“宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應概念中的滲透*

胡　欣王喜貴

（內蒙古師范大學化學與環境科學學院　內蒙古呼和浩特　010000）

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“宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應概念中的滲透*

胡欣1王喜貴2**

（內蒙古師范大學化學與環境科學學院內蒙古呼和浩特010000）

摘要：“宏觀-微觀-符號”三重表征的思維方式強調學生從宏觀、微觀和符號三重表征角度去認識物質及其變化。因此學習化學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的學習出發，闡述對氧化還原反應概念的認識歷程，討論在其概念的建構過程中如何不斷滲透和深化三重表征的思維方式，并針對傳統教學提出改進意見并制定策略，幫助學生進行“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉換，真正樹立能夠體現化學學科特征的三重表征意識。

關鍵詞：“宏觀-微觀-符號”；三重表征；氧化還原反應

*內蒙古師范大學科研基金項目（06EJC24）。

**通訊聯系人：E-mai1：wangxg@imnu.edu.cn

化學是一門在分子、原子水平上研究物質的組成、結構、性質及其變化的科學。僅僅通過宏觀現象來認識物質的性質遠遠不夠，還需要運用物質的組成、結構等微觀知識去把握性質，抓住變化的本質。作為化學學科特有的語言，化學符號從微觀視角呈現出宏觀物質的性質及其變化規律，是實現在宏觀世界和微觀領域中自如穿越的有效工具。如果學生不能從宏觀、微觀和符號有機結合的角度認識物質及其變化，就無法對其概念進行有效的建構。

在中學化學的核心概念與基礎知識中，氧化還原反應占據著極其重要的位置。它始終貫穿于中學化學教材，是教學的重點和難點之一。從高中氧化還原反應的學習出發，探討如何不斷滲透和深化三重表征的思維方式，能夠幫助學生進行“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉換，樹立體現化學學科特征的三重表征思維方式的意識，實現其分析問題和解決問題能力的提高。

一、“宏觀-微觀-符號”三重表征的內涵及其研究價值

1.三重表征思維方式的內涵分析

化學作為研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的一門學科，既研究物質宏觀上的性質及變化，也研究物質微觀上的組成、結構［1］?；瘜W符號則作為聯接的中介得以出現和發展，成功地表述出物質的組成、結構和變化，最終自成體系。因此，在化學學科中就存在對物質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識和理解化學知識，并建立三者之間的聯系，就是所謂的三重表征思維方式。如圖表達了“宏觀-微觀-符號”三者之間的轉換。

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

物質在宏觀上的變化體現了該物質所具有的性質，物質在微觀上的結構決定了宏觀性質，而化學符號作為研究和交流的工具成為聯系宏觀和微觀的重要橋梁。強調化學學習特有的“宏觀-微觀-符號”三重表征的思維方式，有利于學生從宏觀、微觀、符號等方面對物質及其變化進行多重感知。

有調查研究表明，處于中學階段的學生，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，可以得出這樣的結論：“宏觀-微觀-符號”三重表征思維方式的培養僅僅依靠化學知識容量的提升是杯水車薪的。對于化學知識的學習，尤其是氧化還原反應這類抽象性概念的學習，要在教師的引導下，基于三重表征理論，把握物質宏觀性質和微觀結構的雙重表征，獲得宏觀和微觀水平的概念知識，促進符號知識的生成，實現三者的轉換。

二、對氧化還原反應內容的認識：整體與部分相結合

1.對氧化還原反應理論體系的梳理

在中學階段的化學核心知識中，氧化還原反應占有非常重要的地位。它貫穿于中學化學教材的始終，對化學學科的學習具有重要的科學價值。氧化還原反應知識的學習和掌握在中學化學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反應，如木條在氧氣中燃燒、硫在氧氣中燃燒等，從物質與氧發生可看見的化學反應定義了氧化反應，這時學生的認知處于宏觀認識階段。高中階段，化學1必修中是從化合價升降和電子轉移的觀點來定義氧化還原反應，這時學生的認知上升至微觀認識階段，用微觀理論解釋和理解氧化還原反應的實質，并給出了應用電子得失表示氧化還原反應，體現了微觀解釋到化學符號表示的升級。在化學2必修“化學反應與能量”一節中初步介紹了氧化還原反應的應用，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原理的應用，深入講解了原電池和電解池，進一步建構反應體系。由此可以看出，這一體系的建構體現出了宏觀、微觀和符號、應用的全方位表征。

通過不同階段有關氧化還原反應知識的學習，氧化還原反應的理論體系不斷擴展。這不但能夠促進學生對物質及其性質的認識，還能增進學生對反應及其應用的認識，對其中的能量轉化和社會價值的認識。

2.中學生對氧化還原反應概念的認識歷程

為對象xi的單指標測度評價矩陣。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概念的學習中進行滲透和深入，就有必要闡述一下學生對氧化還原反應概念的認識歷程。首先要明確什么是化學概念?；瘜W概念是從大量化學事實及邏輯思維結果中概括出來的，是化學本質屬性和共同特征的科學抽象，是認知結構的節點［3］。因此，氧化還原反應的概念既包含其本體概念，也包括其延伸概念（圖2）。

