視聽理論指導下的化學“三重表征”

唐敏 肖小明

摘要：將化學教學視聽媒體和方法與“經(jīng)驗之塔”三個類別、十個層次從底部向頂部一一對應，化學“三重表征”出現(xiàn)了從宏觀表征到微觀表征到符號表征逐漸過渡的表達特性?！叭乇碚鳌敝笇碌幕瘜W教學設計具有從具體到抽象的時序性，化學“三重表征”除了“宏觀表征一微觀表征一符號表征”這一教學時序，還有“宏觀表征-符號表征”以及“微觀表征一符號表征”等不同的表征時序?；瘜W教學設計遵循“具體-抽象-具體”的任務序列設計原則。

關鍵詞：化學教學設計;化學“三重表征”;視聽理論;經(jīng)驗之塔;時序性

文章編號：1008-0546（2020）04-0002-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.001

化學“三重表征”自提出以來，對其研究從理論構建到教學案例分析，提出了一些化學教學策略和方法，產生了一些基于化學“三重表征”的教學模型。在化學教學設計中如何運用化學“三重表征”進行化學教學，一直缺乏有效的教育技術理論引領，現(xiàn)有對化學“三重表征”的實踐研究停留在教學策略設計的層面，缺乏一種對其進行結構化分析的理論研究。雖然教學中運用化學“三重表征”能更好地幫助學生理解聯(lián)系微觀與宏觀世界，但實際教學過程中，學生的化學“三重表征”仍然存在不少問題。尋求教育技術基本理論的支持，在化學教學設計過程中更好地運用化學“三重表征”是本文討論的關鍵問題所在。

一、學生化學學習“三重表征”存在的問題

化學作為研究物質組成、性質、結構以及變化規(guī)律的科學，既從宏觀層面研究物質的性質及其變化，又從微觀層面研究物質結構及性質，并且發(fā)展出一套完備的化學符號，用于表征與交流?！睹绹鴩铱茖W教育標準》認為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成的微觀世界;化學式、方程式和符號等構成的符號與數(shù)學世界[1]。

從宏觀、微觀和符號三種水平上認識和理解化學知識，并建立三者之間的內在聯(lián)系，從而形成化學學科特有的思維方式，我們稱之為化學學習的三重表征。學生的化學學習實質上是建構化學的三種表征，以及能在三種表征之間自由、靈活地轉換[2]。德維塔克（Izlok Devetak）認為化學教育應該指向學生對知識的理解，這種理解應該包含化學概念的宏觀、微觀和符號3種水平。具有科學素養(yǎng)的人，能通過化學符號“看到”符號所表達出來的宏觀現(xiàn)象和微觀結構及變化[3]。

與經(jīng)驗教師相比，學生在三重表征的心理方面往往出現(xiàn)了不能從微觀水平上理解化學反應、不理解化學方程式的符號含義、難以在不同表征水平間進行轉換等困難。出現(xiàn)這種困難的原因除了微觀世界的抽象性、化學符號系統(tǒng)的復雜性因素外，教材和教學的局限性也是導致這種現(xiàn)象的主要原因之一。在教學中教師往往強調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，往往導致學生頭腦中的化學知識機械、凌亂、碎片化，缺乏系統(tǒng)性、整體性，不能很好凸顯化學學科特征。如何提高學生在心理層面三重表征的能力？我們認為，化學教師如果能借助教育技術理論，開發(fā)出一些有利于學生三重表征的教學策略、教學方法、教學模式，科學合理地進行教學設計，將有助于學生三重表征心理能力的提升[4]。

二、視聽理論指導下的化學“三重表征”

1946年，戴爾出版了《教學中的視聽方法》（Au—dio- Visual Methods in Teaching）一書，書中依據(jù)各類視聽媒體和方法所提供的學習經(jīng)驗之抽象程度對傳播媒體進行系統(tǒng)分類，創(chuàng)立了以“經(jīng)驗之塔”（Cone ofexperience）為核心的視聽教學理論[5]?！敖?jīng)驗之塔”作為研究教學媒體效果的重要基礎理論之一，由十個層次三大類別組合而成，如圖l所示。

