中國與新加坡初中物理教科書圖像表征的比較研究
——以光學內容為例

王成然 魏 冰

（澳門大學教育學院，澳門 999078）

1 問題的提出

教科書在學校教育中無處不在，是教師教和學生學的主要依據.盡管近些年來有多種教學資源可供教師選擇，但教師往往嚴重依賴于教科書，特別是年輕教師，常依據教科書上的內容來決定教什么、如何教.教科書被認為是學生學習科學概念的重要工具，對學生的認知和元認知技能有著重要影響.一直以來，物理教科書插圖備受物理教育工作者的關注.［1-3］

物理教科書中，文字和圖像是呈現知識內容的兩種重要形式.文字能夠準確闡明知識的內涵，但是很難表述清楚一些抽象、復雜的知識；圖像能直觀呈現知識的外貌，促進學生對知識的理解與記憶.另外，許多科學新發明可以借助圖像 文字結合的手段生動地展示.圖像并非文字的附屬品，在傳達的信息被充分提取和解釋的條件下，圖像本身就是一種重要的信息來源.不同類型的圖像特點不同，可以服務于不同的教學目的.Vekiri根據圖像形式，將圖像表征分為非符號表征（如照片、圖片）和符號表征（如繪制圖、圖表）.［4］非符號表征可以直觀呈現生活、自然中的物理現象，激發學生的學習興趣.符號表征可以幫助學生理解抽象的物理原理和規律，激發更高層次的認知過程.

圖像表征很少單獨存在于教科書，更多時候與文字表征共同出現，因此，圖文的整合水平也是圖像表征的一個重要方面.雙重編碼理論認為，人腦有兩個加工和記憶信息的通道，一個是語義編碼通道，另一個是表象編碼通道.若同時以言語形式和視覺形式呈現信息，能夠增強對信息的記憶與識別.知識以圖像的方式呈現出來，能為基于語言的理解提供輔助和補充，降低語言通道的認知負荷，加速思維的運轉.［5］作為教學的重要載體，我們希望教科書能在文字和圖像之間建立正確聯系，實現圖文整合.教科書圖文整合程度越高，就越容易在兩個通道間建立聯結，促進學生對知識的記憶和理解.

眾所周知，新加坡的基礎教育質量成就斐然，特別是科學教學質量在世界處于領先地位.例如，在PISA2018中，新加坡學生的科學成績排名第二，僅次于中國四省市.［6］在72個參與TIMSS2019測試的國家和地區中，新加坡八年級學生科學能力名列前茅.［7］我們知道，光學是初中物理的重要組成部分，這部分知識較為抽象，初中生學習起來難度較大.為了幫助學生建立光學概念，理解現象背后的物理原理，教科書一般都在相關章節中設置豐富的圖像.

基于上述考慮，本研究從國際比較的視野出發，選取中國和新加坡3套主流初中物理教科書，從圖像表征類型、圖文整合程度兩個方面對其中光學部分的圖像表征進行分析，并嘗試回答以下問題.

（1）中、新3套物理教科書光學部分的圖像類型分布如何？

（2）中、新3套物理教科書光學部分圖像與文本的整合情況如何？

我們希望本研究的分析結果能給物理教科書中圖像的選擇和呈現帶來一些新的啟示和借鑒.

2 分析工具

本研究使用圖像分析協定工具（GraphicalAnalysisProtocol，簡稱GAP）.GAP由Slough等人開發，旨在捕捉現代教科書圖像表征的關鍵特征.［8］GAP有“個體圖像”和“圖文整合”兩個評價指標，具體包含圖像顏色、圖像形式、圖像系統性、空間整合、文本參考、標題質量、圖文語義關系和圖文連接水平8 個因子.我們根據教科書的實際情況，對GAP中部分內容進行了兩處調整.第一，刪去GAP中“圖像顏色”這一因子.該因子考察教科書圖像的顏色是黑白還是彩色.不可否認，不同色彩的圖像對學生的視覺刺激和心理影響效果不同，會對學習效果產生不同影響.不過，本文選取的教科書都是彩色圖像，且該條目與研究問題無關.第二，對GAP 中“圖像形式”因子的編碼方式進行修改.不同研究者對圖像形式有不同的分類方法，GAP 將圖像形式分為12類，是為了對圖像進行廣泛描述，便于將不同研究得到的結論進行比較.本研究關注不同圖像的教學作用，參考Guo等［9］和Moline［10］的分類方法，將圖像表征分為7類.其中，非符號表征分為照片、圖片兩類，符號表征分為簡單圖、分析圖、過程圖、結構圖和圖形5類.

