基于雙重編碼理論的化學(xué)教材插圖教學(xué)

劉錦圳 張賢金 孔祥斌

摘? ? ? 要 插圖教學(xué)以教材插圖為據(jù)點，能幫助學(xué)生找到知識的落腳點并建立起知識點之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生用圖像思考和學(xué)習(xí)的能力。以“化學(xué)煙火氣”的教學(xué)為例，基于雙重編碼理論闡釋在圖像學(xué)習(xí)的三個階段中運用化學(xué)教材插圖將關(guān)注具體知識獲得的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅貙W(xué)科認識方式發(fā)展的教學(xué)，并結(jié)合教學(xué)實踐圍繞視覺刺激、信息加工、視覺映像的形成、視覺思維的發(fā)展等方面提出教學(xué)策略。

關(guān) 鍵 詞 雙重編碼理論? 教材插圖? 視覺素養(yǎng)? 學(xué)科認識方式

引用格式 劉錦圳，張賢金，孔祥斌.基于雙重編碼理論的化學(xué)教材插圖教學(xué)[J].教學(xué)與管理，2023（28）：51-53.

化學(xué)是一門從分子層次認識物質(zhì)，以實驗為基礎(chǔ)研究物質(zhì)的自然科學(xué)[1]，其學(xué)科特點決定了教材內(nèi)容必須借助有形的、直觀的、簡捷又生動的插圖來呈現(xiàn)。因此，本文基于認識系統(tǒng)的雙重編碼理論，以“化學(xué)煙火氣”微專題教學(xué)為例，對插圖意象進行表征、關(guān)聯(lián)和參照加工，并通過多圖聯(lián)動的方式引導(dǎo)學(xué)生進行多角度思維，將關(guān)注具體知識獲得的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅貙W(xué)科認識方式發(fā)展的教學(xué)。

一、雙重編碼理論和插圖教學(xué)的關(guān)聯(lián)

1.雙重編碼理論

雙重編碼理論是一種認知理論，是由心理學(xué)家佩維奧（Paivio）創(chuàng)建的[2][3]。其主要觀點是人的認知系統(tǒng)中存在著兩個功能獨立卻又互相聯(lián)系的認知子系統(tǒng)，分別負責(zé)語言和心理映像的表征與處理。負責(zé)語言的“語義系統(tǒng)”是以語言符號為基本單元，根據(jù)聯(lián)想與層級的關(guān)系以連續(xù)序列的形式進行信息的記憶和存儲，只能進行“線性”序列化的加工，每次加工信息的吞吐量有限；負責(zé)心理映象的“表象系統(tǒng)”是以意象為基本單元，根據(jù)部分與整體的關(guān)系以同步非序列的形式進行信息的存儲和加工，允許一個意象的諸多成分進行“整體”非序列的加工。

雙重編碼理論信息加工的一般模型如圖1所示。在外部詞語、圖像等信息的刺激下，經(jīng)識別后能直接通過表征加工分別激活“語義系統(tǒng)”和“表象系統(tǒng)”[4]。接著，這兩種認知子系統(tǒng)可通過系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)聯(lián)加工和系統(tǒng)間的參照加工進行信息的編碼和互譯，建立起信息的結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，從而形成雙重編碼的關(guān)聯(lián)性記憶。認知系統(tǒng)的“雙重編碼”能有效降低單一編碼信息處理的認知負荷，加速思維的發(fā)生和發(fā)散，增進信息理解的準(zhǔn)確性和深刻性。

2.雙重編碼理論在插圖教學(xué)中的應(yīng)用價值

佩維奧的研究指出客觀圖片的刺激會被兩次編碼，既有圖像又有文字編碼激活認知系統(tǒng)，能增強信息的回憶與識別。Mayer等學(xué)者在佩維奧研究的基礎(chǔ)上，進一步證實了視覺信息能輔助文字信息的處理和記憶。在“素養(yǎng)”概念被引入后，運用視覺圖像進行信息交流形成視覺化思維的能力即為視覺素養(yǎng)[5]。Pettersson認為視覺素養(yǎng)是理解和使用圖像，并能利用圖像進行思考、表達想法以及學(xué)習(xí)的一種能力。

雙重編碼理論提倡同時用語言和視覺的形式呈現(xiàn)信息，讓學(xué)生在頭腦中同時進行語義和表象的雙重編碼和表征互譯，不斷建立起抽象知識與具體表象之間的聯(lián)系，從而形成對知識的正確描述、深刻理解和靈活運用。化學(xué)教材在編寫上插附了許多豐富的、極具學(xué)科特質(zhì)的實驗操作示意圖、實驗現(xiàn)象圖、微觀與原理模擬圖、化工生產(chǎn)圖等圖像，為學(xué)生提供較好的視覺映像，有助于學(xué)生進行知識的關(guān)聯(lián)理解和正確表象的建立。據(jù)此，在知識的形成、聯(lián)系和深化等階段中，借助圖示教學(xué)法[6]向?qū)W生提供信息豐富、典型性好的視覺映像，適時引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確解讀視覺信息并運用視覺化思維解決問題，提升學(xué)生的視覺素養(yǎng)。

