基于双重编码理论的化学教材插图教学

刘锦圳 张贤金 孔祥斌

摘      要 插图教学以教材插图为据点，能帮助学生找到知识的落脚点并建立起知识点之间的联系，培养学生用图像思考和学习的能力。以“化学烟火气”的教学为例，基于双重编码理论阐释在图像学习的三个阶段中运用化学教材插图将关注具体知识获得的教学转变为注重学科认识方式发展的教学，并结合教学实践围绕视觉刺激、信息加工、视觉映像的形成、视觉思维的发展等方面提出教学策略。

关 键 词 双重编码理论  教材插图  视觉素养  学科认识方式

引用格式 刘锦圳，张贤金，孔祥斌.基于双重编码理论的化学教材插图教学[J].教学与管理，2023（28）：51-53.

化学是一门从分子层次认识物质，以实验为基础研究物质的自然科学[1]，其学科特点决定了教材内容必须借助有形的、直观的、简捷又生动的插图来呈现。因此，本文基于认识系统的双重编码理论，以“化学烟火气”微专题教学为例，对插图意象进行表征、关联和参照加工，并通过多图联动的方式引导学生进行多角度思维，将关注具体知识获得的教学转变为注重学科认识方式发展的教学。

一、双重编码理论和插图教学的关联

1.双重编码理论

双重编码理论是一种认知理论，是由心理学家佩维奥（Paivio）创建的[2][3]。其主要观点是人的认知系统中存在着两个功能独立却又互相联系的认知子系统，分别负责语言和心理映像的表征与处理。负责语言的“语义系统”是以语言符号为基本单元，根据联想与层级的关系以连续序列的形式进行信息的记忆和存储，只能进行“线性”序列化的加工，每次加工信息的吞吐量有限；负责心理映象的“表象系统”是以意象为基本单元，根据部分与整体的关系以同步非序列的形式进行信息的存储和加工，允许一个意象的诸多成分进行“整体”非序列的加工。

双重编码理论信息加工的一般模型如图1所示。在外部词语、图像等信息的刺激下，经识别后能直接通过表征加工分别激活“语义系统”和“表象系统”[4]。接着，这两种认知子系统可通过系统内的关联加工和系统间的参照加工进行信息的编码和互译，建立起信息的结构和逻辑关系，从而形成双重编码的关联性记忆。认知系统的“双重编码”能有效降低单一编码信息处理的认知负荷，加速思维的发生和发散，增进信息理解的准确性和深刻性。

2.双重编码理论在插图教学中的应用价值

佩维奥的研究指出客观图片的刺激会被两次编码，既有图像又有文字编码激活认知系统，能增强信息的回忆与识别。Mayer等学者在佩维奥研究的基础上，进一步证实了视觉信息能辅助文字信息的处理和记忆。在“素养”概念被引入后，运用视觉图像进行信息交流形成视觉化思维的能力即为视觉素养[5]。Pettersson认为视觉素养是理解和使用图像，并能利用图像进行思考、表达想法以及学习的一种能力。

双重编码理论提倡同时用语言和视觉的形式呈现信息，让学生在头脑中同时进行语义和表象的双重编码和表征互译，不断建立起抽象知识与具体表象之间的联系，从而形成对知识的正确描述、深刻理解和灵活运用。化学教材在编写上插附了许多丰富的、极具学科特质的实验操作示意图、实验现象图、微观与原理模拟图、化工生产图等图像，为学生提供较好的视觉映像，有助于学生进行知识的关联理解和正确表象的建立。据此，在知识的形成、联系和深化等阶段中，借助图示教学法[6]向学生提供信息丰富、典型性好的视觉映像，适时引导学生准确解读视觉信息并运用视觉化思维解决问题，提升学生的视觉素养。

二、双重编码理论指导下的化学教材插图教学实践

Pettersson認为用图像思考和学习分为视觉认知、视觉创造和视觉完成三个阶段：视觉认知阶段主要解决的是图像的接受和储存；视觉创造阶段是利用图像进行信息的获取、加工和理解；视觉完成阶段则是视觉映像的形成和视觉化思维的建立。笔者以“化学烟火气”的教学为例，关注物质变化过程中“烟”的产生这一微现象，根据图像学习的三个阶段介绍在双重编码理论的指导下整合教材插图进行微专题教学。

