中国与新加坡初中物理教科书图像表征的比较研究——以光学内容为例

王成然 魏 冰

（澳门大学教育学院，澳门 999078）

1 问题的提出

教科书在学校教育中无处不在，是教师教和学生学的主要依据.尽管近些年来有多种教学资源可供教师选择，但教师往往严重依赖于教科书，特别是年轻教师，常依据教科书上的内容来决定教什么、如何教.教科书被认为是学生学习科学概念的重要工具，对学生的认知和元认知技能有着重要影响.一直以来，物理教科书插图备受物理教育工作者的关注.［1-3］

物理教科书中，文字和图像是呈现知识内容的两种重要形式.文字能够准确阐明知识的内涵，但是很难表述清楚一些抽象、复杂的知识；图像能直观呈现知识的外貌，促进学生对知识的理解与记忆.另外，许多科学新发明可以借助图像 文字结合的手段生动地展示.图像并非文字的附属品，在传达的信息被充分提取和解释的条件下，图像本身就是一种重要的信息来源.不同类型的图像特点不同，可以服务于不同的教学目的.Vekiri根据图像形式，将图像表征分为非符号表征（如照片、图片）和符号表征（如绘制图、图表）.［4］非符号表征可以直观呈现生活、自然中的物理现象，激发学生的学习兴趣.符号表征可以帮助学生理解抽象的物理原理和规律，激发更高层次的认知过程.

图像表征很少单独存在于教科书，更多时候与文字表征共同出现，因此，图文的整合水平也是图像表征的一个重要方面.双重编码理论认为，人脑有两个加工和记忆信息的通道，一个是语义编码通道，另一个是表象编码通道.若同时以言语形式和视觉形式呈现信息，能够增强对信息的记忆与识别.知识以图像的方式呈现出来，能为基于语言的理解提供辅助和补充，降低语言通道的认知负荷，加速思维的运转.［5］作为教学的重要载体，我们希望教科书能在文字和图像之间建立正确联系，实现图文整合.教科书图文整合程度越高，就越容易在两个通道间建立联结，促进学生对知识的记忆和理解.

众所周知，新加坡的基础教育质量成就斐然，特别是科学教学质量在世界处于领先地位.例如，在PISA2018中，新加坡学生的科学成绩排名第二，仅次于中国四省市.［6］在72个参与TIMSS2019测试的国家和地区中，新加坡八年级学生科学能力名列前茅.［7］我们知道，光学是初中物理的重要组成部分，这部分知识较为抽象，初中生学习起来难度较大.为了帮助学生建立光学概念，理解现象背后的物理原理，教科书一般都在相关章节中设置丰富的图像.

基于上述考虑，本研究从国际比较的视野出发，选取中国和新加坡3套主流初中物理教科书，从图像表征类型、图文整合程度两个方面对其中光学部分的图像表征进行分析，并尝试回答以下问题.

（1）中、新3套物理教科书光学部分的图像类型分布如何？

（2）中、新3套物理教科书光学部分图像与文本的整合情况如何？

我们希望本研究的分析结果能给物理教科书中图像的选择和呈现带来一些新的启示和借鉴.

2 分析工具

本研究使用图像分析协定工具（GraphicalAnalysisProtocol，简称GAP）.GAP由Slough等人开发，旨在捕捉现代教科书图像表征的关键特征.［8］GAP有“个体图像”和“图文整合”两个评价指标，具体包含图像颜色、图像形式、图像系统性、空间整合、文本参考、标题质量、图文语义关系和图文连接水平8 个因子.我们根据教科书的实际情况，对GAP中部分内容进行了两处调整.第一，删去GAP中“图像颜色”这一因子.该因子考察教科书图像的颜色是黑白还是彩色.不可否认，不同色彩的图像对学生的视觉刺激和心理影响效果不同，会对学习效果产生不同影响.不过，本文选取的教科书都是彩色图像，且该条目与研究问题无关.第二，对GAP 中“图像形式”因子的编码方式进行修改.不同研究者对图像形式有不同的分类方法，GAP 将图像形式分为12类，是为了对图像进行广泛描述，便于将不同研究得到的结论进行比较.本研究关注不同图像的教学作用，参考Guo等［9］和Moline［10］的分类方法，将图像表征分为7类.其中，非符号表征分为照片、图片两类，符号表征分为简单图、分析图、过程图、结构图和图形5类.

