基于雙重編碼理論的化學教材插圖教學

劉錦圳 張賢金 孔祥斌

摘? ? ? 要 插圖教學以教材插圖為據點，能幫助學生找到知識的落腳點并建立起知識點之間的聯系，培養學生用圖像思考和學習的能力。以“化學煙火氣”的教學為例，基于雙重編碼理論闡釋在圖像學習的三個階段中運用化學教材插圖將關注具體知識獲得的教學轉變為注重學科認識方式發展的教學，并結合教學實踐圍繞視覺刺激、信息加工、視覺映像的形成、視覺思維的發展等方面提出教學策略。

關 鍵 詞 雙重編碼理論? 教材插圖? 視覺素養? 學科認識方式

引用格式 劉錦圳，張賢金，孔祥斌.基于雙重編碼理論的化學教材插圖教學[J].教學與管理，2023（28）：51-53.

化學是一門從分子層次認識物質，以實驗為基礎研究物質的自然科學[1]，其學科特點決定了教材內容必須借助有形的、直觀的、簡捷又生動的插圖來呈現。因此，本文基于認識系統的雙重編碼理論，以“化學煙火氣”微專題教學為例，對插圖意象進行表征、關聯和參照加工，并通過多圖聯動的方式引導學生進行多角度思維，將關注具體知識獲得的教學轉變為注重學科認識方式發展的教學。

一、雙重編碼理論和插圖教學的關聯

1.雙重編碼理論

雙重編碼理論是一種認知理論，是由心理學家佩維奧（Paivio）創建的[2][3]。其主要觀點是人的認知系統中存在著兩個功能獨立卻又互相聯系的認知子系統，分別負責語言和心理映像的表征與處理。負責語言的“語義系統”是以語言符號為基本單元，根據聯想與層級的關系以連續序列的形式進行信息的記憶和存儲，只能進行“線性”序列化的加工，每次加工信息的吞吐量有限；負責心理映象的“表象系統”是以意象為基本單元，根據部分與整體的關系以同步非序列的形式進行信息的存儲和加工，允許一個意象的諸多成分進行“整體”非序列的加工。

雙重編碼理論信息加工的一般模型如圖1所示。在外部詞語、圖像等信息的刺激下，經識別后能直接通過表征加工分別激活“語義系統”和“表象系統”[4]。接著，這兩種認知子系統可通過系統內的關聯加工和系統間的參照加工進行信息的編碼和互譯，建立起信息的結構和邏輯關系，從而形成雙重編碼的關聯性記憶。認知系統的“雙重編碼”能有效降低單一編碼信息處理的認知負荷，加速思維的發生和發散，增進信息理解的準確性和深刻性。

2.雙重編碼理論在插圖教學中的應用價值

佩維奧的研究指出客觀圖片的刺激會被兩次編碼，既有圖像又有文字編碼激活認知系統，能增強信息的回憶與識別。Mayer等學者在佩維奧研究的基礎上，進一步證實了視覺信息能輔助文字信息的處理和記憶。在“素養”概念被引入后，運用視覺圖像進行信息交流形成視覺化思維的能力即為視覺素養[5]。Pettersson認為視覺素養是理解和使用圖像，并能利用圖像進行思考、表達想法以及學習的一種能力。

雙重編碼理論提倡同時用語言和視覺的形式呈現信息，讓學生在頭腦中同時進行語義和表象的雙重編碼和表征互譯，不斷建立起抽象知識與具體表象之間的聯系，從而形成對知識的正確描述、深刻理解和靈活運用。化學教材在編寫上插附了許多豐富的、極具學科特質的實驗操作示意圖、實驗現象圖、微觀與原理模擬圖、化工生產圖等圖像，為學生提供較好的視覺映像，有助于學生進行知識的關聯理解和正確表象的建立。據此，在知識的形成、聯系和深化等階段中，借助圖示教學法[6]向學生提供信息豐富、典型性好的視覺映像，適時引導學生準確解讀視覺信息并運用視覺化思維解決問題，提升學生的視覺素養。

