概念不相容原理及其對兒童科學概念轉變的啟示例談

所謂概念轉變，是指學生原有概念改變、發展和重建，由前概念向科學概念的轉變過程。有關概念轉變學習理論大都來自建構主義思想。近年來，以促進學生概念轉變為目標的科學教學探索，成為科學教育研究和實踐中最重要的領域之一。然而，從當前情況看，概念轉變教學的實踐效果并不理想，即使是科學教育發展較早的美國，大量研究結果也表明科學教學沒有很好地促進學生對科學概念的掌握。本文擬對傳統概念轉變學習在理論和實踐的困境分析的同時，詳細介紹概念不相容原理及其對概念轉變教學的啟示。

一、概念轉變學習在理論與實踐的困境

概念是思維最基本的形式，也是構成知識的最基本成分。許多研究者認為科學學習是科學概念的發展或轉變，而不是一些孤立信息的增加。由此，研究者提出了諸多概念教學模型，其中最具影響力的是波斯納等人從認識論角度提出的概念轉變模型，還有奧斯本等人基于認知心理學視角提出的概念教學模型。

波斯納等人從認識論角度提出概念轉變模型。該理論首先將科學學習過程看作學生原有概念的發展、修正或轉變的過程，并試圖解決以下兩個問題：①原有的概念及其結構的什么特征控制了對新概念的選擇？②學習者頭腦中的概念是在什么樣的條件下被另外一種概念取代？并在此研究基礎上提出了“概念轉變”的四個條件：①人們除非感受到自己的概念不具有功能性，否則不會改變所思考的概念，即學習者必須對原有概念感到不滿意。②學習者必須能理解新的概念。新概念通常不是反直覺，就是不可理解，所以難以形成概念轉變，因此新概念必須是可理解的才能進行概念轉變。③新概念必須是合理的，學生能相信新概念的真實性。④新概念必須有效，是解決某些問題的更好途徑。根據波斯納的觀點，如果滿足以上四個條件，學生就會發生概念轉變。

奧斯本等人提出，促使學生發生概念轉變的教學分四個階段組成：①準備階段：教師要理解科學家、學生以及自己對新概念的觀點，其中對學生前概念的了解是重點；②關鍵階段：創設真實的生活情景，促使學生理解新概念；③質疑階段：鼓勵學生闡明自己的觀點，讓學生相互質疑、辯論、交流、研討；④應用階段：提供各種情景讓學生應用新概念。可見，這一模型旨在促進學生對概念的信息加工。

這兩個模型吸收了皮亞杰基于兒童行為觀察和言語訪談而提出的意義建構學習觀，注重學生的已有知識和積極參與。但模型各環節似乎更多地從學習目的和學習結果的角度，而不是依據學習發生的內在機制去構建，因此難以真正促使學生發生概念轉變。在科學教學實踐中，人們發現要改變學生的某些科學前概念是非常困難的，原因是兒童的前概念可能是個人的、頑固的、強韌的、穩定的，這些性質會阻礙學生在科學學習過程中概念的轉變。這些都導致了概念轉變學習在理論和實踐中的雙重困境。

二、概念不相容原理的主要觀點

chi（1992）等人改變了概念理論研究的視角，以本體論的觀點分析概念結構，將概念分為物質、過程和關系狀態三類，每一種基本類型有若干的子類別。所謂“物質本體類別”指的是具有特定屬性的范疇，如金屬、生物等；所謂“過程本體類別”指隨時間改變而發生的一種變化范疇，如聲音的傳播、溶解、心肺循環等過程；所謂“關系本體類別”指的是依賴于相互作用而產生的范疇，如力學理論、守恒、食物鏈等等。依照概念轉變跨越的情形，可以分為本體類別內的概念轉變與跨越本體類別間的概念轉變。

1.類別內的概念轉變

所謂類別內的概念轉變，是指概念轉變的發生是在同一本體類別內的概念的轉變，而不是跨越不同的本體內別。換言之，這種轉變知識在同一類別內的概念歸屬轉變，可視為信念上的修正，屬于“輕微的概念轉變”。這種類別內的概念轉變情形，是一種常見的轉變，并不需要改變本體類別，概念的本身并未改變原來的意義，許多學習的情形，基本上都是信念上的修正，它們只需將學習者現有知識里的屬性，改變成其他正確的屬性就可以完成。

