科學教學改革的新視域:概念轉變學習

摘 要：當代認知建構主義認為，學習是學習者通過原有認知結構與從環境中接受的感覺信息間的相互作用主動建構信息意義的過程。在科學教學中，學生認知結構中的錯誤概念不但會妨礙對新知識的理解和認識，而且會導致產生新的錯誤概念。根據建構主義的觀點，學生的錯誤概念不可能通過傳統的知識傳授的方法由科學概念代替學生的錯誤概念，而必須依靠學生自己通過概念轉變學習，實現由錯誤概念向科學概念的轉變。因此，加強對學生的前概念尤其是錯誤概念向科學概念的轉變的研究就成為科學教學一項新的、重要的任務，同時也是當前科學教學改革的一個新的視域。

關鍵詞：教學改革；前概念；科學概念；概念轉變學習

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-010X（2011）01-0048-04

一、概念轉變學習理論：一種改進學習的新觀點

在建構主義理論基礎上發展起來的概念轉變學習（conceptualchangelearning）理論，認為科學學習就是學生原有概念的改變、發展和重新建構的過程，是學習者的前概念向科學概念的轉變過程。教學中，有些學生雖然正確解答了測驗題目，但一旦用深層提問去考察其知識的真實性時，就常常暴露出與原來正確解答不相一致的錯誤概念。這種現象說明，學習并未真正發生，教學是不成功的。總結西方學者的有關研究，概念轉變學習理論主要有以下五種基本思想。

（一）學習是轉變概念。

概念轉變學習觀認為，學習是個體探究、理解、感受客觀事物及其概念形成過程中的質的轉變，而不僅僅是個體擁有的知識總量的變化。教學的主要任務是幫助學生像科學家那樣去理解各種事物，轉變或加深對周圍世界的認識，讓學生獲得探究具體學科領域的學習方法。

（二）學習是內容和過程的統一。

概念轉變學習觀認為，學習過程（如何學）和學習內容（學什么）是統一的整體，我們不能離開具體學科內容或教學背景去談所謂的“完善”的、“基本學習過程”或傳授所謂改進學習的各種方法，也不能離開傳授的教學內容和學生學習的具體方法去比較教學方法的一般差異和學習技能的普遍意義。

（三）教師必須了解學生的學習現狀、典型的學習過程和策略，并據此改進自己的教學。

學習是學生改變自己概念的過程，教學就是發現學生已有的概念并幫助學生的概念得到發展。為此，教師必須充分了解學生相關學科知識的現有概念、概念模式和學生對教育背景的知覺情況，充分運用學生的原有概念創設教學的矛盾沖突。要轉變學生的概念，僅僅告訴學生“正確”的概念是沒有用的，應使學生在一個激勵性的情景中去解決他們對學科內容的現有概念、思維方式與新的教師期望的概念、思維方式間的矛盾沖突，因為概念轉變需要學生對新舊觀念的積極綜合和相互作用。了解學生的概念模式不但要了解學生掌握的學科知識（概念的“內容結構”），而且也要了解學生掌握的該學科特有的研究問題的方法論知識（概念的“句法結構”），并設計各種方法引發正確概念的產生。

（四）教師必須了解學生對問題的態度和看法。

概念轉變學習觀認為，學生的學習行為和思想與學習背景及其對這個背景的知覺密切相關。因此，要改進學習教師就應了解學生對學習的基本態度和看法。

（五）必須進一步密切教育研究與教學實踐的關系。

概念轉變學習觀主張把教育研究的結構作為教師教學的根據，教師應進行廣泛的課堂行動研究來達到理論與實踐的結合。

二、推介國內的一項實證研究──“中學生力學概念轉變的心理機制研究”

該項研究是綜合應用教學實驗、測驗、訪談等多種方法研究中學生力學概念轉變的心理機制，主要包括力和速度的概念、力與速度之間的關系、加速度與運動之間的關系、力與運動之間的關系四個方面。從而為促進學生力學概念的有效轉變提供依據。筆者認為，該項研究對促進當前中學物理教學改革具有重要的啟發和借鑒意義。其研究結果如下（引用時略有改動）：

