解達到水平3。

每一個化學圖形中“數形義”理解的平均水平如圖4所示。根據圖4可知，圖形4的平均值最高，達到了3.0，其次為圖形2、3，平均值為2.0和2.5，圖形5“數形義”要素理解水平值最低，為1.1。通過求取被試六張圖形“數形義”理解水平的平均值作為被試化學圖形中“數形義”要素理解水平，整體而言，被試“數形義”理解的平均水平一般，所有被試化學圖形中“數形義”理解水平的平均值為1.9，達到水平2及以上的人數僅占53%。

3.4 研究結論

3.4.1 高三學生化學圖形理解能力整體偏弱

學生在觀察圖形，獲取圖形信息，并建立信息的相互聯系及其意義時，一般只做簡單的圖形觀察，大致了解圖形中呈現的基本信息，然后就習慣性地從已有知識經驗出發，調用個人知識庫中與圖形信息相匹配的目標知識點，從而構建圖形的意義。學生對圖形中宏觀、微觀和符號表征形式的信息捕捉以及與數字、形態和文字信息的整合均表現為一種不自覺的行為，只有當他們原有的知識結構中存在上述信息及其聯結關系，學生才能順利地將其對應地描述和分析圖形中的相關內容。當學生無法找到目標知識點，或是目標知識點中并沒有豐富的宏微符及數形義等具體信息時，他們通常表現為無法確定圖形的意義指向，不能很好地辨識和獲取宏微符及數形義等信息，造成各種信息的遺漏，在圖形描述中往往無法有效整合各種信息，造成了無意義聯結的信息堆積現象。

3.4.2 高三學生對化學圖形中的微觀信息理解水平不高

在本研究測試材料的6個圖形中，除了圖形4，其他圖形均涉及微觀表征形式的信息。學生對圖形中微觀表征形式的信息獲取和描述并不理想。他們雖然能從圖形中辨識出微觀層面的信息，但是很多情況下，不能很好地理解微觀結構或過程信息的意義。如圖形2中極性鍵和非極性鍵中成鍵原子的電性分布情況是通過色差和分子構型的對稱與否來表現的，幾乎沒有學生能關注到圖形中這些微觀結構的特征，對于圖5中“Al（H2O）6-、Al（H2O）2（OH）3”三者的八面體空間構型，很少有學生提及或嘗試描述其特征，并從中獲得對物質轉化過程的解釋。與此同時，學生并未掌握對微觀信息進行分析和加以描述的思維方法和技巧，如圖形1中熔融狀態和水溶液狀態下微觀結構的差異是顯而易見的，學生不難發現，但是他們卻很難找到恰當的用詞對這種結構特征加以描述，只能將其描述為“移動更猛”、“運動更劇烈”等等。由于學生對微觀信息的理解和表達存在困難，影響了他們對圖形中宏微符表征形式的意義聯結，也影響了他們數形義信息的整合效果。

3.4.3 “宏微符”表征思維水平與“數形義”要素理解水平相互制約

化學圖形中“宏微符”表征形式代表的是圖形中各種信息的類別，“數形義”則是圖形中各種信息不同的呈現方式，可見“宏微符”表征形式與“數形義”要素往往是統一的，相互聯結的，如圖形1中三種狀態下燈泡亮度差異的宏觀現象與離子化合物的微觀結構差異均以“形”的方式來呈現。學生對宏微符表征形式的意義獲取和聯結通常會表現為對各種數形義信息的加工處理。從研究結果可以看出，各圖的“宏微符”表征思維的平均水平與“數形義”要素理解的平均水平值均有很大程度的關聯，當學生在“數形義”要素信息的理解和整合上出現問題，他們相應地會表現為“宏微符”聯結上的困難。應該說，“數形義”是圖形構成的顯性要素，是學生觀察圖形時能直接感知和理解圖形的契機。在測試過程中，我們發現學生并不能很好地利用圖形中有關“數形義”各種要素，對“數形義”信息的取舍較為隨意，如圖形2中被試就忽略了對微觀層面的“形”的信息分析。此外，學生對“數形義”信息的有效整合不夠，尤其以形-義的聯結與整合最為明顯。學生對“數形義”要素信息的處理不當，直接導致了學生很難順利地從宏觀、微觀和符號三種表征形式上對圖形表達的概念、原理或現象進行意義建構。

參考文獻：

[1]上海市教委.上海市中學化學課程標準（試行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：63.

[2]劉彩燕.高中化學概念的四重表征教學模式的設計與應用研究[D].廣州：華南師范大學碩士學位論文，2009.

