0引言

化学学科的关键特点是从宏观现象、微观本质与符号表征三个层面认识物质变化，称为“三重表征能力”。《义务教育化学课程标准（2022年版）》将“形成化学学科特有的思维方式”列为核心素养关键内容，要求学生在宏观现象与微观本质间建立符号联系。但传统教学中，教师常用试管等仪器演示宏观现象，对微观粒子变化（如离子反应）常通过静态图片或讲解展示，符号表征推导与宏观分离，导致学生难以形成系统认知[1]。

数字化实验借助传感器技术（如pH传感器）、数据采集系统（如Logger Pro）和虚拟软件（如Chem3D），将宏观现象转化为实时数据，展示微观粒子模型，并自动生成符号表达式，为解决三重表征分离问题提供新思路。本研究旨在探究数字化实验对初中生三重表征能力的提升机制，构建初中教学实施方法，为提高化学核心素养提供实践参考。

1初中化学三重表征能力培养的现状与挑战

1.1传统实验教学的宏观表征问题：现象观察依赖肉眼，导致信息延迟（如中和反应pH变化需手动记录）和精度不足（如温度读数不精确），学生难把握实时动态。例：中和反应中，仅靠酚酞指示剂，只能察觉终点颜色突变，无法了解酸碱度连续变化，限于定性认识。微观表征问题：教师用Flash或PPT展示分子过程，但缺乏互动，学生无法主动探究条件影响。例：物质溶解时，学生不理解氯化钠分解成离子而蔗糖分子形式存在，只能死记结论。符号表征问题：学生机械记忆化学方程式，而非将其视为宏观和微观的抽象。例：锌与稀硫酸反应，学生复述反应但无法解释产物形成或电子转移过程，导致三重表征割裂[2]。

1.2初中生三重表征能力的认知特点：学生处于具体形象思维向抽象逻辑思维转变期，对直观现象易接受，但理解微观概念困难。需要可视化工具连接宏观感知、微观想象和符号表达。传统教学中缺乏辅助，学生视三重表征为独立部分，导致解决综合问题（如依据现象推导原理并书写方程式）时能力断层。

2数字化实验促进三重表征能力发展的作用机制

2.1宏观表征：数字化实验将宏观现象转化为可测量数据，如温度传感器显示溶解过程曲线（如硝酸铵降温），帮助学生直观建立"物质性质-现象-数据"联系，理解微观本质，为符号表征奠定基础。

2.2微观表征：虚拟仿真技术（如PhET）提供交互建模工具，学生可拖拽分子模型观察动态过程（如HCl与NaOH解离），直观展示粒子运动、支持参数调整和实时反馈，纠正错误认识，形成微观决定宏观的思维。

2.3符号表征：数字化实验通过"数据-模型-符号"智能关联，如pH曲线显示CO₂反应酸性增强，学生结合宏观证据和微观过程推导符号表达式（如离子方程式），使化学方程式承载认知意义，便于迁移应用。

2.4三重表征的协同强化效应：多模态环境促进宏观（如压力传感器数据）、微观（动画模拟）和符号（自动生成方程式）表征的神经关联，学生在切换映射中形成双向转化能力，如看到现象联想微观并写出符号。

3依托数字化实验提升三重表征能力的教学方法

3.1实验设计的"三维融合"准则

教师设计数字化实验时，应保证每个实验任务都确立清晰的三重表征目标：

宏观层面：挑选能借助传感器进行量化测定的实验参数（如温度、pH值、电导率），防止仅依赖肉眼观察的定性实验；

微观层面：配备虚拟仿真组件，让学生在观察宏观数据之后，通过拖拽、调整参数等操作来重现微观过程；

符号层面：设置"依据微观模型书写方程式""用符号阐释宏观现象"等任务，促使表征间建立关联。

例如，在"电解质溶液导电性能探究"实验里，电导率传感器实时呈现不同浓度NaCl溶液的导电本领（宏观），学生在虚拟界面中观察Na⁺和Cl⁻的浓度改变（微观），最后用离子方程式阐释导电的本质（符号），达成三重目标的深度交融。

