科學(xué)教育中的科學(xué)繪畫

譚利華 馮士季

[收稿日期] 2020-06-27

[基金項(xiàng)目] 2019年度教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目（19YJC880021）

[作者簡(jiǎn)介] 譚利華（1996—），男，湖南郴州人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭茖W(xué)教育。 *[通信作者] 馮士季（1983—），男，河南信陽人。博士，講師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷W(xué)業(yè)測(cè)評(píng)、課程與教學(xué)論。

[ 摘 要] 科學(xué)繪畫是科學(xué)學(xué)習(xí)者通過繪制圖畫和符號(hào)來觀察記錄、設(shè)計(jì)思考、建構(gòu)認(rèn)知和表達(dá)交流的一種活動(dòng)。科學(xué)繪畫的心理學(xué)基礎(chǔ)包括多元智能理論、信息加工理論和生成學(xué)習(xí)理論等。根據(jù)形式的不同，科學(xué)繪畫可以分為科學(xué)數(shù)據(jù)圖、描繪圖、設(shè)計(jì)圖、思維圖等不同類型，描述內(nèi)容主要包括事物的“特征與結(jié)構(gòu)”“過程”和“關(guān)系”?？茖W(xué)繪畫的合理使用能夠促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)和教師的科學(xué)教學(xué)，并為科學(xué)教育研究提供新的可能性。要使科學(xué)繪畫成為科學(xué)教學(xué)的有效途徑和教育研究的有效工具，應(yīng)該注意其使用策略，合理發(fā)揮其功能特點(diǎn)，使其成為傳統(tǒng)教學(xué)方式和研究工具的有益補(bǔ)充。

[ 關(guān)鍵詞] 科學(xué)繪畫;科學(xué)教學(xué)策略;科學(xué)教育研究

[ 中圖分類號(hào)] G622.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2021）03-0079-08

從法拉第、達(dá)爾文和麥克斯韋的工作筆記，到如今某些科學(xué)家所接受的專業(yè)訓(xùn)練，科學(xué)繪畫（Scientific Drawing）在科學(xué)研究中具有悠久的傳統(tǒng)[1]?？茖W(xué)家們通過繪畫的方式來觀察記錄、設(shè)計(jì)思考和表達(dá)交流。在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生也可以使用與科學(xué)家類似的方式，通過繪畫來學(xué)習(xí)科學(xué)（Drawing to Learn in Science）。作為一種思維表征方式，繪畫在學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)過程中與語言描述、數(shù)學(xué)建模等同樣重要[2]。擁有良好科學(xué)素養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)該具有閱讀科學(xué)圖像的能力，并能使用包括繪畫在內(nèi)的多種方式來思維和表達(dá)?？茖W(xué)繪畫及其在科學(xué)教育中的應(yīng)用的相關(guān)研究在國外已相當(dāng)豐富，在國內(nèi)卻未引起足夠的關(guān)注。教育實(shí)踐中并非沒有使用科學(xué)繪畫，只是往往“用而不知”，對(duì)其認(rèn)識(shí)多處于感性經(jīng)驗(yàn)水平。本文擬闡明通過繪畫來進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)的心理學(xué)基礎(chǔ)，歸納分析科學(xué)繪畫的內(nèi)涵、類型以及使用策略，以期提高在科學(xué)教學(xué)中使用科學(xué)繪畫的水平，并為科學(xué)教育研究提供新的方式和手段。

1 科學(xué)繪畫的心理學(xué)基礎(chǔ)

科學(xué)繪畫的使用建立在相關(guān)心理學(xué)研究之上：多元智能理論提示繪畫是開發(fā)學(xué)生潛能的多種學(xué)習(xí)方式之一;信息加工理論說明了繪畫作為一種不同于言語信息的表征形式，對(duì)于學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)和問題解決具有重要意義，它同生成學(xué)習(xí)理論一起揭示了繪畫幫助學(xué)生加工信息并建構(gòu)個(gè)人理解的心理機(jī)制。