二、雙重編碼理論指導下的化學教材插圖教學實踐

Pettersson認為用圖像思考和學習分為視覺認知、視覺創造和視覺完成三個階段：視覺認知階段主要解決的是圖像的接受和儲存；視覺創造階段是利用圖像進行信息的獲取、加工和理解；視覺完成階段則是視覺映像的形成和視覺化思維的建立。筆者以“化學煙火氣”的教學為例，關注物質變化過程中“煙”的產生這一微現象，根據圖像學習的三個階段介紹在雙重編碼理論的指導下整合教材插圖進行微專題教學。

1.視覺認知階段：插圖梳理，主題教學

以“化學煙火氣”為話題，引導學生對已有化學知識中“煙”的現象進行回顧，并以“有圖有真相”的活動性任務驅動學生用教材插圖進行舉證。滬教版初中化學教材中有關“煙”的插圖有：從蠟燭火焰中引出白煙；煤油燃燒產生黑煙現象；鎂條燃燒出現的白煙；金屬鈉在氯氣中燃燒出現的白煙；氯化氫和氨氣混合出現的白煙。這些插圖隱含著豐富的化學語言，既能幫助學生認識物質的變化及其規律，又能激發學生運用知識進行科學探究與實踐。通過主題式情境和驅動性任務的創設，向學生提供有情緒意義的視覺刺激，能幫助學生更好地進行圖像的認知與接受。

2.視覺創造階段：據圖導學，深度學習

煙是不完全燃燒而產生的“火之氣”。那么，煙都是因火而成？煙的主要成分是什么？煙的形成有哪些應用？可見，煙不過是事物變化的表象，需要通過觀察、分析、比較、聯系等歸納路徑來重塑認識。依據課程標準要求，指向學生學科認識方式的發展，設計微專題的教學目標如下：（1）見證中國古代“煙”的應用，認識煙與燃燒的關系，樹立家國情懷和民族自信；（2）通過對蠟燭、煤油燃燒過程中煙的成分和成因的探究，體會調控化學反應的方法和意義；（3）通過對鈉在氯氣中、鎂在空氣中燃燒現象的分析，學會運用宏觀與微觀相聯系、定性和定量相結合的方法認識物質及其變化的規律；（4）通過對“空瓶生煙”實驗現象的認識，豐富對“煙”的概念及其形成的理解，建立正確的化學觀念。具體的教學流程及設計意圖如圖2所示。

3.視覺完成階段：多圖聯動，重塑認知

視覺創造是對視覺信息可視化、具體化的演繹，是知識與思考的發散過程。通過視覺對發散出去的知識與思考進行聚攏，使知識由事實性向認知性轉化。煤油和蠟燭燃燒過程中煙的“黑白”碰撞，是對化學反應、學科認識方式類別上對立與統一的印證；鈉在氯氣中燃燒揭示離子的形成過程，是對化學反應、學科認識方式類別上宏觀與微觀的解說；鎂在空氣中燃燒顯現質量的變化情況，是對化學反應、學科認識方式類別上定性與定量的詮釋；氨氣和氯化氫反應出現“空瓶生煙”的變化現象，是對化學反應、學科認識方式類別上靜態與動態的呈現。由此，可以引導學生結合學科認識方式類別提煉認識的思路與方法并繪制思維導圖，重塑學生對“化學煙火氣”的認識，幫助學生形成良好的、穩定的知識結構以及看待事物的化學視角，促進學生視覺化思考能力的提升和學科認識方式的發展。

三、雙重編碼理論指導下的化學教材插圖教學策略

1.視覺刺激的情境化

感官記憶的編碼具有選擇性，不是所有的視覺刺激都能被感官系統識別和記憶。感官識別的信息很大程度不是由刺激本身引起的，而是由個體的主觀因素所左右的，具有情緒意義的視覺刺激容易形成視覺映像。插圖教學中在呈現教材插圖之前，教師有必要從學生的成長環境和真實需要出發，選擇能與學生共情的話題創設情境[7]。在視覺認知階段，筆者關注學生成長的生活環境，以流行語“煙火氣”拉進師生的關系。通過“尋煙”活動調動學生的學習熱情，使學生懷著求知欲去湊齊化學教材中出現的“煙”的插圖，帶著成功的喜悅調動感官系統識別和接受視覺信息。

