劉一兵 夏加亮 彭蘭貞 王赟

摘要： 運用內(nèi)容分析法，分析近30年以來，不同時期人教版4套高中化學(xué)教科書中微觀可視化表征的特征。教科書中微觀可視化表征分析類目包括構(gòu)圖類型、呈現(xiàn)方式、圖形標(biāo)記、立體程度、圖文結(jié)合和表征水平。定量分析揭示了不同歷史時期人教版教科書中微觀可視化6個維度的歷史變遷。

關(guān)鍵詞： 高中化學(xué)教科書； 可視化表征； 內(nèi)容分析法

文章編號： 1005-6629（2022）11-0009-07

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 化學(xué)教科書中微觀可視化表征研究概述

1.1 化學(xué)教科書中微觀可視化表征研究的必要性

教科書是主要的課程資源，在科學(xué)教學(xué)中起著重要的作用，對課程設(shè)計、活動安排和作業(yè)布置以及課程的發(fā)展和演變有著重要影響。教科書通過文本（語言模式）和視覺表征（視覺模式）等多種形式來幫助學(xué)生獲取科學(xué)知識，其表達(dá)的適切性和準(zhǔn)確性是學(xué)生理解相關(guān)概念或現(xiàn)象的決定因素［1］。有研究者認(rèn)為，視覺表征不僅僅是意義制造者的工具，而且因為它可以表達(dá)不容易用語言表達(dá)的思想，故受到教科書分析者的日益關(guān)注［2］。

化學(xué)教科書中微觀可視化表征，是指將不能直接觀察到的化學(xué)微觀實體或事件，通過照片、手繪圖、示意圖等方式形成的圖像。此處，化學(xué)微觀實體界定為分子、原子、離子和亞原子等本身狀態(tài)；化學(xué)微觀事件是指化學(xué)微粒之間相互作用發(fā)生的過程與結(jié)果。

聚焦化學(xué)教科書中分子、原子、離子或亞原子粒子的微觀可視化表征特征，就其根本原因是學(xué)生將微觀可視化外在特征轉(zhuǎn)化為內(nèi)在表征，是理解化學(xué)現(xiàn)實世界現(xiàn)象的先決條件。這意味著可視化表征的特征，若出現(xiàn)缺陷，可能會導(dǎo)致學(xué)生理解出現(xiàn)偏差，甚至出現(xiàn)迷思概念［3］。研究和分析化學(xué)教科書中的微觀表征特征，主要目的是把握其對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，為教師教學(xué)提供有益啟發(fā)。

1.2 化學(xué)教科書中微觀可視化表征研究簡介

2011年，Gkitzia等人開發(fā)了化學(xué)教科書中三重表征分析框架［4］。其依據(jù)是宏觀、微觀和符號之間，以及與文本之間的關(guān)系。2017年，Shehab等人采用此框架，研究了黎巴嫩中學(xué)化學(xué)教科書中的三重表征［5］。2019年，Goes等人研究巴西中學(xué)化學(xué)教科書中氧化還原反應(yīng)內(nèi)容的可視化［6］，提出了表征的圖像屬性和表征的課程取向。2020年，Papageorgiou等人研究希臘中學(xué)化學(xué)教科書微觀粒子的可視化表征，提出其圖形特征的分類［7］。它為微觀可視化系統(tǒng)分析提供了新的分析視角。

國內(nèi)化學(xué)教科書中可視化研究與國外研究相比，具有相似分析視角，均涉及化學(xué)三重表征分析工具，國內(nèi)學(xué)者移植了國外分析框架，并做了部分改進，未涉及專門研究化學(xué)教科書中微觀實體和事件的情況［8］。

2 研究設(shè)計

2.1 研究問題

隨著社會和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，高中化學(xué)教科書中有關(guān)化學(xué)微觀世界的編寫特征會發(fā)生相應(yīng)的變化。從歷史視角比較，厘清教科書微觀可視化發(fā)展性特征，揭示可能影響學(xué)生相關(guān)理解的因素，分析其方式變化的原因，可以為當(dāng)前教科書優(yōu)化和應(yīng)用提供啟示。本研究的主要問題為：如何系統(tǒng)分析和闡述化學(xué)教科書中微觀可視化表征特征？不同歷史時期高中化學(xué)教科書中微觀可視化表征特征變化如何？

