大概念視角下的生物教材插圖的比較分析
——以中德教材“遺傳”部分為例

金玉宏，肖龍海

“大概念”（big idea）是各學(xué)科領(lǐng)域的有結(jié)構(gòu)、有聯(lián)系的核心概念和模型，位于學(xué)科的中心。教育部發(fā)布《普通高中課程方案（2017年版）》明確了以學(xué)科大概念為核心從而促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)［1］（P4），各學(xué)科紛紛提出自己的學(xué)科大概念?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）也提出了結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀和物質(zhì)與能量觀等大概念，也稱核心概念或生命觀念。［2］（P41）這就要求教學(xué)的重心應(yīng)從孤立的事實(shí)知識(shí)和知識(shí)碎片轉(zhuǎn)向建立知識(shí)的聯(lián)系。但是，幫助學(xué)生建立一個(gè)或多個(gè)聯(lián)系，最終形成大概念是相對困難的。教師需要為學(xué)生搭建適合的“支架”，為學(xué)生意義建構(gòu)時(shí)提供幫助、支持和引導(dǎo)。［3］

教材是為國家課程規(guī)劃落實(shí)核心素養(yǎng)、呈現(xiàn)大概念的重要環(huán)節(jié)。［4］而其中的插圖由于其圖文結(jié)合的特點(diǎn)，一直是生物學(xué)教學(xué)中重要的呈現(xiàn)、輔助和交流的形式。同時(shí)，教材插圖方便學(xué)生隨時(shí)提取具體信息，釋放工作記憶空間用于高層次的知識(shí)加工［5］（P91-97），建立更多的聯(lián)系，最終形成更一般的概念。2019年，修訂后的普通高中教科書《生物學(xué)》出版發(fā)行。但在實(shí)施“新課標(biāo)”的背景下，新版插圖能否成為大概念教學(xué)的有效“支架”？教師應(yīng)選擇什么樣的插圖？如何評價(jià)插圖的有效性？這些問題還有待解決。德國早在2005年就已將大概念列入國家生物課程標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)又推出了相應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)［6］（P201-218），相較于我國已有一定經(jīng)驗(yàn)。本研究將對中德兩國新舊高中生物教材中的插圖進(jìn)行量化和質(zhì)性的比較，以期對教材編寫和大概念教學(xué)中的插圖使用有所啟示。

一、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對象的選取

我國教材選取的是人民教育出版社的《生物》（簡稱“舊人教版”）教材（2007年第2版）和《生物學(xué)》（簡稱“新人教版”）教材（2019年第1版）。德國教材選取Schroedel出版社出版的LINDER Biologie SII，包括2010年第23版（簡稱“舊德版”）和2019年第24版（簡稱“新德版”）。該教材是德國高中生物四套標(biāo)準(zhǔn)教材之一，使用廣泛。所選中德教材的時(shí)間跨度較接近，適合用于橫向和縱向比較。在四套教材中選取與“遺傳”相關(guān)的我國“新課標(biāo)”中大概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的對應(yīng)章節(jié)，考察教材插圖對大概念3實(shí)現(xiàn)的幫助。我國教材對應(yīng)必修2的1-5章。德國教材對應(yīng)分子遺傳學(xué)、經(jīng)典遺傳學(xué)和人類遺傳學(xué)的章節(jié)，為了使比較內(nèi)容一致，沒有將各版教材中基因工程的有關(guān)內(nèi)容包括在內(nèi)。

（二）研究工具的開發(fā)

目前已有的插圖的分類方法繁多。但無論是按功能分類［5］（P87-89）或按功能和形式［7］分類都不能為大概念教學(xué)中插圖的選擇提供有效參考。所以需要以大概念的形成作為依據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的插圖分類工具。

德國根據(jù)國家教育標(biāo)準(zhǔn)（包括初中化學(xué)、生物、物理三科）制定了對應(yīng)大概念的評估方案（ESNaS），該方案通過知識(shí)復(fù)雜性維度對大概念的形成建立了分層的表現(xiàn)性量表。［6］（P201-218）包括一個(gè)事實(shí)（Ⅰ），兩個(gè)事實(shí)（Ⅱ），一個(gè)聯(lián)系（Ⅲ），兩個(gè)聯(lián)系（Ⅳ），一般概念（generic concept）（Ⅴ）。該量表體現(xiàn)了事實(shí)、聯(lián)系和一般概念三個(gè)層次的遞進(jìn)關(guān)系（如圖1），通過分層表示了從孤立知識(shí)到逐漸形成知識(shí)體系的過程。其中一般概念（Ⅴ）被描述為“支配一切的科學(xué)結(jié)構(gòu)”,與德國課程標(biāo)準(zhǔn)中的“核心概念”以及我國“新課標(biāo)”的核心概念或大概念的內(nèi)涵一致。迄今為止，已有多個(gè)實(shí)證研究將該量表用于大概念教學(xué)研究，這些研究通過對物理、生物等學(xué)科的教學(xué)任務(wù)和課堂語言進(jìn)行編碼從而對大概念的形成進(jìn)行定量的分析。［8］

