基于駁斥型文本學習的概念轉變案例研究

沈天宇 任紅艷

摘要：學生在學習過程中會存在與科學概念不一致的觀念即錯誤概念，為測查學生的錯誤概念并促進概念轉變，可引入駁斥型文本作為一種教學輔助材料。以“鋰電池”主題為例，介紹駁斥型文本的設計框架和思路，并以表征學習時間和概念轉變圖的形式研究學生學習駁斥型文本的概念轉變過程。

關鍵詞： 駁斥型文本; 概念轉變; 錯誤概念; 學習時間; 案例研究

文章編號： 1005-6629（2022）03-0008-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

在基礎教育課程改革中，為避免“重結果輕過程、重知識輕能力”的現象，提倡學生進行深度學習，實現對學科知識的深度理解。以直接講授的方式學習科學知識會導致學生難以主動發現頭腦中根深蒂固的錯誤概念，不利于提升問題解決能力。因此，在以傳統教材進行授課的基礎上引入駁斥型文本（refutation text，簡稱RT）作為一種教學輔助材料，以關注學生思維過程，促進其深度學習和概念轉變，已成為教育教學研究者們不斷探索的目標[1]。

1 概述

駁斥型文本，又稱反駁文本、駁斥文本，是一種幫助學生自主發現錯誤概念，并在討論駁斥、收集資料、論證解釋的過程中促進概念理解和概念轉變的文本材料。駁斥型文本包含三個核心組成要素（以下簡稱“駁斥三要素”）： 對普遍存在的錯誤概念的陳述，對這一錯誤概念的明確駁斥（又稱駁斥線索）和科學解釋[2]。駁斥型文本作為一種學習輔助工具，是學生在完成課堂學習后可以閱讀討論的材料。相比較于普通文本，駁斥型文本強調學生針對某個概念進行討論，誘導學生暴露錯誤概念，引導其不斷尋找證據進行駁斥。

1.1 研究現狀

駁斥型文本關注認知過程和深度思考，閱讀駁斥型文本的過程就是個體的認知與思維過程。認知心理學家將駁斥型文本的作用機理概述為兩個方面： 共激活和認知投入。

1.1.1 共激活（co-activation）

梵登布魯克（van den Broek，2008）等提出的共激活原則認為駁斥誤解的同時需激活頭腦中的相關概念，即必須同時激活新概念和相關前概念[3]。學習者只有在充足背景知識的支持下，發現文本中概念間的相互關系，并在頭腦中將新舊概念進行比較，才能實現前概念與新概念的共激活，這是概念轉變的必要條件。駁斥型文本中同時明確陳述了錯誤概念和科學概念，因此促進了共激活過程。

1.1.2 認知投入（cognitive input）

閱讀駁斥型文本包括共激活的過程，這需要增加認知投入，花費更多時間。由于駁斥型文本會引發學生的認知矛盾并吸引其注意力，因此學生在閱讀過程中會在反駁內容上停留更長的時間，且更加關注呈現科學概念的部分[4]。當原有概念和科學概念被同時激活時，學生將花費更長時間處理認知沖突，嘗試通過駁斥實現錯誤概念的轉變。因此，駁斥型文本作為閱讀材料，增加了學生對科學概念的認知投入。

目前駁斥型文本已在物理、生物等多個學科領域得到應用，且成功用于從小學到大學的不同學段的人群[5，6]。大量證據表明，體現駁斥性的文本結構在科學學習和概念轉變中有很大的優越性。閱讀駁斥型文本，在激活學生先驗知識的前提下表達并反駁錯誤觀點，有利于產生認知沖突并促進概念變化[7]。同時，學生學習駁斥型文本會提高其元認知水平[8]。在認識到自己觀點的局限性和科學解釋的更大價值后，學生會建立一個更加科學的概念。

此外，駁斥型文本的呈現形式與學習方式也是多樣化的。對于較為復雜的科學概念，為保證概念轉變的持續性，可以豐富駁斥型文本的表現形式（如將圖形與文字相結合）[9];或者在閱讀駁斥型文本后展開小組討論等課堂活動，以加強駁斥型文本的學習效果[10，11]。

1.2 研究目的和方法

為探究駁斥型文本對學生學習效果的影響，進行普通文本和駁斥型文本學習效果的對比研究。研究問題是“與普通文本相比，駁斥型文本如何影響學生的學習效果？”。以“鋰電池”主題為例，將兩位重點中學的中等生（S1和S2）作為被試，通過表征學習時間分析學生對于普通文本和駁斥型文本的認知投入程度，并以概念轉變圖的形式探究學生學習駁斥型文本過程中的概念轉變情況（見圖1）。

