【專題名稱】中學物理教與學【專 題 號】G36【復印期號】2009年10期【原文出處】《課程·教材·教法》(京)2009年6期第92～96頁【作者簡介】徐寧(1974-)，山東煙臺人，北京師范大學物理系博士生，主要研究物理課程與教學論；（北京 100875）
郭玉英(1957-)，女，山東高青人，北京師范大學物理系教授，博士生導師，物理教育研究室主任，主要研究物理課程與教學論（北京 100875）。 | 【內容提要】 | 物理教育研究是一個正在迅速發展的交叉學科領域，國外對學習者前概念及概念轉變的相關研究，反映了教育心理學和物理教育研究者共同的研究成果。關于前概念的研究、概念轉變模型及其發展、概念轉變教學策略的研究以及對概念轉變結果的檢測四個方面的研究成果都對我們有所啟發，在綜述基礎上的反思為物理概念教學的理論與實踐研究向更深層次發展提供了新的思路和方向。 |
【關 鍵 詞】前概念/概念轉變/學習資源/物理概念教學
物理概念學習和教學是物理教育研究的重要內容，也是中學教學實踐中遇到困難最多、教師參與研究最活躍的內容。國外對概念學習的理論和實踐研究，構成了教育心理學及認知科學和物理教育研究者共同關注的研究領域，為物理概念的學習和教學提供了重要的理論支持。
對概念轉變的研究始于20世紀的70年代至80年代開始出現各種研究成果。1982年由康奈爾大學的Posner等人提出的概念轉變模型為這個領域的研究奠定了基礎。自此，各種研究成果大量涌現，“概念轉變”研究成為科學學習領域和物理教育研究領域關注的熱點。本文從物理教育研究的視角對概念轉變相關研究進行總結評述，希望能為物理概念學習和教學研究提供新的思路和方向。
一、關于前概念的研究
在概念轉變的研究初、中期階段，大部分成果來自對學習者前概念的研究。由于研究的側重點和關注的對象不同，在不同研究者的文獻中，使用了不同的描述學習者前概念的術語，如錯誤概念、相異構想等。由于其在學習者建構科學概念的過程中具有相似的作用和地位，本文采取在我國應用比較普遍的術語——“前概念”來統一代表學習者頭腦中已經存在的經驗、觀點、認識等。在物理教育研究領域，這部分研究涉及了物理學的各個分支內容，研究對象遍布從小學生到學習大學導論課的大學生。以高中階段的主要學習內容力學為例，McDermott在1998年綜述了近60篇重要文獻，集中反映了物理教育研究者在這個方向所做的工作，研究者分別從單純運動狀態的描述和動力學角度，對學習者前概念及科學概念建立情況進行了調查。[1]
隨著調查研究的深入，整個研究領域在學習者前概念存在的普遍性、前概念的頑固性以及學習和教學都必須以學習者的前概念為出發點等方面基本達成了共識。關于前概念在學習過程中所起的作用則存在不同認識。有研究者認為，前概念阻礙對科學概念的學習，有意義的學習就是用科學概念取代前概念(
zmen，2004)。[2]而與此相反，有研究者認為，前概念是進一步學習的資源，或者認為前概念為進一步學習提供了可能(Hammer，2000)。[3]DiSessa進行了大量訪談研究，揭示學習者學習物理概念的困難，并且提出在教學中應該利用直覺概念，而不是去想辦法取代它們。
研究者關于前概念的結構也有兩種不同觀點，可稱為“碎片觀”和“整體一致觀”。前者認為，人的日常經驗并不像科學概念那樣與某些基本原理緊密地聯系在一起，而是以分散的初級的圖式形式存在，它們是對現象的表面解釋。錯誤概念是由特定圖式引起的，是局部的、孤立的，概念轉變就是要使這些孤立的原始圖式不再單獨去解釋相應的現象，而是與更復雜的知識結構聯系起來(DiSessa，1993)。[4]后者則認為各種概念分屬不同的類別，一旦學習者把概念歸于某個類別，那么這個概念也就同時具有了這個類別的特征。他們把概念分為三個大的類別：物質、過程和心理狀態。學習者的前概念和將要學習的科學概念，有可能屬于同一個本體類別，也有可能分屬不同的本體類別。同一類別內的概念轉變比較容易，而不同本體類別間的轉變會比較困難(Chi，1994)。[5]
持不同觀點的研究者在提出自己觀點的同時，針對對立觀點開展類似甚至相同的實證研究，以說明對立觀點的支持條件不充分(Vosniadou，2005；Hamza 2007)。[6][7]兩種不同的觀點交織、碰撞使得前概念的研究得以更深入的發展。
二、概念轉變模型及其發展
在對前概念研究的基礎上，1982年Posner等人提出了著名的概念轉變模型。[8]對概念轉變的條件以及學習者的知識經驗背景對概念轉變的影響提出了自己的解釋，并且以物理學中的狹義相對論學習為例，對模型進行了分析、闡述。他們認為，學習者原來的概念要發生轉變需要滿足以下四點：對現有概念的不滿，新概念的可理解性，新概念的合理性，新概念的有效性。四個條件之間密切相關，其嚴格程度逐級上升。
