語義波三維圖像在學(xué)科知識與教學(xué)設(shè)計評估中的應(yīng)用

劉運航　丁偉

摘要： 澳大利亞社會學(xué)家Karl Maton在Berbstein的語碼理論基礎(chǔ)上創(chuàng)立了“合法化語碼理論”，并將其中的語義性原則應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)研究中。首先介紹了合法化語碼理論、語義性源起，之后在語義波二維圖像基礎(chǔ)上發(fā)展三維圖像，并將該理論用于職前教師化學(xué)課堂教學(xué)評估。研究發(fā)現(xiàn)，該模型有助于反映課堂教學(xué)中知識的抽象程度和符號程度，有助于立體化展示并評估職前教師的學(xué)科知識和課堂教學(xué)設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 語義波三維圖像； 三重表征； 學(xué)科知識； 教學(xué)設(shè)計； 教學(xué)評估

文章編號： 10056629（2018）10003406中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

喬姆斯基認為，語言的首要功能是作為思維的工具?？茖W(xué)家或?qū)I(yè)從事者往往偏愛于使用物理公式、化學(xué)方程式等術(shù)語對知識進行簡潔的表征?；瘜W(xué)有效學(xué)習(xí)需要在化學(xué)解釋中同時使用微觀表征和符號表征。除此之外，化學(xué)不僅包含語言和符號的使用，還包括含義豐富的概念。因此，教師在課堂和學(xué)生的交流對化學(xué)課堂的高效構(gòu)建具有重要作用。

社會學(xué)家Maton提出了“合法化語碼理論”（Legitimation Code Theory，下稱LCT），并運用其中的“語義波”對教師課堂話語進行了分析[1， 2]。Margaret Blackie研究了語義波在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，并指出了語義密度和語義引力的轉(zhuǎn)換對于高效課堂構(gòu)建的重要性[3]。國內(nèi)對該理論研究較少，其中朱永生教授介紹了合法化語碼理論對Bernstein知識結(jié)構(gòu)理論的傳承與創(chuàng)新、語義波的形成機制[4]。也有其他學(xué)者將語義波理論運用于英語和日語教學(xué)活動中。迄今為止，澳大利亞等國家已經(jīng)將語義波理論廣泛應(yīng)用在各個學(xué)科的教學(xué)實踐中，而國內(nèi)對語義波的研究主要停留在社會科學(xué)范疇，該理論尚未用于自然科學(xué)教學(xué)研究。

1合法化語碼理論與語義波

1.1合法化語碼理論的源起

Bernstein認為，具有高度符號化特征的學(xué)科專業(yè)知識可以分為兩類。一類是以數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等為代表的理科知識或自然科學(xué)知識，這類知識具有系統(tǒng)性較強，科學(xué)家發(fā)展這類知識的目的是以普遍的命題或理論涵蓋最大數(shù)量的經(jīng)驗性公理或原理，知識的發(fā)展往往建立在舊有的知識上，這類知識具有“等級知識結(jié)構(gòu)”特征。另一類是以人文社會科學(xué)為代表的知識，這類知識相對獨立，方法不系統(tǒng)，標準不統(tǒng)一，具有“水平知識結(jié)構(gòu)”特征。在Bernstein的研究中，他將重點放在了知識領(lǐng)域新知識的產(chǎn)生過程，包括知識的整合和歸納、積累和分割。但他的模式并沒有解釋如何在課程或?qū)W生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷中實現(xiàn)這些知識的累積。因此，Maton豐富了Bernstein知識結(jié)構(gòu)理論，創(chuàng)立了LCT，即“合法化語碼理論”。LCT提出了五條合法化組織原則：“自主性”“緊密性”“專門性”“時間性”以及“語義性”，其中語義性的評價具有兩個維度，“語義引力”和“語義密度”。

