化学教材图表认知难度分析量表的设计及应用

占小红+周少江

摘要：图表是化学教材的重要组成部分，属于非连续性文本范畴。化学教材中包含函数关系、数据等表征信息的非连续性文本型图表（数据表格和坐标图）占有较大比例，并存在较大的认知难度。本研究通过理论分析建立化学教材中非连续性文本型图表的认知难度分析量表，并尝试进行教材图表认知难度分析实践，为教材图表优化提供参考。

关键词：非连续性文本型图表；认知难度；化学教材

文章编号：1005–6629（2015）4–0010–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

文本是知识传递的重要载体，根据国际性学生评价项目PISA（Programme for International Students Assessment）的理论观点，文本可以被区分为连续性文本和非连续性文本[1]。非连续性文本是有组织的矩阵格式、基于组合的列表，表现为单一或系列的表格、图形、目录、索引等形式。化学教材中包含了大量的图表内容，而从非连续性文本的定义出发，化学教材中的表格或图形等属于非连续性文本范畴，在教材中占有着相当比例并发挥着重要的作用。《上海市中学化学课程标准》强调培养学生在化学学习中通过对实物、模型、图形、图表的观察，获取一定的感性认知，并进一步整理和加工，有序存储，在分析和解决问题时能对实物、模型、图形、图表等表达作出解释的能力[2]。而实际教学中，我们发现学生普遍表现出对非连续性文本型图表认知的困难，特别是在阅读和应用教材图表时存在明显的问题。为此，本文着眼于探讨影响非连续性文本型图表认知的因素，设计针对教材中非连续性文本型图表认知难度的分析量表，为化学教材图表认知难度的分析和把握提供依据。

1 非连续性文本型图表及其特征

“非连续性文本”又称“间断性文本”，是相对于以句子和段落所组成的“连续文本”而言的阅读材料，是基本由单一或系列数据表格、曲线图、图解文字组成的文本[3]。化学图表通常是用来描述函数关系、呈现科学研究中的数据以及具体说明科学理论的表征信息的视觉图像形式[4]，属于非连续性文本的范畴，在此统称为非连续性文本型图表。本研究主要关注化学教材中包含函数关系、数据等表征信息的非连续性文本型图表，主要涉及数据表格和坐标图。此类图表利用最简单和直接的形式（点、线、数据等视觉图像形式）表征事物错综复杂的关系，揭示事物或过程的本质或特征，具有直观性、简洁性和信息丰富性的特征。

2 非连续性文本型图表认知难度分析工具设计

本研究以非连续性文本型图表的认知过程为基础，针对图表认知的若干阶段，探讨此类图表认知的影响因素，据此构建适用于教材中非连续性文本型图表认知难度的分析量表。

2.1 非连续性型图表认知过程分析

奈瑟尔认为，“认知就是通过对感觉输入进行简化、转换、加工、存储和提取的全部过程”[5]。图表的认知能力是人类智能的组成部分之一。结合一般的认知过程，可以将图表认知看作由如下若干阶段构成：（1）对于图表中的视觉图像形式进行编码，将重要的视觉信息编码、识别。（2）将已经编码的视觉特征与其表达的概念联系起来，即一般认知过程的加工阶段。（3）确定视觉对象之间的关系（函数关系），是加工与运用阶段[6]。概括而言，图表的认知过程主要包括编码（识别）、加工、储存、运用。非连续性文本型图表的认知过程遵循图表认知理论，主要包括对非连续性文本型图表视觉特征信息进行提取、识别、加工、储存和运用。根据非连续性文本型图表的特征，信息的提取和加工为认知过程的最核心阶段，其中信息的获取是指对图表中的视觉图像形式进行编码并识别出重要信息，信息的加工是指学生对已编码的信息进行抽象、联系、比较和概括，准确全面获取图表的概括性或结论性的信息。

2.2 非连续性文本型图表认知难度构成及因素分析

结合文献分析[7～9]，影响化学图表认知能力的因素有很多，有化学图表自身条件所产生的影响，也涉及学生已有化学知识水平、心理因素等。本研究主要关注非连续性文本型图表设计本身对学生认知产生的影响。鉴于信息的提取和加工是非连续性文本型图表认知的核心环节，学生在观察图表、识别表征信息以及作出概括性或结论性判断的过程中，非连续性文本型图表自身质量和内容信息表征的效果成为影响图表认知的关键。据此，我们初步提出了非连续性文本型图表认知难度的两个基本维度，即质量难度与内容难度。质量难度是由图表设计发行环节所决定的，包括图表的清晰度、形式和色彩等因素所引起的认知难度；内容难度包括关联要素、关联类型、关联的呈现方式和无关要素等方面产生的认知难度。具体如表1所示。