經(jīng)驗之塔分為三個大類，即做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗（替代的經(jīng)驗）、抽象的經(jīng)驗。三個大類中有十個層次，從底部開始向頂部分別為：有目的的直接的經(jīng)驗、設計的經(jīng)驗、參與演戲的經(jīng)驗屬于第一類活動性的直接經(jīng)驗，其共同特征為學生通過“做”來學習，一般被稱為“做的經(jīng)驗”。第二類觀察的經(jīng)驗，學生學習的方式為間接學習，包含有觀摩示范，野外旅行，參觀展覽，電影電視，錄音、廣播、靜態(tài)圖像等的學習形象性的圖像經(jīng)驗，學生學習以觀察為主，習慣稱為“觀察的經(jīng)驗”。第三類“抽象的經(jīng)驗”包含視覺符號、言語符號。視覺符號主要指圖表、模擬圖形等，看不到事物的實在形態(tài)，只是一個抽象的符號，而語言符號是純粹的抽象，如原理、概念、公式等等。

“經(jīng)驗之塔”作為教育技術的基礎理論之一所闡述的是經(jīng)驗抽象程度的關系，具有鮮明的層次性，符合人們認識事物由具體到抽象，由感性到理性，由個別到一般的認識規(guī)律，對于學科教學的研究起著基礎理論支撐的作用。“經(jīng)驗之塔”理論的要點有：“經(jīng)驗之塔”的底層“做的經(jīng)驗”來自于學生親自嘗試和體驗，學生容易理解和記憶，但耗時長，單位時間學習的信息量少。塔頂層符號性的抽象經(jīng)驗，主要是概念的學習，學生學習的概念越多，有利于日后的交流與學習。有效的學習，是建立在眾多具體經(jīng)驗的基礎上。學生記憶中儲存許多抽象的法則與概念，如果沒有具體經(jīng)驗作它們的支柱，很難理解與領悟，更不用談如何運用。當然，學生學習不能止于直接經(jīng)驗，而必須要上升到符號經(jīng)驗的層面，以發(fā)展學生學習思維，形成抽象概念。學習的過程宜從具體經(jīng)驗人手，逐步上升到抽象經(jīng)驗。位于“經(jīng)驗之塔”中部的觀察的經(jīng)驗，作為間接經(jīng)驗不局限于時間場地，既彌補學生直接經(jīng)驗的不足又利于學習者觀察能力的培養(yǎng)。在學校教育中運用各種教育媒體，可以使得抽象概念更為具體，從而更有利于學習者形成科學的抽象[6]。

將化學教學視聽媒體和方法與經(jīng)驗之塔三個大類，十個層次從底部向頂部一一對應，化學“三重表征”出現(xiàn)了從宏觀表征到微觀表征到符號表征逐漸過渡的表達特性。在實際的教學中，對于教學方法媒體的使用，依據(jù)“經(jīng)驗之塔”從具體到抽象的指導性思想，化學“三重表征”的使用順序依次為“宏觀表征一微觀表征一符號表征”，如表l所示。

以實驗為基礎是化學最基本的特征，化學教學通過實驗事實認識事物的客觀本質。在進行化學教學設計時，在條件允許的范圍之中，應盡量讓學生動手參與實驗以積累直接經(jīng)驗。演示實驗現(xiàn)象鮮明，有較強的示范性與直觀性，通過化學演示實驗能為學生提供準確并且生動的感性材料。多媒體教學兼收了具體經(jīng)驗和抽象經(jīng)驗的長處，利用圖片、聲音、視頻、動畫模擬等，既可彌補學生直接經(jīng)驗的不足，又能實現(xiàn)高效率的學習。學生是能動的個體，要充分發(fā)揮學生的主觀能動性，教師需要合理科學地選擇“經(jīng)驗之塔”的不同層次對教學進行設計。另外，教師一定要善于總結和提升，要幫助學生把直接經(jīng)驗和觀察的經(jīng)驗提煉加工，得到抽象的經(jīng)驗，建構起化學符號表征的化學知識體系。

