西方科学教学中概念转变学习理论的形成与发展

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作者：袁维新
作者简介：袁维新（1954－ ），男，江苏淮阴人，淮阴师范学院生物系教授
摘要：概念转变学习是一种建构主义科学教学理论。本文从历史的角度回顾了概念转变学习理论的形成与发展的过程，着重分析了概念转变模型与概念生态等问题。
关键词：科学教学；概念转变；概念转变模型；概念生态
一、概念转变学习理论产生的背景
概念转变学习理论的产生源于西方科学教育工作者关于前概念的研究。何谓前概念？一般认为，学生在接受正规的科学教育之前所形成的概念可称之为前科学概念（pre-science conception）或前概念（preconception）。对于前概念，自20世纪70年代以来，西方一些从事科学教学研究的学者经过大量的研究后发现，学生形成的前科学概念由来已久、根深蒂固，这些前概念中有些是对客观世界的朴素观念（naïve concept），有的则完全与科学概念相悖，后者也叫错误概念（misconception）。
杜伊特（Duit, R. ,1994）认为前概念与错误概念的来源是不同的。[1]前概念有多种来源：1.来源于语言。如“太阳升起来”；2.同家庭成员、朋友、其他成人和同伴群体之间的交互作用；3.大众媒介；4.感觉经验。而错误概念的来源有：1.教师的以讹传讹；2.大众科普传媒的误导。例如，在德国某科学博物馆的一个展览中，提供的牛顿三定律的完全错误的说明长达数年；3.学生的错误理解。学生基于原有的错误概念，以完全不同于教师所设想的方式理解教师所呈示的内容。
霍华德（Howard, 1987）从图式角度分析了出现错误概念的原因。[2]1.概念须长时间形成，学生的各种图式均在形成过程中；2.学生认为用已有图式已足够应付日常生活，因而将学校里所学的都存入已有图式中，看不出有改变已有图式的必要性；3.有些课程在短时间内介绍了许多概念，使学生不能深入思考达到全部理解。因而他们往往求助于机械学习。而现行的考试也往往鼓励学生进行机械学习而不是理解；4.有些新图式与学生的已有图式发生严重冲突，学生往往拒绝接受新图式。
错误概念往往不单是由于理解偏差或遗忘而造成的错误，它常常与日常直觉经验相联系，植根于一个与科学理论不相容的概念体系，有时，它恰巧是科学界以前所主张的观点，如“太阳围着地球转”，“重的物体会更快地落地J等。研究发现，[3]错误概念不仅在儿童中出现，甚至在大学生身上也会出现，它们出现的频率在各年龄阶段变化不大。以往的教学只是关注于新知识的传授，但正确概念的传授并不能自动地校正学生原有的错误概念，在教学之后，儿童往往仍然信奉原来的观点，所以，为了帮助学生实现由错误概念向科学概念的转变，必须寻找促进错误概念发生转变的机制、条件、途径，而这正是概念转变学习成为当代科学教学研究热点问题的现实原因。
二、概念转变学习理论的形成
（一）概念转变的方式、途径
泰森等（Tyson et al., 1997）在考察同时代人研究成果的基础上，提出了按概念转变水平不同进行分类的两分法模式，该模式首先按已有认知结构的改变方式将概念转变分为二种：充实和重建。最一般的概念转变类型称之为“充实”（enrichment）。指在现存的概念结构中概念的增加或删除。人们在生活中获得的大量知识充实着他们原有的知识。充实的另一种形式包括对现存概念结构的区分、合并以及增加层级组织。总之，这一途径涉及到原有概念结构的量的扩展（enlargement）；另一种是重建。“重建”（restructuring）意味着创造新结构，这种新结构的建构或者为了解释旧的信息，或者为了说明新信息。心理学家对不同的重建类型作了区分。其一是区分弱势（weak）与强势（radical）重建，弱的重建就是在某一概念或一整套概念的内部结构中进行重组。强的重建就是考虑理论中的变化，类似于科学史中理论的改变。强的重建发生在个人获得一种新理论之时，这种新理论不同于其原有结构中的老理论。弱与强的重建形式均涉及某一种特殊领域理论的重建，亦可称之为“特殊领域的重建D。另一类的重建是全局性的重建（global type of restructurings）。其最典型的表现是皮亚杰描述的儿童认知发展过程中知识结构的变化。皮亚杰认为，儿童认知的发展最显著的特征就是被称作“阶段”的全局性重建类型。这种重建要求的是结构中的变化，而这种结构则决定着儿童可以利用的表征方式的性质。根据这个观点，儿童的认知发展经历了四个主要阶段，即感觉运算阶段、前运算阶段、具体运算阶段和形式运算阶段。这种类型的重构影响着儿童在所有领域中获取知识的能力，因此这是一种全局性的重建。[4]