（一）力和速度概念轉變的心理機制。

主要是對力、合力、速度概念三方面進行研究。

由表1和表2可知，影響轉變的因素主要是思維定勢和相關概念的干擾，概念轉變的心理機制主要有三種：

第一，理解接受。這種轉變方式是與同化有聯系且有共同之處的一種更高水平的理解概念的方式，是在理解概念時主動修正自己的認知結構或對概念的正誤進行分辨，從而提高認知水平或有創見地理解概念的方式。力的概念轉變的主要障礙之一是學生能否理解施力物體和受力物體是同時存在的；

第二，實例分析。通過分析與所研究的概念相關的實例，運用演繹的方法推導出特殊的規律，從而對所研究的概念有新的認識。也指學生通過身邊的實例，并且結合理論來分析，使原來錯誤的認識轉變過來；

第三，對比聯系。通過同一概念內相關問題的對比，轉變概念。

（二）力和速度之間關系概念轉變的心理機制。

主要是對力和速度之間的關系、從速度考察力以及力引起速度的變化三個方面進行研究。

通過上面分析可知，學生對力和速度之間關系概念的轉變主要有三種方式：

第一，實驗推導。先通過實驗產生感性認識，然后再通過邏輯推理得出合理的解釋，從而使自己頭腦中的原有的錯誤概念轉變為科學概念。

第二，邏輯推理。邏輯推理是指根據一個判斷或一些判斷得出另一個新的判斷的思維形式。學生通過這一心理機制使一些比較難理解的概念通過嚴密推理，使前概念轉變為科學概念。

第三，變式思維。指對同一概念從多個維度進行分析，揭示不同的描述方式間的內在聯系，從本質上認識所學概念，避免對概念的孤立、機械的記憶。

（三）加速度和運動之間關系概念轉變的心理機制。

主要是對加速度、加速度和速度之間的關系、物體運動狀態的改變、加速度和運動之間的關系四個方面進行研究。

通過上述分析可以看出，加速度和運動之間關系概念的轉變方式主要有四種：

第一，抽象概括。抽出事物的本質屬性或特征，在此基礎上，把所有反映出的事物本質屬性結合為一個整體，形成關于事物的整體的和一般的認識，進而把這種一般的認識推廣到同類事物，把握同類事物的共同性和一般性。

第二，邏輯推理。指根據一個判斷或一些判斷得出另一個新的判斷的思維形式。在推理過程中，學生應用了相關推理、比例推理、組合推理等方法。

第三，實例演繹。實例分析是通過分析與所研究的概念相關的實例，運用演繹的方法推導出特殊的規律，從而對所研究的概念有新的認識。

第四，理解接受。如物體運動狀態的改變，學生在注意到物體運動狀態的改變是通過速度來判斷的，而有關速度變化的類型與速度的關系是不難理解的，這樣學生通過自己理解就能判斷出物體運動狀態的改變。

（四）力和運動之間關系概念轉變的心理機制。

主要是對加速度大小的表征、力和運動之間的關系、力和運動之間關系的應用三個方面進行研究。

通過上述分析可以看出，力和運動之間關系的概念轉變主要有三種：

第一，邏輯推理。指根據一個判斷或一些判斷得出另一個新的判斷的思維形式。例如：對于合外力決定物體的加速度，學生通過教師引導這樣理解：物體的運動狀態發生改變需要有合外力的作用；物體的運動狀態發生改變速度就發生改變；速度發生改變就有加速度。所以合外力是加速度的決定因素。

