通过三个模型剖析关于天文距离的采访

《Physical Review Physics Education Research》：Dissecting an interview about astronomical distances using three models

　　关于概念理解，比较多种理论模型的研究相对较少。我们假设不同的模型可以提供互补的视角。在这项工作中，我们使用三种不同的理论模型——框架理论（FWT）、知识片段（KiP）和社会符号学（SS）——分析了一位学生（Mark）的访谈中的视频和音频数据。访谈讨论了地球、月球和太阳在局部宇宙中的距离和大小，以及可观测的天文现象：月球和太阳的视大小、日食和月相。研究结果表明存在一种误解（来自FWT），一种局部的p-prim（来自KiP），以及一种传递链（来自SS）。然而，除了各个模型的独立贡献之外，这些结果还表明了不同模型的互补性质。我们主张进行更多的研究，将不同的模型结合起来，以更细致和深入的方式理解数据，并推进理论发展。

### 引言
研究学生的概念理解及其相关的概念变化过程是教育研究中的一个关键领域，尤其是在科学教育及其学科子领域（例如，物理教育研究）中。在Web of Science上进行快速搜索可以发现，关于这一主题的论文超过10,000篇（见图1）。

然而，Potvin等人[1]发现，关于学生概念理解/变化的理论模型有86种。尽管可以通过整合相似的模型来减少这一数量，但仍会有大量的模型存在，这表明概念变化领域存在尚未解决的研究问题。换句话说，作为科学教育研究社区的一员，我们实际上并不真正了解概念变化是如何发生的。事实上，尽管已经进行了30多年的持续研究，一些基本性的争论仍然没有得到解决。特别值得关注的是所谓的“连贯性辩论”。一方认为学生构建了（半）连贯的心理模型，可能是基于基本的框架理论[2–4]；另一方则认为学生拥有一个复杂的知识系统，并在面对问题或现象时，会结合各种知识片段和其他资源[5]。学生的概念理解被认为是依赖于具体情境的，因此并不是连贯的。

近年来，连贯性辩论中的不同模型趋于趋同[6]。diSessa等人[7]（知识片段（KiP）领域的领先学者）认为至少存在一定程度的连贯性。关于连贯性与碎片化的争论很微妙。没有人认为孩子们在思考物理或生物学时完全是缺乏系统的。此外，所有现有的科学能力观点，当真正被实现时，都包含相当程度的系统性。Vosniadou[8]（框架理论（FWT）模型的领先学者）则认为，学生的概念理解至少在部分程度上是不连贯的。框架理论方法（Vosniadou, 2013）并不排除我们的知识系统中可能存在如p-prim这样的知识元素的可能性[2]。尽管有努力向更全面的模型靠拢[9]，但在精神知识结构的构建方面似乎仍然存在分歧，这种分歧至少部分是由于方法论问题造成的。基于FWT的理论研究通常涉及年幼的孩子以及小学科学教育中常见的概念，例如地球的形状。另一方面，KiP领域通常选择个别参与者、高等教育以及与初级物理课程相关的主题（例如力学）。

这场辩论中的另一个方法论考虑点在于学生对物理学的内部理解与其如何表达这种理解之间的关系。实际上，仅通过分析参与者的言语可能无法评估他们的概念理解，因为这依赖于学生的心理模型，而心理模型完全是内在于参与者的[10]。因此，研究学生如何表达他们的意义可能更为重要。在这里，社会符号学（SS）[11]提供了另一种有吸引力的模型，可用于分析学生的解释。

尽管有大量的文献和被多次引用的基础论文，但直接且基于实证比较FWT与KiP的研究却很少，也没有论文直接将SS与经典的概念理解模型进行比较（见背景部分）。然而，鉴于学生表达的意义在我们的数据中的重要性，这样的比较对于推动该领域的发展至关重要。这样的比较要么揭示了一个模型优于另一个模型（即在解释观察行为和做出预测方面更有效），要么更有可能揭示这三个模型的互补性。因此，有必要直接比较这些理论模型。在这项工作中，我们将对此进行探讨。我们将从三种模型出发，分析一位学生关于基本天文现象的访谈：框架理论、知识片段/资源和社会符号学。

这项工作是Jan Sermeus和Lauren Barth-Cohen在瑞典乌普萨拉大学“物理与天文教育研究”小组（由Urban Eriksson主持）偶然重叠的研究期间的成果。这个想法是在典型的瑞典咖啡休息时间（Fika）中产生的。选择这三种模型部分是由于我们的Fika讨论中产生的智力尊敬和好奇心。然而，我们认为使用这三种模型来解释相同的数据（而不是相似或复制的数据，后者至少会受到一些背景差异的影响）可能有助于以更细致和具体的方式建立对三种理论模型之间相似性和差异性的新理解，从而超越先前的方法论差异。

跨理论模型合作并不是新鲜事。Kersting等人[12]报告了关于具身化的跨理论界线的对话。他们的方法重新审视了来自文献的现有数据。受此启发，我们也寻找一种以数据为驱动的方法，理想情况下使用通过共同商定的方法收集的数据。一种选择是“对抗性合作”，这一术语最初由Kahneman及其同事提出[13]。在这种合作中，意见相左的各方聚集在一起设计并运行实验来测试他们的分歧点。我们也从不同的理论立场出发，研究相同的数据。这消除了使用类似数据时可能出现的轻微上下文差异（例如，每个合作伙伴在各自情境下收集的数据）。然而，与对抗性合作不同，我们的目的不是消除差异，而是寻找互补性。我们这样做是因为我们认为这三种模型并不是相互排斥的。由于对抗性合作并不描述我们的方法，我们将我们的方法称为“合作竞争”（参考coopetition[14]，即竞争者之间的合作）。

本文具有传统的结构，包括背景部分（我们讨论模型的直接比较）、方法论部分、结果、讨论和结论。然而，如方法论部分所解释的，我们将通过三篇“迷你论文”来报告这种比较。因此，这项工作的结果由三部分组成，每部分都包含一个“常规”的论文结构（从引言和理论背景到方法论和结果，再到讨论和结论）。为了避免混淆，这些迷你论文部分分别用FWT、KiP或SS标记。

### 背景
#### A. 复制研究线
2004年，在FWT[2]和KiP[5]的基础性工作发表十年后，diSessa等人[15]对Ioannides和Vosniadou在2002年的工作[16]（以下简称I&V2002）进行了复制研究。他们未能复制I&V2002的结果，Clark等人[17]也将比较扩展到了其他国家。这一系列复制研究的结果表明，学生的理解一致性/连贯性低于I&V202最初报告的水平。这一结果被分别采用KiP模型的作者们解释为支持KiP模型。然而，Vosniadou和Skopeliti[18]并不赞同这一观点。他们认为，“关于可以被归类为内部一致模型的学生数量常常存在分歧”（第1435页），因为“这两种类型之间的区别并不是二分法，而是一个连续体，两端有明显的情况，中间有一些难以区分的情况”（第1435页）。然而，正如diSessa等人[15]所指出的，也许这种差异不是解释问题，而更多是因为他们没有进行真正的复制。实际上，他们将其称为“准复制”。在教育科学中，由于参与者在参与过程中可能会学到东西（除了年龄增长、额外学习和生活经验等因素外），因此可能无法真正复制一项研究。然而，他们所讨论的复制问题并非如此。相反，这些研究是在不同的国家进行的，每个国家都有自己的课程、文化和语言。事实上，已经有人指出这些因素可能对学生理解概念产生重大影响[19]。这使得解释复制结果变得困难。正如Clark等人[17]所评论的，遗憾的是，国际复制研究中没有包括希腊（I&V2002的研究进行地）。

#### B. 比较研究
如果不是通过复制，文献中是否有任何努力直接比较不同的模型？据我们所知，这样的努力非常少。

diSessa[20]的工作比较了KiP与Theory Theory（其中包括FWT）和Ontological View（参考Chi等人的工作[21]）。也许并不令人惊讶，他发现KiP能够更好地“提供对发生的学习过程的更详细和更恰当的描述，而这种学习与Theory Theory和Ontological View的核心观点相矛盾”（第1页）。2000年，Elby[22]提出，通过仔细的设计，可以从实验上区分KiP（称为“细粒度建构主义”）和FWT（称为“误解建构主义”）。他的核心论点是，FWT预测的是在概念变化过程中可以切换的稳定心理结构，但在其间没有其他变化；而KiP依赖于具体情境的提示，可以讲述关于这些转换的详细故事，这些故事预测了非随机性的特定模式。因此，KiP能够预测学生在某些情况下的行为，而在误解建构主义模型中则只能预测随机波动（第491页）。Elby提出了三项初步研究，其中学生面对的视觉刺激可能触发“所见即所得”的资源。他发现，做同样错误的学生比例高于随机预期，他认为这是支持KiP的证据。

与Elby的观点相反，Blown和Bryce[23]的工作“支持概念连贯性，并在0.05的显著水平上否定了知识片段的反驳意见”（第31页）。这是通过对新西兰和中国345名年轻参与者进行的10年纵向研究得出的结果。他们研究了学生对季节和日食等天文概念的理解。

直接比较这两种模型的最后一篇论文是Scherr[24]的工作。她使用FWT和KiP分析了相同的数据。她的分析表明，这些数据可以用两种模型来解释。在总结中，她写道[24]：“关于学生在狭义相对论中推理的可用数据支持误解模型和片段模型——有时是前者，有时是后者。关于同时性的相对性，学生的观点更符合误解模型（或片段模型中类似误解的部分）。另一方面，当学生学习参考框架的性质时，他们的行为更符合片段模型另一端的可能性（第10页）。因此，她得出结论认为这两种模型是互补的，研究人员和教师应该对两者都持开放态度。然而，她并没有明确指出这两种模型的互补之处在哪里。使用互补模型的研究
虽然Scherr呼吁将FWT（框架理论）和KiP（知识片段与资源）作为互补模型，但这并不是一件简单的事。据我们所知，很少有作者尝试从多个理论角度来解释数据。2006年，Clark [25] 报告了一项纵向研究，跟踪了50名8至12年级的学生学习热平衡的过程。该研究并没有直接测试FWT或KiP模型；而是详细记录了这50名学生的学习情况，特别是其中四名案例研究学生的学习过程。他的分析集中在几个“粒度”上：主题、解释以及解释中的元素。Clark指出，这些数据可以从KiP的角度（或者他所说的“基本视角”）很好地描述。另一方面，即使假设学生的初始想法具有理论特征，随着学习的进行，“似乎许多学生可能会一直处于变化状态，而无法在整个成年期达到一个简洁、连贯的理论理解”（第547页）。Clark建议，“理论视角需要考虑这些理论阶段之间的长时间跨度”（第548页）。

Rodriguez和Towns [26] 从“误解建构主义”和“细粒度建构主义”的角度分析了生物化学学生的图形推理，这与Elby [22] 分别提到的FWT和KiP是一致的。他们认为，采取不同的理论立场会导致研究者提出不同的问题、进行不同的实验，并得出不同的结论。从FWT的角度来看，“解释数据的逻辑方法是评估这些概念是否与科学上接受的观点一致，并关注如何解决不一致之处”（第13页）。另一方面，KiP自然会引导人们研究“情境如何影响想法的出现以及在流形结构中的组织方式”（第13页）。尽管他们的研究结果揭示了两种解释方法带来的有趣见解，但作者似乎更倾向于KiP。

