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基础教育数字化发展研究|王震 杨玉静 王晶莹 石甄 胡小丰 尹迪:我国科学学科概念转变研究图景:阶段、主题与展望

编辑部 中国教育信息化 2023-11-06

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王震 杨玉静 王晶莹 石甄 胡小丰 尹迪.我国科学学科概念转变研究图景:阶段、主题与展望[J].中国教育信息化,2023,29(7):121-128.DOI: 10.3969/j.issn.1673-8454.2023.07.015

基础教育数字化发展研究

我国科学学科概念转变研究图景:阶段、主题与展望

王震 杨玉静 王晶莹 石甄 胡小丰 尹迪

摘 要: 概念转变研究始终是国际科学教育领域热点研究主题,也是我国科学教育领域的核心问题。为描绘我国概念转变的研究图景,基于检索、梳理知网中相关文献,分析我国概念转变研究的发展历程和研究主题。从研究结果来看,我国概念转变的研究主要包括前概念的内涵与概念转变教学策略阶段、前概念的探查与概念转变理论的引介阶段、前概念与概念转变理论系统研究阶段、概念转变跨学科整合与实证研究阶段、概念转变认知神经机制与科学化阶段。从研究主题来看,我国概念转变的研究主要包括前概念和概念转变的理论基础、前概念的诊断与探查的实证研究、概念转变的教学策略研究、教学实验研究、心理学与脑科学研究。最后,提出概念转变未来研究的建议,即深化现有研究和概念转变的脑科学研究。

关键词: 概念转变;前概念;概念转变抑制理论;教学策略;概念转变实证研究中图分类号: G420文献标志码: A文章编号: 1673-8454(2023)07-0121-08

作者简介: 王震,辽宁师范大学物理与电子技术学院副教授,博士(辽宁大连 116029);杨玉静,辽宁锦州市第五中学教师,共同第一作者(辽宁锦州 121002);王晶莹,通讯作者,北京师范大学教育学部教授、博士生导师,博士(北京 100875);石甄,北京师范大学教育学部硕士研究生(北京 100875);胡小丰,北京市八一学校一级教师(北京 100875);尹迪,北京市第八十中学管庄分校高级教师(北京 100123)

基金项目: 2021年大连市科技创新基金项目“‘电磁学与人类生活’科普教育资源的开发与应用”(编号:2021JJ13FG97)

一、研究背景

     

  学生在学习科学概念前,已有的概念一般称之为前科学概念或前概念。依据来源的不同,有学者将教学前概念区分为错误概念与前概念,错误概念通常是指学生在先前的正式教学中形成的错误理解,学生会产生这种错误理解可能有以下几个原因:教师本人对概念一知半解;部分概念由来已久而不易引起人们对它的深入分析和思考;学生依据自己的前概念曲解教师讲授的科学概念。[1]前概念通常根植于日常生活中,所以也称之为日常概念,这些术语总体具有相似性,本研究用前概念泛指不同的术语。学生的前概念根深蒂固,忽视前概念的教学只能徒劳无功。

  从前概念和科学概念的存在方式来看,概念转变的界定主要分为取代和共存两种。经典概念转变理论认为:概念转变是指科学概念取代错误的前概念的过程,是整个科学范式的改变,是新概念状态不断提升、原有概念状态不断下降的过程。[2]概念转变抑制理论提出:概念转变的本质是科学概念抑制前概念,两者共存于大脑中。[3]此外,我国研究者还从概念转变的过程性出发,提出:概念转变是为了理解新知识,学习者的教学前概念结构发生根本性重构的过程,也就是科学概念的获得过程;[4]概念转变是学生在新的学习中不同程度地扩展、更改或重新组合头脑中的已有概念以适应科学概念,从而建构自己知识的过程;[5]概念转变是学生原有概念的发展、修正或转变的过程。[6]

  本研究选择中国知网的社会科学II的期刊和硕博士论文数据库为数据源,分别用概念转变、前概念、前科学概念、错误概念、迷思概念、日常概念六个关键词或其组合进行检索,共检索到期刊论文2679篇,学位论文428篇。通过国内研究可以发现,随着认知神经科学和脑科学的快速发展,概念转变研究也从前概念分析升级到脑科学机理的探索。因此,本论文旨在对我国基础教育领域概念转变相关研究进行系统性分析,深度解读我国概念转变研究的图景,以期为科学学科教与学的转型升级、科技创新后备人才培养机制的研究提供借鉴和启示。

二、我国概念转变研究阶段:

从前概念内涵到脑科学机理

    

  (一)前概念内涵与概念转变教学策略阶段(1989—1999年)

