化学概念的多重表征及教学建构
摘要 从心理表征的角度看，“化学概念的理解”就是学习者对化学概念形成了恰当的心理表征。通过调查高三学生“氧化还原反应”概念的表征发现，学生对化学概念存在多重外部表征，但并非关于概念的真正理解。本文运用DeFT（Design，Functions，Task）概念框架建构教学，设计多重媒体学习环境以促进学生对抽象概念的理解。
关键词 化学概念 中国古代选官制度多重外部表征 氧化还原反应 概念框架
化学概念是化学现象、化学过程的本质属性的反映，是化学学习、化学思维的基本单位。由于化学概念在化学学习中的重要性，我们总是希望学生能够从本质上理解和把握概念，进而熟练应用。著名认知心理学家安德森（J.R.Anderson）认为：“理解知识如何应用的前提是理解它如何在人脑中表征的。”［1］从概念心理表征的角度看，“化学概念的理解”就是学习者对化学概念形成了恰当的心理表征。那么，学生对于化学概念的表征存在何种特点？如何才能让学生建立概念的适宜表征？为此，我们以“氧化还原反应”概念系统（氧化反应、还原反
应、被氧化、被还原、氧化剂、还原剂、氧化产物以及还原产物）为例探讨化学概念的表征形式及对应的教学建构策略。
1 “氧化还原反应”表征的调查分析
为了探查中学生化学概念学习的成效，我们以“氧化还原反应回形针图片”概念系统（氧化反应、还原反应、被氧化、被还原、氧化剂、还原剂、氧化产物以及还原产物）为例，在高三年级中随机选取89人作为调查对象，其中男生35人，占39%，女生54人，占61%。自编《“氧化还原反应”相关概念调查问卷》，采用自由书写策略［2］，在规定时间（45分钟）内考察学生对于相关概念的理解及表征情况。
结果表明，学生头脑中存在4大类7种表征形式，分别是文字语言（表层、中层、本质）、化学符号语言（化学式和化学方程式等）、口诀和图形。频数统计结果如表1所示。
1.1 学生对于科学概念存在多重外部表征
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根据佩维沃（Paivio）的双重编码理论（Dual-coding Theory），可以将上述4种表征形式分为2大类，一类是语言系统（Logogens）表征，包括文字语言描述、化学符号语言描述
和口诀；另一类是图像系统（Imagens）表征，包括图形。以氧化反应为例，列出各种表征形式的频次，如表2所示。
表1结果表明，学生对于科学概念存在多重外部表征。但学生在表征形式的选取上存在着极不平衡的现象，学生更倾向于用语言文字表征，而较少以其他方式进行表征。以“氧化反应”这一概念为例（见表2），有98%的学生选择使用文字语言描述进行表征，为4类表征中使用人数最多者；对于化学符号语言这一表征来说，有38%的学生使用，且多选用初中阶段学习的碳与氧气的反应；“升失氧化还原剂，降得还原氧化剂”这一口诀是此类概念表征的特殊形式，有9%的学生使用；选用最少的是图形类表征，仅有3%的学生。
1.2 多重外部表征内部存在不同深度
学生能够对概念进行多重外部表征是否意味着学生从本质上理解了概念呢？进一步考察每类表征形式发现，其内部存在不同的表征深度。如对频率很高的文字语言表征来说，近一半同学倾向于从表层和中层进行理解，即从得失氧和化合价升降的角度阐释。同样，对于化学符号语言来说，学生的回答涉及典型简单化学反应特例以及概括性化学方程式（见图1）。
图1 使用化学符号语言表征白居易的诗歌“氧化反应”的结果示例
与此同时，学生对于调查问卷中“2Fe3++Sn2+=2Fe2++Sn”以及“2Cl -+2Br -=Cl 2+Br 2”是否为氧化还原反应的判断表明，学生并未从本质上理解此类概念。虽此2反应中均有化合价的升降以及电子的转移，但是仔细分析发现，上述2个反应并没有达到电子守恒。
2 表征形式及表征程度不同的原因探析
从以上分析可知，在表征形式的选取上存在着极不平衡的现象，每一种表征内部亦存在着不同的表征深度。我们认为，教材呈现方式以及教学方法是产生此类现象的主要原因。
通过考察现行全国3套高中化学教材（江苏教育出版社、人民教育出版社和山东科学技术出版社）的《普通高中课程标准实验教科书：化学1（必修）》）中关于“氧化反应”的知识内容，我们发现教材中对于“氧化反应”的定义均采用文字语言描述：
•苏教版：人们把有电子转移的化学反应称为氧化还原反应（注：没有单独给出氧化反应的定义）。读《水浒传》有感
•人教版：所谓氧化反应，表现为被氧化的元素化合价升高，其实质是该元素的原子失去（或偏离）电子的过程。
•鲁科版：在氧化还原反应中，反应物所含元素化合价升高的反应称为氧化反应（oxidation）。
此外，通过对典型学生进行访谈表明，教师在教学过程中，也倾向于使用词语文字下定义的方式进行讲述。相似的研究结论还出现在数学中［3］，有学者指出：学校教学强调运用算术解法或者代数解法求解文字问题和对借助几何图形求解文字问题的忽视，是学生不太可能和不太情愿运用图形表征解决问题的一个主要原因。
