美国高中化学教材中“类比图像”的研究
摘要“类比图像”是为简化概念理解，将复杂科学概念类比为日常事物或生活情境的图像。美国化学教材中的类比图像设计很有特色，通过对其类比图像组成及特点的分析，为我国化学教材类比图像的设计及化学教育者的教学设计提供有益的启示。
关键词美国高中化学教材类比图像科学概念电子迁移反应速率
图像系统包括类比图像、模型图像、演示图像等。其中类比图像是以日常事物和生活情境(类比物)中学习者所熟悉的内容为依托来实现类比作用的图像，并且与被类比的概念(标准物)具有表面、结构或功能上的相似性。美国高中化学教材《Chemistry: Concepts and Applications》（《化学：概念与应用》）中的类比图像设计很有特色，对于我国化学教育者设计类比图像有一定的启示。
1 美国高中化学教材中类比图像的组成结构
通过对美国高中化学教材3册中图像的比较分析，除去章前图，3册中出现的类比图像共有11处，且是完全独立的。其中上册5处、中册4处、下册2处。各册类比图像的组成见表1。
表1 美国高中化学教材中出现的类比图像
书册章目图号图像内容表示内容
（类比物）联系内容标准物
上册
第2章
物质是由原子构成的
2.22爬梯子及电子迁移示意图梯子要一档一档爬且可爬上爬下电子在不同能级之间运动电子迁移
2.25几个大小不同的俄罗斯套娃套娃一层套一层，大的套小的能级是一层层的，最内层为原子核电子能级
第6章
化学反应与化学方程式
6.14上下地铁的乘客地铁站，乘客有上有下可逆反应向正反2个方向进行可逆反应
6.20水上乐园中游人在玩碰碰船碰碰船数量越多，碰撞的机会越大增多参与反应体系的粒子会增加粒子碰撞机会，从而增大反应速率浓度和反应速率
6.216个半块饼干、3块棉花糖、2块巧克力使用完全部巧克力制作夹心饼干，还有其他原材料剩余限量反应物消耗完后，剩余反应物无法形成所需产物限量反应物(limiting reactant)
中册
第9章化学键9.5相扑运动员和孩子进行拔河比赛相扑运动员将绳子拉向自己共用电子对偏向电负性大的一方共用电子对的偏移
第10章
物质的动力学理论10.5曲棍球和气体分子的运动模型曲棍球以直线形式运动，撞击挡板后以新的方向直线弹回气体分子在容器中以直线形式运动，撞击器壁后以新的方向直线弹回气体粒子的运动
第13章水和溶液13.3磁铁及水分子排列示意图磁铁的相反磁极相互吸引排成一列形成一定取向的水分子中极性相反的2个原子相互吸引吸引力与取向
第15章酸碱反应15.3人山人海的足球场坐在看台上的观众并没有参加比赛溶液中出现的离子没有全部参加反应旁观离子(spectator ion)
下册
第19章
生命化学19.5启动汽车，底物与酶的匹配示意图房间的钥匙无法启动汽车底物与酶的活性空间结构不匹配，无法进行催化反应酶的作用
第20章
化学反应与能量变化20.6汽车穿越隧道，催化剂对活化能影响示意图汽车穿越隧道比爬山容易得多化学反应在催化剂存在下更易发生催化剂的作用
2 美国高中化学教材中类比图像的特点
2.1 类比图像符合学习者认知规律
依据表1可以发现，类比图像的分布：上册5处、中册4处、下册2处，依次递减。Nakhleh、Gabel等学者在对学习者学习水平进行研究时发现尽管化学课程在一定程度上涉及到微观本质，但通过微观本质的学习不能使学生较好地理解
化学 [1] 。苏格兰学者Johnstone研究发现新手遇到涉及微观现象的新知识
时，一般只能想到相应的宏观景象，学生更愿意在宏观水平上学习化学。依据以上研究可以对类比图像递减现象作如下解释：教科书编写者考虑到学习者认知水平对理解化学知识的影响，在高中入门阶段教材中设计了较多的类比图像，以便帮助学习者更好地理解化学知识；在上册和中册中涉及到的学科知识过于抽象和较难理解，易使学生产生概念混乱感，类比图像有助于学生理解复杂的化学概念及原理；高年级的学习者在一定程度上具备了从微观层面去理解化学知识的能力。
另外，相对于美国高中化学教材附有的大量图像（基本每页每个知识点附有1～2幅），11处类比图像虽然偏少，但涉及到了全册书中较难理解的核心概念及原理，没有过度的应用类比图像。教科书编写者可能考虑到如果过多地使用类比图像，会使学习者缺乏与真实概念的接触，从而影响其对科学概念的正确认识。
合理地选择和运用类比图像能在帮助学生有效理解概念的同时，不影响其正确思维方式的形成与潜能的开发。
2.2 类比图像有效降低认知难度
类比图像本身的有效性可有效降低学习者对科学概念的认知难度。判断类比图像是否有效主要从3个方面进行考虑：类比物与标准物间相似特征的数目；类
比物与标准物间的相似程度；类比物中概念的显著性 [2] 。Gentner提出结构映射理论，明确类比的映射是依据结构上的关系而非属性来确定的，并从属性和关系2个维度分析类比图像的结构 [3] ，可供化学教育者更直观地研究类比图像的有效性。
现以美国高中化学教材《化学：概念与应用》上册中的“爬梯子”类比图像（图1）为例，其通过爬梯子（作为类比物）与电子的迁移（作为标准物）进行类比，两者的各种比较见表2。
从表2可以看出，这是用学习者日常所熟悉的事物和生活情境作为类比物，形象地展示了电子的能级及其迁移，使教师通过简单的方式帮助学习者理解抽象概念，并加深学习者对此知识的记忆。
图1 电子迁移就像爬梯子
但是，类比物不是标准物本身，如果把类比物完全当作标准物，学习者容易迁移类比物的其他特征而对标准物产生个体性的迷思概念 [4] 。每个类比
都会有一定的使类比失效的设计缺陷。对于类比实效处，教师在教学设计中一定要给予充分的说明。
2.3 类比图像具有解释性功能
美国化学教材中类比图像的编排方式与一般图像类似，但是比一般图像更加详细，主要表现在：类比图像都有图题；类比图像附有解释性语句，即形成“文字—图像类比”。以下主要针对教材中出现的11处类比图像的解释性语句进行定性评价，结果见表3。
