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基于MAS问题编码的化学知识多重表征研究
张怡纳 王祖浩 华东师范大学化学系，上海200062
摘要:本研究主要借鉴MAS问题编码的方法，对化学中宏观表征、微观表征、符号表征两两之间的转换以及三重表征间的转换问题，以测试的形式，就学生在单维转换中表现出的差异进行了因素分析，并对某一转换水平在单维、多维转换中的转换能力作了比较，以期为提高学生三重表征思维提供有益的启示
1．问题的提出
化学是一门在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。物质的性质体现在宏观变化上，物质的组成、结构等微观知识则是理解性质，把握变化本质的基础。而化学符号作为联系宏观与微观的桥梁，是化学学习的重要工具。因此，对化学知识进行宏观表征、微观表征和符号表征，并在三者间实现有机的联系，即进行三重表征，可以说是化学学习的精髓所在。
MAS，即多维分析系统(multidimensional analysis system)，它最初被设计用于确定与摩尔相关的化学定量问题的难度。MAS系统分析了解决某类问题所需的几种知识维度，并对每一种维度的难度要求从低到高进行赋值，然后再依据问题涉及的知识维度和难度水平对问题进行编码，从而实现对该类问题的难度分类[1]。例如对于“摩尔”这一知识点的问题解决，MAS系统的维度设置包括三个转换水平：宏观符号、微观符号、符号过程，难度分类值为0、1、2、3，其问题分类具体规则如下：
表1 摩尔问题的MAS问题编码规则
难度
百位
符号过程
十位
微观符号
个位
宏观符号
0
没有化学反应过程
没有微粒
没有质量
1
有化学反应过程，有化学方程式
摩尔微粒
以“克”为单位的质量
2
有化学反应过程，没有反应方程式
摩尔微粒和阿伏加德罗常数
各种单位制的质量
3
有化学反应过程，限定参与反应的物质
微粒的比较
质量的比较、分子式
根据上述分类规则，对于不同的摩尔问题可分别进行编码，例如NO2的摩尔质量是多少？根据上述问题编码规则，该题的MAS问题编码确定为001。
本研究借用了MAS系统的方法，对化学问题分别进行编码，研究学生对化学中三种知识表征间的转换能力。根据问题涉及的知识表征，本研究设置了三种维度的知识表征间的转换水平：宏观微观、微观符号、宏观符号。其中单维度指的是仅包含一种上述转换水平，多维度指的是包含一种以上上述转换水平。根据解决问题所需的不同表征间的转换方向分为0、1、2三类，具体的MAS问题编码规则如下所示：
表2 本研究MAS问题编码规则
水平
方向
百位
宏观微观
十位
微观符号
个位
宏观符号
0
不含宏观与微观转换
不含微观与符号转换
不含宏观与符号转换
1
微观→宏观
微观→符号
符号→宏观
2
宏观→微观
符号→微观
宏观→符号
2．研究设计
2.1 研究目的
本研究旨在考查高中学生化学宏观表征、微观表征、符号表征两两之间的转换能力。通过学生间转换能力的差异比较以及某一转换水平在不同维度下转换情况的分析，旨在为提高学生进行三重表征的能力提供有益的借鉴。
2.2 研究对象
本研究选取上海市两所高级中学高三学生为被试，按照化学学习基础的好坏，对被试进行分组。将学习基础较好的学生归为一组(以下简称A组被试)，将学习基础相对较差的学生归为另一组(以下简称B组被试)。其中，A组被试共90人，B组被试共50人。
2.3测试材料
根据研究目的，将进行两次测试，测试中涉及到的化学知识均为学生在高一高二中已学的，测试一和测试二将分别反映学生单维度转换的情况和多维度转换的情况。测试一与测试二的MAS问题编码如下：