3 DeFT概念框架下的教学建构
外部表征（external reprentation）指信息的外部呈現方式，对内部认知活动有直接影响，如客观物体、媒体媒介、符号、图表和模型等。由于教材及教学惯用语言表征形式，而忽视多重外部表征，使得学生对于概念的学习倾向于采用机械背诵的方法，从而降低了从本质上理解概念和运用概念的可能性。双重编码理论认为，当学习者用言语和图像2种认
知系统表征相同的材料时，如果言语信息和图画信息在时间和空间上一致，则在编码的过程中就会形成言语表征和视觉表征的连接，从而提高学习效果，并且能够增加学习者提取信息的路径。
目前关于多重外部表征的研究热点集中于如何创设恰当的学习环境提升多重外部表征在学习过程中的有效性，而DeFT（Design，Functions，Task）概念框架则为外部表征运用环境的创设提供了实施路径。DeFT概念框架从3个维度规划学习环境的创设，分别是：学习过程中所涉及的多重外部表征的设计指标，多重外部表征的教学功能以及相应的认知任务［4］(见图2）。
图2 DeFT概念框架
3.1 设计：理性选择表征形式
在使用多重外部表征进行学习时，首先要考虑多重外部表征系统本身的设计。DeFT概念框架认为设计时需要考虑的因素包括：表征数量、呈现方式（包括表征自身的复杂性，表征之间信息的冗余性）、表征形式（图片、文本、动画、音频、方程和图表等等）、表征顺序以及表征之间转换的支持因素。
面对上述因素，在设计多重表征系统的时候要思考如下问题：一个系统是否需要多个表征？对于多重表征系统来说，如何呈现信息可达到完整、紧凑、精确、经济、系统、自洽和适学的要求？是否需要使用多种形式进行表征？表征呈现的优先顺序如何确定？如何在不同表征之间转换？
“氧化还原反应”这类概念具有很强的抽象性，因此学生在学习过程中产生了很大的困难，如前所述，经过中学阶段的学习，还是有很大一部分学生对于此类概念持有不同的“观念”。鉴于此，使用多重表征不失为促使学生从观念到概念转变的途径。对于此概念的表征存在多种形式，如文字、化学符号语言、口诀、图像、隐喻等等。在系统设计过程中，按照完整、紧凑、经济、系统、自洽和适学等要求，可将无法呈现完整信息、拖沓、繁复及难以表明本质等形式舍去。因此，既有描述性又有描绘性的表征形式为首选。
3.2 功能：促进概念深入理解
教学过程中运用多重外部表征要牢记3大功能，分别是互补、限制与建构。所谓互补，包括过程互补和信息互补2个方面。在某一多重表征系统内，虽然不同表征形式表达同一信息，但由于学习者自身、任务以及教学策略的不同，导致了不同表征形式使用过程中进行互补。
同时，由于单个表征内部所含有的内在信息的不同，致使不同表征之间在呈现信息方面相互补充。所谓限制可用简单示例表明，如对于“氧化还原反应”的阐述，用文字描述为“有电子转移的化学反应为氧化还原反应驻留”电视的英语怎么说，若此时配以图片或者动画，则能将电子的转移方向和数量更加清晰地加以限制。多重表征的建构功能体现在其能够促进事物（概念）在抽象程度、范畴层次和相关性方面的深入理解。
3.3 任务：适应不同认知水平
要在恰当的学习任务中使用多重表征系统。在设计学习任务时，表征特性、学习者特性、表征与学习者之间的互动是首要考虑的问题。表征的接受感觉通道、形态、抽象层次和范围等是表征特性需要考虑的问题；对于学习者特性来说，对表征的熟悉程度、对学习领域的熟悉程度、年龄、学习风格等因素需要兼顾；此外，两者之间的互动即教学策略的选择也是任务设计时需要考虑的重要因素。
“氧化还原反应”这一概念，从9年级学生初次接触化学开始一直到12年级结束，贯穿中学化学学习的始终；在课程中的演变经历了从最初的“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，不同学段对于学生理解要求不同，所选表征形式也
应略有差异。
综合上述要求，对于“氧化还原反应”这类抽象性概念的学习，要在恰当的多重表征系统中进行，做到文字描述与图像描绘相结合，静态阐述与动态展示相辉映，学习材料与学习者共同考虑。
参 考 文 献
［1］ 邵瑞珍.教育心理学.上海:上海教育出版社,1997:64
［2］ Calyk M, Ayas A,Ebenezer J. A review of solution chemistry studies: Insights into students’ conceptions. Journal of Science Education and Technology, 2005, 14(1): 29-49
［3］ Paovio A.Mental Prentations:a dual coding approach.Oxford，England:Oxford University Press,1986
［4］成事在人 罗新兵.数学概念表征的初步研究.数学教育学报，2003,12(2):21-23