1.2語義引力與語義密度

語義性作為合法化語碼理論其中一個維度，包含語義引力（sematic gravity，簡稱SG）和語義密度（sematic density，簡稱SD）兩個語碼。

引力原本是物理學(xué)中概念，是指物體間相互作用的一種形式。語義引力是指語義和其所在語境之間相關(guān)聯(lián)的程度，當(dāng)教師話語與語境關(guān)聯(lián)強，話語通俗易懂時，語義引力就大。反之，當(dāng)話語脫離可觀可感的真實世界，學(xué)生難以從真實世界中直接獲得時，語義引力就小。例如，在鐵生銹的過程中，當(dāng)教師使用“鋼鐵表面產(chǎn)生紅褐色鐵銹”這樣的話語時，學(xué)生易于理解，語義引力大；而使用“鐵單質(zhì)與水分子、氧氣分子反應(yīng)生成三氧化二鐵的水合物”這樣的話語時，語義引力小。

密度和引力一樣，源起于物理學(xué)，指單位體積內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量大小。語義密度是指“意義在符號（包括術(shù)語、概念、短語、表達和手勢等）內(nèi)的濃縮程度”，它與研究對象的復(fù)雜程度有關(guān)。例如，當(dāng)教師分別使用“酒精”和“C2H5OH”詞匯時，后者的符號化程度就較高，對于不具備化學(xué)基礎(chǔ)知識的初學(xué)者而言，后者的專業(yè)化程度更高，意義的濃縮程度也更高。

1.3語義波圖

Maton分別以語義密度和語義引力為直角坐標系的橫、縱坐標，來表達教師課堂話語的兩個維度，如圖1所示。橫軸從左到右表示語義密度從小到大，縱軸從上到下表示語義引力從小到大。Margaret Blackie將此圖用于化學(xué)教學(xué)研究，并指出圖中左下角表示用通俗的話語來描繪真實的世界；左上角表示用通俗的話語來表達抽象的概念；右下角表示用嚴密的符號來描繪真實的世界；右上角表示用嚴密的符號表達抽象的概念。在坐標圖中，將知識的兩個語碼“語義密度”和“語義引力”共同呈現(xiàn)，但是此圖的不足在于難以呈現(xiàn)在教學(xué)過程中二者隨著時間的變化的改變。

因此，Maton在已有的研究基礎(chǔ)上提出了語義波圖。波原本是指空間以特定形式傳播的物理量或物理量的擾動，常見的波有聲波、光波等。Maton研究了如何使用語義波來分析和追蹤語碼隨時間的變化，分析教師課堂話語中語義流動性，并指出語義分析進一步提高了概念探索變化過程。教學(xué)過程往往是將知識從接近生活、符號化低的層級過渡到高度抽象、符號化高的層級中，Maton簡單地將語義密度大且語義引力小的代碼合并為一組，將語義密度小且語義引力大的代碼合并為另一組，前者表示知識的專業(yè)化程度強，后者表示知識更接近真實的情景，符號化程度低。他繪制了語義引力和語義密度隨時間變化的二維圖像來表征課堂語義的變化，如圖2所示。在圖2中，橫軸為時間變量，縱坐標值越大表示語義引力減小，語義密度越大；數(shù)值越小則相反。此圖可以通過波隨時間的變化表達學(xué)習(xí)者思維的抽象性變化，波的頻率越快，強度越大；波峰越高，深度越大。

2語義波三維圖像的發(fā)展

2.1語義波二維圖像的優(yōu)勢和不足

在Maton提出的語義波二維圖像中，將靜態(tài)的坐標圖形發(fā)展為動態(tài)的二維圖像，并通過語義波波峰和波谷的變化，表示教師課堂話語在不同時間點的抽象性程度最高點和最低點。話語通常是由若干個片段組成，語義波二維圖像將這些靜態(tài)的若干個片段以時間為要素串聯(lián)成動態(tài)的二維圖像，成為了課堂教學(xué)的一種測評記錄工具。同時，由于人的認知系統(tǒng)是由言語和非言語構(gòu)成的雙重表征系統(tǒng)，因此語義波圖不僅可以直觀反映教師課堂教學(xué)話語中對知識的呈現(xiàn)過程，還可以反映課堂進程中其他非言語的因素（如圖表、機理、實驗演示等）的抽象程度變化。