MAS No.
测试一：单维度转换
001、002、010、020、100、200
测试二：多维度转换
021、102、012、202、211、221
本研究测试所选试题涵盖了高中阶段所学的化学基础知识，所涉及的章节内容较广。为确保测试结果与研究结论具有一定的信度与效度，在试题的选择上，对于同一转换水平同一转换方向的试题，在难度上应尽量保证一致。
2.4研究方法
本研究采用对比分析的研究方法，其中测试一在A组被试和B组被试间进行，考察两组被试在单维度转换能力上的差异，并揭示了造成这种差异的可能的原因；测试二在A组被试内进行，测试结果将与测试一的结果共同形成某一转换水平在不同维度下的转换情况，并作比较分析。
3．结果与分析
3.1 单维度转换结果处理与分析
对两组被试在测试一中的回答情况进行了结果处理，其单水平转换的正确率分别见表3及表4所示。
表3 A组被试单维度转换正确率统计结果

宏观微观
微观符号
宏观符号
转换
MAS No.
正确率 %
MAS No.
正确率 %
MAS No.
正确率 %
1
100
41.7%
010
96.8%
001
93.7%
2
200
26.3%
020
71.1%
002
48.9%
表4 B组被试单维度转换正确率统计结果

宏观微观
微观符号
宏观符号
转换
MAS No.
正确率 %
MAS No.
正确率 %
MAS No.
正确率 %
1
100
16.7%
010
60.4%
001
66.7%
2
200
6.2%
020
20.4%
002
8.3%
由以上两表可见，在单维度转换中，A组被试的总体正确率普遍高于B组被试，两组被试间的差异较为显著。从测试一中两组被试的回答情况来看，化学基础较好的A组被试由于本身具备了比较全面系统的宏观表征、微观表征、符号表征的知识，能更为顺利地进行不同表征间的单维度转换，下面将通过两个问题实例具体加以说明。
问题一(MAS No. 100)：下图是金刚石熔融状态下的微观结构，请解释为什么金刚石在室温下是固体？

分析：该题需要学生提取题干中的有效宏观表征信息——金刚石的高熔点，和微观表征信息——金刚石中碳原子共价键结合的方式，来建立由微观到宏观的转换——结构决定性质，答对的学生往往会注意到问题中这些“有效信息”，层层推进地把问题解释清楚、全面。而在答错的学生中，有相当一部分学生提到了“金刚石是原子晶体”，即而说明它在常温下是固体，这明显是犯了“本末倒置”的错误。
问题二(MAS No. 010)：．如下图所示的分子结构中，黑球代表原子序数小于10的元素的原子实(原子除去价电子后剩余部分)，黑点表示未成键电子，短线表示共价键。请写出相应的化学式。

分析：有96.8%的A组被试正确写出了尿素(该小题答案)的结构式，而B组被试中的正确率仅为60.4%。调查发现，A组被试和B组被试中答对该小题的学生中大多能正确回忆出1-10号元素原子的外层电子排布，并能将题干中的横线与单、双键对应；黑点与原子外层的孤对电子对应。显然，在他们的头脑中已具备了原子核外电子排布及化学键这些微观表征的知识，并且能在书写化学式的过程中考虑核外电子排布及孤对电子对成键的影响，说明其已能正确建立起微观表征与符号表征间的联系，有效地实现两者之间的转换。
综上，影响学生在单维度转换问题解决上差异的因素有：(1)对某一知识表征本身的掌握程度。倘若缺乏对宏观、微观、符号表征中任一表征的相关知识或能力，都将影响到学生进行两两表征之间的转换以及三重表征之间的转换。(2)建立不同表征之间内在的联系。具备了宏观、微观、符号表征的知识，还要建立不同表征间某些内在的对应关系，这与对知识的熟悉程度等有关，属于能力范畴。(3)对问题表征的深度。对问题本身包含的信息进行深入的加工，提取其中有效的部分，将有助于提高不同表征间的转换。
3.2 不同维度下转换结果的处理与分析
为考察不同维度对转换能力的影响，研究对A组被试还进行了多维度转换的测试，并结合A组被试在测试一单维度转换中的表现情况，得到了其在不同维度下某一转换能力强弱变化的趋势，结果如下表所示(见表5、6、7)。
3.2.1不同维度下转换结果
在多维度转换的问题中，包含宏观微观转换水平的问题有102、202、211、221四题，其中221因适合进行定性分析，暂不作定量统计。根据转换的方向，将宏观微观转换问题分为100、102和200、202、211两组。同理，微观符号转换问题分为010、012、211和020、021；宏观符号转换问题分为001、021、211和002、102、012、202。
表5 不同维度下微观→宏观与宏观→微观的转换比较
MAS No.
正确率%
MAS No.
正确率%
100
41.7%
200
26.3%
102
51.1%
202
43.3%
211
50.0%
注：问题102的正确率指的是“1”，即微观→宏观这一方向转换的正确率；问题202、211的正确率指的是“2”，即宏观→微观这一方向转换的正确率，下同。
表6不同维度下微观→符号与符号→微观的转换比较
MAS No.
正确率%
MAS No.
正确率%
010
96.8%
020
71.1%
012
48.0%
021
56.8%
211
60.0%
表7不同维度下宏观→符号与符号→宏观的转换比较
MAS No.
正确率%
MAS No.
正确率%
001
93.7%
002
48.9%
021
87.4%
102
42.2%
211
72.2%
012
28.3%
202
27.2%

