概念圖技術在中學生化學相異構想轉變中的應用研究

陳浩 嚴文法 靳澤藝

摘要：根據建構主義的指導思想，學生在學習科學概念之前頭腦中存在著大量的相異構想。概念圖作為表征學生認知結構和促進學生有意義學習的工具，它可以被用來診斷、轉變學生的相異構想。探討了概念圖作為教學策略、學習策略在學生“電解質”概念相異構想轉變中的應用，并利用概念圖技術對應用效果進行了評價，得出了以下結論：概念圖是促進學生有意義學習和概念轉變的有效工具;概念圖有助于學生形成良好的認知結構。

關鍵詞：概念圖;相異構想;概念轉變;電解質

文章編號：1008-0546（2019）10-0015-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.004

一、問題提出

概念圖（concept map）由美國康奈爾大學的諾瓦克（Novak）在上世紀70年代末提出，能形象表達命題網絡中一系列概念含義及其關系的圖解，是用來組織與表征知識的工具。概念圖是概念的網狀結構，網狀結構是由節點（點/最高點）和連結節點的線段（弧形，折線）組成。節點代表概念而連線（關系標簽）代表概念之間的關系。概念（concepts）、命題（proposition）、交叉連線（cross-links）和層級結構（hierarchicalframeworks）是概念圖的四個圖表特征。

1.概念圖是實現教、學、評一體化的有效策略

在教育領域，一些最常用的認知過程模型建議應該把知識從長時記憶中組織化以便于理解。根據這些模型理論，知識就是通過發展豐富的、準確的、相關的以及可理解的、組織化的知識結構來獲得的，換言之，概念的理解既要理解概念本身的意義更要理解概念之間的關系。作為一種教學策略，概念圖可以用在教學設計優化，新授課、復習課教學等方面。作為一種學習策略，概念圖可以促進學科知識的整合，便于學生自主、合作、探究學習，從而有利于學生將相異構想轉變為科學概念等。作為一種評價工具，概念圖可以被用于評價學生概念學習的效果。

2.概念圖是診斷化學相異構想的有效工具

建構主義認為，學習是學習者根據已有的知識經驗主動建構新知識的過程。由于受語言、教學、日常生活經驗等的影響，學習者在學習科學概念（scientific conceptions）之前，頭腦中存在著許多相異構想（ahernative framework），有些相異構想與科學概念是完全相悖的，有些雖然不是錯誤的，但是卻與科學概念不完全一致。作為組織與表征知識的工具，概念圖中呈現的命題及其層級關系可以反映學生對相關概念及其關系理解的正誤，因此概念圖可以被用作可視化的工具有效診斷學生的相異構想。我們在此前的研究中以概念圖為工具診斷并發現了學生頭腦中存在的“電解質”概念的相異構想，并發現學生頭腦中內在的相異構想具有溢出性和負遷移性、結構性和關聯性、存在的廣泛性和普遍性等性質。

3.概念圖能很好地促使學生的相異構想轉變為科學概念

教學實踐中的大量事實證明，學生頭腦中的相異構想極大地阻礙了學生對科學概念的獲取，因此概念教學的目的是促使學生的相異構想轉變為科學概念，即促使學生實現概念轉變。Posner提出了促使學生發生概念轉變需要滿足的四個條件：①學習者要對已有概念產生不滿;②新概念必須是可理解性的，要求學習者需懂得新概念的真正含義，并要建立概念間的整體聯系;③新概念必須是合理的，要求新概念要與已接受的其他概念保持相互一致，能夠被重新整合接納;④新概念必須是有效的，要求個體應看到新概念的價值，能通過遷移應用解決其它途徑難以解決的問題，并且能幫助個體發現新的可能和方向，具有啟發意義。概念圖是由多個語義單元通過其內在關系和意義連接在一起組成，教師對標準概念圖中概念關系的正確呈現能激發學生對已有概念的不滿，有效激發學生的認知沖突;繪制概念圖的過程也是建立概念間有意義聯系的過程，因而有助于加深學生對新概念的理解;利用概念圖教學能幫助學生找到新概念和已有概念間的一致性，有助于學生將新概念整合到已有概念體系;修改或完善概念圖的過程中能激發學生的思考，有助于促使學生遷移應用新概念解決新問題或發現新知識。基于概念圖具有以上優勢，概念圖技術能很好地促使學生的相異構想轉變為科學概念，而把概念圖技術應用在診斷學生相異構想和促進學生概念轉變上，能夠達到有效彌合學科知識邏輯結構和學生構建的心理意義之間的差距的目的。

