化學(xué)教科書中視覺表征的比較研究

馬文 夏婷婷 孫影

摘要： 借鑒Gkitzia等人開發(fā)的分析框架，運(yùn)用內(nèi)容分析法對中國大陸、中國臺灣地區(qū)、美國、新加坡等地的主流化學(xué)教科書中化學(xué)鍵部分的視覺表征進(jìn)行分析。從表征的類型（C1）、表面特征的注釋（C2）、表征與文本的關(guān)聯(lián)情況（C3）、是否存在合適標(biāo)題（C4）以及多重表征內(nèi)各從屬表征間連接情況（C5）這五個(gè)維度對教科書進(jìn)行編碼統(tǒng)計(jì)，獲得不同版本化學(xué)教科書中視覺表征的信息，以期為后續(xù)教科書視覺表征的設(shè)計(jì)和使用提供參考。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)教科書; 視覺表征; 三重表征;教材比較

文章編號： 1005-6629（2021）10-0025-08

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展和多媒體技術(shù)的推廣，教科書在設(shè)計(jì)編寫時(shí)越來越注重信息表征的多樣化。教科書中的語言表述不僅應(yīng)當(dāng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)還應(yīng)配有豐富精美的圖表，以適應(yīng)學(xué)生的思維方式。同線性敘述的文字符號相比，圖表等形式的視覺表征往往能更全面地展現(xiàn)概念內(nèi)容的各個(gè)方面，使抽象的問題直觀

化，幫助學(xué)生構(gòu)建知識框架。認(rèn)知負(fù)荷理論的通道效應(yīng)（Modality effect）也認(rèn)為，綜合利用多種信息呈現(xiàn)形式，能夠提高工作記憶的使用量，增進(jìn)學(xué)習(xí)效果[1]。因此，分析教科書中的視覺表征，明晰其深層涵義，具有重要的研究價(jià)值。

1? 問題的提出

霍夫曼（R. Hoffman）曾說： 化學(xué)即表征。1982年，Johnstone[2]教授首次提出了化學(xué)學(xué)習(xí)的三重表征，化學(xué)學(xué)科的研究特點(diǎn)要求我們能夠從宏觀上認(rèn)識物質(zhì)、微觀上理解物質(zhì)，并用特定的化學(xué)符號表征物質(zhì)。三重表征思維是化學(xué)學(xué)科所特有的思維方式之一，也是認(rèn)識和理解化學(xué)世界的重要視角。但研究表明，學(xué)生普遍在三種表征水平間的轉(zhuǎn)換存在困難[3]。有學(xué)者指出，教科書內(nèi)容編制與呈現(xiàn)的局限性是影響學(xué)生三重表征思維建構(gòu)的重要因素[4]。

高中化學(xué)教科書是實(shí)現(xiàn)高中化學(xué)課程目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體[5]。在教科書中，文字充當(dāng)信息的主要來源，用以闡釋系統(tǒng)的理論知識，而視覺表征則是將抽象化、概念化的內(nèi)容以視覺化的方式再現(xiàn)和表述[6]，常用的視覺表征形式有： 圖像、圖形、圖表、視頻、動(dòng)畫等。教科書中的視覺表征主要指圖片和表格，以輔助文字進(jìn)行思想交流?；瘜W(xué)教科書是教師進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐的依據(jù)。教科書中的視覺表征是否體現(xiàn)、又在何種程度上體現(xiàn)了三重表征的思想？針對此問題，我們選擇“化學(xué)鍵”這一聯(lián)系宏觀、微觀與符號世界的內(nèi)容為例展開研究。