此圖像的不足在于只能表示坐標圖形中左下角與右上角知識的相互轉(zhuǎn)換，并不能反映左上角和右下角知識的影響。在國內(nèi)外運用語義波對教學(xué)的研究中，研究者在論文中或只呈現(xiàn)直角坐標圖形，或只呈現(xiàn)語義波二維圖像，未能同時呈現(xiàn)兩種圖像。原因在于語義波二維圖像中波雖然是連續(xù)的，但是由于不能反映語義引力和語義密度同時減小、同時增大的情形，故而事實上存在著模型表達的不完善。Maton也承認，這是一種簡化的模型，事實上課堂中存在著其他情形。

2.2語義波三維圖像的提出及優(yōu)勢

為了彌補Maton語義波二維圖像中存在的不足，結(jié)合已有的直角坐標系對語義引力和語義密度變化的劃分，筆者提出語義波三維圖像，如圖3所示。

語義波三維圖像建立在三維直角坐標系中，橫軸表示語義密度強弱變化，豎軸表示語義引力強弱的變化，縱軸表示時間變化。在語義波三維圖像中，橫軸和豎軸構(gòu)成的平面圖與Maton繪制的坐標軸相同。在對課堂教學(xué)的表示中，以（SD， T， SG）為點記錄下教師課堂對知識的呈現(xiàn)變化（其中T表示時間坐標），然后采用MATLAB軟件擬合這些點，形成三維語義波圖。

語義波三維圖像能夠定量表達平面圖中4個部分的難度。實際操作中通過對于平面圖中4個部分的測評，計算出4個部分得分、難度，在對（SD， T， SG）描點時，SD和SG相對原點的偏離程度以難度的倒數(shù)大小量化。

3語義波理論與化學(xué)教學(xué)

3.1語義性體現(xiàn)靜態(tài)的三重外部表征

化學(xué)中的三重外部表征指宏觀、微觀和符號等化學(xué)知識的外在呈現(xiàn)方式，三重內(nèi)部表征指宏觀、微觀和符號知識在學(xué)習(xí)者頭腦中的加工和呈現(xiàn)方式[5]。

語義性作為合法化語碼理論其中一個維度，可以用來表征宏觀、微觀和符號知識。

其一，語義引力與研究對象的抽象程度有關(guān)，可以用來表征宏觀與微觀知識。例如，對食鹽溶解現(xiàn)象的描述中，當(dāng)使用“白色晶體溶解在水中，形成無色溶液”這樣的話語時，話語真實可感，即便是非化學(xué)工作者，有時也能夠作出類似表述，因此話語具有較高的語義引力；當(dāng)使用“氯化鈉晶體在水的極性作用下離子鍵斷裂，形成氯離子和鈉離子”這樣的話語時，話語變得抽象，語義引力減小。

其二，語義密度與研究對象的符號化程度有關(guān)。當(dāng)化學(xué)家將化學(xué)現(xiàn)象、規(guī)律總結(jié)為語義高度濃縮的話語時，就會導(dǎo)致語義密度增大。例如，當(dāng)化學(xué)家使用“NH4Cl”、“吸氧腐蝕”、“勒夏特列原理”、“格氏試劑”等概念時，就具有較高的語義密度。這種例子在化學(xué)方程式中體現(xiàn)更為普遍，因為方程式本身不僅包含了形式簡潔、語義豐富的化學(xué)式，還包含了物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程規(guī)律、物質(zhì)轉(zhuǎn)化間量的關(guān)系。

因此，語義引力大小能夠分別表征宏觀和微觀世界，語義密度大小能夠表征符號化的強弱。

3.2語義波反映動態(tài)的三重內(nèi)部表征

當(dāng)學(xué)習(xí)者在頭腦中加工和呈現(xiàn)宏觀、微觀和符號知識時，“如何科學(xué)、合理、有序地構(gòu)建三重內(nèi)部表征”就成為了需要解決的問題。知識在學(xué)習(xí)者頭腦中的加工包括信息的輸入、編碼、轉(zhuǎn)換、存儲和提取等。宏觀、微觀、符號表征的知識在學(xué)習(xí)者頭腦中加工的過程中，呈現(xiàn)出不同的方式，并自然建立起內(nèi)在聯(lián)系。

