羅佳蓉，張 瑩，朱金苗

(合肥師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

自20世紀(jì)80年代約翰斯頓教授首次提出從宏、微、符三種水平來進(jìn)行化學(xué)學(xué)習(xí)與研究，三重表征理論模式對(duì)化學(xué)教育影響深遠(yuǎn)。隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展，更符合新時(shí)代化學(xué)教學(xué)需求的四重表征應(yīng)運(yùn)而生。目前關(guān)于四重表征研究的主要特點(diǎn)是其與手持技術(shù)相結(jié)合，涉及領(lǐng)域主要有：在概念教學(xué)方面的應(yīng)用[1-3]，在“元素化合物”教學(xué)中的應(yīng)用[4-5]。其在“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊的應(yīng)用最為廣泛突出，黃萍等[6]利用“宏-微-符”三重表征構(gòu)建“化學(xué)反應(yīng)速率”中微觀模型幫助學(xué)生理解抽象概念的重要意義；任紅艷等[7]基于多重表征模型，通過借助“紙牌游戲”活動(dòng)進(jìn)行關(guān)于化學(xué)平衡專題的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)其有利于建構(gòu)深刻的化學(xué)平衡的觀念。李宏春[8]基于四重表征理論和化學(xué)核心素養(yǎng)設(shè)計(jì)“影響化學(xué)平衡移動(dòng)因素”教學(xué)微課，引導(dǎo)學(xué)生掌握化學(xué)研究的基本模式。

1 “化學(xué)反應(yīng)原理”試題的四重表征形式

“一核四層四翼”的高考評(píng)價(jià)體系將“引導(dǎo)教學(xué)”納入核心功能，有利于理順考試與教學(xué)的關(guān)系，增強(qiáng)“以考促教”的主動(dòng)意識(shí)[9]。從化學(xué)高考試題分析教學(xué)，有助于構(gòu)建完整的化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)和信息提取加工整合能力?；瘜W(xué)反應(yīng)原理部分的高考題通常以真實(shí)問題情境為載體，滲透了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的學(xué)科核心素養(yǎng)，而設(shè)問角度則是從宏觀現(xiàn)象、微觀機(jī)理、符號(hào)表征與計(jì)算、曲線分析的四重表征所出發(fā)。通過對(duì)2016—2019這四年的全國(guó)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷理綜化學(xué)中化學(xué)反應(yīng)原理題分析可知:(1)其命題角度通常為“化學(xué)反應(yīng)速率”“化學(xué)反應(yīng)能量變化”和“化學(xué)平衡”的綜合，出現(xiàn)在全國(guó)卷的第27或28題，分值為14或15分，在化學(xué)試題中所占比例約為15%，其重要性不言而喻；(2)“化學(xué)反應(yīng)原理”題既考查實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與比較、物質(zhì)化學(xué)名稱、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述、對(duì)物質(zhì)性質(zhì)理解應(yīng)用和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論等“宏觀表征”能力，也考查理論分析和微觀探析的“微觀表征”能力，還考查方程式和化學(xué)用語的書寫、公式計(jì)算等“符號(hào)表征”能力及曲線分析、預(yù)測(cè)、計(jì)算的“曲線表征”能力?！盎瘜W(xué)反應(yīng)原理”高考題與四重表征緊密結(jié)合是這類試題的顯著特點(diǎn)，各表征之間相互聯(lián)系、互相影響，學(xué)生需要具有較強(qiáng)的多重表征思維及其表征轉(zhuǎn)化能力，才能順利地完成這類題目。

圖1 全國(guó)卷高考理綜“化學(xué)反應(yīng)原理題”四重表征分值分析

從圖1可以看出，近幾年的全國(guó)理綜卷“化學(xué)反應(yīng)原理”試題中，每年都會(huì)涉及到四重表征能力的全方位考查，其設(shè)問順序大部分由宏觀表征向曲線表征過渡，每道小題有不同的側(cè)重點(diǎn)，有的小題考查的不止一種表征能力。其中符號(hào)表征所占分值最高，正是因?yàn)榉?hào)表征是聯(lián)系其他三個(gè)表征的紐帶和橋梁。由圖2可知，近幾年全國(guó)卷三套題目中，化學(xué)反應(yīng)原理題每年都有3～4個(gè)曲線圖，這無疑對(duì)學(xué)生的曲線趨勢(shì)分析、從曲線提取數(shù)據(jù)計(jì)算等的“曲線表征”能力提出更高的要求。然而由試題分析可知，單個(gè)的表征能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到高考題目的要求，學(xué)生需要綜合的四重表征之間的相互轉(zhuǎn)化能力。如從“宏觀現(xiàn)象”解釋“微觀原理”的宏-微轉(zhuǎn)化能力，從“現(xiàn)象描述”到“化學(xué)方程式”書寫的宏-符轉(zhuǎn)化，從“圖像曲線”到“提取數(shù)據(jù)計(jì)算”的曲-符轉(zhuǎn)化，從“圖像曲線”到“現(xiàn)象變化微觀解釋”的曲-符轉(zhuǎn)化等。