總的來說，GAP 包括“個體圖像”和“圖文整合”兩個評價指標和7個因子（見表1），下面對因子的編碼方式進行具體說明.

表1 圖像分析協定工具

“個體圖像”指標用來描述教科書中圖像表征的類型，具體包括兩個因子.

2.1 圖像形式

圖像表征從形式上分為7 類.照片：展示事物真實的表面細節，如顏色或紋理，刺激學生對事物的感性認識，降低認知難度.圖片：雖然不是真實照片，它們卻具有真實情境，力求貼近現實生活或實驗.這類圖很少帶有圖注，卡通圖、電腦合成圖皆屬于圖片.簡單圖：這類圖為人工繪制，常常帶有圖注，通過對真實事物進行簡化、概括，直觀地表述內容，凸顯重點.如用帶有箭頭的直線（光線）表示光的傳播路徑.分析圖：將物體某個部分進行放大或展示物體內部或切面形態，對物體結構或組成部分進行清晰展示的圖像.過程圖：按順序組織一系列事件的圖像，如按時間順序組織事件的時間線，或用箭頭將各個事件連接起來形成的流程圖.結構圖：呈現知識點以及知識點與知識點之間的關系，以此揭示知識的內在邏輯結構，表格、樹狀圖和網狀圖皆屬于結構圖.圖形：用數學的方法對研究對象進行測量、排序或比較，光譜圖、折線圖、柱狀圖、餅狀圖皆屬于圖形.

2.2 圖像系統性

Slough等人認為，一些圖像可以用來描述某些動態過程，幫助讀者建立系統的心智模型.GAP將圖像系統性分為3 種情況：低，圖像呈現的是個別單位，未整合成一個完整系統；中，圖像呈現系統的某些方面，例如，用箭頭或標簽表示運動，但是沒有體現出時間順序；高，圖像能幫助讀者建立系統的心智模型，如圖像使用時間序列的幀，描述物體的運動狀態是如何隨時間發生變化的.

“圖文整合”指標旨在了解教科書中圖文空間整合和語義整合程度，包括5個因子.

（1）空間整合.

GAP將圖文空間位置關系分為4種情況.緊鄰：相關內容的文本與圖像緊密相鄰.接近：相關內容的圖文處在同一頁，但不是緊密鄰近.對面：相關內容的圖文不同頁，但在同一跨頁.遠端：圖文不同頁，讀者需要翻頁查看與圖像內容相關的文本.

（2）文本參考.

王福興等在眼動實驗中發現，圖文空間鄰近可以促進兒童的圖文注意分配與整合，有助于兒童對故事細節的識記，但不能促進對故事的理解.［11］由此可見，要想促進學生的有意義學習，僅有圖文空間整合還不夠，還應設有支持性文本促進圖文的語義整合.使用文本參考，可以引起學生對圖像的關注.我們將其分為兩種情況，一種是文本不指向圖像；一種是文本指向圖像.

（3）標題質量.

支持性文本不光要使讀者注意到圖像，還應對圖像提供必要的解釋信息.合理使用標題，可以對圖像提供解釋，促進學生的學習.GAP將標題分為4類情況，無標題、識別性標題：此類標題只是指出圖像標的，不能提供詳細圖像內容信息.描述性標題：標題能夠詳細描述圖像內容，將圖像與正文聯系起來.參與性標題：標題能通過某種方式積極地吸引觀眾，如在標題中提出一個問題或提出一個任務.

（4）圖文語義關系.

圖文語義關系體現在圖文語義內容的關聯程度上，圖文內容的一致性可以從圖像功能中得以體現.圖像功能可以分為4類，裝飾型圖像：只是為了使教材美觀，增加讀者的興趣，與文本內容基本無關，即便刪掉，也不會妨礙對概念主題的理解.表征型圖像：與文本內容密切相關，能反映部分或全部文本內容，將文本中某些名詞、概念以圖像的方式呈示，增加文本的具體性.組織型圖像：圖像將文本中的內容進行分類、組織或總結，增加文本的連貫性.解釋型圖像：將復雜、抽象的物理原理和規律用一種簡潔、形象的方式呈現，幫助學生理解有難度的文本，提高認知水平.［12］

（5）圖文連接水平.