3.2教学过程的"三步进阶"架构

打造"观察-建模-应用"的螺旋式上升教学流程：

宏观现象感知环节（10分钟）：利用传感器实时展示实验数据曲线，指导学生对曲线特点进行描述（如上升趋向、峰值所在位置），用自然语言总结宏观变化规律（如"反应放热使温度上升"）。

微观机理构建环节（15分钟）：凭借交互式仿真软件，让学生自主操控微观粒子模型，解释宏观数据变化的缘由（如"温度上升是由于分子碰撞释放能量"），并修正初始设想（如区分"温度变化"和"热量变化"的概念）。

符号系统表征环节（10分钟）：教导学生运用化学方程式、离子式、能量符号（ΔH）等表征微观过程，要求注明符号的宏观意义（如ΔH＜0对应温度曲线上升），最终形成结构化的表征关系图。

3.3"表征转换"辅助工具的构建

开发适合初中生的可视化工具，助力学生构建表征转化途径：

宏观-符号转换表：表格左侧记录观察到的实验现象（如"溶液变红"），中间填写微观说明（如"OH⁻浓度增加"），右侧书写对应的符号（如"酚酞遇碱变红"的离子环境表述）；

微观-宏观预测图：通过调整虚拟仿真中的参数（如提高反应物浓度），让学生推测宏观数据曲线的变化走向（如反应速率加快使压强曲线斜率变大），并和实际数据对比进行修正；

符号-微观对应卡：把化学方程式中的各物质标注为微观粒子模型（如将HCl标注为H⁺和Cl⁻），通过连线的方式展示符号和微观结构的对应联系。

3.4分层教学策略的运用

考虑到学生的认知差异，将数字化实验划分为基础型、进阶型、拓展型三类：

基础型实验（针对学习有困难的学生）：聚焦单一表征转化（如宏观数据→符号表达式），提供预设好的仿真模型和填空式表征表格，减轻认知负担；

进阶型实验（针对中等水平学生）：要求完成双重表征转化（如微观模型→宏观现象→符号表达），允许自主调整仿真参数并记录表征关联过程；

拓展型实验（针对优秀学生）：开展探究性项目（如设计实验验证"不同溶剂对电解质解离的影响"），要求独立构建三重表征的关联系统并进行跨实验迁移。

4总结与未来展望

数字化实验借助技术力量，有效解决了初中化学三重表征教学中的关键挑战，其价值不仅在于提高知识掌握的效率，更在于培养学生"像化学家一样思考"的学科思维。研究显示，这种融合了实时数据、动态建模与智能交互的教学方式，能够明显增强学生对化学概念的多维度理解能力，促进宏观、微观、符号表征之间的灵活转换[3]。

在未来的教学实践中，需要进一步关注以下方面：一是开发更多与初中教材内容相匹配的数字化实验范例，尤其在有机化学、电化学等抽象内容中加强三重表征设计；二是研究"线下实验操作+线上虚拟仿真"的混合式教学形态，平衡动手实践与思维训练的关系；三是构建科学的三重表征能力评估体系，通过多维度量表和过程性数据，精准判断学生的能力发展路径。通过不断优化数字化实验的应用方法，有望为化学学科核心素养的落实提供更具普遍性的解决办法，帮助培养适应未来科技社会的创新型人才。

参考文献：

[1]邱雨芳.基于三重表征的高中化学教学设计与实践研究[D].江西师范大学,2023.

[2]田欣欣.融合三重表征与化学史的高中化学教学设计与实践[D].江西师范大学,2023.

[3]张正严,唐欣,钱慧玲,等.物理概念学习的三重表征理论建构[J].物理教学,2023,45(07):2-6+56.