“宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應(yīng)概念中的滲透*

胡　欣王喜貴

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院　內(nèi)蒙古呼和浩特　010000）

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“宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應(yīng)概念中的滲透*

胡欣1王喜貴2**

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院內(nèi)蒙古呼和浩特010000）

摘要：“宏觀-微觀-符號”三重表征的思維方式強調(diào)學(xué)生從宏觀、微觀和符號三重表征角度去認(rèn)識物質(zhì)及其變化。因此學(xué)習(xí)化學(xué)就要從變化的角度觀察自然，從微觀的角度理解變化，以符號為方式描述變化。從高中氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)出發(fā)，闡述對氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)識歷程，討論在其概念的建構(gòu)過程中如何不斷滲透和深化三重表征的思維方式，并針對傳統(tǒng)教學(xué)提出改進(jìn)意見并制定策略，幫助學(xué)生進(jìn)行“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉(zhuǎn)換，真正樹立能夠體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特征的三重表征意識。

關(guān)鍵詞：“宏觀-微觀-符號”；三重表征；氧化還原反應(yīng)

*內(nèi)蒙古師范大學(xué)科研基金項目（06EJC24）。

**通訊聯(lián)系人：E-mai1：wangxg@imnu.edu.cn

化學(xué)是一門在分子、原子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化的科學(xué)。僅僅通過宏觀現(xiàn)象來認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要運用物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)等微觀知識去把握性質(zhì)，抓住變化的本質(zhì)。作為化學(xué)學(xué)科特有的語言，化學(xué)符號從微觀視角呈現(xiàn)出宏觀物質(zhì)的性質(zhì)及其變化規(guī)律，是實現(xiàn)在宏觀世界和微觀領(lǐng)域中自如穿越的有效工具。如果學(xué)生不能從宏觀、微觀和符號有機結(jié)合的角度認(rèn)識物質(zhì)及其變化，就無法對其概念進(jìn)行有效的建構(gòu)。

在中學(xué)化學(xué)的核心概念與基礎(chǔ)知識中，氧化還原反應(yīng)占據(jù)著極其重要的位置。它始終貫穿于中學(xué)化學(xué)教材，是教學(xué)的重點和難點之一。從高中氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)出發(fā)，探討如何不斷滲透和深化三重表征的思維方式，能夠幫助學(xué)生進(jìn)行“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉(zhuǎn)換，樹立體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特征的三重表征思維方式的意識，實現(xiàn)其分析問題和解決問題能力的提高。

一、“宏觀-微觀-符號”三重表征的內(nèi)涵及其研究價值

1.三重表征思維方式的內(nèi)涵分析

化學(xué)作為研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的一門學(xué)科，既研究物質(zhì)宏觀上的性質(zhì)及變化，也研究物質(zhì)微觀上的組成、結(jié)構(gòu)［1］。化學(xué)符號則作為聯(lián)接的中介得以出現(xiàn)和發(fā)展，成功地表述出物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化，最終自成體系。因此，在化學(xué)學(xué)科中就存在對物質(zhì)特有的三種表征形式：宏觀表征、微觀表征和符號表征。

從宏觀、微觀和符號三種表征形式上認(rèn)識和理解化學(xué)知識，并建立三者之間的聯(lián)系，就是所謂的三重表征思維方式。如圖表達(dá)了“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉(zhuǎn)換。

圖1“宏觀-微觀-符號”三重表征

2.三重表征思維方式的研究價值

物質(zhì)在宏觀上的變化體現(xiàn)了該物質(zhì)所具有的性質(zhì)，物質(zhì)在微觀上的結(jié)構(gòu)決定了宏觀性質(zhì)，而化學(xué)符號作為研究和交流的工具成為聯(lián)系宏觀和微觀的重要橋梁。強調(diào)化學(xué)學(xué)習(xí)特有的“宏觀-微觀-符號”三重表征的思維方式，有利于學(xué)生從宏觀、微觀、符號等方面對物質(zhì)及其變化進(jìn)行多重感知。