  我国学者在上世纪80年代就开始关注概念转变的研究,主要研究前概念的内涵和概念转变教学策略。一方面,我国学者通过总结错误前概念和分析错误前概念产生的原因,提出概念转变的教学策略。另一方面,研究者通过实验深度挖掘学生的前概念,并设计相应的教学策略。本阶段没有相关学位论文出版,还处于概念转变的前概念研究阶段,研究成果分散且间断,还并不成熟与系统。

  (二)前概念探查与概念转变理论引介阶段(2000—2006年)

  这一阶段研究的重点是前概念的探查和概念转变理论的引介。研究者不再是简单地总结分析前概念,而是使用归谬法、诊断性评价等更加科学和多样的方法探查前概念;此外,我国研究者开始引介国外概念转变理论,并提出将其作为我国教育实践的借鉴;在此阶段出现概念转变的学位论文,概念转变的研究更加系统,包括理论到教学策略再到实践结果。研究概念转变的学科增多,教学策略多样化。

  在前概念探查的研究方面,相关学者的实证研究采用团体测查及个案访谈的方法探查学生错误的化学前概念;[7]袁维新的《运用诊断性评价揭示学生的前概念》使用诊断性评价探查前概念。这些有关前概念的研究方法不再是简单的总结分析,而是更加科学和多样化。在国外概念转变理论的引介方面,袁维新发表多篇重要文章,介绍国外概念转变理论,如2003年的《概念转变学习:一种基于建构主义的科学教学模式》、2004年的《西方科学教学中概念转变学习理论的形成与发展》均被频繁引用和下载,系统地探讨概念转变学习作为建构主义科学教学理论的形成与发展过程,分析其模型与概念生态等问题。此外,2003年国外学者和中国学者郭玉英等人合作发表的《“为概念转变而教”策略综述》也成为高被引文章;2004年胡卫平和刘建伟合作发表的《概念转变模型:理论基础、主要内容、发展与修正》引用率也很高。

  在学位论文方面,2001年第一篇有关概念转变的学位论文出版,来自湖南师范大学的杨进琼的硕士论文《中学生有关前科学及错误概念的研究(力学部分)》,主要研究力学前概念和错误概念。2003年邓学明的《从前概念到建构观——浅议建构主义学习理论》被多次引用和下载。2004年共有五篇硕士论文,且全部有关化学学科,主要研究化学的前概念、错误概念、相异构想和概念转变教学策略,研究对象包括初中生和高中生,如2005年刘瑞东的硕士论文《自我解释策略对转变学生化学平衡迷思概念的研究》,被多次引用和下载。紧接着,研究重点开始偏向概念转变的教学策略,物理学科的研究增多,同时开始出现对地理学科迷思概念的调查,如2005年在地理教育学领域孙立锋的硕士论文《初中生月相迷思概念调查研究》。2006年增加概念转变方式和工具的研究,包括开始利用概念图促进概念转变教学,结合合作学习方式促进学生观念改变;生物学科方面主要研究前概念、概念转变教学实践;同年还出现对极限的预概念的调查研究、前概念在课程设计中作用的研究。

  (三)前概念与概念转变理论系统研究阶段(2007—2013年)

  在借鉴国外概念转变理论和实践的基础上,我国概念转变的研究更加系统化。研究者从不同角度探讨概念转变理论,包括国外概念转变理论的机制和过程、科学哲学、心理学等。在教学实践中,多元表征教学策略、结构化主题探究、小组文化、Appleton学习模型等多种教学模式策略与概念转变相结合,研究其在教学实践中的效果。

  一方面,学者从不同角度探讨概念转变理论。如袁维新的《概念转变理论及其对当代科学教育的启示》,从模型建构的角度分析概念转变教学模式;有学者从科学哲学角度探讨科学探究与概念转变;有学者探讨促进学生科学概念转变的心理学研究进展,而有的学者综述概念转变模型及其发展;有关学者的《Wiki支持的教师概念转变研究——认知—互动分析的视角》是较早的一篇基于信息技术背景研究教师概念转变的论文。