杜伊特根据建构主义思想，将概念转变学习分为两种途径，即连续途径和不连续途径。[5]连续途径试图避开在不连续途径中的基本的重建的需要，其概念转变开始于同科学概念一致的学生原有概念结构或是对已有概念的重新解释。在第一种情况中，其要点是概念的变更和目标概念的协调是逐步发展起来的。在涉及科学概念和原理的解释时，并不是任何情况下都必需从学生建构的概念开始的。它也可能开始于与某些问题领域中部分知识的类比，这一问题领域中的科学内容的结构与性质已被阐明。在第二种情况中，“重新解释”策略稍有不同。与之类似的是虽然它也是从学生的前科学概念开始，但对它已用新的方式作出了解释。在有关物理学学生前概念研究中，一个重要发现是，任何年龄的学生都倾向于认为，任何时候某一物体运动的方向就是此时力作用的方向，物体由推动而运动即说明了这一点（MeDermott,1984）。这种观点按牛顿的经典力学是不正确的。按照重新解释策略，就不要告诉学生他们的概念框架是错误的，而是逐步引出学生头脑中已有的东西，并从物理学的观点建构其正确的意义。事实上，确有一种物理量总是指向该物体运动的方向。但这个量是动量而不是力（Jung,1986）。另一个关于重新解释策略的实例是关于电流概念的学习。在简单的电路中涉及电流，学生通常认为，当电流在电路中流动时，电流被消耗，即一些电流被电灯利用，所以留下较少的电流流回电池。这里也不要告诉学生他们的概念是错误的。相反，教师应鼓励学生按自己的思维方式思考并找出某些完全正确的想法。事实上，电流流动时被“利用”，即能量转换成热并散失。总而言之，连续途径不需要重建科学概念结构，它只是在原有概念基础上的扩展或重新解释。不连续途径的显著特点是学生已有的概念与科学概念是完全不同的。在不连续途径中，认知冲突（cognitive conflict）策略起关键作用。认知冲突主要有以下三种：首先，认知冲突产生于学生的预测同其经验结果相反时；其次，认知冲突产生于学生的观点与教师不一致时；再次，认知冲突产生于学生之间的不同观念的碰撞中。认知冲突策略来自皮亚杰的思想，即认知冲突引起认知的不平衡，后者决定了同化与顺应之间的相互作用，直至新的平衡的恢复。总之，认知冲突就是在学生的认知心理上造成差异与不平衡。一旦引发这种认知冲突，就会引起学生认知结构上的不平衡，就能激起学生的求知欲和探索心向，促使学生进行认知结构的同化与顺应。所以，引发认知冲突是激励学生概念转变学习的契机与条件。
（二）概念转变模型
发生在学生头脑中的概念转变的机制是什么呢？这一过程如同库恩（Kuhn,1970）指出的科学发展中的范式转换（paradigm shift）那样，更类似于皮亚杰（Piaget,1985）的同化与顺应机制。波斯纳等人（Posener el al,1982）在1982年提出了概念转变模型（Conceptual Change Model, CCM），[6]J 0 K这个理论是在皮亚杰的认知建构主义理论基础上，参照库恩的科学史与科学哲学对知识的“范式更替”的观点提出来的。这一理论提出了概念转变的条件（Conditions），即为了促使学生进行概念转变，必须提供以下四个条件：/% 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，也会尽力作小的调整。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；与自己其他理论知识或知识的一致；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。亨森(Hewson)把概念的可理解性、合理性和有效性称为概念的状态(conceptual status)， 即可理解的(intelligible)、可相信的(plausible)及可广泛应用的(fruitful)等三个状态。[7]K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。他还提出，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。
由此可见，所谓概念转变就是学习，就是学生原有概念改变、发展和重建的过程，就是学习者由前科学概念向科学概念的转变过程。为了促进学生实现概念转变，就要进行概念转变教学。为此，教师必须充分了解学生相关学科的原有知识经验背景，了解学生有哪些错误概念，并充分运用学生的原有概念创设教学中的认知冲突（情境），以此作为引发学生进行概念转变学习的契机。因为要转变学生的错误概念，仅仅告诉学生“正确”的概念是无效的。只有在激励性的情境中，在学生的前概念与科学概念的激烈碰撞中，才能解决前概念与科学概念之间的矛盾冲突，实现由前概念向科学概念的转变。
三、概念转变学习理论的发展