有調(diào)查研究表明，處于中學(xué)階段的學(xué)生，其宏觀表征能力較強，而微觀和符號的表征能力較弱；對于微粒性的認(rèn)識，基本還屬于記憶性水平而非理解性水平［2］。由此，可以得出這樣的結(jié)論：“宏觀-微觀-符號”三重表征思維方式的培養(yǎng)僅僅依靠化學(xué)知識容量的提升是杯水車薪的。對于化學(xué)知識的學(xué)習(xí)，尤其是氧化還原反應(yīng)這類抽象性概念的學(xué)習(xí)，要在教師的引導(dǎo)下，基于三重表征理論，把握物質(zhì)宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的雙重表征，獲得宏觀和微觀水平的概念知識，促進(jìn)符號知識的生成，實現(xiàn)三者的轉(zhuǎn)換。

二、對氧化還原反應(yīng)內(nèi)容的認(rèn)識：整體與部分相結(jié)合

1.對氧化還原反應(yīng)理論體系的梳理

在中學(xué)階段的化學(xué)核心知識中，氧化還原反應(yīng)占有非常重要的地位。它貫穿于中學(xué)化學(xué)教材的始終，對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)具有重要的科學(xué)價值。氧化還原反應(yīng)知識的學(xué)習(xí)和掌握在中學(xué)化學(xué)新課程體系中分三階段完成，以人教版為例：初中階段，從宏觀的具體的化學(xué)反應(yīng)，如木條在氧氣中燃燒、硫在氧氣中燃燒等，從物質(zhì)與氧發(fā)生可看見的化學(xué)反應(yīng)定義了氧化反應(yīng)，這時學(xué)生的認(rèn)知處于宏觀認(rèn)識階段。高中階段，化學(xué)1必修中是從化合價升降和電子轉(zhuǎn)移的觀點來定義氧化還原反應(yīng)，這時學(xué)生的認(rèn)知上升至微觀認(rèn)識階段，用微觀理論解釋和理解氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)，并給出了應(yīng)用電子得失表示氧化還原反應(yīng)，體現(xiàn)了微觀解釋到化學(xué)符號表示的升級。在化學(xué)2必修“化學(xué)反應(yīng)與能量”一節(jié)中初步介紹了氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用，即圍繞氧化還原原理重點講述了原電池原理。在選修4中注重氧化還原反應(yīng)原理的應(yīng)用，深入講解了原電池和電解池，進(jìn)一步建構(gòu)反應(yīng)體系。由此可以看出，這一體系的建構(gòu)體現(xiàn)出了宏觀、微觀和符號、應(yīng)用的全方位表征。

通過不同階段有關(guān)氧化還原反應(yīng)知識的學(xué)習(xí)，氧化還原反應(yīng)的理論體系不斷擴(kuò)展。這不但能夠促進(jìn)學(xué)生對物質(zhì)及其性質(zhì)的認(rèn)識，還能增進(jìn)學(xué)生對反應(yīng)及其應(yīng)用的認(rèn)識，對其中的能量轉(zhuǎn)化和社會價值的認(rèn)識。

2.中學(xué)生對氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)識歷程

為對象xi的單指標(biāo)測度評價矩陣。其中μij(1≤j≤m)表示觀測值xij使xi處于各評價等級的未確知測度。

探討“宏觀-微觀-符號”三重表征如何在氧化還原反應(yīng)概念的學(xué)習(xí)中進(jìn)行滲透和深入，就有必要闡述一下學(xué)生對氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)識歷程。首先要明確什么是化學(xué)概念。化學(xué)概念是從大量化學(xué)事實及邏輯思維結(jié)果中概括出來的，是化學(xué)本質(zhì)屬性和共同特征的科學(xué)抽象，是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的節(jié)點［3］。因此，氧化還原反應(yīng)的概念既包含其本體概念，也包括其延伸概念（圖2）。