总的来说，GAP 包括“个体图像”和“图文整合”两个评价指标和7个因子（见表1），下面对因子的编码方式进行具体说明.

表1 图像分析协定工具

“个体图像”指标用来描述教科书中图像表征的类型，具体包括两个因子.

2.1 图像形式

图像表征从形式上分为7 类.照片：展示事物真实的表面细节，如颜色或纹理，刺激学生对事物的感性认识，降低认知难度.图片：虽然不是真实照片，它们却具有真实情境，力求贴近现实生活或实验.这类图很少带有图注，卡通图、电脑合成图皆属于图片.简单图：这类图为人工绘制，常常带有图注，通过对真实事物进行简化、概括，直观地表述内容，凸显重点.如用带有箭头的直线（光线）表示光的传播路径.分析图：将物体某个部分进行放大或展示物体内部或切面形态，对物体结构或组成部分进行清晰展示的图像.过程图：按顺序组织一系列事件的图像，如按时间顺序组织事件的时间线，或用箭头将各个事件连接起来形成的流程图.结构图：呈现知识点以及知识点与知识点之间的关系，以此揭示知识的内在逻辑结构，表格、树状图和网状图皆属于结构图.图形：用数学的方法对研究对象进行测量、排序或比较，光谱图、折线图、柱状图、饼状图皆属于图形.

2.2 图像系统性

Slough等人认为，一些图像可以用来描述某些动态过程，帮助读者建立系统的心智模型.GAP将图像系统性分为3 种情况：低，图像呈现的是个别单位，未整合成一个完整系统；中，图像呈现系统的某些方面，例如，用箭头或标签表示运动，但是没有体现出时间顺序；高，图像能帮助读者建立系统的心智模型，如图像使用时间序列的帧，描述物体的运动状态是如何随时间发生变化的.

“图文整合”指标旨在了解教科书中图文空间整合和语义整合程度，包括5个因子.

（1）空间整合.

GAP将图文空间位置关系分为4种情况.紧邻：相关内容的文本与图像紧密相邻.接近：相关内容的图文处在同一页，但不是紧密邻近.对面：相关内容的图文不同页，但在同一跨页.远端：图文不同页，读者需要翻页查看与图像内容相关的文本.

（2）文本参考.

王福兴等在眼动实验中发现，图文空间邻近可以促进儿童的图文注意分配与整合，有助于儿童对故事细节的识记，但不能促进对故事的理解.［11］由此可见，要想促进学生的有意义学习，仅有图文空间整合还不够，还应设有支持性文本促进图文的语义整合.使用文本参考，可以引起学生对图像的关注.我们将其分为两种情况，一种是文本不指向图像；一种是文本指向图像.

（3）标题质量.

支持性文本不光要使读者注意到图像，还应对图像提供必要的解释信息.合理使用标题，可以对图像提供解释，促进学生的学习.GAP将标题分为4类情况，无标题、识别性标题：此类标题只是指出图像标的，不能提供详细图像内容信息.描述性标题：标题能够详细描述图像内容，将图像与正文联系起来.参与性标题：标题能通过某种方式积极地吸引观众，如在标题中提出一个问题或提出一个任务.

（4）图文语义关系.

图文语义关系体现在图文语义内容的关联程度上，图文内容的一致性可以从图像功能中得以体现.图像功能可以分为4类，装饰型图像：只是为了使教材美观，增加读者的兴趣，与文本内容基本无关，即便删掉，也不会妨碍对概念主题的理解.表征型图像：与文本内容密切相关，能反映部分或全部文本内容，将文本中某些名词、概念以图像的方式呈示，增加文本的具体性.组织型图像：图像将文本中的内容进行分类、组织或总结，增加文本的连贯性.解释型图像：将复杂、抽象的物理原理和规律用一种简洁、形象的方式呈现，帮助学生理解有难度的文本，提高认知水平.［12］

（5）图文连接水平.