二、雙重編碼理論指導(dǎo)下的化學(xué)教材插圖教學(xué)實踐

Pettersson認為用圖像思考和學(xué)習(xí)分為視覺認知、視覺創(chuàng)造和視覺完成三個階段：視覺認知階段主要解決的是圖像的接受和儲存；視覺創(chuàng)造階段是利用圖像進行信息的獲取、加工和理解；視覺完成階段則是視覺映像的形成和視覺化思維的建立。筆者以“化學(xué)煙火氣”的教學(xué)為例，關(guān)注物質(zhì)變化過程中“煙”的產(chǎn)生這一微現(xiàn)象，根據(jù)圖像學(xué)習(xí)的三個階段介紹在雙重編碼理論的指導(dǎo)下整合教材插圖進行微專題教學(xué)。

1.視覺認知階段：插圖梳理，主題教學(xué)

以“化學(xué)煙火氣”為話題，引導(dǎo)學(xué)生對已有化學(xué)知識中“煙”的現(xiàn)象進行回顧，并以“有圖有真相”的活動性任務(wù)驅(qū)動學(xué)生用教材插圖進行舉證。滬教版初中化學(xué)教材中有關(guān)“煙”的插圖有：從蠟燭火焰中引出白煙；煤油燃燒產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象；鎂條燃燒出現(xiàn)的白煙；金屬鈉在氯氣中燃燒出現(xiàn)的白煙；氯化氫和氨氣混合出現(xiàn)的白煙。這些插圖隱含著豐富的化學(xué)語言，既能幫助學(xué)生認識物質(zhì)的變化及其規(guī)律，又能激發(fā)學(xué)生運用知識進行科學(xué)探究與實踐。通過主題式情境和驅(qū)動性任務(wù)的創(chuàng)設(shè)，向?qū)W生提供有情緒意義的視覺刺激，能幫助學(xué)生更好地進行圖像的認知與接受。

2.視覺創(chuàng)造階段：據(jù)圖導(dǎo)學(xué)，深度學(xué)習(xí)

煙是不完全燃燒而產(chǎn)生的“火之氣”。那么，煙都是因火而成？煙的主要成分是什么？煙的形成有哪些應(yīng)用？可見，煙不過是事物變化的表象，需要通過觀察、分析、比較、聯(lián)系等歸納路徑來重塑認識。依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，指向?qū)W生學(xué)科認識方式的發(fā)展，設(shè)計微專題的教學(xué)目標(biāo)如下：（1）見證中國古代“煙”的應(yīng)用，認識煙與燃燒的關(guān)系，樹立家國情懷和民族自信；（2）通過對蠟燭、煤油燃燒過程中煙的成分和成因的探究，體會調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的方法和意義；（3）通過對鈉在氯氣中、鎂在空氣中燃燒現(xiàn)象的分析，學(xué)會運用宏觀與微觀相聯(lián)系、定性和定量相結(jié)合的方法認識物質(zhì)及其變化的規(guī)律；（4）通過對“空瓶生煙”實驗現(xiàn)象的認識，豐富對“煙”的概念及其形成的理解，建立正確的化學(xué)觀念。具體的教學(xué)流程及設(shè)計意圖如圖2所示。

3.視覺完成階段：多圖聯(lián)動，重塑認知

視覺創(chuàng)造是對視覺信息可視化、具體化的演繹，是知識與思考的發(fā)散過程。通過視覺對發(fā)散出去的知識與思考進行聚攏，使知識由事實性向認知性轉(zhuǎn)化。煤油和蠟燭燃燒過程中煙的“黑白”碰撞，是對化學(xué)反應(yīng)、學(xué)科認識方式類別上對立與統(tǒng)一的印證；鈉在氯氣中燃燒揭示離子的形成過程，是對化學(xué)反應(yīng)、學(xué)科認識方式類別上宏觀與微觀的解說；鎂在空氣中燃燒顯現(xiàn)質(zhì)量的變化情況，是對化學(xué)反應(yīng)、學(xué)科認識方式類別上定性與定量的詮釋；氨氣和氯化氫反應(yīng)出現(xiàn)“空瓶生煙”的變化現(xiàn)象，是對化學(xué)反應(yīng)、學(xué)科認識方式類別上靜態(tài)與動態(tài)的呈現(xiàn)。由此，可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)科認識方式類別提煉認識的思路與方法并繪制思維導(dǎo)圖，重塑學(xué)生對“化學(xué)煙火氣”的認識，幫助學(xué)生形成良好的、穩(wěn)定的知識結(jié)構(gòu)以及看待事物的化學(xué)視角，促進學(xué)生視覺化思考能力的提升和學(xué)科認識方式的發(fā)展。

