概念转变理论及其应用

概念转变理论及其应用

概念转变是现代科学教育研究的最重要领域。研究表明,学生的概念学习是一个概念发展过程,这一过程不可能绕开学生头脑中的前科学概念,相反,必须依靠学生原有的前科学概念,通过概念转变和重建,形成更加精确的科学概念。自20世纪70年代后期至今,国外研究者从不同视角对概念转变进行研究,提出了多种富有成效的概念转变理论,以揭示概念转变的过程与机制,这些理论已成为当代科学教学改革的思想基础。本文拟在对概念转变理论综述的基础上,进一步揭示这一理论对当代科学教育改革的启示,以期给当前我国课程与教学改革提供参考。一、概念的三大状态波斯纳(Posener)等从认识论的视角,提出了概念转变模型(ConceptualChangeModel,简称CCM),作为分析概念转变的认识论框架。该模型指出,概念转变发生必须满足四个条件:1)学习者对当前的概念产生不满(dissatisfied)。只有感到自己的某个概念失去了作用,他才可能改变原概念,甚至即使他看到了原来的概念的不足,也会尽力做小的调整。个体面对原来的概念所无法解释的事实(反例),从而引发认知冲突,这可以有效地导致对原有概念的不满。2)新概念的可理解性(intelligibility)。学习者需懂得新概念的真正含义,而不仅仅是字面的理解,他需要把各片段联系起来,建立整体一致的表征。3)新概念的合理性(plausibility)。个体需要看到新概念是合理的,而这需要新概念与个体所接受的其他概念、信念相互一致,而不是相互冲突,它们可以一起被重新整合。这种一致包括:与自己的认识论信念的一致;与自己的其他理论知识的一致;与自己的经验一致;与自己的直觉一致等。个体看到了新概念的合理性,意味着他相信新概念是真实的。4)新概念的有效性(fruitfulness)。个体应看到新概念对自己的价值,它能解决其他途径所难以解决的问题,并且能向个体展示出新的可能和方向,具有启发意义。有效性意味着个体把它看作是解释某问题的更好的途径。概念的可理解性、合理性、有效性之间密切相关,其严格程度逐级上升,人对概念有一定的理解是看到概念的合理性的前提,而看到概念的合理性又是意识到其有效性的前提。修森(Hewson)把概念的可理解性、合理性和有效性称为概念的状态(conceptualstatus),是学习者对于概念所处的状态,包括可理解的(intelligible)、合理的(plausible)及有效的(fruitful)等三个状态。学习者对于概念所处的状态愈高,其发生概念转变的可能性也就愈高;也就是说,概念转变是发生在学习者能够充分理解与应用新概念时。他进一步提出,不仅新概念的状态,原有概念的状态也会对概念转变产生影响,两者之间存在交互作用。这里应注意,概念的上述三种状态不是概念实际上如何,而只是个体所看到、所意识到的可理解性、合理性和有效性,是个体对新、旧信息整合过程的元认知监控。根据波斯纳的观点,如果满足了上述概念转变学习的四个条件,学生所持有的错误概念就会被科学概念所替代或改变。二、在同一类别内的概念变化与“跨本体类别”概念改变科学教学实践表明,有的前科学概念易发生转变,而有的前科学概念却难以发生转变,这是为什么呢?齐(Chi)从本体论(ontology)的角度分析,认为概念转变的难易与概念属于不同的本体类别有关。所谓的概念转变应分为两种类型:一是“本体类别内”的概念转变,二是“本体类别间”的概念转变或称为“跨本体类别”的概念转变。她认为这样的区分有助于我们对概念转变机制的认识。齐进一步从本体论的角度来分析概念结构。根据她的观点,概念可以分为三个不同的本体类别:物质本体类别、关系本体类别和过程本体类别,而每个不同的本体类别又可以有自然所属的“次级概念”。所谓“物质本体类别”指的是具有特定属性的范畴,如金属、有机物、生物、分子等等;所谓“关系本体类别”指的是依赖于相互作用而产生的范畴,如力学理论、守恒、平衡、食物链等等;而所谓的“过程本体类别”是指随时间的改变而发生的一种变化的范畴,如声音的传播、溶质溶解、扩散运动、生物进化、心肺循环等过程都属于过程本体类别。