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（Dissatisfied）、更合理（Intelligible）、更可信（Plausible）、更丰富（Fruitful）四个条件时，新概念的相对状态（Status）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，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（Wandersee, Mintzes and Novak,1994）。[8]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式中的四个条件，还应该有更多因素参与概念转变的过程，影响学生接受新的概念的意愿。
（一）概念转变的多维解释框架
针对概念转变模型仅局限于认知方面的不足，平特里克（Pintrich,1993）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（Chi et al.,1994）的研究依据本体论观点，将概念转变看作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，泰森等综合波斯纳等人(1982), 的概念转变模型、弗斯莱特(Vosniadou,1994)架构理论及心智模型观点、齐等人(1994)的本体论观点以及平特里克(1993)的情绪观点，提出概念转变的多维解释框架(multidimensional interpretive framework)，藉此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(ontology)与社会/情意(social/affective)三个维度来解释学习者的概念转变。其中，本体论探讨的是学习者对于自然现象的认识与概念的本质。以密度概念的本质为例，物质内部的微观观点将是本体论探讨的重点。认识论探讨的是学习者对于所学知识的理解情形，也就是学习者如何看待知识。以密度概念为例，学习者是否能够以密度概念作为判断物体浮沉问题，将是认识论探讨的重点。社会J 情意观点探讨的重点是学习者学习时的态度与情感，例如参与程度，喜好程度等因素。当然，概念生态组成因子可能不只这些，例如问题解决的策略(problem-solving strategies)、文化、语言及历史等，都可能对不同的学习者的概念转变学习产生影响。
（二）概念生态
面对批评者的质疑，波斯纳等人开始重视影响学生学习的更复杂的其他背景因素，他们把影响概念发展的个体的经验背景称为“概念生态”（Conceptual ecology）。波斯纳认为，概念生态为学生提供了一个概念转变的环境，在该环境中的各个因素都影响着学生概念转变的进行。近年来，许多研究者指出，在学生的概念转变学习中，构成概念生态的要素对学生学习的过程产生着非常重要的影响（Hullasnd &Munby,1994;Demastes,Good,&Peebles,1995;hewson,1989,1999:Jones,Carter,&Rua,2000），而且概念生态中的要素也有相当多的交互作用，它们是影响学生建构新概念的原因。那么，构成概念生态的因素有哪些呢？综合关于概念生态的研究，一般认为概念生态包含以下七个组成因子：
1.认识论信念(epistemological commitments)。认识论信念与个体对概念的理解、相信以及应用的程度有关(Posner,et al.,1982;Strike & Posner,1985,1982)，也就是说，个体具有的认识论信念会影响其对概念所处的状态。亨森(1985)和波斯纳等人(1982)的研究指出，通过深入了解学生的概念，研究者可以找出他们对知识的认识论信念的类型。同时，亨森等人(1985)也指出，通过对学生有关认识论信念的了解可以帮助教师决定学习者所处的概念状态(Beeth 1993; Hewson, 1981,1985; Hewson&Hewson,1991)。
2.原有概念(prior knowledge)。学习者的原有概念通常来自于过去的经验。鲍勃(Pope)和吉尔伯特(Gilbert)(1983)指出，个人的过去经验与知识的建构息息相关；也就是说，知识的学习必须与学习者本身的经验有所关联。[9]有研究者(Blum,1986:brody和Koch,1989:Ostman和Parker,1987)将某些科学概念与学习者非正式教育所得的经验加以连结进行研究，结果显示，非正式教育环境所接触的课程、阅读、媒体、朋友及亲人，都是学生概念与知识获取的来源，特别是参与课外的科技活动，对于学生科学概念的发展有重大的帮助。
3.学习的本质(the nature of learning)。指学生如何获取知识，例如，记忆的方式或理解的方式。以密度概念的学习为例，知识的本质探讨的是“什么是密度，它与物体浮沉有何关连性”的问题，学习的本质探讨的是“学生如何学习密度概念”的问题。