三、雙重編碼理論指導(dǎo)下的化學(xué)教材插圖教學(xué)策略

1.視覺刺激的情境化

感官記憶的編碼具有選擇性，不是所有的視覺刺激都能被感官系統(tǒng)識別和記憶。感官識別的信息很大程度不是由刺激本身引起的，而是由個體的主觀因素所左右的，具有情緒意義的視覺刺激容易形成視覺映像。插圖教學(xué)中在呈現(xiàn)教材插圖之前，教師有必要從學(xué)生的成長環(huán)境和真實需要出發(fā)，選擇能與學(xué)生共情的話題創(chuàng)設(shè)情境[7]。在視覺認知階段，筆者關(guān)注學(xué)生成長的生活環(huán)境，以流行語“煙火氣”拉進師生的關(guān)系。通過“尋煙”活動調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生懷著求知欲去湊齊化學(xué)教材中出現(xiàn)的“煙”的插圖，帶著成功的喜悅調(diào)動感官系統(tǒng)識別和接受視覺信息。

2.視覺信息的序列化

教材插圖主要依附教材既定的知識內(nèi)容和呈現(xiàn)邏輯，插附在相應(yīng)的文字描述之間，起到裝飾、表征、組織或解釋作用[8]。盡管客觀圖像的刺激會同時激活認知系統(tǒng)進行雙重編碼，但碎片的、非序列的視覺信息勢必會造成“語義系統(tǒng)”序列化表征加工的困難，還會加重兩個子系統(tǒng)之間相互激活和參照加工的負擔(dān)。由此可見，插圖教學(xué)中教材插圖這種“依附關(guān)系”“插附方式”的編排和呈現(xiàn)，會影響到視覺信息的關(guān)聯(lián)和正確表象的建立。以同主題、同載體、同原理等方式對教材插圖進行有序整合，有助于提高視覺信息的編碼和轉(zhuǎn)譯的效能，從而形成正確的、穩(wěn)定的和結(jié)構(gòu)化的視覺映像。在視覺認知階段，筆者圍繞“煙”對化學(xué)教材中同現(xiàn)象的插圖進行有序整合；在視覺創(chuàng)造階段，根據(jù)“煙”的成因從一般到特殊，先認識“因火成煙”再延伸到“無火也能生煙”；根據(jù)認識物質(zhì)變化的角度從現(xiàn)象到本質(zhì)，先從表象上認識“黑煙”和“白煙”的形成，再從微觀、定量視角深層次認識物質(zhì)的變化。

3.視覺映像的問題化

視覺映像的形成只是在腦中理解并儲存下視覺信息，屬于視覺認知的階段。實現(xiàn)知識的連接還需要通過問題化學(xué)習(xí)，對視覺映像進行信息的提取、理解和創(chuàng)造。這就需要教師深入挖掘教材插圖的內(nèi)隱知識和育人價值，引導(dǎo)學(xué)生通過關(guān)聯(lián)、拓展等思維方式對視覺映像進行問題化，借助問題的解決來探究知識的內(nèi)核，從而提升學(xué)生用圖像組織知識、傳遞知識的能力。在視覺創(chuàng)造階段，通過設(shè)置層次性、系統(tǒng)性、拓展性的主干問題，并細化成“問題串”來激發(fā)學(xué)生思考，牽拉學(xué)生自主完成知識的建構(gòu)。如在“活動1”中，通過插圖的呈現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注煤油燃燒形成的“黑煙”現(xiàn)象，拋出主干問題“結(jié)合物質(zhì)的燃燒條件，說一說你對黑煙現(xiàn)象出現(xiàn)的理解”。從可燃物上看，依托對化石燃料的了解，知道煤油是怎么來的、其主要的成分是什么，進而完成對“黑煙”成分的猜測和驗證；從助燃物上看，借助對煤油燈的構(gòu)造和使用的了解，知道不完全燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生的原因；結(jié)合生活經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)天然氣不完全燃燒不容易產(chǎn)生黑煙，進而引導(dǎo)學(xué)生從定量的視角去分析燃料含碳量的問題；結(jié)合非遺熏畫藝術(shù)，拓展認識燃燒條件及其調(diào)控在“以煙作畫”上的應(yīng)用，從而形成辯證的思維來看待不完全燃燒問題。

4.視覺思維的可視化

科學(xué)思維是初中化學(xué)學(xué)科重要的核心素養(yǎng)，具體化到各學(xué)習(xí)主題內(nèi)容要求中的認識和探究物質(zhì)、分析和解決問題的思路與方法。思維的可視化是在知識加工或問題解決的思考過程中，將信息以看得見的視覺映像、圖示表征等形式呈現(xiàn)，從而提高知識輸出、知識變現(xiàn)的效能。在視覺創(chuàng)造階段，啟發(fā)學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容運用聯(lián)想、類比等方法，依托熟悉的視覺映像呈現(xiàn)信息進行表征、關(guān)聯(lián)和參照加工的過程。如在探析煤油燃燒出現(xiàn)“黑煙”現(xiàn)象的原因時，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)用天然氣灶的使用、天然氣的燃燒等視覺映像進行類比分析；在視覺完成階段，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容繪制思維導(dǎo)圖，通過文字與圖像相結(jié)合的知識輸出方式實現(xiàn)視覺思維的可視化。

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【責(zé)任編輯? 郭振玲】