2.2 教科書的選擇

依據(jù)教科書發(fā)展的階段性和系統(tǒng)性，以高中化學(xué)出現(xiàn)選修教科書為起點時間（1991年），選擇人民教育出版社4個不同時期、基于不同教學(xué)大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)，編寫的高中化學(xué)教科書為研究對象，即1991年版化學(xué)必修第一、二冊和選修第三冊；2000年版化學(xué)必修第一、二冊和必修加選修第三冊；根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2003年版）》編寫的2007年化學(xué)必修1和2、化學(xué)選修1-6；依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》編寫的化學(xué)必修第一、二冊、選擇性必修1、 2和3（2019年版），合計19冊。

2.3 分析單位

本研究的分析單位為：教科書中顯性描繪微觀或隱性表征微觀的圖像及其圖題，以及文本中能闡明微觀特征的信息。以每1圖題上的1副圖像為1處，若該圖為一組圖像，仍以1處進行統(tǒng)計和分析。

2.4 分析工具

Papageorgiou等人開發(fā)的教科書中微觀可視化特征分類［9］，包括構(gòu)圖類型、呈現(xiàn)方式、圖形標(biāo)記、立體程度、圖文結(jié)合和圖形復(fù)雜度，能夠用于多角度、多層次、系統(tǒng)分析教科書微觀可視化。但是，該分類中“圖形復(fù)雜度”界定為若是一種微觀可視化情境，則為簡單圖形；若是兩種或兩種以上，則為復(fù)雜圖形。我們認(rèn)為，有的簡單圖形既包含微觀實體，又有微觀事件，難以稱為簡單圖形。倘若以微觀本體為中心，與宏觀和符號進行組合，組合數(shù)目越多則圖形復(fù)雜度越高，則可稱為“表征水平”。在此，我們借鑒Papageorgiou等人開發(fā)的前5個維度，第6個維度用“表征水平”替代“圖形復(fù)雜度”，以此作為本研究的分析工具。表1表示高中化學(xué)教科書微觀可視化特征的分類，有關(guān)主類目和次類目相關(guān)概念界定如下。

第一，構(gòu)圖類型。照片是反映能夠看見的人們通過電子技術(shù)拍攝的現(xiàn)實微觀實體，例如，“用硅原子組成的兩個漢字——中國（放大約180萬倍）”的圖片。手繪圖是以徒手畫出現(xiàn)實的微觀實體或事件草圖，往往省去某些細(xì)節(jié)或采用了某些符號，例如，聞氣體時的正確操作手繪圖，可以畫出用手輕輕扇動“幾條曲線代表了氣體分子逸出”的圖像。半示意圖是指通過化學(xué)制圖軟件繪制的較為逼真的微觀模型圖，如圖1所示。示意圖是以概略的方式或制圖技術(shù)軟件，較為抽象地描述微觀實體或事件所形成的圖示，例如，原子結(jié)構(gòu)示意圖以及分子結(jié)構(gòu)示意圖等，如圖2所示，它比半示意圖更為抽象?；旌蠄D是指上述4類中有2類或以上的組合。

第二，呈現(xiàn)方式。盡管真實地表征微觀實體及其行為非常困難，但是，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家有可能觀察和定位單個原子和分子，例如，科學(xué)家能夠通過掃描隧道顯微鏡獲得苯分子圖像。微觀可視化的類比物是用類比方式表征微觀實體或事件。模型表征微觀可視化可以通過球棍模型、比例模型或其他模型表示微觀的組成與結(jié)構(gòu)。呈現(xiàn)的特定符號是指表征微觀的各種化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的式子，常見的有結(jié)構(gòu)式、鍵線式、紐曼式和費歇爾投影式，它們能夠反映微觀實體的組成及空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)表征微觀實體或事件是由上述2類或2類以上組合，則呈現(xiàn)方式為結(jié)合體。

第三，圖形標(biāo)記。在實體標(biāo)記中，化學(xué)符號是指用來表示各種元素組成的物質(zhì)（混合物除外）及其原子數(shù)標(biāo)注的符號，并且可以應(yīng)用在各反應(yīng)式中。球形通常以三維立體表征微粒，而圓圈、點常以二維平面表征微粒，宏觀物是指用照片或手繪類比物表征微粒，其他是指方形、橢圓、曲線表征微粒。如在圖1中，化學(xué)符號為Na+、 Cl-和H2O；紅色、白色、黃色和綠色球形分別代表氧、氫原子和鈉離子、氯離子。動態(tài)標(biāo)記包括箭頭、軌跡、陰影等。圖1中，向右箭頭表示水合鈉離子向與電源負(fù)極相連的電極移動；圖2中，箭頭和軌跡（虛線）代表電子從鈉原子向氯原子轉(zhuǎn)移的方向和路徑。