最后，我们发现了一些作者在不同模型之间进行了转换。例如，Farlow等人提出了一个“研究项目”，最初是“基于识别学生困难”的框架[28]（第194页）。然而，他们后来转向了资源模型，因为“学生的回答并不符合稳定、坚定的观点；相反，学生的回答似乎更加灵活且依赖于情境。此外，错误的答案中包含了正确的思考元素，资源模型使我们能够利用学生可以获取和建立的资源，同时也能识别出使用不当的资源”。这种模型转换显示了作者的灵活性。然而，如果严格坚持一种模型而忽视另一种模型，任何可能的互补性都会丧失。

身体作为心灵与环境之间的桥梁
尽管概念变化的理论是基于学习者的认知过程发展的，但社会符号学关注的是学习发生环境中表示、活动和交流工具。心灵，特别是身体，充当了这两个领域之间的主要桥梁。然而，尽管假设认知过程和社会活动在不同“粒度”上有相互影响，但很少有人尝试将它们整合[29,30]或对比[2,31]。

近年来，这种“桥梁”建设的工作得到了加强[6]，重点关注身体在意义构建中的核心作用。Kersting等人[12]通过认知、互动主义（类似于社会符号学）和现象学视角重新分析了一组数据，说明了身体如何同时作为“角色扮演者”（提供平衡、包含和旋转等“意象图式”来支持内部心理模型），以及作为“传感器”与外部符号资源（如手势和物质工具）互动以协调共同的学科意义。从社会或互动主义的角度来看，身体是一种强大的符号资源，手势和全身表现与语言和图表一起协调以构建共同的学科意义。这种多层次的视角表明，概念变化不仅仅是内部心理重构。这有助于讨论符号资源（如实验室设备）在学者的认知过程中所起的作用[32]。此外，Halldén等人[33]提出了一种方法论（“意图分析”），将学生的言论解读为“情境行动”，使研究者能够在考虑即时情境的基础上推断出稳定的概念结构。

在这些理论和方法论桥梁的基础上，是否能够完全调和这些传统仍是一个核心问题。正如Mason [34]所指出的，尽管认知研究中开始融入动机和情境变量这一“升温趋势”[35,36]，但仍迫切需要超越将社会文化视角视为认知观点的简单“替代品”。Mason建议，一个真正全面的解释需要同时运用认知信息处理和社会文化视角来捕捉概念变化过程的多个方面。

一种有前景的方法论途径是“理论网络化”方法，Svensson和Campos [37] 就是一个例子。通过将社会符号学与更具认知导向的符号学框架结合起来分析相同的数据集，他们展示了对学生学习的更广泛解释的可能性。在他们的模型中，社会符号学描述了学生如何辨别和操作学科资源，而认知视角捕捉了知识的内在建构以及概念与其具体表示的分离。

尽管最近关于具身认知和其他方法论的研究为整合或比较认知和社会文化模型提供了有希望的途径，但一个能够同时解释心灵内部过程和知识社会文化起源的统一模型的可行性仍然是一个开放的研究领域。因此，需要进一步的研究来发展连贯的研究计划，不仅将它们视为平行过程，而是作为“情境中的知识”[33]。这样的研究，特别是对相同数据序列的比较分析，对于确定个体认知结构和集体话语实践如何共同演化至关重要，以确保理解科学学习的全部复杂性和多模态性。

III. 目标
从背景来看，我们发现了一些比较多种模型的研究，而这些研究得出的结论各不相同。一种可能性是这些模型是互补的，但我们也发现很少有研究试图利用这些模型之间的潜在互补性。此外，那些进行比较的研究往往又回到了单一模型上。显然，需要更多的工作来跨越理论分歧，直接比较多种模型。因此，本文的目的是使用一个数据集来比较三种模型：社会符号学（SS）、知识片段与资源（KiP&R）和框架理论（FWT）。所有模型都关注学生的想法及其表达方式。我们认为这种比较在理论上很有趣，可以展示不同模型在哪些方面一致、互补，以及在哪些方面存在矛盾，同时也能指出超越历史差异的新研究方向。此外，我们认为这种直接比较可能对科学教育的早期研究者也有启发。

IV. 方法论
A. 访谈程序
所有三种理论模型都重视访谈数据，因为访谈数据允许访谈者跟进受访者的关键陈述并进一步探索他们的推理[38]。FWT方法倾向于采用更正式的访谈风格，强调预先确定的问题，而KiP方法则更倾向于结合预先确定的问题和一些非结构化的对话[39]；SS方法则需要多重的交流方式。尽管存在这些差异，我们在这项工作中仍将使用访谈数据。

访谈程序和下面的调查遵循了参考文献[40]和[41]中描述的方法。这部分工作由第一作者和最后一位作者完成，并基于框架理论模型开发。然而，所有作者都同意这种访谈程序，并且重要的是，所有作者都认为这种程序有可能产生对他们模型感兴趣的数据。虽然为任何一种模型特别设计的访谈可能会有所不同，但一般而言，提出的问题、访谈的流程以及使用的辅助工具都是为所有三种模型准备的。

这些数据包括（i）调查结果和（ii）录制的访谈视频。调查要求参与者估计当地宇宙（地球、月球、太阳、最近的恒星）的大小和距离，并回答探究学生对季节和月相概念理解的多项选择题。这是对参考文献[42]中描述的调查的扩展。这项调查用英语在一所瑞典中学进行，对象是16至18岁的普通教育课程的学生（尽管该校更侧重技术和自然科学）。

从这所学校中，选择了三名学生进行两天后的访谈。这些学生因为在调查中回答说地球、月球和太阳相对较大和/或彼此接近而被选中，即他们认为当地宇宙是“密集的”。这种选择意味着在访谈中这些学生更有可能表达错误的理解（这是参考文献[40]和[41]的目的）。这也使得在随后的访谈中可以在桌上展示一个完整的太阳-地球-月球系统模型。

在访谈过程中，向学生展示了他们的个性化比例模型，并询问他们是否愿意对其进行修改。这个比例模型是一个二维模型，其中地球、月球和太阳被绘制在纸或便利贴上，在整个访谈过程中都放在桌上，鼓励学生在解释时使用它。这个比例模型需要具有灵活性和实用性；也就是说，学生需要能够随意替换、调整大小和/或重新绘制模型中的天体。因此，3D模型（例如使用球体或气球）不适合这项研究，尽管我们承认它们的使用会更好地促进学生的3D空间思维。

访谈涵盖了三个主题。首先，要求学生估计从地球上看到的月球和太阳的大小。向他们提供了一组悬挂在棍子上的圆盘，让他们在臂展距离处观察。还询问他们认为这个大小是否会随时间变化。其次，要求学生解释日食。在这种回答之后，向学生展示了全食和环食的两张照片，并要求他们解释可能的不同之处。第三，要求学生解释月相。在他们的初步回答之后，向学生展示了四分之三圆（凸月）的照片，并要求他们在比例模型中放置月球，使其呈现出从地球上看到的月相。所有三次访谈大约各持续25分钟，并都被录制下来并逐字转录。

最终，从这些访谈中选择了一次用于这个共享项目：Mark的访谈。从这个访谈中选取了一个部分进行重点分析。这个部分的逐字转录在共享结果中提供。这个选择是基于所有作者观看所有三次访谈后的讨论结果作出的。选定的访谈被认为最有趣，也可能是获得有价值见解的关键。

关于访谈协议如何受到其起源框架理论的影响，有必要做一些说明。作为对Vosniadou研究结果的批判性回应，Schoultz等人[31]写道：“我们必须意识到，我们倾向于以某种方式组织数据收集，以便找到我们正在寻找的实体。”在某种程度上，我们同意这一观点。由于FWT非常重视学生答案的一致性及其心理模型的连贯性，因此面试问题确实是基于这些考虑而设计的。例如，在学生选择了一个月盘或太阳盘来表达他们对这两个天体视大小的估计后，他们被问及这个盘是否与桌上的比例模型相匹配。换句话说，根据比例模型的比例，地球上的人是否会在天空中观察到同样大小的月亮或太阳？这个问题探讨了学生在不同答案（所选的盘和构建的比例模型）之间的一致性，以及他们对自己这种一致性的自我评估（他们是否认为这两种模式是相容的？）。然而，这一系列问题也可能引起其他模型的兴趣，并且可以以有效的方式被解释。例如，有人可能会认为，这个问题探讨了引入新的（符号学）资源（如比例模型）是否改变了学生的推理方式。因此，我们认为所采用的模型确实可以影响面试协议。但从逻辑上讲，这并不意味着如果采用不同的模型，就必然会改变面试协议（或学生的答案）。

我们在面试协议中使用了多种不同的工具和辅助材料，比如比例模型、带柄的圆盘以及供学生用来绘图的笔和纸。这与Vosniadou的传统方法不同，她在面试学生时除了绘图纸外没有使用任何工具[2,3]。研究表明，引入工具或辅助材料可以让学生参与更复杂的推理过程，从而极大地改变面试研究的结果[31]。由于这种复杂的推理模式对本研究特别重要，我们希望提供所有可能对表达这些模式有用的工具。此外，我们认为像带柄圆盘这样的辅助材料对于学生表达关于月亮和太阳视大小这样具体而抽象的主题的估计是必不可少的。因此，尽管面试协议是基于框架理论设计的，但并不是它的每个方面都进行了相应的调整。

我们分析了一个共同的数据来源——对学生的一次面试——但这些数据按照三个不同的模型进行了三种不同的分析。为了便于直接比较，这些分析将以三篇“迷你论文”的形式呈现，每篇论文都由代表每个模型的作者团队详细说明他们如何处理相同的数据。这些论文在结构上尽可能保持一致，每篇都包含了学术论文中常见的各个部分。为了简洁起见，理论背景部分不会引用其他模型，方法论部分只讨论分析过程（数据收集见第IV.A节），而结果部分则会指向具体的发现（所有结果见第V.B节）。

Mark的比例评估调查结果、采访的录像录音以及采访的文字记录成为了不同作者团队分析的数据。在这里，我们尽可能简洁地呈现这些数据，同时确保其内容的完整性。我们分享了采访中一个部分的完整文字记录，并总结了Mark对其他问题的回答。

**比例模型**
太阳-地球-月球系统的物理比例模型是面试情境中的一个核心元素。该模型是根据Mark对先前在线调查的回答构建的，在所有三个模型的分析中都起着关键作用。因此，我们首先简要描述一下面试桌上这个比例模型的尺寸。Mark指出，月亮应该相对靠近地球，两个天体之间的距离只有地球直径的四分之一（实际上，地球和月亮之间的距离大约是30个地球直径）。由于月亮如此靠近地球，从比例模型地球上看到的月亮张角非常大，大约为30度。至于太阳，Mark估计太阳的直径大约是月亮的800倍，并将其放置在距离地球和月亮200倍的地方。这使得太阳的张角比月亮更大。

Mark被展示了他比例模型的实物版本。地球和月亮分别用便签纸画成了8毫米和1毫米的圆。太阳则画在了A2纸上，半径为58厘米（根据Mark的调查回答，实际应该是80厘米，但由于空间限制未能实现）。这个实物模型在他进入房间时就在桌子上，并在整个采访过程中都摆放着。

**逐字记录**
在本节中，我们呈现了Mark采访中一段特定片段的逐字记录。这段记录中，Mark进行了思考，提出了新的想法，并使用手和其他资源来解释他的想法。这段记录之前是采访的前5分钟，主要包括欢迎语和最初的几个问题，Mark需要在这部分估计月亮和太阳在天空中的视大小。这部分内容思考较少，因此兴趣相对较低（尽管它是整个采访的铺垫）。在接下来的13分钟里，Mark回答了各种其他问题，但继续发展了在前面5分钟记录中首次讨论和揭示的想法。因此，这三个团队都认为这部分内容特别有趣。