圖1 知識(shí)復(fù)雜性維度的遞進(jìn)關(guān)系

本文以ESNaS評估方案的知識(shí)復(fù)雜性量表為基礎(chǔ)，再根據(jù)插圖自身的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于知識(shí)聯(lián)系水平的插圖分類表（見表1）。該表對每個(gè)類別的插圖進(jìn)行了賦值和操作性定義，并給出了對應(yīng)的示例。其中Ⅰ、Ⅱ?yàn)榈吐?lián)系水平，Ⅲ為中聯(lián)系水平，Ⅳ和Ⅴ為高聯(lián)系水平。各個(gè)聯(lián)系水平按從低到高分別賦值為1-5。

表1 . 基于知識(shí)聯(lián)系水平的插圖分類

兩國教材中對應(yīng)章節(jié)的插圖都按照表1的分類進(jìn)行了編碼。我國教材中沒有編號的章首圖、問題探討和練習(xí)中的插圖都統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。如果同一插圖編號下有多幅圖，按一幅插圖計(jì)算?！芭f人教版”中欄目都配有欄目標(biāo)題圖，而德國教材的各欄目都沒有配欄目標(biāo)題圖，為了便于比較，“舊人教版”的欄目標(biāo)題圖都沒有統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。兩位生物教師經(jīng)培訓(xùn)后對插圖進(jìn)行編碼。兩位編碼者編碼結(jié)果的weighted kappa系數(shù)為0.839（95%CI為0.804-0.874），P ＜0.001，說明編碼結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性。

二、研究結(jié)果

（一）中德教材對應(yīng)插圖的總體情況

對應(yīng)大概念3的我國新舊版和德國新舊版教材中分別有132、140和152、138幅插圖。從知識(shí)聯(lián)系水平Ⅰ到Ⅴ的數(shù)量和比例匯總?cè)绫?所示。對各個(gè)水平的插圖進(jìn)行賦值之后，計(jì)算得到我國教材和德國教材插圖的聯(lián)系水平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）以及t檢驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

總體來看，中德新教材插圖中低聯(lián)系水平的比例降低?！芭f人教版”中僅起裝飾作用不承載知識(shí)的插圖有7幅，占5.3%，“新人教版”僅剩兩幅，占1.4%。僅呈現(xiàn)事實(shí)知識(shí)的插圖也從28.8%下降到了22.9%?！靶碌掳妗苯滩膬H呈現(xiàn)事實(shí)知識(shí)的插圖從原來的19.7%下降到了13.0%。同時(shí)，新版中德教材插圖中呈現(xiàn)高聯(lián)系水平的占比均有一定提高。我國教材呈現(xiàn)兩種以上聯(lián)系的插圖比例從22.8%提升到了28.6%。德國教材從37.5%上升到了48.6%。從t檢驗(yàn)結(jié)果看，“新人教版”的聯(lián)系水平均值從舊版的2.84到3.06，發(fā)生了顯著提升（t=-2.164,p＜0.05）?！靶碌掳妗苯滩牡穆?lián)系水平從3.24到3.47也有了顯著提升（t=-2.164,p＜0.05）?！靶氯私贪妗毙抻喓笃渎?lián)系水平與“舊德版”之間已無顯著差異，但與“新德版”相比仍有一定差距。

表2 . 中德教材對應(yīng)插圖的描述統(tǒng)計(jì)

表3 . 中德教材對應(yīng)插圖的變化趨勢和比較

（二）不同位置插圖的統(tǒng)計(jì)情況

從插圖位置的統(tǒng)計(jì)情況看（見表4），我國教材在非正文部分的插圖較多，而德國教材的插圖主要集中在正文部分。在新版教材中兩者的區(qū)別更為顯著（χ2=41.170，p＜0.001）。“新人教版”正文中插圖從原來53.0%降至45.0%。“新德版”正文中插圖則從73.0%提升到81.2%。