傳統“電解質”相關概念的教學過分關注概念字面意思，忽視對概念內涵的理解及其與相關知識的邏輯關系，學生通過這種方式獲得的概念往往是孤立的、零散的，很難再生長和發展，因而不能很好地幫助學生轉變相異構想并形成良好的概念體系。已有研究中提出的化學概念轉變策略主要有對比教學策略、激發認知沖突策略、微課策略等，這些策略固然可以加深學生對“電解質”概念的理解，但它們在促進學生相異構想轉變為科學概念并幫助學生建立正確的認知結構方面存在缺陷。基于概念圖可用于教、學、評為一體的概念轉變教學模式中的討論，本文將研究概念圖作為教學策略、學習策略在學生相異構想轉變中的應用過程，并利用概念圖技術對實施效果進行評價。

二、研究設計與實施

1.研究設計

（1）方案

本研究采用“實驗組一控制組后測設計”方案，選取化學基礎基本相同的兩個班，將其中的一個班確定為實驗組，將另一個班確定為控制組。教師對控制組學生利用除概念圖以外的其它策略教學，包括設置演示實驗、概念講授、課堂提問、舉例、類比、設置習題進行課堂練習等策略，學生則主要以習題強化訓練的方式甄別或應用概念;而教師對實驗組學生除了應用上述策略教學外，還重點利用概念圖進行教材處理及教學設計，并利用概念圖策略進行概念教學，學生則利用概念圖預習、練習、復習等。實驗結束后，以概念圖為工具，從兩組學生的概念圖得分、相異構想數量兩個方面評價概念轉變效果。

（2）抽樣

選取甘肅省某中學高二年級的兩個理科平行班作為研究對象，兩個班均為60名學生且為同一化學教師任教，在實驗前，用SPSS24.0對兩個班最近一次化學成績進行獨立樣本T檢驗，具體的檢驗結果見表1和表2。從兩組成績的樣本均值來看，兩組成績基本無差異;方差齊性檢驗結果，F的統計量為1.496，其相伴概率為p=0.224>0.05。因此，可以認為兩組成績的方差是相等的;假設方差相等，t統計量的值為-1.224，自由度df=118，其相伴概率為p=0.223>0.05。因而我們應當接受Ho：u1=u2，即兩個班的化學成績無顯著性差異，說明兩個班的化學基礎基本相同。

選取“電解質”作為研究的內容載體，對兩個班采取不同的教學方法教學干預一個月后，再次利用概念圖技術測評兩個班各自的教學效果。在測評教學效果之前，為確保所有學生熟練掌握手工繪制概念圖的技巧，任課教師前后三次培訓了實驗組和控制組全體學生繪制概念圖的技能，且培訓主題均與“電解質”無關。

3.數據統計方法

用Markham的概念圖評分方案對每位學生的概念圖評分，采用SPSSS24.0軟件對實驗組和控制組的兩組數據進行配對樣本t檢驗。

三、基于概念圖的化學概念轉變教學

1.概念圖在概念教學中的應用

（1）教師利用概念圖整合教材內容，優化教學設計

概念圖是組織和表征知識的工具。教師通過繪制所教內容的概念圖，使教材的組織與呈現更具條理性，有助于教師更加深入地理解所教內容，從而使教學目標更加明確，對教學重、難點的把握更加到位，有助于教師掌握學情并據此選擇恰當的教學策略。作為可視化的工具，概念圖可以清晰地反映教學設計中知識的組織方式，通過不斷修改，不僅可以形成以本節課所學知識點為中心的知識網絡結構圖，而且通過縱向連接還可以可清晰地意識到本節內容的知識點與其它章節知識點之間的關系，從而形成教學的邏輯起點。

