科学知识的多模态话语建构：以人教版和沪科版初中物理教材为例

熊 涛，何 劲

（1.广东外语外贸大学 外国语言学及应用语言学研究中心，广东 广州 510420；2.广东技术师范大学 外国语学院，广东 广州 510665）

一、前言

科学知识的话语建构是一个涉及语言学、教育学、心理学等学科的跨学科议题，研究者通过运用语言学、话语和符号学相关的理论，去解答科学知识是如何通过不同的话语和符号进行传递的，以及在此过程中塑造了什么样的意识形态意义这两个关键问题。其中，能量和能源是科学教育中的一个复杂且抽象的关键概念，对于帮助学生形成科学的能源观和发展观具有重要意义。美国基础科学教育指导框架把“能量和物质”列为七大跨领域概念之一[1]。能量在不同的科学领域中有不同的理解，难以从正面直接定义。其五个基本属性包括守恒性、可转化性、可转移性、可散失性和可储存性（能源）[2]。能量并不是指实体或物质，而是一系列复杂的物质现象，具有语境依存性，被各种话语符号体系所塑造和解释[3]。从话语研究的角度看，恰当的语言和符号手段，例如分类、隐喻、类比等手段，能有效地表征能量等抽象科学概念，促进认知和理解[2-6]。因此，能源话语逐渐成为话语研究领域的一个热点。然而，与公共语境下的能源话语研究[7]相比，学术和教育语境下的能源相关知识的话语建构尚未引起足够关注。就教育语境下的能源话语而言，以往相关研究或着眼于单一的文本模态[2][4-5]，或针对简单示意图进行研究[8-9]，对多模态的图文意义共构的研究不多见，未能突出当下视觉元素在科学教育和读写活动中越来越突出的作用。同时，这些研究往往将教学中的语言视为中立透明，忽视了语言等符号资源在教材中所起的意识形态功能。视觉图像的辅助可以提供恰当的认知图式，帮助学习者深入学习和理解知识[10]，使用不当则容易造成不必要的视觉负荷，对知识的理解形成负面影响[11]，因此有必要深入探究。

教材是科学知识最重要的载体。当代教材设计风格融入了较多的科技和多模态生活化元素，教材建构知识和身份关系的体现方式也发生了相应的改变，因此比较同一个知识点的不同多模态表征形式很有意义[12]。本文拟以国内两套代表性的中学物理教材为例①彭前程：物理（九年级全一册），北京：人民教育出版社，2013年。②廖伯琴：物理（九年级全一册），上海：上海科学技术出版社，2013年。，对其中关于能量和能源的部分进行研究，具体考察科学教材如何利用语言和多模态手段表征相关的科学知识，研究科学教材中的图像在能量能源概念表征中的作用，衡量教材设计在科学知识表征方面的利弊得失，并对优化教材设计和教学提出建议。我们将具体围绕视觉模态、图文关系、隐喻和类比三个方面开展研究，研究问题包括：两套教材中有哪些类型的视觉元素？视觉元素和课文之间存在什么样的意义关系？这些视觉元素体现了哪些关于能量的概念隐喻和类比？

二、教材话语和知识建构

教材是一种特殊的社会文化产品，是实现特定教育目的的体裁或交际事件。作为知识的载体，教材话语并不是中立透明的，包括语言在内各种符号模态资源的选择和使用，巩固了特定的立场和价值观念或者主流的知识范式[13-14]。随着建构主义科学本质观和人文社科领域话语转向的兴起，人们对探索知识的话语建构机制越来越感兴趣，从不同学术角度探索知识如何通过话语得以生产和传播，以及产生何种主流意识形态效应。例如van Dijk 和Atienza[15]基于福柯的权力话语理论对西班牙教材中知识的社会认知机制进行了剖析，分析了新旧知识的相互联系，以及新知识如何受制于以及巩固预设的种族主义色彩的观念，揭示了知识的意识形态性。Liu[16]对我国小学语文教材进行批评话语分析后发现，教材选择性地呈现科学技术造福人类的美好一面，回避了与之密切相关的环境等问题，因而不利于学生创造性和批判性思维的养成。陈文革和吴建平[17]的研究也得出了类似的结论，他们研究我国中学科学教材后发现，教科书强调科学的“非人化”，强调研究结果的“确定性”和“不容挑战性”，这不利于培养科学素质和创新精神，他们呼吁教材科学话语的改变。