在下面的摘录中，I代表采访者，M代表Mark。我们还标注了每句话的行号，因为这些行号在后续部分会被经常引用。记录中包含了填充词，因为它们可能反映了Mark的思考过程或疑虑（从而暗示了他心理模型的稳定性）。方括号[]用于标记Mark或采访者的手势，这对于进行社会符号学分析是必要的。

**I：**你认为这个月亮的大小（指向比例模型）与你刚刚选择的那个月亮圆盘的大小相同吗？还是两者之间有差异？
**M：**嗯……
**I：**你明白我的问题吗？
**M：**我是说，我们看到的大小是否会因为站在地球上的位置不同而不同？
**I：**不，那不是真正的问题。
**M：**就像如果你站在这里，你看到的样子是这样吗？
**I：**是的，没错，这就是[指向选中的月亮圆盘]你所看到的样子吗？
**M：**是的，我在瑞典，我们离地球的顶部比较近，所以我认为是这样。
**I：**那么地球上的其他人看到的大小会不同吗？
**M：**是的……哦，等等，实际上，如果你站在地球的顶部[指向比例模型中的地球]，你看到的月亮会更大一些。
**I：**好吧。如果你留在瑞典，但在不同的时间观察月亮，会有变化吗？
**M：**嗯，从技术上讲，月亮的位置会稍微远一些或近一些，所以我认为大小会有一点变化。
**I：**那么如果我站在赤道上[指向模型中的赤道位置]，看到的大小会有什么不同吗？
**M：**是的。
**I：**不同多少？如果你站在赤道上，你会选择另一个月亮圆盘吗？
**M：**我可能会选择稍微大一点的[拿起一个稍大的月亮圆盘]。
**I：**对于瑞典的观察者来说，与赤道上的观察者相比呢？
**M：**是的，较大的月亮会是在赤道上，而较小的月亮会离瑞典更近。
**I：**如果你留在瑞典，并在不同的时间观察月亮，还会有变化吗？
**M：**从技术上讲，月亮的位置会稍微变化，但不会像在赤道上观察时那么明显。

**I：**所以你说存在小的差异，但这种差异在瑞典这样的地方是否足以让你选择不同的圆盘？或者你会认为这个圆盘总是最好的近似值？
**M：**嗯，我认为在这个圆盘附近是合适的。
**I：**那么进一步解释一下原因，你是说这与月亮的轨道有关吗？
**M：**嗯，是的，这取决于月亮的轨道是否是一个完整的圆圈[在桌子上做了一个圆圈的动作]，或者它的轨道在某些时期变短或变长[反复用双手做圆周运动]。
**I：**你认为这是为什么？
**M：**我认为轨道不是一个完整的圆圈。但我不太确定。有时候，月亮在我和月亮之间的距离会比其他时候短[他左右移动双手来表示距离]。
**I：**你能画出来吗？
**M：**当然可以。比如说，这是地球[E，在圆圈内画了一个字母E，见图4]。
**I：**是的。
**M：**然后我们有月亮[画月亮]，这里我是[在地球上画一个人]。
**I：**那么我们有一个距离[指两人之间的距离]，假设这里[在轨道上的另一个位置画了第二个月亮]，这个月亮距离更近一些[用虚线表示]。
**I：**这是由于月亮的轨道吗？
**M：**是的。
**I：**所以你认为既有月亮的轨道效应，也有观察者位置的影响，对吗？
**M：**是的。
**I：**那么你还记得有哪些时候你看着月亮，觉得它出乎意料地大或小吗？
**M：**嗯，不太记得。我老实说，我并没有过多地观察月亮。我注意到的主要是月亮的一部分被投射在阴影中，而另一部分则没有被。比如，当它是半月亮或满月亮的时候。是的，月亮的表面特征。但我从不真正去考虑月亮的大小。好吧，那我们就暂且不讨论月亮了，转而看看这些太阳吧。我还准备了一系列大小不一的太阳模型[指向那些太阳圆盘]。想象一下，你现在走到外面，戴上了遮阳眼镜，然后看看太阳。你能试着将你看到的太阳与当你手持这些太阳模型（将模型放在臂长距离处）时所看到的太阳进行比较吗？然后再选一个太阳模型试试看。因为月亮虽然离我们很远，但它的体积实际上要大得多[把太阳模型放在桌子上]。所以，从视觉上看，它肯定不会是这两个模型中最大的那个[指向最大的两个太阳模型]。我对另外两个模型也有些怀疑[指向第三和第四大的模型]。在这两个模型之间，其实并没有一个处于中间大小的模型，对吧？嗯，让我再快速看看其他的模型……我觉得没有这样的模型。那么，我们就拿这个较大的太阳模型来举例吧[拿起一个较大的太阳模型并尝试比较]。由于月亮离我们远得多，所以虽然它的体积大，但从视觉上看，它的大小还是和这两个模型有所不同[把太阳模型放回桌上]。在那2分钟里，所有的陈述、手势以及与比例模型的互动都被统一赋予了一个代码（在这个案例中，代码是“AB.1.”，表示“正确且完整的解释”）。我们使用的编码方案与我们在其他研究项目[40,41]中构建的方案完全相同。在这些参考文献中，完整的编码方案都有展示。这些编码方案要么源自天文学教育研究中的现有文献，要么来自我们自己数据中的实证发现。因此，分析方法是基于理论驱动的主题分析[54]，这与Vosniadou框架理论[3]的特征性方法论方法是相一致的。与之前关于月相的例子一样，马克的回答是与桌上的比例模型一起进行解读的。特别关注了马克的陈述与他使用的比例模型之间的（不一致）一致性。这两种沟通方式之间的一致性被视为一个连贯的心理模型的迹象，而不一致性则表明心理模型可能是不连贯的，甚至缺失的。同样，马克的几个（口头）回答之间的一致性也暗示了其心理模型的性质。

E. 结果—FWT
1. 月亮的视大小变化
在讨论月亮视大小变化的潜在原因时，马克认为这取决于观察者的位置。他说：“在这里瑞典，我们有点靠近地球的‘顶部’”（第54行），并且“如果你站在地球的‘顶部’（指向比例模型中的地球），你会发现它……比其他地方稍微远一些。所以我认为月亮的大小会相应地变化”（第56行）。因此，马克推断出，当站在地球的‘顶部’（例如在瑞典）时，观察者与月亮之间的距离会比站在地球的‘其他部分’（可能更靠近赤道）时更大。因此，一个位于赤道的观察者会比一个瑞典的观察者看到更大的月亮。通过这种推理，马克隐含地假设了月亮的轨道平面与地球的赤道平面重合。图5展示了这一论点的示意图。在马克声称这种视大小差异是显而易见之后，他又指出了另一个更大的月亮圆盘，除了他在采访中早先提到的那个。在评估这两个不同的圆盘时，他得出结论：“所以，较大的那个可能是赤道上的圆盘，而较小的那个则更接近瑞典”（第64行），这与图5中的心理模型相符。

图5. 马克关于观察者与月亮之间距离对月亮视大小影响的心理模型，由FWT作者解读。

马克还提出了月亮视大小变化的第二个原因，即月亮绕地球运行的轨道不是圆形的（第72行）。这导致地球与月亮之间的距离随时间变化，进而导致月亮视大小的变化（第66行）。然而，马克立即补充说，这种效应“并不像在赤道上观察到的那么明显”（第66行），这同样参照了图5中的心理模型。根据马克的说法，月亮轨道的椭圆形——或者用他的话说，是它的“凸起”（第76行）——对月亮视大小变化的影响小于观察者的地理位置，这与图5中的情况一致。

2. 太阳的视大小变化
据马克所说，太阳的视大小也会变化。不过，这种变化现在仅仅归因于地球轨道的椭圆形或更确切地说是其“椭圆形状”（第124行）。他认为：“太阳和地球之间的距离（用图2中的线条示意）在这里与太阳处于轨道上其他位置时是不同的”（第126行），并进一步指出“从不同距离看太阳会显示出不同的大小”（第128行）。然而，当被问及观察者的位置是否 also 有影响时（就像对月亮视大小的影响一样），马克回答说他不认为是这样。他说：“我认为这主要与……太阳和地球之间的距离（指向图2中太阳和地球之间的线条）有关。地球在不同位置之间的距离变化，在观察太阳时影响不大，而在观察月亮时影响较大”（第136行）。虽然这种说法比较间接，但它再次肯定了图5中的心理模型。

3. 比较月亮和太阳的视大小
在比较月亮和太阳的视大小时，马克选出了他之前选择的圆盘，并得出结论认为太阳在天空中看起来必须比月亮大。然而，当被问及这是否与他记忆中的经验相符时，他自发地提到了日食现象，并解释说在那些情况下，太阳和月亮的大小必须相同。因此他认为，在某些特殊情况下，当“太阳处于最小位置而月亮处于最大位置时，它们的大小可以相等……尽管通常太阳比月亮大”（第146行）。

4. 日食
马克正确地用月亮遮挡太阳（从地球上观察时）的现象来解释日食，并制作了一个示意图来说明他的解释（见图3）。然而，桌上的比例模型并不真实地反映了这一过程，因为在比例模型中，太阳的尺寸太大，不可能被微小的月亮遮挡。马克没有注意到这一点，面试官也没有特别指出这一点。当被问及日全食和日环食之间的区别时，他将原因归结为地理位置的不同。他解释说：“由于月亮的大小取决于你在地球上的位置，因此你在地球上不同的位置观察日食时，日食的现象会有所不同”（第172行）。这里明显再次体现了图5中的心理模型，即不同位置的观察者会看到不同大小的月亮。

F. 分析—FWT
我们首先更详细地讨论图5中的推理过程。有趣的是，尽管这种推理是不正确的（或者更确切地说，是不相关的），但当月亮像马克的比例模型所显示的那样靠近地球时，这种推理在逻辑上是合理的。此外，马克绘制的唯一的地球-月亮系统图也显示出适当的缩放比例（见图4）。我们理解为马克使用了他对地球-月亮系统的心理模型（通过桌上的比例模型来表示），来为一个逻辑清晰、连贯的解释提供依据。

另外，马克明确拒绝了图4中的推理作为太阳视大小变化的原因。如前所述，他认为这与太阳和地球之间更大的距离有关（见上面的第136行）。基于这一观点，我们假设马克意识到地理位置效应的相关性取决于地球大小与观察对象距离的比率。由于这个比率对于太阳来说要比对于月亮小得多，马克只认为它对月亮视大小的变化有影响力，而对太阳视大小的影响较小。这种推理非常合乎逻辑，也与桌上的比例模型相符——即模型中的太阳比月亮离地球远得多，因此移动一个地球半径对太阳的影响确实会小得多。虽然他的部分解释可能是即兴产生的（例如从第56行和第58行中的偶尔犹豫可以看出），但我们将其理解为马克试图使他的推理尽可能内在一致。他试图做出具有实质性解释力的合理陈述，这些陈述与所提供的比例模型相一致。

在比较月亮和太阳的视大小时，马克似乎意识到用他之前选择的圆盘无法解释日食现象，因为太阳的圆盘比月亮的圆盘大。因此他推断，在这种特殊情况下，它们的大小必须相等（第146行）。这被解释为一个认知冲突：一种先前的信念（太阳在天空中看起来比月亮大）与新信息（在日食期间，太阳和月亮的大小应该相似）相矛盾。结果，他试图稍微修改之前的观念（太阳通常比月亮大，但也有例外），以便将新信息整合到心理模型中。这种反应清楚地展示了学生概念的可塑性及其对变化环境的敏感性（从视大小的情境转移到日食的情境）。