同一本体论类别下子类别之间的转换,称为“枝节转移”(branchjumping);不同本体论类别之间的转换,比如从“物质”类别转移到“过程”类别,称为“主干变换”(treeswitching),前者较易实现,后者较难达成。根据以上齐对概念所作的本体分类,所谓的“本体类别内”的概念改变,是指概念改变的发生是在同一本体类别内的概念上下的转变,而不是跨越不同的本体类别。也就是说,类别内的概念改变为同一类别内的概念归属改变,这种改变可视为理解与信念的修正。举例来说,“植物”与“动物”能以“生物”作为一个新的上阶类别合并两者,但是“植物”就不能变成“动物”。又如“鲸鱼”常被误认为是“鱼”,但经由增加对鲸鱼的了解,使既有的知识表征逐渐与哺乳类的特性连结,则鲸鱼的分类就不再属于鱼类而是哺乳类。如直接告知学习者鲸鱼是哺乳类,这种类别的改变基本上仍在物质类别中,只不过是从一个分枝到另一个分枝。再如,学生通过深入学习钠的相关属性———具有金属光泽、易导热导电和具有良好的延展性,从而很容易改变“钠是非金属”这一前科学概念。另外,在科学教学实践中,有许多科学概念的获得过程能够解释此种形式的转变。这种转变的方式往往以概念重组的方式进行,重组以增加、删除、普遍化和区分属性的方式来改变概念结构。这些都是仅仅属于局部的变化,不需进行本体认知结构上的重大改变,因此,这种类型的概念转变属于类别内的概念改变。所谓的“跨本体类别”的概念改变,是指概念改变的发生是在科学概念从一个本体类别转变成为另一个本体类别。这种类别间的转变与类别内的概念改变有着根本的不同:类别内的概念转变仅是一般信念的修正,而“跨本体类别”的概念转变则可以视为根本的概念改变。以物理学为例,许多物理学上的概念(如力学、电学、热和温度)较难发生概念改变,是因为学生原有的科学前概念是属于物质本体类别,但科学家对这些概念的界定却是属于过程本体类别,学习者必须跨越本体类别才能获得正确的科学概念。在科学教学中,儿童在这些概念的学习上是较为困难的。例如,由于电流概念在儿童的原有概念中是属于物质的本体类别,他们通常会有电流“会储存在电池中”或“有重量,有体积”的前科学概念,而没有认识到这些概念事实上牵涉到粒子的交互作用,它们应属于过程本体类别。再如,对于小学生来说很难理解的生态平衡、能量守恒、质量守恒等概念,由于它们都属于关系本体类别,关系本体类别的最高范畴是系统,因此,学生在尚未建立起一定的系统思想之前要完全理解这些概念是很困难的。若把不同的本体类别看成不同的“范式”,那么不同本体类别之间的概念就具有所谓的“范式的不可通约性”,因而,此类型的概念转变较之于类别内的概念转变要困难得多。总之,“本体类别内”的概念转变与“本体类别间”的概念转变过程是不相同的。也就是说,不同类型的“概念”,其转变的机制是不同的。不同的概念,其转变的难易程度是不同的。如果概念的转变仅牵涉类别内的转变,那么概念的转变是容易发生的,如生物、哺乳动物、金属、无机物等等。如果概念的转变涉及到类别间的转变,如进化、化学平衡、生态平衡、扩散等等,这类概念的转变是较少发生并且不易发生的,这就导致了学习困难。三、心理模型的建构沃斯尼阿多(Vosniadou)从认知心理学角度提出了概念转变的心理模型建构论。他认为概念转变涉及到表征的变化,这里表征对应于概念的心理模型。心理模型是个人的被模式化的目标系统的内部表征,这意味着表征的变化就是心理模型的建构,概念转变就是心理模型不断修正与重建的动态过程。在科学教学实践中学生有些错误概念难以改变,其中一个主要原因就是学生的错误概念往往涉及表征整个物理系统的原有的朴素心理模型。学生对一个概念的理解是由心理模型决定的,在学生的原有的朴素心理模型框架内形成的错误概念,如果不改变原有的朴素心理模型,这种错误概念就很难改变。有两个典型的朴素心理模型的例子:一个是曲线动量错误,绳上的一个球以圆形轨迹旋转,如果任其运动,球的运动路径将会怎样?