第四，立體程度。2-D是采用平面二維表征微粒。3-D是在三維空間中表征微觀圖形，常常通過軟件表征顏色、光線明暗、陰影、紋理、雙眼視差等方式增加其立體實感，而形成的具有三維立體效果的圖形。準(zhǔn)3-D是其中有一部分微觀表征是三維空間（3-D），或者說局部有3-D，但整體上表現(xiàn)的微觀實體或事件仍然是二維平面圖。例如，圖1中，雖然水分子、氯離子和鈉離子屬于3-D，但是水合鈉離子、水合氯離子整體上看仍然是處于二維平面中，所以，微觀表征是準(zhǔn)3-D?；旌象w是指上述3類中有2類或3類表征的體系。

第五，圖文結(jié)合。圖文結(jié)合是指表征微觀的圖形和文字關(guān)系，存在著圖下有圖題（短語或句子）或圖中伴有文字表征，或正文主體文字對微觀圖形進行闡述，否則，為無。有圖文結(jié)合者又可分為簡單描述和細(xì)致闡述。圖文結(jié)合中的文字表征，若只是陳述事實，則為簡單描述；若存在一定的微觀實體之間關(guān)系的說明或事件解釋，則為細(xì)致闡述。圖1中“氯化鈉溶液能夠?qū)щ姟睂儆诤唵蚊枋觥?/p>

第六，表征水平。根據(jù)與微觀實體或事件相關(guān)的微觀、宏觀、符號表征及其組合，可分為微觀、微觀-宏觀、微觀-符號和微觀-宏觀-符號4級水平。其中，若出現(xiàn)宏觀物類比微觀的話，記為微觀。圖1中，Na+、 Cl-和H2O及其相應(yīng)模型，屬于微觀-符號水平。

2.5 統(tǒng)計與分析程序

運用內(nèi)容分析法，對每一微觀圖像，依次在高中化學(xué)教科書微觀可視化特征分類中6個主類目下，確立其次類目歸屬并進行統(tǒng)計，分別計算各版本每個類目下特征頻數(shù)及其百分比，然后，用各版本各類別總頻數(shù)除以總微觀圖頻數(shù)，得出總百分比。最后，對各類別統(tǒng)計結(jié)果進行理性分析。以圖1氯化鈉溶液導(dǎo)電圖為例，構(gòu)圖類型屬于半示意圖，呈現(xiàn)方式為模型，圖形標(biāo)記為化學(xué)符號、球形和箭頭，立體程度為準(zhǔn)3-D，存在著圖文結(jié)合的簡單描述，表征水平為微觀-符號。

3 研究結(jié)果與討論

本研究由作者中的3位，獨立地對教科書的微觀可視化表征特征進行編碼和統(tǒng)計，對于編碼不一致的地方，進行商討，最終達(dá)成一致。一致性水平為0.83，內(nèi)容分析信度達(dá)到研究要求。各版本教科書微觀可視化表征特征分類百分比和頻數(shù)，精細(xì)統(tǒng)計如表2～表7所示。

3.1 構(gòu)圖類型

表2中，各版教科書中半示意圖出現(xiàn)的百分比超過了55%，明顯高于示意圖頻數(shù)百分比，這或許是由于半示意圖比示意圖更逼真地描繪微粒實體或事件，向讀者展示了看不到的更具體的微觀世界圖景。半示意圖主要包括2類，一類是微觀結(jié)構(gòu)模型圖，另一類是反映微觀事件的模型圖。例如，圖3表示當(dāng)金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動。

隨著時代發(fā)展，手繪圖的頻數(shù)百分比，從1991年的54.3%下降到2019年的7.1%，呈下降趨勢，這是因為制圖技術(shù)中計算機繪圖軟件的發(fā)展緣故。同時，照片數(shù)、示意圖和混合圖頻數(shù)百分比略有增加。

