內容可視化方法對科普效果影響的比較研究

[摘" "要] 內容可視化是提高科學普及效果的關鍵手段。本文基于視覺素養理論研究三種主流的內容可視化方法（圖像化、文本化和實例化）對科普效果的影響，對2018年贛南地區參與了科普推廣示范項目中地學科普活動的216名中學生進行兩階段問卷調查，并使用logistic回歸方法進行實證分析和比較。結果表明，不同的內容可視化方法對學生理解不同類型的地學知識的影響存在差異，實例化表征是最重要的模式。本文創新點在于證實了實例化表征的內容可視化方法可以得到更好的科普效果，對具有復雜知識體系的科普活動提供了新的方法證據。

[關鍵詞] 視覺素養" "實例化" "地學科普" "中學生

[中圖分類號] N4 [文獻標識碼] A [ DOI ] 10.19293/j.cnki.1673-8357.2022.04.003

科普是指以通俗化、大眾化和公眾樂于參與的方式，普及科學知識、倡導科學方法、傳播科學思想、弘揚科學精神，以提高全民族的科學文化素質和思想道德素質[1]。近年來，科研機構和政府越來越重視科普工作。科普工作者也意識到掌握科普技巧、使用有效的科普可視化方法將起到事半功倍的作用[2]。地學科普作為一項重要的教育活動，旨在提高公眾對基本地學知識與環境可持續發展的認知，是中學生第二課堂的常見活動，是促進地學知識大眾化教育的重要方式。地學知識貼近生活但也較難被理解。例如，生活中發生的地震災害，其背后的隱形殺手是大家不了解的“砂土液化”;大家常戴金項鏈，很多人卻不了解為什么會有金礦。傳統的知識講解方式會導致缺乏相關學術背景的受眾難以理解地學知識。因此，為了拉近大眾與科學之間的距離，激發大眾對地學知識的興趣與探索，地學科普工作者需要找到更有效的內容可視化方法達到更好的地學科普效果。本文基于視覺素養理論，將實例化作為一種新的內容可視化方法納入地學科普，研究圖像化（imagery）、文本化（text）和實例化（instantiation）三種內容可視化方法對理解復雜地學知識的影響和作用，并通過問卷調查收集一手數據，使用logistic回歸對三種內容可視化方法的作用效果進行實證檢驗，以期能夠幫助科普工作者設計更有效的知識表達方式提高科普效果。

1文獻回顧與研究假設

視覺素養是信息時代大眾的基本素養和技能，是“人們將視覺與其他感覺經驗相結合形成的一組能力”[3]。視覺素養理論指出，人們對于知識的認知取決于知識表達內容的可視化水平，有效的可視化識別方法可以更好地達到知識傳播的目的[4]。已有學者基于視覺素養理論，指出圖像化和文本化是兩種常見的內容可視化類型，并研究了兩種方法影響公眾教育的途徑[5-6]。哈特（Hart）等人研究了氣候變化新聞報道的內容文本化和圖像化會通過影響觀眾的個體感知影響觀眾的行為意圖[5]。有學者進一步討論了圖像化和文本化之間的個體理解差異[7]。圖像化表征是通過讀者視覺感知構建圖片內容的心理模型。例如，太陽系引力系統可以使用圖像或者視頻中的分布關系描繪八大行星的大小和間隔距離。文本化表征可以幫助讀者以命題的形式理解文本的語義內涵，例如，各大行星的基本介紹需要借助語言信息，用具體的單詞、短語和句式結構進行表述。根據視覺素養理論，圖1展示了圖像化與文本化兩種可視化方法的區別。

在此基礎上，本文提出了第三種內容可視化方法——實例化表征。實例化表征是強調以案例作為表達知識的載體，將圖像化和文本化的表征對應到案例中，通過更加形象的案例展現達到更好的知識傳播效果。在科普實踐中，實例化已經逐步成為重要的內容可視化方法，但是仍缺少實證證據證明該方法是否比其他方法（如圖像化、文本化）更加有效。本文將科普效果定義為科普受眾對科普活動傳播的知識、方法和技能的理解程度和掌握水平。以下將進一步分析三種視覺素養類型對科普效果的影響。

