国内主流物理化学教材中视觉...主编《物理化学》第六版为例_肖炳耀.pdf

Univ.Chem.2023,38(6),171181 171 收稿：2022-08-26；录用：2022-11-26；网络发表：2022-12-05*通讯作者，Emails:(杨源)；(杨季冬)基金资助：湖南省普通高等学校教学改革研究项目(HNJG-2021-0398)；湖南省教育科学规划省级青年资助课题(XJK22QJC002)专题 doi:10.3866/PKU.DXHX202208123 国内主流物理化学教材中视觉表征的评价研究国内主流物理化学教材中视觉表征的评价研究 以南京大学主编物理化学第六版为例 肖炳耀，杨源*，杨季冬*湖南师范大学化学化工学院，长沙 410081 摘要摘要：以高等教育出版社2022年出版的南京大学第六版 物理化学 为研究对象，借鉴Gkitzia等人开发的分析框架，运用内容分析法对教材中的视觉表征进行分析。从表征的类型、表征与文本的关联情况、合适的标题和表面特征注释四个维度对教材进行编码分析评价。研究发现：(1)在表征类型方面，存在符号、宏观、微观、多种表征四种形式，但是没有出现多重、多类表征。其中符号表征(72.85%)比例较大，且超过其他几种表征类型的总和，而宏观表征(3.31%)、微观表征(5.63%)明显较少，其中多种表征(18.21%)主要是“宏观-符号”和“微观-符号”的组合。(2)在表征呈现方面，总体质量较高。具体表现为98.34%的视觉表征和文本完全相关并有连接，98.34%的视觉表征有合适的标题，97.68%的视觉表征有清晰的表征注释。最后讨论了研究结果对于物理化学教学的启示。关键词关键词：物理化学教材；视觉表征；三重表征；内容分析法 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Evaluation and Research on Visual Representation of Domestic Mainstream Physical Chemistry Textbooks:Taking the Sixth Edition of Physical Chemistry by Nanjing University as an Example Bingyao Xiao,Yuan Yang*,Jidong Yang*College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Normal University,Changsha 410081,China.Abstract:Taking the sixth edition of Physical Chemistry of Nanjing University published by Higher Education Press in 2022 as the research object,and drawing on the analytical framework developed by Gkitzia et al.,the content analysis method was used to analyze the visual representations in the textbook.Coding statistics and analysis of textbooks are carried out from four dimensions:type of representation,relationship between representation and text,appropriate title and surface feature annotation.The research found that:(1)In terms of representation types,there are symbols,macroscopic,microscopic,and various representations,but there are no multiple or multi-type representations,and the quantity is extremely unbalanced.Amongst,the proportion of symbolic representation(72.85%)is large and exceeds the sum of several other representation forms,while the macro representation(3.31%)and micro representation(5.63%)are significantly less,of which various representations(18.21%)are mainly a combination of“macro-symbol”and“micro-symbol”.(2)In terms of representation presentation,the over-all quality is relatively high,specifically,98.34%of visual representations are completely related and connected to text,98.34%of visual representations have appropriate titles,and 97.68%of visual representations have clear representation annotations.Based on the research results,possible directions for visual representation improvement in physical chemistry textbooks are explored.172 大 学 化 学 Vol.38 Key Words:Physical chemistry textbook;Visual representation;Triple representation;Content analysis 1 问题的提出问题的提出“宏观-微观-符号”三重表征最早由Johnstone提出1，并且成为了化学教育领域最有影响力的理论之一。