3.2 呈現(xiàn)方式

表3顯示，不同時期的教科書中，模型和類比物頻數(shù)百分比表現(xiàn)出一定變化趨勢。模型表征頻數(shù)百分比從1991年的45.7%上升到2019年的63.8%。這是由于模型的研究逐漸增多，對模型教學(xué)作用的認(rèn)識也更加深刻，特別是2017化學(xué)新課標(biāo)凸顯模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的緣故。模型表征主要為微觀實體，涉及微觀事件較少。類比物的頻數(shù)百分比呈逐步下降趨勢，從1991年的28.6%下降到2019年的5.5%。類比物下降數(shù)目主要為教科書中趣味卡通漫畫表征微觀事件，如圖4所示，2000版的氧化還原反應(yīng)與電子轉(zhuǎn)移關(guān)系卡通漫畫圖等，2019版不再采用。

筆者認(rèn)為，這種得失電子，鈉離子顯現(xiàn)出難受，氯離子卻高興，帶有情感的漫畫，未必適合解釋科學(xué)問題。

4個不同時期的教科書真實物的呈現(xiàn)幾乎限于掃描隧道顯微鏡拍攝到的1到3例圖片，變化不大。特定符號主要是采用結(jié)構(gòu)式呈現(xiàn)微粒，少數(shù)為鍵線式，不同時期版本教科書差別不大，其他諸如紐曼式和費歇爾投影式，未出現(xiàn)于教科書中，這是教學(xué)大綱或課程標(biāo)準(zhǔn)不做要求的緣故。

3.3 圖形標(biāo)記

表4中，不同時期的教科書中微觀可視化的圖形標(biāo)記表現(xiàn)出不同特征。

其一，球形或圓圈是圖形標(biāo)記的主要形式。1991和2000年版教科書中球形標(biāo)記色彩單一，主要為黑、白，個別為紅色，立體感不夠。2007和2019年版教科書中球形標(biāo)記出現(xiàn)紅、橙、黃、綠、紫、黑、白、灰等色彩。這種標(biāo)記更容易區(qū)別化合物中不同元素原子，且伴隨色彩明暗差異，立體感更強，也容易判斷原子間的距離、鍵角等參數(shù)。但是，同一微粒，教科書中出現(xiàn)色彩不一，如鈉離子，有黃色（如圖1），也有紫色（如圖5）。對于教科書而言，保持風(fēng)格統(tǒng)一還是很有必要的。

其二，化學(xué)符號百分比達(dá)到45.2%，這是因為球形或圓圈表示分子結(jié)構(gòu)模型時，常常伴隨元素符號、分子式等。其三，點和宏觀物表征的頻數(shù)百分比，分別從1991年的28.6%和17.1%，下降到了2019年的5.5%和6.3%，說明這類圖形標(biāo)記在最新版教科書中，僅僅成為輔助手段。

此外，表征微觀動態(tài)特征的符號主要是箭頭、軌跡和陰影，如圖6中軌跡表示分子的運動。上述總頻數(shù)百分比分別為14.1%、5.3%和0.6%，顯示不同時期教科書中微觀可視化的刻畫，以靜態(tài)為主，動態(tài)較少，而微觀世界是運動和靜止的統(tǒng)一。教科書中何時、如何表征微觀事件的動態(tài)特征，是教科書編者需要探討的問題。

3.4 立體程度

表5中，4個不同時期教科書，其微觀的2-D頻數(shù)百分比從1991年的65.7%，下降到2019年的19.7%；相反，其微觀的3-D頻數(shù)百分比從1991年的31.4%上升到2019年的66.9%。三維立體微觀表征，有助于學(xué)生了解微粒之間相對位置、相互關(guān)系，為后續(xù)學(xué)習(xí)有機物立體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。研究也表明，許多學(xué)生的空間轉(zhuǎn)換能力存在困難，對于用二維平面表征微觀實體或事件缺乏空間想象能力［10］。因此，教科書中增加3-D表征頻數(shù)百分比，可以促進學(xué)習(xí)者理解微觀與宏觀的關(guān)系，更好地形成微觀解釋能力。

此外，呈現(xiàn)的準(zhǔn)3-D和混合體主要表現(xiàn)為較為復(fù)雜的微觀事件，如水合離子、配位化合物的形成，出現(xiàn)于2007、 2019版教科書中，且數(shù)量極少。