第二，實驗聯系。即把某一類實驗事物的共同特征與人們曾遇到過的概念聯系起來，從而獲得新的設想。

第三，抽象思維。即以概念為思維材料，以概念、判斷和推理的形式來反映自然界事物的運動規律，達到對自然界客觀事物的本質特征和內在聯系的認識過程，從而形成正確的概念。

三、概念轉變學習的教學模式和教學策略

（一）教學模式。

概念轉變學習即由學生的前概念轉變為科學概念，這一過程需要以學生已經存在的概念結構作為重建的基礎。這一模式一般程序是：（1）定向。教師創設特定的探究性問題情境，為學生的自主探究學習定向；（2）概念引出。引導學生回憶自己的不充分的思想（錯誤概念）嘗試解釋問題；（3）概念重建。這一環節可以通過實驗、討論、澄清和交換概念，揭示和解決沖突情境，建構新概念，并作出恰當評價；（4）概念應用。學生應用新概念解決新情境問題；（5）反思概念變化。通過將新概念與自己先前已有概念的比較，反思概念轉變學習的過程。

（二）教學策略。

如何實現概念轉變學習呢？1982年納斯鮑姆和諾維克（NassbaumNovick）根據建構主義思想，提出了促進學生錯誤概念轉變學習的三步教學策略（或稱三步教學法），其基本內容包括：

1．揭示學生的前概念，這是實現概念轉變學習的前提。

了解或診斷學生的前概念的最有效方法是進行個別訪談。具體地說，在教學中，教師應有意識地引導學生暴露自己的思想。教師不僅可以借此更好地了解學生的已有概念，而且外部的表達也必然會促使學生的自我意識和自我反省，而后者正是概念轉變學習的一個必要條件。如：當一個密閉燒瓶中一半的空氣被抽出以后，瓶內的空氣會發生什么變化？研究者請有關談話學生在黑板上畫一幅瓶中剩余空氣的圖形，并作出描述和解釋。這種方法能使教師清楚地揭示學生有關燒瓶中剩余空氣狀態的前概念。

2．引發學生的認知沖突，這是實現概念轉變學習的契機和動力。

所謂認知沖突，就是學生原有認知結構與新現象之間無法包容的矛盾。學生在學習新的科學知識之前，頭腦絕不是一片空白，而是有了形形色色的原有認知結構，在學習新知識時，他總是試圖以這種原有認知結構來同化對新知識的理解。當遇到不能解釋的新現象時，就會引發認知沖突。一旦引發認知沖突，就能激起學生的求知欲望和好奇心，促使學生進行認知結構的同化和順應。引發認知沖突的方法很多，教師即可通過師生合作學習中的討論和交流，交換師生間對同一問題的概念的不同看法，使學生在認知沖突中接受新的正確的科學概念。也可設置專門的教學情境，使學生處于某種認知沖突之中，從而激發其克服錯誤概念的強烈動機。

3．鼓勵認知順應，這是實現概念轉變學習的關鍵。

按照皮亞杰（J. Piaget）的觀點，學生改變原有認知結構的主要機制是順應。所謂順應，是指對原有認知結構的調整和改變，以便更好地理解和接納新現象。也就是說，當新知識與原有認知結構有較大的差異或矛盾時，必須將原有認知結構進行調整和改變，通過順應學習才能接納新知識，解決認知矛盾，實現由原有的前概念向新的科學概念的轉變。

在科學教學中，一般可以通過探究性實驗來引發和解決認知沖突，實現認知順應，重建新的科學概念。這里，實驗實際上發揮了兩個作用：一是通過實驗觀察引發認知沖突，使學生陷入認知失衡狀態；二是通過實驗現象的觀察，進一步確認了科學概念，并修改或轉變了原有的錯誤概念。或者教師在提出經驗性的證據并加以討論之后，應給學生提供同化新概念的支持和幫助，并對現有的概念作詳盡論述，使學生對情境中的問題所持有的概念進行重新建構。這里，教師必須精心選擇案例，以便通過實例分析消除學生頭腦中錯誤的選擇性概念，建立起科學的概念。

總而言之，我們認為，關于概念轉變學習的研究，是當前科學教學改革的需要，是運用建構主義理論指導科學教學的需要。如何發現學生頭腦中那些樸素的、不全面的、甚至是錯誤的概念（前概念），采用何種教學策略幫助學生將這些前概念轉變為科學概念，仍然是擺在我們面前需要深入探討的重大問題。

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