分析相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，已有研究主要集中在教科書視覺表征的呈現(xiàn)形式、設(shè)計(jì)原則、使用策略以及學(xué)生對視覺表征的態(tài)度調(diào)查。不同國家教科書的視覺表征比較也大多是對表征的數(shù)量、類型和密度等物理特征的討論，缺少從三重表征的視角出發(fā)對教科書中的視覺表征進(jìn)行分類和探討。因此本研究將以視覺表征所體現(xiàn)的化學(xué)水平為切入點(diǎn)，對不同國家和地區(qū)的教科書（化學(xué)鍵部分）的視覺表征進(jìn)行比較和分析，以期為后續(xù)教科書視覺表征的設(shè)計(jì)與使用提供建議。

2? 研究設(shè)計(jì)

2.1? 研究對象

選擇2019年最新修訂使用的人教版和魯科版化學(xué)教科書為研究對象。此外，還選擇了中國臺灣南一版化學(xué)教科書、美國主流教科書《化學(xué)： 概念與應(yīng)用》以及新加坡化學(xué)教科書《ALL ABOUT CHEMISTRY ‘O’ LEVEL》，具體研究對象如表1所示。中國臺灣與大陸有著相似的文化歷史背景，美國的主流教科書在國內(nèi)頗受學(xué)者和一線教師的關(guān)注，具有一定的參考價(jià)值，而新加坡對科學(xué)教育高度重視，在PISA測試中的成績非常出色。選擇以上教科書進(jìn)行比較和分析，以期能夠取長補(bǔ)短、相互借鑒，促進(jìn)教育思想與理念的碰撞交流。

研究主要統(tǒng)計(jì)正文部分以三重表征為主要內(nèi)容或目的而呈現(xiàn)的視覺表征，因此有關(guān)化學(xué)史、化學(xué)與職業(yè)、化學(xué)應(yīng)用和科研儀器等圖表并未納入本研究范圍。最終提取的視覺表征個(gè)數(shù)分別為人教版30個(gè)、魯科版48個(gè)、中國臺灣版69個(gè)、美國版41個(gè)以及新加坡版24個(gè)?？紤]到各版本教科書的視覺表征數(shù)量存在一定差異，在后續(xù)分析中均采用比例數(shù)據(jù)。

2.2? 研究過程

本研究借助Gkitzia等人提出的分析框架[7]，該框架從五個(gè)維度建立了適用于分析化學(xué)教科書中視覺表征的標(biāo)準(zhǔn)（見表2），分別是表征的類型（C1）、表面特征的注釋（C2）、表征與文本的相關(guān)（C3）、標(biāo)題的存在與性質(zhì)（C4）以及多重表征間的連接（C5）。此分析框架涵蓋了視覺表征被納入化學(xué)教科書所需的基本要素，C1和C5維度更是首次從表征所體現(xiàn)的化學(xué)水平出發(fā)對其進(jìn)行了分類，獨(dú)具學(xué)科特色。

主要采用內(nèi)容分析法。在明確研究對象及范圍后，根據(jù)上述五個(gè)維度對所提取的視覺表征進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。為提高研究的可靠性，兩名編碼員進(jìn)行了獨(dú)立編碼，比較分析結(jié)果，通過kappa系數(shù)確定研究的信度。C1～C5五個(gè)分析標(biāo)準(zhǔn)的kappa系數(shù)分別為0.956、 0.842、 0.825、 0.897和0.813，均在0.8以上，表明編碼可信。在各自編碼后，兩名編碼員又對有分歧的視覺表征進(jìn)行討論協(xié)商，最終達(dá)成一致。