1.1 多元智能理論

美國心理學(xué)家加德納（Gardner H）提出的多元智能理論（the theory of Multiple Intelligence）認(rèn)為，人類至少存在八種智能，不同個(gè)體的智能特征存在差異，每個(gè)人都有自己喜歡、擅長(zhǎng)的領(lǐng)域和學(xué)習(xí)的方式[3]。如果學(xué)校教育和標(biāo)準(zhǔn)化考試過分強(qiáng)調(diào)語言智能和邏輯—數(shù)學(xué)智能，否定其他同樣為社會(huì)所需要的智能，將使學(xué)生身上的許多重要潛能得不到確認(rèn)和開發(fā)?？茖W(xué)繪畫對(duì)于空間智能、自然觀察智能的確認(rèn)和開發(fā)非常重要?？臻g智能是人以三維空間的方式思維，能準(zhǔn)確感知和操作視覺空間，并將其表現(xiàn)出來的能力[4]。通過進(jìn)行顏色標(biāo)識(shí)（Color Cues），繪制構(gòu)想草圖（Idea Sketching）、圖解符號(hào)（Graphic Symbols）等方式進(jìn)行教學(xué)，有利于開發(fā)學(xué)生的空間智能[5]。自然觀察智能是人觀察、辨別生物和自然景觀的能力[4]。繪畫是觀察記錄的常用手段，是培養(yǎng)學(xué)生觀察能力的好方法 [6，7]。因此，教師在教學(xué)中使用文字、圖像等多種方式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生通過包括繪畫在內(nèi)的多種表達(dá)和操作活動(dòng)來學(xué)習(xí)、思考，有利于教學(xué)適應(yīng)學(xué)生的個(gè)體差異，更充分地開發(fā)其潛能。

1.2 信息加工理論

可以從信息加工過程和問題解決兩方面來考察學(xué)生如何通過繪畫來學(xué)習(xí)科學(xué)。

1） 信息加工過程。從信息的知覺過程來看，識(shí)別外部刺激信息的關(guān)鍵在于特征和特征分析[8]。在進(jìn)行觀察記錄時(shí)，繪畫讓你專心致志，在畫的過程中更精確地知覺觀察對(duì)象的形狀和顏色等特征[6]?！袄碚摏Q定我們能夠觀察到的東西”，人的知覺還涉及自上而下的知覺過程。繪畫要求人把握觀察對(duì)象最重要的特征，并思考它背后反映的規(guī)律與聯(lián)系，這對(duì)于培養(yǎng)人觀察思考的能力非常重要。因此繪畫不僅是一種記錄方法，更是一種培養(yǎng)人的手段[6]。

從信息的加工和儲(chǔ)存來看，繪畫要求學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的意義和特征進(jìn)行精細(xì)加工，并仔細(xì)檢查自己的圖畫。在此過程中，學(xué)生形成了表象、表征，建立了繪畫的動(dòng)作記憶、圖像化的信息與精加工的語義理解三者之間的聯(lián)系。研究表明，相對(duì)于語義的抄寫和精加工等方式，繪畫更有利于學(xué)生回憶所學(xué)習(xí)的科學(xué)詞匯、圖片和概念定義[9]。

從信息的表征形式來看，Paivio提出的雙重編碼理論（Dual Coding Theory）認(rèn)為：人的思維表征系統(tǒng)分為言語系統(tǒng)（Verbal System）和非言語系統(tǒng)（Nonverbal System），兩個(gè)系統(tǒng)分別處理來自感受器的言語信息和非言語信息（如視覺圖像、觸覺、非言語的聲音等），并在彼此之間建立聯(lián)系，從而使人對(duì)事物的認(rèn)識(shí)更完整，具有更強(qiáng)的思維能力（如圖1）[10]。具體而言，首先，對(duì)于如空間結(jié)構(gòu)關(guān)系、形象特征等圖像信息的表征，表象代碼（Imagens）具有天然的優(yōu)勢(shì)，并能進(jìn)行言語代碼（Logogens）所不能進(jìn)行的操作（如心理旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)重組等），即所謂“圖一張勝過話一筐”[11]。其次，從對(duì)思維的作用來看，事物的形象由表象代碼表征，形象思維借助于表象而實(shí)現(xiàn)[8]。愛因斯坦曾說：“我思考問題時(shí)，不是用語言進(jìn)行思考，而是用活動(dòng)的跳躍的形象進(jìn)行思考，當(dāng)這種思考完成以后，我要花很大力氣把它們轉(zhuǎn)換成語言”。表象對(duì)于圖像處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝等必不可少，在問題解決、創(chuàng)造性活動(dòng)中有重要作用[8]。

由于人的視覺表象特別發(fā)達(dá)，視覺表象被視為一種主要的表象代碼?？茖W(xué)研究本就經(jīng)常涉及空間和圖像化的內(nèi)容，理解圖像，并通過圖像和繪畫來思維與表達(dá)是學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)中不可或缺的能力[12]。因此，在教學(xué)中應(yīng)該開展融合科學(xué)繪畫的多種學(xué)習(xí)活動(dòng)，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的非言語系統(tǒng)，建立兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)。