以上研究凸显了在科学教育中倡导建构主义科学本质观的重要性[18-19]。建构主义科学本质观认为科学的本质是科学探究。这是一个不断探寻未知领域，修正已有知识的过程，是对强调客观性和稳定性的逻辑实证主义科学观的扬弃。与建构主义科学观一脉相承的是，人们对科学图像的客观性的认识也经历了从强调自然客观性到强调专业判断和解读的转变。具体而言，根据Daston 和 Galison[20]的研究，科学图像的发展经历了三个认知阶段：18世纪，占统治地位观点认为科学图像必须忠于自然（truth to nature）；到19世纪末，科学图像应该凸显机械客观性或者结构客观性（mechanical objectivity,structural objectivity）的观点开始占据主导地位；20世纪初开始，基于专业训练的图像判断和解读（trained judgment）变得比客观性更重要。基于上述理论观点，Ge等人[9]对台湾和澳大利亚的科学教材的视觉元素进行了比较，发现台湾教材的图片普遍“忠于自然”，偏重呈现自然界原本的状态，而澳大利亚教材更重视结构性的概念图，因此台湾教材处于“忠于自然”的认知阶段，而澳大利亚教材更多地体现了“结构客观性”的特性。透过建构主义科学本质观和科学图像认知的发展观，我们可以更好地对教材加以评估和解读。教材通过程式化的语言和符号资源表征知识和意义，与学习者之间构建了特定的权力关系，通过话语、身份和体裁、风格得以实现[21]。

三、基于社会符号学的多模态话语分析框架

针对上面提出的三个研究问题，本研究将构建一个基于社会符号学的科学教材多模态话语分析框架（见图1）。这个框架融合社会符号学关于模态和图文意义关系的分类，以及关于认知隐喻和类比的相关概念，对教材相关的视觉元素及其相关课文内容进行考察，并在两套教材之间进行横向比较。

图1 科学教材多模态话语分析框架

分析框架的第一部分是视觉元素的模态。根据Van Leeuwen[22]的社会符号学理论，模态是视觉图像的真实度和自然度，取决于细节、层次、色彩和背景的表现特性，模态的真实感与图像的细节表现度之间的关系取决于不同的体裁和交际目的。我们把教材视觉元素区分为照片（摄影图片）、绘画（如线条画或卡通画）、示意图（如透视图和剖面图）和概念图（如表格和树状图）四种。其中，照片的模态最为真实自然，以新闻体裁为例，为了追求形式上的客观性，多采用照片，彩色新闻图片和黑白新闻图片或漫画相比，前者明显处于主导地位，呈现的是一种“真实、自然”的效果，而后者则更多地反映了某种风格和态度；绘画在教材中往往没有太复杂的色彩变化和细节表现，真实感偏弱；概念图的抽象度最高；示意图的模态特征处于概念图和前两种图之间。在科学教材中，除了真实感较强的照片和绘画之外，抽象模态也占据重要位置，线条简单但能够揭示科学现象和科学关系的本质和结构。对于概念图而言，是在用空间关系来象征逻辑关系，表现其内在的因果关系或连续性。

分析框架的第二部分是图文意义关系的类型。这里指的图文意义关系，主要是指图片和课文相关内容的关系。图文关系是理解多模态语篇意义的关键[22-24],是一种基于意义的多模态、非线性衔接现象，参考Van Leeuwen[22]、Kress&van Leeuwen[23]和张德禄[25]关于图文信息关系类型的划分，可区分为阐述（elaboration）和扩展（extension）两类。阐述关系中，图像服务于把课文内容具体化、形象化，是课文提出的知识点或者现象的具体阐释。扩展关系中，视觉元素提供了新的信息或实现了新的功能，例如引导学生填空或者思考问题，和课文构成整体关系。值得注意的是，阐述型的图文关系存在一定的信息冗余，承担了一部分装饰或者审美功能，尤其是大幅置于文字下层的背景图。阐述关系和扩展关系两者的区别在于有无实质性的信息差。

