物理教材圖像表征的比較研究
——以中美教材中“光學(xué)”部分為例

楊孝波，張 靜，姚建欣

作為學(xué)校教育教學(xué)的基本依據(jù)，教材在我國教育體系中一直占有重要位置。自2016年以來，隨著中央對教材建設(shè)事業(yè)做出了重大決策部署，國家先后成立了國家教材委員會和課程教材研究所，并在規(guī)劃中對加強(qiáng)關(guān)于教材的基礎(chǔ)研究提出明確要求。［1］對教材的分析、比較與反思對于課程教學(xué)具有巨大的推動作用，是學(xué)科課程與教學(xué)論的重要研究領(lǐng)域。例如在21世紀(jì)伊始美國“2061計劃”對科學(xué)教材的系統(tǒng)評估，對近20年來的課程建設(shè)和課堂教學(xué)都產(chǎn)生了巨大影響，成為了推動21世紀(jì)教育改革的標(biāo)志性事件。［2］作為教材中最為重要的表征方式之一，圖像表征不僅能給學(xué)生提供必要的感性認(rèn)識，而且在一定程度上與文本表征搭配形成對教材內(nèi)容的雙重編碼，能幫助學(xué)生更好地理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，對于促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展具有十分重要的作用。

國外一些學(xué)者曾對教材中的圖像表征做了比較系統(tǒng)且深入的研究。如梅耶（Mayer）等研究發(fā)現(xiàn)教材中近一半的頁面空間被專門用于設(shè)置圖像表征，甚至在一些教材中占比高達(dá)85%，但許多圖像卻沒有明確闡述相關(guān)知識內(nèi)容，其教育功能的實(shí)現(xiàn)情況令人疑慮。［3］博澤（Pozzer）等指出教材中圖像表征的使用對于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)總體而言是有利的，特別是真實(shí)照片的使用能增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對相關(guān)知識的關(guān)注。［4］在已有研究的基礎(chǔ)上，維克托·李（Victor R.Lee）將科學(xué)教材中圖像表征的功能分為演示功能（demonstrative function）、闡明功能（illustrative function）和解釋功能（explanatory function），并對美國近30年科學(xué)教材中圖像表征的適應(yīng)性和延續(xù)性做了研究，發(fā)現(xiàn)隨著時間的遞增，美國科學(xué)教材中圖像表征的總數(shù)量沒有明顯變化。但其中單獨(dú)具有演示功能的圖像表征數(shù)量有所增加，同時具有解釋和闡明兩種功能的圖像表征數(shù)量增加明顯。［5］國內(nèi)學(xué)者從認(rèn)知視角對教材中圖像表征的研究始于21世紀(jì)，眼動研究發(fā)現(xiàn)閱讀材料中插圖能提升學(xué)生的閱讀效果。［6］對歷史上各版本科學(xué)教材的梳理發(fā)現(xiàn)，我國理科教材中圖像表征的數(shù)量在迅速增高，但對其教學(xué)功能、圖文配合、設(shè)置比例等的研究尚在起步階段。［7］因此，本文聚焦物理教材中的圖像表征，參考維克托·李的分類標(biāo)準(zhǔn)，采用內(nèi)容分析法和比較研究法分析中美初高中物理教材圖像表征功能的變化特點(diǎn)，以期為我國中學(xué)物理教材編寫和使用提供借鑒參考。

一、研究設(shè)計

本研究中所關(guān)注的圖像表征可定義為教材中具有直觀、形象特點(diǎn)的照片、示意圖以及表格和函數(shù)圖像等。為實(shí)現(xiàn)跨文化的比較并提供借鑒，本研究側(cè)重研究中美兩國當(dāng)前的主流理科教材?；谘芯空邔W(xué)科背景，選擇了中學(xué)物理教材作為具體研究對象。