三、“三重表征”指導下的化學教學設計

1.化學教學設計的時序性——從具體到抽象

化學教學設計的過程往往體現(xiàn)為一系列教學任務的序列。這些教學任務序列的設計包含著對化學物質、概念、原理的宏觀、微觀、符號三個層面的“三重表征”。借助化學實驗、模型、實驗視頻等手段實現(xiàn)化學的宏觀表征。微觀世界的表征往往抽象而需要充分的想象，教師可以利用教育技術手段來模擬微觀世界，幫助學生構建微觀世界，實現(xiàn)化學微觀表征。如：運用3D技術模擬微觀粒子及其結構、運動、變化，運用動畫效果模擬化學反應等。利用化學式、方程式等構成的符號與數(shù)學世界將微觀和宏觀世界聯(lián)結，并利用數(shù)學符號進行精確的計算。如何將這些教學任務序列進行合理的編撰與設計，“經(jīng)驗之塔”給予教學最大的啟示是教學的時序應從具體到抽象。

在化學教學中，從直接或者間接的具體的經(jīng)驗下手，逐步上升到抽象。戴爾認為，學生積累一些具體的經(jīng)驗，并能夠理解真實事物的抽象表現(xiàn)形式，在這個基礎上，才能有效地參加更加抽象的教學活動。具體的經(jīng)驗支撐學生對于抽象的符號理解起到非常重要的作用，這一點對于化學教學尤為重要。學生記住了許多概念、法則、符號，卻沒有具體經(jīng)驗作為支撐，沒有對概念深層次的理解，停留在陳述性知識學習的層面，僅能描述出事物的特征，不能更加有效地進行程序性知識的理解和學習，其結果是對于概念、規(guī)則、原理能背不能用，對于實際問題的解決沒有幫助?；瘜W教學不應停留在具體經(jīng)驗的層面，應由生動直觀向抽象和普遍發(fā)展，幫助學生形成概念、理解原理、運用規(guī)則。因此，化學教學的任務需從具體人手，逐步學習抽象的符號。如氯氣的性質的教學，遵循“宏觀表征一微觀表征一符號表征”這一教學時序設計，就是基于從具體經(jīng)驗到觀察的經(jīng)驗到抽象經(jīng)驗這一教學原理（圖2）。

2.運用化學“三重表征”的幾種教學設計時序

個人的經(jīng)歷會受到時空限制，化學學習未必一定從位于“經(jīng)驗之塔”最底層的諸如化學實驗之類“做的經(jīng)驗”開始，化學概念、化學符號的學習往往始于對演示實驗的觀察、多媒體視頻這一類間接具體經(jīng)驗的學習。依照這一原理，化學“三重表征”除了“宏觀表征-微觀表征-符號表征”這一教學時序，還有“宏觀表征一符號表征”以及“微觀表征一符號表征”這些不同的表征時序的運用。

3.“具體-抽象-具體”的任務序列

學生習得抽象符號，最好的保持方法是運用。運用于具體的經(jīng)驗中的抽象符號，與學生原有的認知結構發(fā)生作用，日后的提取才能運用自如。化學教學設計中，任務序列的設計有著廣泛心理學基礎和教育技術理論的支持，運用也非常靈活。做的直接經(jīng)驗和模擬的間接經(jīng)驗都構成任務序列中的具體經(jīng)驗，抽象的符號學習，源于此也運用于此?！熬唧w-抽象-具體”的任務序列應成為每一個相對完整的教學環(huán)節(jié)的基本教學方式。

“具體-抽象-具體”作為教學任務設汁的一條重要設計原則，在化學教學中針對不同類型的知識點，特別是化學基本概念、化學原理、元素化合物、基本有機物的教學中等有著廣泛的運用。值得注意的是，在上述教學設計過程之中，不管是做的經(jīng)驗還是觀察的經(jīng)驗，都要提煉上升到抽象的經(jīng)驗，把抽象的經(jīng)驗具體化，達到知識的遷移、發(fā)散、運用的目的。