“新人教版”的章首和引入部分的插圖聯(lián)系水平總體得到提升。無相關(guān)知識(shí)的插圖僅剩1幅，使得章首引入處的插圖都有一定作用。甚至在章首處出現(xiàn)了體現(xiàn)大概念的插圖?！靶碌掳妗钡恼率缀鸵氩糠钟卸喾鍒D呈現(xiàn)多種聯(lián)系。而“舊德版”在該位置的插圖全部只呈現(xiàn)事實(shí)知識(shí)。

“新人教版”在練習(xí)等欄目的插圖比例從31.8%提升至41.4%。同時(shí)，其聯(lián)系水平也有一定提高。裝飾類插圖減少到僅1幅，同時(shí)呈現(xiàn)多種聯(lián)系水平的插圖從原來4幅（3.0%）提高到11幅（7.8%）?！靶碌掳妗钡木毩?xí)等欄目中的插圖比例則出現(xiàn)了下降，從23.0%下降至10.9%，但是聯(lián)系水平仍然是呈提升趨勢。其中有一半以上的插圖呈現(xiàn)多種聯(lián)系，還有1幅插圖呈現(xiàn)大概念。

表4 . 不同位置插圖的統(tǒng)計(jì)情況

三、利用插圖促進(jìn)大概念實(shí)現(xiàn)的策略

中德新教材中插圖的變化體現(xiàn)了兩國對于學(xué)科素養(yǎng)和大概念的全新要求，通過對教材進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)性比較，總結(jié)了通過插圖促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)大概念的策略，以期在實(shí)行“新課標(biāo)”的背景下為教師用圖和教材編寫提供參考。

（一）提升教學(xué)插圖的聯(lián)系水平

1.減少無關(guān)的裝飾性插圖

已有實(shí)證研究表明，為了美觀或吸引眼球而設(shè)置的裝飾性插圖常常對學(xué)生學(xué)習(xí)沒有幫助，甚至是有害的。［5］（P178-181）因?yàn)樗鼈儠?huì)占用有限的心理空間，而使學(xué)習(xí)者沒有足夠的認(rèn)知資源用于重要內(nèi)容的學(xué)習(xí)。“新人教版”在減少裝飾類插圖上做出了特別大的改動(dòng)。首先，新版刪除了舊版中多幅與內(nèi)容無關(guān)的插圖。如刪去了第二章第2節(jié)問題探討的蝗蟲精母細(xì)胞照片。其次，“舊人教版”欄目標(biāo)題都配有復(fù)雜的標(biāo)題圖，在新版中這些標(biāo)題圖全部去除。而是用簡單符號取代。最后，“新人教版”對舊版中圖框、表格底紋等裝飾性元素也都做了清理。每個(gè)表格的底色從“紅黃綠”三種統(tǒng)一為藍(lán)色。德國教材也做出了一定的改進(jìn)。其舊版中使用顯微照片作為各章的特征圖片置于頁角用于檢索。新版中將照片換成單色色塊在側(cè)邊依次排開。

2.利用插圖整理知識(shí)碎片

生物學(xué)科中有很多零散的知識(shí)，德國兩版教材通過插圖的組合將這些碎片知識(shí)整理歸類建立聯(lián)系。例如對于大概念3，DNA和RNA的基本單位的化學(xué)結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)等是整個(gè)教學(xué)單元的基礎(chǔ)。在我國教材中，這些知識(shí)被散落在不同冊的章節(jié)和頁面中。當(dāng)學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中需要檢索DNA與RNA的結(jié)構(gòu)內(nèi)容時(shí)，只能從這些碎片中管窺。德國教材則將這些事實(shí)性知識(shí)整理歸檔，跨頁按照局部到整體、平面到立體的順序呈現(xiàn)?！靶碌掳妗苯滩穆?lián)系水平提升的原因之一是進(jìn)行了大量的插圖整合，同一插圖編號下包含2-3張圖的情況非常普遍。

