基于概念轉變理論的科學概念教學：現實困境與破解路徑

李多　呂艷坤

摘要： 科學概念教學作為科學教育的重點和難點，尚存學情認識不足，分析過程僵化；教學情境固化，遷移應用匱乏；強化概念識記，應試傾向凸顯等實踐困境。產生困境的根源是學生學習起點認識的偏差、傳統概念轉變理論的局限和缺少科學的評價體系引導教學。為實現科學概念教學的育人價值，應當從審視概念轉向聚焦前概念，面向人文主義重新定義教學，構建評價體系科學引導教學等路徑予以突破。

關鍵詞： 科學概念； 概念轉變理論； 概念教學

文章編號： 10056629（2023）10000305 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

科學概念作為科學知識生成的起點，是培育學生核心素養的重要載體。使學生形成、理解、掌握和運用科學概念，是科學教育的核心內容之一。研究者普遍認為學習者在正式學習前，對生活實踐中的事物產生了自己的概念、觀點及想法，這些預先的認知結構在學習者日后的學習過程發揮重要作用，即學生的前概念是概念學習的起點。從上世紀70年代開始，由前概念到科學概念的轉變研究逐漸興起，并由此衍生出了諸多概念轉變理論和教學策略。然而，大量的實證研究表明基于傳統概念轉變理論的諸多教學策略并沒有收到預期的效果，科學概念無法徹底取代前概念［1］。因此，亟待從實踐反思和理論審視的雙重視角探討科學概念教學的問題與出路，從而實現概念教學的育人價值。

1 科學概念教學的實踐困境

科學概念的形成與遷移應用過程是科學思維和科學探究能力的內化與外顯過程，其在學生頭腦中的升華形成個體的科學觀念和科學態度與社會責任。因此，概念學習是科學教育的首要任務。然而，實證研究表明我國學生在科學概念學習后尚存兩大現實問題：第一，學生能運用科學概念解決課內習題，卻難應用于生活實踐。最新的PISA數據顯示我國學生科學素養高出OECD平均水平31.6%，但是存在著知識記憶與應用能力高于分析解決問題能力的現象，實際問題解決能力低于新加坡、日本和韓國學生的平均水平［2］。第二，學生在離開校園或者停止學習后，頭腦中的科學概念會快速遺忘，學習效果與科學教育預期目標相去甚遠。為了學生能夠應對時代挑戰、適應未來社會需求和個人終身發展，應當聚焦實踐場域，反思科學概念教學中的現實困境。

首先，學情認識不足，分析過程僵化。美國認知教育心理學家奧蘇伯爾在《教育心理學——認知觀點》一書扉頁中提出，“如果要我只用一句話說明教育心理學的要義，我認為影響學生學習的首要因素，是他們的先備知識，研究并了解學生學習新知識之前具備的先備知識，配合之以設計教學，從而產生有效的學習，就是教育心理學的任務”［3］。把學情分析作為教學設計的切入點，已成為科學教育理論和實踐工作者的共識。但是一線教師在教學實踐過程中對學情的分析尚存一定不足：首先，對于學情的理解不到位。奧蘇伯爾所提及的“先備知識”指的是“對學習效果有影響的學生信息”，但很多教師將其簡單地解讀為“學生的知識儲備”；例如在進行“物質”學情分析時，教師局限于學生在初中階段學習過物質是由原子、分子等微觀粒子構成的和原子是由原子核、核外電子構成的；并未涉及學生對于原子、分子、原子核與核外電子等概念的認識程度和認知方式，缺乏必要的前概念分析。然后，對于學情分析的科學方法掌握不夠。教師大多以先前測試成績或者以教學經驗作為學情分析的依據，忽略了成績與個體經驗背后的東西，比如興趣愛好、思維方式等因素。最后，對于學情分析僅限于課前教學設計環節。日常教學活動中的各個環節，尤其是課堂實施、作業批改、課后輔導、考試評價等都是反映學生學情的優良載體，是促進教與學有效融合的著力點，教師并未有效把握、深度解析學生學習的真實狀態［4］。