除了关注图像的基本功能，GAP 还关注图像是否添加了与文本不同的新信息.若图像（含标题和注释）在表征文本内容的同时，出现新信息，就将其编码为连接型图像，并进一步判断图像的连接水平.水平一：图像易解释，新信息与文字内容有明确连结.水平二：图像相对易解释，新信息与文字内容的连结较不明显，需要读者进行更多的推理.水平三：图像提供的新信息需要读者具有背景知识才能解释其含义.

3 分析方法

本研究使用内容分析法，对中、新两国三套初中物理教科书中光学部分正文中的图像进行比较分析.

3.1 研究对象

在研究对象的选择方面，主要考虑它们的使用范围和社会声誉.中国初中物理教科书选取人教版和沪科版，这两套教材在中国各地区使用量较大，编写各具特色.新加坡物理教科书选取《PhysicsMatters》O LEVEL（第四版）（简称新加坡版）.研究关注图像表征的教学功能，故只统计教科书正文部分，拓展内容和习题部分未纳入研究范围.由于3套教科书在知识编排上有所不同，为了保证比较对象的一致性，剔除了教科书中个别章节，最终选取的内容如表2所示.在这些内容中，图像表征数量共为115个，其中人教版40个，沪科版34个，新加坡版41个.

表2 研究选取的章节内容

3.2 分析过程

内容分析法是一种高度灵活的研究方法，可以使用定性、定量或定性与定量相结合的方式，对文本、视觉刺激（如照片、视频）和音频多种数据进行分析.本研究使用内容分析法，对教科书光学部分的图像表征进行编码和分类，采用定量的方式对其进行归类与统计.

为了保证内容分析的信度，由两位具有理科背景的编码者，首先按照GAP 中建立的指标，对115个图像表征进行独立编码.接着，计算各项因子kappa 系数，分别为0.939、0.956、0.956、0.973、0.930、0.895和0.904.kappa系数均在0.8上，表明编码可信.最后，两名编码者对编码不一致的图像表征进行协商讨论，直至意见达成一致.

4 分析结果

为了回答研究问题，本研究从个体图像和图文整合两个指标出发，对7个因子逐个分析，结果如下.

4.1 个体图像分析结果

个体图像指标用于回答第一个研究问题，具体包括两个因子：图像形式和图像系统性.图像形式分析结果表明（见表3），3 套教科书图像形式分布各具特色.人教版非符号表征与符号表征分布均衡，非符号表征（照片和图片）所占百分比为45%，符号表征（简单图、分析图、结构图）所占比例为55%.沪科版非符号表征比例较大，照片和图片所占百分比合计61.7%，反应出的大多是与日常生活有关的情境，为学生提供一种眼见为实的真实感.照片是沪科版最常出现的表征形式，占比为44.1%.与沪科版相反，新加坡版中符号表征占比最大，高达68.3%.符号表征中，简单图出现频率最高，频率高达46.4%.从图像丰富程度上看，新加坡版中图像形式最丰富，7种图像形式均有所涉及.例如，解释平面镜成像原理时，新加坡版从物理现象出发，使用过程图厘清光路图的作图顺序，帮助学生理解平面镜成像的本质.人教版和沪科版则缺少过程图、图形这两类图像.

表3 教科书图像形式分布情况

图像系统性分析结果见图1，3套教科书中，低系统性图像占比最高，尤其在沪科版中，低系统性的图像高达61.7%.究其原因，很多照片和图像只是呈示个别生活或实验现象，无法构成系统.沪科版中存在着大量的照片和图像，所以系统性水平低.光路图能体现光的传播方向和路径，我们均将其编码为中系统性.新加坡版中有大量光路图，因此中系统图像占比高.3套教科书的高系统性图像均占比最低，分别只有5%、5.9%和7.3%.

图1 教科书图像系统性程度

4.2 图文整合分析结果

为了回答第2个研究问题，本研究从空间整合、文本参考、标题质量、图文语义关系（图像功能）和图像连接水平5个因子出发，对图文整合情况进行分析.