除了關注圖像的基本功能，GAP 還關注圖像是否添加了與文本不同的新信息.若圖像（含標題和注釋）在表征文本內容的同時，出現新信息，就將其編碼為連接型圖像，并進一步判斷圖像的連接水平.水平一：圖像易解釋，新信息與文字內容有明確連結.水平二：圖像相對易解釋，新信息與文字內容的連結較不明顯，需要讀者進行更多的推理.水平三：圖像提供的新信息需要讀者具有背景知識才能解釋其含義.

3 分析方法

本研究使用內容分析法，對中、新兩國三套初中物理教科書中光學部分正文中的圖像進行比較分析.

3.1 研究對象

在研究對象的選擇方面，主要考慮它們的使用范圍和社會聲譽.中國初中物理教科書選取人教版和滬科版，這兩套教材在中國各地區使用量較大，編寫各具特色.新加坡物理教科書選取《PhysicsMatters》O LEVEL（第四版）（簡稱新加坡版）.研究關注圖像表征的教學功能，故只統計教科書正文部分，拓展內容和習題部分未納入研究范圍.由于3套教科書在知識編排上有所不同，為了保證比較對象的一致性，剔除了教科書中個別章節，最終選取的內容如表2所示.在這些內容中，圖像表征數量共為115個，其中人教版40個，滬科版34個，新加坡版41個.

表2 研究選取的章節內容

3.2 分析過程

內容分析法是一種高度靈活的研究方法，可以使用定性、定量或定性與定量相結合的方式，對文本、視覺刺激（如照片、視頻）和音頻多種數據進行分析.本研究使用內容分析法，對教科書光學部分的圖像表征進行編碼和分類，采用定量的方式對其進行歸類與統計.

為了保證內容分析的信度，由兩位具有理科背景的編碼者，首先按照GAP 中建立的指標，對115個圖像表征進行獨立編碼.接著，計算各項因子kappa 系數，分別為0.939、0.956、0.956、0.973、0.930、0.895和0.904.kappa系數均在0.8上，表明編碼可信.最后，兩名編碼者對編碼不一致的圖像表征進行協商討論，直至意見達成一致.

4 分析結果

為了回答研究問題，本研究從個體圖像和圖文整合兩個指標出發，對7個因子逐個分析，結果如下.

4.1 個體圖像分析結果

個體圖像指標用于回答第一個研究問題，具體包括兩個因子：圖像形式和圖像系統性.圖像形式分析結果表明（見表3），3 套教科書圖像形式分布各具特色.人教版非符號表征與符號表征分布均衡，非符號表征（照片和圖片）所占百分比為45%，符號表征（簡單圖、分析圖、結構圖）所占比例為55%.滬科版非符號表征比例較大，照片和圖片所占百分比合計61.7%，反應出的大多是與日常生活有關的情境，為學生提供一種眼見為實的真實感.照片是滬科版最常出現的表征形式，占比為44.1%.與滬科版相反，新加坡版中符號表征占比最大，高達68.3%.符號表征中，簡單圖出現頻率最高，頻率高達46.4%.從圖像豐富程度上看，新加坡版中圖像形式最豐富，7種圖像形式均有所涉及.例如，解釋平面鏡成像原理時，新加坡版從物理現象出發，使用過程圖厘清光路圖的作圖順序，幫助學生理解平面鏡成像的本質.人教版和滬科版則缺少過程圖、圖形這兩類圖像.

表3 教科書圖像形式分布情況

圖像系統性分析結果見圖1，3套教科書中，低系統性圖像占比最高，尤其在滬科版中，低系統性的圖像高達61.7%.究其原因，很多照片和圖像只是呈示個別生活或實驗現象，無法構成系統.滬科版中存在著大量的照片和圖像，所以系統性水平低.光路圖能體現光的傳播方向和路徑，我們均將其編碼為中系統性.新加坡版中有大量光路圖，因此中系統圖像占比高.3套教科書的高系統性圖像均占比最低，分別只有5%、5.9%和7.3%.

圖1 教科書圖像系統性程度

4.2 圖文整合分析結果

為了回答第2個研究問題，本研究從空間整合、文本參考、標題質量、圖文語義關系（圖像功能）和圖像連接水平5個因子出發，對圖文整合情況進行分析.

