以科學認知方法解決概念模型轉變的課例研究

徐雪松

摘 要：基于認知沖突的研究，提出順應認知沖突理論的教學策略（新認知、矛盾事件、迷思概念、目標科學概念等）及其建構過程。以數據庫設計中的“概念模型”轉變中的認知沖突解決方案為例，呈現了相關的課程教學設計并給出了教學的實施建議。

關鍵詞：認知沖突; 概念模型; 教學設計

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）1-156-002

學習就是概念轉變，概念轉變的研究已經成為當代科學教育研究領域中的主要研究之一。許多促進概念轉變的教學過程是建立在學生現有觀念基礎之上，通過認知沖突，使學生的現有觀念向科學認識發展和拓寬。

概念模型是一種面向客觀世界的模型，獨立于計算機系統，是用戶和數據庫設計人員之間進行交流的工具，主要應用于數據庫設計。

初學概念模型的學生很難正確理解和把握概念模型的要點和精髓，主要體現在概念轉變四個方面：

（1）對現有概念的不滿或者不認可，即現有的概念無法解釋面臨的問題;（2）新概念模型必須滿足可理解性，學生能夠借助已學習的新概念對于現象的釋讀;（3）新概念模型必須滿足合理性要求，即新概念模型和學生過去學習經驗相符合，才能合理解釋面臨的問題;（4）新概念模型必須滿足有效性，即新概念模型可以解釋更多實際問題，適用范圍要廣。

1.概念轉變中的認知沖突

概念模型的形成依賴于用戶的認知過程，其表征反映形式為用戶對產品的認知操作結構，這一知識系統構建天然地與認知心理學研究相關。因此，概念轉變過程就是認知沖突的引發和解決的過程。Hashweh（1986）認為概念轉變主要存在兩類認知沖突：（1）新認知與矛盾事件之間的認知沖突;（2）矛盾事件與科學概念之間的認知沖突。

2.以發展學生與科學觀點相一致的認識沖突解決方法

斯太威和伯克威茨（Stavy，Berkovitz，1980）研究了引起沖突進行的教學活動：學生對某一物理現象的認知結構和真實的物理現象之間的矛盾。例如，“大、小鐵球同時著地”的實驗就是矛盾事件，由于矛盾事件使得學生明白實驗結果與其原有的認知結構不一致，從而引發學生的認知沖突，促進概念轉變，由此，形成新認知。但是，矛盾事件通常具有一定的局限性。“大、小鐵球同時著地”實驗必須在空氣阻力非常小的情況下才能實現，如果將小鐵球換成一個乒乓球，實驗將無法通過驗證。因此，通過矛盾事件形成的新認知難以提煉成科學概念。解決該認知沖突的策略方法歸納為如下四個步驟：

（1）通過學生對暴露事件的反應來揭示學生的前概念。

（2）使學生明確意識到他們自己和別的學生的想法。

（3）通過讓學生嘗試解釋一個矛盾事件，引起概念沖突。

（4）鼓勵和引導認知的調整，建立與科學概念相一致的新的概念模型。

3.概念模型轉變的教學設計

概念模型是數據庫設計教學中的核心概念，是大學階段學生系統開發學習的難點之一。概念結構是對現實世界的一種抽象，即對實際的人、物、事和概念進行人為處理，抽取所關心的共同特性，忽略非本質的細節，并對這些特性用各種概念精確描述。由于這些概念本身的抽象性以及它們與日常用語之間存在的差異性，導致學生在學習過程中容易產生迷思概念。因此，在教學中針對概念模型中實體、關系和屬性概念轉變設計，能夠有效幫助對模型建立進行用戶體驗方面的改進，跨越設計模型和用戶模型之間的鴻溝。

學生在初學數據庫設計時，必須形成模型概念，首先，能夠盡量充分地使用細粒度的概念來描述模型，而避免粗略描述;其次，篩選概念時，不能簡單地認為需求說明中沒有明顯要求保留某個概念的信息或是概念中沒有屬性，就去掉概念，注意只擔當純行為的概念的存在;最后，尋找用于概念的“參考名單”。由于受到已有概念的影響，例如，在人事管理數據庫中存放的職工實體集和家庭成員實體集，容易形成實體之間關聯的迷思概念。針對該迷思概念，提供矛盾事件，讓學生理解家庭成員實體依賴于職工實體集，這種依賴于另一個實體集存在而存在的實體集被稱為弱實體集，它們與其他實體集間的聯系稱為依賴聯系（如圖1）。

但是，僅僅提供矛盾事件對于轉變迷思概念是困難的，因為矛盾事件難以讓學生認識到概念模型實體關聯的本質。進而提供批判性事件，直接從客觀事物的本質屬性上揭示實體關聯的動態本質。在概念數據模型中，引入子類這一抽象概念，進一步描述一個實體集中某些實體的不同特征，從該實體集中取出一部分實體構成一個或多個新的實體集，稱這個新實體集是原實體集的子類，而原實體集是新實體集的超類（如圖2）。

概念模型可利用上述抽象機制對需求分析階段收集到的數據進行分類、組織，形成實體和實體的屬性。

4.總結

通過本課例的教學實踐發現，在使用科學方法的概念模型轉變課堂中，學生學習的積極性得到了提高，更容易理解比較抽象的概念。教學設計中，矛盾事件與批判性事件的設計是進行概念模型轉變的關鍵。實體關聯概念在概念模型轉變使用過程中可以根據學生的實際情況進行適當的增減。實體關聯概念可向己學過的相關內容進行拓展。而其他的支持性認知則更多的源于日常生活經驗，可以起到理論聯系實際的作用。

資助基金：江蘇高校哲學社會科學研究一般項目“運用知識構建機制促進交叉學科專業學生概念轉變的策略研究”（2020SJA0337）;資助基金：教育部產學合作協同育人項目“中醫藥院校軟件工程專業大數據技術方向課程群建設與改革”（201902318009）

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