“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^[4–7]，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。

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。

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，C1–C4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。

(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。

通过对教材中的视觉表征进行分类(本文中图 1–12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。运用宏观表征和符号表征共同描述同一个化学现象，可以看出这是典型的多种表征。

(2) 表征与文本的相关(C2)。

C2标准衡量的是文本与视觉表征的连接程度，同时也能反映文本与表征两者之间是否有直接的连接。直接的连接是指学习者能够在文本中看到引用的话句，如“见图”或者“如图所示”等语句。此标准有5种情况：完全相关并有连接、完全相关没有连接、部分相关并有连接、部分相关没有连接和不相关且没有连接。下面举例说明情况，图 5中的视觉表征是描述绝热可逆过程所做的功(AC)与等温可逆过程所做的功(AB)，与文本完全相关，同时教材中也有“如图 2.6所示”的语句，说明文本内容与视觉表征之间有连接，所以该视觉表征与文本为完全相关并有连接。图 6中的视觉表征是描述平衡态与线性区熵的变化情况，文本中对线性区熵产生率随时间的变化详细进行了描述，而对平衡态熵随时间的变化基本没有描述。同时教材中也有“如图 3.15所示”的语句，所以该视觉表征与文本为部分相关并有连接。图 7中的视觉表征是描述相变过程中化学势及其二级偏微分的变化，与文本内容完全相关，但教材中没有“如图 6.57 (b)所示”的语句。所以该视觉表征与文本为完全相关没有连接。

(3) 标题的存在与性质(C3)。

C3标准是对视觉表征有没有存在标题和该标题的适合程度进行考察。简洁明了是适合标题的特点之一，能使学生不通过文本阅读也可以基本理解该视觉表征的意义。此标准被分为存在合适标题、存在有问题标题和无标题3类。对教材中的视觉表征的标题进行分析，发现只存在合适标题和有问题标题，无标题的情况没有出现。下面举例说明情况，图 8中的视觉表征的标题是“图 11.1反应物和产物的浓度随时间的变化”。文本介绍了反应开始后，反应物的浓度不断降低，生成物的浓度不断增加。同时，反应物和产物的浓度随时间的变化没有呈现线性关系，刚开始时反应物的浓度较大，反应速率较快，单位时间内得到的产物也较多。标题很好地概括了文本和视觉表征中的内容，因此该标题是一个合适的标题。图 9中的视觉表征的标题是“图 13.5弯曲表面上的附加压力”，文本中对图a、b、c进行了描述，文本内容贴合图片描述。但图a为水平表面，明显与视觉表征的标题不一致，应该独立出来，因此认为该标题存在问题。

(4) 表面特征注释(C4)。

C4标准是对视觉表征的表面特征是否有清晰的意义进行考察，我们将其划分为清晰、隐含和模糊。表面特征的解释不局限于视觉表征中，还可以在标题或者文本中。如果表面特征的含义能在视觉表征内部被清楚地标记或者在文本中清楚地描述，则归为清晰。如图 10所示，该视觉表征呈现的是水的相图，视觉表征上的内部注释详细标注了水的相图，同时在文本中对水的相图含义进行了详细的描述，所以认为该表面特征的注释是清晰的。如果只有部分表面特征被清楚地标注或提到时，则归为隐含。如图 11所示，该视觉表征呈现的是分子间相互碰撞与自由程，虽然文本中对自由程的概念进行了阐述。但表面特征中没有标注自由程的位置，学生可能会产生迷惑，所以认为该视觉表征的表面特征是隐含的。如果基本没有迹象表明表面特征的含义时，则归为模糊。如图 12所示，该视觉表征呈现的是几种常见的电导池，但在视觉表征上和文本中，都没有清楚地表明电导池的各个模块是什么，学生不易理解该视觉表征的含义，所以认为该视觉表征的表面特征是模糊的。

