“宏观-微观-符号”三重表征在氧化还原反应概念中的渗透*

胡　欣王喜贵

（内蒙古师范大学化学与环境科学学院　内蒙古呼和浩特　010000）



“宏观-微观-符号”三重表征在氧化还原反应概念中的渗透*

胡欣1王喜贵2**

（内蒙古师范大学化学与环境科学学院内蒙古呼和浩特010000）

摘要：“宏观-微观-符号”三重表征的思维方式强调学生从宏观、微观和符号三重表征角度去认识物质及其变化。因此学习化学就要从变化的角度观察自然，从微观的角度理解变化，以符号为方式描述变化。从高中氧化还原反应的学习出发，阐述对氧化还原反应概念的认识历程，讨论在其概念的建构过程中如何不断渗透和深化三重表征的思维方式，并针对传统教学提出改进意见并制定策略，帮助学生进行“宏观-微观-符号”三者之间的转换，真正树立能够体现化学学科特征的三重表征意识。

关键词：“宏观-微观-符号”；三重表征；氧化还原反应

*内蒙古师范大学科研基金项目（06EJC24）。

**通讯联系人：E-mai1：wangxg@imnu.edu.cn

化学是一门在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化的科学。仅仅通过宏观现象来认识物质的性质远远不够，还需要运用物质的组成、结构等微观知识去把握性质，抓住变化的本质。作为化学学科特有的语言，化学符号从微观视角呈现出宏观物质的性质及其变化规律，是实现在宏观世界和微观领域中自如穿越的有效工具。如果学生不能从宏观、微观和符号有机结合的角度认识物质及其变化，就无法对其概念进行有效的建构。

在中学化学的核心概念与基础知识中，氧化还原反应占据着极其重要的位置。它始终贯穿于中学化学教材，是教学的重点和难点之一。从高中氧化还原反应的学习出发，探讨如何不断渗透和深化三重表征的思维方式，能够帮助学生进行“宏观-微观-符号”三者之间的转换，树立体现化学学科特征的三重表征思维方式的意识，实现其分析问题和解决问题能力的提高。

一、“宏观-微观-符号”三重表征的内涵及其研究价值

1.三重表征思维方式的内涵分析

化学作为研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门学科，既研究物质宏观上的性质及变化，也研究物质微观上的组成、结构［1］。化学符号则作为联接的中介得以出现和发展，成功地表述出物质的组成、结构和变化，最终自成体系。因此，在化学学科中就存在对物质特有的三种表征形式：宏观表征、微观表征和符号表征。

从宏观、微观和符号三种表征形式上认识和理解化学知识，并建立三者之间的联系，就是所谓的三重表征思维方式。如图表达了“宏观-微观-符号”三者之间的转换。

图1“宏观-微观-符号”三重表征

2.三重表征思维方式的研究价值

物质在宏观上的变化体现了该物质所具有的性质，物质在微观上的结构决定了宏观性质，而化学符号作为研究和交流的工具成为联系宏观和微观的重要桥梁。强调化学学习特有的“宏观-微观-符号”三重表征的思维方式，有利于学生从宏观、微观、符号等方面对物质及其变化进行多重感知。

有调查研究表明，处于中学阶段的学生，其宏观表征能力较强，而微观和符号的表征能力较弱；对于微粒性的认识，基本还属于记忆性水平而非理解性水平［2］。由此，可以得出这样的结论：“宏观-微观-符号”三重表征思维方式的培养仅仅依靠化学知识容量的提升是杯水车薪的。对于化学知识的学习，尤其是氧化还原反应这类抽象性概念的学习，要在教师的引导下，基于三重表征理论，把握物质宏观性质和微观结构的双重表征，获得宏观和微观水平的概念知识，促进符号知识的生成，实现三者的转换。

