物理教材图像表征的比较研究
——以中美教材中“光学”部分为例

杨孝波，张 静，姚建欣

作为学校教育教学的基本依据，教材在我国教育体系中一直占有重要位置。自2016年以来，随着中央对教材建设事业做出了重大决策部署，国家先后成立了国家教材委员会和课程教材研究所，并在规划中对加强关于教材的基础研究提出明确要求。［1］对教材的分析、比较与反思对于课程教学具有巨大的推动作用，是学科课程与教学论的重要研究领域。例如在21世纪伊始美国“2061计划”对科学教材的系统评估，对近20年来的课程建设和课堂教学都产生了巨大影响，成为了推动21世纪教育改革的标志性事件。［2］作为教材中最为重要的表征方式之一，图像表征不仅能给学生提供必要的感性认识，而且在一定程度上与文本表征搭配形成对教材内容的双重编码，能帮助学生更好地理解和掌握学习内容，对于促进学生核心素养的发展具有十分重要的作用。

国外一些学者曾对教材中的图像表征做了比较系统且深入的研究。如梅耶（Mayer）等研究发现教材中近一半的页面空间被专门用于设置图像表征，甚至在一些教材中占比高达85%，但许多图像却没有明确阐述相关知识内容，其教育功能的实现情况令人疑虑。［3］博泽（Pozzer）等指出教材中图像表征的使用对于学习者的学习总体而言是有利的，特别是真实照片的使用能增强学习者对相关知识的关注。［4］在已有研究的基础上，维克托·李（Victor R.Lee）将科学教材中图像表征的功能分为演示功能（demonstrative function）、阐明功能（illustrative function）和解释功能（explanatory function），并对美国近30年科学教材中图像表征的适应性和延续性做了研究，发现随着时间的递增，美国科学教材中图像表征的总数量没有明显变化。但其中单独具有演示功能的图像表征数量有所增加，同时具有解释和阐明两种功能的图像表征数量增加明显。［5］国内学者从认知视角对教材中图像表征的研究始于21世纪，眼动研究发现阅读材料中插图能提升学生的阅读效果。［6］对历史上各版本科学教材的梳理发现，我国理科教材中图像表征的数量在迅速增高，但对其教学功能、图文配合、设置比例等的研究尚在起步阶段。［7］因此，本文聚焦物理教材中的图像表征，参考维克托·李的分类标准，采用内容分析法和比较研究法分析中美初高中物理教材图像表征功能的变化特点，以期为我国中学物理教材编写和使用提供借鉴参考。

一、研究设计

本研究中所关注的图像表征可定义为教材中具有直观、形象特点的照片、示意图以及表格和函数图像等。为实现跨文化的比较并提供借鉴，本研究侧重研究中美两国当前的主流理科教材。基于研究者学科背景，选择了中学物理教材作为具体研究对象。

（一）研究对象

我国初中教材选用M出版社编写出版的义务教育教科书·物理（2012年版）（以下简称“M版初中教材”），分析内容为八年级上册第四章和第五章光学内容。高中教材选用M出版社编写出版的普通高中课程标准实验教科书·物理（2005版）（以下简称“M版高中教材”）选修3-4第十三章光学内容。

美国初中教材选用PRENTICE HALL原版、浙江教育出版社2013年翻译出版的《声与光》（Sound and Light）（以下简称“美版初中教材”）中第三章和第四章光学内容。高中教材选用McGraw-Hill Education Glencoe原版、浙江教育出版社2008年翻译出版的《物理：原理与问题》（Physics：Principles and Problems）（以下简称“美版高中教材”）中册第十六章至第十八章光学内容。