比如：同位素的學習。教師通過展示在自然界存在的三種氫原子——氕、氘、氚的用途，進而給出這幾種原子的原子結構示意圖，分析它們的原子結構：質子數(shù)相同，核外電子數(shù)相同，中子數(shù)不同。由質子數(shù)相同得出它們屬于同種元素;中子數(shù)不同，導致它們屬于不同種原子，因此可以導出同位素的概念。這一過程體現(xiàn)了由具體到抽象的教學過程，但是教學過程并不能止于此。同位素概念抽象，學生難以理解，需要實例的支撐來幫助學生理解以及概念辨析。教學設計以大多數(shù)天然元素都有同位素，并以鈾元素、碳元素的同位素舉例說明。通過概念辨析，學生學會區(qū)分元素、核素、同位素;同時，學生應學會同位素相關的兩個關系，電荷數(shù)關系（核電荷數(shù)=質子數(shù)=核外電子數(shù)）;質量數(shù)關系（質量數(shù)=質子數(shù)+中子數(shù)）。并且通過實例分析，區(qū)分同位素與同素異形體這兩個相似但絕不一樣的概念。

四、視聽理論下，化學“三重表征”教學案例

人教版教材選修4《化學反應原理》第四章電化學基礎第三節(jié)電解池（第二課時）“電解原理的應用”。教學設計以電解原理的放電順序為主線貫穿于整堂課中，教學內容由“氯堿工業(yè)原理”“電鍍”“電解精煉銅”“電冶金”四個主要教學環(huán)節(jié)構成。教學環(huán)節(jié)充分考慮了化學“三重表征”和視聽理論“經(jīng)驗之塔”對教學設計的指導意義。

任務1中，通過實驗演示電解飽和食鹽水進行宏觀表征，幫助學生積累氯堿工業(yè)的間接經(jīng)驗，進而運用微觀表征，通過動畫模擬氯堿工業(yè)中陽離子膜的選擇透過性。通過對學生提問和總結提升，要幫助學生對實驗和動畫觀察的經(jīng)驗提煉加工，得到抽象的經(jīng)驗氯堿工業(yè)電極反應式與總反應式，并分析實驗所用陽離子交換膜的作用以及實驗的尾氣處理。

任務2通過圖片展示一些生活中常見的含有鍍層的金屬制品，并提出如何進行電鍍引起學生興趣。學生小組合作、實驗探究，根據(jù)已有物品分析設計出可行的電鍍組合，進行電鍍實驗，上臺展示電鍍成品，并寫出每個電鍍組合的電極反應式。電鍍實驗設計這一直接經(jīng)驗的獲取，幫助學生化學思維的宏觀表征，而結合電解原理深入分析電鍍的實質，講解關于電鍍的定義等基本知識和原理則是從宏觀表征進入符號表征，學生由直接經(jīng)驗轉入抽象經(jīng)驗的學習。

任務3電解精煉銅，播放動畫模擬粗銅與純銅做電極進行電鍍的實驗，分析銅的電解精煉知識點。由微觀表征到符號表征，學生間接經(jīng)驗過渡抽象經(jīng)驗的積累，能夠根據(jù)電解原理相關知識分析陰極與陽極的電極反應式，陽極泥成分。

任務4學生回憶必修二冶煉金屬知識，思考工業(yè)上如何來制取鈉、鋁等活潑金屬。教師介紹電解法冶煉活潑金屬的原理，并投影展示工業(yè)電解熔融氯化鈉冶煉鈉的方法和電解熔融氧化鋁冶煉鋁的方法。這一過程采用，學生由觀察視頻學習電解鈉、電解鋁的原理這一抽象經(jīng)驗。

化學教學設計，宜采用“符號表征一微觀表征一宏觀表征”來思考如何將抽象的化學知識表征為具體知識并為之設計一系列的師生交互式教學活動。學生通過“宏觀表征-微觀表征-符號表征”的學習過程，逐步構建關于化學知識的認知結構，并能夠在不同的表征維度間靈活切換。

參考文獻

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