2.3? 視覺表征分析框架的標(biāo)準(zhǔn)界定

2.3.1? 表征的類型（C1）

C1維度考察的是教科書中視覺表征的類型。根據(jù)描述對象所體現(xiàn)的化學(xué)水平不同，視覺表征可分為宏觀、微觀和符號表征。當(dāng)同時(shí)在兩到三個(gè)水平層次上描述同一物質(zhì)或現(xiàn)象時(shí)，稱之為多重表征（Multiple Representation）。如圖1（a）分別展示了銅絲、食鹽、水等物質(zhì)的宏觀形態(tài)與微粒結(jié)構(gòu)，并用相應(yīng)的化學(xué)式進(jìn)行符號表征。圖1（b）中使用鐵錘表示外力，并展現(xiàn)出了金屬內(nèi)部的微觀變化情況，不同的化學(xué)水平相互補(bǔ)充形成一個(gè)視覺表征，我們將其歸類為多種表征（Hybrid Representation）。當(dāng)某一水平的表征與類比方法共用時(shí)稱之為多類表征（Mixed Representation），如圖1（c）用CHBrClF手性分子的微觀結(jié)構(gòu)展示其空間對稱性，緊接著用人的左右手對這種對稱性進(jìn)行類比說明。

2.3.2? 表面特征的注釋（C2）

表面特征注釋指的是對視覺表征所包含部分的說明，既可以呈現(xiàn)在正文或標(biāo)題中，也可以出現(xiàn)在表征材料內(nèi)部。該維度考察視覺表征所傳達(dá)的信息的清晰程度，結(jié)果可分為三類： 清晰的、隱含的和模糊的。當(dāng)表征中的每個(gè)部分所代表的具體含義均被明確地指出時(shí)，可認(rèn)為其是清晰的。當(dāng)只有部分表面特征的意義被提到時(shí)，我們認(rèn)為它是隱含的。若是僅呈現(xiàn)視覺表征，沒有對其進(jìn)行任何解釋說明，則認(rèn)為是模糊的。

2.3.3? 表征與文本的相關(guān)（C3）

C3維度考察的是視覺表征與正文內(nèi)容的相關(guān)程度，以及表征和文本間是否存在直接的連接，當(dāng)學(xué)生能夠從正文中讀到“如圖所示”等具有指引意味的短語時(shí)，可認(rèn)為該視覺表征是有連接的，反之則沒有。而根據(jù)表征呈現(xiàn)的內(nèi)容與文本所描述內(nèi)容的相關(guān)程度，又可將其劃分為完全相關(guān)、部分相關(guān)和不相關(guān)。具體而言，該維度的分類結(jié)果如下： 完全相關(guān)并有連接、完全相關(guān)沒有連接、部分相關(guān)并有連接、部分相關(guān)沒有連接和不相關(guān)且沒有連接。

2.3.4? 標(biāo)題的存在與性質(zhì)（C4）

C4維度考察的是視覺表征是否存在合適的標(biāo)題，此標(biāo)準(zhǔn)被分為： 存在合適標(biāo)題、存在有問題標(biāo)題和無標(biāo)題三類。當(dāng)標(biāo)題能夠準(zhǔn)確概括表征的內(nèi)容時(shí)，可認(rèn)為該標(biāo)題是恰當(dāng)?shù)?當(dāng)標(biāo)題與視覺表征的內(nèi)容有所出入，無法明確概括表征的含義時(shí)，就是不合適的;如果表征缺少標(biāo)題，則將其歸類為無標(biāo)題的視覺表征。

2.3.5? 多重表征間的連接（C5）

C5維度的研究對象僅涉及C1維度下的多重表征，主要考察多重表征中每個(gè)獨(dú)立的從屬表征間是否建立了聯(lián)系，以及聯(lián)系是否充分。如圖2中不同表征層次間均使用短線相連，清晰地指明了它們之間的等價(jià)性，故認(rèn)為該多重表征間的連接是充分

的。若僅指明部分表面特征間的

等價(jià)性，則認(rèn)為連接是不充分的。當(dāng)各從屬表征彼此相鄰但沒有指明其等價(jià)性時(shí)，則被認(rèn)為是未連接的多重表征。

3? 結(jié)果分析與討論

3.1? C1與C5維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

圖3顯示五版教科書中C1與C5維度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.1.1? C1維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