3.以圖片建立微觀和宏觀聯(lián)系

顯微照片及其他寫實(shí)圖能幫助學(xué)生了解事實(shí)原貌，建立現(xiàn)實(shí)世界和微觀世界的聯(lián)系。但是當(dāng)學(xué)生處理這些復(fù)雜圖形時(shí)，會(huì)消耗過多心理資源加大知識(shí)建構(gòu)的難度。很多顯微照片都無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。“新人教版”和德國教材為顯微照片增加了放大倍數(shù)或是比例尺，從而讓學(xué)生能夠有一定空間上的直觀感受。同時(shí)它們還將顯微照片和模式圖結(jié)合。例如德國教材將減數(shù)分裂各時(shí)期的顯微照片與對應(yīng)的精子、卵子形成過程的各時(shí)期模式圖和文字說明一一對應(yīng)排列后呈現(xiàn)。學(xué)生可以通過臨近的模式圖和文字辨認(rèn)顯微照片中的各個(gè)結(jié)構(gòu)?！靶氯私贪妗庇薪z分裂也用了這種方式增加顯微照片的易讀性，但減數(shù)分裂的插圖仍分散排布。此外，德國教材還通過對顯微照片中結(jié)構(gòu)著色、箭頭標(biāo)注等方式輔助閱讀理解。也有使用圖群：宏觀實(shí)物照片→光學(xué)顯微照片→立體模式圖→電子顯微照片→細(xì)胞中位置圖。這樣搭配后，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)“近景”“遠(yuǎn)景”的瞬時(shí)切換，可以比較微觀結(jié)構(gòu)異同，同時(shí)又不失全局視野。

4.多圖聯(lián)動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜聯(lián)系

當(dāng)通過多幅插圖共同展示多種聯(lián)系時(shí)，在不同插圖中反復(fù)出現(xiàn)的重要事實(shí)知識(shí)可以用相同形狀顏色表示，并對它們進(jìn)行標(biāo)注，利于學(xué)生通過多圖進(jìn)行知識(shí)整合，建立高層次聯(lián)系。大概念3“遺傳信息代代相傳，遺傳信息控制生物性狀”包含了復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等一系列過程。這其中涉及多種復(fù)雜的聯(lián)系，需要通過多圖分別呈現(xiàn)各知識(shí)片段。如果不注重圖與圖之間事實(shí)的一致性，可能導(dǎo)致這一連續(xù)的過程隨著分割開的插圖而被切斷。“舊人教版”中DNA、mRNA等在不同插圖中出現(xiàn)，但形態(tài)和顏色卻毫無關(guān)聯(lián)。例如核糖體的顏色在其出現(xiàn)的3幅插圖中都不同，而且還缺乏文字標(biāo)注?！靶氯私贪妗睂NA、mRNA、tRNA、核糖體在各個(gè)插圖中的形態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)一。除了少數(shù)圖缺乏標(biāo)注外，各圖之間形狀、顏色和文本基本達(dá)成一致，可以更好地為學(xué)生基于多圖建構(gòu)高層次聯(lián)系提供服務(wù)。德國兩版教材的插圖間的一致性都較好。

5.借助插圖完整地凸顯大概念

在一張插圖中將高層次的聯(lián)系可視化，完整呈現(xiàn)，將為學(xué)生建構(gòu)大概念提供直接的助力?！靶氯私贪妗痹诘谒恼抡率仔略隽藦霓D(zhuǎn)錄到翻譯形成多肽鏈的基因表達(dá)圖。配合其后轉(zhuǎn)錄、翻譯圖以及位置提前的中心法則圖，較連貫地展示了大概念“遺傳信息控制生物性狀”。德國教材則通過多幅大概念圖呈現(xiàn)了該大概念的完整圖景。例如有一幅圖依托于文本，將這一過程抽象為“DNA→mRNA→蛋白質(zhì)（酶）→→→一朵紅色花（圖）”。比中心法則圖多了蛋白質(zhì)到性狀的部分。在同一頁有另一幅圖與“新人教版”章首圖相似，但德版更進(jìn)一步呈現(xiàn)了多肽鏈形成復(fù)雜蛋白質(zhì)的過程。此外，德國教材還通過真核和原核細(xì)胞基因表達(dá)圖、基因組和蛋白質(zhì)組間的重要聯(lián)系圖等共8幅大概念圖強(qiáng)化這一大概念。比較而言，“新人教版”略顯單薄，僅有兩幅圖較完整展示大概念，而且都沒有在圖中表示出蛋白質(zhì)和生物性狀的聯(lián)系。