3.3 高三學生化學圖形中“數形義”要素理解水平分析

關于被試對化學圖形中出現的“數形義”等要素的理解水平，也可以按照如下標準定義為三個水平，見表4。

需要說明的是，當圖形中僅涉及數形義中的單一要素，如不能準確理解和使用要素的信息則判定為水平1，而只要能對要素傳遞的信息進行準確描述可判定為水平3。

根據化學圖形中“數形義”要素理解水平的標準，對被試有關圖形的描述內容加以分析，確定了被試每一張圖形中“數形義”要素的理解水平。例如，圖1所示的測試材料圖形5，如被試錯誤描述了圖形中涉及的物質微觀結構模型特征和電離方程式包含的粒子的數量關系等數、形信息，則認為“數形義”理解處于水平1；如未建立兩種形式要素之間的關系或關系分析不準確，則判定為水平2；如被試能描述物質的微觀結構模型特征和電離方程式包含的粒子的數量關系，并能將兩者結合進行對應性說明，則認為被試對該圖形中的“數形義”的理解達到水平3。

每一個化學圖形中“數形義”理解的平均水平如圖4所示。根據圖4可知，圖形4的平均值最高，達到了3.0，其次為圖形2、3，平均值為2.0和2.5，圖形5“數形義”要素理解水平值最低，為1.1。通過求取被試六張圖形“數形義”理解水平的平均值作為被試化學圖形中“數形義”要素理解水平，整體而言，被試“數形義”理解的平均水平一般，所有被試化學圖形中“數形義”理解水平的平均值為1.9，達到水平2及以上的人數僅占53%。

3.4 研究結論

3.4.1 高三學生化學圖形理解能力整體偏弱

學生在觀察圖形，獲取圖形信息，并建立信息的相互聯系及其意義時，一般只做簡單的圖形觀察，大致了解圖形中呈現的基本信息，然后就習慣性地從已有知識經驗出發，調用個人知識庫中與圖形信息相匹配的目標知識點，從而構建圖形的意義。學生對圖形中宏觀、微觀和符號表征形式的信息捕捉以及與數字、形態和文字信息的整合均表現為一種不自覺的行為，只有當他們原有的知識結構中存在上述信息及其聯結關系，學生才能順利地將其對應地描述和分析圖形中的相關內容。當學生無法找到目標知識點，或是目標知識點中并沒有豐富的宏微符及數形義等具體信息時，他們通常表現為無法確定圖形的意義指向，不能很好地辨識和獲取宏微符及數形義等信息，造成各種信息的遺漏，在圖形描述中往往無法有效整合各種信息，造成了無意義聯結的信息堆積現象。

3.4.2 高三學生對化學圖形中的微觀信息理解水平不高

在本研究測試材料的6個圖形中，除了圖形4，其他圖形均涉及微觀表征形式的信息。學生對圖形中微觀表征形式的信息獲取和描述并不理想。他們雖然能從圖形中辨識出微觀層面的信息，但是很多情況下，不能很好地理解微觀結構或過程信息的意義。如圖形2中極性鍵和非極性鍵中成鍵原子的電性分布情況是通過色差和分子構型的對稱與否來表現的，幾乎沒有學生能關注到圖形中這些微觀結構的特征，對于圖5中“Al（H2O）6-、Al（H2O）2（OH）3”三者的八面體空間構型，很少有學生提及或嘗試描述其特征，并從中獲得對物質轉化過程的解釋。與此同時，學生并未掌握對微觀信息進行分析和加以描述的思維方法和技巧，如圖形1中熔融狀態和水溶液狀態下微觀結構的差異是顯而易見的，學生不難發現，但是他們卻很難找到恰當的用詞對這種結構特征加以描述，只能將其描述為“移動更猛”、“運動更劇烈”等等。由于學生對微觀信息的理解和表達存在困難，影響了他們對圖形中宏微符表征形式的意義聯結，也影響了他們數形義信息的整合效果。

3.4.3 “宏微符”表征思維水平與“數形義”要素理解水平相互制約

化學圖形中“宏微符”表征形式代表的是圖形中各種信息的類別，“數形義”則是圖形中各種信息不同的呈現方式，可見“宏微符”表征形式與“數形義”要素往往是統一的，相互聯結的，如圖形1中三種狀態下燈泡亮度差異的宏觀現象與離子化合物的微觀結構差異均以“形”的方式來呈現。學生對宏微符表征形式的意義獲取和聯結通常會表現為對各種數形義信息的加工處理。從研究結果可以看出，各圖的“宏微符”表征思維的平均水平與“數形義”要素理解的平均水平值均有很大程度的關聯，當學生在“數形義”要素信息的理解和整合上出現問題，他們相應地會表現為“宏微符”聯結上的困難。應該說，“數形義”是圖形構成的顯性要素，是學生觀察圖形時能直接感知和理解圖形的契機。在測試過程中，我們發現學生并不能很好地利用圖形中有關“數形義”各種要素，對“數形義”信息的取舍較為隨意，如圖形2中被試就忽略了對微觀層面的“形”的信息分析。此外，學生對“數形義”信息的有效整合不夠，尤其以形-義的聯結與整合最為明顯。學生對“數形義”要素信息的處理不當，直接導致了學生很難順利地從宏觀、微觀和符號三種表征形式上對圖形表達的概念、原理或現象進行意義建構。

參考文獻：

[1]上海市教委.上海市中學化學課程標準（試行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：63.

[2]劉彩燕.高中化學概念的四重表征教學模式的設計與應用研究[D].廣州：華南師范大學碩士學位論文，2009.