改革開放以來我國初中化學教科書視覺表征的演變

王磊 許敏 孟潘 孫影

摘要以人教版7套不同時期的初中化學教科書為樣本，借鑒Gkitzia等人編制的分析框架，分析了各時期初中化學教科書中視覺表征的演變趨勢。結果發現，自改革開放以來，我國初中化學教科書視覺表征的編排設計在表征類型、表征注釋及表征與文本的關聯維度都呈現出一定的變化，而在表征標題及多重表征間連接維度的變化較小。最后，結合研究結論對今后化學教科書的編寫和使用提出建議。

關鍵詞教科書；視覺表征；初中化學；演變趨勢

1 引言

教科書是課堂教學的資源，其中的文本內容用于明確地傳達信息，視覺表征則發揮重要的輔助作用^[1]。所謂視覺表征即為描述概念或現象的視覺對象（如照片、插圖、影像等）。良好的視覺表征不僅能傳遞科學知識，還能輔助學生理解復雜概念^[2]，因此，需要關注教科書中的視覺表征。對于化學教科書中的視覺表征，則不僅需要關注一般學科均普適性的分析要素（如標題、位置與文本的關系等），還應著眼本科學的特點——從三重表征的視角看待教科書中的視覺表征。因為三重表征是化學學科特有的思維方式，Johnston認為想要真正地理解化學，必須能夠靈活自如地從宏觀向微觀轉換，并能夠使用恰當的符號進行表征^[3]。三重表征自提出以來在化學教育領域已引起廣泛地關注，研究也表明學生在不同表征之間的轉化存在一定的困難^[4]。因此，對于化學教科書要合理組織宏觀、微觀和符號表征，幫助學生從不同層次認識化學。

然而，目前我國有關化學教科書視覺表征的研究中，較少基于學科特點分析教科書中表征的構成設計，多數研究關注教科書中視覺表征的物理要素，如對于表征的數量、類型、位置等的分析^[5，6]。另外，我國化學教科書的發展歷史悠久，期間積累了豐富的教科書資源，通過對于教科書縱向的演變分析，能更好地反映其變遷與發展，有助于汲取有利經驗也反思存在的問題。從現有研究看來，對于不同時期化學教科書演變的研究較少，更多是對于不同本版、不同地區教科書的研究。基于此，本研究以我國不同時期的化學教科書為樣本，以教科書中的視覺表征為切入點展開分析。研究旨在揭示我國初中化學教科書中視覺表征的演變與發展，為今后化學教科書中視覺表征的編選提供啟迪。

2我國初中化學教科書發展背景介紹

改革開放以來我國化學教科書的發展可以劃分為3個階段，分別是恢復與調整（1978-1985）、深化與發展（1986-2000）、探索與更新（2001-?）時期^[7]。最早依據《全日制十年制學校中學化學教學大綱（試行草案）》編撰了1978年版初中化學教科書，并在此基礎上依據現實需求調整難度，編制成1982年版初中化學教科書。時至1986年11月，全國中小學教材審定委員會審定并通過修改后的《全日制中學化學教學大綱》，人民教育出版社于1987年開始據此修訂、出版化學教科書^[8]，其中初中部分內容與1982年版基本相同^[8]。20世紀90年代，素質教育背景下的教育改革興起，人民教育出版社于1994年編寫九年義務教育初級中學化學教科書^[9]，并于2001再次修訂出版。21世紀初，教育部頒布《全日制義務教育化學課程標準（實驗稿）》并據此編訂初中化學教科書。2011年《義務教育階段化學課程標準（2011年版）》頒布，次年2012年版初中化學教科書問世。

3 分析框架

有關化學教科書中視覺表征的分析框架很多，其中Gkitzia^[10]等人建構的分析框架，吸收了Johnstone^[3]三重表征理論及眾多心理學研究成果（表1）。在國際上，該框架廣泛應用于美國^[11]、尼日利亞^[12]等國家化學教科書的研究，國內，該框架也成功地用來分析我國初中、高中化學教科書中的視覺表征^[13，14]。Gkitzia^[10]在該分析框架中提出6種不同的表征類型來描述化學中特有的表征方式，同時，該框架對于表征注釋、標題等也提出相應的分析標準。后文將詳細介紹各個分析維度的評定方式（鑒于C5與C1關系密切，故將這兩個維度一起分析）。