  另一方面,学位论文的研究主题关注概念转变的教学模式策略在教学实践中的效果。2007年学位论文选题中以科学为背景的概念转变策略出现,主要为物理和化学学科;概念转变方式和策略的研究包括基于概念图的物理概念转变教学模式研究、不同学习策略对转变学生化学迷思概念的研究。以中学力学为例,出现“为概念转变而教”教学模式的探究,还出现基于概念转变理论与科学本质观探究教学设计的研究。2009年促进概念转变研究的方法增多,包括采用多元表征教学策略促进小学数学概念转变、利用结构化主题探究活动促进声学概念转变。2010年出现基于概念图的地理概念转变教学模式研究、通过双情境学习模型(DSLM)促进物理概念转变的实证研究、初中物理教科书中的前概念研究。2011年研究涉及科学教学迷思概念转变的案例、基于概念转变理论的高中化学教科书。2012年的研究包括初中化学教材中概念转变策略、小组文化与自我概念转变、基于Appleton学习模型的科学迷思概念转变策略。此外,研究还有从“双重情境学习模式”“合作学习方式”等角度研究概念转变的有效策略,以及大班幼儿生命过程前概念的个案研究、高中学生信息技术概念转变。

  (四)概念转变跨学科整合与实证研究阶段(2014—2019年)

  在系统的国外概念转变理论引介和前概念研究之后,概念转变研究转向实证研究和跨学科整合,如核心素养和概念转变的整合。在实证研究中,相关量表的使用可精准地探查前概念,对比试验、个案分析等更加精确地展现概念转变的效果和问题。

  在概念转变的跨学科整合研究方面,2018年的《中学物理迷思概念及概念转变的实证研究——传统教学与互动参与式教学的对比实验》中作者提出科学概念转变教学的新视野与新思路,对标科学核心素养。2015年董玉琦团队基于CTCL视角,发表多篇信息技术学习中的概念转变研究论文,包括《CTCL视角下日美两国概念转变策略研究谱系及其启示》《概念转变视域下的概念类型及结构研究——基于CTCL的信息技术学科学习心理研究》等。

  学位论文在2014年则聚焦类比教学在概念转变中的实践、高中生物教学中前科学概念教育在生活教育模式下的案例分析、概念转变心理机制和过程。2016年有元认知理论下的迷思概念转化策略研究、双重情境学习模式下科学推理对高中生概念转变与推理能力的影响,以及可视化工具、物理实验、CSEM等对概念转变的影响。2017年有基于CTCL范式的概念转变教学案例、CTCL视野下的小学数学概念转变的实证研究、基于FCI对高中力学前概念检测卷的研发及其调查研究、基于论证式教学的概念转变教学研究、基于模型方法的高中生化学概念转变的实证研究。2018年的实证研究包括概念转变视角下的STEM教学设计实证研究、DSLM促进小学生概念转变的科学教学研究、信息技术学生实验课程对概念转变的实证研究。2019年研究结合“7E”教学模式、“5E”教学模式探讨概念转变的教学策略和实践。学科核心素养、耗散结构理论、知识建构理论、博物馆资源、Rasch模型、演示实验、自解释策略等方法与概念转变相结合的研究也频繁现身。

  (五)概念转变认知神经机制与科学化阶段(2020年至今)

  随着脑科学技术的发展,研究者可以清晰地看到在概念转变前后大脑的活动,并以此确认概念转变是否真正发生。以脑科学为依据,概念转变抑制理论的研究出现。此外,研究者开始关注元分析等视角的概念转变的理论。

  2020年,基于脑科学的概念转变抑制理论研究出现(朱艳梅和陈沙沙合作发表的《基于脑科学的概念转变抑制理论及其对科学教育的启示》),概念转变教学效果论证(竺丽英和王祖浩合作发表的《科学概念转变教学的效果论证——基于元分析的国际比较视角》)成为新兴研究;2021年,香港教育大学万志宏的《概念转变理论:本体论、元认知和动机的视角》给该领域研究带来新启发。前概念研究从前概念的内涵和教学策略开始,再到概念转变策略和理论,实证研究还是以现状调查为主,直到2021年才出现脑科学研究和元分析方法。2020年的学位论文出现技术支持下的概念转变教学研究,即《基于概念转变的个性化学习支持系统开发及应用研究——以高中信息科技“字符编码”内容为例 》,此阶段的硕士学位论文探讨5E教学模式、POE策略转变、PDEODE模式、具身认知视角、图尔敏论证模式、概念图、智学网测评系统、小组合作探究、元认知理论等方法在概念转变教学实践中的应用。2021年,相关研究有学习进阶、深度学习理念、交互式视频等对概念转变的影响。

三、我国概念转变研究的核心主题

     