4.概念的本质(the nature of conceptions)。概念的本质探讨的是学习者如何呈现知识。例如，学习者可能用反例(anomalies)、模拟(analogies)、隐喻(metaphors)、范例(exemplars)或图像(images)等方式来解释密度/浮沉的概念，这些呈现方式都是概念本质的一部份。这些概念的本质会影响学习者直觉地判断自然现象的合理性(Beeth,1993;Posner,et. Al., Strike & Posner,1985,1990)。例如，当学生被教师问及重物是否比较容易下沉时，学生可能会以轮船或大树干也很重的实例，来解释重物不一定就会下沉的现象。以下是一些常被学生用来解释概念的方式：
（1）反例(anomalies)。当某事例与原有的概念发生某种冲突时，学习者会将它视为反例。这种冲突对于概念生态的发展有相当重要的影响(Beeth,1993;Lemberger, 1995;Posner, et.  al.,1982; Strike & Posner,1985)。
（2）模拟(analogies)与隐喻(metaphors)。有研究者(Stavy和Tirosh,1994)针对概念生态如何影响问题解决的研究中指出，“模拟”在科学概念的发展上，扮演一个极其重要的角色。[10]当人们在解决一个不熟悉的问题时，通常会用自己熟悉的类似的事物来诠释。此外，他们在研究学生将某一问题模拟到其他问题的方法时，发现学生模拟问题的方式大多着重于外在的因素，如视觉或数字等。此外，隐喻在真实世界与文化的经验中是很常见的。亨森等(1984) 指出，隐喻可以让个体利用某类事物来理解或检验另一类事物。[11]隐喻是在解释难以理解的抽象概念时，使用的一种重要的概念性工具，因此，它可以促使新概念得以被理解(Posner, et. al., 1982)。例如，密度这个抽象概念可以用具体的视觉模型（如以点状多少代替质量大小，正方形大小代替物体的体积）来诠释物体质量分布的情形，进而理解密度的概念。
3.范例(exemplars)或图像(images)。范例与图像也会让学习者对事物合理性的直觉产生冲突(Strike & Posner,1985)。当学生有某些错误概念时，以范例的方式进行概念的诠释有时无法有效地增进学习。例如，直接以轮船为范例，告诉学生重物不一定会沉。其结果可能让学生认为只要是船都不会沉。因此，虽然范例可以帮助学生理解新的概念，但是教师在使用范例时必须注意，除了范例本身对学生而言必须是可理解或可接受的之外，教师必须适时澄清范例所要传达的概念，以免误导。
4.问题解决的策略(problem-solving strategies)。当学习者解决问题时，其概念生态潜在地影响学习者形成假设、澄清假说，进而解决问题的过程。帕克(Park, 1995)指出，看待问题的方式会随概念生态的改变而改变。对于某一特定问题，并不是所有概念生态的组成因子都会有影响，而这样的限制会随问题的不同而有所不同。此外，概念生态组成因子间也不是独立的，在许多情况下，组成因子间的界线是相当模糊的或是相互关联的。虽然学习者在问题解决的过程中，不会呈现出所有的概念生态组成因子，但是问题解决的策略还是被视为探讨概念生态的重要依据。
5.情意领域(affection field)。情意领域对于学生的学习有相当大的影响。例如，学习态度不佳或学习情绪低落都是学生学习的障碍。研究发现(Dreyfus, Jungwirth, Eliovitch, 1990)，学校教授的知识大部分都不是直接易懂的，因此，很容易让学生对所学的知识产生不信任或厌恶的感觉，导致学习意愿低落，无法进行有效的概念学习，最后学生的概念还是停留在一些他们认为亲切且实用的概念上。[12]再者，学生对于教师的授课或传授的知识所持的态度，也会影响学生主动参与学习的程度与自我建构学习的能力。因此，教师不能不重视学生在情意领域方面的表现。
6.科学的本质（the nature of science）。学生对“科学本质”的看法也影响学生对知识本质与学习本质的认识。例如，假如学生认为科学的本质是科学概念和理论，学生就会坚持客观主义的知识观，把在学校所学的科学知识作为客观事实和绝对的真理，那么学生的学习可能会着重于事实的记忆。假若学生认为科学的本质并不是科学理论和法则，而是这些理论与法则的建立中隐含着的科学探索精神和科学方法，学生就会坚持建构主义的知识观，认为这些科学原理是会变化的，并且认为科学知识一定是通过科学方法获得的。综上所述，有关概念转变学习理论大多来自建构主义思想。应该说国外对概念转变学习的研究已经取得了丰硕的成果，但是，仍有很多问题有待研究。诸如如何引发学生对原有概念的不满（产生认知冲突）？学习者是如何对新概念的状态（可理解性、合理性和有效性）进行自我监控的？概念生态的组成因子是如何对具体的概念转变产生影响的？这些因子之间是如何整合的等等，都需要深入研究。另外，当前加强概念转变学习的本土化研究显得尤为迫切与必要。