我國科學學科概念轉變研究圖景：階段、主題與展望

摘" "要：概念轉變研究始終是國際科學教育領域熱點研究主題，也是我國科學教育領域的核心問題。為描繪我國概念轉變的研究圖景，基于檢索、梳理知網中相關文獻，分析我國概念轉變研究的發展歷程和研究主題。從研究結果來看，我國概念轉變的研究主要包括前概念的內涵與概念轉變教學策略階段、前概念的探查與概念轉變理論的引介階段、前概念與概念轉變理論系統研究階段、概念轉變跨學科整合與實證研究階段、概念轉變認知神經機制與科學化階段。從研究主題來看，我國概念轉變的研究主要包括前概念和概念轉變的理論基礎、前概念的診斷與探查的實證研究、概念轉變的教學策略研究、教學實驗研究、心理學與腦科學研究。最后，提出概念轉變未來研究的建議，即深化現有研究和概念轉變的腦科學研究。

關鍵詞：概念轉變；前概念；概念轉變抑制理論；教學策略；概念轉變實證研究

中圖分類號：G420" " " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編號：1673-8454（2023）07-0121-08

一、研究背景

學生在學習科學概念前，已有的概念一般稱之為前科學概念或前概念。依據來源的不同，有學者將教學前概念區分為錯誤概念與前概念，錯誤概念通常是指學生在先前的正式教學中形成的錯誤理解，學生會產生這種錯誤理解可能有以下幾個原因：教師本人對概念一知半解；部分概念由來已久而不易引起人們對它的深入分析和思考；學生依據自己的前概念曲解教師講授的科學概念。[1]前概念通常根植于日常生活中，所以也稱之為日常概念，這些術語總體具有相似性，本研究用前概念泛指不同的術語。學生的前概念根深蒂固，忽視前概念的教學只能徒勞無功。

從前概念和科學概念的存在方式來看，概念轉變的界定主要分為取代和共存兩種。經典概念轉變理論認為：概念轉變是指科學概念取代錯誤的前概念的過程，是整個科學范式的改變，是新概念狀態不斷提升、原有概念狀態不斷下降的過程。[2]概念轉變抑制理論提出：概念轉變的本質是科學概念抑制前概念，兩者共存于大腦中。[3]此外，我國研究者還從概念轉變的過程性出發，提出：概念轉變是為了理解新知識，學習者的教學前概念結構發生根本性重構的過程，也就是科學概念的獲得過程；[4]概念轉變是學生在新的學習中不同程度地擴展、更改或重新組合頭腦中的已有概念以適應科學概念，從而建構自己知識的過程；[5]概念轉變是學生原有概念的發展、修正或轉變的過程。[6]

本研究選擇中國知網的社會科學II的期刊和碩博士論文數據庫為數據源，分別用概念轉變、前概念、前科學概念、錯誤概念、迷思概念、日常概念六個關鍵詞或其組合進行檢索，共檢索到期刊論文2679篇，學位論文428篇。通過國內研究可以發現，隨著認知神經科學和腦科學的快速發展，概念轉變研究也從前概念分析升級到腦科學機理的探索。因此，本論文旨在對我國基礎教育領域概念轉變相關研究進行系統性分析，深度解讀我國概念轉變研究的圖景，以期為科學學科教與學的轉型升級、科技創新后備人才培養機制的研究提供借鑒和啟示。

二、我國概念轉變研究階段：

從前概念內涵到腦科學機理

（一）前概念內涵與概念轉變教學策略階段（1989—1999年）

我國學者在上世紀80年代就開始關注概念轉變的研究，主要研究前概念的內涵和概念轉變教學策略。一方面，我國學者通過總結錯誤前概念和分析錯誤前概念產生的原因，提出概念轉變的教學策略。另一方面，研究者通過實驗深度挖掘學生的前概念，并設計相應的教學策略。本階段沒有相關學位論文出版，還處于概念轉變的前概念研究階段，研究成果分散且間斷，還并不成熟與系統。