在引導(dǎo)學(xué)生對氧化還原反應(yīng)概念進(jìn)行建構(gòu)時，可以遵循以下認(rèn)識規(guī)律。學(xué)生頭腦中已經(jīng)積累了與此次教學(xué)息息相關(guān)的化學(xué)知識，如：常見元素的化合價、化學(xué)反應(yīng)分類方法、原子結(jié)構(gòu)示意簡圖及核外電子排布簡圖、從得氧失氧的角度進(jìn)行定義氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)等。學(xué)生經(jīng)過對比和討論，先是從化學(xué)反應(yīng)中元素化合價變化的角度認(rèn)識氧化還原反應(yīng)，從而形成其本體概念，這是一種宏觀表征。然后引導(dǎo)學(xué)生通過實驗驗證，從電子轉(zhuǎn)移的角度對此概念進(jìn)行由表及里、微觀層次的深度理解。接著，再次引導(dǎo)學(xué)生通過分析和討論，挖掘出一系列的延伸概念，如氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)；氧化劑、還原劑；氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物等。在概念體系逐步完善后，向?qū)W生介紹單雙線橋法的使用以及化學(xué)方程式的配平，發(fā)揮化學(xué)符號作為溝通宏觀、微觀的中介作用；強調(diào)其在今后學(xué)習(xí)元素化合物知識時的重要應(yīng)用意義，幫助學(xué)生樹立化學(xué)學(xué)習(xí)要為宏觀世界的生產(chǎn)和生活服務(wù)的意識。最終，也完成了“宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應(yīng)概念中的滲透，實現(xiàn)了氧化還原反應(yīng)概念學(xué)習(xí)的三重表征。

圖2氧化還原反應(yīng)概念的建構(gòu)

三、策略研究及改進(jìn)意見

1.在教學(xué)中滲透三重表征思維方式的策略

新課程下初高中化學(xué)課程教學(xué)及學(xué)生心理發(fā)展存在一定差異，學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的認(rèn)知方式往往是先從宏觀現(xiàn)象入手，然后在微觀層次做分析研究，最后借助化學(xué)符號系統(tǒng)做描述。例如對氧化還原反應(yīng)概念的學(xué)習(xí)，從初中第一次接觸化學(xué)開始一直到高中結(jié)束，學(xué)生對氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)識經(jīng)歷了從最初的得失氧這一表面理解到化合價升降以及本質(zhì)層次上的電子轉(zhuǎn)移。因此，學(xué)生在不同階段對氧化還原反應(yīng)的表征形式不同，表征的深度不同，理解和掌握的水平也就不同。有調(diào)查表明，學(xué)生宏觀表征能力比微觀表征能力強，不能很好地將微觀知識轉(zhuǎn)換為化學(xué)符號，很難做到三種表征間的兩兩結(jié)合或三重表征。針對上述情況，對教學(xué)中如何滲透三重表征的思維方式制定幾點策略。

（1）直觀教學(xué)動靜結(jié)合

化學(xué)知識的學(xué)習(xí)，一般需要通過對物質(zhì)世界的宏觀事物及其變化的觀察和實驗探究。尤其是關(guān)于氧化還原反應(yīng)這類抽象性概念的學(xué)習(xí)，更要充分利用直觀教具、現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)等手段，使抽象的知識形象化、直觀化；運用模型化方法和分析、歸納、推理、假設(shè)和論證等邏輯思維方法，領(lǐng)悟物質(zhì)及其變化的微觀過程［4］，形成一系列化學(xué)基本概念，獲得最基本的化學(xué)原理，并借助化學(xué)符號系統(tǒng)做分析描述。

體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特征的表征形式，可以是圖像的、聲像的、動作的、符號的，也可以是情景的、概念的、意象的和邏輯的［5］。它們既包括靜態(tài)的，也包括動態(tài)的；既包括描述性的，也包括描繪性的；既包括淺層次的，也包括深層次的。因此，在教學(xué)中滲透“宏觀-微觀-符號”三重表征的思維方式，要做到全方位、多層次、寬領(lǐng)域。

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。新課程的一個突出特點就是重視實驗在化學(xué)教學(xué)中的探究作用。實驗探究可以使知識的獲得從宏觀反應(yīng)現(xiàn)象深入到微觀粒子本質(zhì)，從反應(yīng)的表面特征深入到反應(yīng)的實質(zhì)，從反應(yīng)的基本原理深入到反應(yīng)的現(xiàn)實應(yīng)用，從而把化學(xué)知識與微觀世界及宏觀世界聯(lián)系為一體。

