語義波三維圖像在學科知識與教學設計評估中的應用

劉運航　丁偉

摘要： 澳大利亞社會學家Karl Maton在Berbstein的語碼理論基礎上創立了“合法化語碼理論”，并將其中的語義性原則應用于學校教學研究中。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上發展三維圖像，并將該理論用于職前教師化學課堂教學評估。研究發現，該模型有助于反映課堂教學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科知識和課堂教學設計。

關鍵詞： 語義波三維圖像； 三重表征； 學科知識； 教學設計； 教學評估

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。科學家或專業從事者往往偏愛于使用物理公式、化學方程式等術語對知識進行簡潔的表征。化學有效學習需要在化學解釋中同時使用微觀表征和符號表征。除此之外，化學不僅包含語言和符號的使用，還包括含義豐富的概念。因此，教師在課堂和學生的交流對化學課堂的高效構建具有重要作用。

社會學家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教學中的應用，并指出了語義密度和語義引力的轉換對于高效課堂構建的重要性[3]。國內對該理論研究較少，其中朱永生教授介紹了合法化語碼理論對Bernstein知識結構理論的傳承與創新、語義波的形成機制[4]。也有其他學者將語義波理論運用于英語和日語教學活動中。迄今為止，澳大利亞等國家已經將語義波理論廣泛應用在各個學科的教學實踐中，而國內對語義波的研究主要停留在社會科學范疇，該理論尚未用于自然科學教學研究。

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科專業知識可以分為兩類。一類是以數學、物理、化學等為代表的理科知識或自然科學知識，這類知識具有系統性較強，科學家發展這類知識的目的是以普遍的命題或理論涵蓋最大數量的經驗性公理或原理，知識的發展往往建立在舊有的知識上，這類知識具有“等級知識結構”特征。另一類是以人文社會科學為代表的知識，這類知識相對獨立，方法不系統，標準不統一，具有“水平知識結構”特征。在Bernstein的研究中，他將重點放在了知識領域新知識的產生過程，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學生的學習經歷中實現這些知識的累積。因此，Maton豐富了Bernstein知識結構理論，創立了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聯的程度，當教師話語與語境關聯強，話語通俗易懂時，語義引力就大。反之，當話語脫離可觀可感的真實世界，學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，當教師使用“鋼鐵表面產生紅褐色鐵銹”這樣的話語時，學生易于理解，語義引力大；而使用“鐵單質與水分子、氧氣分子反應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，指單位體積內物質的質量大小。語義密度是指“意義在符號（包括術語、概念、短語、表達和手勢等）內的濃縮程度”，它與研究對象的復雜程度有關。例如，當教師分別使用“酒精”和“C2H5OH”詞匯時，后者的符號化程度就較高，對于不具備化學基礎知識的初學者而言，后者的專業化程度更高，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將此圖用于化學教學研究，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，但是此圖的不足在于難以呈現在教學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；數值越小則相反。此圖可以通過波隨時間的變化表達學習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展

2.1語義波二維圖像的優勢和不足

在Maton提出的語義波二維圖像中，將靜態的坐標圖形發展為動態的二維圖像，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的若干個片段以時間為要素串聯成動態的二維圖像，成為了課堂教學的一種測評記錄工具。同時，由于人的認知系統是由言語和非言語構成的雙重表征系統，因此語義波圖不僅可以直觀反映教師課堂教學話語中對知識的呈現過程，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換，并不能反映左上角和右下角知識的影響。在國內外運用語義波對教學的研究中，研究者在論文中或只呈現直角坐標圖形，或只呈現語義波二維圖像，未能同時呈現兩種圖像。原因在于語義波二維圖像中波雖然是連續的，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勢

為了彌補Maton語義波二維圖像中存在的不足，結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，橫軸和豎軸構成的平面圖與Maton繪制的坐標軸相同。在對課堂教學的表示中，以（SD， T， SG）為點記錄下教師課堂對知識的呈現變化（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大小量化。

3語義波理論與化學教學

3.1語義性體現靜態的三重外部表征

化學中的三重外部表征指宏觀、微觀和符號等化學知識的外在呈現方式，三重內部表征指宏觀、微觀和符號知識在學習者頭腦中的加工和呈現方式[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，可以用來表征宏觀與微觀知識。例如，對食鹽溶解現象的描述中，當使用“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。當化學家將化學現象、規律總結為語義高度濃縮的話語時，就會導致語義密度增大。例如，當化學家使用“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。這種例子在化學方程式中體現更為普遍，因為方程式本身不僅包含了形式簡潔、語義豐富的化學式，還包含了物質轉化過程規律、物質轉化間量的關系。

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語義波反映動態的三重內部表征

當學習者在頭腦中加工和呈現宏觀、微觀和符號知識時，“如何科學、合理、有序地構建三重內部表征”就成為了需要解決的問題。知識在學習者頭腦中的加工包括信息的輸入、編碼、轉換、存儲和提取等。宏觀、微觀、符號表征的知識在學習者頭腦中加工的過程中，呈現出不同的方式，并自然建立起內在聯系。