2.2.1 质量难度

图表质量是指图表设计的优劣程度，通常考虑图表是否规范、清晰、美观等方面，这些直接影响到学生对图表信息的识别和编码。鉴于化学非连续性文本型图表中涉及点、线、数据等信息，图表的清晰度、形式和色彩三个因素会对学生图表认知产生关键作用。

（1）清晰度。图表清晰度是指图表上各细部影纹及其边界的清晰程度。非连续性文本型图表中的物理量、数据、图线、细部影纹及其边界分明，表明清晰度高，清晰度高的图表有利于学生对图表信息进行识别和编码。我们将图表清晰度区分为三水平，相应的表现性标准见表2相关内容。

（2）形式。图表形式是指图表的外形，包括表格、折线图、条形图、柱状图、饼图、框图、数轴图等。不同的教学材料适用不同的图表形式表达。1989年，英国的教育科学测验部对多种图表进行比较，得出其各有特色。比如，框图与坐标图相比：框图易于提取主要信息，但不突出被描述对象间的关系；数轴图易于比较横纵坐标间的关系；饼图易于展示各对象的比例关系。所以，要根据具体的教学信息选择最合适的图表形式，以降低认知难度。图表形式因素的三水平表现性标准见表2相关内容。

（3）色彩。图表的色彩是指使人们得以区分在形状、大小或结构等方面皆完全相同的物体的视觉或知觉现象。图表要激发读者学习的欲望，必须要满足读者的视觉心理，即要使人能感觉出色彩的差异（即图片的层次感）。当色彩差异越丰富，越适应人的辨析能力；颜色的选择越能增强版面美观，越符合读者的认知习惯，认知难度越低。图表色彩因素的三水平表现性标准见表2相关内容。

2.2.2 内容难度

非连续性文本型图表内容是指图表中的物理量或变量、点、线、数据、文字等。物理量或变量（又称要素）是非连续性文本型图表的核心部分，图表通常侧重于表达多个要素及其关系的信息，而要素的多少、要素间关联的复杂程度和提示强弱等会直接影响学生对图表信息的识别和编码以及对信息的加工。

（1）关联要素。通常情况下，非连续性文本型图表中关联要素越多，图表反映信息的复杂程度越高，认知难度越大。关联要素的三水平表现性标准如表2相关内容所示。

（2）关联类型。包含关联要素的图表中，要素关联可以区分为逻辑关联和非逻辑关联两种。逻辑关联是指各对象间存在顺序或属性关系，可进一步区分为简单逻辑关联和复杂逻辑关联。简单逻辑关联是指只存在简单的因果、从属、对比等关联，通常可以直观地看出描述对象间的关系。复杂逻辑关联则是指要素之间的关联建立在数学计算之上。可以认为，图表要素存在逻辑关联较之非逻辑关联的认知难度要低，存在逻辑关联的图表中，涉及简单逻辑关联的图表较之复杂逻辑关联的图表认知难度要低。关联类型的三水平表现性标准如表2相关内容所示。

（3）关联的呈现方式。关联的呈现方式是指图表中关联要素之间的排列方式、要素关系的说明或提示等。根据要素关系提示的强弱可将关联的呈现方式分为直接呈现、隐性提示和不提示。直接呈现是指通过要素排列、文字说明等方式直观表现要素之间的关联。隐性提示是指观察图表内容无法直接获取要素的关联信息，但图表中借助提示性的语言或强调方式，引起读者注意进而分析判断要素的关联。不提示即代表图表中无任何针对要素关联的提示性信息，需要读者自主分析判断。通常情况下，提示越少，越不明显，认知难度越大。关联的呈现方式的三水平表现性标准如表2相关内容所示。

（4）无关要素。无关要素是指在图表中包含干扰要素，需要经过分析排除干扰因素的影响才能建立正确的图表要素关联。可见图表中无关要素越少，认知难度越低。无关要素的三水平表现性标准如表2相关内容所示。

2.3 非连续性文本型图表认知难度分析量表的生成

根据以上对非连续性文本型图表认知难度构成及因素分析，以及各因素三水平表现性标准的确立，形成了如表2的非连续性文本型图表认知难度分析量表。其中各因素的赋值方式为：达到水平3赋值为“3”，水平2赋值为“2”，水平1赋值为“1”，每张图表认知难度最低分值为7分，最高可达21分。评价者根据各因素三水平表现性标准对图表认知难度水平进行分析判断，并进行相应评分。

3 高中化学教材中非连续性文本型图表认知难度分析

本研究选取国内某版高中化学选修3《物质结构与性质》教材为研究对象，采用上述量表对该教材中的非连续性文本型图表认知难度进行尝试性分析。根据化学非连续性文本型图表的界定，对教材图片进行识别和编码，确定教材中22个图表为分析对象，并按照认知难度因素对各图表进行逐一分析和判断，其结果见表3。