二、对氧化还原反应内容的认识：整体与部分相结合

1.对氧化还原反应理论体系的梳理

在中学阶段的化学核心知识中，氧化还原反应占有非常重要的地位。它贯穿于中学化学教材的始终，对化学学科的学习具有重要的科学价值。氧化还原反应知识的学习和掌握在中学化学新课程体系中分三阶段完成，以人教版为例：初中阶段，从宏观的具体的化学反应，如木条在氧气中燃烧、硫在氧气中燃烧等，从物质与氧发生可看见的化学反应定义了氧化反应，这时学生的认知处于宏观认识阶段。高中阶段，化学1必修中是从化合价升降和电子转移的观点来定义氧化还原反应，这时学生的认知上升至微观认识阶段，用微观理论解释和理解氧化还原反应的实质，并给出了应用电子得失表示氧化还原反应，体现了微观解释到化学符号表示的升级。在化学2必修“化学反应与能量”一节中初步介绍了氧化还原反应的应用，即围绕氧化还原原理重点讲述了原电池原理。在选修4中注重氧化还原反应原理的应用，深入讲解了原电池和电解池，进一步建构反应体系。由此可以看出，这一体系的建构体现出了宏观、微观和符号、应用的全方位表征。

通过不同阶段有关氧化还原反应知识的学习，氧化还原反应的理论体系不断扩展。这不但能够促进学生对物质及其性质的认识，还能增进学生对反应及其应用的认识，对其中的能量转化和社会价值的认识。

2.中学生对氧化还原反应概念的认识历程

为对象xi的单指标测度评价矩阵。其中μij(1≤j≤m)表示观测值xij使xi处于各评价等级的未确知测度。

探讨“宏观-微观-符号”三重表征如何在氧化还原反应概念的学习中进行渗透和深入，就有必要阐述一下学生对氧化还原反应概念的认识历程。首先要明确什么是化学概念。化学概念是从大量化学事实及逻辑思维结果中概括出来的，是化学本质属性和共同特征的科学抽象，是认知结构的节点［3］。因此，氧化还原反应的概念既包含其本体概念，也包括其延伸概念（图2）。

在引导学生对氧化还原反应概念进行建构时，可以遵循以下认识规律。学生头脑中已经积累了与此次教学息息相关的化学知识，如：常见元素的化合价、化学反应分类方法、原子结构示意简图及核外电子排布简图、从得氧失氧的角度进行定义氧化反应和还原反应等。学生经过对比和讨论，先是从化学反应中元素化合价变化的角度认识氧化还原反应，从而形成其本体概念，这是一种宏观表征。然后引导学生通过实验验证，从电子转移的角度对此概念进行由表及里、微观层次的深度理解。接着，再次引导学生通过分析和讨论，挖掘出一系列的延伸概念，如氧化反应、还原反应；氧化剂、还原剂；氧化产物、还原产物等。在概念体系逐步完善后，向学生介绍单双线桥法的使用以及化学方程式的配平，发挥化学符号作为沟通宏观、微观的中介作用；强调其在今后学习元素化合物知识时的重要应用意义，帮助学生树立化学学习要为宏观世界的生产和生活服务的意识。最终，也完成了“宏观-微观-符号”三重表征在氧化还原反应概念中的渗透，实现了氧化还原反应概念学习的三重表征。

图2氧化还原反应概念的建构

三、策略研究及改进意见

1.在教学中渗透三重表征思维方式的策略

新课程下初高中化学课程教学及学生心理发展存在一定差异，学生学习化学的认知方式往往是先从宏观现象入手，然后在微观层次做分析研究，最后借助化学符号系统做描述。例如对氧化还原反应概念的学习，从初中第一次接触化学开始一直到高中结束，学生对氧化还原反应概念的认识经历了从最初的得失氧这一表面理解到化合价升降以及本质层次上的电子转移。因此，学生在不同阶段对氧化还原反应的表征形式不同，表征的深度不同，理解和掌握的水平也就不同。有调查表明，学生宏观表征能力比微观表征能力强，不能很好地将微观知识转换为化学符号，很难做到三种表征间的两两结合或三重表征。针对上述情况，对教学中如何渗透三重表征的思维方式制定几点策略。

（1）直观教学动静结合

化学知识的学习，一般需要通过对物质世界的宏观事物及其变化的观察和实验探究。尤其是关于氧化还原反应这类抽象性概念的学习，更要充分利用直观教具、现代教学技术等手段，使抽象的知识形象化、直观化；运用模型化方法和分析、归纳、推理、假设和论证等逻辑思维方法，领悟物质及其变化的微观过程［4］，形成一系列化学基本概念，获得最基本的化学原理，并借助化学符号系统做分析描述。

