概念转变研究图景：发展阶段、视角创新与教学应用

摘   要：概念转变是科学教育的核心问题。文章通过文献研究，梳理概念转变代表模型及其特点，探索概念转变研究的创新视角，以高中物理概念转变研究为例分析其教学应用，并从以共存理论和抑制理论为依托，转变教学方法;重视“热”因素在概念转变中的作用;强化教师培训三个维度探讨当前概念转变研究对教学实践的启示。

关键词：概念转变 模型 创新 应用

概念转变是指认知冲突的引发和解决的过程，是个体原有的某种知识经验由于受到与此不一致的新经验影响而发生的重大改变。[1]概念转变一直是科学教育的重要问题，国际上对概念转变的研究开始于20世纪80年代。1982年，康奈尔大学的波斯纳（Posner）等人提出了概念转变的经典理论，此后概念转变作为一个科学教育研究领域被诸多研究者重视。本文采用文献研究法系统梳理概念转变的理论演进，深入探讨概念转变理论在教学策略等实践层面上的应用，以期为教学实践提供建议。

一、概念转变的理论演进

学术界将概念转变问题作为一个课题来研究源于20世纪80年代。该领域的研究可分为三个阶段：概念转变研究的经典理论探索阶段、概念转变研究的多样化阶段和概念转变研究的抑制、共存理论形成阶段。

（一）概念转变研究的经典理论探索阶段（20世纪80年代）

学术界关于概念转变的研究最早可以追溯至20世纪80年代初。最初，研究者们引用皮亚杰（Piaget）“同化”和“顺应”理论，借以库恩（Kuhn）等科学哲学家的认识论观点来解释概念转变，概念转变经典理论探索阶段也随之开始。1982年，波斯纳等研究者提出了概念转变的经典理论，即概念转变模型（Conceptual Change Model，CCM）。这是国际概念转变研究的里程碑，它标志着概念转变经典理论的形成。该模型认为，概念转变具备四个条件：对原有概念不满，新概念的可理解性，新概念的合理性，新概念的有效性。在该模型中，波斯纳特别强调认知冲突在概念转变中的作用，认为概念转变过程起始于认知冲突。[2]

（二）概念转变研究的多样化阶段（20世纪90年代）

CCM提出后，引发了学术界的讨论。至20世纪90年代，学者们的研究视角逐渐多样化，概念转变研究进入多样化阶段。纪（Chi）等人从本体论角度出发，将概念转变解释为概念在同一个本体类别中的分化、整合，以及不同本体类别间的转化。该理论认为，世界上的实体可归纳为三种基础本体类别，即“物质”（matter）、“过程”（processes）和“心理状态”（mental states），在每个基础类别下有着若干子类别，层层发散，形成三颗“本体论树”（ontological categories trees）[3]。沃斯尼亚杜（Vosniadou）等人从认知心理学的角度提出概念转变心理模型建构理论，该理论认为概念转变的关键在于心理模型框架的重建。[4]平特里奇（Pintrich）等人从情感层面出发，重视情感在概念转变过程中所发挥的作用，提出了“热”的概念转变的观点。[5]平特里奇等人认为，概念转变并不是一个“冷”的过程（意指仅受认知的作用），而是一个“热”的过程（意指不仅受认知作用，还受情感因素的作用）。[6]此后，诸多将情感因素纳入概念转变发生机制的理论被相继提出，如由葛瑞格尔（Gregoire）提出的概念变化的认知情感模型（Cognitive Affective Model of Conceptual Change， CAMCC）以及由多尔（Dole）和辛纳特拉（Sinatra）提出的认知重构模型（Cognitive Restruction of Knowledge Model，CRKM）。CAMCC认为，动机、情感调节着认知加工，个体的态度、目标与已有信念会影响学习者关注环境中的事物。[7]CRKM认为，概念转变受学习者认知冲突、动机水平和教学内容参与程度的影响，概念转变最直接的决定因素是学习者的动机水平和对教学内容的参与。[8]