（二）前概念探查與概念轉變理論引介階段（2000—2006年）

這一階段研究的重點是前概念的探查和概念轉變理論的引介。研究者不再是簡單地總結分析前概念，而是使用歸謬法、診斷性評價等更加科學和多樣的方法探查前概念；此外，我國研究者開始引介國外概念轉變理論，并提出將其作為我國教育實踐的借鑒；在此階段出現概念轉變的學位論文，概念轉變的研究更加系統，包括理論到教學策略再到實踐結果。研究概念轉變的學科增多，教學策略多樣化。

在前概念探查的研究方面，相關學者的實證研究采用團體測查及個案訪談的方法探查學生錯誤的化學前概念；[7]袁維新的《運用診斷性評價揭示學生的前概念》使用診斷性評價探查前概念。這些有關前概念的研究方法不再是簡單的總結分析，而是更加科學和多樣化。在國外概念轉變理論的引介方面，袁維新發表多篇重要文章，介紹國外概念轉變理論，如2003年的《概念轉變學習：一種基于建構主義的科學教學模式》、2004年的《西方科學教學中概念轉變學習理論的形成與發展》均被頻繁引用和下載，系統地探討概念轉變學習作為建構主義科學教學理論的形成與發展過程，分析其模型與概念生態等問題。此外，2003年國外學者和中國學者郭玉英等人合作發表的《“為概念轉變而教”策略綜述》也成為高被引文章；2004年胡衛平和劉建偉合作發表的《概念轉變模型：理論基礎、主要內容、發展與修正》引用率也很高。

在學位論文方面，2001年第一篇有關概念轉變的學位論文出版，來自湖南師范大學的楊進瓊的碩士論文《中學生有關前科學及錯誤概念的研究（力學部分）》，主要研究力學前概念和錯誤概念。2003年鄧學明的《從前概念到建構觀——淺議建構主義學習理論》被多次引用和下載。2004年共有五篇碩士論文，且全部有關化學學科，主要研究化學的前概念、錯誤概念、相異構想和概念轉變教學策略，研究對象包括初中生和高中生，如2005年劉瑞東的碩士論文《自我解釋策略對轉變學生化學平衡迷思概念的研究》，被多次引用和下載。緊接著，研究重點開始偏向概念轉變的教學策略，物理學科的研究增多，同時開始出現對地理學科迷思概念的調查，如2005年在地理教育學領域孫立鋒的碩士論文《初中生月相迷思概念調查研究》。2006年增加概念轉變方式和工具的研究，包括開始利用概念圖促進概念轉變教學，結合合作學習方式促進學生觀念改變；生物學科方面主要研究前概念、概念轉變教學實踐；同年還出現對極限的預概念的調查研究、前概念在課程設計中作用的研究。

（三）前概念與概念轉變理論系統研究階段（2007—2013年）

在借鑒國外概念轉變理論和實踐的基礎上，我國概念轉變的研究更加系統化。研究者從不同角度探討概念轉變理論，包括國外概念轉變理論的機制和過程、科學哲學、心理學等。在教學實踐中，多元表征教學策略、結構化主題探究、小組文化、Appleton學習模型等多種教學模式策略與概念轉變相結合，研究其在教學實踐中的效果。

一方面，學者從不同角度探討概念轉變理論。如袁維新的《概念轉變理論及其對當代科學教育的啟示》，從模型建構的角度分析概念轉變教學模式；有學者從科學哲學角度探討科學探究與概念轉變；有學者探討促進學生科學概念轉變的心理學研究進展，而有的學者綜述概念轉變模型及其發展；有關學者的《Wiki支持的教師概念轉變研究——認知—互動分析的視角》是較早的一篇基于信息技術背景研究教師概念轉變的論文。

另一方面，學位論文的研究主題關注概念轉變的教學模式策略在教學實踐中的效果。2007年學位論文選題中以科學為背景的概念轉變策略出現，主要為物理和化學學科；概念轉變方式和策略的研究包括基于概念圖的物理概念轉變教學模式研究、不同學習策略對轉變學生化學迷思概念的研究。以中學力學為例，出現“為概念轉變而教”教學模式的探究，還出現基于概念轉變理論與科學本質觀探究教學設計的研究。2009年促進概念轉變研究的方法增多，包括采用多元表征教學策略促進小學數學概念轉變、利用結構化主題探究活動促進聲學概念轉變。2010年出現基于概念圖的地理概念轉變教學模式研究、通過雙情境學習模型（DSLM）促進物理概念轉變的實證研究、初中物理教科書中的前概念研究。2011年研究涉及科學教學迷思概念轉變的案例、基于概念轉變理論的高中化學教科書。2012年的研究包括初中化學教材中概念轉變策略、小組文化與自我概念轉變、基于Appleton學習模型的科學迷思概念轉變策略。此外，研究還有從“雙重情境學習模式”“合作學習方式”等角度研究概念轉變的有效策略，以及大班幼兒生命過程前概念的個案研究、高中學生信息技術概念轉變。