在對氧化還原反應(yīng)概念的理解過程中，即使學(xué)生能夠通過對比、分析，歸納出其特征，即化合價的升降；能夠利用原子核外電子排布簡圖及核外電子排布簡圖，接受其本質(zhì)，即電子的轉(zhuǎn)移，但畢竟還是模糊的、抽象的、難以感受到的。這時就需要借助化學(xué)實驗，為學(xué)生提供實驗上的感知和驗證，讓其通過實驗探究的宏觀現(xiàn)象進(jìn)而“看到”電子的轉(zhuǎn)移。

2.針對傳統(tǒng)教學(xué)提出改進(jìn)意見

（1）創(chuàng)造三重表征的思維情境

創(chuàng)造三重表征的的思維情境，有助于學(xué)生掌握對物質(zhì)及其反應(yīng)的三重表征方式，養(yǎng)成從微觀角度認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)及其變化的思維習(xí)慣，逐步內(nèi)化“可觀察現(xiàn)象的宏觀物質(zhì)都是由不同層次的微觀粒子構(gòu)成的，微觀粒子在空間的排列順序和連結(jié)方式?jīng)Q定著宏觀物質(zhì)的性質(zhì)，宏觀物質(zhì)的性質(zhì)歸因于其微觀結(jié)構(gòu)［6］”的科學(xué)結(jié)論。

例如在氧化還原反應(yīng)的教學(xué)中，提供鋅與硫酸銅的原電池實驗，將電子轉(zhuǎn)移的微觀過程外顯為指針偏轉(zhuǎn)的宏觀現(xiàn)象。這時應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考“對于這個實驗現(xiàn)象，你能從多種角度去思考和學(xué)習(xí)嗎?”“這一現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是什么，怎樣用符號來表示?”“今天學(xué)習(xí)的這些知識之間有什么內(nèi)在聯(lián)系，你能否運用‘宏觀-微觀-符號’三重表征的思維方式對其進(jìn)行梳理?”等問題。通過創(chuàng)設(shè)一系列情境，引導(dǎo)學(xué)生逐步樹立化學(xué)三重表征的意識、提升化學(xué)三重表征能力。

此外，還可以挖掘同一知識點的三重表征價值，同時呈現(xiàn)某個化學(xué)知識的三重表征教學(xué)材料，或者采用不同的教學(xué)手段演示“宏觀-微觀-符號”三者在相同反應(yīng)中的變化情況。

（2）構(gòu)建三重表征的評價體系

在教學(xué)過程中，不僅要強調(diào)其“知識與技能”目標(biāo)，更要注重其“過程與方法”目標(biāo)和“情感態(tài)度價值觀”目標(biāo)的落實。因此，為保證教學(xué)的有效性、建構(gòu)性、發(fā)展性，我們應(yīng)充分關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知情況，得到相應(yīng)的反饋，并據(jù)此及時調(diào)整教學(xué)，最終達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

例如在氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)中，既要重視其教學(xué)價值，也要重視其應(yīng)用價值和概念的形成及發(fā)展過程。學(xué)生能否透過氧化還原反應(yīng)的特征看清其本質(zhì)；能否擺脫“新手”思維模式，挖掘反應(yīng)背后的微觀變化并借助化學(xué)符號予以解釋；能否從基本原理深入到反應(yīng)的現(xiàn)實應(yīng)用，從而把化學(xué)知識與微觀世界及宏觀世界聯(lián)系為一體。欲解決以上問題，就要借助于對學(xué)生“宏觀-微觀-符號”三重表征的全方位評價，從而探明學(xué)生在宏觀、微觀和符號三種表征水平的高低上有無差異；兩兩表征能否進(jìn)行較好結(jié)合；三種表征間能否建立有效聯(lián)系等問題。

參考文獻(xiàn)

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［5］張力平.化學(xué)反應(yīng)學(xué)習(xí)中“宏觀-微觀-符號”三重表征的研究［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2012

［6］劉超.“宏觀-微觀-符號”三重表征的理論構(gòu)建［J］.中國科技博覽，2009，（2）：110-112

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.007

文章編號：1008-0546（2016）02-0028-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B