2） 問題解決。認(rèn)知心理學(xué)將問題解決過程分為問題表征、選擇算子、應(yīng)用算子和評(píng)估當(dāng)前狀態(tài)四個(gè)階段[8]。在解決疑難科學(xué)問題時(shí)，繪畫（如繪制思維圖）有利于幫助學(xué)生將問題的關(guān)鍵點(diǎn)之間的關(guān)系表征清楚，形成合適的問題空間，進(jìn)而有利于學(xué)生選擇合適算子。在應(yīng)用算子來改變問題的狀態(tài)時(shí)，繪畫能將問題空間的變化清晰地呈現(xiàn)，減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)，并方便學(xué)生時(shí)時(shí)評(píng)價(jià)當(dāng)前進(jìn)展，逐漸接近目標(biāo)。有研究表明，在某些科學(xué)領(lǐng)域中，使用繪畫能提高學(xué)生在問題解決測(cè)驗(yàn)中的分?jǐn)?shù)，學(xué)生表現(xiàn)的繪畫水平越高，解決問題的能力越強(qiáng)[13]。

1.3 生成學(xué)習(xí)理論

生成學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)的過程就是學(xué)習(xí)者原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與從環(huán)境中接受的感覺信息相互作用的過程，在此過程中學(xué)習(xí)者主動(dòng)地選擇和注意信息，并建構(gòu)其意義[4]。

基于此，Van Meter 和Garner提出的“繪畫的生成學(xué)習(xí)理論”（the Generative Theory of Drawing Construction）認(rèn)為，學(xué)生在通過繪畫學(xué)習(xí)科學(xué)內(nèi)容時(shí)，至少經(jīng)歷以下認(rèn)知過程：（1）選擇（Selection）。根據(jù)繪畫目的搜索所知覺信息中的要素，激活長(zhǎng)時(shí)記憶中的已有經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，主動(dòng)對(duì)信息進(jìn)行選擇性的知覺和注意。繪畫過程中學(xué)生若發(fā)現(xiàn)新的信息要素，便重復(fù)此過程，重新知覺新的信息，思考繪畫要體現(xiàn)的內(nèi)容;（2）組織（Organization）。繪畫時(shí)將知覺的信息與長(zhǎng)時(shí)記憶中的言語表征和表象表征建立聯(lián)系，主動(dòng)理解信息的意義，建立表象;（3）整合（Integration）。將理解的各部分信息整合為完整的圖像模型，完成繪畫[7]。

通過繪畫來學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)在于，形成的繪畫能清晰地表明學(xué)生現(xiàn)有的理解水平，為學(xué)生控制、調(diào)節(jié)和評(píng)價(jià)自己的學(xué)習(xí)提供重要的信息。另外，學(xué)習(xí)者在修改繪畫的過程中，必須反復(fù)地檢查文本和自己表象表征的意義，主動(dòng)調(diào)用言語和非言語兩方面的認(rèn)知系統(tǒng)，用表象表征明確言語信息中表達(dá)的圖像特點(diǎn)和空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，用言語表征中的概念和命題網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)整體表象關(guān)系的建構(gòu)——這樣有利于建立言語表征和表象表征之間的聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)良好、靈活有效的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[14]。

由此看來，繪畫是學(xué)生學(xué)習(xí)、思維的一種重要方式，科學(xué)教育工作者應(yīng)該對(duì)其有所關(guān)注。

2 科學(xué)繪畫的內(nèi)涵和類型

歸納分析科學(xué)繪畫的內(nèi)涵和類型，有利于對(duì)其形成更清晰具體的認(rèn)識(shí)。

2.1 科學(xué)繪畫的內(nèi)涵

研究者認(rèn)為：（1）繪畫過程包含一系列信息的選擇、組織、整合，是頭腦中思維模型的建立與外部圖像化表達(dá)的綜合[7];（2）繪畫表示的內(nèi)容包括（事物、模型）結(jié)構(gòu)、（發(fā)生、運(yùn)轉(zhuǎn)）過程和（事物、概念之間）關(guān)系，并有不同的抽象程度;（3）學(xué)生創(chuàng)作的開放性程度根據(jù)教師提供的幫助有所變化;（4）除紙筆之外，憑借任何媒體創(chuàng)作靜態(tài)、二維的作品都屬于繪畫[15]。因此，科學(xué)繪畫不僅是一種信息記錄與表達(dá)的方式，更是促進(jìn)學(xué)生推理、設(shè)計(jì)、建模等高級(jí)認(rèn)知能力發(fā)展的學(xué)習(xí)方法。