語義波圖像取時間維度為標準，通過4種語碼的動態(tài)轉(zhuǎn)換展現(xiàn)知識的抽象性和難度。隨著波的起伏，學(xué)習(xí)者對信息的加工和呈現(xiàn)在知識的反復(fù)解包和打包過程中得到不斷的強化。同時，不同的波峰和波谷體現(xiàn)了知識在宏觀維度、微觀維度和符號維度的轉(zhuǎn)換，直觀體現(xiàn)了三重內(nèi)部表征在學(xué)習(xí)者頭腦中的建立和鞏固。語義波圖為三重內(nèi)在表征的表達提供了一種動態(tài)的可能途徑，將傳統(tǒng)的片段化地研究化學(xué)三重表征串聯(lián)起來，形成動態(tài)的、可視的三重內(nèi)在表征圖像。

4基于語義波三維圖像評估職前教師教學(xué)設(shè)計——以“原電池”教學(xué)為例

電化學(xué)教學(xué)一直以來是中學(xué)化學(xué)教學(xué)難點，這主要是由于電化學(xué)反應(yīng)中包含物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系、電子流向、電解質(zhì)、氧化性和還原性、電極反應(yīng)方程式等知識點，知識綜合性較強。另一方面，職前教師的學(xué)科知識水平評價是研究者所關(guān)注的。研究表明，職前教師在進行教學(xué)設(shè)計時關(guān)于學(xué)生理解的知識的認識，有3個基本來源，分別是自己作為學(xué)生學(xué)習(xí)的經(jīng)驗、了解學(xué)生理解學(xué)科的思維特點以及實習(xí)實踐積累有關(guān)學(xué)生學(xué)習(xí)的知識。職前教師主要是通過自己作為學(xué)生學(xué)習(xí)的經(jīng)驗和實習(xí)過程作為認識的主要途徑。在這些經(jīng)驗中，學(xué)科知識能力對教學(xué)質(zhì)量影響較大。

4.1評估過程

為了研究職前教師“原電池”課堂的教學(xué)設(shè)計，研究者首先收集了“原電池”課堂教學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)，然后根據(jù)Margaret Blackie對氯化鈉分解過程的維度劃分，將“原電池”課堂教學(xué)分為4個維度，這4個維度包含了課程大綱中原電池教學(xué)的基本內(nèi)容。

如圖4所示，在原電池教學(xué)模型中，左上圖（SD-/SG-）從微觀角度描述了鋅銅（稀硫酸）原電池中鋅失去電子鋅片溶解，氫離子得到電子生成氫氣的過程；左下圖（SD-/SG+）則描述了宏觀世界可觀可感的現(xiàn)象： 電流表偏轉(zhuǎn)（說明產(chǎn)生了電流）；銅片表面產(chǎn)生無色氣泡；右上圖（SD+/SG-）則是對原電池反應(yīng)高度抽象化和符號化的概括，即電化學(xué)反應(yīng)方程式： 負極： Zn-2e-Zn2+；正極： 2H++2e-H2↑；右下圖（SD+/SG+）則從電化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的角度來描述微觀粒子的變化過程，這個過程由圖中右下角的裝置圖來體現(xiàn)。