（四）概念轉變跨學科整合與實證研究階段（2014—2019年）

在系統的國外概念轉變理論引介和前概念研究之后，概念轉變研究轉向實證研究和跨學科整合，如核心素養和概念轉變的整合。在實證研究中，相關量表的使用可精準地探查前概念，對比試驗、個案分析等更加精確地展現概念轉變的效果和問題。

在概念轉變的跨學科整合研究方面，2018年的《中學物理迷思概念及概念轉變的實證研究——傳統教學與互動參與式教學的對比實驗》中作者提出科學概念轉變教學的新視野與新思路，對標科學核心素養。2015年董玉琦團隊基于CTCL視角，發表多篇信息技術學習中的概念轉變研究論文，包括《CTCL視角下日美兩國概念轉變策略研究譜系及其啟示》《概念轉變視域下的概念類型及結構研究——基于CTCL的信息技術學科學習心理研究》等。

學位論文在2014年則聚焦類比教學在概念轉變中的實踐、高中生物教學中前科學概念教育在生活教育模式下的案例分析、概念轉變心理機制和過程。2016年有元認知理論下的迷思概念轉化策略研究、雙重情境學習模式下科學推理對高中生概念轉變與推理能力的影響，以及可視化工具、物理實驗、CSEM等對概念轉變的影響。2017年有基于CTCL范式的概念轉變教學案例、CTCL視野下的小學數學概念轉變的實證研究、基于FCI對高中力學前概念檢測卷的研發及其調查研究、基于論證式教學的概念轉變教學研究、基于模型方法的高中生化學概念轉變的實證研究。2018年的實證研究包括概念轉變視角下的STEM教學設計實證研究、DSLM促進小學生概念轉變的科學教學研究、信息技術學生實驗課程對概念轉變的實證研究。2019年研究結合“7E”教學模式、“5E”教學模式探討概念轉變的教學策略和實踐。學科核心素養、耗散結構理論、知識建構理論、博物館資源、Rasch模型、演示實驗、自解釋策略等方法與概念轉變相結合的研究也頻繁現身。

（五）概念轉變認知神經機制與科學化階段（2020年至今）

隨著腦科學技術的發展，研究者可以清晰地看到在概念轉變前后大腦的活動，并以此確認概念轉變是否真正發生。以腦科學為依據，概念轉變抑制理論的研究出現。此外，研究者開始關注元分析等視角的概念轉變的理論。

2020年，基于腦科學的概念轉變抑制理論研究出現（朱艷梅和陳沙沙合作發表的《基于腦科學的概念轉變抑制理論及其對科學教育的啟示》），概念轉變教學效果論證（竺麗英和王祖浩合作發表的《科學概念轉變教學的效果論證——基于元分析的國際比較視角》）成為新興研究；2021年，香港教育大學萬志宏的《概念轉變理論：本體論、元認知和動機的視角》給該領域研究帶來新啟發。前概念研究從前概念的內涵和教學策略開始，再到概念轉變策略和理論，實證研究還是以現狀調查為主，直到2021年才出現腦科學研究和元分析方法。2020年的學位論文出現技術支持下的概念轉變教學研究，即《基于概念轉變的個性化學習支持系統開發及應用研究——以高中信息科技“字符編碼”內容為例 》，此階段的碩士學位論文探討5E教學模式、POE策略轉變、PDEODE模式、具身認知視角、圖爾敏論證模式、概念圖、智學網測評系統、小組合作探究、元認知理論等方法在概念轉變教學實踐中的應用。2021年，相關研究有學習進階、深度學習理念、交互式視頻等對概念轉變的影響。