空間整合因子關注圖像與文本的位置關系，分析發現，新加坡版和滬科版整體表現良好，絕大多數圖文位置緊鄰.如表4 所示，新加坡版圖文緊鄰占比97.5%，滬科版圖文緊鄰占比94.1%.人教版圖文緊鄰的占比為90%，10%的圖在文的遠端，學生需要翻頁搜尋相對應的圖文信息.

表4 教科書圖文空間整合情況

對文本參考因子進行分析發現（見圖2），人教版和滬科版在文本參考方面表現突出.人教版97.5%的圖像有對應的文本參考，滬科版97.1%的圖像有對應的文本參考.相比之下，新加坡版只有75.6%的圖像有文本參考.由于文本不指向圖像，學生可能很難將圖與對應的文字聯系起來.

圖2 3套教科書文本參考情況

標題是對圖像內容的準確概括，適切的標題有助于文本與圖像資源的整合.分析結果表明（見表5），人教版和滬科版中的描述性標題和參與性標題占比較小.尤其在滬科版中，高達94.2%的標題為識別性標題，描述性標題和參與性標題共計只有5.8%.相比之下，新加坡版中描述性標題和參與性標題占比較高，其中描述性標題占比達到46.3%.此外，人教版和新加坡版中，分別有27.5%和19.5%的圖像沒有標題，可能會對理解圖像內容帶來難度.

表5 教科書標題質量

3套教科書的圖像功能統計結果見表6.我們在對圖像表征分析時，已將欄目裝飾圖排除在外.即便如此，3套教科書仍存在個別裝飾型圖像，這些圖與教學內容關系不大.表征型圖像在3 套教科書中占比最大，這一結果在我們的意料之中.表征型圖像能夠準確反應文本中的主要信息，是教科書中較為常見的一種圖像.與中國兩套教科書相比，新加坡版組織型圖像占比最高（14.6%）.表格被認為是一種組織型圖像，新加坡版中表格數量較多，所以組織型圖像的比例要高于人教版和滬科版.此外，新加坡版解釋型圖像的占比同樣最高（34.1%）.該類圖像多用于解釋一些抽象的物理原理和規律，對學生理解和記憶知識起到促進作用.例如，新加坡版在闡述木桿彎折現象原因時，文字寫道：“光線從水射向空氣，桿浸入水中的部分反射光線會發生折射.”若只看文字，學生很難理解這句話的含義.為此，書中配有一張解釋型圖像，畫出光的傳播路徑，解釋木桿彎折現象，促進學生對折射知識的理解.

表6 教科書圖像功能分布情況

圖像除了可以表征文本內容，有時還添加一些新信息.我們規定，無論是圖像自身內容還是圖像的標題和注釋，只要出現文本中沒有的新信息，就將其編碼為連接型圖像.統計結果顯示（見表7），3套教科書中均存在一定數量的連接型圖像，連接型圖像在人教版、滬科版和新加坡版中的占比分別為40%、47%和56%.可以看出，人教版中連接型圖像最少，原因是人教版的文本部分對圖像內容闡述大多較為詳盡.相比之下，新加坡版圖像蘊含的新信息最多，對學生讀圖的能力要求較高，學生要挖掘圖像中的部分新信息，才能更好地理解知識.進一步分析圖文連接水平發現，人教版和新加坡版水平一的圖文較多，分別為87.5%和87%，學生很容易將新信息與文字聯系起來.滬科版的圖文有68.8%處在水平一，還有31.2%的圖文處在水平二，學生需要進行推理，才能將新信息與文字聯系起來.新加坡有少量水平三的圖文，要求學生具有相應的背景知識，才能理解新信息的含義.

表7 3套教科書圖文連接水平

5 結論與建議

5.1 結論

本研究從圖像表征類型、圖文整合程度兩個方面，對中、新3套初中物理教科書光學部分的圖像表征進行比較分析.研究發現，不同教科書的圖像表征類型各具特色，同時存在一些共同特征.圖像形式上，3套教科書差異顯著.人教版符號表征和非符號表征分布均勻，滬科版以非符號表征為主，新加坡版以符號表征為主，且圖像形式最為豐富.共同特征體現在圖像系統性因子上，該因子用于衡量圖像幫助學生建立系統心智模型的程度.分析發現，3套教科書中均存在大量中、低系統性圖像，高系統型圖像占比較少.也就是說，圖像常常用于描述單獨的物理概念，較少將物理概念置于更大的系統背景中.