1.1 圖像化表征

圖像化表征是人們理解科普內容的重要可視化方式。在理解圖像內涵的過程中產生的視覺感知是由特定感官驅動的[8]。有學者研究了圖像化在不同科學知識體系中的影響，發現圖像具有更強的吸引力，能讓人產生更強的生理反應，從而更快地從中獲取重要信息[5-6]。朱洪啟的研究表明，生動的圖像更能喚起公眾的情緒，提升公眾的認知能力，更好地培養公眾的科學態度，達到更好的科普效果[9]。大量研究發現，在科普中有圖像補充說明的知識文本比沒有圖像補充的文本更容易讓人記住[5，7]。基于此，本文認為地學科普中的圖像化表征可以促進大眾更好地理解地學科普知識，并提出以下假設：

H1：圖像化表征對理解地學科普知識有積極作用。

1.2 文本化表征

不同于圖像化的心理模型機制，文本化表征強調的是讀者在理解文本內涵時，會通過文本結構、語義內容和所描述的主題來構建命題模型[7]。施諾茨（Schnotz）指出，文本化表征的建構過程依賴于對個體學習知識具有選擇和組織功能的認知圖譜[7]。這種方法將知識的語義理解嵌入知識體系中，使得文本擁有比圖像更強、更深刻的表達能力。例如，文本可以明確表達“不準破壞地質遺跡”，但圖像卻難以描繪出“地質遺跡”這個概念。有研究表明，科普中的文本可以提高個體的感知效能，促進公眾的知識理解[3]。基于此，本文認為地學科普中的文本化表征可以促進公眾更好地理解地學知識，提出以下假設：

H2：文本化表征對理解地學科普知識有積極作用。

1.3 實例化表征

實例化表征在教育心理學領域被認為是提升復雜知識學習效果的重要方式，同時也被廣泛應用于科普實踐過程中[5]。實例化表征是指“基于案例的描述來引入復雜內容或知識的一種生動的實例表達方式”[5]。它結合了圖像化和文本化的效果。圖像和文本能夠提高知識理解效率主要依靠其自身的特性，實例化表征可以通過整合文本和圖像的特性進行實例解說，以更生動的方式增強公眾對復雜知識的感知。例如，“一線天”實例化表征（見圖2）。

在大多數研究中，實例化策略表現為使用特定的案例介紹全新的科普知識。例如，達月珍等在向學生開展氣象科普時，從學生們熟悉或者容易理解的現象案例入手有效傳遞知識[10]。哈特和菲爾德曼（Feldman）為了測試在氣候變化教育中的公眾觀點和行為變化，設計了太陽能電池板、氣候抗議、洪水、煙囪煙霧四個案例[5]。實例化表征結合了語義內容和視覺感知，以案例為基礎促進受眾對復雜地學知識的理解。因此，地學科普中的實例化表征為公眾理解地學知識提供了一種新的方式。基于此提出以下假設：

H3：實例化表征對理解地學科普知識有積極作用。

基于以上假設繪制本文的研究模型，見圖3。模型中還包括了在教育和科普的研究中已證明會影響學習效果的4個控制變量，即年級、性別、知識積累和學習態度，以便控制潛在的個體效應。知識積累用于考察科普受眾在以往學習中了解的相關知識。受眾的地學知識積累越多，科普效果會因為知識認知的抵觸產生較差的效果。此外，學習態度是指科普受眾在以往學習中較為持久的肯定或否定的行為傾向狀態。積極的學習態度會培養學習者貫穿自我行為的情感意識，并在以往學習和經驗的基礎上形成對復雜知識學習的認知行為[11]。先前的研究表明，學生和公眾具備正確的學習態度時，會對學習知識產生興趣[12]。基于學習態度對學習效果的作用，本文認為在地學科普中，更積極的學習態度會促進受眾對地學知識的理解。