在此基礎(chǔ)上，將“科學(xué)繪畫”界定為科學(xué)學(xué)習(xí)者在紙張等媒介上通過繪制圖畫和符號(hào)來觀察記錄、設(shè)計(jì)思考、建構(gòu)認(rèn)知和表達(dá)交流的一種活動(dòng)，是學(xué)習(xí)者將其內(nèi)部認(rèn)知進(jìn)行圖像化表達(dá)從而形成作品的過程。從外部來看，科學(xué)繪畫是學(xué)習(xí)者在科學(xué)學(xué)習(xí)中通過繪畫來觀察記錄、猜想預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與表達(dá)交流，是科學(xué)探究中不可或缺的一部分，能讓學(xué)生更好地體驗(yàn)真實(shí)的科學(xué)活動(dòng);從內(nèi)部來看，科學(xué)繪畫是學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)進(jìn)行組織和整合，在頭腦中形成認(rèn)知表象并進(jìn)行外部表達(dá)的過程，是輔助學(xué)生開展科學(xué)認(rèn)知的思維工具。

不同于藝術(shù)中的繪畫，科學(xué)繪畫更強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在繪畫過程中專注于科學(xué)概念和思維過程的描述與表達(dá)，幫助學(xué)生建立新舊知識(shí)的關(guān)聯(lián)，開展科學(xué)探究活動(dòng)，形成個(gè)人對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解和對(duì)科學(xué)活動(dòng)的體會(huì)，進(jìn)而促進(jìn)其參與科學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)。

2.2 科學(xué)繪畫的類型

科學(xué)繪畫的類型多種多樣，不同類型具有各自的功能，適用于不同的表達(dá)需求。

首先，根據(jù)繪畫的形式劃分，科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中常見的類型有：（1）科學(xué)數(shù)據(jù)圖（Graph），常用來整理、展示收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)，包括線形圖、條形圖、餅狀圖等;（2）描繪圖（Representational Drawing），常用來記錄所觀察、學(xué)習(xí)的事物，描繪其特征與結(jié)構(gòu);（3）設(shè)計(jì)圖（Design Drawing/Design Sketch），常用來表達(dá)自己的猜想，設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)。如用繪畫猜想黑箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過濾水源的裝置;（4）思維圖（Mind Map/Thinking Map/Concept Map），常用來整理所學(xué)內(nèi)容，組織概念之間的關(guān)系，包括思維導(dǎo)圖、概念圖、韋恩圖、氣泡圖、網(wǎng)狀圖等。思維導(dǎo)圖是利用不同顏色、符號(hào)來表示各級(jí)主題的關(guān)鍵要素及其關(guān)系，將發(fā)散性思考過程在紙上畫出來，能引導(dǎo)學(xué)生理解抽象概念，整理所學(xué)知識(shí)，促進(jìn)思維激發(fā)和思維整理[16]。概念圖是使用節(jié)點(diǎn)代表概念，使用連線表示概念間關(guān)系，用概念所屬層級(jí)表示其概括性水平的知識(shí)組織和表征工具，能精煉知識(shí)，將各種概念及其關(guān)系以類似于腦對(duì)知識(shí)儲(chǔ)存的層級(jí)結(jié)構(gòu)形式排列，幫助學(xué)生建立、完善知識(shí)結(jié)構(gòu)[17，18]。韋恩圖是一種用來選擇、分類和比較信息的圖示工具，易于顯示事物之間的異同。氣泡圖和網(wǎng)狀圖讓學(xué)生由一個(gè)中心主題發(fā)散出若干個(gè)分支關(guān)鍵詞，有利于學(xué)生在研討中及時(shí)整理研究成果，為探求新知確定起點(diǎn)。

其次，根據(jù)繪畫的內(nèi)容來劃分，主要包括“特征與結(jié)構(gòu)”“過程”和“關(guān)系”三類。對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分類，有利于理解學(xué)生如何通過繪畫來學(xué)習(xí)不同科學(xué)內(nèi)容。在表述事物特征與結(jié)構(gòu)時(shí)，繪畫能對(duì)其進(jìn)行直觀描繪。其所傳遞的信息往往超過同樣版面大小的文字說明，同時(shí)更加準(zhǔn)確和便于識(shí)別，這也是當(dāng)初科學(xué)家們繪制、使用科學(xué)繪畫的原因[19]。在表征過程性的內(nèi)容時(shí)，繪畫能夠形象地表明過程發(fā)生的結(jié)構(gòu)機(jī)理及先后順序。在表征關(guān)系時(shí)，對(duì)于數(shù)據(jù)而言，使用者可通過圖表使其圖像化，以便于發(fā)現(xiàn)變量之間的關(guān)系和數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì);對(duì)于概念等其他內(nèi)容，繪畫能將諸多要素并列呈現(xiàn)，方便使用者對(duì)其關(guān)系進(jìn)行梳理，將科學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化、概念網(wǎng)絡(luò)化。