3.5 圖文結(jié)合

表6表明，圖文結(jié)合占比為85.6%，個別在圖片或正文中存在著細(xì)致闡述（總頻數(shù)百分比為12%）。圖題中的文字說明是圖文結(jié)合的最主要形式。圖7中，HCl和Cl2的共價鍵形成過程，存在著前后相續(xù)的說明（未成對電子的原子軌道相互靠攏，原子軌道相互重疊，形成的共價單鍵），屬于細(xì)致闡述。根據(jù)Nyachwaya和Gillaspie的研究，缺乏這種明確的圖題可能會導(dǎo)致額外的認(rèn)知負(fù)荷，當(dāng)通過視覺表征和語言方式提供信息時，認(rèn)知負(fù)荷會降低［11］。這就是Cook所報告的“雙模式效應(yīng)”［12］，根據(jù)該效應(yīng)，由于視覺和語言信息是通過具有自身能力的獨立渠道在學(xué)生的頭腦中闡述的，因此總負(fù)荷會分開，從而避免兩個渠道中的認(rèn)知超負(fù)荷。

3.6 表征水平

表7中，微觀水平占比為52.8%，為主要表征形式。2007和2019年版教科書比1991和2000年版微觀-符號頻數(shù)百分比有所增加。此外，微觀-宏觀總頻數(shù)百分比較低（7.9%），而同一版本教科書中微觀-符號-宏觀最多也只有4例，如圖8所示，氯化氫在水中電離微觀圖是由水合質(zhì)子、氯離子模型（微觀）及其化學(xué)式（符號）、鹽酸溶液（宏觀）組成。早在1991年，Johnstone就提出了宏觀、微觀和符號三重表征及其之間組合的概念［13］。有研究表明，多重表征并不都是對學(xué)生學(xué)習(xí)有益的，有可能使工作記憶超負(fù)荷，這取決于其呈現(xiàn)內(nèi)容和呈現(xiàn)方式。特別是，當(dāng)先前的知識有限時，學(xué)生不能同時與一個以上的表征進行組合，因為這樣的過程會增加認(rèn)知要求，甚至超過他們在工作記憶中的認(rèn)知能力［14］。教科書微觀可視化，究竟選擇哪些內(nèi)容，呈現(xiàn)宏觀-微觀-符號表征，應(yīng)該引起教師和教科書編者的思考。

4 結(jié)論與建議

從1991、 2000、 2007到2019年版高中化學(xué)教科書，微觀可視化表征頻數(shù)逐步增加。隨著研究和計算機制圖技術(shù)發(fā)展，教科書中微觀可視化主要特征趨向于半示意圖、微觀模型、球形和圓圈構(gòu)圖，其色彩從黑白，發(fā)展到多色彩的三維立體、圖文結(jié)合，凸顯微觀、微觀-符號表征。而微觀-宏觀、微觀-符號-宏觀表征整體較少。微觀靜態(tài)表征多，動態(tài)表征不足，這與教科書本身為靜態(tài)呈現(xiàn)有關(guān)?，F(xiàn)就高中化學(xué)教科書中微觀可視化特征的發(fā)展，提出當(dāng)前教科書使用的幾點建議：

（1） 利用微觀模型，實現(xiàn)微觀探析。教科書中大量的微觀模型，為發(fā)展“宏觀辨析與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了可能。教師可以利用量子化學(xué)計算軟件，如Gaussian、 Vasp、 Turbomole等，將化合物結(jié)構(gòu)可視化，將鍵長、鍵角等參數(shù)，多視角呈現(xiàn)化合物的微觀動態(tài)空間結(jié)構(gòu)，建構(gòu)新的理論模型，解釋和預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)。

（2） 采用化學(xué)三重表征，突破教學(xué)難點。盡管教科書中微觀-符號-宏觀化學(xué)三重表征較少，但是，對于諸如原電池原理、沉淀溶解平衡及轉(zhuǎn)化、配位鍵和雜化軌道等較為抽象的內(nèi)容，可從三重表征及其相互轉(zhuǎn)變視角，促進知識理解和建構(gòu)。

（3） 運用微觀可視化，促進審美化教學(xué)。目前教科書微觀可視化多色彩立體化特征，承載著顏色、對稱、奇異等美學(xué)要素，教師要善于發(fā)掘，讓學(xué)生感受和體驗審美的育人功能。

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