2 駁斥型文本的設計框架

與普通文本不同的是，駁斥型文本沒有直接描述科學知識，而是讓學生在駁斥過程中主動發現錯誤概念，并結合科學解釋強化對科學概念的理解。對于駁斥型文本的設計，可以形成如圖2所示的總體框架，按照“提出問題→發表觀點→收集資料討論質疑→得到結論”五個步驟展開。

其中，在“提出問題→發表觀點”階段學生需要針對某個問題發表自己的觀點，目的在于讓學生陳述頭腦中已有的錯誤概念。在“收集資料討論質疑”階段學生收集資料證明自己的觀點，然后小組討論質疑或個人反思。資料的形式多樣，可以是實驗、數據、化學史等不同的內容，視具體學習內容而定。該環節會對錯誤概念進行明確的駁斥，即出現駁斥線索。在“得到結論”階段學生通過討論得到一致結論后，閱讀并理解文本呈現的科學解釋。該設計思路不僅體現了駁斥三要素，還實現了文本學習的價值功能，即促進學生概念轉變，讓他們在科學論證的過程中提高論證水平。

3 總體設計思路與具體樣例分析

新課標強調化學史在教學中的作用，在情境素材建議中提到電池的歷史沿革和發展以及鋰離子電池等常用電池[12]。結合已有研究發現，很多學生只會根據題目所給的信息機械分析電極反應、微粒如何移動等，不了解原電池每個組成的意義，更不清楚化學電池的發展史[13]。

通過對兩位研究被試進行采訪發現，他們只是在生活中聽說過鋰電池，在試題中碰到過，但基本不理解鋰電池的相關原理知識，也無法區別鋰金屬電池和鋰離子電池。因此，研究設計鋰電池駁斥型文本，讓學生不僅在學習過程中提高學習興趣，還能對鋰電池的構造、原理等有更深入的了解，同時也會更好掌握書寫電極反應式等方面的知識，有助于培養宏觀辨識與微觀探析和證據推理的化學學科核心素養。gzslib202204031814

3.1 鋰電池駁斥型文本的設計思路

鋰電池駁斥型文本共四段材料，材料內容圍繞三個探究問題（Q1、 Q2和Q3）及對應的化學史展開，探究問題涵蓋五個方面的錯誤概念（電解質溶液、微粒移動、電極、能量轉化和電極反應式的書寫，以下分別用MC1、 MC2、 MC3、 MC4和MC5表示），具體如圖3所示。

材料一是關于鋰金屬電池的發明史，學生閱讀后思考Q1和子問題，此過程中可能會出現電解質溶液（MC1）、微粒移動（MC2）和電極（MC3）方面的錯誤概念。他們根據文本中的資料討論并駁斥錯誤概念，結合科學解釋促進概念轉變，從而更好地理解鋰金屬電池的原理。材料二提出了鋰枝晶問題，學生就此展開討論并引出鋰離子電池。材料三是關于鋰離子電池的發明史，學生閱讀后思考Q2，其中涉及到的錯誤概念有微粒移動（MC2）和能量轉化（MC4）。他們在討論中會出現駁斥線索，可結合資料和科學解釋理解科學概念[14]。為解決能效問題，科學家們開發了鋰-空氣電池，材料四介紹了其目前的研究成果[15]。學生閱讀后思考Q3，在書寫電極反應式（MC5）的過程中可能會出現錯誤，可在討論后對錯誤的電極反應式進行修正，討論過程即為駁斥的過程。

3.2 鋰電池駁斥型文本的樣例分析

為說明鋰電池駁斥型文本的具體內容，節選該文本的材料一和對應的探究問題作為展示樣例，具體如下：

材料一： 鋰金屬電池的發明

20世紀50年代，石油危機迫使人們去尋找新的替代能源。由于鋰具有比重小、電極電勢極低、能量密度大等優點，就順理成章地進入了電池設計者的視野。

要想將鋰金屬應用到電池中，“電解質溶液”的引入是關鍵的一步。1958年，哈里斯（Harris）提出用有機電解液作為鋰金屬原電池的電解質，這一想法得到了大多數設計師們的認可，但多年探索Ag、 Cu、 Ni等鹵化物作正極材料，一直達不到電化學性能的要求。直到1970年，日本三洋公司將目光轉向過渡金屬氧化物，發現Li+可以穩定地嵌入MnO2材料，并提出可以利用MnO2作為鋰金屬電池的正極材料，由此制造了人類歷史上第一個商品化的鋰金屬原電池（Li-MnO2）[16]。