綜合兩個(gè)分類維度，科學(xué)繪畫的各個(gè)類型及實(shí)例如表1。

值得注意的是，為了方便理解，這里提出的分類做了一定程度的抽象。在真實(shí)的科學(xué)活動(dòng)中，科學(xué)繪畫的類型很可能不是單一的，其形式和內(nèi)容都可能比這里呈現(xiàn)的更加復(fù)雜。

3 科學(xué)繪畫在科學(xué)教育中的作用

在科學(xué)教育中，科學(xué)繪畫具有多方面作用。由美國科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）支持，哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院等負(fù)責(zé)的“繪畫學(xué)習(xí)”（Picturing to Learn）研究項(xiàng)目表明，繪畫能清晰地呈現(xiàn)科學(xué)概念，是揭示學(xué)生前概念的一種有效手段，是一種創(chuàng)新性的學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的方式，參與項(xiàng)目的師生對(duì)科學(xué)繪畫的作用均作出了積極正向的反饋[20]。不僅如此，科學(xué)繪畫還可以作為獲取研究資料的方法，促進(jìn)科學(xué)教育研究的開展。

3.1 科學(xué)繪畫在學(xué)生學(xué)習(xí)中的作用

1） 提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和課堂參與程度。由澳大利亞教育部（Australian Government Department of Education）支持的一項(xiàng)研究表明，相比于傳統(tǒng)教學(xué)，當(dāng)學(xué)生們用融合科學(xué)繪畫的方式來探究、合作、學(xué)習(xí)時(shí)，他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)會(huì)更強(qiáng)[21]。繪畫讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容更感興趣，學(xué)習(xí)時(shí)增加了投入程度，并更多地調(diào)動(dòng)高層次思維[7]。國內(nèi)有研究對(duì)某市小學(xué)生進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相比于單純使用文字，更多學(xué)生喜歡用畫圖和圖文結(jié)合的方式記錄;而在教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生用簡(jiǎn)易能懂的符號(hào)圖形來記錄、學(xué)習(xí)后，學(xué)生課堂發(fā)言率和傾聽率都有了提高[22]。

2） 促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)策略的使用，幫助學(xué)生管理自己的學(xué)習(xí)。繪畫讓學(xué)生根據(jù)目標(biāo)對(duì)信息進(jìn)行選擇和組織，形成自己的圖像表述，并依據(jù)繪畫產(chǎn)生的信息不斷外化、評(píng)估和調(diào)整自己的理解[7]。這樣的過程涉及復(fù)述、精加工等多種學(xué)習(xí)策略的使用，能讓學(xué)生從規(guī)劃繪畫內(nèi)容、監(jiān)控及評(píng)估自己理解的變化三個(gè)方面增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自我管理水平，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)元認(rèn)知能力的發(fā)展。

3） 幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、整合所學(xué)知識(shí)。繪畫能幫助學(xué)生呈現(xiàn)（甚至其他測(cè)試方式難以揭示的）前概念[23]，并通過討論繪畫中自己的錯(cuò)誤和同他人的差別來達(dá)成科學(xué)、全面的理解。學(xué)生在繪畫過程中需要調(diào)動(dòng)已有認(rèn)知對(duì)信息進(jìn)行加工，并將理解的意義轉(zhuǎn)化為繪畫作品。同其他建構(gòu)性學(xué)習(xí)活動(dòng)一樣，繪畫能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)較復(fù)雜的知識(shí)[7]。

4） 為學(xué)生的思考與交流提供了表達(dá)工具和依據(jù)，并幫助學(xué)生了解科學(xué)研究中使用繪畫的傳統(tǒng)。對(duì)于特定內(nèi)容，繪畫能對(duì)其進(jìn)行清晰簡(jiǎn)明的描述與表達(dá)，形成思考和討論的文本依據(jù)，是學(xué)生交流的有效工具。另外繪畫可以讓學(xué)生了解各學(xué)科領(lǐng)域如何使用圖像和繪畫來幫助自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、建立模型和表達(dá)交流，從而獲得與科學(xué)家如何做科學(xué)相似的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)[24]。

3.2 科學(xué)繪畫在教師教學(xué)中的作用

1） 幫助教師更好地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。繪畫能根據(jù)教學(xué)需要或放大、或簡(jiǎn)化以突出內(nèi)容結(jié)構(gòu)。在教授圖像、空間性的內(nèi)容，展示復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多重關(guān)系時(shí)，使用繪畫往往比單獨(dú)使用語言更為高效和有力。部分繪畫作品生動(dòng)有趣的表現(xiàn)形式也受到學(xué)生們的喜歡。