（一）研究對象

我國初中教材選用M出版社編寫出版的義務(wù)教育教科書·物理（2012年版）（以下簡稱“M版初中教材”），分析內(nèi)容為八年級上冊第四章和第五章光學(xué)內(nèi)容。高中教材選用M出版社編寫出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理（2005版）（以下簡稱“M版高中教材”）選修3-4第十三章光學(xué)內(nèi)容。

美國初中教材選用PRENTICE HALL原版、浙江教育出版社2013年翻譯出版的《聲與光》（Sound and Light）（以下簡稱“美版初中教材”）中第三章和第四章光學(xué)內(nèi)容。高中教材選用McGraw-Hill Education Glencoe原版、浙江教育出版社2008年翻譯出版的《物理：原理與問題》（Physics：Principles and Problems）（以下簡稱“美版高中教材”）中冊第十六章至第十八章光學(xué)內(nèi)容。

（二）圖像表征功能和判斷依據(jù)

參照維克托·李的研究，演示功能、闡明功能、解釋功能的定義及判斷依據(jù)的界定見表1。以此為理論基礎(chǔ)，對比分析中美教材中的圖像表征。

表1. 圖像表征三種基本功能

（三）統(tǒng)計方法

統(tǒng)計過程中，同一幅圖在多個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)記為多幅。在遇到圖像組時，一個圖像組表征多個主題記為多幅，一個圖像組表征同一個主題，記為一幅。根據(jù)上述分類方法和計數(shù)規(guī)則，分別對中美四套初高中物理教材光學(xué)部分圖像表征的數(shù)量進(jìn)行定量統(tǒng)計。為了保證統(tǒng)計結(jié)果的可靠性和一致性，邀請兩名研究者在經(jīng)過培訓(xùn)后按照表1分別獨(dú)立對內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果利用SPSS進(jìn)行分析，Cronbach α系數(shù)（即信度系數(shù)）達(dá)到0.846。

二、研究結(jié)果

（一）數(shù)據(jù)統(tǒng)計

一幅圖可能存在多種功能，將三種基本功能組合，共有七種功能，具體內(nèi)容如表2。

表2. 各功能的圖像表征統(tǒng)計

（二）縱向分析

縱向分析初中教材與高中教材圖像表征的變化情況，我國M版初中教材的圖像表征以闡明功能為主（近三分之二），且以闡明光學(xué)現(xiàn)象為主，例如在光的反射這一部分的內(nèi)容，教材中的圖像多以倒影、塔式太陽能電站、后視鏡、太陽灶、平面鏡成像等這類生活中的直觀事物為主，我國M版初中教材重視利用圖像表征促進(jìn)學(xué)生對光學(xué)現(xiàn)象的了解和認(rèn)識。在高中階段，我國M版教材中的圖像表征依然以闡明功能為主，但解釋功能有所上升，例如在光的反射這一部分的內(nèi)容，在闡明光學(xué)現(xiàn)象的同時，會利用抽象的示意符號向?qū)W生解釋光學(xué)原理。而演示功能有所下降（圖像中的人物或人物元素大幅下降），如初中（“光的反射”“平面鏡成像”這兩節(jié)內(nèi)容）關(guān)于光的反射共20幅圖像表征，含人物或人物元素的圖像表征有9幅，占比45%；高中（“全反射”這節(jié)內(nèi)容）關(guān)于光的反射共14幅圖像表征，含人物或人物元素的圖像表征有2幅，占比14.3%，具有演示功能的圖像表征顯著下降。

美版初中教材的圖像表征以闡明功能為主，80%以上的圖像表征具有闡明功能，例如利用哈哈鏡、倒影和平面鏡成像等生活實(shí)際現(xiàn)象的照片向?qū)W生闡明光的反射現(xiàn)象，使學(xué)生對光的反射有一定了解和認(rèn)識。高中教材圖像表征的闡明功能下降到40%左右，主要以解釋功能為主。例如在光的反射這一部分的內(nèi)容，圖像表征多以示意圖為主，注重利用示意符號向?qū)W生解釋光的反射現(xiàn)象及原理。高中階段的圖像表征，在解釋功能上升的同時，演示功能有所下降，具有人物或人物元素的圖像表征在高中階段有所減少。