（三）概念转变研究的抑制、共存理论形成阶段（进入21世纪以来）

随着各种概念转变理论的提出，近年来学者们发现，要实现对学生前概念的消除是极其困难的[9]。这引发了概念转变的抑制理论和共存理论的生成，国际概念转变研究迈入了抑制、共存理论形成阶段。波特凡（Potvin）研究发现，概念转变中学习者的前概念并没有完全被剔除，而是与科学概念形成一种共存状态[10]。科学概念并非对前概念实现了“取代”，而是一种“抑制”[11]，即概念转变不需要取代以前的知识，但它需要有意识地抑制[12]。基于这样的理论，概念转变的流行模型被提出。该模型认为，概念转变的起点不是学生对原有概念的不满，而是科学概念的可用性，概念转变的实质也并不是科学概念对前概念进行了取代，而是“超越”，且在概念转变流行模型中，认知冲突是与情境相关的，它并非指“这个概念是有缺陷的”，而是指“这个解决方案在这种情况下不起作用”[13]。

二、概念转变研究的视角创新

（一）概念转变与教育神经科学

近年来，越来越多的教育神经科学研究关注如何表征知识，以及如何在头脑中反映知识变化的问题[14]。神经科学研究的发展，为我们研究概念转变提供了更好的工具，功能磁共振成像和事件相关电位等技术的应用，使我们得以将特定的认知过程和大脑神经活动变化联系在一起。例如，邓巴（Dunbar）等研究人员检查专家型学生（expert-like student）有无完全消除“较重的物体下落更快”这个常见的错误前概念，研究人员向经过物理学习并学会科学概念的被试学生展现不同质量小球的落地动画画面，同时使用功能核磁来扫描被试学生的脑区激活情况。被试学生都能够对动画的对错做出正确判断，并且在随后的面谈中能够明确、直接地用科学概念阐述小球下落的规律。根据脑成像结果显示，在观看动画画面时，被试学生大脑前扣带回皮层、背外侧前额皮层以及腹外侧前额皮层被显著激活。其中，前扣带回皮层激活体现了学生冲突识别中的认知加工过程，背外侧前额皮层与腹外侧前额皮层的激活体现了大脑抑制功能的发生。由此可知，虽然专家型学生在行为上实现了概念的转变，但他们对应的脑机制是共存的科学概念和前概念引发认知冲突，被前扣带回监测，向前额叶发送信号并由前额叶对认知实施控制，最终成功抑制前概念，从而顺利解决了科学问题[15]。这支持了概念转变的抑制理论和共存理论。

（二）概念转变与元认知

所谓元认知，是指认知的认知[16]。目前，关于元认知的发展是否会对儿童概念转变产生整体影响依然没有得到确切的研究成果[17]，并且当前关于元认知是如何参与概念转变的研究也较少，这体现在两个方面：一方面是在分析性元认知上，人们对元认知在概念习得的早期阶段作用研究依旧很少;另一方面是在程序性元认知上，关于程序性元认知如何参与儿童的概念发展，这个问题依然没有得到回答。[18]分析性元认知是指关于精神状态和过程的明确信念，如关于有效的记忆策略，它在儿童成长的后期更重要。[19]程序性元认知是指与认知过程相关的感觉，如记忆的流畅感、感受、信心等，它在儿童发展的早期作用中比较明显。[20]分析性元认知在概念转变中发挥作用的一种方式是获得心理理论，心理理论可以从两个方面影响概念的发展，一方面是显性心理理论，其获得取决于元认知能力的先验变化;另一方面是心理理论的自我应用，这是一种元认知能力，对概念转变有着全面的影响。分析性元认知在概念转变中另一种作用方式是类比，研究发现，那些更善于使用类比来获得新概念的儿童更容易改变他们的概念。[21]程序性元认知对概念转变的影响是通过信心来实现的，研究表明，儿童在认识事物过程中，如果先前的经验不能够很好地识别新的概念，信心就会降低，这就会促使他们发生概念转变;但如果儿童在认识事物过程中过度自信，就会阻碍概念转变的发生。

三、概念转变与教学应用：以高中物理为例

（一）概念转变与教学策略

概念转变教学策略是物理教育研究中的重要部分，该研究有助于学生完成前概念到科学概念的转变。近几十年来，国际上关于概念转变的研究成果不断得到更新，许多研究者都提出了不同的概念转变教学策略。总体来看，关于高中物理概念转变策略的研究成果可分为四种观点：基于认知冲突的策略，基于类比的策略，基于概念图的策略，基于概念转变流行模型的策略。