2） 幫助教師了解學(xué)生，成為與學(xué)生溝通的文本媒介。繪畫表現(xiàn)的內(nèi)容能體現(xiàn)學(xué)生頭腦中所理解的概念有哪些特征，幫助教師了解學(xué)生對(duì)事物的已有認(rèn)識(shí)。通過繪畫來學(xué)習(xí)時(shí)，作品的變化體現(xiàn)著學(xué)生理解的變化。通過對(duì)繪畫創(chuàng)作進(jìn)行觀察，教師能了解學(xué)生的思維過程。教師還可以用學(xué)生的繪畫作品開展討論交流，憑借繪畫啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生，發(fā)展學(xué)生對(duì)某部分內(nèi)容所達(dá)到的認(rèn)知水平。

3） 學(xué)生的繪畫作品可以成為教師開展相應(yīng)教學(xué)活動(dòng)的素材。教師可收集學(xué)生作品，建立資源庫，如體現(xiàn)出學(xué)生典型問題和認(rèn)知類型的作品，可以成為教學(xué)研究的案例;體現(xiàn)出創(chuàng)造性表達(dá)和美感的作品，能給人啟發(fā)，可以成為寶貴的教學(xué)資源。

3.3 科學(xué)繪畫在科學(xué)教育研究中的作用

研究表明，7～9歲的兒童已經(jīng)發(fā)展出了一種繪畫的語言（graphic language）。這種語言有表達(dá)空間結(jié)構(gòu)的獨(dú)特符號(hào)和規(guī)則，并隨年齡增長(zhǎng)變得更寫實(shí)、更精確[25]。因此，科學(xué)繪畫能夠成為一種獲得資料的方法，在科學(xué)教育研究中發(fā)揮獨(dú)特作用。

科學(xué)繪畫的這種作用具體表現(xiàn)為：（1）它是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生的材料，為了解學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)提供了窗口;（2）在反映學(xué)習(xí)者頭腦中的某些視覺空間性的知識(shí)和模型時(shí)，能比其他方式更加直觀、準(zhǔn)確;（3）能幫助研究者了解學(xué)生對(duì)環(huán)境、場(chǎng)景的感知，同時(shí)也為了解有某種語言、文字障礙的被試對(duì)象（如低齡、不擅長(zhǎng)語言表達(dá)的兒童或跨文化研究）提供了較好的途徑[26];（4）還有一些研究者認(rèn)為，繪畫能反映出許多個(gè)人特征，甚至被用作研究個(gè)體性格和心理狀態(tài)的工具。

基于此，研究者可以將其與訪談、實(shí)物操作等研究方式相結(jié)合，開展多方面的科學(xué)教育研究，例如：（1）科學(xué)前概念的研究。研究者通過繪畫作業(yè)并結(jié)合訪談等方式，了解學(xué)生腦中的概念和模型。如“畫地球”“畫河流”“畫身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)”等系列研究，能夠總結(jié)出學(xué)生對(duì)一些科學(xué)概念和模型的認(rèn)知類型及特征，為教學(xué)提供參考;（2）科學(xué)事業(yè)認(rèn)知的研究。如“畫一個(gè)科學(xué)家”（Draw-A-Scientist Test）等研究能夠揭示學(xué)生對(duì)科學(xué)家的認(rèn)識(shí)和刻板印象;（3）對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)和教學(xué)的認(rèn)知的研究。如用設(shè)計(jì)的DASTT-C（Draw-A-Science-Teacher-Test Checklist）去測(cè)試教師心中科學(xué)教師教學(xué)的圖景和信念[27]。

4 科學(xué)繪畫的使用策略

科學(xué)繪畫作為一種通過“非言語”路徑來開展教學(xué)活動(dòng)和收集研究資料的方法和手段，有其優(yōu)點(diǎn)和不足。在使用這種方法時(shí)應(yīng)依據(jù)學(xué)生繪畫的心理過程和類型特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)考慮。

4.1 科學(xué)繪畫在教學(xué)活動(dòng)中的使用策略

在教學(xué)中開展科學(xué)繪畫活動(dòng)，要注意以下幾點(diǎn)。

1） 繪畫活動(dòng)的設(shè)計(jì)上，要將繪畫活動(dòng)與學(xué)科實(shí)踐統(tǒng)一起來，并將焦點(diǎn)聚焦于科學(xué)學(xué)習(xí)?？茖W(xué)繪畫任務(wù)的有趣性和挑戰(zhàn)性主要在于達(dá)成科學(xué)認(rèn)知和進(jìn)行創(chuàng)造性表達(dá)。要根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選擇合適的繪畫內(nèi)容，讓其在科學(xué)探究等活動(dòng)中發(fā)揮實(shí)質(zhì)性的作用（如觀察記錄，提出猜想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置等），保證繪畫活動(dòng)合理、真實(shí)而有科學(xué)意義。