由于化学学科特点，学生需要从宏观、微观和符号三个层面上去理解化学知识、建构化学知识2。为了帮助学生克服化学学习的困难，许多研究者倡导对教材中的内容组织以三重表征的方式进行系统组织，通过设计将化学知识的宏观、微观和符号表征联系起来3。教材要实现三重表征的关联，不可能仅依靠文本，而需要合理的视觉表征，并且视觉表征的呈现方式、呈现质量等也会影响学生的理解。正因如此，化学教材中视觉表征的问题受到化学教育界的广泛关注。物理化学是化学等相关专业的必修课程。许多学生有一种直观体验，认为物理化学学习难度极大，甚至调侃其为“天书”。国内对于物理化学教学的研究主要是尝试把思政元素、哲学思想或者一些技术手段等用于课堂47，这对于发挥物理化学的育人功能、提升学生积极性等大有裨益。但在知识讲解时，物理化学教学则又回归传统，即集中在符号表征(图象分析、数学推导等)。过于依赖单一表征会导致学生不能联系其他层面的现象，从而不利于学生三重表征之间的转化。学生还可能会记忆一些公式，甚至能通过计算正确解题，但对于一些潜在的化学概念的理解并不充分。这种情况的出现，与教材的表征形式以及基于教材表征形式而产生的教学方式有关。基于上述认识，有必要对物理化学教材中视觉表征进行全面而系统的分析。当前物理化学教材研究主要是较为宏观的关于教材建设的观点表达8,9，而基于教育学立场的大学化学教材研究并不多见。目前国内以量化的方式研究物理化学教材中的视觉表征未见报道。为了弥合差距，研究试图回答我国主流物理化学教材中视觉表征有哪些类型，其特点如何？研究意义在于：第一，视觉表征有助于学生对化学的理解，而物理化学作为化学的一个重要分支，因此需要理解物理化学教材是怎样进行视觉表征的；第二，通过探究物理化学教材中视觉表征设计的特点，可以为我国大学物理化学教材编写提供参考依据。2 研究设计研究设计 2.1 研究对象和方法研究对象和方法 本研究所使用的教材为南京大学傅献彩等主编的物理化学第六版10，高等教育出版社出版。该教材被全国多所高校的化学、化工专业广泛使用，有文章指出“当今97%报考化学专业研究生者均以此书为参考”11。因此，具有典型性与代表性。本研究采用内容分析法，根据已有的理论框架对教材相关内容进行分析。所以，关键在于将这套待分析教材的文本按照一定的类属进行编码并统计，通过具体的数据来表现该教材的视觉表征特点。研究中首先界定研究对象，从而确定哪些视觉表征会被本研究编码统计12。本研究主要是考察正文部分视觉表征，因此未对例题、总结和练习等部分的视觉表征分析。最终选择了302个视觉表征分析单元。2.2 研究过程研究过程 本研究主要采用了Gkitzia等人提出的分析框架13，根据本研究的实际情况，制定了物理化学教材的视觉表征分析框架(见表1)，利用该框架进行内容分析。分析过程中，由两位研究者对302个视觉表征样本进行独立编码，通过一致性检验，C1C4这4个维度的kappa系数分别为0.94，0.87，0.85，0.82均在0.8以上，说明编码的一致性较高。最后对出现编码差异之处进行讨论后达成共识。2.3 视觉表征分析框架标准界定视觉表征分析框架标准界定(1)表征的类型(C1)。表征类型的各个维度具体内容如表2所示。No.6 doi:10.3866/PKU.DXHX202208123 173 表表1 物理化学教材中视觉表征分析框架物理化学教材中视觉表征分析框架 标准 C1表征的类型 C2表征与文本的相关 C3标题的存在与性质 C4表面特征注释 维度 宏观表征 微观表征 符号表征 多重表征 多种表征 多类表征 完全相关并有连接 完全相关没有连接 部分相关并有连接 部分相关没有连接 不相关且没有连接 存在合适的标题 存在有问题的标题 无标题 清晰 隐含 模糊 表表2 表征类型的各个维度具体内容表征类型的各个维度具体内容13 维度 具体内容 宏观表征 宏观信息在头脑中表现和记录的方式，其主要是指在学习者头脑中反映物质所表现的可观察的外在现象 微观表征 微观信息在头脑中表现和记录的方式，其主要是指用肉眼不能观察到的微粒(如原子、分子、和质子等)的不断运动及作用和微观结构及组成等微观领域的属性在学习者大脑中的表现 符号表征 符号信息在头脑中表现和记录的方式，化学符号表征主要是指由英文字母、数字、曲线和特殊符号组成的图形符号在学习者大脑中的表现 多重表征 将宏观表征、符号表征和微观表征中的两种或者三种进行了融合。同时融合的两种或者三种表征从不同角度描述同一种化学现象 多种表征 将宏观表征、符号表征和微观表征中的两种或者三种进行了融合。同时融合的两种或者三种表征分别描述同一个化学现象中的一部分 多类表征 一个层次的表征和另一种方法的表征(如类比)共存 通过对教材中的视觉表征进行分类(本文中图112均选自傅献彩编写 物理化学 教材第六版10)，发现仅存在宏观表征、微观表征、符号表征和多种表征。下面举例说明情况，如图1中的视觉表征想呈现界面移动电泳的最简装置；在宏观层面显示了界面移动电泳装置的刻度U型管、活塞、玻管和漏斗，可以看出这是典型的宏观表征。如图2中的视觉表征想呈现细胞膜的结构；在微观层面显示了细胞膜由卵磷脂分子与蛋白质分子镶嵌而成，可以看出这是典型的微观表征。如图3中的视觉表征想呈现由不同的可逆过程计算熵；在符号层面显示了从A到B两种不同的变化途径，可以看出这是典型的符号表征。如图4中的视觉表征想呈现甘汞电极的构造；在宏观层面显示了甘汞电极的物理结构；在符号层面，用化学符号表示了甘汞电极中的填充物质