马文 夏婷婷 孙影

摘要： 借鉴Gkitzia等人开发的分析框架，运用内容分析法对中国大陆、中国台湾地区、美国、新加坡等地的主流化学教科书中化学键部分的视觉表征进行分析。从表征的类型（C1）、表面特征的注释（C2）、表征与文本的关联情况（C3）、是否存在合适标题（C4）以及多重表征内各从属表征间连接情况（C5）这五个维度对教科书进行编码统计，获得不同版本化学教科书中视觉表征的信息，以期为后续教科书视觉表征的设计和使用提供参考。

关键词： 化学教科书; 视觉表征; 三重表征;教材比较

文章编号： 1005-6629（2021）10-0025-08

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

随着信息化时代的发展和多媒体技术的推广，教科书在设计编写时越来越注重信息表征的多样化。教科书中的语言表述不仅应当科学严谨，同时还应配有丰富精美的图表，以适应学生的思维方式。同线性叙述的文字符号相比，图表等形式的视觉表征往往能更全面地展现概念内容的各个方面，使抽象的问题直观

化，帮助学生构建知识框架。认知负荷理论的通道效应（Modality effect）也认为，综合利用多种信息呈现形式，能够提高工作记忆的使用量，增进学习效果[1]。因此，分析教科书中的视觉表征，明晰其深层涵义，具有重要的研究价值。

1  问题的提出

霍夫曼（R. Hoffman）曾说： 化学即表征。1982年，Johnstone[2]教授首次提出了化学学习的三重表征，化学学科的研究特点要求我们能够从宏观上认识物质、微观上理解物质，并用特定的化学符号表征物质。三重表征思维是化学学科所特有的思维方式之一，也是认识和理解化学世界的重要视角。但研究表明，学生普遍在三种表征水平间的转换存在困难[3]。有学者指出，教科书内容编制与呈现的局限性是影响学生三重表征思维建构的重要因素[4]。

高中化学教科书是实现高中化学课程目标，培养学生化学学科核心素养的重要载体[5]。在教科书中，文字充当信息的主要来源，用以阐释系统的理论知识，而视觉表征则是将抽象化、概念化的内容以视觉化的方式再现和表述[6]，常用的视觉表征形式有： 图像、图形、图表、视频、动画等。教科书中的视觉表征主要指图片和表格，以辅助文字进行思想交流。化学教科书是教师进行教学活动设计与实践的依据。教科书中的视觉表征是否体现、又在何种程度上体现了三重表征的思想？针对此问题，我们选择“化学键”这一联系宏观、微观与符号世界的内容为例展开研究。

分析相关文献发现，已有研究主要集中在教科书视觉表征的呈现形式、设计原则、使用策略以及学生对视觉表征的态度调查。不同国家教科书的视觉表征比较也大多是对表征的数量、类型和密度等物理特征的讨论，缺少从三重表征的视角出发对教科书中的视觉表征进行分类和探讨。因此本研究将以视觉表征所体现的化学水平为切入点，对不同国家和地区的教科书（化学键部分）的视觉表征进行比较和分析，以期为后续教科书视觉表征的设计与使用提供建议。

2  研究设计

2.1  研究对象

选择2019年最新修订使用的人教版和鲁科版化学教科书为研究对象。此外，还选择了中国台湾南一版化学教科书、美国主流教科书《化学： 概念与应用》以及新加坡化学教科书《ALL ABOUT CHEMISTRY ‘O’ LEVEL》，具体研究对象如表1所示。中国台湾与大陆有着相似的文化历史背景，美国的主流教科书在国内颇受学者和一线教师的关注，具有一定的参考价值，而新加坡对科学教育高度重视，在PISA测试中的成绩非常出色。选择以上教科书进行比较和分析，以期能够取长补短、相互借鉴，促进教育思想与理念的碰撞交流。

研究主要统计正文部分以三重表征为主要内容或目的而呈现的视觉表征，因此有关化学史、化学与职业、化学应用和科研仪器等图表并未纳入本研究范围。最终提取的视觉表征个数分别为人教版30个、鲁科版48个、中国台湾版69个、美国版41个以及新加坡版24个。考虑到各版本教科书的视觉表征数量存在一定差异，在后续分析中均采用比例数据。