南大版《物理化学》涉及到了宏观表征、微观表征、符号表征和多种表征四种类型。其统计结果如图 13所示，其中符号表征占比为72.85%，宏观表征占比为3.31%，微观表征占比为5.63%，多种表征占比为18.21%，由此可见，符号表征为主要表征类型。教材共14章，各章所使用的视觉表征类型和数量如表 3所示。从表 3中可以看出并不是每一章都涉及到四种表征类型，有三章内容只涉及符号表征，有的章节涉及2–3种，这与各章的内容特点有一定的关联。例如第十四章胶体分散系统和大分子溶液主要介绍了胶体的特性、溶胶的性质和制备等内容，四种视觉表征都有涉及到，宏观表征和多种表征主要描述了溶胶的制备仪器和溶胶的性质检验，让学生更加直观地看到制备和性质检验的过程，微观表征主要从溶胶的分子层面进行描述，让学生从微观本质出发，理解溶胶的性质，符号表征主要用化学符号和曲线描述了溶胶相关性质的变化趋势。因为物理化学内容的特点，虽然教材有十四章内容，但有些章节是同一主题的内容，同一主题中的视觉表征类型分布具有相同的特点，按主题统计的视觉表征类型和数量，如表 4所示。同时绘制了相应的堆叠图，如图 14所示，从图中可以清晰地看到各个主题视觉表征类型的占比。

教材中宏观表征呈现方式主要是写实图，即用可视化模型表征实验装置、实验仪器和实验现象。不过整本书中单独的宏观表征比较少，同时有一部分宏观表征融合在多种表征中。宏观表征能让物质所呈现的外在可观察的现象在学习者头脑中有直观反映，让教材内容更加具有直观性和通俗性。微观表征则主要是一些可视化模型小球和微观模型图片。这些微观表征主要用来描述某种现象的微观本质。在本教材中，与符号表征和多种表征这2类表征数目相比，微观表征的使用率较低。但微观表征具有独特功能，其揭示了现象的内在联系和本质属性，对于研究物质及其变化规律本质具有十分的意义。符号表征主要是一些公式、方程和曲线等，这些符号表征主要用来描述一些变化过程和化学物质。在本教材中，符号表征使用频率最高，一方面说明物理化学知识相对抽象，而符号表征有利于对知识的描述，另一方面则反映出为何学生感觉物理化学学习难度较大。对多种表征进行分析时，发现教材中的多种表征主要以“宏观-符号”和“微观-符号”为主。多种表征的融合，能有助于对表征内容的全面描述与概括，因为有时一种表征无法完全描述一个事实，这时就需要选择另外的表征共同来描述。

从图 15可以看出，有297个视觉表征都是与文本相关且有连接，占总数的98.34%。与文本完全相关无连接的视觉表征有1个，与文本部分相关有连接的视觉表征有4个，与文本部分相关无连接的视觉表征没有出现，与文本不相关且无连接的视觉表征也没有出现，可以看出该教材中大部分视觉表征的含义都贴合文本内容，这对于学生理解和掌握文本内容起到了很大的作用。

对文本进行分析，发现视觉表征与文本连接的形式是在文本中出现了(如图xx所示或图xx)，同时大部分视觉表征与文本在同一页。当视觉表征与文本有连接且距离近时，学生就能将两者快速定位，不仅节约了时间，还提高了学生的学习效率。精练并准确的文字可以实现对化学概念、化学公式、化学结构和化学反应过程的科学描述，而视觉表征则可以将文字以更加形象和便于学生理解的方式进行呈现。因此，视觉表征和文本相结合成为物理化学教材中承载信息的重要载体，能培养学生的图文转换能力。

由统计数据可以得到，合适标题的视觉表征占比为98.34%，问题标题的视觉表征占比为1.66%，没有出现无标题的视觉表征，统计结果如图 15所示。标题是视觉表征内容的精确表述，一旦标题存在问题，就会让学习者有所误解。合适的标题必须具有语言简单直白和内容具体的特征，充分概括视觉表征的含义，从文本的分析和统计的数据可知，该物理化学教材中的视觉表征标题就符合这个特点。

视觉表征的标题有问题可以概括为两点：其一，虽然标题也能概括视觉表征所表达的意思，但该标题范围过于笼统，没有精确概括。教材中有问题标题的视觉表征大部分是这种现象。如上册P31的“图 1.8”，书中的标题为分子速率分布曲线与温度及分子质量的关系，但在视觉表征中明确了是N₂与H₂的分布曲线。而书中的标题却没有添加N₂与H₂，显得过于笼统。其二，标题无法完全概括视觉表征所表达的内容，标题范围过小，不能完整概括视觉表征的内容。如下册P341的“图 13.5”，书中的标题为“弯曲表面上的附加压力”，但视觉表征中还有一个水平面，与标题不契合，可能会造成读者产生误解。