空间整合因子关注图像与文本的位置关系，分析发现，新加坡版和沪科版整体表现良好，绝大多数图文位置紧邻.如表4 所示，新加坡版图文紧邻占比97.5%，沪科版图文紧邻占比94.1%.人教版图文紧邻的占比为90%，10%的图在文的远端，学生需要翻页搜寻相对应的图文信息.

表4 教科书图文空间整合情况

对文本参考因子进行分析发现（见图2），人教版和沪科版在文本参考方面表现突出.人教版97.5%的图像有对应的文本参考，沪科版97.1%的图像有对应的文本参考.相比之下，新加坡版只有75.6%的图像有文本参考.由于文本不指向图像，学生可能很难将图与对应的文字联系起来.

图2 3套教科书文本参考情况

标题是对图像内容的准确概括，适切的标题有助于文本与图像资源的整合.分析结果表明（见表5），人教版和沪科版中的描述性标题和参与性标题占比较小.尤其在沪科版中，高达94.2%的标题为识别性标题，描述性标题和参与性标题共计只有5.8%.相比之下，新加坡版中描述性标题和参与性标题占比较高，其中描述性标题占比达到46.3%.此外，人教版和新加坡版中，分别有27.5%和19.5%的图像没有标题，可能会对理解图像内容带来难度.

表5 教科书标题质量

3套教科书的图像功能统计结果见表6.我们在对图像表征分析时，已将栏目装饰图排除在外.即便如此，3套教科书仍存在个别装饰型图像，这些图与教学内容关系不大.表征型图像在3 套教科书中占比最大，这一结果在我们的意料之中.表征型图像能够准确反应文本中的主要信息，是教科书中较为常见的一种图像.与中国两套教科书相比，新加坡版组织型图像占比最高（14.6%）.表格被认为是一种组织型图像，新加坡版中表格数量较多，所以组织型图像的比例要高于人教版和沪科版.此外，新加坡版解释型图像的占比同样最高（34.1%）.该类图像多用于解释一些抽象的物理原理和规律，对学生理解和记忆知识起到促进作用.例如，新加坡版在阐述木杆弯折现象原因时，文字写道：“光线从水射向空气，杆浸入水中的部分反射光线会发生折射.”若只看文字，学生很难理解这句话的含义.为此，书中配有一张解释型图像，画出光的传播路径，解释木杆弯折现象，促进学生对折射知识的理解.

表6 教科书图像功能分布情况

图像除了可以表征文本内容，有时还添加一些新信息.我们规定，无论是图像自身内容还是图像的标题和注释，只要出现文本中没有的新信息，就将其编码为连接型图像.统计结果显示（见表7），3套教科书中均存在一定数量的连接型图像，连接型图像在人教版、沪科版和新加坡版中的占比分别为40%、47%和56%.可以看出，人教版中连接型图像最少，原因是人教版的文本部分对图像内容阐述大多较为详尽.相比之下，新加坡版图像蕴含的新信息最多，对学生读图的能力要求较高，学生要挖掘图像中的部分新信息，才能更好地理解知识.进一步分析图文连接水平发现，人教版和新加坡版水平一的图文较多，分别为87.5%和87%，学生很容易将新信息与文字联系起来.沪科版的图文有68.8%处在水平一，还有31.2%的图文处在水平二，学生需要进行推理，才能将新信息与文字联系起来.新加坡有少量水平三的图文，要求学生具有相应的背景知识，才能理解新信息的含义.

表7 3套教科书图文连接水平

5 结论与建议

5.1 结论

本研究从图像表征类型、图文整合程度两个方面，对中、新3套初中物理教科书光学部分的图像表征进行比较分析.研究发现，不同教科书的图像表征类型各具特色，同时存在一些共同特征.图像形式上，3套教科书差异显著.人教版符号表征和非符号表征分布均匀，沪科版以非符号表征为主，新加坡版以符号表征为主，且图像形式最为丰富.共同特征体现在图像系统性因子上，该因子用于衡量图像帮助学生建立系统心智模型的程度.分析发现，3套教科书中均存在大量中、低系统性图像，高系统型图像占比较少.也就是说，图像常常用于描述单独的物理概念，较少将物理概念置于更大的系统背景中.