Q1： 已知鋰錳電池的總反應式是Li+MnO2LiMnO2，有人提出可以用水作為該電池的電解質溶劑，你覺得合理嗎？請說明你的觀點和理由。

資料： 鋰是最輕的堿金屬元素，在室溫下可以和水反應： 2Li+2H2O2LiOH+H2↑。和其他堿金屬不同的是，鋰與水反應比較慢，因為生成的LiOH難溶于水，會覆蓋在Li表面上阻礙反應持續進行。

子問題： 我們可以設計出該電池的裝置嗎？并思考電流是如何形成的？

解釋： 鋰錳電池的裝置如圖4所示，其中電解質LiClO4溶于混合有機溶劑中。因為鋰可以和水反應，所以不能用水代替電池中的混合有機溶劑。電池工作時，負極的金屬鋰失電子變成Li+，電子通過外電路向正極移動，Li+通過電解質遷移至正極，MnO2得電子生成LiMnO2。

該樣例的設計具體分析如表1所示。

3.3 鋰電池普通文本的設計

為了對比普通文本和駁斥型文本的學習效果，還需補充與駁斥型文本平行的普通文本，其主要特點是缺少駁斥三要素，直接在文本中描述科學概念。比如，在駁斥型文本中要求學生判斷水是否可以作為電解質溶劑，并自行設計鋰錳電池的裝置，學生在思考討論的過程中會陳述相關錯誤概念;而在普通文本中提到了“非水電解質溶液”，且直接描述鋰錳電池的裝置，分析電流的形成。

駁斥型文本還需要學生判斷鋰離子電池放電時Li+的移動方向，并思考電能與化學能的轉化過程;而普通文本直接介紹該鋰離子電池，闡述其工作原理。駁斥型文本要求學生書寫鋰-空氣電池的電極反應式;而普通文本直接呈現電極反應式。由于駁斥型文本針對五個方面的錯誤概念設計探究問題，而普通文本直接描述相關內容，因此學生在學習普通文本的過程中可能難以主動意識到頭腦中已經存在的錯誤概念，也不易實現概念轉變。

4 結果分析

實踐分為兩個階段展開： 在第一階段，兩名被試先閱讀鋰電池普通文本，若有疑問可稍后討論。閱讀前教師告訴學生認為自己已完全理解材料內容后，可向教師舉手示意以記錄學習時間。學習完畢后，教師回收普通文本。在第二階段，學生閱讀討論鋰電池駁斥型文本。教師在活動過程中適當干預，及時解答學生無法解決的疑惑，以保證實踐活動的順利進行。

4.1 學習時間表征對比

文章采用了案例研究的方法，經教師推薦選擇兩名學習愿望較為強烈的學生，他們均能認真學習文本材料，配合度和專注度較高，不存在走神的情況，因此可用文本的閱讀和討論的總體時間即學習時間來表征學生對于兩種文本材料的認知投入程度的差異，如圖5所示。為消除兩種文本材料字數的差異對時間表征研究的影響，對兩種文本每100個字的平均學習時間進行換算比較，如圖6所示。

從學習的總時間來看，在兩種文本所傳授的科學知識相同的基礎上，S1和S2閱讀普通文本后再次閱讀駁斥型文本并沒有花費更少的時間，反而用了將近兩倍的時間。從學生關于每段材料的學習速度來看，學生學習兩種文本每100字的時間均超過30秒，而經測試他們閱讀一段普通材料每100字需要18.4秒，這是由于文本內容的科學性較強，學生需要花費更多時間進行理解。

除材料二外，學生學習駁斥型文本每100個字的時間長于普通文本，即學習駁斥型文本的速度更慢，說明學生為了理解駁斥型文本中的科學概念，需要激活頭腦中的前概念，并將文本里的新概念與前概念建立關系，這會投入更多的認知，花費更多時間。

材料一的Q1主要針對電解質溶液概念，子問題要求學生設計電池裝置，需要判斷電極、電解質溶液和微粒移動方向。相對于材料三和材料四，材料一的探究問題會涉及到更多方面的錯誤概念，因此學生理解此處內容會花費明顯較多的時間來處理認知沖突，學習速度也相對最低。材料三的Q2主要針對微粒移動和能量轉化的分析，材料四的Q3是關于電極反應式的書寫，且研究發現學生在收集資料和討論質疑的環節用時較長，由此印證了學生發生概念轉變需要花費更多的時間。gzslib202204031814