根據(jù)C1維度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，不同版本的教科書所涉及的表征類型均比較豐富。人教版教科書視覺表征的呈現(xiàn)特點(diǎn)是微觀表征和多重表征并重，符號表征次之，三者比例相對均衡，分別占比30.0%、 36.7%和23.3%。魯科版教科書的微觀表征比例達(dá)到了56.3%，其視覺表征是以微觀表征為主，宏觀表征和多重表征為輔的特點(diǎn)呈現(xiàn)的。相較而言，我國臺灣地區(qū)的教科書更傾向于從不同的化學(xué)水平去描述概念，其多重表征占比46.4%。新加坡教科書的視覺表征類型相對集中，其中多重表征占比58.3%，但并未出現(xiàn)符號表征與多類表征。美國教科書的視覺表征呈現(xiàn)特點(diǎn)更加獨(dú)特鮮明，運(yùn)用了較多的多類表征。如圖4使用軟糖模型展現(xiàn)CO2的空間結(jié)構(gòu)，并利用氣球的推擠情況類比電子云的空間排布，視覺表征相對更加形象生動(dòng)，貼近學(xué)生生活，能夠通過日常感性經(jīng)驗(yàn)的遷移促進(jìn)記憶[8]。

3.1.2? C5維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

C5維度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，所編碼的教科書中沒有無連接的多重表征。清晰的連接是學(xué)生能夠在三個(gè)化學(xué)水平間轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)和前提，對三重表征思維的培養(yǎng)具有重要意義，但連接的充分與否也會給學(xué)生的理解帶來一定影響。

中國臺灣版和新加坡版的教科書中關(guān)聯(lián)不足的多重表征占比均在10%以下，其中新加坡版教科書中關(guān)聯(lián)充分的多重表征占比最高，達(dá)到了92.7%。魯科版、人教版和美國版教科書中多重表征間的聯(lián)系相對較弱，三版教科書中聯(lián)系不充分的多重表征分別占比16.7%、 27.2%和28.6%。如圖5分別在微觀和符號層面對銨根離子的形成過程進(jìn)行了表征，但僅將二者平行放置以表現(xiàn)其等價(jià)性，未能清楚指明各模型對應(yīng)的是哪個(gè)物質(zhì)。若能在每個(gè)小球上標(biāo)明所代表的原子（見圖6），則能提高多重表征連接的充分性，使得不同表征層次間的過渡更加自然、聯(lián)系更加緊密。

3.2? C2維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

視覺表征若要達(dá)到“一圖勝千言”的效果，其前提條件是讀者能夠?qū)Ρ碚髦械南嚓P(guān)信息進(jìn)行正確解碼，以理解其所傳達(dá)的含義，從而實(shí)現(xiàn)有意義地“讀”圖和思考。在這一過程中，表面特征注釋扮演著不可或缺的角色。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（見圖7），大部分視覺表征的關(guān)鍵注釋都已清晰地標(biāo)注出來，其中人教版、魯科版和美國版教科書中隱含的表面特征注釋分別占比30.0%、 22.9%和17.1%，中國臺灣版和新加坡版的教科書相對較少，分別占比14.5%和16.7%，模糊的表面特征注釋僅在魯科版和美國版教科書中出現(xiàn)。圖8對甲醇可與

水互溶的原因進(jìn)行了呈現(xiàn)說明，但僅在標(biāo)題中指明了氫鍵的存在，若能在圖中標(biāo)注出乙醇和水分子對應(yīng)的模型，則能在一定程度上降低對表征進(jìn)行解碼的難度，從而進(jìn)一步完善視覺表征設(shè)計(jì)的規(guī)范性和完整性。

3.3? C3維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

視覺表征對于提高學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵在于圖文的有機(jī)結(jié)合，即表征內(nèi)容應(yīng)當(dāng)與文本內(nèi)容密切相關(guān)，當(dāng)教科書圖文并用且具有一致性時(shí)，將有利于文字信息和圖像信息在學(xué)習(xí)者頭腦中整合，繼而達(dá)到補(bǔ)充、完善和延伸核心知識概念的作用[9]。