从图 15的数据结果可知，清晰的表征注释占97.68%，隐含的占1.65%，模糊的占0.67%。教材中清晰的表征注释主要体现在文本或者视觉表征内部对视觉表征进行了清晰的注释。清晰的表征注释能对学习者理解视觉表征的含义更有帮助，并且每一幅图片都配上相应的文字说明有助于理解能力薄弱的学生降低阅读、学习的难度。教材中隐含的表征注释主要表现为注释不全面，让读者不能直接获取全部的含义，需要读者进行部分的分析与推断。教材中模糊的表征注释体现为“基本没有注释”，这会让读者难以迅速、准确理解视觉表征的含义。

经过量化分析南大版《物理化学》教材中的视觉表征发现：

(1) 在表征类型方面，整本教材存在符号、宏观、微观、多种表征四种类型，没有出现多重、多类表征，并且数量上极不平衡。其中符号表征(72.85%)占据绝对优势，且超过其他几种表征形式的总和，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。不同章节数据有所不同，少数章节只存在一种表征形式，但也大体符合上述定性结论。

(2) 在表征呈现方面，总体呈现质量较高，但仍有上升空间。第一，98.34%的视觉表征大部分都和文本完全相关并有连接，但有1.66%的视觉表征与文本部分相关或无连接，还有少数视觉表征与文本不在同一页。第二，98.34%的视觉表征都有合适的标题，且大部分标题的字数控制在15个字以内，能有效表达视觉表征的含义，但有1.66%的视觉表征的标题与内容没有完全相关。第三，97.68%的视觉表征有清晰的注释，但有些清晰的视觉表征注释仅仅存在于文本中，而视觉表征的内部注释缺失。另外，约有2.32%的视觉表征注释比较隐含或模糊，有改进空间。

这项研究基于数据分析，其结果与许多教师经验存在一致性，但更加直观地反映了我国主流物理化学教材中视觉表征的情况，给予了更加精确的量化认识。

研究结果说明物理化学作为化学的分支，它偏向于符号表征，教材充分体现了物理化学学科本身的特点。不过从教学、学习的角度来看，除了要考虑学科知识本身特点，还要考虑学生的认知规律以及身心发展规律。理想中的化学教材不仅存在单一的表征形式(如宏观表征、微观表征、符号表征)，而且还应该存在整合性的表征形式^[14] (如多种表征、多重表征、多类表征)，其优点在于可以使学生能够接收多层次的现象(如符号和微观层面的相同现象)，这有利于学生在不同表征之间转化。相反，如果单一的表征形式太多，甚至集中在某种表征，那么学生最终可能获得的是“散点式”知识^[15]，不能让“宏-微-符”三重表征之间相互关联。有研究表明，侧重于符号表征的教学，会导致信息超载，降低学生学习兴趣，最终导致学生成绩下降^[15]。还有研究表明，专注于符号表征的教学(特别是方程和公式)，会导致学生去刻意记忆，也许他们能够使用公式解决一些问题，但并不意味着他们理解了根本性的概念^[16]。所以研究结果从“三重表征”的角度为物理化学学习困难提供了解释，对此应当引起足够重视。

鉴于物理化学学习中教材的重要性，建议适当增加其他表征形式。在符合物理化学学科特征的基础上，是否以及如何能搭配其他表征是一个值得思考的问题。学生单一地去处理符号表征相对困难^[17]，而物理化学课程涉及的学生较多，因此引入其他的表征形式可以兼顾一些基础较弱的学生。解决该问题，也可以从教师教学角度入手。通过教学过程中呈现不同的表征形式，来帮助学生理解物理化学内容。当前物理化学教材的编写方式必然会影响教师教学中过多使用符号表征，但是上述分析启示我们，教师有必要寻找教学资源来增加教学中的表征形式，来帮助学生实现三重表征间的关联转化。