3.2.2不同维度下转换结果分析
由上述结果显示，宏观微观的转换因有符号的介入，使的该转换变得更容易实现。我们知道，宏观领域主要关注物质及其性质、科学过程及现象，而微观领域则主要关注微粒模型，如分子、原子和离子等，而符号在连接宏观与微观之间，起到重要的桥梁的作用[2]。有学者将宏观、微观、符号三个界面的关系表示如下：

宏观—微观—符号界面
由上图可以发现，宏观领域与微观领域是可见的物质世界与不可见的粒子运动这样两个没有交叉的领域，从一杯水要获知水的分子组成，结构式确实非常困难，然而这也正是化学的奥秘之处。化学符号不仅是中学化学知识的重要组成部分，而且是学生学习化学知识或化学事实的重要表征形式之一，具有知识性和工具性的高度统一。学生解决化学问题必然在很大程度上要运用化学符号提取化学知识、转换化学信息，甚至进行化学符号组合或转换等一系列思维活动[3]。下面我们仍以测试中的一道实例加以说明。
问题三(MAS No. 202)：KClO3和NaHSO3在溶液中能发生氧化还原反应，其反应速率与时间的关系如下图所示。已知该反应的速率随H+浓度的增大而增大，试回答：

(1)写出反应的离子方程式。
(2)请解释反应刚开始阶段反应速率逐渐增大以及反应后期速率逐渐减慢的原因。
分析：问题202首先要求写出某氧化还原反应的离子方程式，这是宏观→符号的转换。根据物质的氧化性和还原性，有一部分学生能正确书写离子方程式，而影响反应速率的H+是生成物之一，可解释该反应由快到慢这一宏观现象背后的微观机理，提高了宏观表征到微观表征的转换。
另外，对于微观符号、宏观符号的转换，增加问题的维度，只是单纯的增加转换的次数，提高问题的难度，对学生三重表征之间转换水平的要求也更高。从转换的方向上来看，宏观→微观、符号→微观、符号→宏观的转换也要略难于微观→宏观、微观→符号、宏观→符号的转换。这可能是因为符号表征本身就包含了很多信息，它是宏观现象和微观机理的高度浓缩，因此根据给出的符号信息来推知宏观性质与微观本质就会比较容易进行。
参考文献：
[1] Yehudit J.Dori, Mira Hameiri. Multidimensional Analysis System for Quantitative Chemistry Problem: Symbol,Macro,Micro,and Process Aspects. Journal of research in science teaching, 2003
[2] Onno de Jong, Jan van Driel. Prospective teachers’ concerns about teaching chemistry topics at a macro-micro-symbolic interface. Speeches/meeting reports,1999
[3] 付勇. 化学符号在中学生化学问题解决中的作用研究[J].化学教育，2007，