化學教材圖表認知難度分析量表的設計及應用

占小紅+周少江

摘要：圖表是化學教材的重要組成部分，屬于非連續性文本范疇。化學教材中包含函數關系、數據等表征信息的非連續性文本型圖表（數據表格和坐標圖）占有較大比例，并存在較大的認知難度。本研究通過理論分析建立化學教材中非連續性文本型圖表的認知難度分析量表，并嘗試進行教材圖表認知難度分析實踐，為教材圖表優化提供參考。

關鍵詞：非連續性文本型圖表；認知難度；化學教材

文章編號：1005–6629（2015）4–0010–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文本是知識傳遞的重要載體，根據國際性學生評價項目PISA（Programme for International Students Assessment）的理論觀點，文本可以被區分為連續性文本和非連續性文本[1]。非連續性文本是有組織的矩陣格式、基于組合的列表，表現為單一或系列的表格、圖形、目錄、索引等形式。化學教材中包含了大量的圖表內容，而從非連續性文本的定義出發，化學教材中的表格或圖形等屬于非連續性文本范疇，在教材中占有著相當比例并發揮著重要的作用。《上海市中學化學課程標準》強調培養學生在化學學習中通過對實物、模型、圖形、圖表的觀察，獲取一定的感性認知，并進一步整理和加工，有序存儲，在分析和解決問題時能對實物、模型、圖形、圖表等表達作出解釋的能力[2]。而實際教學中，我們發現學生普遍表現出對非連續性文本型圖表認知的困難，特別是在閱讀和應用教材圖表時存在明顯的問題。為此，本文著眼于探討影響非連續性文本型圖表認知的因素，設計針對教材中非連續性文本型圖表認知難度的分析量表，為化學教材圖表認知難度的分析和把握提供依據。

1 非連續性文本型圖表及其特征

“非連續性文本”又稱“間斷性文本”，是相對于以句子和段落所組成的“連續文本”而言的閱讀材料，是基本由單一或系列數據表格、曲線圖、圖解文字組成的文本[3]。化學圖表通常是用來描述函數關系、呈現科學研究中的數據以及具體說明科學理論的表征信息的視覺圖像形式[4]，屬于非連續性文本的范疇，在此統稱為非連續性文本型圖表。本研究主要關注化學教材中包含函數關系、數據等表征信息的非連續性文本型圖表，主要涉及數據表格和坐標圖。此類圖表利用最簡單和直接的形式（點、線、數據等視覺圖像形式）表征事物錯綜復雜的關系，揭示事物或過程的本質或特征，具有直觀性、簡潔性和信息豐富性的特征。

2 非連續性文本型圖表認知難度分析工具設計

本研究以非連續性文本型圖表的認知過程為基礎，針對圖表認知的若干階段，探討此類圖表認知的影響因素，據此構建適用于教材中非連續性文本型圖表認知難度的分析量表。

2.1 非連續性型圖表認知過程分析

奈瑟爾認為，“認知就是通過對感覺輸入進行簡化、轉換、加工、存儲和提取的全部過程”[5]。圖表的認知能力是人類智能的組成部分之一。結合一般的認知過程，可以將圖表認知看作由如下若干階段構成：（1）對于圖表中的視覺圖像形式進行編碼，將重要的視覺信息編碼、識別。（2）將已經編碼的視覺特征與其表達的概念聯系起來，即一般認知過程的加工階段。（3）確定視覺對象之間的關系（函數關系），是加工與運用階段[6]。概括而言，圖表的認知過程主要包括編碼（識別）、加工、儲存、運用。非連續性文本型圖表的認知過程遵循圖表認知理論，主要包括對非連續性文本型圖表視覺特征信息進行提取、識別、加工、儲存和運用。根據非連續性文本型圖表的特征，信息的提取和加工為認知過程的最核心階段，其中信息的獲取是指對圖表中的視覺圖像形式進行編碼并識別出重要信息，信息的加工是指學生對已編碼的信息進行抽象、聯系、比較和概括，準確全面獲取圖表的概括性或結論性的信息。

2.2 非連續性文本型圖表認知難度構成及因素分析

結合文獻分析[7～9]，影響化學圖表認知能力的因素有很多，有化學圖表自身條件所產生的影響，也涉及學生已有化學知識水平、心理因素等。本研究主要關注非連續性文本型圖表設計本身對學生認知產生的影響。鑒于信息的提取和加工是非連續性文本型圖表認知的核心環節，學生在觀察圖表、識別表征信息以及作出概括性或結論性判斷的過程中，非連續性文本型圖表自身質量和內容信息表征的效果成為影響圖表認知的關鍵。據此，我們初步提出了非連續性文本型圖表認知難度的兩個基本維度，即質量難度與內容難度。質量難度是由圖表設計發行環節所決定的，包括圖表的清晰度、形式和色彩等因素所引起的認知難度；內容難度包括關聯要素、關聯類型、關聯的呈現方式和無關要素等方面產生的認知難度。具體如表1所示。

