三重表征视域下的化学学习研究考查，本文主要内容关键词为：视域论文,表征论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
吉尔伯特（J.K.Gilbert）指出，在过去的几十年中，三重表征已经成为化学教育研究领域的框架，也是此领域最多产的观点，这一思想指导着世界范围内的化学教师、化学教材编写者、化学课程以及软件开发者的研究与工作[1]。塔兰克（V.Talanquer）认为这一思想已经成为化学教育和科学教育研究中的范式[2]。我们将其称为三重表征研究范式。美国在《国家科学教育标准》中明确提出，化学学习要求学生的思维能够在宏观世界、微观世界和符号世界（即三重表征这一研究范式中存在多种表述方式，如宏观表征、宏观水平、宏观世界和摩尔水平等，它们具有大体相同的所指，在此我们不做区分）之间灵活转换[3]。这一研究范式之所以具有巨大的能量，其首倡者约翰斯顿（A.H.Johnstone）认为恰是由于三重表征对化学学习本质与学习机制的深刻认识，使得其对化学教学、化学课程等方面的研究根植于相关理论之上[4-5]。 梳理了这一研究范式对化学学习的已有研究成果。具体包括：发现学生在宏观表征、微观表征和符号表征学习中存在的困难，结合信息加工模型合理解释化学学习机制。纵观已有研究，提出几点思考，以期为化学学习后继研究提供借鉴。 一、发现化学学习中的困难 1.学生在宏观表征层面的学习困难 化学家在多个水平上描述化学科学。宏观表征指向人类感知器官可以直接感知到的物质及其性质[6]；人们通常认为学生在这一水平的学习应该较为轻松和成功。事实上，化学科学关注的宏观水平与日常生活中随处发生的感知体验并不完全等同。与后者相比，学习者关于典型化学现象的宏观经验或体验非常贫乏。这是由于“化学并不是直接审视自然复杂的方方面面，而是寻找并建立典型现象[1]”。纳尔逊（P.G.Nelson）（2002）也通过研究证实学生通常缺乏对典型化学现象的体验或经历[7]，指出这不但是宏观表征层面学习的不足而且带来整个化学学习的困难；建议化学教学应该从宏观表征开始循序渐进展开。 研究发现，信息丰富的宏观现象为学习者提供大量的感官刺激，这反而让学生困惑到底要从中学习些什么，他们往往止于观察显著的宏观现象。化学学习需要学生将体验到的宏观现象与相关科学概念或理论解释相联系，将宏观表征分别与符号表征、微观表征建立联系。这种联系对于学生来说是困难的。没有这种联系支持的宏观表征学习往往停留在肤浅层面；深入的研究揭示出，如果学生将学校感知的实验现象与生活经验割裂开来或对立起来，那么学习实际上并没有发生[8]。 可见，看似对学生充满吸引力的宏观层面的化学学习中也存在着大量的陷阱与学习困难一缺乏（或相对生疏）对典型化学现象的感知体验，肤浅地理解宏观现象，孤立地看待化学事件，大量的感知刺激带来的认知困惑等都造成宏观表征层面化学学习的失败。 2.学生在微观表征层面的学习困难 微观表征被认为是学生理解的难点所在，学生在这一领域存在大量的相异概念。到底是哪些因素阻碍学生对微观表征的理解？诺维克（S.Novick）（1978）等人分析发现，为了建构物质的粒子模型，学生必须超越“物质的静止的、连续的状态”这一直觉来内化相关科学模型。在这一内化过程中学习者既要超越来自感知的挑战还要实现对概念本质的理解，以便使得自己建构的认识与科学家的模型相一致[9]。可以说，对化学微观表征层面的理解挑战学生的直觉乃至信念，这也是微观表征学习较宏观表征学习更为艰难的原因之一。迟特布罗斯（G.Chittleborough）等人（2008）研究发现，仅仅尺度不同的微观水平和宏观水平虽然都是对真实存在的表征，但是由于微观表征的不可视性，使其真实性受到学生的普遍质疑；所以学生关于微观世界的心理模型相当贫乏[10]。 鉴于微观表征层面概念的抽象性，部分研究者从学生思维发展水平与化学概念学习所需要的思维水平之间的差距来解释微观表征学习的困难。基于皮亚杰的认知发展阶段理论，赫伦（J.D.Herron）（1975）比较了具体运算阶段的学生在化学学习中能够为之与不能够为之的事情；揭示出大量化学概念的学习需要学生达到形式运算阶段[11]（也称形式思维水平）。沃德（C.R.Ward）和赫伦（1980）发现大学一年级的学生存在各种思维发展水平，大部分学生没有达到皮亚杰所言的形式思维水平。所以他们无法在脑海中处理像原子、分子这一类不能直接被感知到的物体，这就导致学生对大量化学概念的理解存在困难[12]。