在圖文整合程度方面，具體考察了5項因子.結果表明，不同教科書在各因子上均存在一定的差異.空間整合因子上，滬科版、新加坡版表現較好，絕大多數圖文彼此緊貼.人教版有少部分圖文處于遠端位置，這樣的位置可能會對學生的學習造成不利.文本參考因子上，人教版和滬科版表現卓越，絕大多數圖文有文本參考.新加坡版近的圖像沒有文本參考，可能會增加學生的認知負荷.標題質量因子上，新加坡版描述性和參與性標題最多，滬科版識別性標題最多，人教版、新加坡版的部分圖像缺少標題.圖文語義關系因子上，3套教科書中均有少量裝飾型圖像.此外，新加坡版解釋型圖像較多，對物理原理和規律的解釋較為重視.圖文連接水平因子上，新加坡版連接型圖像較多，個別圖像需要學生具有相關背景知識才能解讀新信息的含義.相比之下，人教版和滬科版文字敘述較為詳盡，圖中的新信息較容易被解釋.

5.2 建議

為了使圖像表征真正發揮教學效用，結合分析結果與結論，對物理教科書圖像表征的編寫提出4條建議.

首先，圖像表征形式應與教學內容匹配.《義務教育科學課程標準》指出：“力求圖文并茂，尤其要精選生動反應自然現象和準確反應科學原理的圖片.”［13］實際上，如何精選圖像表征是教材編寫者亟須思考的問題.不同形式的圖像具有各自的特點，同一教學內容使用不同形式的圖像呈現，可能會產生不同的教學效果.所以有必要根據教學內容，選擇適宜的圖像形式.例如，展示透鏡對光的作用時，使用照片能夠最大程度還原現實，展示物理現象.再如，介紹投影儀成像原理時，不妨使用簡單圖，使學生關注光的傳播路徑和成像特點，更好地理解物理規律.

其次，適當增加高系統性圖像的數量.靜態圖像用來描述動態過程對學生的能力要求較高，空間技能較低的學生往往無所適從.但這類圖像在學習中起著重要的作用，許多情況下學習效果甚至好于動態視覺表征，如動畫、視頻等.［14］分析發現，高系統性圖像在3套教科書中均占比較低.因此，我們建議，可以適當增加教科書中高系統性圖像的數量.同時在教學中，對于高系統性圖像，教師應提供必要的讀圖指導.

再次，重視圖文的空間整合.實驗證明，當文本和相關圖像在同一頁面且靠近放置時，學生在圖文轉換任務中表現得更好.［15］分析發現，人教版教科書中仍有個別圖文位于遠端.根據多媒體學習理論，若圖文處于遠端，學生就要耗費認知資源，翻頁尋找對應的圖文信息.如此一來，工作記憶便沒有足夠的認知資源來建構言語和圖像表征，不利于言語、圖像表征與長時記憶的整合.因此，應盡量使圖文位置緊貼，減少學生的認知負荷.

最后，重視圖文的語義整合.實驗發現，在含有多種圖像類型的科學文本中，兒童對圖像的關注時間只占學習時長的6%.［16］為了引起學生對圖像的關注，有必要使用標題、文本參考和圖注等支持性文本.對于標題，Peeck指出，可以引導學生觀察圖像的某些細節，或者要求學生處理特定指令，如提出一個問題或完成一項任務，這樣可以有效吸引學生注意到圖像內容.［17］因此，我們建議，人教版和滬科版可以適當增加描述性標題和促進性標題，引導學生關注圖像細節，激發思考.

圖像功能方面，3套教科書中，表征型、組織型和解釋型圖像占絕大多數.這些圖像可以使文本具體、連貫、便于理解，進而促進學習.［18］需要指出的是，表征型圖像并非只是簡單重復文本內容，3套教科書中，41%的表征型圖像添加了新信息.新信息可以開拓學生的視野，不過學生需要具備相應的先驗知識，才能較好理解圖像內容.所以，連接型圖像編寫時，要充分考慮學生已有的生活經驗.此外，3套教科書中有少量裝飾型圖像.多媒體理論認為，若圖僅具有趣味性，與文本內容無關，會對學生造成認知負擔.因此，在編寫教科書時，應盡量減少裝飾型圖像.