然后，教學情境固化，遷移應用匱乏。受教學時間不足、教學內容繁多等因素的影響，教師在教學實踐中往往選擇便于表述、易于學生理解的情境來引入、闡述、驗證科學概念，而且會反復使用這些情境，容易導致情境固化。例如教師在講授萬有引力與航天時往往選用圓或者橢圓模型（橢圓往往只分析軌道頂點），由此給學生造成了“萬有引力與圓周（橢圓）軌道”之間的情境固化，導致了學生難以理解電影《火星救援》提及的“引力彈弓效應”中引力場的作用［5］。情境固化容易導致學生形成情境、問題與概念之間的定勢思維，桎梏學生的思維多元化發展。在社會飛速發展的今天，熟悉的、單一的情境引起的思維固化會導致科學概念失去對于現實的解釋力，影響孩子學習和探索未知的熱情。而針對科學概念教學的練習，主要以特定的模型為主，缺乏基于真實問題情境的遷移，學生難以將概念內化、達到靈活運用的學習效果。

最后，強化概念識記，應試傾向凸顯。近年來，隨著社會經濟的繁榮與發展，人民群眾的物質生活水平得到極大提高，隨之而來的是對于通過接受教育進一步改善生活的美好期待。但是由于高質量教育資源的發展水平和速度有限，無法滿足全體民眾的需求，由此加劇了人們的教育焦慮，導致了全社會都在追捧學生學習成績和學校升學率。為了讓學生在短期內提高成績，教師進行概念教學時，更愿意把概念以結論的形式直接呈現給學生，強化學生運用概念解決課內習題和應試技巧的能力，而忽略了科學概念在生活實踐中的實際應用。教師對于科學概念的形成、發展與應用過程重視程度不夠，導致了學生缺乏對于概念內涵與外延的深度理解。學生對于這種淺層學習方式獲取的知識缺乏足夠的認同感，對于知識所承載的教育功能獲得嚴重不足。以“植物的生存和生長”為例，教師強調學生記憶植物的生存和生長需要水、陽光、空氣和溫度，學生根據日常生活經驗也能理解這些因素對于植物的生長具有重要意義，但是很可能會產生這些影響因素越多越好的錯覺。只有通過控制變量法的實驗，切身觀察不同因素影響植物生長的具體過程，才能讓學生真正理解植物的生存和生長需要適宜的環境，進而明白水、陽光、空氣和溫度對于植物生長的具體作用分別是什么。

2 科學概念教學的困境根源

2.1 學生學習起點認識的偏差

安德烈·焦爾當（André Giordan）在《學習的本質》一書中曾提出“對學習者的前概念的考慮必須成為一切教育計劃的出發點”［6］。樸素理論認為學生的前概念源自于日常生活，是學生對事物最初的認知、概念和觀點；迷思概念理論強調前概念與科學概念的差異性。雖然不同理論流派對前概念的具體認識有所差別，但是對于前概念的廣泛性、頑固性、遷移性和情境性等基本特征達成一致［7］。前概念形成于個體的成長過程，是人在和即時環境、社會環境互動中形成，根植于環境文化之中，具有一定的時代印記和環境印記。同時，個體從自身觀察、自身經驗、與他人以及客觀世界的關系出發，建立起個體的認知方式和觀念，即前概念也具有明顯的個體印記。因此，在教學之初分析學生的前概念時，要兼顧時代印記、環境印記和個體印記。但是，一線教師在開展教學設計時，往往根據以往的教學經驗或者自身的臆想來確定學生學習新知識存在哪些認知困難，極少有教師會在課前針對學生相關知識的前概念進行測試與分析［8］。一個論據要有意義、能改變思想，就必須和學生相聯系，而不是和教師相聯系。這種“虛假”的學情分析偏離了學生學習的真正起點，由此導致教學效果難以與預期相符。