正确的答案是球按照圆的切线方向运动,但有相当数量的人认为球应按照圆形路径运动。另一个是滑落错误,如果球以一定的速度从桌边滑出,球的轨迹将会怎样?正确答案是球应该按照抛物线下落,但有人认为球将水平向前运动,当动量耗尽时开始下落。这些错误概念背后往往有更深层次的心理模型支持,上述两个错误概念就涉及对运动的根本理解,而且学生能根据心理模型自认为正确地解释一些现象,因此自己意识不到持有的概念是错误的,更不必说要改变原有的错误概念。所以,要改变学生的错误概念,就必然要改变学生表征整个物理系统的心理模型。因为心理模型是指对某一特定系统的功能部分及其相互关系的表征,它是学生理解、推论和预测的基础,所以,学生学习和理解科学概念的过程其实就是心理模型建构过程,学生概念转变的心理过程也就是从朴素的心理模型向目标心理模型转变的过程。只有支撑错误概念的心理模型发生转变,错误概念才会发生根本的转变,并有良好的长期效果。根据认知心理学的研究,我们认为心理模型建构(mentalmodeling)过程包含四个阶段:1)激活原有心理模型中的错误概念。学生在学习或感知典型的科学事物时,或者感知描述典型科学事物的语言,陈述科学知识或准备知识的语言以及相应问题时,必须激活与问题有关的已有知识经验(原有心理模型中的错误概念),才能引发其认知冲突,促使学生进行新模型的建构活动。2)对模型中的元素产生不满(产生认知冲突)。为了促进心理模型的转变,必须让学生认识到目前持有的心理模型与接触到的资料不相符,学生进入课堂的时候不是带着空白的头脑,而是已经具有表征物理世界的心理模型,只不过这些模型常常是错误的。于是学生要将自己原有的心理模型与表征物理世界的目标模型(targetmoduel)进行比较,如果他们能够认识到两者之间的差异,就会产生认知冲突,从事各种建构活动。3)创建新模型。学生审查和修改该模型的元素,或重建新模型。4)使用新模型。即使用新模型描述、解释、预测和推论新的情境中物质实体的行为表现,以充分理解模型的意义并检验之。虽然新的心理模型已经建立起来,但整个的建构过程还没有结束,如果要使心理模型真正地成为知识体系中的一部分,还要知道如何运用心理模型,并在此基础上做出解释、推论和预测,这样才算完成整个的概念转变过程。四、多维解释框架波斯纳等人在提出概念转变模型时,认为当学生在学习新概念的时候,若能满足概念转变的条件,也就是不满足、可理解性、合理性、有效性四个条件时,新概念的相对状态就会升高,学生自然而然的就愿意接受新的概念,放弃原有的概念。然而事实上,这样的理论并不如预期中的顺利,例如,许多的科学知识在用于解释现象时,都比前概念还要不能令人满意或难以理解,学生自然没有理由要去进行概念转变。此外,学生也都缺乏对新概念的元认知(metacognition),所以学生常会继续持有他们的错误概念,而将科学概念置之不理。这样的结果促使研究者再次重新审视学生概念转变的困难,认为影响学生概念学习的因素不单单只需要满足概念转变模型中的四个条件,还应该有更多因素参与概念转变的过程,并影响学生接受新的概念的意愿。针对概念转变模型仅局限于认知方面的不足,平特里克(Pintrich)及其合作者提出了一种新观点,探讨学生的目标、价值观以及情感因素在概念转变过程中的作用。齐等人的研究依据本体论观点,将概念转变看成是具有非科学观念的学生必须改变其看待概念的方式的过程。本体论范畴将概念归于学生的心理,认为概念转变必须从非科学类别转变为科学类别。为了建构一个更加整体化的模型,泰森(Tyson)等综合波斯纳等人的概念转变模型、沃斯尼阿多(Vosniadou)的心理模型建构观点、齐等人的本体论观点以及平特里克的情绪观点,提出概念转变的多维解释框架(multidimensionalinterpretiveframework),用以解释学习者的概念转变。这个架构主要是从认识论(epistemology)、本体论与社会/情意(social/affective)三个维度来解释学习者的概念转变,并试图对主流的概念转变理论加以整合。