由表3可知，22个非连续性文本型图表认知难度平均分值为10.7，整体认知难度不高。在两个认知难度维度中，内容难度大于质量难度。在质量难度维度中，清晰度对认知难度的影响最小，色彩产生的认知难度最大。而在内容难度维度中，关联要素的影响最为突出，它也是在所有因素中影响最大的。各因素的结果分析具体如下：

3.1 质量难度

根据表3的统计结果，质量难度各因素的平均分值达到31.3，其中色彩因素产生的认知难度影响最大。

（1）清晰度。由22张图表的分析结果可知，所有图表的清晰度都达到水平1，清晰度上得到了保障。

（2）形式。从分析结果可以看出，大部分图表的形式与表达主旨相匹配，但有少数图表形式不能突显其主旨，造成了认知困难。如教材第21页图1-26，采用条形图表现第三周期各元素电负性变化的效果不如曲线图更为切合。

（3）色彩。从分析结果不难发现，教材中色彩丰富、能引起读者兴趣的非连续性文本型图表并不多，大多数图表色彩单一，对于各要素的区分较难。如教材第6页表1-1包含大量元素基态原子的电子排布信息，却使用单一色调，造成了辨识困难，也易引起阅读疲劳。

3.2 内容难度

内容难度各因素的平均分值为35.5，高于质量难度，其中关联要素的影响较为明显。

（1）关联要素。由分析结果可知，反映三个及以上要素关联的图片比例达到了60%，造成了一定的认知困难。如教材第6页表1-1，涉及原子序数、元素名称、元素符号以及电子分层排布等要素，信息量大且复杂，加重了学生的认知负荷。

（2）关联类型。分析结果显示，多数图表以简单逻辑为主。如教材第19页图1-21通过折线描绘了元素第一电离能的周期性，只需经过简单对比分析即可发现和概括图表信息的意义。

（3）关联的呈现方式。统计结果表明，50%的图表采用在图表前后位置给予文字说明的直接呈现方式，降低了认知难度。

（4）无关要素。教材在设置图表要素时几乎未涉及干扰要素，不包含无关要素的图表比例达到了100.0%。

4 结论及启示

4.1 研究结论

本研究在界定化学教材非连续性文本型图表和进行特征分析的基础上，探讨了该类图表认知的过程，并结合文献分析提炼了非连续性文本型图表认知难度的构成因素和三水平表现性标准体系，据此形成了适用于分析化学教材非连续性文本型图表认知难度的分析量表。在对某版本高中化学选修3教材非连续性文本型图表认知难度的进行尝试性分析的同时，不仅检验了该分析量表的适用性，也发现了一些需要进一步完善的问题。主要包括是否只需考察内容难度维度，因为质量难度维度所涉及的因素均依据一定的出版发行要求，有相应的规范制约，整体而言教材图表设计在这方面表现较好，尤其是清晰度因素；在内容难度维度中，由于教材图表设计几乎很少涉及无关要素，从指标设置的现实意义出发，无关要素因素也可以考虑去除。此外，对于一些因素表现性标准的描述需要进一步清晰化以增强判断的准确性，如图表形式与表达主旨的一般对应关系是什么、隐性提示的表现包含哪些方面，等等。

4.2 研究启示

通过对某版本高中化学选修3教材非连续性文本型图表认知难度的尝试性分析发现，化学教材非连续性文本型图表中色彩、关联要素、关联类型、关联的呈现方式等因素引起的图表认知难度较为突出，这为教材图表设计的优化提供了有益的参考。化学教材非连续性文本型图表设计需要切实关注使用恰当的色彩、形式表征信息，以增强图表信息的辨识效果、契合不同的表达主旨；教材图表旨在为学生提供科学研究获得的数据或结果，因此不需要设置过多的认知障碍，可考虑尽量避免涉及复杂逻辑推理的思维操作，并尽可能直接呈现或提示要素的关联，以便学生准确有效地获取图表信息，形成良好的图表阅读习惯。

参考文献：

[1] OECD. PISA 2009 Assessment Framework： Key competencies in reading [M]. Paris： mathematics and science. 2009：23～70.

[2]上海市教育委员会.上海市中学化学课程标准（试行）[S].上海：上海教育出版社，2004.

[3]张卫其.非连续性文本的教学策略[J].教学月刊，2012，（7～8）：17～20.

[4]彭聃龄，张必隐著.认知心理学[M].杭州：浙江教育出版社，2004：3～8.

[5][6]王晓平等.图表理解的认知机制及其教学策略[J].江西教育科研，2007，（8）：103～105.

[7]陈本松.从认知心理学的角度看图表在教科书中的应用[J].中国科技信息，2009，（10）：230～240.

[8]廖辉.教科书图表设计的若干问题探讨[J].乐山师范学院学报.2005，（4）：130～133.

[9]孙文英.数学非连续性文本阅读心理过程初探[J].林区教学，2012，（4）：92～93.