1.视觉认知阶段：插图梳理，主题教学

以“化学烟火气”为话题，引导学生对已有化学知识中“烟”的现象进行回顾，并以“有图有真相”的活动性任务驱动学生用教材插图进行举证。沪教版初中化学教材中有关“烟”的插图有：从蜡烛火焰中引出白烟；煤油燃烧产生黑烟现象；镁条燃烧出现的白烟；金属钠在氯气中燃烧出现的白烟；氯化氢和氨气混合出现的白烟。这些插图隐含着丰富的化学语言，既能帮助学生认识物质的变化及其规律，又能激发学生运用知识进行科学探究与实践。通过主题式情境和驱动性任务的创设，向学生提供有情绪意义的视觉刺激，能帮助学生更好地进行图像的认知与接受。

2.视觉创造阶段：据图导学，深度学习

烟是不完全燃烧而产生的“火之气”。那么，烟都是因火而成？烟的主要成分是什么？烟的形成有哪些应用？可见，烟不过是事物变化的表象，需要通过观察、分析、比较、联系等归纳路径来重塑认识。依据课程标准要求，指向学生学科认识方式的发展，设计微专题的教学目标如下：（1）见证中国古代“烟”的应用，认识烟与燃烧的关系，树立家国情怀和民族自信；（2）通过对蜡烛、煤油燃烧过程中烟的成分和成因的探究，体会调控化学反应的方法和意义；（3）通过对钠在氯气中、镁在空气中燃烧现象的分析，学会运用宏观与微观相联系、定性和定量相结合的方法认识物质及其变化的规律；（4）通过对“空瓶生烟”实验现象的认识，丰富对“烟”的概念及其形成的理解，建立正确的化学观念。具体的教学流程及设计意图如图2所示。

3.视觉完成阶段：多图联动，重塑认知

视觉创造是对视觉信息可视化、具体化的演绎，是知识与思考的发散过程。通过视觉对发散出去的知识与思考进行聚拢，使知识由事实性向认知性转化。煤油和蜡烛燃烧过程中烟的“黑白”碰撞，是对化学反应、学科认识方式类别上对立与统一的印证；钠在氯气中燃烧揭示离子的形成过程，是对化学反应、学科认识方式类别上宏观与微观的解说；镁在空气中燃烧显现质量的变化情况，是对化学反应、学科认识方式类别上定性与定量的诠释；氨气和氯化氢反应出现“空瓶生烟”的变化现象，是对化学反应、学科认识方式类别上静态与动态的呈现。由此，可以引导学生结合学科认识方式类别提炼认识的思路与方法并绘制思维导图，重塑学生对“化学烟火气”的认识，帮助学生形成良好的、稳定的知识结构以及看待事物的化学视角，促进学生视觉化思考能力的提升和学科认识方式的发展。

三、双重编码理论指导下的化学教材插图教学策略

1.视觉刺激的情境化

感官记忆的编码具有选择性，不是所有的视觉刺激都能被感官系统识别和记忆。感官识别的信息很大程度不是由刺激本身引起的，而是由个体的主观因素所左右的，具有情绪意义的视觉刺激容易形成视觉映像。插图教学中在呈现教材插图之前，教师有必要从学生的成长环境和真实需要出发，选择能与学生共情的话题创设情境[7]。在视觉认知阶段，笔者关注学生成长的生活环境，以流行语“烟火气”拉进师生的关系。通过“寻烟”活动调动学生的学习热情，使学生怀着求知欲去凑齐化学教材中出现的“烟”的插图，带着成功的喜悦调动感官系统识别和接受视觉信息。