三、我國概念轉變研究的核心主題

（一）前概念與概念轉變的基礎理論

前概念的研究表明學生是在前概念的基礎上理解學習科學概念，而傳統的講授方法忽視前概念，導致學生無效的科學概念學習。我國學者對概念轉變理論的研究方法以引介和分析國外理論從而指導我國概念轉變的實踐為主。萬志宏綜述經典概念轉變模型、本體論、元認知、動機視角的概念理論，以經典概念轉變模型為樹干，以本體論、元認知和動機視角為樹枝，詳細介紹從主干到樹枝的生長和完善的過程。[8]第一，波斯納（Ponsner G J）等四位教授以“范式的更替”為理論依據，從認識論的角度提出概念轉變需要滿足四個條件和概念生態圈，被稱為經典概念轉變模型。第二，本體論視角認為，世界上物的本體歸屬于不同類型。前概念和科學概念本體類型相同時，概念轉變容易發生；但跨本體類別的概念轉變難以發生。第三，元認知視角關注學習者在概念轉變中的重要作用，提出：學習者豐富的元概念知識能促使概念轉變方式；元概念認識是概念轉變中認識系統重構的基礎；成功的概念轉變的關鍵是元概念調控的過程，即對比科學概念和前概念并矯正原有認知結構。第四，動機視角提出，目標取向、自我效能感和控制信念是影響概念轉變的重要因素。基于內在目標取向、自我效能感適中、內在控制信念，學生會促進概念轉變的發生。這些理論從不同視角發展完善波斯納的經典概念轉變模型，認為科學概念的學習是科學概念替換前概念。腦科學的研究表明，前概念和科學概念共存于大腦中，由此概念轉變抑制理論提出，概念轉變的本質是科學概念抑制前概念。為了促進這種抑制作用的發生，就需要在教學過程中先建立科學概念，再產生認知沖突。有學者介紹概念轉變抑制理論和其得到支持的證據。[3]

（二）前概念診斷與探查的實證研究

我國對前概念診斷與探查的實證研究中，學科涉及物理、化學、生物、科學、地理、數學、信息技術等，其中物理和化學的研究最多。前概念的探查工具主要是問卷，包括自制問卷和專家開發測量的問卷。例如，有學者使用自編的“初中生化學學習前個人認識問卷”探查初三學生的化學前概念，對探查結果進行簡單的統計（百分比）和分析。[7]南京師范大學的蔣曉霞使用CSE問卷診斷中學生的電場前概念；[9]有學者采用FCI力學概念測試卷和自編的口試評測工具（OTC）對學生的物理概念進行測量，并用獨立樣本T檢驗、口試成績平均增值的計算、集中度分析等方法收集與分析實驗數據。[10]綜上所述，我國對前概念診斷與探查的實證研究方面，從自制問卷到科學開發的問卷，探查工具更加科學；從簡單的百分比描述到科學的差異性分析，對探查結果的處理也更加嚴謹。

（三）概念轉變的教學策略研究

我國早期概念轉變教學策略的研究，依據經驗總結分析錯誤概念，并提出避免錯誤概念的教學策略。隨著國外理論的引介，研究者開始以概念轉變教學策略理論為基礎，設計并組織概念教學課。[11]此后，概念轉變教學策略被較為細致地分類，從引發學生認知沖突、促進學生認知順應、激發學習興趣、促進學習主動調控等角度，提出促進學生概念轉變的教學策略。部分學者從案例分析的角度研究概念轉變教學策略。例如，認知互動視角的教師概念轉變的案例分析發現，教師自發的解釋性問題，促進知識的重組；比較和質疑，可以幫助教師產生認知沖突。[12]潘華君以“質點”為例，從空間排列、整體框架、行文邏輯、呈現方式等四個方面比較中美教材，提出概念轉變的教學策略應注重前概念的再現和豐富。[13]對概念轉變策略的實踐研究發現，在認知層面多以經典概念轉變模型為理論基礎，使學生產生認知沖突，對“實驗探究”“模型建構”“概念圖”“科學發展史”等教學策略進行實踐。隨著實踐推進，研究者開始將其他教學策略與概念轉變教學策略相結合。例如，多元表征教學策略促進學生概念轉變，采用選擇性注意、對比、“微課”輔助等多種方式使教學策略方面的實踐研究更加豐富和細化。