为了检验该概念转变理论框架,特里格斯特(Treagust)等人对澳大利亚的高一学生在生物课堂中学习基因概念的过程加以研究,收集了课堂教学实录、教学中学生的工作单、教学前后考查学生概念理解的开放问卷以及教学后部分学生的访谈录音等多项数据,发现无论是认识论、本体论还是社会/情感因素,单维度的理论均无法完满地解释课堂中发生的概念转变,它们从不同角度部分地解释了课堂中的概念转变:从本体论的角度,教学前学生倾向于将基因归入“物质”类别,教学后学生将基因归入“物质”类别的比例从70%下降到44%、归入“过程”类别的比例从11%增加到47%;从认识论的角度,教学后不同的学生基因概念达到不同的状态,少部分学生能运用基因概念解决问题达到了有效性状态,另一些学生则只能达到合理性状态;从社会/情感的角度,由于与自身密切相关,学生对基因概念的学习具有积极的态度,但教师布置的认知任务没能促进学生的基因概念达到有效性状态,这为概念转变的多维解释框架提供了实证依据。五、概念转变理论对科学教育的澄清(一)注重前概念的构建科学学习是学生进行概念重建与转变过程,它是以学生的前概念为基础的,并且要从学生的前概念不断向科学概念转变。根据概念转变理论,在科学教学中要珍视学生的前科学概念,从学生的“现有水平”出发,把对将要探讨的问题可能已经持有的观点作为教学的出发点,把学生现有的知识经验作为新知识的生长点,引导学生从原有知识经验出发,通过顺应的过程,实现概念转变和知识的建构。同时,由于学生的前科学概念主要是建立在直接经验基础上的,因此,它们有的与科学知识并不一致,甚至是相互冲突的,对于这些与事实不相符的“前概念”,教师必须通过为学生创造亲历探究的机会和条件,让他们自己去发现已有经验与事实间的不一致甚至矛盾之处,引发其认知冲突,促使其审视、反思并修正自己的经验和认识,从而建构起更为科学的新解释、新概念。由于前概念具有隐蔽性,教师通过行为观察很难知道学生拥有的前概念,因此有必要采用多种方法来揭示学生的前概念。了解或诊断学生的前概念的有效方法主要有调查问卷、访谈、绘制概念图、描述等,随着计算机技术的发展,数据库、语义网络、专家系统、视觉化工具等技术工具也不断被开发出来,并专门用于支持概念的表征和模型建构。(二)建构主义的课程开发模式根据概念转变理论,学生的学习不再是在教师按照既定的课程授课下,被动地按受知识的过程,而是一种概念改变的过程;教学不再是知识的“传递”,而是师生对所学概念的意义的协商过程;课程不再是一些待学习的东西,而是促使学生重新建构概念的一系列学习活动、材料和资源。正如德赖弗(Driver)指出的:“毕竟,学生自己所持的观点才是在学习中重要的。在编写科学教材时,迄今为止人们很少注意带到学习任务中来的观念。然而,这些观念很可能对儿童能够和确实在他们的科学课上学到什么具有重要的影响。”“这种学习观表明,科学教学和课程开发中考虑和理解儿童自己的观念与清淅地呈现教科书上的科学理论是同样重要的。”德赖弗还举例加以说明,如果一个来访的客人给你打电话,说到你家去的路上迷路了,你的第一个反应也许是问她,“你现在在哪里?”你在不知道客人从哪里出发的情况下,不可能很清楚地给他指路。与此相类似,在科学教学时,课程设计既要考虑科学教材上的知识和观点,同时也要考虑儿童自己的观点,并把两者结合起来考虑。根据这种认识,德赖弗和奥尔德海姆(Driver&Oldham)在科学课程设计实践的基础上提出了建构主义课程开发模式。由此模式可看出,根据建构主义的观点进行课程开发时,首先必须同时考虑四种因素:待教课题、学生的前概念、教师的学习观(科学学习是一种主动建构意义的概念改变过程)以及教师对教学活动所拥有的相关知识(如教学策略、教学评价方法等因素)。其次,再设计适当的教学策略和教材,并将之施用于实际教学。最后,评价学习成效,并以此作为修改教学活动内容或修订课程的依据。概念转变关于重视学生前科学概念的思想对我国新课程教材的开发也产生了