以化学“宏微符”三重表征理论指导观课议课*

摘要  化学“从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质”。以化学“宏微符”三重表征理论指导观课议课，可以进一步发现教学素材的教育价值，发现“宏微符”三重表征深入融合、相互促进的过程，发现促进学生化学认知发展的具体进路。

关键词  “宏微符”三重表征  观课议课

化学区别于其它基础学科的特征是，“从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质”[1]。这是近年伴随着核心素养概念形成、在我国基础化学教育界新近达成的共识。该学科特征的揭示得力于“宏微符”三重表征理论的迅速发展，也启发我们在化学教学中应当以“宏微符”三重表征理论为指导，细腻地挖掘教学素材中蕴含的宏观、微观、符号等表征及其相互联系，在课堂上全面深刻地展现之，以促进学生的化学认知在“宏微符”三重表征交互作用下取得长足发展。

Emeritus Alex Johnstone 在 《Multiple Representations in Chemical Education》的序言中用硅酸盐组成的表示方法来说明“宏微符”三重表征理论的雏形：正如一系列含钙、镁硅酸盐可以用氧化钙、氧化镁、二氧化硅的不同组合来表示一样，“宏微符”三重表征也可以分解成不同占比的宏观、微观、符号表征，如图1所示。[2]

“宏微符”三重表征

理论在我国基础化学教育界远没有普及，更不用说在教学中自觉而灵活地应用。高中生都知道“结构决定性质，性质反映结构”，但应该很少有“宏微符”三重表征的意识。尤其是“符号”表征对化学认知的意义容易被我们忽略，因为我们的文化传统中缺乏“符号”，缺乏“符号”的抽象形成，缺乏“符号”的操作转换，缺乏“符号”的意义探求。贾杰、梁永平2005年发表的《中学生宏微符三结合学习化学的调查研究》指出：“中学生在学习化学、理解化学变化时不能够把化学内容所包含的宏观、微观、以及符号（表征）有机地结合起来。在学生的头脑中宏观、微观、符号三个（表征）是孤立存在的, 没有形成有机的联系。”他们针对调查存在的问题,提出以下教学建议: 1、突出符号的宏观与微观意义；2、重视物质化学性质的宏观展示；3、强化微粒作用观的形成；4、重视科学解释性评价；5、引入多媒体技术。[3]

在化学教学的各个环节渗透“宏微符”三重表征理论，实践并研究其对化学认知的促进作用、对提升师生学科核心素养的基础作用、以及“渗透”如何具体操作等，现实意义很大。下面仅以化学“宏微符”三重表征理论指导观课议课活动举一实例，详述笔者的思考和感受。

省校本教研课题总结会安排参会的化学教师在J高中听H老师给高一学生“讲”必修二《甲烷》。引号强调这节课不是传统意义的老师讲授，而是学生根据学案练习议论、展讲演板，老师组织活动、点拨评析的一节课，其主要内容是甲烷的分子结构、物理性质和化学性质，难点是甲烷分子的空间结构。课堂上学生积极规范，老师利落明确。笔者也思维活跃，想到了化学“宏微符”三重表征理论。

第一、“宏观”。

这节课没有做甲烷与氯（或溴）的取代反应实验。课下议课时提出疑问，J高中的化学教研主任说现在新教材不再要求制取甲烷了，因此没有药品做这个实验。

化学是一门以实验为基础的中心科学，她澎湃的创造性主要源于化学实验。学生通过化学实验能体会到化学的引人入胜和深邃精妙，学习从实际变化中发现规律。反之，没有大量宏观化学实验现象以及身边化学反应事实的支持，对化学缺乏丰富的感性体验，学生就很难细腻地想象微观粒子的运动，很难体会化学符号系统丰富深厚的含义。氯气与甲烷取代反应实验中的光照条件、黄绿色变浅甚至消失、液面上升、试管壁上附着油状物等实验现象，均能激发学生的想象，给微观表征的变化原理和符号表征的化学方程式以积极牢固的支撑。很遗憾，不做实验没有感性体验，只靠语言描述实验现象，弱弱的“宏观”支撑令人叹息。令人叹息的不止是这一个实验未演示，据我们了解，新课程强调探究实验，但很多学校探究实验很少开展，同时原有的演示实验也很少做了。迎接核心素养时代，正如贾杰、梁永平所指出的，我们必须“重视物质化学性质的宏观展示”[3]，给学生广阔的思考与想象以坚实的支撑。

第二、“微观”。

一上课，H老师就组织学生演板甲烷的电子式、结构式、与氯气的取代反应（只要求第一步）反应方程式。两位演板的学生都写对了。这是学生初次接触“取代反应”，所谓先入为主，老师应当及时揭示有机反应中微观结构的变化。取代反应与其它有机反应类型的不同之处，主要是碳原子的杂化类型不变，键角（基本）不变，变的是碳原子连接的原子或原子团。这句话当然不能也不必讲给高一的学生，但是我们应当抓住机会用模型演示取代反应的特征。模型就是放大了的“微观表征”，用模型演示有“此时无声胜有声”的教学效果，这里的“声”就是书面语言。我们应破除只靠书面语言教授化学的习惯，积极渗入“宏微符”三重表征，深化学生认知的同时还能减轻学生负担。