2.2 傳統概念轉變理論的局限

傳統意義上的概念轉變，是指學習過程中新舊經驗相互作用的過程，是新經驗對已有經驗改造與重構的過程，概念轉變成功的標志是科學概念對于前概念的取代，以此為目標衍生出了各種概念轉變理論。Ponser等人提出了著名的基于認識論的概念轉變模型，將概念轉變分為同化和順應兩種類型，認為概念的存在和轉變過程都不是孤立的，而是與概念所處的“環境”密切相關［9］。基于認知論的模型被視為概念轉變的經典模型，強調幫助學生在前概念的基礎上建構科學概念，并衍生出了眾多被廣泛使用的教學策略，諸多教學策略并沒有收到預期的效果。這源自于認識論概念轉變模型的局限性：模型描述的是前概念與科學概念之間的競爭過程而非轉變機制，雖然指出了概念轉變過程中可能受影響的因素，但并未闡明這些因素產生影響的作用機制，也未指出因素內部間的相互關系。

經典概念轉變理論出現后，關于概念轉變的相關研究迅速涌現。如基于本體論的概念轉變理論、基于發展心理學的概念轉變理論、多維課堂概念轉變框架等，這些理論都將科學概念對于前概念的取代視為概念轉變，分別從不同角度解釋概念轉變困難的原因和概念轉變過程的影響因素。在各種概念轉變理論的指導下，教師以科學概念取代前概念作為概念轉變成功的標志，而忽略了概念轉變之后，即學生形成科學概念之后這些概念如何存在以及發揮作用。教學實踐表明學習者很難用科學概念完全取代前概念，前概念會持續存在并影響人的行為意識［10］。

2.3 缺少科學的評價體系引導教學

教學評價作為教學活動的重要環節，通過各種測量手段和統計方法，對學生學習的成就、教師完成教學目標的程度給予量化或質性的描述，為教學活動的持續開展提供了基本遵循。我國現有對于概念教學的評價科學性不足，以學生對科學概念的理解水平和解決問題的復雜程度與能力作為評價標準，對促進學生素養發展、教師教學能力提高和教學實踐改進的導向性不足。第一，就評價目的而言，過分強調甄別與選拔功能，忽視了學生的個體前概念差異性，難以實現幫助學生發現潛能、診斷問題、規劃發展、激勵成長的作用。第二，就評價內容而言，聚焦于科學概念的理解水平與基本運用，對學生的科學觀念、科學思維與科學探究能力、科學態度與責任關注度不夠；只關注結果而忽略學習過程的評價難以全面評價學生的綜合素質。第三，就評價方式而言，受測試手段的制約局限于紙筆測驗，文本形式單一且難以真實反映學生對于科學概念的理解程度，脫離生活實踐的考試載體并不能反映學生解決實際問題的能力；試題文本最終呈現的是容易量化和比較的分數，易加劇學校教學應試化的傾向。第四，就評價主體而言，教師作為評價的單一主體從學生學業表現水平的視角進行評價，忽視了學生也應是評價的主體，失去了在評價過程中培養學生自主意識和自我教育的機會。第五，整個概念教學評價體系對于情境的關注不夠，且未考慮學生離開校園之后的表現，難以引導教師關注學生前概念、概念轉變過程、概念持續作用和學生的未來發展。

3 科學概念教學的破解路徑

3.1 審視概念轉變，聚焦前概念

概念轉變自提出以來備受推崇，由此衍生出來的教學策略持續影響了科學教育幾十年。然而在對學生概念學習效果的檢測中發現前概念在時間維度上更具生命力，很難徹底被科學概念完全取代；二者共存于學生頭腦中，相互作用、相互影響。因此，傳統的概念轉變理論正在不斷地受到質疑。通過自然科學實證研究范式的引入，基于行為學和腦科學的量化數據分析，研究者對前概念有了新的認識并提出了概念轉變的抑制理論：前概念不僅僅作用于概念學習的起點，而是廣泛存在于人的整個認知過程之中；概念轉變的本質是科學概念對于前概念的抑制，而非完全取代［11］。實踐表明隨著時間的推移，這種抑制作用會發生改變，由此導致科學概念與前概念的共存，二者長期處于一種動態的沖突、競爭與平衡之中。