2.類別間的概念轉變

類別間的概念轉變是科學概念從一本體類別遷移到另一本體類別，這種類別間的轉移才能稱為根本的概念轉變。在概念的轉變過程中，有三項是必須經歷的步驟：①經由獲得的過程，學習到本體分類方式；②經由獲得的過程，學習到個別概念的意義；③重新指派概念到新的分類方式上。它可能通過三種范式：主動放棄原本對某一個概念的定義，并以新的意義取代；使新、舊概念并存，而新、舊概念視情境而定；通過教學等方式加強新的意義，放棄舊的概念。

造成學生在學習科學時發生困難的最主要原因在于：學生在表征一個概念的類別時，與它在科學上真正所屬的類別，兩者之間存在錯誤的組合，或是不相容的情形；而當這種情況發生時，學生會將新的信息同化到舊有的或是錯誤的類別中，因此學生很難對這個概念產生徹底的理解。舉例來說，在科學概念中，電流的概念，應該屬于過程的類別；但學生由于把電流和水流類別，常將它放置到物質類別里，認為它具有物質的特性，那么對于電流這個概念，可能就會產生“占有空間”“具有體積質量”等屬性。因此，我們常可見到，學生對于電流的概念里，就有“它可以儲存在電池里”“電流會用完”等錯誤概念。

三、概念不相容原理對兒童科學概念轉變的啟示

根據概念不相容的觀點，概念轉變的難易與概念的本體屬性有很高的相關性。可見，學生對某些科學概念的學習存在著很大的困難，并不是因為這些科學概念本身是復雜、抽象或是動態的，而是因為學生的前概念和科學概念屬于不同的本體類別。這一觀點給科學概念轉變教學帶來了新的啟示。

1.小學科學教師要積極學習有關概念轉變教學理論并付諸實踐。當前，努力幫助學生實現必要的概念轉變應被看成一項主要任務，這也就如Mintzes等在《促進理解之科學教學》一書中所指出的：“教師面對的挑戰是：如何尋找不同的經驗來設計問題、實驗以及示范，以要求學生重新思考他們的想法，但又不至于去強調他們現有的想法是‘錯誤的’。教師必須發展或引出更具創意性的策略，針對學生學習的需求。這種教學需要高度的專門學科知識，需要用來設計概念挑戰的技能與經驗。”科學教師必須關注概念轉變的研究，積極學習有關概念轉變教學理論并將概念轉變教學策略運用于科學教學之中。

2.在教學中，教師不僅要診斷出學生的前概念，而且要對前概念和學生預期學習的科學概念作出具體分析，以確定哪些概念屬于物質本體類別，哪些屬于過程或關系本體類別；并分析學生的前概念和預期學習的科學概念之間是不是屬于同一本體類別，這是進行有效概念轉變教學的前提。概念不相容原理表明，學生要進行“跨本體類別”的概念學習是比較困難的，這個學習過程如果讓學生自己去探究、去發現，那就如同現實中的科學發現過程一樣，而科學發現過程往往是“科學共同體”社會建構的過程，其發現的機制與學生的探究發現是不同的，因此對于學生來說是一件非常困難的事。所以，在科學教學中，“自主探究”的教學主題最好限定在“本體類別內”的概念學習，否則將很難實現學生的概念轉變。

3.概念不相容原理為培養學生的創造力提供了可操作的依據。培養學生的創造力一直是科學教學所追求的重要目標之一。但傳統科學教學中，學生創造力的培養往往因為沒有可操作性的理論依據而流于形式。根據概念不相容的觀點，創造力是指學生對一個概念可以從不同取向去表征和理解，這里的不同取向可以視為概念在不同本體類別上的差異。在科學史上，許多具有創造性的發現正是成功地跨越了本體類別的邊界。在科學教學中，通過一定的教學策略，引導學生實現“跨本體類別”的概念轉變，能夠很好地體現對學生創造力的培養。

總之，概念不相容原理有助于了解傳統概念轉變教學中的困境，從本體論的角度分析概念的結構，將概念分為“物質”、“過程”和“關系”三個本體類別，在此基礎上進一步明確“本體類別內”與“跨本體類別間”兩類不同的概念轉變模型，使我們對概念轉變機制有了新的認識，也為科學教學實踐提供了可操作的新思路。