3.1 表征類型（C1）和多重表征間連接（C5）

C1維度共有6個亞類，分別是宏觀表征、微觀表征、符號表征、多重表征、多種表征和多類表征。其中宏觀表征、微觀表征和符號表征即為三重表征。多重表征和多種表征是在三重表征的基礎上衍生而來。所謂多重表征，是指某一表征中同時使用兩種或三種表征方式描述同一物質。如圖1，同時用宏觀表征和微觀表征描述石墨，其中石墨的實物屬于宏觀表征，石墨的微觀結構屬于微觀表征，故該表征類型定為多重表征。

多種表征是兩種或三種表征方式之間相互補充形成一個表征。如圖2，同時出現了宏觀表征和符號表征，但兩者并非表征同一個物質，而是分別表征蠟燭和二氧化碳，所以該表征類型定為多種表征。多類表征則不僅要求有宏觀、微觀和符號表征中的一種或多種，同時還要有其他的描述方式（如類比等）。在圖3中，同時存在微觀表征和類比的描述方式，該圖意在闡釋C₆₀的分子結構，其中有C₆₀的分子結構微觀示意圖，并用足球進行類比解釋，所以該表征類型歸為多類表征。

對于多重表征間的連接（C5），以圖1為例，該多重表征中宏觀表征部分與微觀表征部分通過藍色的折線進行連接，由此認為在該多重表征中，不同表征方式之間有充分連接。反之，若兩種表征方式間未建立連接，則可以根據清晰程度不同定為“不充分連接”或是“無連接”。

3.2 表征注釋（C2）

C2維度有3個亞類，分別是清晰的、隱含的和模糊的。若某表征中，有注釋清晰指明其中各部分的含義，則認為該表征注釋是清晰的。若不能充分闡明表征的含義則依據清晰程度不同分為隱含的或模糊的。如圖4，在該表征中各部分都有清晰的文字說明，簡單閱讀即可了解其含義，故該表征注釋定為清晰的。以此類推，如果注釋不能較好地輔助理解表征中的內容，則可以依據信息給予的程度不同定為“隱含的”或“模糊的”。

3.3 表征與文本的關聯（C3）

這一維度主要關注表征與對應的文本內容的相關性，以及表征與文本之間是否建立連接。關于表征與文本的相關性可分為3個層次，分別是完全相關、部分相關和不相關。在表征與文本建立連接的角度有兩個層次，有連接或無連接。兩個角度結合，最終形成5個亞類，分別是完全相關且有連接、完全相關但無連接、部分相關且有連接、部分相關且無連接和不相關且無連接。如圖5，該表征是高錳酸鉀制取氧氣的實驗裝置圖。其與對應文本完全相關，并在文本與表征之間有連接（文中有“如圖2-14”，表征中有圖號“圖2-14”），所以認為該表征與文本完全相關且有連接。

3.4 表征標題的適切性（C4）

關于表征標題的適切性有3個不同的水平層次，分別是合適的、有問題的和無標題。圖6通過微觀和符號的形式描述了HCl與NaOH在水中解離成自由離子的過程。教科書中給定的標題是“HCl和NaOH在水中解離出離子”，這一標題簡明概括了對應表征的內容，由此判定該標題為“合適的”。反之，如果給出的標題不能完整描述這一過程，可認為標題是有問題的，若沒有標題則定為無標題。

4方法

4.1?樣本選擇

當前，我國初中化學教科書有多種版本，人民教育出版社是其中的一支重要力量。人教社編寫的教材質量高，為全國中小學所通用，即使在“一綱多本”的時代，人教版教材也是在全國使用量最多的^[15]。因此，最終確定以人民教育出版社于1978年、1982年、1987年、1995年、2001年、2006年和2012年出版的7套教科書為分析樣本。各樣本詳細信息見表2。

4.2 分析過程

采用內容分析法對研究樣本進行統計分析。具體而言，對7版教科書中視覺表征進行逐一編碼，并將每個表征進行不同維度的歸類統計，依據定量的數據分析發現其中存在的規律。由于本研究重在分析化學基礎知識技能類表征，故對于人物肖像圖、化學職業介紹等科普性內容未做統計。此外，教科書中前言、習題、附錄等部分也未計入統計結果。為確保統計結果真實可靠，本次統計分析工作由兩位編碼者共同完成，經一致性檢驗兩位編碼員的編碼結果達到較高一致性，在5個維度兩位編碼員之間的一致性分別達到0.953、0.949、0.988、0.985和1.000。其后，兩位研究者在獨立編碼的基礎上對7版教科書中所有表征編碼結果一一進行核對，對于編碼不一致處進行商討并重新編碼。由于7版教科書中表征總數不盡相同，故在后續分析中主要采用百分比數據。