2.2  研究过程

本研究借助Gkitzia等人提出的分析框架[7]，该框架从五个维度建立了适用于分析化学教科书中视觉表征的标准（见表2），分别是表征的类型（C1）、表面特征的注释（C2）、表征与文本的相关（C3）、标题的存在与性质（C4）以及多重表征间的连接（C5）。此分析框架涵盖了视觉表征被纳入化学教科书所需的基本要素，C1和C5维度更是首次从表征所体现的化学水平出发对其进行了分类，独具学科特色。

主要采用内容分析法。在明确研究对象及范围后，根据上述五个维度对所提取的视觉表征进行分类统计。为提高研究的可靠性，两名编码员进行了独立编码，比较分析结果，通过kappa系数确定研究的信度。C1～C5五个分析标准的kappa系数分别为0.956、 0.842、 0.825、 0.897和0.813，均在0.8以上，表明编码可信。在各自编码后，两名编码员又对有分歧的视觉表征进行讨论协商，最终达成一致。

2.3  视觉表征分析框架的标准界定

2.3.1  表征的类型（C1）

C1維度考察的是教科书中视觉表征的类型。根据描述对象所体现的化学水平不同，视觉表征可分为宏观、微观和符号表征。当同时在两到三个水平层次上描述同一物质或现象时，称之为多重表征（Multiple Representation）。如图1（a）分别展示了铜丝、食盐、水等物质的宏观形态与微粒结构，并用相应的化学式进行符号表征。图1（b）中使用铁锤表示外力，并展现出了金属内部的微观变化情况，不同的化学水平相互补充形成一个视觉表征，我们将其归类为多种表征（Hybrid Representation）。当某一水平的表征与类比方法共用时称之为多类表征（Mixed Representation），如图1（c）用CHBrClF手性分子的微观结构展示其空间对称性，紧接着用人的左右手对这种对称性进行类比说明。

2.3.2  表面特征的注释（C2）

表面特征注释指的是对视觉表征所包含部分的说明，既可以呈现在正文或标题中，也可以出现在表征材料内部。该维度考察视觉表征所传达的信息的清晰程度，结果可分为三类： 清晰的、隐含的和模糊的。当表征中的每个部分所代表的具体含义均被明确地指出时，可认为其是清晰的。当只有部分表面特征的意义被提到时，我们认为它是隐含的。若是仅呈现视觉表征，没有对其进行任何解释说明，则认为是模糊的。

2.3.3  表征与文本的相关（C3）

C3维度考察的是视觉表征与正文内容的相关程度，以及表征和文本间是否存在直接的连接，当学生能够从正文中读到“如图所示”等具有指引意味的短语时，可认为该视觉表征是有连接的，反之则没有。而根据表征呈现的内容与文本所描述内容的相关程度，又可将其划分为完全相关、部分相关和不相关。具体而言，该维度的分类结果如下： 完全相关并有连接、完全相关没有连接、部分相关并有连接、部分相关没有连接和不相关且没有连接。

2.3.4  标题的存在与性质（C4）

C4维度考察的是视觉表征是否存在合适的标题，此标准被分为： 存在合适标题、存在有问题标题和无标题三类。当标题能够准确概括表征的内容时，可认为该标题是恰当的;当标题与视觉表征的内容有所出入，无法明确概括表征的含义时，就是不合适的;如果表征缺少标题，则将其归类为无标题的视觉表征。

2.3.5  多重表征间的连接（C5）

C5维度的研究对象仅涉及C1维度下的多重表征，主要考察多重表征中每个独立的从属表征间是否建立了联系，以及联系是否充分。如图2中不同表征层次间均使用短线相连，清晰地指明了它们之间的等价性，故认为该多重表征间的连接是充分