2.2.1 質量難度

圖表質量是指圖表設計的優劣程度，通常考慮圖表是否規范、清晰、美觀等方面，這些直接影響到學生對圖表信息的識別和編碼。鑒于化學非連續性文本型圖表中涉及點、線、數據等信息，圖表的清晰度、形式和色彩三個因素會對學生圖表認知產生關鍵作用。

（1）清晰度。圖表清晰度是指圖表上各細部影紋及其邊界的清晰程度。非連續性文本型圖表中的物理量、數據、圖線、細部影紋及其邊界分明，表明清晰度高，清晰度高的圖表有利于學生對圖表信息進行識別和編碼。我們將圖表清晰度區分為三水平，相應的表現性標準見表2相關內容。

（2）形式。圖表形式是指圖表的外形，包括表格、折線圖、條形圖、柱狀圖、餅圖、框圖、數軸圖等。不同的教學材料適用不同的圖表形式表達。1989年，英國的教育科學測驗部對多種圖表進行比較，得出其各有特色。比如，框圖與坐標圖相比：框圖易于提取主要信息，但不突出被描述對象間的關系；數軸圖易于比較橫縱坐標間的關系；餅圖易于展示各對象的比例關系。所以，要根據具體的教學信息選擇最合適的圖表形式，以降低認知難度。圖表形式因素的三水平表現性標準見表2相關內容。

（3）色彩。圖表的色彩是指使人們得以區分在形狀、大小或結構等方面皆完全相同的物體的視覺或知覺現象。圖表要激發讀者學習的欲望，必須要滿足讀者的視覺心理，即要使人能感覺出色彩的差異（即圖片的層次感）。當色彩差異越豐富，越適應人的辨析能力；顏色的選擇越能增強版面美觀，越符合讀者的認知習慣，認知難度越低。圖表色彩因素的三水平表現性標準見表2相關內容。

2.2.2 內容難度

非連續性文本型圖表內容是指圖表中的物理量或變量、點、線、數據、文字等。物理量或變量（又稱要素）是非連續性文本型圖表的核心部分，圖表通常側重于表達多個要素及其關系的信息，而要素的多少、要素間關聯的復雜程度和提示強弱等會直接影響學生對圖表信息的識別和編碼以及對信息的加工。

（1）關聯要素。通常情況下，非連續性文本型圖表中關聯要素越多，圖表反映信息的復雜程度越高，認知難度越大。關聯要素的三水平表現性標準如表2相關內容所示。

（2）關聯類型。包含關聯要素的圖表中，要素關聯可以區分為邏輯關聯和非邏輯關聯兩種。邏輯關聯是指各對象間存在順序或屬性關系，可進一步區分為簡單邏輯關聯和復雜邏輯關聯。簡單邏輯關聯是指只存在簡單的因果、從屬、對比等關聯，通常可以直觀地看出描述對象間的關系。復雜邏輯關聯則是指要素之間的關聯建立在數學計算之上。可以認為，圖表要素存在邏輯關聯較之非邏輯關聯的認知難度要低，存在邏輯關聯的圖表中，涉及簡單邏輯關聯的圖表較之復雜邏輯關聯的圖表認知難度要低。關聯類型的三水平表現性標準如表2相關內容所示。

（3）關聯的呈現方式。關聯的呈現方式是指圖表中關聯要素之間的排列方式、要素關系的說明或提示等。根據要素關系提示的強弱可將關聯的呈現方式分為直接呈現、隱性提示和不提示。直接呈現是指通過要素排列、文字說明等方式直觀表現要素之間的關聯。隱性提示是指觀察圖表內容無法直接獲取要素的關聯信息，但圖表中借助提示性的語言或強調方式，引起讀者注意進而分析判斷要素的關聯。不提示即代表圖表中無任何針對要素關聯的提示性信息，需要讀者自主分析判斷。通常情況下，提示越少，越不明顯，認知難度越大。關聯的呈現方式的三水平表現性標準如表2相關內容所示。

（4）無關要素。無關要素是指在圖表中包含干擾要素，需要經過分析排除干擾因素的影響才能建立正確的圖表要素關聯。可見圖表中無關要素越少，認知難度越低。無關要素的三水平表現性標準如表2相關內容所示。

2.3 非連續性文本型圖表認知難度分析量表的生成

根據以上對非連續性文本型圖表認知難度構成及因素分析，以及各因素三水平表現性標準的確立，形成了如表2的非連續性文本型圖表認知難度分析量表。其中各因素的賦值方式為：達到水平3賦值為“3”，水平2賦值為“2”，水平1賦值為“1”，每張圖表認知難度最低分值為7分，最高可達21分。評價者根據各因素三水平表現性標準對圖表認知難度水平進行分析判斷，并進行相應評分。

3 高中化學教材中非連續性文本型圖表認知難度分析

本研究選取國內某版高中化學選修3《物質結構與性質》教材為研究對象，采用上述量表對該教材中的非連續性文本型圖表認知難度進行嘗試性分析。根據化學非連續性文本型圖表的界定，對教材圖片進行識別和編碼，確定教材中22個圖表為分析對象，并按照認知難度因素對各圖表進行逐一分析和判斷，其結果見表3。