（二）图像表征功能和判断依据

参照维克托·李的研究，演示功能、阐明功能、解释功能的定义及判断依据的界定见表1。以此为理论基础，对比分析中美教材中的图像表征。

表1. 图像表征三种基本功能

（三）统计方法

统计过程中，同一幅图在多个节点出现记为多幅。在遇到图像组时，一个图像组表征多个主题记为多幅，一个图像组表征同一个主题，记为一幅。根据上述分类方法和计数规则，分别对中美四套初高中物理教材光学部分图像表征的数量进行定量统计。为了保证统计结果的可靠性和一致性，邀请两名研究者在经过培训后按照表1分别独立对内容进行统计。统计结果利用SPSS进行分析，Cronbach α系数（即信度系数）达到0.846。

二、研究结果

（一）数据统计

一幅图可能存在多种功能，将三种基本功能组合，共有七种功能，具体内容如表2。

表2. 各功能的图像表征统计

（二）纵向分析

纵向分析初中教材与高中教材图像表征的变化情况，我国M版初中教材的图像表征以阐明功能为主（近三分之二），且以阐明光学现象为主，例如在光的反射这一部分的内容，教材中的图像多以倒影、塔式太阳能电站、后视镜、太阳灶、平面镜成像等这类生活中的直观事物为主，我国M版初中教材重视利用图像表征促进学生对光学现象的了解和认识。在高中阶段，我国M版教材中的图像表征依然以阐明功能为主，但解释功能有所上升，例如在光的反射这一部分的内容，在阐明光学现象的同时，会利用抽象的示意符号向学生解释光学原理。而演示功能有所下降（图像中的人物或人物元素大幅下降），如初中（“光的反射”“平面镜成像”这两节内容）关于光的反射共20幅图像表征，含人物或人物元素的图像表征有9幅，占比45%；高中（“全反射”这节内容）关于光的反射共14幅图像表征，含人物或人物元素的图像表征有2幅，占比14.3%，具有演示功能的图像表征显著下降。

美版初中教材的图像表征以阐明功能为主，80%以上的图像表征具有阐明功能，例如利用哈哈镜、倒影和平面镜成像等生活实际现象的照片向学生阐明光的反射现象，使学生对光的反射有一定了解和认识。高中教材图像表征的阐明功能下降到40%左右，主要以解释功能为主。例如在光的反射这一部分的内容，图像表征多以示意图为主，注重利用示意符号向学生解释光的反射现象及原理。高中阶段的图像表征，在解释功能上升的同时，演示功能有所下降，具有人物或人物元素的图像表征在高中阶段有所减少。

（三）横向比较

横向比较中美两国初高中物理教材图像表征的情况。在初中阶段，两国教材均以阐明功能为主。两本教材均注重利用生活中的实际事物，让学生了解和认识光学现象。同时图像中包含较多的人物或人物元素，重视情景体验。例如在平面镜成像这节内容中，M版初中教材和美版初中教材均选用生活中照镜子的情景向学生阐明平面镜成像的直观现象，同时利用人物元素发挥演示功能。不同之处在于两国教材均选用符合本国特征的素材，我国物理教材中的图像表征更结合了我国传统文化。

在高中阶段，我国M版教材的图像表征以阐明功能为主，而美版教材的图像表征以解释功能为主。我国M版高中教材依然重视利用图像向学生阐明光学现象，但是部分图像会同时利用示意符号进行解释，而美版高中教材则更加重视利用示意图向学生解释光学原理。我国M版教材和美版教材图像表征的演示功能在高中阶段均有所下降。

三、图像表征对核心素养培养的应用途径

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中，强调高中物理课程要从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任等方面提炼学科育人价值，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用。［8］（P2）图像表征作为教材的重要组成部分，不仅要发挥其表征功能，还应当渗透核心素养的培养理念。［9］

（一）创设真实情境，形成物理观念

物理观念是个体对物理知识感知、理解、内化后形成的整体观念，是从物理学视角重新认识和理解世界的基础。物理观念的培养需要教师在教学过程中创设真实的物理情境。［10］在教材中，仅凭文字表征难以帮助学生建立物理情境，而图像表征大多是真实拍摄的照片，可以生动形象地展示真实情景，借此创设问题情境。例如，M版初中教材光的直线传播这节内容，在引入概念时首先阐明光在空气中沿直线传播的自然现象，建立真实的学习情境，激发学生研究问题的兴趣。接着，利用图像表征的演示和阐明功能向学生演示探究过程和阐明实验现象，帮助学生形成“光在同种介质中沿直线传播”的观念，为形成光的本质观和运动观奠定基础。