5 結果與討論

通過統計分析，發現我國化學教科書中視覺表征的編選在各個維度中都呈現出一定的變化規律，將逐一進行討論。由于C5維度僅是描述多重表征間是否建立連接，現將其納入“多重表征”中分析。

5.1 視覺表征在C1維度的演變

圖7展示了7版教科書中視覺表征在C1維度的演變趨勢，可以看出各種類型的視覺表征在多版教科書中都有使用，但是所占比例會有起伏變化。

宏觀表征的占比在7版教科書中均超過60%，且隨時間推移有增長趨勢，這可能與教科書中與實際生活相關的表征增多有關。從20世紀70年代到21世紀，初中化學愈發強調化學基礎知識與社會生活的關聯^[16]，而這類表征通常都是以宏觀的形式出現，直接使用圖畫或照片展示化學與日常生活的關聯。微觀表征的使用量逐年減少，在12版中微觀表征已不足2%，這一方面是由于表征基數增大，另一方面是因為部分的微觀表征逐漸演變成為宏觀-微觀或宏觀-符號結合的多重表征。例如關于水分解的圖示，在78版-01版教科書中都僅是使用微觀表征（圖8，左），從06版開始改進成為微觀-符號結合的多重表征（圖8，右）。符號表征是連接宏觀與微觀的橋梁，其使用量僅次于宏觀表征，但比例有所減少。

多重表征的占比呈增長趨勢，在12版中已達到6.44%。同時發現，教科書中多重表征大多數都充分連接，僅在06版和12版中分別出現1例和2例未建立連接的表征。分析也發現，不同時期教科書中多重表征的設計方式也不盡相同。在78版初中化學教科書中僅有微觀-符號的多重表征，20世紀80、90年代出現了宏觀-符號的多重表征，進入21世紀，多重表征的設計方式再次變化，開始使用宏觀-微觀的多重表征。推測這種變化一方面與科學技術的發展有關，另一方面也與對于“從微觀看化學”的關注有關。正如在21世紀的課程標準明確提出“幫助學生用微粒的觀念去學習化學，從五彩繽紛的宏觀世界步入充滿神奇色彩的微觀世界”^{[17，18]}，這是前期教學大綱中所未見的。這些變化都在一定程度上使得多重表征增多。然而，仍需明晰的是多重表征在各時期的使用量均不足10%，且未發現宏觀-微觀-符號三者結合的多重設計，這一現狀仍需要繼續關注。

多種表征在各版教科書中的呈現方式較為相似，不同版本間的差異僅表現在數量的起伏。分析發現7版教科書中的多種表征均采用宏觀-符號結合的設計方式，且都集中在有關“C”“H”相關物質化學性質的學習中。20世紀70年代教學大綱僅對“H”相關物質的化學性質提出學習要求，未涉及“C”有關物質。20世紀80年代、90年代則是對于“C”“H”相關物質的化學性質都有學習要求。21世紀頒布的兩版課程標準較多保留對于“C”有關物質化學性質的學習，有關“H”的學習較少。這種學習內容要求的變化導致20世紀80年代和90年代的教科書中多種表征較其他兩個時期更多。

多類表征在06版教科書中首次出現，并在12版中繼續延用，且在兩版教科書中的使用量均達到2.4%。多類表征在06版教科書中“突現”并且在12版中保持“穩定”的現象，可能與2001年頒布的義務教育課程標準（實驗稿）首次提到“要通過想象、類比、模型化等方式使學生初步理解化學現象的本質”^[18]，且這一要求在義務教育課程標準（2011版）中繼續延用相關。可見，不同時期對于知識呈現方式要求的變化會影響著視覺表征的選用。同時發現，在我國初中化學教科書中多類表征均與類比結合。類比的確能在一定程度上促進學生理解抽象概念，但對于類比的使用也需要謹防其造成學生對于概念的曲解^[19]。

5.2 視覺表征在C2維度的演變

C2維度的統計結果如圖9所示，整體呈現出了比較規律的變化趨勢。

自改革開放以來，我國初中化學教科書在表征注釋維度有所改進，整體呈現出清晰注釋增多、模糊注釋減少的變化趨勢。在06版和12版教科書中表征注釋為“清晰的”均已超過60%。此種變化在一定程度上體現了教科書編排對于表征注釋的關注，例如對于滅火器原理的示意圖的設計（圖10），在78版教科書中Ⅰ、Ⅱ兩部分都沒有注釋，直至06版教科書才給出Ⅰ部分清晰注釋。注釋為“隱含的”表征所占比例變化較為平穩，在06版中“隱含的”表征注釋最少僅19.02%，其他各版本中表征注釋為“隱含的”占比均約為35%。教科書中出現“隱含的”表征注釋多為正文部分有文字說明，而在表征中沒有詳細的標注。表征注釋為“模糊的”表征在各版本中占比均較少，從95版開始已不足10%。