（三）橫向比較

橫向比較中美兩國初高中物理教材圖像表征的情況。在初中階段，兩國教材均以闡明功能為主。兩本教材均注重利用生活中的實(shí)際事物，讓學(xué)生了解和認(rèn)識光學(xué)現(xiàn)象。同時圖像中包含較多的人物或人物元素，重視情景體驗(yàn)。例如在平面鏡成像這節(jié)內(nèi)容中，M版初中教材和美版初中教材均選用生活中照鏡子的情景向?qū)W生闡明平面鏡成像的直觀現(xiàn)象，同時利用人物元素發(fā)揮演示功能。不同之處在于兩國教材均選用符合本國特征的素材，我國物理教材中的圖像表征更結(jié)合了我國傳統(tǒng)文化。

在高中階段，我國M版教材的圖像表征以闡明功能為主，而美版教材的圖像表征以解釋功能為主。我國M版高中教材依然重視利用圖像向?qū)W生闡明光學(xué)現(xiàn)象，但是部分圖像會同時利用示意符號進(jìn)行解釋，而美版高中教材則更加重視利用示意圖向?qū)W生解釋光學(xué)原理。我國M版教材和美版教材圖像表征的演示功能在高中階段均有所下降。

三、圖像表征對核心素養(yǎng)培養(yǎng)的應(yīng)用途徑

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，強(qiáng)調(diào)高中物理課程要從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任等方面提煉學(xué)科育人價值，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用。［8］（P2）圖像表征作為教材的重要組成部分，不僅要發(fā)揮其表征功能，還應(yīng)當(dāng)滲透核心素養(yǎng)的培養(yǎng)理念。［9］

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，形成物理觀念

物理觀念是個體對物理知識感知、理解、內(nèi)化后形成的整體觀念，是從物理學(xué)視角重新認(rèn)識和理解世界的基礎(chǔ)。物理觀念的培養(yǎng)需要教師在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境。［10］在教材中，僅憑文字表征難以幫助學(xué)生建立物理情境，而圖像表征大多是真實(shí)拍攝的照片，可以生動形象地展示真實(shí)情景，借此創(chuàng)設(shè)問題情境。例如，M版初中教材光的直線傳播這節(jié)內(nèi)容，在引入概念時首先闡明光在空氣中沿直線傳播的自然現(xiàn)象，建立真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生研究問題的興趣。接著，利用圖像表征的演示和闡明功能向?qū)W生演示探究過程和闡明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生形成“光在同種介質(zhì)中沿直線傳播”的觀念，為形成光的本質(zhì)觀和運(yùn)動觀奠定基礎(chǔ)。

（二）搭建認(rèn)識橋梁，發(fā)展科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是從形象的科學(xué)事物建構(gòu)抽象的理想模型過程。教材內(nèi)容應(yīng)啟發(fā)學(xué)生對科學(xué)對象、科學(xué)過程、科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)事物進(jìn)行抽象概括，認(rèn)識本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律等。教材中的示意圖能較好展示物理過程和規(guī)律，是學(xué)生從形象認(rèn)識到抽象認(rèn)識的橋梁。美版初高中教材中的示意圖占比均高于M版初高中教材，且在圖中使用較多的示意符號發(fā)揮其解釋功能。如在平面鏡成像這節(jié)內(nèi)容中，兩本初中教材均先利用照片闡明平面鏡成像這一生活現(xiàn)象，但美版初中教材同時利用示意圖解釋其成像原理。闡明功能幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)現(xiàn)象，而解釋功能則幫助學(xué)生深入理解物理原理。圖像表征的闡明功能和解釋功能能幫助學(xué)生對形象的事物、現(xiàn)象進(jìn)行思維加工，概括出抽象的物理原理、規(guī)律等，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

