中學物理教科書插圖類型與知識類型匹配關系研究

吳林濤

(深圳科學高中 廣東 深圳 518129)

教科書是教學內容最重要的載體之一[1]．而插圖是教科書顯性結構的重要組成部分，插圖的使用合理與否，直接關系到教科書質量的優劣．然而，目前國內對教科書插圖的研究還不多，專門針對中學物理教科書插圖的研究更是鳳毛麟角．這在一定程度上造成了物理教科書插圖編制理論依據的缺失，影響了中學物理教科書插圖的質量．插圖類型與知識類型的匹配關系是影響教科書插圖效應的一個重要方面．對中學物理教科書中插圖類型與知識類型的匹配關系進行研究，探索插圖類型與知識類型的合理匹配關系，可以為中學物理教科書的插圖編制提供必要的理論依據，從而有利于提高插圖乃至教科書的質量．

插圖的分類方式有很多種，以插圖功能為分類標準的方式最能體現插圖的內在聯系，因而最受重視．萊文等人關于插圖功能的觀點[2]最具代表性，而梅耶對插圖的功能分類[3]也有很大的影響力．結合兩人的觀點，中學物理教科書插圖可以分為以下5種類型：

(1)裝飾性插圖——與教學內容沒有直接關系，但可以吸引學生的注意，激發學習興趣；

(2)表征性插圖——描述一個單獨的成分，與知識內容具有一定的關聯性或一致性；

(3)組織性插圖——描述事物之間的相互關系，或說明某個過程中的各個步驟等等；

(4)理解性插圖——以類推、比喻的圖解方式來解說抽象的或較難懂的知識內容；

(5)轉換性插圖——把教學的信息變換成具體的插圖，它可以獨立的表征某一完整的知識內容．知識也有不同的分類方式，安德森修訂后的布魯姆教育目標分類學對知識的分類方式,目前在國際上最具權威．

根據布魯姆教育目標分類學的知識維度，教科書中的知識可分為4個類型[4]：

(1)事實性知識——學習者在掌握某一學科或解決問題時必須知道的基本要素；

(2)概念性知識——某個整體結構中發揮共同作用的各基本要素之間的關系；

(3)程序性知識——如何做事的知識，探究的方法，運用技能的準則，算法、技巧和方法的知識；

(4)元認知知識——關于一般的認知知識和自我認知的知識．

在中學物理教科書中，不同類型的知識適合用不同類型的插圖進行表征，插圖類型與知識類型匹配合理有利于提高教科書的整體質量．

1 事實性知識與插圖

在中學物理教科書中，事實性知識主要體現為各種物理量的符號(如電流的符號為I)、單位及其符號(如力的單位為牛，符號為N)、一些重要參數的數值(如重力加速度g的值為9.8 m/s2)、科學家名字及科學事實(如倫琴發現了X射線)等．這些信息往往可以從一個更大的情境中分離出來．事實性知識一般比較零碎具體，卻很重要，是學生進一步學習的基礎．

這類知識的特點是分散的、孤立的內容元素．對于這類知識的學習，學生的主要認知任務是記憶．梅耶的多媒體學習生成理論認為，同時呈現相關的文字和插圖能夠促進學習者記憶[3]．而表征性插圖與文字描述具有關聯性或一致性，能夠描述一個單獨的內容成分．恰當的表征性插圖能夠將相應的事實性知識以圖像的形式恰如其分地反映在學生的頭腦中，有助于啟動學生的形象思維，形成圖像思維模型，從而有利于學生對事實性知識的記憶．裝飾性插圖與知識內容無關，不可能對事實性知識的記憶起作用．因為事實性知識不涉及事物的相互關系和變化過程，故組織性插圖也無能為力．事實性知識的表征一般都可以直接描述，所以也沒必要借助理解性插圖和轉換性插圖．因此，如果要利用插圖對事實性插圖進行表征的話，表征性插圖最合適．

2 概念性知識與插圖

概念性知識在中學物理教科書中主要包括：物質的分類(如能量的分類)、物理概念(如加速度的概念)、定律與定理(如牛頓定律、動能定理)、其他原理性知識(如加速度方向與速度方向的關系)、結構與模型(如原子結構)等．概念性知識在中學物理教科書中占有絕對的篇幅和地位，構成了中學物理教科書知識內容的主體．

概念性知識強調的是各成分之間的相互關系，是較大的、更有組織的整體知識[4]．物質的分類反映的是物質之間相互包含和分門別類的關系；物理概念多數是通過下定義得到的，往往包含了不同要素的相互關系，如加速度的概念反映的是速度的變化和時間的比例關系；定律與定理及其他原理性知識描述的是若干概念之間的關系，如牛頓第二定律描述的是加速度與力和質量三者之間的關系；結構與模型描述的是物體內部結構要素之間的關系，如原子核式結構模型描述了原子內部原子核和電子在整個原子中的位置關系、大小比例關系等．

裝飾性插圖與知識內容無關，表征性插圖只描述一個單獨的內容成分，不能描述各成分的相互關系，所以這兩類插圖都不能很好的表征概念性知識．梅耶的多媒體學習生成理論認為，有意義學習包含選擇、組織和整合3個過程．裝飾性插圖對這3個過程都沒有影響，表征性插圖只影響選擇過程[3]．故從學生學習的角度看，這兩類插圖也不能幫助學生整合有用信息和建立有效的心理模型，不能促進學生建構自身的知識結構，從而無法幫助學生對概念性知識進行有意義學習．