（2）教師利用概念圖進行概念教學

按照內容特征，概念圖可分為專題概念圖、對比概念圖、章節概念圖三種類型，不同類型的概念圖功能和使用方法都不一樣。利用專題概念圖可對某一專題概念進行歸納、總結，常被用于新授課講解概念及其關系;利用對比概念圖以圖示的方法展現臨近概念并通過對比揭示易混淆其內涵概念之間的差異;利用章節概念圖對某一章節內容概括可以使之形成較為完整的知識體系。

①以概念圖為“腳手架”促進概念意義的理解

在“電解質”概念教學過程中，教師適時要求學生完成概念圖繪制任務有助于學生建立概念間有意義的聯系。教師指導學生繪制概念圖時，要求學生提煉出關鍵概念并將所有概念按照層級關系排序，在確定了縱橫向關聯之后，用連接詞標明兩者之間的關系;在學生繪制完成概念圖后，教師利用專題概念圖逐步呈現不同層次的概念及其關系，并對前期研究中利用概念圖技術診斷得到的“電解質”相異構想進行重點講解，學生在比較分析的基礎上形成認知沖突，反思個人所繪制概念圖中錯誤的連接或不足之處，教師指導學生修正錯誤的連線或標簽，補充缺少的概念或實例，鼓勵學生盡可能多地建立分支或橫向連接，以加深學生對“電解質”概念內涵及外延的理解，具體的教學過程見表3。

②學生使用填充型概念圖練習，進一步修正知識結構

填充型概念圖任務一般要求繪制者選擇關鍵詞或連接詞填充到既定的概念圖框架中，如果給定框架正確可使繪制者錯誤的知識結構得以修正，利用具有對比功能的填充型概念圖，目的是使學生形成對臨近概念的正確辨識以消除相異構想的關聯性，從而建立正確的認知結構。

例1：選擇關鍵詞完成概念圖，可選擇的關鍵詞有：電解質，強電解質，弱電解質，離子化合物，共價化合物，易溶物，難溶物，導電，離子所帶電荷及其濃度。其中涉及到例子的填空可自由發揮（見圖1）。

例2：選擇關鍵詞完成概念圖，可選擇的關鍵詞有：電解質，非電解質，電離，導電。其中涉及到的例子可自由發揮（見圖2）。

③繪制標準概念圖，促進知識的鞏固和遷移應用

在教學和練習后，師生共同繪制班級概念圖使概念進一步得以整合或綜合應用，在修改班級概念圖的過程中，教師通過提問或舉例或輔以練習題等形式有意促進概念的遷移應用，最終形成結構正確、概念豐富的標準概念圖（見圖3），教師要求學生將所繪制的標準概念圖保存下來用于以后對該領域相關知識的復習。

2.概念圖在概念學習中的應用

（1）繪制個人概念圖，診斷相異構想

學生個人繪制的概念圖很容易暴露相異構想，通過對相關概念意義的再次理解和審視，能夠促使學生自覺意識到理解誤區，進而引導學生主動思考。如果養成利用概念圖總結知識的習慣，學生的自主學習能力將會有所提高。

（2）繪制小組概念圖，解構相異構想

通過繪制小組概念圖，學生不斷將自己的認識與組內其它同學的認識進行對照，能引發學生理解概念時的認知沖突，學生將在個人認知、沖突、再認知、再沖突的過程中不斷修正和豐富自己的知識結構，而且還利于加強學生之間的對話與合作，有助于引起學生的學習方式由單獨學習變為合作學習，形成長期合作學習的氛圍和習慣，為創建和諧的生生關系創造條件。

（3）繪制章節概念圖，形成良好的概念體系

在復習概念時，要求學生繪制一章內容的概念圖，能加強對概念內涵的理解及其與相關知識的邏輯關系的認識，不僅能幫助學生快速檢索到學習目標、重點、難點等，而且還能促使學生對舊知識加以梳理和回顧，避免無關信息的干擾，從而提高復習效率。