1.基于认知冲突的策略

基于认知冲突的策略是使学生发生概念转变时教师最常用的策略，它是指教师向学生呈现与认知结构中原有概念冲突的现象和问题，使学生产生认知失衡，促使学生主动寻找新的概念以解决认知冲突。一直以来，基于认知冲突的策略在国内外都很受认可，包括如下相关的策略。其一，矛盾事件的策略。这种策略源自皮亚杰的顺应理论，该策略认为，应当从以下四个维度来实现概念转变：一是通过学习者在冲突事件中的反应来展现学习者的前概念;二是让学习者明确地意识到自已和其他学习者的想法;三是让学习者试着解释某一矛盾问题，引发概念冲突;四是教师鼓励和诱导学习者调整认知结构，建立新的概念模型。[22]其二，不同认知间的冲突策略。该策略认为，认知冲突可分为两种类型，一类是学习者原有的认知结构和实际的物理事实间的冲突，另一类是针对同一物理事实产生的不同认知结构间的冲突。[23]其三，产生式学习的教学策略。该策略认为概念转变包括四个阶段，即预备阶段、集中阶段、挑战阶段、应用阶段。其四，对抗偏见策略。这是一种使用对话方式的教学策略，它可以使学生对某一特定事物的认识发生转变。[24]

2.基于类比的策略

基于类比的策略是指教师基于学生已有的知识，把与科学概念有类似之处的事物和科学概念相比较，使学生的现有知识向科学概念发展，如架桥策略。[25]架桥策略的步骤：一是创设问题靶子，暴露错误概念;二是举出与学生相符合的类比例子;三是学生在锚例和目标之间作出明确的对比，建立类比关系;四是若操作失败，则教师再次寻找类比。[26]

3.基于概念图的策略

概念图是由诺瓦克（Novak）于1970年提出的。简单来说，概念图是一种工具，它用来组织和表征知识的有用性。使用概念图时，通常需要把有关某一特定主题的不同等级的概念和命题放于圆圈或方框中，再用连线将相关概念和命题进行连接，形成与该主题相关的网络。概念图策略是指用一定的图形当做教学工具，并且围绕该图形进行教学的策略。概念图可以有效诊断出学习者当前的前概念与各个前概念间的联系，为教师制定教学方案提供根据，概念图着重于对学生内部的前概念及其联系的解读。[27]

4.基于概念转变流行模式的概念转变策略

传统的概念转变理论认为，在概念转变过程中，科学概念对前概念实现了“替代”。但来自神经科学的研究表明，科学概念与前概念是共存的关系，学习者之所以能够实现概念转变，是其头脑中的前概念得到了有效抑制[28]。基于这样的研究成果，概念转变的流行模型被提出。概念转变流行模型认为，在新旧概念的竞争中，新概念处于优势地位，使得学习者顺利解决问题。在概念转变教学中，教师应明确如下几点：概念转变的起始是新概念的有效性，而不是认知冲突;新概念和旧概念在学习者的大脑中共存，学习者成功解决问题（实现概念转变）的本质是旧概念被抑制，新概念实现“超越”;即便学生顺利解决问题（实现概念转变），旧概念依然存在于学生头脑中并可能“复活”，因此，保持“超越”的持久性十分重要，教师可以通过重复刺激的方式保持这种持久性。[29]

（二）概念转变与教学实践

概念转变研究起源于教学实践需要，实践是概念转变理论研究的最终归宿。概念转变在教学中的实践主要体现在：概念转变与学校实践、概念转变与教师专业发展、概念转变与教师教学观三个方面。

1.概念转变与学校实践

从20世纪80年代起，概念转变成为一个关于教学和学习的研究领域，运用概念转变方法进行教学是否比更传统的方法更有效，成为一个问题。古塞特（Guzetti）等人通过荟萃分析发现，在引导学生理解科学概念方面，概念转变方法通常比传统方法更成功[30]。比斯（Beeth）等人认为，概念转变主要通过如下途径对学校实践产生作用：支持学校和教师重新思考科学在课程中的表现;扩大任务、实验、教学及学习策略和资源;使学校和教师尝试能够增加学生的参与度和提高兴趣。[31]然而，在学校实践中，运用概念转变方法进行教学也存在问题，如我们很难比较概念转变方法和其他方法的成功程度，且概念转变方法的焦点往往是特定的教学手段，如类比[32]，对教学质量的研究表明，通常单一的干预（如处理学生的教学前概念）并不会带来很好的结果[33]。教学质量需要通过各种教学方法和策略的编排才能够得到提升[34]。因此，概念转变策略只有在包含许多附加特性的学习环境的支持下才会有效。