分析框架的第三部分是隐喻和类比的使用。隐喻和类比是科学教育中的重要语言手段[5-6]，两者的目的都是在本体和喻体间进行比较，但后者是直接明显的比较，强调其共同点，而前者是一种暗含的比较，属于认知和思维的底层，是认知的一种组织形式。科学教育领域普遍认为，类似能量这样的科学概念，与其采用严谨、科学的方式进行正面定义，其效果很多时候还不如采用隐喻表达式[2][4]。类比和隐喻不但存在于文字当中，也可以存在于视觉元素中，视觉上的类比和隐喻有助学习。基于概念隐喻理论[26]，Lancor[2]对美国科学教育中的能量概念进行了研究，归纳了能量的六个基本的概念隐喻，即“能量是总量恒定并且可计算的物质”“能量是可转化的物质”“能量是可转移和流动的物质”“能量是可装载的物质”“能量是可散失的物质”以及“能量是可存储和可作为成分的物质”。在科学教材中的能量隐喻主要属于“文字图像互补”式多模态隐喻[27]。例如，大坝泄洪的图片，对应的是“能量是可转化的物质”这个隐喻，因为这里把能量物质化和具体化为从高处飞流而下的水。课文中通常不一定会直白地出现“能量是一种可以转化的物质”之类的文字，但这个概念往往蕴含在课文的上下文当中。

四、语料和方法

我们的数据来自人教版和沪科版两套初中物理教材。初中阶段是系统学习物理知识的起始阶段，教材中物理知识的表征方式对于概念的掌握具有重要的作用。我们选择了人教版九年级教材第14章“内能的利用”、第22章“能源与可持续发展”，以及沪科版第20章“能量和能源”相关内容进行研究（见表1）。这样的好处是，一方面将研究范围限制在能量和能源相关内容，另一方面确保两套教材具有可比性（见表2）。基于前面构建的研究框架，我们对两套教材相关的视觉元素进行分类并统计，具体结果见表2、表3、表4。这些结果在一定程度上呈现了一些特点和趋势。我们结合相关文献和理论进行讨论并得出结论。

表1 数据来源

五、分析结果

表2显示，不论哪个版本的教材，照片在数量上都比其他三种视觉元素明显占优，约占半数，其中沪科版的彩图占比比人教版略多；两套教材在绘图和示意图上的比例差别均在2%左右，差别不大；然而，两套教材在概念图的比例上呈现较大的差异，人教版比例明显高于沪科版。

表2 两套教材视觉元素类型的比较

比较了两套教材视觉元素类型后，我们接下来比较图文关系。如表3所示，经过对课文相关视觉元素进行编码归类，我们发现，两套教材的图文关系中阐述型占主导，其中沪科版中阐述型比例更高，达到了76.9%，比人教版超过了18%；对于扩展型图文关系而言，人教版教材的视觉元素中扩展型更多，比沪科版相应地高出将近18%。

表3 两套教材图文关系类型的比较

例如，图2、图3都是阐述型的图文关系。图2是电站大坝泄洪的照片，同时作为章节标题“能源”的背景图。对应的文字如下：“三峡水电站是世界上最大的水力发电站，它通过提高上游的水位增加水的势能，高水位的水向下流，使水轮机转动并带动发电机发电，从而向人们提供电能。”图片形象地展示了水的势能转化为动能这个过程的瞬间，是对课文内容的具体化。高清晰的摄影图片具有视觉冲击力，同时也具有装饰效果，但并没有带来实质性的新的知识或信息。图3画的是一种设想中的永动机的工作状态，同样，图文之间的意义关系属于比较简单直接的阐述型关系。

图4、图5结合简要文字“链式反应示意图”展示了从核反应产物之一中子又引起同类核反应继续发生、并逐代延续进行下去产生能量的过程；图6是发电厂照片清晰展示了发电的棱镜模组，对应文本“一种由大景反射棱镜组成的发电厂” ；图7、图8分别是煤矿现场照片及能量球摆动对应的势能动能转化图示；图10、图11、图12分别使用了照片、示意图及概念图等视觉元素结合简要文本展现了热能，太阳能、电能及各种能量的产生及转化。以上图例图文之间的意义关系属于比较简单直接的阐述型关系，示视觉元素及对应文本一目了然。