四、利用概念圖后測學生“電解質”概念轉變的研究結果

1.控制組、實驗組學生概念圖平均得分對比

Novak最初是把概念圖作為一種評價工具提出的，他在提出概念圖的同時就提出了基于概念圖的構成要素與層級結構的評分方案，其它評分方案多數是對Novak評分方案的某種改變。本研究采用了Markham的概念圖評價方案，Markham從概念圖的節點數目、連接質量、分支、層級、交叉連接、實例六個方面記分，并將具體的評分標準確定如下：每個有效的概念得1分，只有與主題相關的概念才是有效的;每個正確的命題得2分，若概念之間沒有標簽，概念和連接詞割裂或不正確，概念之間的關系沒有充分的解釋都屬于不清楚的命題或沒有完成的命題，不清楚或沒有完成的命題不得分;分支得分按照分支的數量和精確度計分（每個分支記1分，每個成功的分支記3分）;每個有效的等級水平記5分;每個既有效又重要的交叉連接記10分，有效但沒有體現系列相關概念或者命題之間綜合聯系的橫向連接記2分;每個正確的實例記1分。

用SPSS24.0對控制組和實驗組學生概念圖得分做了配對樣本t檢驗，具體的檢驗結果見表4和表5。從樣本的均值和標準差數據來看，兩個樣本的方差差異和均值差異都較大，這說明在采用基于概念圖的概念轉變教學之后，學生與學生之間概念圖得分的差異程度變大;相比較于控制組，實驗組學生概念圖平均分提高顯著。配對變量差值的t檢驗的結果是：我們應當拒絕接受Ho：u1=u2，說明基于概念圖的概念轉變教學之后學生的概念圖得分發生了顯著性的變化。

2.控制組、實驗組學生相異構想數量比較

對控制組、實驗組學生概念圖中的相異構想統計的結果是：實驗組學生擁有的相異構想總數量為5個，少于控制組的19個;控制組相異構想中的15個在實驗組中沒有出現，有4個相異構想在兩組中均出現，但是其中3個相異構想實驗組的頻數減少;只有1個相異構想在控制組沒有出現而在實驗組出現。在實驗組研究對象的60個人中有37人的相異構想完全得以消除;其中4人的相異構想沒有被消除，前、后測時頻數均為1，且為同一相異構想;只有2人在后測時出現了新的相異構想，前測時相異構想頻數為O，后測為1;另外還有17人在前、后測中均沒有被診斷出相異構想，這有兩種可能：一是部分學優生較好地掌握了“電解質”概念沒有出現相異構想，二是有部分學生繪制的概念圖過于簡單，沒有達到暴露相異構想的目的。增加的相異構想均為前測中沒有出現而只在后測中新出現的相異構想，這可能是學生再次繪制概念圖的過程中被誘發的。

五、討論

1.概念圖是促進學生有意義學習和概念轉變的有效工具

在利用概念圖技術經過一段時間的教學干預后，實驗組學生相異構想得以徹底消除或數量明顯減少，這說明概念圖技術作為教學策略或學習策略能有效促使學生的相異構想轉變為科學概念;而且實驗組學生概念圖得分明顯高于控制組學生，一方面是因為其概念圖中有效連接比控制組學生多，另外一方面是因為其概念圖中的層級結構或交叉連接更加豐富，這說明概念圖能促使學生建立概念之間實質性的聯系，即能促使學生進行意義學習。

2.概念圖有助于學生形成良好的認知結構

在利用概念圖對實驗組學生教學干預后，通過比較學生繪制的概念圖發現，雖然實驗組個別學生仍散在地存在著少量的相異構想，但是在一定程度上實驗組學生錯誤的認知結構得以修正。例如，后測發現控制組學生在常規教學后仍存在電解質類型與化學鍵、溶解性、導電性、電離、電離方程式等相異構想之間的關聯性，而實驗組學生已經能清晰辨別臨近概念之間的關系并且能對其加以正確應用，這說明概念圖技術也能有效豐富或修正學生的認知結構。