從數(shù)據(jù)上看（見圖9），所統(tǒng)計(jì)的教科書均沒有與文本內(nèi)容無關(guān)的視覺表征。值得一提的是，中國臺灣版、新加坡版和美國版教科書中每一個(gè)視覺表征在正文中都可以找到相應(yīng)的指引。大陸地區(qū)教科書的視覺表征與文本的相關(guān)性更高，但表征與文本無連接的情況較為突出，其中魯科版教科書中與文本完全相關(guān)但無連接的視覺表征占比52.1%。如圖10旨在說明鎂閃光燈的工作原理，該選材基于真實(shí)的生活情境，與文本內(nèi)容完全相關(guān)，并且是從宏觀、微觀和符號不同層面對反應(yīng)過程及發(fā)生的變化進(jìn)行闡釋，是幫助學(xué)生發(fā)展三重表征思維的優(yōu)質(zhì)資源，但正文中卻缺少“如圖所示”的指引，可能會造成學(xué)生的忽視，使得視覺表征無法發(fā)揮其應(yīng)有的功能。因此編者需提高對這一問題的關(guān)注和重視，注重在表征和文本間建立清晰明確的連接。

3.4? C4維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與討論

標(biāo)題是對視覺表征最簡潔精確的概括，能讓讀者即使不看表征或文本內(nèi)容就可以對視覺表征所傳達(dá)的主題有大致的了解。根據(jù)結(jié)果（見圖11）可知，基本上所統(tǒng)計(jì)教科書中的視覺表征都存在相應(yīng)的標(biāo)題，但有少部分視覺表征的標(biāo)題在表述上存在不妥之處。如圖12是人教版教科書在介紹氫氣和氯氣斷鍵生成氯化氫的過程，但該視覺表征缺少標(biāo)題。編者可基于文本及表征內(nèi)容增設(shè)恰當(dāng)?shù)臉?biāo)題，以免給學(xué)生的閱讀和理解造成影響。

4? 研究結(jié)論與建議

4.1? 研究結(jié)論

本研究比較了五版教科書化學(xué)鍵部分的視覺表征。通過分析發(fā)現(xiàn)，在C1維度，美國教科書偏向于使用多類表征，除此之外的四版教科書皆是以微觀表征和多重表征為主。在C5維度，五版教科書中均不存在沒有連接的多重表征，人教版和美國版教科書在多重表征內(nèi)部連接的充分性上要稍弱于其他版本的教科書。在C2維度，五版教科書的視覺表征中清晰的表面注釋比例都達(dá)到了70%以上，僅有極少部分表征的注釋是模糊的。新加坡版和中國臺灣版的教科書在注釋的完整性上要優(yōu)于其他版本教科書。C3維度，五版教科書中視覺表征和文本的相關(guān)性均較強(qiáng)，不存在與文本內(nèi)容無關(guān)聯(lián)的視覺表征，但人教版和魯科版教科書中還存在部分與文本無連接的視覺表征。C4維度，人教版教科書中有部分表征缺少標(biāo)題，美國版和中國臺灣版教科書還有少部分視覺表征的標(biāo)題存在不妥之處。