尽管马克能够正确解释日食的原理，但他并没有充分利用比例模型来评估自己解释的合理性。更具体地说，他没有批判性地评估微小的月亮相对于巨大的太阳所张角的大小。这与他之前关于视大小变化的推理形成对比，因为他之前能够根据距离推断出观察者不同位置时月亮视大小的变化比太阳更合理。然而，这与比例模型所显示的月亮和太阳的视大小差异非常相似（因为比例模型显示的两个天体的视大小都远大于实际情况）。因此可以假设马克试图利用他对比例的理解来提出合理的解释，但当问题要求从比例模型的角度思考时，这些尝试失败了。

当被问及日环食和日全食之间的区别时，马克再次提到了他之前关于地理位置影响的论点（见图5）。这表明，一旦这种想法形成，它就固定在马克的思维中，并被用来解释各种现象，同时保持整体的一致性。

G. 结论—FWT
我们对马克采访的分析可以总结为几个关键点。首先，马克试图提供与其地球-月亮-太阳系统模型一致的解释。有些回答似乎是基于对比例模型中相关特征的考虑得出的。例如，不同地理位置下月亮不同视大小的现象（见图5）可能是基于对比例模型中赤道与月亮之间以及极地与月亮之间距离的批判性评估。马克认为这种效应对太阳的视大小无关，进一步支持了这一解释。这种对一致性的追求与框架理论的观点非常吻合。然而，在解释现象时考虑比例模型似乎过于困难，因为它需要想象月亮和太阳所张的角度。

其次，马克所提供的答案在多个问题上显示出高度的一致性。例如，在解释日环食和日全食之间的区别时，马克回顾了他之前关于不同地理位置的论点。马克偶尔也会尝试调和相互矛盾的答案以恢复连续性。例如，日全食这一现象与他之前的回答（即太阳总是比月亮看起来大）相矛盾。马克通过声明通常太阳确实比月亮大，但在日全食这种特殊情况下，两者大小可能相等，从而恢复了他的解释一致性。我们认为这进一步支持了框架理论的解释。第三，马克的一些解释可以归类为人工模型，其中既包含科学正确的要素，也包含一些天真的观念。例如，他关于地球绕太阳运行的观点虽然正确地提到了轨道的椭圆形，但他高估了轨道的偏心率，导致在远日点和近日点时太阳的视大小有显著差异。这是一个已知的误解，会导致对季节变化的理解错误（参见例如[55]），马克也在这个问题上出现了类似的错误。总之，我们认识到马克在多个答案之间以及他的答案与实物模型之间努力保持一致性，这符合框架理论的一个核心特征。发现马克经常能够保持一致性表明他对太阳-地球-月球系统有着连贯的心理模型。我们描述了几个例子，在这些例子中马克似乎使用他的心理模型来解释所讨论的天文现象。

第七部分：片段知识与资源理论
作者：劳伦·巴特-科恩（Lauren Barth-Cohen）

片段知识与资源理论这一交叉理论最初聚焦于学生对力学中力等概念的推理[5,56,57]。此后，这些理论被广泛应用于物理学学习及与力学相关主题的知识研究[58–61]，并扩展到化学和生物学中强调机械过程的领域[62,63]。这些研究通常关注个人的知识结构、知识结构随时间的变化（学习过程）以及其背后的机制。这些研究结果为物理学教学和课程设计提供了新的见解[27,64]。然而，将片段知识与资源理论应用于天文学教育的案例仍然很少[23,65–67]。其中一个可能的原因是天文学更侧重于相对距离和大小的推理，而这与力相关的推理挑战不同。因此，一个开放性的问题是：之前专注于力学学习的理论在多大程度上可以应用于理解相对距离和大小的学习过程？为了解决这个问题，我们分析了其中一个学生的访谈数据，该学生通过月亮的视大小作为案例，开始将这一理论扩展到天文学中的相对距离和大小课题。

B. 理论背景：资源理论与片段知识
为了概念化学习者的知识系统，我使用了资源理论[56]和片段知识[5]这两种交叉理论模型。这些模型将个人的知识系统视为一系列复杂的概念生态，这些知识片段通常被称为“资源”，可以根据特定情境下的认知需求被有效地激活。这些资源包括从简单的直觉到较大的概念结构，以及相应的信念和概念。所有这些资源都有可能对学习者产生积极影响，具体取决于它们被应用的情境。

下面要讨论的一种知识片段称为p-prims。它们是关于物理世界的中小规模、直观的知识碎片。p-prims可以为学习者提供一种自然感，并帮助他们预测某些事件或理解某些意外现象的发生[5,69]。这些片段之所以被称为“原始的”，是因为当被引发时，通常不需要进一步的解释。在数据中，这表现为学习者有一种“事情就是这样”的感知。此外，p-prims对具体情境非常敏感，并且往往是作为一个整体被唤起的。

随着时间的推移，p-prims在特定情境下被激活的概率可能会增加或减少；同时，它们之间的关联强度也可能发生变化，有些知识片段之间的联系会变得更紧密，而有些则会变得较弱。总体而言，随着某一领域的专业知识积累，这种网络结构会变得更加有序。

C. 研究目的：片段知识与资源理论
资源理论和片段知识已被广泛应用于许多入门级物理课程中，包括那些强调力的主题（例如流体动力学[61]）。然而，它尚未被专门用于天文学层面的分析。鉴于天文学中的推理主要集中在相对大小比较上而非力，我们的目标是探讨这一理论在多大程度上可以用来概念化学习者对天文学尺度上的推理以及它能带来哪些新的见解。

D. 分析方法：片段知识与资源理论
为了进行资源理论分析，我遵循了观察-抽象-系统化（OSS）周期的方法[70]。首先，我边观看视频边记录受访者随时间变化的推理过程，重点关注每次发言的内容。然后，我从中筛选出需要深入研究的时刻，并多次反复观看视频以生成更详细的转录文本。接下来，我针对转录文本中的每一条发言内容制定了更详细的分析笔记和问题。有时一条发言可能包含多个句子或单个词/短语，有时则包含多个观点，有时一个观点可能跨越多个发言环节。我常常多次观看视频片段以生成更详细的笔记并从多个角度进行分析。除了从数据出发进行自下而上的分析外，我还参考了关于p-prims的现有研究成果[5]，试图在数据中识别出这类知识片段。基于现有研究和详细的分析笔记，我构建了关于数据中某些p-prims存在的论据。在此过程中，我比较了访谈不同时间段内的数据异同，并考虑了多种解释和可能的解读。

E. 研究结果：影响月球视大小的两个因素：人在地球上的位置和月球的轨道
在这段对话中，我们看到马克解释了影响月球视大小的两个因素。首先，站在赤道上和在瑞典时，观察到的月球形态是不同的。其次，月球椭圆轨道的变化会导致月球在接近或远离地球时视大小的变化。访谈开始时，采访者要求马克完成一个任务，即将纸制的月球圆盘与我们在天空中实际看到的月球进行比较。马克在选择纸盘时显得有些犹豫（第48行），采访者也询问了他是否理解问题（第49行），这表明他当时有些不确定。经过一番讨论后，采访者继续提问：“我们是否因为站在地球的不同位置而感知到月球的不同？”马克回答说：“是的，在瑞典，我们离地球的中心较近，所以我认为……”（第54行）。随后他进一步解释说，地球中心离月球更远，因此月球的视大小会有所不同（第56行）。需要注意的是，他的语言表达既包含内容也包含语言特征：有许多停顿、犹豫和插入语（如“嗯……”、“你知道……”、“是的……等等……”）。他的这些表达方式表明他在构建解释时是在即时思考，而不是依赖预先形成的或固有的理解。虽然人们暂停、犹豫或使用插入语有很多原因（比如紧张或担心说错），但在这段对话中，这些现象并没有那么明显。这表明马克在这个场合并未系统性地或一贯地使用这种表达方式；相反，这种表达方式在他解释为什么在不同地理位置月球看起来不同的时候显得更为突出。

访谈继续进行，采访者询问在赤道上和在地球中心观察月球时，月球的视大小会有多大差异（第59行）。马克回答“会有差异”，采访者随后进一步询问差异的具体程度，并展示了月球圆盘（第61行）。马克提到这种差异是渐进的（第62行），并再次强调站在赤道上时月球看起来更大，在瑞典时看起来更小（第64行）。在解释这一观点时，他亲自拿起相关的月球圆盘，此时他的表达更为流畅，使用的插入语也比之前少了一些。

后来对话转向探讨月球轨道如何影响月球的视觉效果。采访者提出了一个关于在瑞典不同时间观察月球时会有哪些变化的问题（第65行）。马克讨论了月球在不同轨道位置上的相对距离变化，但指出这种变化不如在赤道上观察时那么明显（第66行）。

第二段对话中，采访者询问在瑞典停留时是否会对月球大小产生不同的感知，以及哪种圆盘是最合适的（第67行）。马克回答说始终使用同一个圆盘（第68行），然后进一步解释了这是因为月球的轨道不是完美的圆形而是椭圆形（第69行）。他通过手势（将手靠近或远离圆盘）来支持这一观点。此外，马克的犹豫和插入语（第70行）表明他是在即时思考，先说“是的”，然后又表示“等等”，最终似乎同意了采访者的观点，即月球视大小的变化与轨道有关。采访者随后要求提供更多信息，他的进一步解释与月球轨道是椭圆形的观点一致，即月球在某些位置距离地球较近，而在其他位置距离较远（第72行）。与之前类似，可以从他的话语中注意到一些犹豫和不确定性（如“呃，我认为”和“但显然我不太确定”）。马克明确表示不确定月球的运动轨迹是否是一个完整的圆形。这表明他可能是在思考这些问题的过程中给出的解释。在说“不确定”这个词时，马克用手指拨了拨自己的衬衫袖子，这种行为可能暗示了他对问题的一些不确定或犹豫。在这句的最后一部分，马克通过手势表示在月球轨道的不同点上，他与月球之间的距离会有所变化。由于没有提到之前那些表示犹豫的短语，这一部分的表述没有前面提到的那种不确定感。接着，马克画了一个图，采访者总结说有两个因素（月球的轨道和观察者的位置）影响了这一现象（第85行），马克也同意这一观点（第86行）。之后，采访者询问马克是否记得过去观察月球时注意到其相对大小的情况（第87行），马克回答说他没有注意过（第88行）。他解释说，他很少看月亮，他主要注意到的是月亮的阴影变化和月相变化（“呃，其实并没有。说实话，我不太看月亮，我主要注意的是月亮的某个部分是否有阴影，比如它是新月还是满月”）。片刻后，马克再次重申他从未考虑过月球的大小问题（第92行）。这一信息很重要，因为它表明在评估关于月球大小的问题时，我们不能过分依赖马克的解释。由于马克明确表示他没有注意到月亮的大小，他的回答说明他是在思考一些对他来说新的内容，即月球的大小，而不是在解释一个他已经深入考虑过的概念。因此，从分析的角度来看，我们不应该过分强调具体的大小。

总结来说，在这两个对话片段中，马克讨论了两个影响月亮视大小的因素：人们站在地球上的位置以及月球绕地球的轨道。关于第一个因素，马克认为站在赤道上时月亮看起来更大，在瑞典时看起来更小。根据他的犹豫和插话，以及他明确表示很少看月亮的事实，可以推断他是在对话过程中即时构建这些解释的。从科学的角度来看，月球距离地球非常远，人们站在地球上的位置并不会导致月亮视大小的显著变化。虽然月球与地球之间的距离确实会有微小差异，但观察者很难或根本无法察觉到这种差异。由于月球的轨道是椭圆形的，因此有时月亮看起来会更大。马克明确表示他“从未真正考虑过月球的大小”，这也进一步证明他没有注意到这一点。