  (一)前概念与概念转变的基础理论

  前概念的研究表明学生是在前概念的基础上理解学习科学概念,而传统的讲授方法忽视前概念,导致学生无效的科学概念学习。我国学者对概念转变理论的研究方法以引介和分析国外理论从而指导我国概念转变的实践为主。万志宏综述经典概念转变模型、本体论、元认知、动机视角的概念理论,以经典概念转变模型为树干,以本体论、元认知和动机视角为树枝,详细介绍从主干到树枝的生长和完善的过程。[8]第一,波斯纳(Ponsner G J)等四位教授以“范式的更替”为理论依据,从认识论的角度提出概念转变需要满足四个条件和概念生态圈,被称为经典概念转变模型。第二,本体论视角认为,世界上物的本体归属于不同类型。前概念和科学概念本体类型相同时,概念转变容易发生;但跨本体类别的概念转变难以发生。第三,元认知视角关注学习者在概念转变中的重要作用,提出:学习者丰富的元概念知识能促使概念转变方式;元概念认识是概念转变中认识系统重构的基础;成功的概念转变的关键是元概念调控的过程,即对比科学概念和前概念并矫正原有认知结构。第四,动机视角提出,目标取向、自我效能感和控制信念是影响概念转变的重要因素。基于内在目标取向、自我效能感适中、内在控制信念,学生会促进概念转变的发生。这些理论从不同视角发展完善波斯纳的经典概念转变模型,认为科学概念的学习是科学概念替换前概念。脑科学的研究表明,前概念和科学概念共存于大脑中,由此概念转变抑制理论提出,概念转变的本质是科学概念抑制前概念。为了促进这种抑制作用的发生,就需要在教学过程中先建立科学概念,再产生认知冲突。有学者介绍概念转变抑制理论和其得到支持的证据。[3]

  (二)前概念诊断与探查的实证研究

  我国对前概念诊断与探查的实证研究中,学科涉及物理、化学、生物、科学、地理、数学、信息技术等,其中物理和化学的研究最多。前概念的探查工具主要是问卷,包括自制问卷和专家开发测量的问卷。例如,有学者使用自编的“初中生化学学习前个人认识问卷”探查初三学生的化学前概念,对探查结果进行简单的统计(百分比)和分析。[7]南京师范大学的蒋晓霞使用CSE问卷诊断中学生的电场前概念;[9]有学者采用FCI力学概念测试卷和自编的口试评测工具(OTC)对学生的物理概念进行测量,并用独立样本T检验、口试成绩平均增值的计算、集中度分析等方法收集与分析实验数据。[10]综上所述,我国对前概念诊断与探查的实证研究方面,从自制问卷到科学开发的问卷,探查工具更加科学;从简单的百分比描述到科学的差异性分析,对探查结果的处理也更加严谨。

  (三)概念转变的教学策略研究

  我国早期概念转变教学策略的研究,依据经验总结分析错误概念,并提出避免错误概念的教学策略。随着国外理论的引介,研究者开始以概念转变教学策略理论为基础,设计并组织概念教学课。[11]此后,概念转变教学策略被较为细致地分类,从引发学生认知冲突、促进学生认知顺应、激发学习兴趣、促进学习主动调控等角度,提出促进学生概念转变的教学策略。部分学者从案例分析的角度研究概念转变教学策略。例如,认知互动视角的教师概念转变的案例分析发现,教师自发的解释性问题,促进知识的重组;比较和质疑,可以帮助教师产生认知冲突。[12]潘华君以“质点”为例,从空间排列、整体框架、行文逻辑、呈现方式等四个方面比较中美教材,提出概念转变的教学策略应注重前概念的再现和丰富。[13]对概念转变策略的实践研究发现,在认知层面多以经典概念转变模型为理论基础,使学生产生认知冲突,对“实验探究”“模型建构”“概念图”“科学发展史”等教学策略进行实践。随着实践推进,研究者开始将其他教学策略与概念转变教学策略相结合。例如,多元表征教学策略促进学生概念转变,采用选择性注意、对比、“微课”辅助等多种方式使教学策略方面的实践研究更加丰富和细化。

  (四)概念转变的教学实验研究

  概念转变的教学实验一般采用准实验研究设计,将学生分为两组——实验班和对照班。实验班进行概念转变的教学;对照班采用原本教学内容进行教学。为了确保实验的科学性,会选择平行班作为对照组。为了确保两个班级无显著差异,需检验实验班和对照班前测成绩的差异性。当两个班级存在差异时,通过取样调配,使对照班和实验班参加调查的学生起始水平相当,保证无关变量的一致性。为确保实验的科学性和概念转变教学是否有效,需要分析后测、延时后测结果的差异性。除了对分数进行比较外,还有研究者比较学生的学习兴趣、学习方法、自我效能感,对实验结果进行平均分、T值和P值的分析,检验概念转化教学策略在教学实践中的效果。例如,天津师范大学的史文超在研究过程中发现实验班和对照班存在差异后,通过取样调配,使参加调查的学生在起始阶段无显著差异,排除无关变量对实验的影响。[14]经过一个学期的教学后,采集实验班与对照班的学生学习兴趣、生物学业成绩、自主性三方面的数据,并检验数据是否存在显著性差异,进而判断概念转变的教学效果。黎双在初中光学前概念转变的教学策略研究中,选择四个平行班作为实验班和对照班,使用SPSS软件检验四个班级的前测数据(前测使用自编问卷),确保实验班和对照班的物理成绩无显著性差异,从而保证实验的科学性。[15]在光学部分的科学概念教学后,建立后测数据库,对实验班和对照班的测试结果进行详细的对比和研究,最后判断概念转变教学效果。