組織性插圖強調系統中各要素的關系或其程序與步驟，而概念性知識也強調各成分的相互關系，于是組織性插圖能夠較好的表征概念性知識．概念性知識的學習強調形成有組織的知識結構，需要建立起知識的圖式和心理模型[5]．梅耶的多媒體學習生成理論認為組織性插圖影響有意義學習的全部過程，能夠幫助學生選擇、組織和整合有用信息[3]，理清概念性知識中各要素的關系，建立有效的心理模型，在理解的基礎上建構自身的知識結構．例如，在“加速度方向與速度方向的關系”這一知識內容中設置兩幅插圖，利用不同顏色的有向線段分別描述一輛小車在速度增加和減小的情況下加速度方向與速度方向的關系．這樣，加速度方向與速度方向的關系便通過不同顏色的有向線段直觀明了地呈現給學生，直接進入學生的認知系統，這無疑會使學生更易于建立有效的心理模型，完成該知識的建構．

建構主義學習理論強調學生原有的經驗和知識結構，新知識的學習要以學生原有的知識經驗為生長點，從原有的知識經驗“生長”出新的知識經驗，建構新的知識結構．概念性知識包含要素間各種關系，有時候這種關系復雜而抽象，用直接表征的方式非常難懂．這時若用理解性插圖幫助學生理解，效果就會非常顯著．理解性插圖采取類推、比喻的方式，可以在相似之處利用具體事物作為模擬，對抽象復雜的原理或概念進行表征，幫助學生建立心理模型，使學生對陌生抽象的原理或概念理解為較為熟悉的具體形式的知識，從而建構到自己的知識結構中去．比如，對于“氣體壓強的微觀意義”這一知識內容，設置一幅“密集雨點打擊雨傘”的插圖，就可以使“大量氣體分子碰撞容器壁”這一學生相對陌生抽象的現象轉化為“密集雨點打擊雨傘”這一相對熟悉具體的現象，從而更容易整合到學生原有的知識結構中去，促進學生對“氣體壓強的微觀意義”這一知識內容的理解．

有些抽象的概念性知識難以用文字表征清楚，還有些概念性知識直接用插圖表征比用文字表征更加快捷明了，此時就需要把教學的信息直接變換成具體的插圖．轉換性插圖正好能解決這一難題．轉換性插圖可以獨立表征知識，把抽象的知識轉換成具體的圖像，以圖像的形式進入學生的認知系統，生成圖像思維模型，并整合到學生原有的知識結構中去，從而加強學生的理解，更有利于記憶．比如，對于中學生來說，“原子的能級結構”是個很抽象的內容，文字表征很難讓學生理解，但如果利用一幅“氫原子的能級圖”，就能夠將氫原子的能級結構完整而清晰地呈現給學生，便于學生理解．又如，若要對能量進行分類，利用文字表述可能顯得繁瑣，但若利用一幅能量分類的樹狀圖，各類能量之間分門別類的關系便一目了然，顯然更便于學生理解和記憶．

3 程序性知識與插圖

程序性知識在中學物理教科書中主要包括實驗操作流程、機械儀器的工作原理、例題等．程序性知識強調的是“如何做”，通常以一系列要遵循的步驟的形式出現[4]．實驗操作流程反映的是實驗如何操作的步驟，如打點計時器的使用方法；機械儀器的工作原理反映的是機械儀器如何運作的程序和過程，如四沖程內燃機的工作過程；例題反映的往往是運用相應原理解題的一般步驟，如在“歐姆定律”一節中設置一道例題，揭示運用“歐姆定律”解題的一般步驟．

梅耶的研究表明，利用一組連續插圖來描述因果系統中的逐步變化，可以幫助學生構建心理模型，促進有意義學習[6]．組織性插圖能夠揭示系統的工作原理，說明其程序或步驟，因而能夠很好地表征程序性知識．當組織性插圖被用來表征程序性知識時，往往以組合圖的形式出現，即以一組連續的插圖來表征一系列的步驟．例如，在“四沖程內燃機的工作原理”這一知識內容中，設置4幅連續的插圖，分別對應內燃機的吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程，就可以把內燃機整個工作過程連貫地呈現給學生，促進學生的理解．而表征性插圖只描述單個內容成分，有時也會對學生學習程序性知識的單個具體步驟有所幫助，但不利于整個過程的融會貫通和對各個步驟間關系的理解．所以，組織性插圖是表征程序性知識最有效的插圖．

4 元認知知識與插圖

元認知知識是有關認知的知識，目前國內外的中學物理教科書中都很少有體現這類知識的內容．元認知知識并不能簡單的從書本上獲得，它涉及學習策略、對學習任務及自身認知特點的認識等內容，需要學生長期的積累．元認知知識強調策略性，以及對認知情境和自身的認識．組織性插圖具備一定的邏輯性和層次感，對學生形成邏輯思維、建構元認知知識具有一定的幫助．

通過上面的討論可知，不同類型的知識適合用不同類型的插圖來表征：

(1)事實性知識適合用表征性插圖表征；

(2)概念性知識用組織性插圖表征最恰當，對于一些抽象難懂的概念性知識，用理解性插圖和轉換性插圖進行表征會起到很好的效果；

(3)程序性知識用組織性插圖表征最有效；

(4)元認知知識的表征可以從組織性插圖獲得一定的幫助．另外，裝飾性插圖僅起激發興趣的作用，與知識內容沒有直接聯系，不宜使用過多，否則會起到干擾學習的反作用．