在构建这个解释的过程中，马克可能会调动某些知识点或资源。他认为月球大小的变化是由于人们站在地球上的位置不同造成的，这种直观的理解类似于“更多即更大”的原则（Ohm’s p-prim）。例如，离热源越近，感觉就越热；或者，更多的沙粒堆积成更大的沙丘。研究也发现学习者常将这一原则应用于解释季节变化，即夏天地球离太阳更近，冬天离太阳更远（更近=更热）。在本次对话中，马克将这一原则应用于解释月球大小的变化：站在赤道上时月亮看起来更大，在瑞典时看起来更小。

在讨论影响月亮视大小的第二个因素（轨道）时，马克没有具体说明轨道如何影响视大小（尽管这个观点在采访的后半部分有更详细的讨论）。这种解释缺乏因果逻辑的解释方式可以有多种解释：可能是他是在对话过程中即时构建了解释，可能是因为他认为因果关系不重要；也可能是由于采访的社交环境使这个因素当时不相关；或者是因为使用了不同的沟通方式（如符号资源）影响了他的思考。在比较这两个因素时，马克指出轨道对月亮视大小的影响不如地球位置重要。这番推理引人思考，因为它提出了关于不同知识点和优先级的问题。回想一下，马克在解释月球大小变化时使用了“更多即更大”的原则。既然他没有在其他地方使用这一原则，那么可能是因为他认为这个原则不适用于当前的情况。另一种可能是他确实使用了这一原则，但出于某种原因没有大声表达出来。在采访的这一阶段，马克认为站在地球上的位置比距离月球远近更重要，这引发了关于为什么他会这样认为的问题。可能是因为他在瑞典的生活经验让他认为地球位置是一个重要因素。

在对比这两个因素时，马克提到了地球位置对月亮视大小的影响大于月球轨道的影响。值得注意的是，他在对话中提到这一观点时表现出了一些犹豫和不确定性。后来他明确表示从未真正考虑过月球的大小，这进一步证明他是即时构建了这个解释，而不是基于之前的知识。他的解释结合了“更多即更大”的原则，以及他在瑞典的生活经验，这些因素共同影响了他的理解。有趣的是，他在对比两种解释时，认为地球位置更重要，但原因并不明确，可能是涉及相对距离和比例的问题，或者是某些知识点的优先级问题。

从知识点的角度来看，这项分析记录了学习者如何根据已有知识（包括“更多即更大”的原则）即时构建解释的实例。在整个采访过程中，他对解释的自信心似乎逐渐增强，这符合多次使用类似知识点的情境。这项分析还揭示了不同生活经验如何影响知识理解，这一点在其他研究中也有讨论。此外，这项研究还说明了知识在特定情境下的应用性，例如地理因素如何影响对天文现象的理解。

在考虑将这一研究结果应用于天文学教学时，可以看出学习者在处理天体视大小问题时面临着复杂性。他们可能并不清楚天体的实际大小及其与其他天体的相对大小。天文学中的距离的概念对于学习者来说具有挑战性，即使他们可以结合相关的直观经验和日常生活经验来理解这些现象。这项研究还展示了学习者如何利用已有知识来构建解释，并揭示了他们在这一过程中遇到的困难。因此，在设计和实施相关教学内容时需要更加谨慎。

**迷你论文3：社会符号学（Social Semiotics, SS）**
作者：Christopher Robin Samuelsson 和 Urban Eriksson

**A. 引言**
学习物理需要学生使用多种表达方式：手势、绘画、数学符号、口头和书面语言等，并在这些表达方式之间协调意义。在社会符号学中，这些表达方式被视为符号系统，它们的协调构成了所谓的“表征能力”。这种能力在天文学教育中尤为重要，因为天文学研究对象通常无法直接观察或操作，而且推理过程中常常涉及不同尺度实体之间的空间关系。表征能力发展的一个关键过程是“转译”（transduction），即从一个符号系统到另一个符号系统的意义传递，例如从手势到绘画或从口语到数学符号。研究表明，多模态方法有助于学习，但学生如何在各个符号系统之间进行转译（比如从短暂的手势到持久的绘画）的具体机制尚不完全清楚。当学生自发地在不同符号系统之间转换时，他们正在进行实时意义构建，这有助于了解学科知识的形成过程。通过研究高中生马克如何在讨论月球视大小时在不同观测位置之间转译意义，我们可以深入了解这一过程。通过将社会符号学分析应用于马克探索地月系统的活动，我们追踪了意义如何在不同符号系统中传递，以及这揭示了学科理解发展的过程。B. 理论背景：社会符号学提供了全面的理论视角，用于理解意义是如何在特定实践社群中构建和交流的。在教育背景下，社会符号学可以定义为“对社会特定部分中专门的意义构建系统的发育和复现的研究”[11]（第95页）。物理课堂就是这样的一个社群，学生们必须学会理解其特有的意义构建系统。在这种背景下，学习不仅仅是获取事实知识，还包括发展对这些表示实践的熟练度，因为物理知识是通过这些实践构建和交流的。这种方法认识到，学习或意义构建涉及协调多种交流方式，而不仅仅是语言。在该模型中，我们将“对完成特定任务具有特别相关性的物理概念方面”[75]（第2页）称为学科相关方面（DRA），例如，在讨论月球的大小时，DRA 包括地球和月球之间的距离。社会符号学的核心概念是符号系统和符号资源——即在一个社群内制造和分享意义的工具和方式。在教育环境中，常用的符号系统和资源的例子包括“图表、示意图、草图、数字以及专业语言”[11]（第96页）。与静态表示不同，符号资源被认为具有潜在意义，这种意义是通过在特定情境中的使用而实现的[11]。符号系统可以被视为符号资源的一个类别（例如，颜色——红色、蓝色、绿色，或手势——共生和象征性的）。当一小群物理学生一起解决家庭作业问题时，他们可能通过多种符号系统来表达意义，包括语言、图画和方程式，并通过白板展示将这些意义分享给整个物理班级。每个学生可能会单独将不同符号系统之间的意义进行转换；一个人可能首先用语言表达他们的推理，然后使用数学符号来形成这种推理，另一个学生可能会先画图来结构化他们的推理，然后再用语言与其他学生分享。最终，学生们可能会协商他们能达成一致的内容，并在白板上表达出来。所有这些在表示方式和表达方式之间的转换都涉及符号系统和转换。

1. 持久性和非持久性符号资源
社会符号学模型在持久性和非持久性符号资源之间做了关键区分。持久性表示包括稳定、持久的形式，如不同类型的图表、绘图和图解，而非持久性表示则包括短暂的形式，如言语和手势。这种区分对于理解不同符号资源在教育互动中的协调方式尤为重要。研究表明，持久性表示通常可以作为中心，围绕它们可以协调非持久性表示[80]。这创建了一种层次关系，其中手势和言语为更稳定的视觉或物质资源提供方向并帮助解释它们。

2. 转换和多模态交流
分析社会符号学中的意义构建的一个关键概念是转换——即意义如何在不同符号系统之间传递的过程。该模型中的一个核心分析区别是转换和转变。转换指的是意义在不同符号系统之间的传递，例如，当学生通过绘图来表达之前通过手势传达的内容。相比之下，转变涉及在同一符号系统内的意义变化，例如，当学生通过添加新元素来修改绘图[76]。这种区分在分析上很重要，因为作为跨系统过程，转换对意义构建者提出了更高的要求：目标系统的特性可能会突出源系统中被边缘化的方面，反之亦然。主要是通过转换，我们可以观察学生在不同表示模式之间移动时他们的理解是如何重塑的。Gregorcic 等人[81]展示了学生如何“将谈话与手势和环境中的资源结合起来，传达他们最初无法仅用语言表达的想法”（第1页）。这表明像手势这样的系统往往可以作为转换桥梁，帮助在语言、视觉和空间模式之间传递意义。

3. 手势作为符号系统
在学生可用的各种符号系统中，手势在物理推理中扮演着特别重要的角色。Gregorcic 等人[81]展示了学生如何在处理复杂的物理概念时“大量依赖非语言意义构建资源，尤其是手势和周围环境中的资源”（第1页）。手势不仅仅是言语的补充，而是意义构建的组成部分，可以“相对流畅地表达复杂的物理概念”（第1页）。例如，在解释电磁感应时，老师在说“磁铁穿过线圈”时移动她的手，产生了一个表示性手势。相比之下，快速向下挥动手势来强调单词“感应”则是一个节奏信号，表示重要性，但不传达任何物理内容。研究根据其意义构建功能区分了不同类型的手势。表示性手势携带与学科内容相关的明确意义，而非表示性手势（如节奏手势）则具有节奏或强调功能，但不传达具体的概念内容。Gregorcic 等人[81]指出，表示性手势是“物理教育研究界最感兴趣的手势类别”（第3页），因为这是一个“与物理内容明确相关的表示类别”（第3页）。对于教育分析来说，特别重要的是共生手势——这些手势“是在外部可感知的结构背景下产生的，并依赖于环境提供的意义来完全理解”[81]（第2页）。这些手势通过与环境特征（如图表、数字显示屏或物理装置）的结合来获得意义——例如，将手臂举到图表中倾斜线的相同角度。如果手势本身在产生或执行时携带着意义，同时与环境的一部分一起，那么它也可以是表示性的，就像前面的例子：用手臂模仿图表中的斜线来表示斜率（手势和图表中的线条具有相似的意义），或者用两根手指模仿画在纸上的鼓槌击鼓（手势和绘图具有不同的但互补的意义）。然而，指向图片中某物的手势是共生的，但不是表示性的。该模型认识到，“这些系统中的任何一个单独来看都不足以构建参与者正在追求的行为”[82]（第36页），强调了分析“符号系统的生态”[36]而不是孤立地分析个别符号资源或系统的重要性。对于手势分析来说，这意味着要理解手势如何与言语、环境特征和其他意义构建资源协调。我们将这些来自不同符号系统的“生态系统”或协调的符号资源称为符号资源系统。