在图文整合程度方面，具体考察了5项因子.结果表明，不同教科书在各因子上均存在一定的差异.空间整合因子上，沪科版、新加坡版表现较好，绝大多数图文彼此紧贴.人教版有少部分图文处于远端位置，这样的位置可能会对学生的学习造成不利.文本参考因子上，人教版和沪科版表现卓越，绝大多数图文有文本参考.新加坡版近的图像没有文本参考，可能会增加学生的认知负荷.标题质量因子上，新加坡版描述性和参与性标题最多，沪科版识别性标题最多，人教版、新加坡版的部分图像缺少标题.图文语义关系因子上，3套教科书中均有少量装饰型图像.此外，新加坡版解释型图像较多，对物理原理和规律的解释较为重视.图文连接水平因子上，新加坡版连接型图像较多，个别图像需要学生具有相关背景知识才能解读新信息的含义.相比之下，人教版和沪科版文字叙述较为详尽，图中的新信息较容易被解释.

5.2 建议

为了使图像表征真正发挥教学效用，结合分析结果与结论，对物理教科书图像表征的编写提出4条建议.

首先，图像表征形式应与教学内容匹配.《义务教育科学课程标准》指出：“力求图文并茂，尤其要精选生动反应自然现象和准确反应科学原理的图片.”［13］实际上，如何精选图像表征是教材编写者亟须思考的问题.不同形式的图像具有各自的特点，同一教学内容使用不同形式的图像呈现，可能会产生不同的教学效果.所以有必要根据教学内容，选择适宜的图像形式.例如，展示透镜对光的作用时，使用照片能够最大程度还原现实，展示物理现象.再如，介绍投影仪成像原理时，不妨使用简单图，使学生关注光的传播路径和成像特点，更好地理解物理规律.

其次，适当增加高系统性图像的数量.静态图像用来描述动态过程对学生的能力要求较高，空间技能较低的学生往往无所适从.但这类图像在学习中起着重要的作用，许多情况下学习效果甚至好于动态视觉表征，如动画、视频等.［14］分析发现，高系统性图像在3套教科书中均占比较低.因此，我们建议，可以适当增加教科书中高系统性图像的数量.同时在教学中，对于高系统性图像，教师应提供必要的读图指导.

再次，重视图文的空间整合.实验证明，当文本和相关图像在同一页面且靠近放置时，学生在图文转换任务中表现得更好.［15］分析发现，人教版教科书中仍有个别图文位于远端.根据多媒体学习理论，若图文处于远端，学生就要耗费认知资源，翻页寻找对应的图文信息.如此一来，工作记忆便没有足够的认知资源来建构言语和图像表征，不利于言语、图像表征与长时记忆的整合.因此，应尽量使图文位置紧贴，减少学生的认知负荷.

最后，重视图文的语义整合.实验发现，在含有多种图像类型的科学文本中，儿童对图像的关注时间只占学习时长的6%.［16］为了引起学生对图像的关注，有必要使用标题、文本参考和图注等支持性文本.对于标题，Peeck指出，可以引导学生观察图像的某些细节，或者要求学生处理特定指令，如提出一个问题或完成一项任务，这样可以有效吸引学生注意到图像内容.［17］因此，我们建议，人教版和沪科版可以适当增加描述性标题和促进性标题，引导学生关注图像细节，激发思考.

图像功能方面，3套教科书中，表征型、组织型和解释型图像占绝大多数.这些图像可以使文本具体、连贯、便于理解，进而促进学习.［18］需要指出的是，表征型图像并非只是简单重复文本内容，3套教科书中，41%的表征型图像添加了新信息.新信息可以开拓学生的视野，不过学生需要具备相应的先验知识，才能较好理解图像内容.所以，连接型图像编写时，要充分考虑学生已有的生活经验.此外，3套教科书中有少量装饰型图像.多媒体理论认为，若图仅具有趣味性，与文本内容无关，会对学生造成认知负担.因此，在编写教科书时，应尽量减少装饰型图像.