本研究從上海地區(qū)高校隨機選取了45名大三正在參加教育實習(xí)的師范生作為職前教師測試對象（其中男生8名，女生37名），并根據(jù)編制了原電池知識測評試題（每個維度滿分均為20分）。試題第一部分包括4個原電池模型，每個原電池模型基于以上4個維度進行試題編制，對每個維度分別賦值5分。對于左上圖（SD-/SG-）和左下圖（SD-/SG+）的區(qū)分主要是基于語義引力大小不同，因此左上圖以判斷“得失電子的物質(zhì)”為標準，左下圖以宏觀現(xiàn)象描述為標準。右上圖（SD+/SG-）和右下圖（SD+/SG+）語義密度都較大，因此都涉及化學(xué)式的考察，所不同的是右上圖語義引力小，因此考察完全抽象的化學(xué)方程式。而右下圖的語義引力更大，故以電解液中“離子移動的方向”作為考察點。右上圖和右下圖的劃分參考了Margaret Blackie對格氏試劑反應(yīng)的劃分方法。本測試中，每個模型總分為20分，4個維度在每個模型中均有涉及，每個維度總分為20分。試題第二部分是讓職前教師站在學(xué)生立場上和教師立場上分別選擇合適的4個維度教學(xué)順序，或自己提出新的順序，目的是反映教師對知識重難點的教學(xué)順序，繪制語義波三維圖像。

4.2教學(xué)設(shè)計中語義波三維圖像的繪制

根據(jù)45名職前教師的教學(xué)設(shè)計，計算出總體均分、總體難度和總體難度的倒數(shù)（見表1），并繪制出語義波三維圖像，如圖5所示。其中，38名教師選擇了左下→左上→右下→右上的順序設(shè)計。這主要是由于左下圖和左上圖本質(zhì)上是從宏觀和微觀兩個不同的維度描述了電極反應(yīng)現(xiàn)象。研究者根據(jù)對職前教師的學(xué)科知識測評結(jié)果繪制了語義波三維圖像，如圖5所示。在圖5中，對原電池電極反應(yīng)現(xiàn)象描述部分語義波波峰峰值較高，而電化學(xué)方程式書寫的峰值則較低。

從圖5中可以看出，職前教師認為難度最大的知識點在測評過程中得分卻最高。研究者認為，這種現(xiàn)象一方面可能是由于在我國的化學(xué)教學(xué)中，大部分教師十分重視化學(xué)方程式的教學(xué)，并在教學(xué)過程中對化學(xué)方程式加強了練習(xí)所致。另一方面，化學(xué)方程式的書寫、配平具有普遍的共性，雖然其語義密度大，但是其中的不確定性卻很小，學(xué)生可能是為了應(yīng)試而記憶化學(xué)方程式。在化學(xué)現(xiàn)象的描述中，盡管其語義密度小，語義引力大，但是不確定性卻很強，需要結(jié)合經(jīng)驗、常識，并且要盡可能完整地描述。

4.3評估結(jié)果及討論

由于國內(nèi)外學(xué)者對語義性圖像的4個維度劃分主要還是基于經(jīng)驗的劃分，為了驗證劃分的有效性，本研究進一步做了4個部分得分的相關(guān)性分析，如表2所示。結(jié)果表明，左上圖（SD-/SG-）和左下圖（SD-/SG+）顯著相關(guān)，右上圖（SD+/SG-）和右下圖（SD+/SG+）顯著相關(guān)，這說明語義密度成為了影響職前教師知識理解的主要原因。這可能是由于職前教師已經(jīng)接受過較多的化學(xué)學(xué)習(xí)，對于抽象的化學(xué)知識不再陌生，而語義密度不僅受到化學(xué)符號本身影響，還受到知識所蘊含的信息量影響。左上圖（SD-/SG-）和右下圖（SD+/SG+）的相關(guān)性與Maton對語義性圖像從左下圖到右上圖的難度劃分一致。

研究者在本研究中還特別關(guān)注了測評得分在前30%和后30%的職前教師，如表3所示。前30%和后30%的t檢驗表明測試成績有顯著性差異。前30%職前教師得分最低的是右下圖部分，這一方面可能是由于這部分職前教師在以往的學(xué)習(xí)過程中，對于語義密度大的知識掌握較好，但對于內(nèi)容不確定性高的知識掌握仍然有所不足。另一方面，右下圖離子移動的表征難度相對較大，不僅考察了對原電池裝置的理解，還考察了離子的氧化還原性強弱等知識點。后30%職前教師得分最低為左上圖，這可能是由于他們不能很好地將宏觀現(xiàn)象和微粒得失電子的情況結(jié)合起來判斷。