2） 繪畫是一種心理表征，符合其形成的心理規(guī)律。因此要關(guān)注學(xué)生在繪畫中的認(rèn)知活動(dòng)，通過設(shè)計(jì)個(gè)人創(chuàng)作、集體討論、修改等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生組織信息，表達(dá)自己頭腦中的科學(xué)模型，并在與他人的交流比較中，完善自己的繪畫和科學(xué)認(rèn)知。

3） 在整個(gè)繪畫過程中應(yīng)給予學(xué)生必要的教學(xué)支持。教學(xué)支持是影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果和繪畫準(zhǔn)確性的重要因素[24]。一方面要在活動(dòng)中指導(dǎo)學(xué)生如何用視覺空間的圖像表示學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)生繪制和閱讀圖像的能力;另一方面可預(yù)先提供部分繪畫內(nèi)容和適度指導(dǎo)，通過半開放的繪畫方式來減少學(xué)生完成繪畫作業(yè)的負(fù)擔(dān)，幫助學(xué)生將主要精力集中在對(duì)科學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)與思考上。

4） 針對(duì)特定類型的科學(xué)內(nèi)容為學(xué)生提供多種多樣的繪畫練習(xí)，以幫助其了解各學(xué)科的繪畫傳統(tǒng)，學(xué)會(huì)如何針對(duì)特定的學(xué)習(xí)任務(wù)（記錄、設(shè)計(jì)或交流）和內(nèi)容（特征與結(jié)構(gòu)、過程或關(guān)系）選擇合適的表達(dá)方式（設(shè)計(jì)圖、思維導(dǎo)圖等）。

5） 不是所有時(shí)候都適合使用科學(xué)繪畫。如果學(xué)生沒有做好相應(yīng)準(zhǔn)備，讓其繪制圖解反而會(huì)使學(xué)生在問題解決中表現(xiàn)得更差[28]。對(duì)于有些內(nèi)容的學(xué)習(xí)來說，科學(xué)繪畫需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，在教學(xué)中應(yīng)結(jié)合使用其他方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短[29]。

在科學(xué)教學(xué)中，可使用科學(xué)記錄本、科學(xué)繪畫作業(yè)等方式來提高學(xué)生的科學(xué)繪畫能力，并將科學(xué)繪畫融入科學(xué)探究過程中，讓學(xué)生在觀察記錄、設(shè)計(jì)思考與交流討論等活動(dòng)中合理地使用科學(xué)繪畫，體驗(yàn)真實(shí)的科學(xué)探究活動(dòng)。

4.2 科學(xué)繪畫在教育研究中的使用策略

在科學(xué)教育研究中使用科學(xué)繪畫要認(rèn)識(shí)到：（1）不是所有的孩子都喜歡并且擅長(zhǎng)繪畫;（2）不是所有的圖像語言都能夠很容易被理解，繪畫作品有時(shí)不能完整地表達(dá)作者的含義并且容易被誤解。因而，在研究設(shè)計(jì)時(shí)要考慮所采用的繪畫方法能否收集到你想要的信息，分析繪畫作品時(shí)要注意以兒童自己所表達(dá)的含義來理解作品中表達(dá)的概念，并輔以訪談、文字描述等其他方式進(jìn)行三角驗(yàn)證[30]。

D. Bland建議：（1）在收集資料時(shí)，要使用有利于揭示相應(yīng)年齡階段孩子“心聲”的最佳繪畫形式和方法，包括形象隱喻（Visual Metaphors）、概念圖/思維導(dǎo)圖（Concept Mapping /Mind-Maps）、概念想象畫（Imaginative Concepts）和寫實(shí)繪畫（Realistic Depictions）等。概念圖/思維導(dǎo)圖適于收集學(xué)生批判性思維和認(rèn)知發(fā)展方面的信息，并適合不習(xí)慣在研究者面前說出自己想法的研究對(duì)象。形象隱喻是了解學(xué)生印象和想法的有效手段。研究者需從適宜性、收集信息的深度與廣度幾個(gè)方面考慮所采用的方法是否能收集到想要的資料;（2）全面地考慮影響測(cè)驗(yàn)的各個(gè)方面因素，以保證分析結(jié)果的真實(shí)可靠[26]。