圖2 全國(guó)卷高考理綜“化學(xué)反應(yīng)原理題”曲線圖數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2 新課標(biāo)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平對(duì)四重表征能力的需求

學(xué)業(yè)質(zhì)量是學(xué)生在完成本學(xué)科課程學(xué)習(xí)后的學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)[5]?！盎瘜W(xué)反應(yīng)原反應(yīng)理”模塊主要涉及的內(nèi)容有化學(xué)反應(yīng)中能量變化、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)反應(yīng)原理實(shí)驗(yàn)探究，筆者運(yùn)用“四重表征”模式結(jié)合新課標(biāo)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的要求對(duì)以上幾部分內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)階分析，具體分析如表1：

表1 學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的四重表征進(jìn)階分析

3 對(duì)高考試題考查化學(xué)核心素養(yǎng)呼應(yīng)四重表征能力的分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[10](以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”)在不同層面提出了化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)，“化學(xué)反應(yīng)原理題”中滲透著“宏觀辨識(shí)與微觀辨析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科素養(yǎng)的同時(shí)，也對(duì)學(xué)生四重表征能力提出更高層次的要求。結(jié)合新課標(biāo)，以下面兩個(gè)高考題為例，進(jìn)行四重表征分析：

例1(2019年全國(guó)Ⅰ卷第28題)“水煤氣變換[CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)]是重要的化工過程，主要用于合成氨、制氫以及合成氣加工等工業(yè)領(lǐng)域中?；卮鹣铝袉栴}?！本唧w分析如表2：

表2 例1考查的學(xué)科素養(yǎng)水平及四重表征能力

例1以水煤氣變化的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析作為情景素材，從四重表征角度進(jìn)行設(shè)問，核心素養(yǎng)水平等級(jí)考查較高，有一定的難度。對(duì)于第(1)小題，如果學(xué)生清楚反應(yīng)宏觀表征與微觀原理間的關(guān)系，就能輕易推斷出反應(yīng)物在平衡后物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越小，其反應(yīng)程度越大。第(2)小題可利用“化學(xué)平衡的三段式”的思維模型計(jì)算，如果學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中加強(qiáng)這方面的符號(hào)表征練習(xí)，此類問題也不會(huì)成為難點(diǎn)。第(3)小題中反應(yīng)歷程圖像的呈現(xiàn)形式和思維方法對(duì)學(xué)生來說有一定的挑戰(zhàn)性，此時(shí)提取信息的能力尤為重要，如果學(xué)生有較高的微觀和曲線表征能力，則題目只需要關(guān)注：①反應(yīng)前后相對(duì)能量的高低，反應(yīng)前大于反應(yīng)后，則為放熱反應(yīng)；②根據(jù)圖中所示最高的能量即可算出反應(yīng)歷程中最大的能壘。第(4)小題難點(diǎn)在于將同一反應(yīng)不同溫度下分壓隨時(shí)間的變化置于同一坐標(biāo)系中，不易判斷出相應(yīng)溫度下所對(duì)應(yīng)的曲線，可見高考對(duì)學(xué)生的四重表征綜合分析能力提出了更高的要求。結(jié)合曲線圖中的數(shù)據(jù)和反應(yīng)速率計(jì)算公式，可求得反應(yīng)速率，而具有較高曲線表征能力的學(xué)生則可根據(jù)變化量相同的兩條曲線屬于同一溫度下的反應(yīng)，由此得到正解。