的。若仅指明部分表面特征间的

等价性，则认为连接是不充分的。当各从属表征彼此相邻但没有指明其等价性时，则被认为是未连接的多重表征。

3  结果分析与讨论

3.1  C1与C5维度数据统计结果与讨论

图3显示五版教科书中C1与C5维度的数据统计结果。

3.1.1  C1维度数据统计结果与讨论

根据C1维度的统计结果可知，不同版本的教科书所涉及的表征类型均比较丰富。人教版教科书视觉表征的呈现特点是微观表征和多重表征并重，符号表征次之，三者比例相对均衡，分别占比30.0%、 36.7%和23.3%。鲁科版教科书的微观表征比例达到了56.3%，其视觉表征是以微观表征为主，宏观表征和多重表征为辅的特点呈现的。相较而言，我国台湾地区的教科书更倾向于从不同的化学水平去描述概念，其多重表征占比46.4%。新加坡教科书的视觉表征类型相对集中，其中多重表征占比58.3%，但并未出现符号表征与多类表征。美国教科书的视觉表征呈现特点更加独特鲜明，运用了较多的多类表征。如图4使用软糖模型展现CO2的空间结构，并利用气球的推挤情况类比电子云的空间排布，视觉表征相对更加形象生动，贴近学生生活，能够通过日常感性经验的迁移促进记忆[8]。

3.1.2  C5维度数据统计结果与讨论

C5维度的统计结果显示，所编码的教科书中没有无连接的多重表征。清晰的连接是学生能够在三个化学水平间转化的基础和前提，对三重表征思维的培养具有重要意义，但连接的充分与否也会给学生的理解带来一定影响。

中国台湾版和新加坡版的教科书中关联不足的多重表征占比均在10%以下，其中新加坡版教科书中关联充分的多重表征占比最高，达到了92.7%。鲁科版、人教版和美国版教科书中多重表征间的联系相对较弱，三版教科书中联系不充分的多重表征分别占比16.7%、 27.2%和28.6%。如图5分别在微观和符号层面对铵根离子的形成过程进行了表征，但仅将二者平行放置以表现其等价性，未能清楚指明各模型对应的是哪个物质。若能在每个小球上标明所代表的原子（见图6），则能提高多重表征连接的充分性，使得不同表征层次间的过渡更加自然、联系更加紧密。

3.2  C2维度数据统计结果与讨论

视觉表征若要达到“一图胜千言”的效果，其前提条件是读者能够对表征中的相关信息进行正确解码，以理解其所传达的含义，从而实现有意义地“读”图和思考。在这一过程中，表面特征注释扮演着不可或缺的角色。

统计结果显示（见图7），大部分视觉表征的关键注释都已清晰地标注出来，其中人教版、鲁科版和美国版教科书中隐含的表面特征注释分别占比30.0%、 22.9%和17.1%，中国台湾版和新加坡版的教科书相对较少，分别占比14.5%和16.7%，模糊的表面特征注释仅在鲁科版和美国版教科书中出现。图8对甲醇可与

水互溶的原因进行了呈现说明，但仅在标题中指明了氢键的存在，若能在图中标注出乙醇和水分子对应的模型，则能在一定程度上降低对表征进行解码的难度，从而进一步完善视觉表征设计的规范性和完整性。

3.3  C3维度数据统计结果与讨论

视觉表征对于提高学习效果的关键在于图文的有机结合，即表征内容应当与文本内容密切相关，当教科书图文并用且具有一致性时，将有利于文字信息和图像信息在学习者头脑中整合，继而达到补充、完善和延伸核心知識概念的作用[9]。

从数据上看（见图9），所统计的教科书均没有与文本内容无关的视觉表征。值得一提的是，中国台湾版、新加坡版和美国版教科书中每一个视觉表征在正文中都可以找到相应的指引。大陆地区教科书的视觉表征与文本的相关性更高，但表征与文本无连接的情况较为突出，其中鲁科版教科书中与文本完全相关但无连接的视觉表征占比52.1%。如图10旨在说明镁闪光灯的工作原理，该选材基于真实的生活情境，与文本内容完全相关，并且是从宏观、微观和符号不同层面对反应过程及发生的变化进行阐释，是帮助学生发展三重表征思维的优质资源，但正文中却缺少“如图所示”的指引，可能会造成学生的忽视，使得视觉表征无法发挥其应有的功能。因此编者需提高对这一问题的关注和重视，注重在表征和文本间建立清晰明确的连接。