（四）概念轉變的教學實驗研究

概念轉變的教學實驗一般采用準實驗研究設計，將學生分為兩組——實驗班和對照班。實驗班進行概念轉變的教學；對照班采用原本教學內容進行教學。為了確保實驗的科學性，會選擇平行班作為對照組。為了確保兩個班級無顯著差異，需檢驗實驗班和對照班前測成績的差異性。當兩個班級存在差異時，通過取樣調配，使對照班和實驗班參加調查的學生起始水平相當，保證無關變量的一致性。為確保實驗的科學性和概念轉變教學是否有效，需要分析后測、延時后測結果的差異性。除了對分數進行比較外，還有研究者比較學生的學習興趣、學習方法、自我效能感，對實驗結果進行平均分、T值和P值的分析，檢驗概念轉化教學策略在教學實踐中的效果。例如，天津師范大學的史文超在研究過程中發現實驗班和對照班存在差異后，通過取樣調配，使參加調查的學生在起始階段無顯著差異，排除無關變量對實驗的影響。[14]經過一個學期的教學后，采集實驗班與對照班的學生學習興趣、生物學業成績、自主性三方面的數據，并檢驗數據是否存在顯著性差異，進而判斷概念轉變的教學效果。黎雙在初中光學前概念轉變的教學策略研究中，選擇四個平行班作為實驗班和對照班，使用SPSS軟件檢驗四個班級的前測數據（前測使用自編問卷），確保實驗班和對照班的物理成績無顯著性差異，從而保證實驗的科學性。[15]在光學部分的科學概念教學后，建立后測數據庫，對實驗班和對照班的測試結果進行詳細的對比和研究，最后判斷概念轉變教學效果。

（五）概念轉變的心理學和腦科學研究

概念轉變教學實踐的核心問題有兩個：一個是概念轉變的理論和模式在實踐中的有效應用，另一個是高效教學策略的選擇。了解學生概念轉變背后的心理機制是解決核心問題的關鍵。有學者進行中學生力學概念轉變的教學實驗，觀察總結中學生在力學概念轉變過程中的主要心理機制包括抽象概括、邏輯推理、聯想對比、實例演繹（分析）、變式思維、實驗推導、理解接受。[16]例如，學生錯誤地認為“物體處于靜止狀態就沒有加速度”，教師通過舉例并分析“上拋物體在最高的靜止但有加速度”幫助學生轉變錯誤的概念，學生在本次概念轉變過程的心理機制是實例演繹。袁維新引介沃斯尼阿多（Vosniadou）概念轉變的心理模型構建，從認知心理學角度提出學生錯誤前概念背后是更深層次的心理模型。[17]只有心理模型改變，概念轉變才會真正發生。

對概念轉變模型及其完善進行相關研究的學者都認為，概念轉變的本質是科學概念對前概念的替換，但概念轉變抑制理論打破這種看法，提出概念轉變的本質是科學概念抑制前概念。大量的行為學和腦科學成像研究為概念轉變抑制理論提供有力的證據。[3]從行為學角度，個體需要更長的時間解決認知沖突的問題，在一定程度上支持概念轉變抑制理論；從腦科學研究方面，長時記憶的形成機制、科學領域專家型學生和新手的腦成像研究、高時間分辨率的腦電研究、概念轉變前后的腦電研究等都從一定程度上支持概念轉變抑制理論。[3]

四、概念轉變研究的未來發展

（一）基于已有研究的深化與發展

我國概念轉變的研究較為單一，還有很多方面可以深化和發展。首先，開發成熟的前概念的探查問卷。前概念的探查工具一般為自制的問卷，但自制的問卷并不能保證研究的科學性，可能無法滿足信度和效度的檢驗，可以借鑒國外成熟的問卷，如CSE電場前概念調查問卷、FCI力學問卷等。通過對這些成熟問卷的借鑒，開發適合的問卷。其次，從元認知、動機視角等方面研究概念轉變。已有概念轉變的教學研究主要以經典概念轉變理論為基礎，研究認知沖突對概念轉變的影響。元認知、動機視角，以及基于概念轉變抑制理論腦科學的實證研究都處于起步階段，需要更多的研究。最后，設計并進行更加嚴格的準實驗研究。我國概念轉變的教學實驗研究，一般是教師在課前設計兩種不同的教案，并在課上使用這兩種教案上的教學方法進行教學，這種教師人為的控制變量無法排除課堂其他因素的影響，如課堂的活躍度、一些學生學習積極性對另一些學生積極性的帶動等等。怎樣嚴格地控制變量、設計準實驗，并研究這些變量的影響需要更多的研究。