例2(2018年全國(guó)Ⅲ卷第28題)“三氯氫硅是制備硅烷、多晶硅的重要原料?；卮鹣铝袉栴}：”具體分析如表3：

表3 例2考查的學(xué)科素養(yǎng)水平及四重表征能力

例題2基于三氯氫硅設(shè)置問題情境，核心素養(yǎng)水平考查既有低級(jí)也有高級(jí)，對(duì)四重表征的綜合分析能力要求較低。第(1)小題已知反應(yīng)物與部分生成物，根據(jù)原子守恒可寫出化學(xué)方程式，第(2)小題根據(jù)蓋斯定律即可計(jì)算出某反應(yīng)的熱效應(yīng)，這是對(duì)學(xué)生符號(hào)表征能力的考查。第(3)小題綜合性較強(qiáng)，對(duì)學(xué)生多重表征間的轉(zhuǎn)化能力要求較高。只要知道對(duì)于吸熱反應(yīng)而言，溫度越高其轉(zhuǎn)化率越高，就能較易從兩條曲線圖中提取出較高溫度下的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而計(jì)算出反應(yīng)平衡常數(shù)。對(duì)于“提高轉(zhuǎn)化率”“縮短平衡時(shí)間”需要采取的措施是對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的宏觀辨識(shí)與微觀探析的考查。如果學(xué)生有較好的曲線、微觀與符號(hào)間的轉(zhuǎn)化能力，則最后兩空也可逐步推導(dǎo)計(jì)算出[11]。

4 對(duì)“四重表征”教學(xué)模式實(shí)施的建議

由以上基于全國(guó)卷高考理綜化學(xué)試題和新課標(biāo)對(duì)“化學(xué)反應(yīng)原理”部分的分析可知，不論在學(xué)習(xí)新課還是在解題的過程中，“化學(xué)反應(yīng)原理”與“四重表征”密不可分。下面就“四重表征”的教學(xué)實(shí)施提出幾點(diǎn)建議：

4.1 “宏觀表征”教學(xué)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中，無論是實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄，用科學(xué)語言描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出一定結(jié)論等都是宏觀表征的體現(xiàn)。教師要引導(dǎo)學(xué)生透過這些宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考反應(yīng)的微觀本質(zhì)，將宏觀現(xiàn)象與微觀原理有意識(shí)地聯(lián)系起來。

4.2 “微觀表征”教學(xué)

化學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)就在于微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理太過抽象，難以理解。著名教育家夸美紐斯指出“應(yīng)該盡可能地把事物本身或替代它的圖像放在面前，讓學(xué)生去看看、摸摸、聽聽、聞聞等”。并率先提出了教學(xué)中的直觀性原則。教師可通過直觀性語言、模型演示、圖片展示、多媒體動(dòng)畫及VR虛擬技術(shù)[12]將抽象的微觀知識(shí)形象地表示出來，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)微觀表征的理解。

4.3 “符號(hào)表征”教學(xué)

符號(hào)表征的教學(xué)是與宏觀現(xiàn)象、微觀原理密不可分的，教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了宏觀現(xiàn)象觀察與微觀原理探析后，應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的符號(hào)表征，并強(qiáng)調(diào)符號(hào)表征中的注意事項(xiàng)和易錯(cuò)點(diǎn)。

4.4 “曲線表征”教學(xué)

將現(xiàn)代化手持技術(shù)運(yùn)用于化學(xué)課堂不失為輔助曲線表征教學(xué)的最佳手段，化學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用傳感器可將一些不明顯或難以觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以曲線的形式表征出來。曲線表征可以將實(shí)驗(yàn)證據(jù)固化，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、拐點(diǎn)和趨勢(shì)及其對(duì)應(yīng)的宏觀現(xiàn)象、微觀原理和反應(yīng)化學(xué)方程式，在分析曲線的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)曲線趨勢(shì)，加強(qiáng)四重表征之間的相互滲透。

綜上所述，在化學(xué)教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的四重表征思維是非常有必要的。將以提高學(xué)生核心素養(yǎng)為目的的“四重表征”融入實(shí)際教學(xué)，利用學(xué)習(xí)過程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)量關(guān)系、曲線數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在復(fù)雜的情境中發(fā)展學(xué)科思維方法、化學(xué)觀念等學(xué)科素養(yǎng)。四重表征教學(xué)模式也為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了一個(gè)有效思路，有利于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)間的遷移，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。四重表征與核心素養(yǎng)的深度融合能最大程度地發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，教師應(yīng)該以“四重表征”的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化為支點(diǎn)，盡可能多地給學(xué)生創(chuàng)造運(yùn)用多重表征的機(jī)會(huì)，突顯學(xué)科思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力，落實(shí)“立德樹人”的教育目標(biāo)。