3.4  C4维度数据统计结果与讨论

标题是对视觉表征最简洁精确的概括，能让读者即使不看表征或文本内容就可以对视觉表征所传达的主题有大致的了解。根据结果（见图11）可知，基本上所统计教科书中的视觉表征都存在相应的标题，但有少部分视觉表征的标题在表述上存在不妥之处。如图12是人教版教科书在介绍氢气和氯气断键生成氯化氢的过程，但该视觉表征缺少标题。编者可基于文本及表征内容增设恰当的标题，以免给学生的阅读和理解造成影响。

4  研究结论与建议

4.1  研究结论

本研究比较了五版教科书化学键部分的视觉表征。通过分析发现，在C1维度，美国教科书偏向于使用多类表征，除此之外的四版教科书皆是以微观表征和多重表征为主。在C5维度，五版教科书中均不存在没有连接的多重表征，人教版和美国版教科书在多重表征内部连接的充分性上要稍弱于其他版本的教科书。在C2维度，五版教科书的视觉表征中清晰的表面注释比例都达到了70%以上，仅有极少部分表征的注释是模糊的。新加坡版和中国台湾版的教科书在注释的完整性上要优于其他版本教科书。C3维度，五版教科书中视觉表征和文本的相关性均较强，不存在与文本内容无关联的视觉表征，但人教版和鲁科版教科书中还存在部分与文本无连接的视觉表征。C4维度，人教版教科书中有部分表征缺少标题，美国版和中國台湾版教科书还有少部分视觉表征的标题存在不妥之处。

4.2  研究建议

通过以上总结和分析，笔者针对教科书视觉表征的设计以及教师对视觉表征的运用两方面提出了以下建议。

4.2.1  对教科书视觉表征设计编制的建议

化学键是帮助学生打开微观世界大门的“钥匙”，然而学生很难透过文字描述直接想象，故有必要借助恰当的视觉表征以辅助学生理解[10]。首先，就表征类型而言，可适当增加呈现有联系的多重表征，把微观水平同宏观、符号水平相结合，培养学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养，让学生在体会到三重表征思维精妙所在的同时感受到化学之美，进而达到美育的教学目的。其次，为防止学生从视觉表征中解读出错误的信息，应在表征内部增添一些可能是学生理解盲点的细节，从而降低学生的认知负荷，帮助学生获得更加完整科学的认识。最后，需注重在正文和视觉表征间建立直接的联系，避免学生忽视表征的存在，使得视觉表征无法发挥其应有的认知功能和价值。

4.2.2  对教科书视觉表征使用的建议与启示

视觉表征是化学教科书中不可分割的一部分，在促进学生概念理解和支持教师教学实践等方面发挥着重要作用。因此，教师应高度重视教科书中的视觉表征，深入挖掘其背后所承载的教育意义，从而有效地对教科书进行“二次开发”，将视觉表征应有的价值功能最大化。教师还需有意识地将视觉表征所蕴含的隐性知识“翻译”出来，并在课堂上明确地将其与显性知识建立联系。对于那些注释是隐含或模糊的视觉表征，教师可以巧妙地利用信息的缺失对学生进行引导性的提问，激发学生的好奇心和求知欲，帮助学生理解表征的“画”外之意。除此之外，教师还可以综合利用多媒体技术，将视觉表征化静为动。如在介绍氯化钠中离子键的形成时，教师可以利用flash动画将电子的转移过程、化学键断裂和形成的过程动态化，再结合课本上呈现的视觉表征，对这部分内容进行有效地整合，帮助学生深入理解，进而加强视觉表征的表现力和化学课堂的感染力。

参考文献：

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[4]张丙香， 毕华林. 中学生化学反应三重表征的困难及原因分析[J]. 教育科学研究， 2013， （6）： 67～71.

[5]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 81.

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[10]王磊， 孙影， 王洁. 我国现行初中化学教科书视觉表征的文本研究[J]. 化学教育（中英文）， 2021， 42（1）： 60.