（二）搭建认识桥梁，发展科学思维

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是从形象的科学事物建构抽象的理想模型过程。教材内容应启发学生对科学对象、科学过程、科学现象、科学事物进行抽象概括，认识本质属性、内在规律等。教材中的示意图能较好展示物理过程和规律，是学生从形象认识到抽象认识的桥梁。美版初高中教材中的示意图占比均高于M版初高中教材，且在图中使用较多的示意符号发挥其解释功能。如在平面镜成像这节内容中，两本初中教材均先利用照片阐明平面镜成像这一生活现象，但美版初中教材同时利用示意图解释其成像原理。阐明功能帮助学生认识科学现象，而解释功能则帮助学生深入理解物理原理。图像表征的阐明功能和解释功能能帮助学生对形象的事物、现象进行思维加工，概括出抽象的物理原理、规律等，从而发展学生的科学思维。

（三）强化参与意识，开展科学探究

科学探究是指提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。教材中关于科学探究的图像表征多出现人物元素，其演示功能不仅能指导实验操作，更能激发学生参与科学活动的意识。［11］与其他三本教材相比，美版初中教材更加突出科学探究活动。在每节首要位置均出现“探索活动”专栏，此专栏不仅有探究问题和操作介绍，而且均出现有人物的照片，在演示操作过程的同时激发学生参与活动的意识和兴趣。

（四）树立责任观念，培养科学态度与责任

科学态度与责任是指在认识科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，并且具有社会责任感。四本教材中设置了许多科学技术的图片，图片内容不仅介绍古人的智慧，例如伽利略时代的望远镜，而且展现当今世界的重大科学技术，例如电子显微镜研究细胞、激光切割技术等。这些图片的使用不仅让学生学习光学知识，更是向学生渗透物理源于生活，用于生活的理念，帮助学生理解科学、技术、社会之间的关系，树立将科学知识服务于社会发展的责任感，培养其科学态度与责任。

四、讨论与建议

随着绘图制版技术的进步和审美水平的提高，我国教材的配图插画水平在逐步提升，例如统编教材兼具传统文化底蕴和教学支持功能的配图得到了教师和家长的广泛赞誉。教育部从2016年起组织开展了普通高中各科教材的修订工作。纵览新修订的高中物理、化学、生物等理科教材，为提升教科书的阅读体验和教学功能，各版本的教材均着力改进版式和配图，使之更加生动、新颖且具有学科特点。有的生物学教材用类似连版插页的方式展现复杂的微观生命过程，让学生颇为震撼地感受到生命过程的精致、有序的同时，理顺该过程的逻辑次序。还有一些教材配图在细微之处见功夫，如某版物理教材的两个箭头和两段虚线，意在让学生更好地理解位移概念的矢量性及其与路程的区别。

在肯定所取得的进步的同时，还需注意教材面向的是学生，教材配图的核心依据应是学生具体的认知需求。然而，由于相关研究没有跟上，当前教材配图工作仍是以章节相应内容为核心考量点，尚未真正实现从“内容中心”到“认知中心”的范式转换。例如，通过对教材中图像表征功能的统计分析和对比分析，可以发现我国M版初、高中物理教材注重图像表征的阐明功能，且拥有阐明功能的图像多是现象类、实物类图像。对于初中阶段的学生，这类图像表征能够吸引学生的注意力，能帮助学生认识物理现象。但到了高中阶段，其各类功能图像的比例是否还适宜高中生的认知水平，是值得深入探索和共同研讨的问题。此外，建议在高中物理教材修订过程中适当增加同时拥有解释、阐明和演示功能的复合图像表征。并且考虑随着学生认知水平的提升和知识内容的加深，适当增加具有解释功能的图像表征的比例。