  (五)概念转变的心理学和脑科学研究

  概念转变教学实践的核心问题有两个:一个是概念转变的理论和模式在实践中的有效应用,另一个是高效教学策略的选择。了解学生概念转变背后的心理机制是解决核心问题的关键。有学者进行中学生力学概念转变的教学实验,观察总结中学生在力学概念转变过程中的主要心理机制包括抽象概括、逻辑推理、联想对比、实例演绎(分析)、变式思维、实验推导、理解接受。[16]例如,学生错误地认为“物体处于静止状态就没有加速度”,教师通过举例并分析“上抛物体在最高的静止但有加速度”帮助学生转变错误的概念,学生在本次概念转变过程的心理机制是实例演绎。袁维新引介沃斯尼阿多(Vosniadou)概念转变的心理模型构建,从认知心理学角度提出学生错误前概念背后是更深层次的心理模型。[17]只有心理模型改变,概念转变才会真正发生。

  对概念转变模型及其完善进行相关研究的学者都认为,概念转变的本质是科学概念对前概念的替换,但概念转变抑制理论打破这种看法,提出概念转变的本质是科学概念抑制前概念。大量的行为学和脑科学成像研究为概念转变抑制理论提供有力的证据。[3]从行为学角度,个体需要更长的时间解决认知冲突的问题,在一定程度上支持概念转变抑制理论;从脑科学研究方面,长时记忆的形成机制、科学领域专家型学生和新手的脑成像研究、高时间分辨率的脑电研究、概念转变前后的脑电研究等都从一定程度上支持概念转变抑制理论。[3]

四、概念转变研究的未来发展

    

  (一)基于已有研究的深化与发展

  我国概念转变的研究较为单一,还有很多方面可以深化和发展。首先,开发成熟的前概念的探查问卷。前概念的探查工具一般为自制的问卷,但自制的问卷并不能保证研究的科学性,可能无法满足信度和效度的检验,可以借鉴国外成熟的问卷,如CSE电场前概念调查问卷、FCI力学问卷等。通过对这些成熟问卷的借鉴,开发适合的问卷。其次,从元认知、动机视角等方面研究概念转变。已有概念转变的教学研究主要以经典概念转变理论为基础,研究认知冲突对概念转变的影响。元认知、动机视角,以及基于概念转变抑制理论脑科学的实证研究都处于起步阶段,需要更多的研究。最后,设计并进行更加严格的准实验研究。我国概念转变的教学实验研究,一般是教师在课前设计两种不同的教案,并在课上使用这两种教案上的教学方法进行教学,这种教师人为的控制变量无法排除课堂其他因素的影响,如课堂的活跃度、一些学生学习积极性对另一些学生积极性的带动等等。怎样严格地控制变量、设计准实验,并研究这些变量的影响需要更多的研究。

  (二)基于概念转变抑制理论和脑科学的教学实践探索

  根据概念转变抑制理论,概念转变的本质是科学概念抑制前概念,那么促进抑制发生的训练、思维、方法能否促进概念转变的发生值得研究。已有研究表明,适当的抑制训练能促进学生改变认知过程,有效抑制学生从前概念的角度感知加工所得的信息。[3]目前,概念转变的教学实践研究主要以经典概念转变理论为基础。那么,基于概念转变抑制理论,不同的教学策略的有效性、差异性需要更多的研究来验证。一直以来,概念转变的结果是模糊的,只能通过测试的结果来量化学生是否掌握科学概念。但这样测试的结果并不准确,学生可能只是掌握这种题型的正确答案,不是从科学概念的角度看待世界。脑科学的成像技术利于解决这个问题,由于不同的认知活动会激活不同脑区,所以依据不同脑区的激活情况可以准确地判断概念转变的发生。尤其是事件相关电位技术(ERP),在严格的ERP实验中能够从时间的维度上探讨认知加工的过程,从而判断概念转变的实现程度和概念转变是否发生。这种明确量化的结果,可以帮助教师选择更高效的教学策略,具有重要的借鉴作用。


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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

编辑:王天鹏   校对:王晓明



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