这种社会符号学方法提供了一个全面框架，用于理解学生的手势不仅仅作为单纯的行为现象，而是作为与其它符号资源协调的学科意义构建过程的组成部分，从而促进学习和交流。C. 目的——SST
本研究调查了高中物理学生在推理地月系统时如何生成和协调不同的符号资源。具体来说，我们研究了马克使用了哪些符号资源，以及意义是如何在不同表示模式之间转换和转化的。理解这些转换过程很重要，因为学生的个人转换提供了关于学习内容和方式的见解[76]。这些见解可以为物理教师如何更好地支持学生发展表示能力提供信息。此外，关注这些微观层面的转换可以让我们洞察到如果仅关注最终表示产品而不是符号系统之间的动态转换，就无法看到的意义构建过程。D. 分析方法——SS
1. 分析粒度
我们的分析是在个别表示和设备交互的粒度上进行的。我们检查了马克在推理六个 DRA 时使用的每个表示或设备：月球轨道、月球、地球、月球相对于地球的位置、地球和月球之间的距离以及轨道椭圆率（用马克的话说就是“膨胀度”）。这可以是一种独特的手势，例如一个物体的绘图（地球）以及伴随的非语言符号资源的口头推理。
2. 关注的元素/方面
在分析中，我们主要关注符号资源和系统（交互或生成的表示和设备）以及它们是如何协调或排序的。特别是，在推理地月系统时涉及的表示性和非表示性手势，针对粒度部分中描述的特定 DRA。
3. 转录
收集了马克参与活动的视频数据，并通过多模态转录进行了后续处理。转录过程将交互分为三个不同但相互关联的组成部分：
- 言语：这一类别捕捉了研究者与马克之间的口头交流，包括问题、回答、犹豫和口头推理。
- 手势：这一类别记录了所有的非语言交流动作，特别是模型中描述的手势类型（表示性和非表示性手势）。
- 互动：这一类别记录了马克与环境中的持久性符号资源进行互动的所有实例，包括创建某物（绘制图画）和操作物体（如移动表示月亮的棍子）。
转录直接整合到视频流中，创建了一个同步的多模态记录，使得每个类别都能与其他类别和相应的视频数据精确匹配。这种整合使我们能够逐时刻分析不同符号资源是如何实时协调的。为此，我们使用了 ELAN——一个由马克斯·普朗克心理语言学研究所开发的视频注释工具[83]。
4. 分析
我们的社会符号学分析重点关注两个关键要素：马克用于意义构建的符号资源，以及意义在不同表示模式之间传递的转换过程，即转换[11,76]。在这个模型中，我们将符号资源定义为参与者使用或讨论的任何类型的意义构建工具（例如，符号、设备、肢体语言或言语）。
符号资源系统不一定构成一个符号系统，因为这些资源可能属于不同的符号系统。在我们的分析中，我们描述了在科学、技术、工程和数学教育领域早期研究中提到的两种类型的手势[81,84,85]：
- 表示性手势（REP）：这包括传达意义的手势，例如通过动作或形状表示的意义，例如马克的手势形成球体来表示月球[84]。
- 非表示性手势（NONREP）：这包括不单独传达意义但可能与其他传达意义的符号系统一起执行的节奏性或指向性手势，有时用于强调另一个符号系统的某些方面，例如伴随言语的节奏性拍击手势[81,85]。分析重点关注马克在推理从地球不同位置和不同时间观察到的月球表观大小时，如何使用多种符号系统。涉及的符号系统包括：
- 手势（非持久性）
- 言语（非持久性）
- 设备（持久性）：表示月球和太阳的棍子、笔
- 绘图（持久性）
最后两个系统通常涉及互动组件、手势组件中的手势以及转录中的言语组件中的言语。分析探讨了马克如何协调这些不同的符号系统来传达想法和做出决策，特别关注系统之间的转换实例。这些引用在文本中加上了行号。请注意，这些引用与共享结果（第 V 节）中的引用略有不同，因为 SS 需要不同的转录，包括例如节奏性手势。
E. 结果——SS
马克参与活动的方式揭示了他使用符号资源的独特模式。通常，他在做决定时会毫不犹豫地使用持久性的符号资源。例如，当被问及从地球上的两个不同位置（“赤道”位置和“瑞典”位置）观察到的月亮表面大小的差异时，马克迅速使用实物来解释，他说：“我认为是有点像……微小的变化，也许就像这样（他举起了两根上面画有不同大小月亮的棍子）。”（第62行）。研究确定了两个不同的序列，这些序列涉及不同的符号资源使用模式。这两个序列都涉及与地月系统相关的少量符号化表达（DRA）：月亮、地球、月亮的轨道、月亮与地球之间的距离以及月亮相对于地球的位置。接下来的两个部分将描述这些序列，并突出表现出的不同转换层次。

1. 序列1：有限的转换，主要使用象征性的手势
这个序列始于一个关于所选月亮图像（在棍子上）是否代表了从地球上某个特定位置观察到的月亮表面大小的问题。在回答关于从地球不同位置观察到的月亮表面大小的问题时，马克主要使用指向性手势来指代画中的元素。他说：“就像如果你站在这里（指向便签纸），它看起来会是这样吗（指向便签纸并做出有节奏的手势）？”（第52行）。这些手势是非表征性的，它们指的是画本身，而不是独立传达意义。在这个序列中，符号系统之间的转换非常有限。马克继续说：“嗯……我的意思是……在瑞典这里（指向便签纸），我们有点靠近地球的顶端（伸出手），所以我认为是这样的（指向便签纸）。”（第54行）。同样，这些手势是非表征性的。当被问及月亮在不同时间是否比在不同位置时表面大小会有变化时，马克完全依赖有节奏的手势：“嗯……我的意思是，从技术上讲，月亮会在轨道上远离或靠近（做出有节奏的手势），当我站在这里时（做出有节奏的手势），我认为它可能会有点变化（做出有节奏的手势），但不像在赤道看到的那样明显（做出有节奏的手势）。”（第66行）。有节奏的手势主要用于强调论点，与指向性手势一样是非表征性的。此外，在这个序列的这一部分，马克主要使用非持久性的符号资源（语言和有节奏的手势），这些资源没有转化成新的符号系统。这个序列中观察到的有限转换本身具有分析意义。马克依赖非表征性手势以及他倾向于停留在语言和指向模式中的习惯表明，提出的问题并没有引发他去寻求其他表征性资源的动机。他的推理停留在画的表面，而没有对其进行创造性的处理。值得注意的是，这种转换的缺失并不是偶然的，而是受到结构限制的。根据定义，非表征性手势本身不携带学科意义，它们与其他符号系统（最典型的是语言）配合使用，起到节奏或强调的作用。由于转换涉及跨符号系统的意义重构[76]，一个不承载意义的手势不能作为转换的来源或目标。因此，马克在序列1中主要使用有节奏的手势，这不仅与有限的转换相吻合，实际上还防止了转换的发生。可以打个比喻：就像音乐家不需要看乐谱就能哼唱熟悉的曲子一样，马克可以通过参考画来回答关于月亮表面大小的问题，而不需要重建或扩展表示系统。只有当概念需求增加时，比如在序列2中，这种模式的局限性才会显现出来，转换就变得必要了。

2. 序列2：多个符号系统之间的复杂转换
第二个序列开始于马克被问及月亮的轨道形状如何与他的推理相关。起初，他只使用非持久性资源（语言和手势）：“嗯……是的……哦，等一下，不……[用手托住下巴]我的意思是这取决于（做出有节奏的手势），比如如果月亮的轨道是一个完整的圆（用一只手画圈），或者有时它会变短（双手靠近），有时会变长（双手远离）。（交叉双臂）（第70行）。在这里，马克使用表征性手势来推理月亮的轨道（用手画圈）和月亮与地球之间的距离变化（双手靠近或远离）。马克继续说：“[交叉双臂]嗯……我认为它不是一个完整的圆，不过我不太确定（做出有节奏的手势）。所以，有时候当月亮在周围时（用手在身体周围画出一个球体），我和月亮之间的距离（用右手在左手和胸部形成的‘半球’之间移动来表示距离）会比其他部分短（重复手势，然后稍微向左移动以表示相对于‘半球’的新位置）。”（第72行）。在这里，马克再次使用了一些之前提到的符号化表达。他利用非持久性符号资源来同时表示多个复杂的关系：月亮的轨道（手绕身体画圈）、月亮（手画出球体）、月亮随时间变化的不同位置（左手相对于身体的移动），以及地球上相对于月亮每个位置的位置（马克的身体和右手的手势）。然而，在进行推理时维持这个系统证明是具有挑战性的，因此他被要求画一幅图。

当被要求画一幅图时，马克立即开始生成一个与之前建立的非持久性系统结构相匹配的持久性符号资源系统。这个转换过程非常明显：
- 他画出了椭圆的轨道、月亮和地球。
- 他用线标出了月亮在轨道上的两个位置以及他自己在地球上的位置之间的距离。
- 他画出了两个月亮，一个用虚线表示月亮的移动位置，另一个用实线表示。
- 他还添加了上下文元素，比如在其中一个月亮的位置加上“E代表地球”，并用不同的边框来区分它们代表同一个月亮在不同位置的情况。

这个绘图系统使得可以针对系统的特定部分提出更具体的问题和答案，比如哪个“月亮”位置更靠近地球以及为什么。绘图的持久性使马克能够更自信地进行推理。马克最初意识到他在解释地月系统时存在局限性，因此通过表征性手势传递了一些意义，这些意义最终又转化到了绘图中，从而形成了一个转换链[79]。

表I总结了在序列2中马克使用的三种符号系统中每个符号化表达的实现方式。表格显示，大多数符号化表达在所有三个系统中都有体现，尽管存在显著差异：例如，轨道的椭圆形“膨胀”在语言和绘图中都有体现，但在手势中没有表现出来；而马克用自己的身体作为地球的符号资源在绘图中没有直接对应物，相反，地球被画成一个标有标签的圆。

F. 讨论—符号系统转导（SST）
对马克使用多种符号资源的分析揭示了他进行物理推理过程中的几个重要见解：
1. 持久性 vs 非持久性符号资源及其对信心的影响
马克在使用持久性符号资源（绘图和实物）时，表现出明显更高的信心和清晰度，相比之下，使用非持久性资源（仅手势和语言）时则不然。这种信心的提升在序列2中尤为明显，从手势表示到具体绘图的转变使马克能够更精确地表达地月系统各元素之间的关系。这支持了先前的研究，即持久性符号资源通过外部维护复杂关系来减少认知负荷[81]。当马克在序列1中仅依赖非持久性资源或研究者提供的持久性资源（即马克自己没有生成的资源）时，他的回答包含更多的犹豫和不太具体的空间推理。
2. 转换链作为学习的标志
转换过程，即将意义从一个符号系统转移到另一个符号系统，在马克的推理发展中显得尤为重要。序列2中形成的转换链代表了马克意义构建的关键进展：从心理意象到表征性手势，最终到绘图。这种转换链体现了Volkwyn[76]所提出的可能是学习和深化概念理解的标志。随着意义在不同符号系统之间的重构，马克似乎对他所涉及学科的相关方面（符号化表达）有了更精细和清晰的理解。
当马克最初意识到口头解释的局限性时，他转向使用表征性手势来绘制月亮及其轨道，最终将这些意义转化成更精确的持久性绘图，每个转换似乎都使得对地球、月亮、不同位置和距离之间关系的推理更加复杂。
3. 跨符号系统的学科相关方面的映射
符号化表达在符号系统之间的映射（表I）表明，转换并没有在每个系统中产生完全相同的表示，而是互补的表示。有人认为，这一过程“是学习正在进行的标志”[76]（第113页）。例如，轨道的“膨胀”仅在绘图中出现，这表明持久性媒介提供了短暂手势所不具备的空间精度。相反，马克用自己的身体作为参照点的具身表示捕捉到了鸟瞰图必然丢失的第一人称空间视角。这种互补性支持了这样一个论点，即不同的符号系统不仅仅是复制意义，而是重新塑造了意义，在此过程中突出了不同的符号化表达。这种意义在不同系统中的分布也有助于减少同时协调多个空间关系所涉及的认知负荷[86]。

另一个转换的例子出现在马克绘制的持久性绘图中，其中：
- 月亮的轨道被画成椭圆形。
- 地球被标记为“E”。
- 月亮的不同位置被区分开来（一个用实线，一个用虚线）。
- 画出了连接地球和不同月亮位置的线条，明确表示距离。添加新的符号系统也可能使马克发现或传达新的见解。例如，“凸出”这一特征并没有通过手势来表达，而是在绘画中显现出来。然而，值得注意的是在转化过程中可能存在一种潜在的张力。每一次转化似乎都在加强马克对自己当前推理路线的坚持：手势系统反映了语言推理，而绘画系统又反过来反映了手势系统。如果每个新的表达系统只是确认而不是挑战前一个系统，那么转化不仅可能作为一种学习机制，也可能成为一种固化机制——一种表达确认偏差，在这种偏差中，系统间的连贯性被视为推理正确性的证据。这提出了一个具有教育意义的问题：教师在什么时候可以有效地进行干预，引入一个与学生自己的绘画不同的标准图示，以打破这种无效的转化链？转化连贯性与概念准确性之间的关系是一个值得进一步研究的领域。