图9、图13是扩展型图文关系的两个例子。图9是一个表格，要求学生在空格填入至少三个能量转化的示例。填空完成之后的表格包括更多的实例，而这些实例是课文中所不具备的，因此表格与课文内容形成扩展型图文关系。作为视觉辅助元素的表格，实际上是扩展了课文内容，而不仅仅是阐述或举例的关系。图13也是类似情况，表示的是不同形式的能量之间的相互转化的关系，和图9一样，需要学生补充实例，是对课文知识和内容的扩充，因此图13与课文相关部分之间，形成了扩展型图文关系。

根据Lancor[2]总结的六种能量隐喻类型，我们对两套教材进行了编码（见表4）。可见，两套教材的视觉元素在表现哪种能量隐喻方面分布很不平衡，主要侧重于表现“能量是可以转化的物质”这个隐喻。具体而言，沪科版的倾向更加明显，达到了将近80%。两套教材的视觉元素均没有体现“能量是可以装载的物质”这个隐喻，其余的几个隐喻的涉及比例都很低。

表4 视觉元素所关联的能量隐喻类型

表5 教材中出现的视觉元素举例

从类比来看（表4），只有人教版教材出现了3个，一是把图片中的食物比作燃料，对化学能转化为内能的过程进行形象说明（20页）；二是把太阳类比为一个巨大的核能火炉，里面每时每刻都在发生氢弹爆炸（174页）；三是把核裂变链式反应类比为点燃以相应方式排列的火柴棍（171页，图4）。这些属于典型的基于课文的类比（text-based analogy）[7]，通过图文协同很有效地呈现了相关概念和知识。

六、讨论

研究结果对深入理解科学图像和科学认知的发展阶段有启示意义。研究显示，两套教材的照片在数量上比其他视觉元素占有明显优势，在对能量相关知识的表征上，科学教材明显倾向使用真实、自然模态的图片。这些图片集中在表征能量的多种体现形式上，例如水电站泄洪、瓜果蔬菜、木柴燃烧，分别代表能量的不同体现形式。这个特点印证了一个重要观点，即包含文字和图片的多元识读已经成为当代教育的最根本的特征之一[28]。本研究的结果比较符合Ge等人[9]对于台湾教材的研究发现，即教材的图片普遍“忠于自然”，偏重呈现自然界原本的状态，同时，“忠于自然”的特点，也证实了陈文革和吴建平[17]关于我国科学教科书话语偏重“非人化”和“不容挑战”的观点。

研究结果显示，除照片之外，占比其次的视觉元素是示意图。示意图的特点是，在普通绘图的基础上加入了一些辅助性的绘图方式，例如透视图，因此能够呈现能量系统的不同组成部分及其工作原理，对相关的知识内容起到了较好的补充说明作用，可以看作是“忠实自然”和“结构客观性”两者兼而有之，两种认知阶段或模式并存。另外，两套教材在概念图的应用比例上整体较低，其中人教版略高于沪科版。概念图的作用在于把一些关键的概念和关系进行提炼和可视化处理，对于帮助读者梳理课文相关知识具有重要的认知作用，对应的是“结构客观性”的认知阶段。总体而言，本研究中不同类型视觉元素和模态在不同程度上呈现混合使用的情况。大量富有真实感的照片，加上凸显关系、结构、原理的表格和概念图，以及卡通图和简笔图，人教版中的个别地方甚至还出现了表情夸张的卡通人物和拟人的太阳，为教材增添了趣味感，呈现出科学、教育和娱乐三位一体的混合体裁特征。