（三）強(qiáng)化參與意識，開展科學(xué)探究

科學(xué)探究是指提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。教材中關(guān)于科學(xué)探究的圖像表征多出現(xiàn)人物元素，其演示功能不僅能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，更能激發(fā)學(xué)生參與科學(xué)活動的意識。［11］與其他三本教材相比，美版初中教材更加突出科學(xué)探究活動。在每節(jié)首要位置均出現(xiàn)“探索活動”專欄，此專欄不僅有探究問題和操作介紹，而且均出現(xiàn)有人物的照片，在演示操作過程的同時激發(fā)學(xué)生參與活動的意識和興趣。

（四）樹立責(zé)任觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，并且具有社會責(zé)任感。四本教材中設(shè)置了許多科學(xué)技術(shù)的圖片，圖片內(nèi)容不僅介紹古人的智慧，例如伽利略時代的望遠(yuǎn)鏡，而且展現(xiàn)當(dāng)今世界的重大科學(xué)技術(shù)，例如電子顯微鏡研究細(xì)胞、激光切割技術(shù)等。這些圖片的使用不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)知識，更是向?qū)W生滲透物理源于生活，用于生活的理念，幫助學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會之間的關(guān)系，樹立將科學(xué)知識服務(wù)于社會發(fā)展的責(zé)任感，培養(yǎng)其科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

四、討論與建議

隨著繪圖制版技術(shù)的進(jìn)步和審美水平的提高，我國教材的配圖插畫水平在逐步提升，例如統(tǒng)編教材兼具傳統(tǒng)文化底蘊(yùn)和教學(xué)支持功能的配圖得到了教師和家長的廣泛贊譽(yù)。教育部從2016年起組織開展了普通高中各科教材的修訂工作?？v覽新修訂的高中物理、化學(xué)、生物等理科教材，為提升教科書的閱讀體驗(yàn)和教學(xué)功能，各版本的教材均著力改進(jìn)版式和配圖，使之更加生動、新穎且具有學(xué)科特點(diǎn)。有的生物學(xué)教材用類似連版插頁的方式展現(xiàn)復(fù)雜的微觀生命過程，讓學(xué)生頗為震撼地感受到生命過程的精致、有序的同時，理順該過程的邏輯次序。還有一些教材配圖在細(xì)微之處見功夫，如某版物理教材的兩個箭頭和兩段虛線，意在讓學(xué)生更好地理解位移概念的矢量性及其與路程的區(qū)別。

在肯定所取得的進(jìn)步的同時，還需注意教材面向的是學(xué)生，教材配圖的核心依據(jù)應(yīng)是學(xué)生具體的認(rèn)知需求。然而，由于相關(guān)研究沒有跟上，當(dāng)前教材配圖工作仍是以章節(jié)相應(yīng)內(nèi)容為核心考量點(diǎn)，尚未真正實(shí)現(xiàn)從“內(nèi)容中心”到“認(rèn)知中心”的范式轉(zhuǎn)換。例如，通過對教材中圖像表征功能的統(tǒng)計分析和對比分析，可以發(fā)現(xiàn)我國M版初、高中物理教材注重圖像表征的闡明功能，且擁有闡明功能的圖像多是現(xiàn)象類、實(shí)物類圖像。對于初中階段的學(xué)生，這類圖像表征能夠吸引學(xué)生的注意力，能幫助學(xué)生認(rèn)識物理現(xiàn)象。但到了高中階段，其各類功能圖像的比例是否還適宜高中生的認(rèn)知水平，是值得深入探索和共同研討的問題。此外，建議在高中物理教材修訂過程中適當(dāng)增加同時擁有解釋、闡明和演示功能的復(fù)合圖像表征。并且考慮隨著學(xué)生認(rèn)知水平的提升和知識內(nèi)容的加深，適當(dāng)增加具有解釋功能的圖像表征的比例。