繪畫作品分析應(yīng)結(jié)合學(xué)生的文字、口頭說明等其他材料來分析繪畫作品，防止對(duì)作品的錯(cuò)誤解讀。

5 總結(jié)與展望

科學(xué)繪畫是一種可行的教學(xué)方法，其形式生動(dòng)有趣，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)只注重“言語系統(tǒng)”的不足，全面激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)，幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)與思考。但同時(shí)，繪畫活動(dòng)更加耗時(shí)，學(xué)生對(duì)繪畫的喜好及繪畫能力水平也會(huì)影響教學(xué)效果。如何設(shè)計(jì)教學(xué)，才能更好地將其與科學(xué)探究等活動(dòng)相結(jié)合？在繪畫中提供怎樣的教學(xué)支持，才能更好地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)？這些都值得進(jìn)一步研究。

科學(xué)繪畫還是一種值得探索的學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)方法。繪畫要求學(xué)生重新組織知識(shí)并以圖像的方式進(jìn)行創(chuàng)造性表達(dá)，能給學(xué)生不同的展示空間?？茖W(xué)探究活動(dòng)中的繪畫記錄、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分享交流，能體現(xiàn)出學(xué)生采集與處理信息、猜想設(shè)計(jì)和表達(dá)交流等科學(xué)能力。關(guān)注學(xué)生在真實(shí)生活情境中和科學(xué)探究活動(dòng)中所需運(yùn)用的高層次思維能力，開發(fā)具有真實(shí)性的科學(xué)繪畫任務(wù)，能豐富表現(xiàn)性評(píng)價(jià)、成長(zhǎng)記錄袋等評(píng)價(jià)方式的評(píng)價(jià)手段，是值得探索的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的評(píng)價(jià)方法。相較于其他替代性評(píng)價(jià)方式，科學(xué)繪畫依托于紙筆，更容易在現(xiàn)有大規(guī)模學(xué)業(yè)測(cè)試中實(shí)施，因此可以成為在大規(guī)模學(xué)業(yè)測(cè)試中探索使用替代性評(píng)價(jià)的一個(gè)突破口。但同時(shí)，科學(xué)繪畫呈現(xiàn)的作品往往豐富多樣，這也為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定帶來了挑戰(zhàn)。

作為教育研究中一種收集資料的手段，科學(xué)繪畫在了解學(xué)生對(duì)視覺空間性內(nèi)容（結(jié)構(gòu)與模型等）的認(rèn)識(shí)，顯示對(duì)某事物綜合的認(rèn)知印象方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。繪畫過程能外顯學(xué)生的思維過程和認(rèn)知發(fā)展過程，并有利于克服研究中語言文字表述的障礙，幫助研究者獲得更全面、可靠的信息。值得注意的是，影響學(xué)生最終所呈現(xiàn)作品的因素很多，學(xué)生通過作品表達(dá)的意義可能具有多樣性，這對(duì)研究者的研究設(shè)計(jì)和作品分析都提出了很高要求。

總體來看，科學(xué)繪畫具有獨(dú)特的價(jià)值和意義，其合理使用能為我國目前的科學(xué)教學(xué)與研究提供新的可能性。在這一領(lǐng)域，國外已有豐富的理論和案例可供參考，今后應(yīng)結(jié)合實(shí)際，創(chuàng)造性地探索運(yùn)用科學(xué)繪畫的方式，提高科學(xué)教學(xué)的有效性和科學(xué)教育研究水平。

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Scientific drawing in science education

TAN Li-hua1，F(xiàn)ENG Shi-ji2

（1. Research Institute of Science Education，Guangxi Normal University，Guilin，Guangxi 541004，China;

2.Faculty of Education，Guangxi Normal University， Guilin，Guangxi 541004，China）

AbstractScientific drawing is a kind of science learning activity in which learners record， design， think， comprehend， and communicate science contents by drawing pictures and symbols. The rationale for drawing to learn in science isbased on psychological theories， including the theory of multi-intelligence， the theory of information processing， and the theory of generating learning. According to its′ difference in forms， scientific drawing can be divided into graphs， representational drawing， design sketch， and mind/concept map. different scientific content， such as structures or features， processes， and relationships， can be depicted and explored via it. The rational use of scientific drawing can help students to learn science better， and facilitate the teaching of science teachers and research in science education. In order to make scientific drawing a more effective tool for science teaching and educational research， we should pay attention to its using strategies so that it can be a beneficial complement to traditional teaching methods and research tools.

Keywordsscientific drawing;teaching strategy of science;science education research

[責(zé)任編輯 劉 冰]