（二）基于概念轉變抑制理論和腦科學的教學實踐探索

根據概念轉變抑制理論，概念轉變的本質是科學概念抑制前概念，那么促進抑制發生的訓練、思維、方法能否促進概念轉變的發生值得研究。已有研究表明，適當的抑制訓練能促進學生改變認知過程，有效抑制學生從前概念的角度感知加工所得的信息。[3]目前，概念轉變的教學實踐研究主要以經典概念轉變理論為基礎。那么，基于概念轉變抑制理論，不同的教學策略的有效性、差異性需要更多的研究來驗證。一直以來，概念轉變的結果是模糊的，只能通過測試的結果來量化學生是否掌握科學概念。但這樣測試的結果并不準確，學生可能只是掌握這種題型的正確答案，不是從科學概念的角度看待世界。腦科學的成像技術利于解決這個問題，由于不同的認知活動會激活不同腦區，所以依據不同腦區的激活情況可以準確地判斷概念轉變的發生。尤其是事件相關電位技術（ERP），在嚴格的ERP實驗中能夠從時間的維度上探討認知加工的過程，從而判斷概念轉變的實現程度和概念轉變是否發生。這種明確量化的結果，可以幫助教師選擇更高效的教學策略，具有重要的借鑒作用。

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The Research Landscape of Conceptual Transformation of Scientific Disciplines in China： Stages， Themes and Prospects

Zhen WANG1， Yujing YANG2， Jingying WANG3， Zhen SHI3， Xiaofeng HU4， Di YIN5

（1.School of Physics and Electronic Technology， Liaoning Normal University， Dalian 116029， Liaoning;

2.The Fifth Middle School of Jinzhou City， Jinzhou 121002， Liaoning;

3.Faculty of Education， Beijing Normal University， Beijing 100875;

4.Beijing Bayi School， Beijing 100875;

5.Guanzhuang Branch of Beijing No. 80 High School， Beijing 100123）

Abstract： Conceptual change has always been a hot research topic in the field of international science education， and it is also a core issue in China. In order to describe the domestic landscape of conceptual change， this paper retrieves and sorts out relevant literature in CNKI， and analyzes the development process and research topics of conceptual change research. The results show that the research is mainly divided into five stages： the connotation of pre-concepts and teaching strategies for concept change， the exploration of pre-concepts and the introduction of concept change theory， the systematic research of pre-concept and concept change theory， the interdisciplinary integration and empirical research of conceptual change and the cognitive neural mechanism of conceptual change and scientification. From the perspective of research topics， the research on conceptual transformation mainly includes the following aspects： theoretical basis of pre-concept and conceptual change， empirical research on the diagnosis and exploration of pre-concept， teaching strategy research on conceptual transformation， teaching experimental research and psychology and brain research. Finally， suggestions for future research on conceptual transformation are proposed： deepen existing research and brain science research on conceptual transformation.

Keywords： Conceptual change; Preconcept; Conceptual change inhibition theory; Instructional approaches; Conceptual change empirical

編輯：王天鵬" "校對：王曉明

DOI： 10.3969/j.issn.1673-8454.2023.07.015

作者簡介：王震，遼寧師范大學物理與電子技術學院副教授，博士（遼寧大連 116029）；楊玉靜，遼寧錦州市第五中學教師，共同第一作者（遼寧錦州 121002）；王晶瑩，通訊作者，北京師范大學教育學部教授、博士生導師，博士（北京 100875）；石甄，北京師范大學教育學部碩士研究生（北京 100875）；胡小豐，北京市八一學校一級教師（北京 100875）；尹迪，北京市第八十中學管莊分校高級教師（北京 100123）

基金項目：2021年大連市科技創新基金項目“‘電磁學與人類生活’科普教育資源的開發與應用”（編號：2021JJ13FG97）