此外，由于駁斥型文本的材料二內容類似于普通文本的形式，不涉及駁斥三要素，僅僅是學生的自由討論環節，和其他三個材料相比，學生在此處花費的時間明顯更少，而且受到之前閱讀同樣內容的普通文本的影響，學生在此處學習駁斥型文本的閱讀速度更快。不過，由于材料二的討論問題科學性較強，學生之前沒有接觸過相關知識，且需要教師的指導，因此此處的學習速度相對材料三和材料四也較低。

通過以上分析可以發現，由于學習駁斥型文本包含共激活的過程，需增加認知投入，因此學生會花費更多的時間來理解駁斥型文本中的科學概念，其學習駁斥型文本的速度明顯低于學習普通文本的速度，這也進一步印證了駁斥型文本的作用機理。

4.2 概念轉變過程分析

兩名被試首先閱讀學習鋰電池普通文本，由于普通文本是直接描述型文本，未能主動激活學生頭腦中的錯誤概念，因此他們閱讀完畢后沒有提出疑問以深入討論。然后，S1和S2在教師的組織下學習鋰電池駁斥型文本。具體過程如下：

由2019年諾貝爾化學獎引出本次的討論主題——鋰電池，兩位學生分別闡述自己對于鋰電池的了解。S1表示：“我印象最深刻的就是拆解鋰電池時如果沒有隔絕空氣、水等物質，就容易發生爆炸。”S2表示：“生活中的電子產品會用到鋰電池。而且季節不同，充電速度不一樣，冬天充電會很慢。”此外，兩位學生都只聽說過鋰離子電池，但不知道其具體的工作原理，也無法區分鋰電池和鋰離子電池。

在掌握學生對鋰電池的了解情況后，學生開始學習鋰電池駁斥型文本，其學習過程可用概念轉變圖表示，具體如圖7所示。其中，陰影圓角矩形框表示探究問題Q，圓形框表示觀點或概念，矩形框表示證據或科學解釋，箭頭上的“+”和“-”表示證據或觀點起支持和不支持作用。虛框表示觀點有誤，包含錯誤概念，實線表示觀點正確。駁斥三要素分別用MC、 R和SE表示，MC參考3.1節中五個方面的錯誤概念。

由圖7可以看出，學生在關于探究問題1和子問題的討論過程中聯想到電解質溶液、電極判斷等內容。S1在閱讀駁斥型文本之前就知道拆解鋰電池的時候要注意隔絕空氣、水等物質，否則容易發生爆炸。但在設計電池時，卻不能將其結合到實際應用中，出現了科學概念與錯誤概念共存的情況。然后，學生思考子問題，設計了鋰錳電池裝置并討論所設計裝置的合理性。

接著，學生閱讀材料二，并思考如何解決鋰枝晶的問題。由于他們之前沒有接觸過金屬鋰的不可逆沉積相關知識，所以需要教師的指導干預。鋰枝晶問題的解決引出了鋰離子電池的發展史，學生繼續閱讀材料三的內容，思考并討論Q2。S2在判斷Li+移動方向時出現了錯誤概念（MC2），即認為放電時Li+向負極移動，陽離子的移動方向與電子一致。S1對S2的觀點予以明確駁斥，提出證據“內外電路電流方向一致，無法構成閉合回路”來證明S2觀點的錯誤，并結合電解質溶液中離子移動影響因素的相關資料進行分析，S1的反駁和科學解釋的閱讀促進了S2的概念轉變。

在了解鋰金屬電池和鋰離子電池的基礎上，兩位學生閱讀材料四關于鋰-空氣電池的內容，在思考Q3的過程中出現了不同的錯誤。在討論和閱讀相關資料后，學生對錯誤的電極反應式進行了修正。

5 結論與建議

研究發現，學生學習駁斥型文本會投入更多認知，需要更長的時間理解科學概念。普通文本的學習不易讓學生主動意識到錯誤概念，而駁斥型文本根據具體的錯誤概念有針對性地展開設計，更易激活學生頭腦中的錯誤概念。在經歷收集資料、討論質疑等駁斥型文本學習的一系列環節后，學生逐步實現了對科學概念的深度理解，促進了概念轉變。

因此，教師在教學過程中可以在了解學生認知的基礎上，設計適當的問題，創造真實有意義的情境，嘗試使用駁斥型文本來提高學生對于科學概念的理解水平。

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