科學概念學習開始的關鍵在于讓學生對自身的前概念產生困惑甚至不滿，前概念之所以能長時間廣泛存在是因為它對現實有一定的解釋力，只有讓學生真正意識到前概念的解釋力不足時，才能激發其學習的持續動力。因此，探察學生的前概念成為概念教學的重點，教師只有突破自身教學經驗和傳統測試題的局限，方能了解學生的真實前概念：首先，通過查閱文獻確定學生針對某一教學主題可能存在的前概念；然后，通過多階測試題，利用答題階、理由階和信心階確定學生的前概念以及學生對于前概念的信任程度；最后，通過有效對話、課堂觀察、課后練習等手段挖掘隱藏的前概念，以及明晰前概念與科學概念的動態競爭和作用機理。從而選擇合適的教學情境，在凸顯科學概念優越性的同時，強化對于前概念的抑制作用。

3.2 面向人文主義，重新定義教學

傳統的知識觀強調科學概念的客觀性，否認概念存在的主觀性，忽略了人作為知識的主體應有的個體化差異。人文主義教育觀和發展觀承認前概念存在的合理性，提出“知識是個人和社會解讀經驗的方法，與創造及再生產的文化、社會、環境乃至社會體制都不可分割”［12］。教師只能把科學概念和學生的前概念盡可能真實地呈現給學生，讓學生體會二者之間的差異，引導學生整合兩種概念。因此，需要重新定義概念教學目標中的教與學。教師“教”的目的不在于清除學生的前概念、幫助學生建立正確的科學概念，而是應該關注學生的文化背景、生活經驗、認知水平和認知方式，將前概念作為新知識的生長點，選擇恰當的教學方法和策略引導學生構建自己的大概念體系。學生“學”的目的也不再是科學概念完全取代前概念，而是學會用科學的視角來觀察世界、提出問題，能夠用科學概念來分析問題、解決問題，并能夠在具體生活、問題情境中靈活運用這些科學概念［13］。以“速度”的概念教學為例，教師“教”的目的是讓學生認識到初中所學的“路程與時間的比值”描述的是速率，在速率的基礎上理解速度的內涵與外延。學生“學”的目的是體會到速度與速率的差異與關聯，在具體情境中選擇恰當的物理量對運動進行合理地描述。

3.3 構建評價體系，科學引導教學

傳統的以前概念向科學概念轉變狀況作為概念教學評價依據已不能滿足時代發展需求。在素養為本的課改背景下，概念教學應當面向未來、培養學生能夠適應社會可持續發展和個人終身發展的能力。教師“教”科學概念不局限于學生的概念是否發生轉變，更集中體現在引導學生認識自身的前概念，接受前概念和科學概念的共存、競爭，幫助學生建立科學合理的大概念體系，從而長期保持對于前概念的抑制作用。學生“學”科學概念不再是概念的理解、記憶、運用，而是學生能夠在復雜、多變的陌生情境下選擇合適的科學概念、運用恰當的科學方法成功地解決實際問題。學生運用科學概念解決問題的路徑也不應再是唯一的，而應該是多元和發散的；因此概念測評試題應當是多元乃至是開放的，鼓勵質疑與創新。為落實中共中央、國務院印發的《深化新時代教育評價改革總體方案》指導精神，扭轉不科學的教育評價導向，促進科學概念教學實踐積極改進，應當重新建構概念教學評價體系：首先，基于新的“教與學”定義，從教與學兩個維度確定科學概念學習進階的“階”，突出學生作為教學與評價的主體地位，強化過程評價。然后，關注學生前概念的多元化與個性化，選擇合適的問題情境，對教學前后學生真實表現開展有效評價，探索增值評價。最后，改變以測試成績為唯一指標的評價與招生模式，堅決克服唯分數論，將學生運用科學概念解決實際問題的能力納入評價標準，引導學生從科學走向社會，改善結果評價。與此同時進一步探索并逐步完善學生綜合素質檔案，將其作為高校招生、單位招聘的重要依據，從而真正發揮教學評價指揮棒的正向調節作用。

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