Trends of Multiple Representations in Physics Learning (2020-2025): A Systematic Literature Review

物理学常被描述为宇宙的语言，一种描述事物如何运动、相互作用和变化的方式。但对于学生来说，这种语言感觉就像是一种外语代码。为了理解像力或能量这样的概念，学习者必须能够能够在看待同一概念的不同方式之间进行切换。他们可能会阅读文字描述，观察一个运动物体的图画，检查一张显示速度随时间变化的图表，或者查看一组描述其关系的符号。这些展示信息的不同方式被称为“表征”。正如地图、照片和对一座城市的文字描述都在以不同的方式告诉你关于同一个地方的信息一样，物理概念也可以通过文本、图片、图表和公式来呈现。教育者的挑战在于，如何将这些不同的视角结合起来使用，从而帮助学生真正理解材料，而不仅仅是死记硬背规则。

一位研究人员最近深入研究了这种方法在全球课堂中是如何应用的。他们想知道哪些方法行之有效、哪些正在流行，以及该领域正走向何方。为了寻找答案，他们收集了大量发表于 2020 年至 2025 年间的科学研究文献。他们从来自一个主要全球数据库的 500 多份文档开始，但他们非常谨慎地仅选择了那些实际测试了这些方法的针对高中生的研究。在过滤掉综述以及未针对正确年龄段的研究后，他们最终剩下了 28 篇特定的研究论文进行详细分析。他们使用强大的计算机工具来绘制这些研究之间的联系图谱，观察哪些国家发表的研究最多，哪些主题正变得流行，以及参与其中的学生取得了哪些实际成果。

研究人员发现，对这种方法的兴趣在近年来大幅激增。在 2021 年经历了一个短暂的下降（可能是由于全球疫情限制了课堂研究）之后，研究数量大幅跳升，并在 2024 年达到顶峰。这表明，教师和科学家们日益意识到，仅仅用一种方式展示一个概念是不够的。最成功的研究是将口头解释与图表和图形等视觉辅助工具相结合。事实上，他们审查的几乎每项研究都同时使用了文字和图片，且大多数还包含了数学描述。其目标是帮助学生通过将发生的“故事”与视觉模型以及描述它的数字联系起来，从而构建一个完整的心理图像。

当研究人员观察谁在从事这项工作时，他们发现印度尼西亚已成为此类研究的主要中心，产生了大量的研究成果。然而，美国在总引用量方面仍然领先，这意味着其研究成果被其他国家阅读和引用的次数比任何其他国家都多。分析还揭示了研究人员关注点的明显转变。虽然早期的研究主要侧重于帮助学生理解基本概念，但最新的研究越来越多地关注高阶思维能力。科学家们现在利用这些多元视角来教学生如何解决复杂问题、进行批判性思考以及分析数据，而不仅仅是记忆事实。

过去几年中出现的一个主要趋势是技术的整合。许多被审查的研究使用了诸如增强现实（将数字图像叠加在现实世界之上）或交互式模拟等工具。这些工具允许学生看到肉眼无法直接看到的力，例如磁场或电流。研究人员指出，当这些技术被很好地应用时，它们可以让抽象的概念变得真实且可感知。然而，研究也警告说，仅仅添加技术或同时展示许多不同的图片并不能保证成功。如果一名学生在没有明确指导的情况下，同时看到一张图表、一个图解和一个复杂的方程，他们的大脑会变得过载。不同的信息片段可能会开始相互竞争，从而使学习变得更加困难，而不是更容易。

该论文还强调了这些方法在应用中的一个差距。虽然许多研究侧重于教学，但很少有研究探讨如何使用这些相同的多元视角来测试学生。此外，研究人员发现，极少有研究尝试将这些物理概念与学生的当地文化或日常生活联系起来。大多数研究仍然将物理学视为一个在任何地方都相同的普遍学科，忽略了利用当地案例使学习更有意义的机会。作者建议，未来的工作应该侧重于创造更好的方法来测试学生在不同视角之间切换的能力，并设计出尊重并利用学习者文化背景的课程。

最终，研究结论认为，使用多元表征是一个强大的工具，但它并不是一种神奇的解决方案。它在经过精心规划时效果最好。教师需要引导学生如何从一种视角过渡到另一种视角，帮助他们看到文字、图片和公式都在描述同一个现实。如果做得当，这种方法能帮助学生建立对物理世界更深层、更灵活的理解。研究表明，物理教育的未来在于创造不仅在视觉上丰富，而且在认知上具有支持性的学习环境，帮助学生在构成科学的复杂思想网络中穿梭。