（二）強(qiáng)化教學(xué)各環(huán)節(jié)中插圖的應(yīng)用

1.從大單元出發(fā)，進(jìn)一步發(fā)揮開篇用圖的引領(lǐng)作用

我國教材的章首圖意蘊(yùn)更為宏大，并與類似國畫中常見的“題畫詩”相配，形成了“詩是無形畫，畫是有形詩”的獨(dú)特表現(xiàn)形式，并在新版中得到了傳承和發(fā)展。對應(yīng)“新課標(biāo)”，新版章首出現(xiàn)了直接展現(xiàn)大概念的圖，如第四章章首圖。清晰度也得到了進(jìn)一步提高。對這種開篇方式，教師在大單元引入時(shí)也可以多多借鑒和學(xué)習(xí)。德國教材的開篇較為平實(shí)，“新德版”去除了其舊版引入部分的引導(dǎo)性問題，直接羅列相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和對應(yīng)插圖，較好地顧及了學(xué)生的已有知識(shí)，但情境創(chuàng)設(shè)上稍顯欠缺。

2.做好知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，運(yùn)用圖形歸納總結(jié)

各單元應(yīng)在小結(jié)部分對零散知識(shí)進(jìn)行梳理，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。圖形由于其非線性的組織方式可以更好地解決這一問題?！靶碌掳妗痹谄湫〗Y(jié)部分運(yùn)用了概念圖和流程圖幫助呈現(xiàn)知識(shí)間的立體架構(gòu)。兩版中國教材在小結(jié)部分使用的表征方式單一，都僅使用了文字?jǐn)⑹觥＝處熆梢栽谛〗Y(jié)時(shí)多采用具有高聯(lián)系水平的概念圖和直接展示大概念的流程圖。

3.通過插圖助力評估和反饋

插圖可以作為外部表征工具將學(xué)生理解過程和理解水平可視化呈現(xiàn)。［9］提升模型建構(gòu)、練習(xí)、檢測欄目中插圖的聯(lián)系水平，可幫助學(xué)生建構(gòu)高水平聯(lián)系并使教師及時(shí)進(jìn)行評估。相較于德國教材，“新人教版”在舊版基礎(chǔ)上更加充分地發(fā)揮了插圖的評估和反饋?zhàn)饔?。其問題探討、思維訓(xùn)練、練習(xí)與應(yīng)用等部分有概念圖填空、DNA結(jié)構(gòu)圖填空和數(shù)據(jù)圖等多種形式的插圖。“新人教版”通過提問和填空的形式使得學(xué)生可以參與知識(shí)建構(gòu)的過程，有利于科學(xué)思維和技能的提升，教師也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生深度理解中存在的問題。德國教材改版后，欄目減少，練習(xí)中使用插圖的種類更為單一，主要為遺傳圖解。

四、結(jié)論

本研究提供了基于“新課標(biāo)”的插圖評價(jià)工具。并依此分析比較了中德新舊四版高中生物教材插圖的知識(shí)聯(lián)系水平。

“新人教版”插圖的聯(lián)系水平發(fā)生了顯著提升，較好地落實(shí)了“新課標(biāo)”對于實(shí)現(xiàn)大概念的要求，同時(shí)又繼承和發(fā)展出了自身特色?！靶氯私贪妗闭率椎摹霸姰嫛辈鍒D具有更好的引領(lǐng)作用。各欄目插圖排布更有利于學(xué)生參與知識(shí)建構(gòu)，也更有利于學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)。

“新德版”插圖聯(lián)系水平進(jìn)一步提升?！靶氯私贪妗迸c“舊德版”已無顯著差異，但是與“新德版”仍具有顯著差異。“新德版”的插圖排布更緊湊，呈現(xiàn)大概念的插圖更為豐富?！靶碌掳妗辈鍒D整理知識(shí)碎片的策略和建立微觀宏觀聯(lián)系的策略，以及完整呈現(xiàn)大概念的插圖的設(shè)計(jì)和配備上都值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。另外，中德教材插圖的欄目分布也具有顯著差異。其用圖進(jìn)行小結(jié)的方法更有利于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的梳理，可以作為參考。

面對新課改，教師在教學(xué)中對插圖的選擇和布局也亟需做出相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)我們把教學(xué)目標(biāo)聚焦于大概念，在選用插圖時(shí)也應(yīng)從細(xì)枝末節(jié)中解放出來，注重知識(shí)的聯(lián)系和組織。本研究提出的插圖評價(jià)工具在指向大概念的插圖設(shè)計(jì)和課堂呈現(xiàn)中，能夠?qū)Σ鍒D有更客觀的描述，幫助教學(xué)用圖設(shè)計(jì)和教師選圖緊貼課程標(biāo)準(zhǔn)。