4. 手势类型及其功能
马克使用不同类型的手势，在他的推理过程中发挥各自的作用：
- 节奏/运动手势主要强调语言表达，但具有的学科意义有限
- 共生手势指的是现有持久表达中的元素
- 表达手势则体现了诸如轨道和距离等抽象概念

值得注意的是，马克的一些手势表现出双重性，它们同时具有表达性和共生性——这一现象之前在研究行星轨道的学生中也有观察到。从序列1中的主要是非表达性手势到序列2中的复杂表达性手势的转变，似乎与他逐渐发展的概念理解相平行。

G. 结论—符号系统传输（SST）
这项分析表明，学生所使用的符号资源从根本上塑造了他们的物理推理方式。马克的案例说明了两个关键发现。首先，持久的符号资源比单一的非持久资源更有助于复杂和自信的推理，这支持了外部化意义可以减少同时协调多个空间关系的认知需求的观点。其次，从语言到手势再到绘画的转化链在意义构建中是一个关键步骤：每次跨符号系统的转换都为学生提供了完善、扩展甚至巩固理解的机会。对于物理教育而言，这些发现表明教学设计应当有意地支持转化过程，为学生提供机会和理由，让他们能够在多个符号系统中表达自己的推理。同样重要的是，教育者应将转化过程本身视为一个诊断工具：学生如何在不同系统间传递意义的方式不仅揭示了他们当前的理解，也展示了其理解的发展轨迹。未来的研究可以探索如何通过有针对性的表达挑战来有效地打破那些可能导致误解的转化链，以及转化能力在物理学习中的长期发展过程。

图6. 一个转化链，在这个链中，学生的心理意象通过符号系统的转换分布在三个不同的系统中。

IX. 总结性讨论
在这项工作中，我们分析了来自三种不同模型（框架理论、知识片段理论和社会符号学）的一个访谈。在讨论中，我们详细阐述了这三种不同视角如何导致不同的结果，它们如何互补，以及合作性互动如何引发新的问题。

A. 不同模型导致不同的结果
所有三个研究团队都认为马克的访谈最为有趣（尽管原因各不相同）。我们也同意马克访谈中的哪一部分最引人注目，并且都认为马克最初有些犹豫，但最终建立了一个或多或少连贯的理解。
然而，由于三个作者团队分析和解释相同数据的方法不同，也存在差异。这一点在研究问题或目标上表现得非常明显（所有这些问题和目标都围绕这个特定主题设定）：
- FWT（框架理论）：寻找马克的心理模型以及它如何在各种相关但不同的问题中的使用方式。
- KiP（知识片段理论）：KiP方法在多大程度上适用于天文学尺度？
- SS（社会符号学）：意义是如何在符号资源之间转化和传递的？
这些研究问题/目标的差异源于不同的兴趣点，也源于不同的认识论立场。FWT和KiP认为可以评估或检查学生的（在这里是马克的）思维，并通过口头表达的访谈问题答案来构建他的心理模型或概念理解。FWT假设心理模型更为连贯，而KiP则不抱这种假设，而是依赖于在概念理解中结合起来的小元素。SS则不认同这两种假设，他们认为评估一个人的思维是不可能的。然而，正如SS所指出的，详细研究理解的表达和分享方式是可能且有用的。因此，所有三个模型都认识到口头表达的重要性，但在分析和结果中扮演的角色不同。

因此，在研究问题/目标下面，关于学习者的知识和学习机制存在以下不同的假设：
- FWT：假设存在一个心理模型，并且学习是追求内部一致性的过程。
- KiP：假设存在一个复杂的知识系统，学习是重新组织知识片段的过程。
- SS：认为表达系统及其转化对于学习至关重要。
这些关于知识和学习的不同目标和假设导致了不同的方法论。这体现在分析数据的方式上，即分析的粒度不同：
- FWT：采用一种整合所有答案、绘画和问题的方法。因此，粒度较大，将每个问题作为一个整体来考虑，但通过整个访谈的视角（可能的最大粒度）。
- KiP：通过观察、概括和系统化循环迭代分析，以识别知识资源。粒度是在访谈期间的一次发言，可以是一个句子或一个单词（可以说是最小的粒度）。
- SS：识别符号系统及其在意义构建中的能力，以及它们是如何组合的。每个表达都被视为一个独立的单位。这导致粒度较小到中等，因为可以是一幅完整的绘画，也可以是在构建过程中的一部分绘画。当然，由于不同的目标导致了不同的分析粒度和方法论，同样的数据会得出截然不同的结果。

- FWT提出了一个新的误解：月球在赤道处看起来比在极地处更大，因为赤道离月球更近。
- KiP提出了一个将现有的p-prim（欧姆定律中的概念）应用于新情境（天文学距离）的观点：月球大小的视觉变化是由于人在地球上的位置不同（当人在赤道上时，月球看起来比在瑞典离月球较远时更大）。
- SS：当学生能够自信地描述现象时，提出了一条转化链，说明了学生如何在多个符号系统中分配意义构建过程。在FWT中，马克的心理模型始终是研究者的关注焦点。FWT的研究者认为这个模型相对连贯且稳定，因为它在不同的问题中反复出现。然而，如上所述，FWT的研究者也承认马克最初有些犹豫。因此，他可能是在访谈过程中构建了这个模型。关于概念理解和心理模型发展的文献很多，但这些文献中的时间尺度非常不同，通常是几年而不是几分钟。事实上，Vosniadou等人[4]指出，概念变化是一个渐进且持续的过程，涉及许多相互关联的知识片段，需要很长时间才能完成。（第26页）从严格遵循FWT的角度来看，马克概念理解的快速变化是出乎意料的。

然而，概念理解的快速变化完全在KiP的研究范围内。KiP研究关注的是可以用来构建理解的微观资源。这种构建可以导致或多或少连贯的理解（注意这里我们故意不使用“心理模型”一词），但从KiP的角度来看，分析的重点是识别和描述这些资源以及它们组织起来的过程，并随着时间的推移重新组织它们。在这项工作中，马克的心理模型并不是KiP研究者的主要关注点。“资源”主要是指知识资源（例如，p-prim）。然而，在这次访谈中，马克也使用了物理资源（既是因为需求，例如棍子上的太阳和月亮，也是马克主动提出的，例如绘画）。马克如何与这些（符号）资源互动，创造自己的（符号）资源（例如，手势），以及他如何使用这些资源来构建理解和表达自己的想法，是SS研究者的兴趣所在。

因此，对于所有三种模型来说，对访谈的详细分析都得出了对各自研究领域都有价值的见解，尽管它们在兴趣、假设和方法论上存在差异。

虽然这项工作的初衷不是基于每个模型单独增加文献内容，但我们展示了通过分析来自不同模型的（访谈）数据至少有可能获得额外的见解。可以预期，如果使用其他模型，可能会出现更多的见解。这并不令人惊讶，考虑到关于这些模型的现有丰富文献，我们认为这并不是一个革命性的发现。相反，这一小贡献只是从三个访谈中选择一个进行研究的副产品。如果我们关注其他访谈，情况可能就会不同。

B. 三种模型的互补性质
显然，这三种模型以不同的方式看待马克的心理意象。同样清楚的是，没有一个模型能够完全掌握所有信息。这项工作的第二个、也是更重要的发现是，这三种模型在本质上是互补的。事实上，通过使用三种不同的模型来分析相同的数据，我们获得了对马克所理解的天文现象更为详细和细致的描绘。

我们将三个模型的数据结合起来进行解读，见图7。马克被问到一个他在访谈之前从未认真思考过的问题。在图7中，时间t1时，马克心中已有的心理模型、资源和先前的心理结构被表现为不连接的点、圆和多边形。马克被问到第一个问题时，他有些犹豫，但给出了一个初步的答案，结合了一些p-prim、资源和潜在的心理结构。这些连接以虚线表示，表明它们是薄弱和暂定的。然而，随着访谈的进行，这些连接变得越来越强（如右图中的实线所示），并融入了由一系列访谈问题引发的新方面。他使用各种资源和p-prim建立的连接是KiP关注的焦点（用蓝色表示）。相反，最终（半）稳定的但错误的结构在访谈中反复出现，这是FWT感兴趣的（用橙色表示）。当然，两种模型都考虑了整个访谈过程（即从左到右都有这两种颜色）。然而，整个访谈过程中发生了什么并不完全清楚（从t1到t4）。这一点通过白色线条表示，表明还有其他方法的空间和必要性。SS模型（用绿色表示）正是这样做的。在整个访谈过程中，马克说话、做手势并绘画。这些将他的心理意象转化为物理形式并再转化回心理的形式的行为迫使他澄清自己的思维，从而加强了他心中的连接。

图7.这三个模型以互补的方式结合在一起，描述了马克的心理意象是如何随着时间发展的。文本中对这一图景进行了详细描述。当然，这个图景并不是完整的，例如，我们不知道为什么特定的p-prim被触发，可能是由于语言障碍或翻译错误。我们也不清楚这个心理模型的稳定性如何。我们还不清楚它是否以及如何与其他天文（和地球）现象（如季节、潮汐、昼夜等）的理解相联系。尽管如此，这种解释比任何一个模型单独所能提供的都要丰富。最后，我们注意到，尽管存在差异，但三个研究团队在某些方面是一致的。我们都认为马克的访谈是最有趣的（尽管原因各不相同），我们都认同马克访谈中哪一部分最引人入胜，并且我们都认为马克最初有些犹豫，但最终建立了一个或多或少连贯的理解。

来自团队合作的理论想法

到目前为止，我们讨论了这些见解与三个模型各自文献的相关性，以及这些模型之间的互补性，这使我们能够为马克的案例添加更多细节。最后一个贡献来自于团队合作的过程。在讨论过程中，通过对比各种模型组合，产生了更加细致的见解和新的问题。

1. KiP-SST
SS强调持续性和非持续性的符号资源，这提出了一个富有成效的问题：KiP和SS是如何概念化表示资源与知识之间关系的？更具体地说，表示性手势与知识系统的变化之间是否存在系统性的关系？虽然实证的KiP研究已经将手势和表示纳入了它们的分析[87,88]，但明确整合转换的概念可以为学习机制提供新的分析视角，不仅揭示了学生依赖哪些资源，还揭示了意义在不同模式间传递时是如何被重塑的。另一个相关的问题是关于语言上的犹豫。在KiP分析中，犹豫通常被视为学生正在实时构建解释的证据，即他们在利用和组合可用的知识资源。而从SS的角度来看，同样的犹豫可以被解读为尝试转换的时刻，即意义在从一个符号系统转移到另一个符号系统时的暂停。这两种解释并不互相排斥；实际上，它们的结合表明犹豫可能标志着一个真正的认知-符号边界。最后，尽管SS没有使用与KiP中精细的“粒度”相对应的概念，但仍然可以阐述两者之间的富有成效的关系。一个给定的符号资源，无论是手势、图表还是语言表述，都可以被理解为某些p-prim组合的特定实例。然而，关键在于没有任何单一的符号模式能够完全编码这种组合所携带的所有信息，因为一些意义在转换过程中不可避免地会丢失或改变。这正是转换所描述的。从这个角度来看，转换可以作为桥梁概念，解释p-prim如何在外部环境中外化，即从内部知识结构到物质符号形式的转变，而多种符号系统的需求反映了所表达的知识资源的不可还原的复杂性。