5.3 視覺表征在C3維度的演變

就C3維度而言，不同時期教科書中的表征均與文本內容密切相關，不同表征間的區別僅在于是否與文本建立連接。統計結果顯示（圖11），在78版、82版和87版教科書中未建立連接的表征均少于5%。從95版開始無連接的表征數增多，在95版和01版中無連接的表征量分別達到40%和33.07%。時至06版和12版，無連接的表征量已超過50%。

推測06版及12版中大量出現“無連接”的表征，可能與從21世紀開始初中化學教科書使用彩色印刷有關。彩色印刷的教科書色彩豐富，會利用一些色彩或線條區分不同板塊內容，如此，即使未連接也能定位相關表征材料。例如2012版教科書中自制白糖晶體的課外實驗附有相應的表征（圖12），且該表征與文本內容無連接，但由于與此無關的內容（此內容上方部分）被限定在藍色方框中，所以學生能夠輕松地將實驗的文字描述與對應表征匹配。盡管如此，表征與文本連接的缺失實屬會在教學中造成不便，已有研究也指出教科書中的連接能提示學生何時查看表征，幫助學生在概念上整合材料^[20]。因此，教科書仍需重視表征與文本間的連接的建立。

5.4 視覺表征在C4維度的演變

表征標題能夠指導學習者關注其中的重要內容。由統計結果可知（圖13），在我國多版初中化學教科書中標題為“合適的”比例超過95%，“無標題”的表征量甚少，在各版教科書中均少于4%，標題為“有問題的”表征在各版教科書中也均少于5%。由此，可以認為，我國初中化學教科書一直較為重視表征標題的設計，但也有可繼續完善之處。如2012版教科書在介紹氫氣還原氧化銅實驗時，對于試驗前后的兩幅表征均未擬定標題（圖14），如此會對教科書的閱讀形成不便，編者可以對此類表征增加標題以輔助理解。

6?結論與啟示

6.1 研究結論

本研究通過定量分析總結出我國初中化學教科書中視覺表征的演變趨勢。研究發現，我國初中化學教科書表征類型豐富，各種表征類型均有使用，且都以宏觀表征為主，其中多重表征的設計方式在不斷地創新。在表征注釋維度，清晰的注釋有所增多，但注釋模糊的或隱含的表征也仍然存在。20世紀90年代開始我國初中化學教科書中出現大量與文本未建立連接的表征，在06版、12版中表現更為明顯，不過教科書中所有表征都與對應文本內容相關。研究也發現，我國初中化學教科書一直較為重視表征標題的設計，教科書多數表征標題都是合適的。

6.2 啟示建議

依據對于我國初中化學教科書中視覺表征研究所得結果，對今后教科書編排以及教學應用提出幾點建議。

第一，教科書中要適當增加多重表征的使用量，在設計方式上可考慮使用宏觀-微觀-符號三者結合的多重設計。因為現有研究發現學生在不同表征間進行轉化存在困難，然而，對一種化學現象的全面理解需要實現不同表征間的靈活轉換。

第二，教科書中使用多類表征時考慮結合多種描述方式，若與類比結合使用需說明目標表征和類比表征之間的聯系。因為類比表征無法全面地描述目標概念，要在學生理解類比概念和目標概念，并知道兩者之間關聯的基礎上，類比才能發揮作用。

第三，教科書編排時需重視在表征與文本間建立連接。教科書視覺表征中的連接作為一種索引，能幫助學生快速將表征與文本建立聯系。由此，建議在表征和文本之間建立相應連接。

第四，教師在授課過程中需要合理組織和使用教科書中的視覺表征，也要積極參考其他版本的教科書或是借助網絡資源完善不充分的表征，科學地對教科書進行“二次開發”。

參 考 文 獻[1] Corradi D， Elen J， Clarebout G. Understanding and enhancing the use of multiple external representations in chemistry education[J]. Journal of Science Education and Technology， 2012， 21（6）： 780-795.

[2] CHENG M m-w， Gilbert J K. Students visualization of diagrams representing the human circulatory system： the use of spatial isomorphism and representational conventions[J]. International Journal of Science Education， 2015， 37（1）： 136-161.