2.视觉信息的序列化

教材插图主要依附教材既定的知识内容和呈现逻辑，插附在相应的文字描述之间，起到装饰、表征、组织或解释作用[8]。尽管客观图像的刺激会同时激活认知系统进行双重编码，但碎片的、非序列的视觉信息势必会造成“语义系统”序列化表征加工的困难，还会加重两个子系统之间相互激活和参照加工的负担。由此可见，插图教学中教材插图这种“依附关系”“插附方式”的编排和呈现，会影响到视觉信息的关联和正确表象的建立。以同主题、同载体、同原理等方式对教材插图进行有序整合，有助于提高视觉信息的编码和转译的效能，从而形成正确的、稳定的和结构化的视觉映像。在视觉认知阶段，笔者围绕“烟”对化学教材中同现象的插图进行有序整合；在视觉创造阶段，根据“烟”的成因从一般到特殊，先认识“因火成烟”再延伸到“无火也能生烟”；根据认识物质变化的角度从现象到本质，先从表象上认识“黑烟”和“白烟”的形成，再从微观、定量视角深层次认识物质的变化。

3.视觉映像的问题化

视觉映像的形成只是在脑中理解并储存下视觉信息，属于视觉认知的阶段。实现知识的连接还需要通过问题化学习，对视觉映像进行信息的提取、理解和创造。这就需要教师深入挖掘教材插图的内隐知识和育人价值，引导学生通过关联、拓展等思维方式对视觉映像进行问题化，借助问题的解决来探究知识的内核，从而提升学生用图像组织知识、传递知识的能力。在视觉创造阶段，通过设置层次性、系统性、拓展性的主干问题，并细化成“问题串”来激发学生思考，牵拉学生自主完成知识的建构。如在“活动1”中，通过插图的呈现引导学生关注煤油燃烧形成的“黑烟”现象，抛出主干问题“结合物质的燃烧条件，说一说你对黑烟现象出现的理解”。从可燃物上看，依托对化石燃料的了解，知道煤油是怎么来的、其主要的成分是什么，进而完成对“黑烟”成分的猜测和验证；从助燃物上看，借助对煤油灯的构造和使用的了解，知道不完全燃烧现象产生的原因；结合生活经验，发现天然气不完全燃烧不容易产生黑烟，进而引导学生从定量的视角去分析燃料含碳量的问题；结合非遺熏画艺术，拓展认识燃烧条件及其调控在“以烟作画”上的应用，从而形成辩证的思维来看待不完全燃烧问题。

4.视觉思维的可视化

科学思维是初中化学学科重要的核心素养，具体化到各学习主题内容要求中的认识和探究物质、分析和解决问题的思路与方法。思维的可视化是在知识加工或问题解决的思考过程中，将信息以看得见的视觉映像、图示表征等形式呈现，从而提高知识输出、知识变现的效能。在视觉创造阶段，启发学生根据学习内容运用联想、类比等方法，依托熟悉的视觉映像呈现信息进行表征、关联和参照加工的过程。如在探析煤油燃烧出现“黑烟”现象的原因时，引导学生调用天然气灶的使用、天然气的燃烧等视觉映像进行类比分析；在视觉完成阶段，引导学生根据学习内容绘制思维导图，通过文字与图像相结合的知识输出方式实现视觉思维的可视化。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：1.

[2] 唐劲军，张慧敏，张春婷.基于双重编码的人教版高中化学必修教科书插图比较研究[J].教学与管理，2023（09）：23-27.

[3] 周海旸.例谈基于双重编码理论的微专题设计[J].中学生物教学，2022（10）：44-47.

[4] 陈霞，朱秀梅，唐剑岚.优化数学课件设计的基本原则：基于双重编码理论[J].内蒙古师范大学学报：教育科学版，2010（08）：86-91.

[5] 徐美仙，张学波.多维视角里的视觉素养：内涵、视野及意义[J].开放教育研究，2004（03）：31-33.

[6] 陈长胜，刘三女牙，汪虹，等.基于双重编码理论的双轨教学模式[J].中国教育信息化，2011（03）：52-55.

[7] 刘锦圳，张贤金.基于生活逻辑的项目式学习：以“盐湖化学行”为例[J].中学化学教学参考，2022（13）：34-37.

[8] 陈小芳.中学化学教材插图的使用现状及优化运用研究[D].武汉：华中师范大学，2015.

【责任编辑  郭振玲】