2 研究設計

2.1 數據收集和研究樣本

作為“全國重要地質遺跡調查”的科普推廣示范項目，“典型地質遺跡科普推廣示范”項目組于2018年在贛南地區的兩所中學開展了地學科普活動。本文采用便利抽樣的方法收集數據檢驗假設，邀請了參與科普活動的初一和初二兩個年級的280名中學生進行兩階段問卷調查。在過程中，用圖像化、文本化和實例化三種內容可視化方法幫助中學生學習地學知識。

本文重點關注地理或地質遺跡、地質公園、礦產資源3類地學知識。這3類知識屬于公眾在日常生活和學習中較難理解的知識，但卻是地學知識體系下科普的重點內容。地理或地質遺跡是由復雜的地質作用和多變的氣候形成的地質現象，數量豐富，種類繁多，具有重要的科普作用[13];地質公園作為重要的生態場所，以景觀資源為主體，是天然的地學實驗室，也是進行地學科普最直觀的場所和最重要的平臺[14];礦產資源以各種地質體的形式存在，我國礦產資源豐富，礦產種類較為齊全，同樣具有重要的科普意義[15]。科普這3類知識能有效增強中學生對地學知識的了解。

根據地理或地質遺跡、地質公園和礦產資源3類知識的體系，本文首先確定了12種基本知識點，對10名初中生進行了預調查，根據他們的反饋意見對問卷進行了修訂。最后在科普活動現場進行大規模問卷調查。調查分為兩個階段，首先在地學科普活動前，邀請280名中學生填寫第一部分問卷，問卷內容涉及個人信息、已有的地學知識積累和學習態度。接著在地學科普活動后，要求填寫了第一部分問卷的中學生再完成第二部分問卷，該部分問卷用于測量他們的學習效果。所有問卷均為匿名回答，最后整合兩部分問卷數據用于支持研究。

整個調查共回收266份問卷，剔除50份數據缺失過多的問卷，最終獲得216份有效問卷，有效回收率約為81.2 %。表1顯示了樣本描述性特征。有效樣本中性別的百分比與先前得到的266份問卷非常接近，卡方檢驗顯示沒有顯著差異（p gt; 0.05），因此不存在顯著偏差。

2.2 變量測量

選擇三種內容可視化方法作為自變量，圖像化、文本化和實例化是現有研究中確定的三種類型[5，7]。通過3個虛擬變量來表示不同內容可視化方法對地學知識理解的影響。將被調查群體認為有效的科普內容可視化方法編碼為1，否則為0。

選取前文提到的地理或地質遺跡（GH）、地質公園（GP）、礦產資源（MR）知識的學習效果作為因變量，使用虛擬變量來表示在地學科普活動后被調查群體對不同地學知識的學習效果，理解某類地學知識則編碼為1，不理解則編碼為0。

控制變量主要包含年級（Grade）、性別（Gender）、知識積累（KnowAccu）和學習態度（LearnAttu）4個控制變量。年級、性別（男性為0，女性為1）和知識積累情況的數據是通過學生進行題項內容選擇獲取的。由于缺乏科普領域的學習態度量表，本文自行設計了構念的測量題項，包括“學習能讓我學到更多的知識”“我很喜歡在學校聽老師上課”“沒到下課時間，我就想回家”“我每次上課都很認真”4個題目。問卷使用利克特五級量表（1 表示非常不符合，5表示非常符合）測量。

3數據分析

3.1 描述性統計

為了全面統計因變量、自變量和控制變量，本文使用SPSS Statistics 22.0進行描述性統計分析，結果見表2。可以發現，上述變量之間存在顯著相關關系。

3.2 Logistic回歸模型

為了檢驗中學生是否通過地學科普活動理解了3類地學知識，本文使用logistic回歸方法進行檢驗。根據假設，將地理或地質遺跡知識、地質公園知識和礦產資源知識的3個logit函數定義為：

使用Stata 15.0進行回歸分析。logistic回歸可分兩步進行：第一步是檢驗控制變量的影響;第二步是納入3種內容可視化自變量檢驗其影響。用LR卡方檢驗和偽R2檢驗來評估模型的整體擬合度。通過LR卡方檢驗，計算從基準模型（只包括截距）到本文模型中對數似然值（-2 Log likelihood）的變化，卡方差異在0.001水平上顯著，說明logistic回歸是較好的選擇。測量模型整體擬合度的另一個重要指標是與多元回歸模型中的R2測度指標相似的偽R2。本文Nagelkerke R2的解釋范圍為8.4 % ～ 26.77 %，表明這6個模型能夠解釋因變量的變異，模型預測準確性較高。