4.2? 研究建議

通過以上總結(jié)和分析，筆者針對教科書視覺表征的設(shè)計(jì)以及教師對視覺表征的運(yùn)用兩方面提出了以下建議。

4.2.1? 對教科書視覺表征設(shè)計(jì)編制的建議

化學(xué)鍵是幫助學(xué)生打開微觀世界大門的“鑰匙”，然而學(xué)生很難透過文字描述直接想象，故有必要借助恰當(dāng)?shù)囊曈X表征以輔助學(xué)生理解[10]。首先，就表征類型而言，可適當(dāng)增加呈現(xiàn)有聯(lián)系的多重表征，把微觀水平同宏觀、符號水平相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)，讓學(xué)生在體會到三重表征思維精妙所在的同時(shí)感受到化學(xué)之美，進(jìn)而達(dá)到美育的教學(xué)目的。其次，為防止學(xué)生從視覺表征中解讀出錯(cuò)誤的信息，應(yīng)在表征內(nèi)部增添一些可能是學(xué)生理解盲點(diǎn)的細(xì)節(jié)，從而降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，幫助學(xué)生獲得更加完整科學(xué)的認(rèn)識。最后，需注重在正文和視覺表征間建立直接的聯(lián)系，避免學(xué)生忽視表征的存在，使得視覺表征無法發(fā)揮其應(yīng)有的認(rèn)知功能和價(jià)值。

4.2.2? 對教科書視覺表征使用的建議與啟示

視覺表征是化學(xué)教科書中不可分割的一部分，在促進(jìn)學(xué)生概念理解和支持教師教學(xué)實(shí)踐等方面發(fā)揮著重要作用。因此，教師應(yīng)高度重視教科書中的視覺表征，深入挖掘其背后所承載的教育意義，從而有效地對教科書進(jìn)行“二次開發(fā)”，將視覺表征應(yīng)有的價(jià)值功能最大化。教師還需有意識地將視覺表征所蘊(yùn)含的隱性知識“翻譯”出來，并在課堂上明確地將其與顯性知識建立聯(lián)系。對于那些注釋是隱含或模糊的視覺表征，教師可以巧妙地利用信息的缺失對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)性的提問，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，幫助學(xué)生理解表征的“畫”外之意。除此之外，教師還可以綜合利用多媒體技術(shù)，將視覺表征化靜為動(dòng)。如在介紹氯化鈉中離子鍵的形成時(shí)，教師可以利用flash動(dòng)畫將電子的轉(zhuǎn)移過程、化學(xué)鍵斷裂和形成的過程動(dòng)態(tài)化，再結(jié)合課本上呈現(xiàn)的視覺表征，對這部分內(nèi)容進(jìn)行有效地整合，幫助學(xué)生深入理解，進(jìn)而加強(qiáng)視覺表征的表現(xiàn)力和化學(xué)課堂的感染力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mayer R.E.. Principles for Reducing Extraneous Processing in Multimedia Learning： Coherence， Signaling， Redundancy， Spatial Contiguity， and Temporal Contiguity Principles [M]. The Cambridge Handbook of Multimedia Learning. 2005： 183～200.

[2]Johnstone， A.H.. Macro and microchemistry [J]. School Science Review， 1982， 64（277）： 377～379.

[3]Johnstone A.H.. Why is science difficult to learn？ Things are seldom what they seem [J]. Journal of Computer Assisted Learning， 1991， 7（2）： 75～83.

[4]張丙香， 畢華林. 中學(xué)生化學(xué)反應(yīng)三重表征的困難及原因分析[J]. 教育科學(xué)研究， 2013， （6）： 67～71.

[5]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 81.

[6]趙國慶. 知識可視化2004定義的分析與修訂[J]. 電化教育研究， 2009，（3）： 15～18.

[7]Gkitzia V.， Salta K.， Tzougraki C. Development and application of suitable criteria for the evaluation of chemical representations in school textbooks [J]. Chemistry Education Research and Practice， 2011， 12（1）： 5～14.

[8]廖志剛， 袁鑫. 中美高中化學(xué)教科書插圖功能對比研究——以“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與元素周期律”為例[J]. 化學(xué)教育（中英文）， 2019， 40（3）： 23～28.

[9]宋振韶. 教科書插圖的認(rèn)知心理學(xué)研究[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版）， 2005，（6）： 24～28.

[10]王磊， 孫影， 王潔. 我國現(xiàn)行初中化學(xué)教科書視覺表征的文本研究[J]. 化學(xué)教育（中英文）， 2021， 42（1）： 60.