2. KiP-FWT
已有大量研究讨论了KiP和FWT模型之间的重叠点和争议点。这两个“阵营”在各自的论文中对此进行了讨论[7,8]，但也有外部人士将它们视为连贯性辩论中的对立面。有人认为，不同的立场在很大程度上是由于方法论上的差异。事实上，FWT研究通常涉及年龄较大的儿童，而KiP研究则更多涉及年龄较小的儿童和本科生。在这篇文章中，这种差异已经被消除了，因为我们使用了完全相同的访谈数据。尽管如此，不同的作者团队得出了不同的结论。我们认为，这是由于关注点和兴趣粒度的不同。KiP分析关注的是与知识资源的具体情境相关的更小的粒度，而FWT则关注更长的时间尺度（仍然在访谈范围内）来解释半稳定的概念理解。当然，这些差异是微妙的，因为KiP也认识到（不一致）可能是重要的，FWT也重视情境，但不同的重点导致了不同的结果。因此，我们认为连贯性辩论中的不同立场在某种程度上可能是一种错误的二分法。我们遵循Scherr的建议，呼吁研究人员对这两种模型持开放态度，并寻找它们的互补性[24]。如果学生能够同时使用p-prim（和其他资源）来构建对概念问题的回答，并构建（半）连贯的心理模型，那么这就引出了有趣的问题：可以整合到心理模型中的最小内部结构是什么？p-prim/资源能否对此提供洞察？心理结构何时从临时性的（由问题引发的）转变为更永久性的？需要多少时间（学生与学习材料/教师的积极互动）才能实现这种转变？是否可以通过提供特定的（外部）资源或引导不同的p-prim来引导这种转变，朝着科学理解的方向发展？

3. FWT-SS
FWT已经讨论了KiP和FWT模型之间的许多重叠点和争议点。这两个“阵营”在各自的论文中都有阐述[7,8]，但外部人士也将它们视为连贯性辩论中的对立面。有人认为，这些不同的立场在很大程度上是由于方法论上的差异。确实，FWT研究通常涉及年龄较大的儿童，而KiP研究则更多涉及年龄较小的儿童和本科生。在这篇文章中，这一差异已经被消除了，因为我们使用了完全相同的访谈数据。然而，不同的作者团队得出了不同的结论。我们认为，这是由于不同的关注点和兴趣粒度不同所致。KiP分析关注的是与知识资源的具体情境相关的更小的粒度，而FWT则关注更长的时间尺度（仍然在访谈范围内）来解释半稳定的概念理解。当然，这些差异是微妙的，因为KiP也认识到（不）一致性可能很重要，FWT也重视情境，但不同的重点导致了不同的结果。因此，我们认为连贯性辩论中的不同立场在某种程度上可能是一种虚假的二分法。我们遵循Scherr的建议，呼吁研究人员对这两种模型持开放态度，并寻找它们的互补性[24]。如果学生既能使用p-prim（和其他资源）来构建对概念问题的回答，也能构建（半）连贯的心理模型，那么这就引出了有趣的问题：可以整合到心理模型中的最小内部结构是什么？p-prim/资源能否对此提供洞察？心理结构何时会从临时性的转变为更永久性的？需要多少时间（学生与学习材料/教师的积极互动）才能实现这种转变？是否可以通过提供特定的（外部）资源或引导不同的p-prim来指导这种转变，使其朝着科学理解的方向发展？

4. FWT-SS
在FWT中，手势通常被视为观察参与者心理模型的窗口，即它们对研究者具有观察功能。然而，我们从SS模型的分析表明，手势也起着构成性作用：它们不仅仅是现有理解的表达，而是马克发展其概念理解过程中的固有部分。因此，我们呼吁这两个传统之间进行更多的合作， perhaps可以通过具身认知的理念来丰富这种合作。另一个需要关注的是访谈环境中物理工具的作用。Vosniadou和Brewer[2,3]进行的访谈没有使用物理设备，但这里分析的访谈使用了设备，我们认为这些设备对马克的思维及其回答产生了实质性的影响。我们同意Schoultz等人的观点[31]，即在访谈中使用设备时，必须仔细审视其作用，而不能将其视为中性的背景。在这里，社会符号学视角也很有价值，因为它明确关注人们如何利用可用资源来表达意义，这是任何访谈情境中的一个关键元素。对于手势、物理工具以及言语来说，马克都是通过转化意义的过程来外化他的内在心理模型的。这是一个有限的过程，没有任何符号系统能够完全表达一个想法，每次转化都会突显某些方面而忽略其他方面。我们预计这种转化也适用于内化过程——即将意义转换回内在心理模型的过程，这自然来自于使用和操控符号资源的行为。类似于几种符号资源之间的转化，内化也容易过分强调某个概念的某些方面而忽略其他方面。因此，解释的行为本身就形成了马克的概念理解。这与长期以来的一种观点一致，即理解概念变化不仅是一个认知过程，也是可以通过社会互动来发生和促进的[35]。可以想象，自我中心的语码[89]也是通过类似的转化途径，将抽象的心理模型转化为（内在）言语，再转化为心理意象。

需要注意的是，我们在这里将“心理模型”（FWT的术语）替换为“心理意象”（SS的术语）。有人可能会提出这两个术语描述的是同一个内部结构，但关注的是它的不同方面。FWT关注的是表示内容（这个模型是关于什么的？它与其他哪些心理结构（想法/模型等）相关联？）而SS关注的是这种结构的符号特性（内部意义建构有哪些可能性，以及在外部符号系统中转化时获得了什么或失去了什么？这种差异是否真正代表着概念结构的差异，或者仅仅是在分析焦点上的差异，这仍然是一个未解决的问题，但其解决将是未来整合这些模型的重要步骤。

在考虑这三个模型的并列时，出现了关于模型之间关系的新问题。一个考虑是将两种更具认知性的视角（FWT和KiP）扩展到具身认知的领域。虽然在这一领域已经有一些研究[90]，但仍有新的问题关于如何将KiP和FWT扩展到更全面地考虑SS。同时，也可以考虑如何扩展SS以纳入认知因素。另一个考虑是所提供的工具（例如，棍子上的太阳和月亮）和创造的工具（例如，绘画）的作用。从SS的角度来看，创造的工具是最有趣的，因为它涉及通过创造这些工具来进行意义建构。关于所提供的工具，马克在访谈开始时选择了一个圆盘，这也是FWT感兴趣的。这个圆盘被纳入了访谈协议中，FWT对其有一些假设，因此是FWT分析的一部分，但对KiP分析的相关性较低。这一切都引发了关于工具何时对FWT和KiP分析相关的问题，以及如何在理论、假设和访谈方法中更仔细地讨论它们的作用。

X. 展望
在这项工作中，我们研究了一个学生在特定情境下对一个主题的理解。这是少数几个通过多种模型解读同一数据集的例子之一。我们认为这只是科学教育研究及其相关学科（例如，物理教育研究）发展过程中的第一步。这种发展既有理论成分也有实验成分。从理论上讲，我们需要减少过多的模型（框架、理论等）。目前有许多模型，根据参考文献[1]有86个，所有这些模型都声称能够描述和解释概念变化或理解。我们认为这样做是必要的且可能的。虽然我们认为不可能将所有的概念变化归结为单一理论，但减少模型数量将在概念和方法论上使研究更加清晰。这也将减少教师培训的变异性。本文强调了仔细描述模型的重要性，以便学者能够做出明智的研究决策。这些模型声称什么？它们在什么情境下提出这些主张？这些模型的基本假设是什么？它们描述了哪些学习现象？随后，有必要比较这些模型。这些模型在哪些方面是独特的？哪些元素在多个模型中是共有的？哪些模型在哪些条件下表现更好？最后，哪些共同的学习、教学和教学意义可以超越多个模型？如何将众多的模型整合为数量有限的几个模型，以便能够描述、解释和预测概念变化？理想情况下，这些结合的模型应该既足够广泛，以适应不同的情境和内容，同时又足够详细，以便通过具体假设进行实验验证。

这种将三种模型进行对比的理论工作催生了更精细的问题和假设，从而推动了该领域的发展。重要的是，通过定性合作，我们开始回答问题并生成新的假设，超越了之前的定量复制尝试[15,17]。鉴于教育研究的复杂性，我们看到了这两种方法的价值，它们有助于构建能够服务该领域的教学意义。这项理论工作需要通过实验工作来补充。因为在复制危机[91]之后，已经取得了在结构化合作方面的进展。然而，鉴于教育的复杂性，我们认为需要大量的基础性定性研究工作，以便我们能够构建出更具针对性和精炼的假设，这些假设能够跨越不同的模型（未来，这些跨模型的假设需要进一步测试，也许可以采用定量方法）。实际上，在定性研究中，合作与重复性是非常重要的[92]。那么，在定性研究中，这种科学合作的黄金标准应该是什么样的呢？我们将我们的方法称为“合作竞争型合作”，以区别于“对抗型合作”[13]。在这种合作中，不同的研究团队（或模型的代表）聚集在一起：（i）研究相同的数据，从而消除在使用类似数据时可能出现的细微背景差异（例如，每个合作伙伴在自己的背景下收集的数据）；（ii）旨在寻找互补性。我们认为，这种合作竞争型合作是必要的第一步，可以帮助我们了解不同模型的可能性及其局限性，为最终的融合和后续的定量研究奠定基础。

我们实施这种合作的研究过程是迭代性的。我们首先独立解读数据，然后通过作者团队之间的多次讨论来超越个别的分析，将结果和问题整合在一起，从而形成能够跨越各个模型的见解。一旦文章初稿完成，让来自不同模型的作者阅读并提出意见，有助于完善和明确关键点。

回顾来看，有一些改进的机会。首先，尽管所有作者都同意了访谈程序，但该程序最初是由FWT（框架理论）团队的作者为另一项研究开发的（该研究属于FWT传统）。对量表模型的强调是基于FWT的假设，并被强烈纳入了FWT分析中，而在KiP（知识片段/资源）分析中则基本上被忽略了。虽然可能无法设计出完全中立的访谈问题，但认识到问题背后的假设对于理解这些问题如何影响分析和结果非常重要。事后看来，最好从头开始设计访谈程序以适应所有三个模型。其次，在考虑手势和工具在构建访谈协议中的作用时，应当考虑到SS（社会符号学）的观点。第三，我们不应忽视所使用的二维量表模型本身存在的局限性。虽然这种模型适用于本研究的设计，但它很难理想地解释像月相这样本质上是三维的现象。有人可能会批评说，使用这种量表模型会导致人们对月食和满月等概念产生混淆。尽管Mark似乎没有因此而产生误解，但我们仍然应该考虑到这一局限性。

最后，我们考虑了教育/教学方面的影响。首先，从所有三个模型的角度来看，我们都认识到给予充分的时间以促进这些推理过程的重要性。我们也认识到工具、手势和其他辅助手段对推理过程的价值。从天文学教学的角度来看，这些结果表明，让学生反思他们在地球上的位置可能会无意中影响他们对天文现象的推理。这些结果还引发了关于学生难以理解天文距离这一普遍问题的关注。

**总体结论**
在这项工作中，我们分析了来自三个模型（框架理论、知识片段/资源和社会符号学）的一名学生的访谈。每个模型中的分析都为其各自的学术领域做出了贡献：FWT模型揭示了一种新的替代性概念；KiP模型有证据支持局部p-prims（知识片段）的存在；SS模型则发现了演绎链的证据。然而，通过直接比较同一数据在三种不同方式下的分析方式，这些观点的互补性变得显而易见。此外，共同的分析带来了更深入的见解，使得每个模型都能更进一步发展。我们认为这是这项工作的真正价值所在，并主张使用共享数据进行更多的模型比较。我们认为这是推动该领域发展的必要步骤。