从思维发展水平来看，研究者提出化学难学的根源在于：化学科学所谈论的内容（尤其是微观表征所涉及的化学概念）对于学生而言不具有直观性与体验性，而大部分学生还处在不能理解超越他们直观体验的具体运算阶段。 对微观表征的理解还受到众多因素的影响。譬如，教学中化学教师通常借助于多媒体、化学图片等可视化模型来帮助学生实现对微观表征的理解。冯科（V.Ferk）（2003）等人研究发现：使用三维模型、图片、计算机产生的模型等具体的表征方式促进学生对分子结构的理解；使用化学空间立体结构图等抽象表征方式带来较差的学习理解[13]。可见，不同的可视化模型也影响学习者对微观表征的理解。研究发现，对可视化模型的理解还需要学生具备相关的科学概念并拥有多种能力，如空间想象能力、在不同维度（三维和二维）之间转换的能力等。 纵观以上研究，微观表征的理解确实对学生提出多方面、高水平的综合要求。 3.学生在符号表征层面的学习困难 威灵顿（J.Wellington）和奥斯本（J.Osborne）（2001）指出，过去30年的研究表明，科学学习的主要困难来自科学语言学习，对于大部分学生而言这是一个主要的学习障碍[14]。科学语言学习为何如此困难？综合已有研究，泰伯（K.S.Taber）在“符号水平的学习”（Learning at the symbolic level）一文中解释如下[1]：符号表征作为宏观表征和微观表征的中介造就了符号本身的模棱两可性——学生往往不清楚某化学符号到底在传达宏观层面的信息还是微观层面的信息，这成为学生理解化学符号的困难之一。当学生没有形成对微观表征的已有理解时，符号表征对于化学学习是最困难的。因为化学符号本身高度融合了大量的学科知识与抽象概念，这成为符号表征学习的又一困难所在。对符号表征的理解困难还来自学习者不清楚或无法理解符号或语言层面的复杂规则；现代化学符号经历了百年的发展与变革，其中包含着大量与化学科学发展历程紧密相关的、约定俗成的规则，因为没有相关的储备知识，学习者不具备识别能力，往往纠缠于符号中的偶然因素或不重要信息，这使得符号学习充满陷阱。 化学符号中往往同时包含数学信息与化学信息，这也干扰学生对符号表征的理解。有研究者发现化学学习中存在2类学生：一类对化学概念更感兴趣；另一类急于解决化学中的计算问题，后者为潜在的化学学习者[15]。塔格徘诺（M.Taagepera）（2000）追踪研究发现，学生在有机化学学习中更多基于算法而非官能团等原理性知识建构起认知，这导致新情境中问题解决以及知识存储的困难[16]。这些研究都表明符号表征学习的困难还来自学生对符号中数学信息与化学信息理解或把握的片面性。这种片面性部分是由于“有时化学教师正是以算法的形式来教授学生”。 Taber对常见的化学符号学习研究发现，只有当学生“对符号很熟悉；很好地理解符号表征的假设性概念原理；相当熟悉符号表征所借鉴的范例与参照[1]”的时候，学生才能理解并使用符号。否则，符号本身在学习者工作记忆中就占据一定的容量，这使得其工作记忆中用于加工信息的空间更为有限，学习的困难便由此增加。这也解释了为何对于化学家很直白的符号对于学习者却是极大的挑战。 也有研究者将化学符号学习视为第二语言的学习，提出“学生不但要学习一门新语言，而且要使用这门新语言理解特殊的物质。”所以对于母语非英语的学习者而言，化学语言学习的挑战更大。Johnstone等人发现，学生以第二语言学习科学知识时，他们的理解和推理能力至少降低20%[17]。结合信息加工模型，他们对此提出解释：当使用第二语言时，学习者在工作记忆中需要进行第二语言与母语之间的转换，这就造成信息保持和信息加工对工作记忆空间的争夺，最终导致学习者信息加工能力的削弱，即体现为理解和推理能力的降低。 以上梳理了三重表征研究范式下研究者对化学学习困难的诸多发现。将以上研究成果整合在图1中，以便全面审视化学学习的困难所在。 二、解读化学学习心理机制 真实的化学学习不会仅仅停留在宏观表征、微观表征、符号表征这些单一的层面，往往需要学习者在不同表征之间进行转换。Chittleborough等人（2008）指出化学实验装置图、分子原子的图片、化学方程式等常规化学内容的学习需要学生在三重表征之间进行转换[10]。毕华林等人通过问卷调查发现任何一种表征的薄弱都会带来三重表征之间转换的困难[18]。学习者如何在三重表征之间进行转变？研究者提出不同的理论构想。其中，Johnstone将三重表征与信息加工模型相结合成功解释了化学学习中普遍存在的若干问题，一定程度上揭示了化学学习机制及其本质。
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