語義波圖像取時間維度為標準，通過4種語碼的動態轉換展現知識的抽象性和難度。隨著波的起伏，學習者對信息的加工和呈現在知識的反復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了知識在宏觀維度、微觀維度和符號維度的轉換，直觀體現了三重內部表征在學習者頭腦中的建立和鞏固。語義波圖為三重內在表征的表達提供了一種動態的可能途徑，將傳統的片段化地研究化學三重表征串聯起來，形成動態的、可視的三重內在表征圖像。

4基于語義波三維圖像評估職前教師教學設計——以“原電池”教學為例

電化學教學一直以來是中學化學教學難點，這主要是由于電化學反應中包含物質的轉化關系、電子流向、電解質、氧化性和還原性、電極反應方程式等知識點，知識綜合性較強。另一方面，職前教師的學科知識水平評價是研究者所關注的。研究表明，職前教師在進行教學設計時關于學生理解的知識的認識，有3個基本來源，分別是自己作為學生學習的經驗、了解學生理解學科的思維特點以及實習實踐積累有關學生學習的知識。職前教師主要是通過自己作為學生學習的經驗和實習過程作為認識的主要途徑。在這些經驗中，學科知識能力對教學質量影響較大。

4.1評估過程

為了研究職前教師“原電池”課堂的教學設計，研究者首先收集了“原電池”課堂教學的教學環節，然后根據Margaret Blackie對氯化鈉分解過程的維度劃分，將“原電池”課堂教學分為4個維度，這4個維度包含了課程大綱中原電池教學的基本內容。

如圖4所示，在原電池教學模型中，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象： 電流表偏轉（說明產生了電流）；銅片表面產生無色氣泡；右上圖（SD+/SG-）則是對原電池反應高度抽象化和符號化的概括，即電化學反應方程式： 負極： Zn-2e-Zn2+；正極： 2H++2e-H2↑；右下圖（SD+/SG+）則從電化學反應本質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。

本研究從上海地區高校隨機選取了45名大三正在參加教育實習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”為標準，左下圖以宏觀現象描述為標準。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生立場上和教師立場上分別選擇合適的4個維度教學順序，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順序，繪制語義波三維圖像。

4.2教學設計中語義波三維圖像的繪制

根據45名職前教師的教學設計，計算出總體均分、總體難度和總體難度的倒數（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→右上的順序設計。這主要是由于左下圖和左上圖本質上是從宏觀和微觀兩個不同的維度描述了電極反應現象。研究者根據對職前教師的學科知識測評結果繪制了語義波三維圖像，如圖5所示。在圖5中，對原電池電極反應現象描述部分語義波波峰峰值較高，而電化學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，這種現象一方面可能是由于在我國的化學教學中，大部分教師十分重視化學方程式的教學，并在教學過程中對化學方程式加強了練習所致。另一方面，化學方程式的書寫、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，學生可能是為了應試而記憶化學方程式。在化學現象的描述中，盡管其語義密度小，語義引力大，但是不確定性卻很強，需要結合經驗、常識，并且要盡可能完整地描述。

4.3評估結果及討論

由于國內外學者對語義性圖像的4個維度劃分主要還是基于經驗的劃分，為了驗證劃分的有效性，本研究進一步做了4個部分得分的相關性分析，如表2所示。結果表明，左上圖（SD-/SG-）和左下圖（SD-/SG+）顯著相關，右上圖（SD+/SG-）和右下圖（SD+/SG+）顯著相關，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接受過較多的化學學習，對于抽象的化學知識不再陌生，而語義密度不僅受到化學符號本身影響，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習過程中，對于語義密度大的知識掌握較好，但對于內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象和微粒得失電子的情況結合起來判斷。

可以看出，學科知識掌握較好的職前教師在對電化學反應的基本原理、現象、裝置的理解上存在不足，學科知識基礎較弱的職前教師則對微觀上原電池反應過程中離子導電的原理掌握存在不足。在未來對職前教師的培訓中應當針對不同層次和水平的職前教師在學科知識培訓時有不同側重點。

5總結與展望

本文在Maton基礎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三重表征的發展。語義密度對應符號表征，語義引力對應宏觀和微觀表征，平面坐標圖中4個部分將宏微觀表征和符號表征有機結合，避免了知識在三重表征分類時出現交叉和重疊的問題。

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展。

第三，語義波三維圖像提出了以“難度的倒數”定量表達知識難度和相關性分析探究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展到定量研究，更有助于將其作為一種教學評估工具應用于教學評估中。

第四，語義波三維圖像的波峰、波谷、頻率能夠克服傳統評估方法中對數據展示不直觀的缺陷。圖像的波峰表示教學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。通過教學過程的實測，能夠準確記錄教師課堂中教學難度的變化。圖像的頻率反映教學過程對知識的“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知識結構理論的傳承與創新[J].中國外語，2014，（6）： 1.

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