笔者观察到H老师带了甲烷的球棍模型，若再带个氯气分子的球棍模型就更好了。这时可以方便地用模型展示甲烷与氯气发生取代反应的过程——只需将甲烷模型的一个氢原子取下，将氯气模型的两个氯原子拉开，其中一个氯原子和碳原子相连，另一个氯原子和取下的氢原子相连，OK，黑板上的取代反应（第一步）反应方程式就活了——“符号表征”与“微观表征”相通相融，实现了一次两重表征的灵活转换。

如果有实验现象的生动支持，这两重表征还能与“宏观表征”相联系，解释液面上升、解释内壁的油状物等现象，实现“宏微符”三重表征的灵活转换。

许多学生化学学习困难，就是因为不能灵活地在“宏微符”这三重表征之间灵活转换，从而对每一重表征的化学意味都理解寡淡。这样，化学学习就只能是死记硬背些零碎杂乱的材料而难以进行深度学习了。

第三、“符号”。

学生展讲“二氯甲烷只有一种这个事实，证明甲烷是正四面体结构”时，在黑板上画了假设的平面正方形甲烷结构，说明甲烷如果是平面正方形结构就会有两种二氯甲烷（顺式的和反式的），这样就用反证法证明甲烷不是平面正方形结构。接着，学生又用甲烷的球棍模型说明了二氯甲烷只有一种。

这是个难点。当年（1874年）范霍夫和勒贝尔提出碳的四面体结构理论时，受到很多化学家的反对——当时的化学家们习惯了思考平面的有机物结构。如图2是德国著名的有机化学家、在人工合成染料方面做出大量开创性工作的A.W.霍夫曼于1865年制作的一氯甲烷、甲醇、甲胺的模型——注意它们都是平面的。

仅仅是“立不起来”的“平面习惯”，怎么会有这么大的惯性？因为当时支持碳的四面体结构的宏观实验事实还较少，更因为大家还没有在微观上建立立体的观念，不能发现宏观表象下微观的本质规律，所谓“想不到故看不到”。其实早在1813年，人们就发现了一些有机旋光异构体。1848年，巴斯德发现所有的酒石酸盐都呈现半面晶面，他还发明了外消旋的方法。1874年以后，范霍夫和勒贝尔使大家逐渐接受了碳的四面体结构并创立有机立体化学，这不仅仅在于他们用新的微观结构理论很好地阐释了有机旋光异构体及其外消旋、内消旋等宏观现象，而且在于他们建立了一套能够清晰表示碳的四面体结构的符号系统，使大家的思考有了具体的符号表征，思维有了可依靠的工具。化学的发展过程就是“宏微符”三重表征深入融合、相互促进的过程。

H老师接着的点评，基本上是重复了学生展讲的内容，也是拿着甲烷模型演示、说明，没有再在黑板上画出二氯甲烷的四面体立体结构——黑板上只有学生画的不可能的平面正方形结构。

不能以为拿模型演示就能代表一切。模型只是放大了的微观表征。看着模型想清楚了的学生，下次（甚至就在课堂上）看到纸面上印的四面体二氯甲烷示意图，可能还是茫然一片——因为结构示意图和模型不同，结构示意图属于符号表征，高一的学生不能一下子就将符号表征（二氯甲烷的各种示意图）和微观表征（二氯甲烷的球棍模型）这两者联系起来。因此在黑板上画出二氯甲烷的四面体结构示意图很有必要，而且要多画几个，用以表示两个氯原子似乎在不同的位置，再拿着球棍模型说明这几个示意图其实表示的都是一样的二氯甲烷。

这样做不仅仅是让学生掌握甲烷的分子结构，也不仅仅是给学生进一步学习有机化学打下良好基础，其意义远超这些。这种“宏微符”逐条缕析又相通相融的学科思维特征和深度教学习惯，使学生能够深入体会化学不同于其他学科的特征，使学生能够更接近化学家的思维习惯，能够更细腻地理解各种化学语言，轻松驾驭“符号”表征。

笔者在议课时简短地表达了以上思考和感受，这些思考是对H老师说的，也是对笔者自己说的，我们以前讲授《甲烷》时没有这么细致思考过。感谢H老师！

参考文献

[1] 吴明好，基于高考对学科核心素养的考查谈高中化学教学[J].中国考试，2017，3：31.

[2] John K. Gilbert，David Treagust. Multiple Representations in Chemical Education[M].Springer,2009：v.

[3] 贾杰，梁永平. 中学生宏微符三结合学习化学的调查研究[J].化学教育，2005(1)：46.