2.視覺信息的序列化

教材插圖主要依附教材既定的知識內容和呈現邏輯，插附在相應的文字描述之間，起到裝飾、表征、組織或解釋作用[8]。盡管客觀圖像的刺激會同時激活認知系統進行雙重編碼，但碎片的、非序列的視覺信息勢必會造成“語義系統”序列化表征加工的困難，還會加重兩個子系統之間相互激活和參照加工的負擔。由此可見，插圖教學中教材插圖這種“依附關系”“插附方式”的編排和呈現，會影響到視覺信息的關聯和正確表象的建立。以同主題、同載體、同原理等方式對教材插圖進行有序整合，有助于提高視覺信息的編碼和轉譯的效能，從而形成正確的、穩定的和結構化的視覺映像。在視覺認知階段，筆者圍繞“煙”對化學教材中同現象的插圖進行有序整合；在視覺創造階段，根據“煙”的成因從一般到特殊，先認識“因火成煙”再延伸到“無火也能生煙”；根據認識物質變化的角度從現象到本質，先從表象上認識“黑煙”和“白煙”的形成，再從微觀、定量視角深層次認識物質的變化。

3.視覺映像的問題化

視覺映像的形成只是在腦中理解并儲存下視覺信息，屬于視覺認知的階段。實現知識的連接還需要通過問題化學習，對視覺映像進行信息的提取、理解和創造。這就需要教師深入挖掘教材插圖的內隱知識和育人價值，引導學生通過關聯、拓展等思維方式對視覺映像進行問題化，借助問題的解決來探究知識的內核，從而提升學生用圖像組織知識、傳遞知識的能力。在視覺創造階段，通過設置層次性、系統性、拓展性的主干問題，并細化成“問題串”來激發學生思考，牽拉學生自主完成知識的建構。如在“活動1”中，通過插圖的呈現引導學生關注煤油燃燒形成的“黑煙”現象，拋出主干問題“結合物質的燃燒條件，說一說你對黑煙現象出現的理解”。從可燃物上看，依托對化石燃料的了解，知道煤油是怎么來的、其主要的成分是什么，進而完成對“黑煙”成分的猜測和驗證；從助燃物上看，借助對煤油燈的構造和使用的了解，知道不完全燃燒現象產生的原因；結合生活經驗，發現天然氣不完全燃燒不容易產生黑煙，進而引導學生從定量的視角去分析燃料含碳量的問題；結合非遺熏畫藝術，拓展認識燃燒條件及其調控在“以煙作畫”上的應用，從而形成辯證的思維來看待不完全燃燒問題。

4.視覺思維的可視化

科學思維是初中化學學科重要的核心素養，具體化到各學習主題內容要求中的認識和探究物質、分析和解決問題的思路與方法。思維的可視化是在知識加工或問題解決的思考過程中，將信息以看得見的視覺映像、圖示表征等形式呈現，從而提高知識輸出、知識變現的效能。在視覺創造階段，啟發學生根據學習內容運用聯想、類比等方法，依托熟悉的視覺映像呈現信息進行表征、關聯和參照加工的過程。如在探析煤油燃燒出現“黑煙”現象的原因時，引導學生調用天然氣灶的使用、天然氣的燃燒等視覺映像進行類比分析；在視覺完成階段，引導學生根據學習內容繪制思維導圖，通過文字與圖像相結合的知識輸出方式實現視覺思維的可視化。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：1.

[2] 唐勁軍，張慧敏，張春婷.基于雙重編碼的人教版高中化學必修教科書插圖比較研究[J].教學與管理，2023（09）：23-27.

[3] 周海旸.例談基于雙重編碼理論的微專題設計[J].中學生物教學，2022（10）：44-47.

[4] 陳霞，朱秀梅，唐劍嵐.優化數學課件設計的基本原則：基于雙重編碼理論[J].內蒙古師范大學學報：教育科學版，2010（08）：86-91.

[5] 徐美仙，張學波.多維視角里的視覺素養：內涵、視野及意義[J].開放教育研究，2004（03）：31-33.

[6] 陳長勝，劉三女牙，汪虹，等.基于雙重編碼理論的雙軌教學模式[J].中國教育信息化，2011（03）：52-55.

[7] 劉錦圳，張賢金.基于生活邏輯的項目式學習：以“鹽湖化學行”為例[J].中學化學教學參考，2022（13）：34-37.

[8] 陳小芳.中學化學教材插圖的使用現狀及優化運用研究[D].武漢：華中師范大學，2015.

【責任編輯? 郭振玲】