在引導學生對氧化還原反應概念進行建構時，可以遵循以下認識規律。學生頭腦中已經積累了與此次教學息息相關的化學知識，如：常見元素的化合價、化學反應分類方法、原子結構示意簡圖及核外電子排布簡圖、從得氧失氧的角度進行定義氧化反應和還原反應等。學生經過對比和討論，先是從化學反應中元素化合價變化的角度認識氧化還原反應，從而形成其本體概念，這是一種宏觀表征。然后引導學生通過實驗驗證，從電子轉移的角度對此概念進行由表及里、微觀層次的深度理解。接著，再次引導學生通過分析和討論，挖掘出一系列的延伸概念，如氧化反應、還原反應；氧化劑、還原劑；氧化產物、還原產物等。在概念體系逐步完善后，向學生介紹單雙線橋法的使用以及化學方程式的配平，發揮化學符號作為溝通宏觀、微觀的中介作用；強調其在今后學習元素化合物知識時的重要應用意義，幫助學生樹立化學學習要為宏觀世界的生產和生活服務的意識。最終，也完成了“宏觀-微觀-符號”三重表征在氧化還原反應概念中的滲透，實現了氧化還原反應概念學習的三重表征。

圖2氧化還原反應概念的建構

三、策略研究及改進意見

1.在教學中滲透三重表征思維方式的策略

新課程下初高中化學課程教學及學生心理發展存在一定差異，學生學習化學的認知方式往往是先從宏觀現象入手，然后在微觀層次做分析研究，最后借助化學符號系統做描述。例如對氧化還原反應概念的學習，從初中第一次接觸化學開始一直到高中結束，學生對氧化還原反應概念的認識經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層次上的電子轉移。因此，學生在不同階段對氧化還原反應的表征形式不同，表征的深度不同，理解和掌握的水平也就不同。有調查表明，學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換為化學符號，很難做到三種表征間的兩兩結合或三重表征。針對上述情況，對教學中如何滲透三重表征的思維方式制定幾點策略。

（1）直觀教學動靜結合

化學知識的學習，一般需要通過對物質世界的宏觀事物及其變化的觀察和實驗探究。尤其是關于氧化還原反應這類抽象性概念的學習，更要充分利用直觀教具、現代教學技術等手段，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、假設和論證等邏輯思維方法，領悟物質及其變化的微觀過程［4］，形成一系列化學基本概念，獲得最基本的化學原理，并借助化學符號系統做分析描述。

體現化學學科特征的表征形式，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］。它們既包括靜態的，也包括動態的；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、寬領域。

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

在對氧化還原反應概念的理解過程中，即使學生能夠通過對比、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，即電子的轉移，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實驗，為學生提供實驗上的感知和驗證，讓其通過實驗探究的宏觀現象進而“看到”電子的轉移。

2.針對傳統教學提出改進意見

（1）創造三重表征的思維情境

創造三重表征的的思維情境，有助于學生掌握對物質及其反應的三重表征方式，養成從微觀角度認識物質的性質及其變化的思維習慣，逐步內化“可觀察現象的宏觀物質都是由不同層次的微觀粒子構成的，微觀粒子在空間的排列順序和連結方式決定著宏觀物質的性質，宏觀物質的性質歸因于其微觀結構［6］”的科學結論。

例如在氧化還原反應的教學中，提供鋅與硫酸銅的原電池實驗，將電子轉移的微觀過程外顯為指針偏轉的宏觀現象。這時應引導學生思考“對于這個實驗現象，你能從多種角度去思考和學習嗎?”“這一現象的微觀本質是什么，怎樣用符號來表示?”“今天學習的這些知識之間有什么內在聯系，你能否運用‘宏觀-微觀-符號’三重表征的思維方式對其進行梳理?”等問題。通過創設一系列情境，引導學生逐步樹立化學三重表征的意識、提升化學三重表征能力。

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

（2）構建三重表征的評價體系

在教學過程中，不僅要強調其“知識與技能”目標，更要注重其“過程與方法”目標和“情感態度價值觀”目標的落實。因此，為保證教學的有效性、建構性、發展性，我們應充分關注學生在學習過程中的認知情況，得到相應的反饋，并據此及時調整教學，最終達成教學目標。

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

參考文獻

［1］朱玉林.初中化學《物質構成的奧秘》概念教學四環節［J］.教育科學論壇，2012，（8）：46-48

［2］梁永平，鄭敏.中學生微粒性認識理解水平的調查研究［J］.化學教育，2004，25（1）：44-54

［3］陳鯤.初中化學概念教學有效性研究［D］.蘇州：蘇州大學，2011

［4］王云生.化學陳述性知識的認知方式與表征［J］.化學教育，2014，35（15）：6-9

［5］張力平.化學反應學習中“宏觀-微觀-符號”三重表征的研究［D］.濟南：山東師范大學，2012

［6］劉超.“宏觀-微觀-符號”三重表征的理論構建［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

文獻標識碼：B