可以看出，學(xué)科知識掌握較好的職前教師在對電化學(xué)反應(yīng)的基本原理、現(xiàn)象、裝置的理解上存在不足，學(xué)科知識基礎(chǔ)較弱的職前教師則對微觀上原電池反應(yīng)過程中離子導(dǎo)電的原理掌握存在不足。在未來對職前教師的培訓(xùn)中應(yīng)當(dāng)針對不同層次和水平的職前教師在學(xué)科知識培訓(xùn)時有不同側(cè)重點。

5總結(jié)與展望

本文在Maton基礎(chǔ)上提出并繪制了語義波三維圖像，一定程度上克服了語義性二維圖像只能表達的SD-/SG+和SD+/SG-兩個維度的不足，并用相關(guān)性分析驗證了4個維度劃分的合理性。研究具有以下意義：

第一，語義性的劃分為理科知識的表征提供新的維度。語義密度和語義引力的二維劃分是對傳統(tǒng)三重表征的發(fā)展。語義密度對應(yīng)符號表征，語義引力對應(yīng)宏觀和微觀表征，平面坐標圖中4個部分將宏微觀表征和符號表征有機結(jié)合，避免了知識在三重表征分類時出現(xiàn)交叉和重疊的問題。

第二，語義波三維圖像的提出解決了Maton二維語義波圖形中存在的對知識模型過度簡化的問題。在Maton二維語義波圖形中只能刻畫“語義密度大，語義引力小”和“語義引力小，語義密度大”兩個維度，三維語義波圖以二維語義性坐標圖為平面，時間為第三維度完善了語義密度和語義引力同增同減的兩個維度，是對Maton二維語義波圖形的補充和發(fā)展。

第三，語義波三維圖像提出了以“難度的倒數(shù)”定量表達知識難度和相關(guān)性分析探究4個維度劃分的合理性方法，將語義波圖像的研究從定性研究發(fā)展到定量研究，更有助于將其作為一種教學(xué)評估工具應(yīng)用于教學(xué)評估中。

第四，語義波三維圖像的波峰、波谷、頻率能夠克服傳統(tǒng)評估方法中對數(shù)據(jù)展示不直觀的缺陷。圖像的波峰表示教學(xué)過程中知識抽象性最高、難度最大的部分，波谷表示知識抽象性最低、難度最小的部分。通過教學(xué)過程的實測，能夠準確記錄教師課堂中教學(xué)難度的變化。圖像的頻率反映教學(xué)過程對知識的“拆解”和“打包”過程，可幫助教師反思和改進教學(xué)工作。

本研究的不足在于，在定量化表征語義波三維圖像時，對每個維度中語義引力和語義密度的大小還應(yīng)做更為細致的劃分，這需要制定其他量表。同時，在對時間維度的劃分中，本研究默認了4個維度在教學(xué)過程中所需時長是相同的，在實際課堂中需要重新計量，這需要在未來將其用于實體課堂教學(xué)研究中進一步討論。

參考文獻：

[1]Maton K. Cumulative and segmented learning： exploring the role of curriculum structures in knowledgebuilding [J]. British Journal of Sociology of Education， 2009，30（1）： 43～57.

[2]Maton K. Building Powerful Knowledge： The Significance of Semantic Waves [M]. Knowledge and the Future of the Curriculum. Palgrave Macmillan UK， 2014： 181～197.

[3]Blackie Margaret A.L. Creating Semantic Waves： using Legitimation Code Theory as a tool to aid the teaching of chemistry [J]. Chemistry Education Research & Practice， 2014，15（4）： 462～469.

[4]朱永生.合法化語碼理論對Bernstein知識結(jié)構(gòu)理論的傳承與創(chuàng)新[J].中國外語，2014，（6）： 1.

[5]陳萌.基于TPACK理論框架的學(xué)生“三重表征”的構(gòu)建——以高中化學(xué)“電解池”教學(xué)為例[J].化學(xué)教學(xué)，2017，（9）： 46～50.