由表3可知，22個非連續性文本型圖表認知難度平均分值為10.7，整體認知難度不高。在兩個認知難度維度中，內容難度大于質量難度。在質量難度維度中，清晰度對認知難度的影響最小，色彩產生的認知難度最大。而在內容難度維度中，關聯要素的影響最為突出，它也是在所有因素中影響最大的。各因素的結果分析具體如下：

3.1 質量難度

根據表3的統計結果，質量難度各因素的平均分值達到31.3，其中色彩因素產生的認知難度影響最大。

（1）清晰度。由22張圖表的分析結果可知，所有圖表的清晰度都達到水平1，清晰度上得到了保障。

（2）形式。從分析結果可以看出，大部分圖表的形式與表達主旨相匹配，但有少數圖表形式不能突顯其主旨，造成了認知困難。如教材第21頁圖1-26，采用條形圖表現第三周期各元素電負性變化的效果不如曲線圖更為切合。

（3）色彩。從分析結果不難發現，教材中色彩豐富、能引起讀者興趣的非連續性文本型圖表并不多，大多數圖表色彩單一，對于各要素的區分較難。如教材第6頁表1-1包含大量元素基態原子的電子排布信息，卻使用單一色調，造成了辨識困難，也易引起閱讀疲勞。

3.2 內容難度

內容難度各因素的平均分值為35.5，高于質量難度，其中關聯要素的影響較為明顯。

（1）關聯要素。由分析結果可知，反映三個及以上要素關聯的圖片比例達到了60%，造成了一定的認知困難。如教材第6頁表1-1，涉及原子序數、元素名稱、元素符號以及電子分層排布等要素，信息量大且復雜，加重了學生的認知負荷。

（2）關聯類型。分析結果顯示，多數圖表以簡單邏輯為主。如教材第19頁圖1-21通過折線描繪了元素第一電離能的周期性，只需經過簡單對比分析即可發現和概括圖表信息的意義。

（3）關聯的呈現方式。統計結果表明，50%的圖表采用在圖表前后位置給予文字說明的直接呈現方式，降低了認知難度。

（4）無關要素。教材在設置圖表要素時幾乎未涉及干擾要素，不包含無關要素的圖表比例達到了100.0%。

4 結論及啟示

4.1 研究結論

本研究在界定化學教材非連續性文本型圖表和進行特征分析的基礎上，探討了該類圖表認知的過程，并結合文獻分析提煉了非連續性文本型圖表認知難度的構成因素和三水平表現性標準體系，據此形成了適用于分析化學教材非連續性文本型圖表認知難度的分析量表。在對某版本高中化學選修3教材非連續性文本型圖表認知難度的進行嘗試性分析的同時，不僅檢驗了該分析量表的適用性，也發現了一些需要進一步完善的問題。主要包括是否只需考察內容難度維度，因為質量難度維度所涉及的因素均依據一定的出版發行要求，有相應的規范制約，整體而言教材圖表設計在這方面表現較好，尤其是清晰度因素；在內容難度維度中，由于教材圖表設計幾乎很少涉及無關要素，從指標設置的現實意義出發，無關要素因素也可以考慮去除。此外，對于一些因素表現性標準的描述需要進一步清晰化以增強判斷的準確性，如圖表形式與表達主旨的一般對應關系是什么、隱性提示的表現包含哪些方面，等等。

4.2 研究啟示

通過對某版本高中化學選修3教材非連續性文本型圖表認知難度的嘗試性分析發現，化學教材非連續性文本型圖表中色彩、關聯要素、關聯類型、關聯的呈現方式等因素引起的圖表認知難度較為突出，這為教材圖表設計的優化提供了有益的參考。化學教材非連續性文本型圖表設計需要切實關注使用恰當的色彩、形式表征信息，以增強圖表信息的辨識效果、契合不同的表達主旨；教材圖表旨在為學生提供科學研究獲得的數據或結果，因此不需要設置過多的認知障礙，可考慮盡量避免涉及復雜邏輯推理的思維操作，并盡可能直接呈現或提示要素的關聯，以便學生準確有效地獲取圖表信息，形成良好的圖表閱讀習慣。

參考文獻：

[1] OECD. PISA 2009 Assessment Framework： Key competencies in reading [M]. Paris： mathematics and science. 2009：23～70.

[2]上海市教育委員會.上海市中學化學課程標準（試行）[S].上海：上海教育出版社，2004.

[3]張衛其.非連續性文本的教學策略[J].教學月刊，2012，（7～8）：17～20.

[4]彭聃齡，張必隱著.認知心理學[M].杭州：浙江教育出版社，2004：3～8.

[5][6]王曉平等.圖表理解的認知機制及其教學策略[J].江西教育科研，2007，（8）：103～105.

[7]陳本松.從認知心理學的角度看圖表在教科書中的應用[J].中國科技信息，2009，（10）：230～240.

[8]廖輝.教科書圖表設計的若干問題探討[J].樂山師范學院學報.2005，（4）：130～133.

[9]孫文英.數學非連續性文本閱讀心理過程初探[J].林區教學，2012，（4）：92～93.