楊孝波，張 靜，姚建欣

作為學校教育教學的基本依據，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)劃中對加強關于教材的基礎研究提出明確要求。［1］對教材的分析、比較與反思對于課程教學具有巨大的推動作用，是學科課程與教學論的重要研究領域。例如在21世紀伊始美國“2061計劃”對科學教材的系統(tǒng)評估，對近20年來的課程建設和課堂教學都產生了巨大影響，成為了推動21世紀教育改革的標志性事件。［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生提供必要的感性認識，而且在一定程度上與文本表征搭配形成對教材內容的雙重編碼，能幫助學生更好地理解和掌握學習內容，對于促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展具有十分重要的作用。

國外一些學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)現教材中近一半的頁面空間被專門用于設置圖像表征，甚至在一些教材中占比高達85%，但許多圖像卻沒有明確闡述相關知識內容，其教育功能的實現情況令人疑慮。［3］博澤（Pozzer）等指出教材中圖像表征的使用對于學習者的學習總體而言是有利的，特別是真實照片的使用能增強學習者對相關知識的關注。［4］在已有研究的基礎上，維克托·李（Victor R.Lee）將科學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年科學教材中圖像表征的適應性和延續(xù)性做了研究，發(fā)現隨著時間的遞增，美國科學教材中圖像表征的總數量沒有明顯變化。但其中單獨具有演示功能的圖像表征數量有所增加，同時具有解釋和闡明兩種功能的圖像表征數量增加明顯。［5］國內學者從認知視角對教材中圖像表征的研究始于21世紀，眼動研究發(fā)現閱讀材料中插圖能提升學生的閱讀效果。［6］對歷史上各版本科學教材的梳理發(fā)現，我國理科教材中圖像表征的數量在迅速增高，但對其教學功能、圖文配合、設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·李的分類標準，采用內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，以期為我國中學物理教材編寫和使用提供借鑒參考。

一、研究設計

本研究中所關注的圖像表征可定義為教材中具有直觀、形象特點的照片、示意圖以及表格和函數圖像等。為實現跨文化的比較并提供借鑒，本研究側重研究中美兩國當前的主流理科教材?；谘芯空邔W科背景，選擇了中學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教育教科書·物理（2012年版）（以下簡稱“M版初中教材”），分析內容為八年級上冊第四章和第五章光學內容。高中教材選用M出版社編寫出版的普通高中課程標準實驗教科書·物理（2005版）（以下簡稱“M版高中教材”）選修3-4第十三章光學內容。

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內容。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內容。

（二）圖像表征功能和判斷依據

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的界定見表1。以此為理論基礎，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)點出現記為多幅。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。根據上述分類方法和計數規(guī)則，分別對中美四套初高中物理教材光學部分圖像表征的數量進行定量統(tǒng)計。為了保證統(tǒng)計結果的可靠性和一致性，邀請兩名研究者在經過培訓后按照表1分別獨立對內容進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結果利用SPSS進行分析，Cronbach α系數（即信度系數）達到0.846。

二、研究結果

（一）數據統(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），且以闡明光學現象為主，例如在光的反射這一部分的內容，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學生對光學現象的了解和認識。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容，在闡明光學現象的同時，會利用抽象的示意符號向學生解釋光學原理。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)內容）關于光的反射共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)內容）關于光的反射共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際現象的照片向學生闡明光的反射現象，使學生對光的反射有一定了解和認識。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容，圖像表征多以示意圖為主，注重利用示意符號向學生解釋光的反射現象及原理。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際事物，讓學生了解和認識光學現象。同時圖像中包含較多的人物或人物元素，重視情景體驗。例如在平面鏡成像這節(jié)內容中，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學生闡明平面鏡成像的直觀現象，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學生闡明光學現象，但是部分圖像會同時利用示意符號進行解釋，而美版高中教材則更加重視利用示意圖向學生解釋光學原理。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)的應用途徑

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中，強調高中物理課程要從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度和責任等方面提煉學科育人價值，充分體現物理學科對提高學生核心素養(yǎng)的獨特作用。［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，還應當滲透核心素養(yǎng)的培養(yǎng)理念。［9］

（一）創(chuàng)設真實情境，形成物理觀念

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

（二）搭建認識橋梁，發(fā)展科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，是從形象的科學事物建構抽象的理想模型過程。教材內容應啟發(fā)學生對科學對象、科學過程、科學現象、科學事物進行抽象概括，認識本質屬性、內在規(guī)律等。教材中的示意圖能較好展示物理過程和規(guī)律，是學生從形象認識到抽象認識的橋梁。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。闡明功能幫助學生認識科學現象，而解釋功能則幫助學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生對形象的事物、現象進行思維加工，概括出抽象的物理原理、規(guī)律等，從而發(fā)展學生的科學思維。

（三）強化參與意識，開展科學探究

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

（四）樹立責任觀念，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

科學態(tài)度與責任是指在認識科學·技術·社會·環(huán)境關系的基礎上，逐漸形成的探索自然的內在動力，并且具有社會責任感。四本教材中設置了許多科學技術的圖片，圖片內容不僅介紹古人的智慧，例如伽利略時代的望遠鏡，而且展現當今世界的重大科學技術，例如電子顯微鏡研究細胞、激光切割技術等。這些圖片的使用不僅讓學生學習光學知識，更是向學生滲透物理源于生活，用于生活的理念，幫助學生理解科學、技術、社會之間的關系，樹立將科學知識服務于社會發(fā)展的責任感，培養(yǎng)其科學態(tài)度與責任。

四、討論與建議

隨著繪圖制版技術的進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)文化底蘊和教學支持功能的配圖得到了教師和家長的廣泛贊譽。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。縱覽新修訂的高中物理、化學、生物等理科教材，為提升教科書的閱讀體驗和教學功能，各版本的教材均著力改進版式和配圖，使之更加生動、新穎且具有學科特點。有的生物學教材用類似連版插頁的方式展現復雜的微觀生命過程，讓學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。

在肯定所取得的進步的同時，還需注意教材面向的是學生，教材配圖的核心依據應是學生具體的認知需求。然而，由于相關研究沒有跟上，當前教材配圖工作仍是以章節(jié)相應內容為核心考量點，尚未真正實現從“內容中心”到“認知中心”的范式轉換。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象類、實物類圖像。對于初中階段的學生，這類圖像表征能夠吸引學生的注意力，能幫助學生認識物理現象。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增加同時擁有解釋、闡明和演示功能的復合圖像表征。并且考慮隨著學生認知水平的提升和知識內容的加深，適當增加具有解釋功能的圖像表征的比例。