就图文关系而言，研究发现阐述型图文关系占主导地位。在阐述型和扩展型两种图文关系中，教材中阐述型图文关系所占比例更大，沪科版超过人教版。但人教版的扩展型图文关系比例超过沪科版，相差达到18%。两套教材在编写时都十分注重教材内容的真实度和自然度，图片的主要作用是对课文相关内容进行阐述，将各种与能量有关的现象、概念和过程具体化和形象化。这种情况下，图片更多地发挥了一种“锦上添花”的作用和装饰效果，有或没有图片都不会对课文内容的表达产生本质上的影响。而扩展型图文关系中，图片是课文内容的延续和巩固，比如思考题和填空等问题，与课文内容构成整体，两者缺一不可。在教材中设计一定数量的扩展型图文关系，对于扩展教材的深度和广度，引导读者对所学内容进行举一反三式的思考和巩固具有重要作用。

在隐喻和类比方面，最大的特点是两套教材的视觉元素集中体现了“能量是可以转化的物质”这个概念隐喻，所占比例在60%和80%之间，教材中大量存在的太阳能发电、水力发电等题材的图片都很好地说明了这一点。与此相比，“能量是可以装载的物质”这一隐喻在两个教材的视觉元素中都没有得到明显体现。其余几个隐喻的体现也很少，例如“能量是可以散失”的这个隐喻，在人教版有4处，而沪科版只有1处。这似乎可以说明，教材在表征能量和能源相关知识的时候，侧重的是人类如何利用能源、如何把一种形式的能量转化为另一种形式的能量，而对于能量的可散失性并没有重点强调，两个教材仅有有限的几个地方提到了使用能源不当所造成的环境污染。这也印证了Liu[16]的研究发现，反映了一种以人类为中心的功利主义的价值观，而深刻认识到能量的可散失性，思考如何高效科学地利用绿色清洁能源，应该是重要的一课。从类比看，仅人教版教材视觉元素涉及三处类比。类比是科学教育中的重要有效手段，其认知原理和实际效果已经得到公认，但教材在这方面做的还不够，尤其是沪科版。

七、结论

为了解能量和能源相关的科学知识在科学教材中的多模态表征情况，本研究以两套物理教材为例进行了实证研究。基于社会符号学相关理论，以及关于能量的隐喻表达框架，我们尝试构建了一个综合性的科学教材多模态知识表征研究框架，针对视觉元素、图文关系、隐喻和类比三个维度进行了探究。研究主要发现如下：第一，教材内容能够尽可能贴近自然界和人类生产生活现实，印证了当代科学话语中知识表征由单一的文本模态向图文并茂的多模态表征转化的大趋势；第二，我们所考察的教材对能量和能源知识的视觉表征总体还处于“忠于自然”的认知阶段，或者从这个阶段向“结构客观性”过渡；第三，阐述型图文关系在教材中占主导地位。总之，教材并非价值中立的工具，教材话语通过符号塑造了特定的读者身份和价值取向。通过借用卡通漫画等青少年喜闻乐见的体裁和视觉元素，教材话语实现了科学性、权威性和娱乐性的混合，强调真实感和自然感的符号风格，更多地传递了一种客观主义的科学本质观。

本研究对教材编写有如下几点启示：第一，今后的教材开发需要在各类视觉元素的比例方面取得更好的平衡，更好地兼容“结构客观性”，并创造条件向“训练有素地判断图片”的认知阶段发展，培养建构主义的科学本质观，提升学生的多模态科学识读和思维能力。第二，教材的视觉元素设计应该充分结合隐喻和类比等手段，尽可能更平衡地体现能量的各种特性，强调可持续发展和绿色能源的重要性，改变急功近利的功利主义价值观。第三，应该适当压缩体现阐述型图文关系的视觉元素，增加扩展型图文关系，一方面可以减少不必要的视觉负荷，另一方面可以扩展知识，更好地满足学生的不同需求。

最后，本研究涉及的教材语料有限，目的主要在于构建一个社会符号学分析模式，并初步验证这个模式的可操作性，得出的一些结论和建议对于科学教育、教材编写和多模态话语研究本身都有一定启示意义。鉴于能量概念的复杂性和抽象性，多模态视角中的能量隐喻，在界定和归类方面可能还存在需要进一步探讨和完善的地方，有待更多的研究。

致谢

感谢广东外语外贸大学袁传有教授、韩艳梅副教授和香港理工大学冯德正副教授对本文提出指正，同时感谢编辑部和匿名审稿人的修订建议。