体现化学学科特征的表征形式，可以是图像的、声像的、动作的、符号的，也可以是情景的、概念的、意象的和逻辑的［5］。它们既包括静态的，也包括动态的；既包括描述性的，也包括描绘性的；既包括浅层次的，也包括深层次的。因此，在教学中渗透“宏观-微观-符号”三重表征的思维方式，要做到全方位、多层次、宽领域。

化学是一门以实验为基础的科学。新课程的一个突出特点就是重视实验在化学教学中的探究作用。实验探究可以使知识的获得从宏观反应现象深入到微观粒子本质，从反应的表面特征深入到反应的实质，从反应的基本原理深入到反应的现实应用，从而把化学知识与微观世界及宏观世界联系为一体。

在对氧化还原反应概念的理解过程中，即使学生能够通过对比、分析，归纳出其特征，即化合价的升降；能够利用原子核外电子排布简图及核外电子排布简图，接受其本质，即电子的转移，但毕竟还是模糊的、抽象的、难以感受到的。这时就需要借助化学实验，为学生提供实验上的感知和验证，让其通过实验探究的宏观现象进而“看到”电子的转移。

2.针对传统教学提出改进意见

（1）创造三重表征的思维情境

创造三重表征的的思维情境，有助于学生掌握对物质及其反应的三重表征方式，养成从微观角度认识物质的性质及其变化的思维习惯，逐步内化“可观察现象的宏观物质都是由不同层次的微观粒子构成的，微观粒子在空间的排列顺序和连结方式决定着宏观物质的性质，宏观物质的性质归因于其微观结构［6］”的科学结论。

例如在氧化还原反应的教学中，提供锌与硫酸铜的原电池实验，将电子转移的微观过程外显为指针偏转的宏观现象。这时应引导学生思考“对于这个实验现象，你能从多种角度去思考和学习吗?”“这一现象的微观本质是什么，怎样用符号来表示?”“今天学习的这些知识之间有什么内在联系，你能否运用‘宏观-微观-符号’三重表征的思维方式对其进行梳理?”等问题。通过创设一系列情境，引导学生逐步树立化学三重表征的意识、提升化学三重表征能力。

此外，还可以挖掘同一知识点的三重表征价值，同时呈现某个化学知识的三重表征教学材料，或者采用不同的教学手段演示“宏观-微观-符号”三者在相同反应中的变化情况。

（2）构建三重表征的评价体系

在教学过程中，不仅要强调其“知识与技能”目标，更要注重其“过程与方法”目标和“情感态度价值观”目标的落实。因此，为保证教学的有效性、建构性、发展性，我们应充分关注学生在学习过程中的认知情况，得到相应的反馈，并据此及时调整教学，最终达成教学目标。

例如在氧化还原反应的学习中，既要重视其教学价值，也要重视其应用价值和概念的形成及发展过程。学生能否透过氧化还原反应的特征看清其本质；能否摆脱“新手”思维模式，挖掘反应背后的微观变化并借助化学符号予以解释；能否从基本原理深入到反应的现实应用，从而把化学知识与微观世界及宏观世界联系为一体。欲解决以上问题，就要借助于对学生“宏观-微观-符号”三重表征的全方位评价，从而探明学生在宏观、微观和符号三种表征水平的高低上有无差异；两两表征能否进行较好结合；三种表征间能否建立有效联系等问题。

参考文献

［1］朱玉林.初中化学《物质构成的奥秘》概念教学四环节［J］.教育科学论坛，2012，（8）：46-48

［2］梁永平，郑敏.中学生微粒性认识理解水平的调查研究［J］.化学教育，2004，25（1）：44-54

［3］陈鲲.初中化学概念教学有效性研究［D］.苏州：苏州大学，2011

［4］王云生.化学陈述性知识的认知方式与表征［J］.化学教育，2014，35（15）：6-9

［5］张力平.化学反应学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究［D］.济南：山东师范大学，2012

［6］刘超.“宏观-微观-符号”三重表征的理论构建［J］.中国科技博览，2009，（2）：110-112

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.007

文章编号：1008-0546（2016）02-0028-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B