3.3研究結果

表3顯示了logistic回歸的結果。結果表明，4個控制變量對中學生地學知識的理解有不同程度的影響。以“理解組”為基線，檢驗自變量對地理或地質遺跡知識的影響力。結果表明，圖像化（β14=1.87，plt; 0.01）、文本化

（β15=0.71，plt;0.05）和實例化（β16 =1.10，plt;0.05）對中學生理解地理或地質遺跡知識均具有顯著的正向影響。對于地質公園知識理解，圖像化（β24=0.82，plt;0.05）、文本化（β25=1.16，plt;0.01）和實例化（β26=1.21，plt;0.01）對中學生理解同樣均有顯著的正向影響。最后，我們發現除了文本化（β35=0.57，pgt;0.05），圖像化（β35=0.64，plt;0.05）和實例化（β36=1.19，plt;0.01）對中學生理解礦產資源知識都有顯著的正向影響。假設檢驗的匯總結果見表4。

通過計算3種logistic回歸模型的敏感度和特異度來估計正確預測比例。圖4展現了敏感度和特異度的分布。 計算結果表明，對地理或地質遺跡知識、地質公園知識和礦產資源知識的理解分別可正確預測78.70 %、75.93 %和70.83 %。

4結論與討論

4.1 結論

本研究根據視覺素養理論，比較了科普中3種主要的內容可視化方法在地學科普中的作用效果。針對中學生地學科普的研究發現，在地學科普中，圖像化和實例化表征對中學生地理或地質遺跡知識的學習積極作用明顯。實例化對學習復雜的地學知識具有最重要的促進作用，特別是在對于地質公園知識和礦產資源知識的理解上，采用實例化方法促進學生理解知識的概率分別比圖像要高47.6%和86%。圖像化對于地理或地質遺跡知識的科普具有更強的積極作用。對于地質公園知識的理解則主要依賴于文本化和實例化表征;而對于比較抽象的礦產資源知識，文本化的作用不顯著，其可能的原因在于，雖然兩類知識均具有復雜特征，但礦產資源知識因遠離日常生活，文本表征難以達到知識傳播的要求。以上結果表明，針對復雜知識的科普，圖像化比文本更有利于科普知識的理解。

實例化表征在促進復雜的地學知識科普中發揮著最為關鍵的作用是本文最重要的發現。本文的研究設計和logistic模型估計擴展了哈特和菲爾德曼的研究[5]，證實了實例化表征的積極作用。

4.2 討論與實踐啟示

以上發現為科普工作者如何選擇使用效率與效果兼顧的內容可視化方法提供了重要證據。科普的內容可視化方法需要與科普對象和知識體系建立對應關系。表5歸納了3種內容可視化方法在科普中的應用推薦。首先，對于難理解的復雜知識的科普尤其應注重采用實例化方法進行科普。科普可以從生活中的常見現象入手，使用更加形象化的圖像、視頻、3D動畫或案例激發學習興趣，同時形象表達的效果也將有助于知識的理解和掌握，增強科普效果。其次，考慮到科普展陳方式、可保存性、成本等因素，針對易理解的簡單知識科普，可優先使用圖像化表征的方法。圖片帶來最直觀的視覺感受，可以迅速抓住公眾眼球，配以適當的文字和實例，能夠直接影響視覺感官和形象思維，達到便捷、快速地傳播科學知識的效果。

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（編輯" 李" "瑩" " 顏" "燕）

收稿時間：2021-10-20

基金項目：地質調查項目“典型地質遺跡科普推廣示范”（WT2018048B）;大學生發展與創新教育研究中心開放基金“新時代大學生科學素養提升路徑研究”（DXS202011）。

作者簡介：吳春明，中國地質大學（武漢）科學技術發展院副教授，研究方向：科學傳播、自然教育，E-mail：wcmcug@cug.edu.cn。