在提出概念轉變模型的同時，Posner等人把影響概念發展的個體經驗背景稱為“概念生態”，其中的各個因素都影響著學生概念轉變的進行。Posner等最初給出的概念生態包括以下幾個因素：反例，類比與比喻，認識論信念，形而上學的信念與觀點，其他領域的知識。
概念轉變模型的提出，對科學教育研究領域產生了非常重要的影響。在概念轉變模型取得一定研究成果的同時，有研究者開始反思并對概念轉變模型提出質疑和批評，主要的觀點概括起來大致有以下幾點：(1)過于關注學習者前概念對知識建構的負面影響，忽視前概念中的積極成分。(2)概念轉變發生在復雜的教育、社會和文化背景下，是一個社會建構的過程。(3)不要過于強調兒童日常經驗中的核心信念對具體概念的限制，概念轉變常常并不是隨核心信念的改變而整個地改頭換面，而是一個一個地進行的。(4)概念轉變并不一定是一步完成的，它是一個漸進的過程，有時兩種概念同時存在和使用。
針對上述批評，Strike & Posner對最初提出的概念轉變理論進行了修正，改變了過于強調純認知的觀點，承認了動機等情感因素的重要性，擴展了概念生態所應該包含的因素。(Strike，1992)。[9]與此同時，許多研究者都展開對概念轉變的理論和實踐研究，使概念轉變理論不斷地發展完善，對科學學習的影響越來越深入。
其中，Vosniadou領導的研究小組開展了長期系統的研究，在沿襲Posner基本觀點的基礎上，提出了更為系統的理論模型，并在此基礎上在科學學習領域進行了大量實證研究(Vosniadou，1994)。[10]Vosniadou認為概念根植于并被限定在一個大的理論框架中，理論框架不為意識所覺察，雖然意識不到，但理論框架限制學習者獲得物理世界的真實知識。她特別強調基本信念對具體概念的制約作用，認為這個理論能夠解決研究者對于概念轉變模型的質疑，并且大力倡導在數學學習領域開展概念轉變的研究。
在上述研究取得一定進展的基礎上，如何采取相應的教學策略幫助學習者在前概念的基礎上建構科學概念成為新的研究熱點。
三、概念轉變的教學策略研究
Posner等人強調學習者對現有概念的不滿，認知沖突被認為是引發學習者對現有概念不滿的最為有效的教學策略。認知沖突的教學策略，在激發學習者學習興趣等情意因素方面，往往能收到意想不到的效果，因此在教學實驗中被廣泛采納。許多研究也報告了認知沖突教學策略在教學中產生的積極效果。但是研究者同時也發現，認知沖突教學策略在實際教學實踐中并沒有達到人們預期的效果(Limon，2001)。[11]
在DiSessa的觀點中，教學的目的不應該定位于用科學概念取代學習者頭腦中的前概念，而應該把前概念當做學習資源加以利用。所以，在他們的理論中，類比和利用直覺概念是重要的教學策略。
在物理教育研究領域涌現出大量教學策略層面的相關研究。除了典型的認知沖突策略外，有研究者注重利用實驗手段幫助學生克服概念轉變的困難，并且注重計算機的應用(Cornelise，2004)。[12]
有研究者提出在進行大班授課時，同伴互教能保證學生積極參與。(Crouch，2001)對在學習大學物理導論課的學生中開展了10年的“同伴教學”進行了總結和深入研究。[13]這種教學以小單元針對核心概念的形式進行，教學過程中重要的組成部分是學生的交流和向教師匯報答案。
盡管出現了大量與概念轉變模型相關的實證研究，許多研究并沒有對概念轉變的條件給予足夠的關注。研究者只是在概念轉變模型的思想影響下，依據自己的認識設計相應的模式或策略。
四、概念轉變結果的檢測
在物理教育研究中，研究者為了檢驗概念轉變的結果，以貼近學生生活實際為基本原則開發了相應的測評工具(Hestenes，1992；Rebello，2004)。[14][15]這些經過實驗檢驗并被廣泛采納的測評工具，使本領域實驗研究的數據采集和處理成為可能。有些測量工具（例如FCI，FMCE），在本領域的研究中有極高的認同度，這為物理概念學習理論發展和測量工具的開發提供了思路和借鑒。近來有研究者在概念轉變理論研究發展的基礎上，對測量工具進行修正，并對測量工具開發的方法進行了討論(Smith，2008)。[16]
五、借鑒與啟示
（一）關于前概念所達成的一致認識和存在的問題
整個研究領域的研究者，在學習者前概念存在的普遍性，前概念的頑固性，以及學習和教學都必須以學習者的前概念為出發點等觀點上基本達成了共識。
研究者關于前概念存在方式的分歧主要表現為樸素認識的“碎片觀”和“整體一致觀”的對立。因此研究者對于前概念的作用認識也根本不同，有研究者強調前概念的負面作用，主張用科學概念取代前概念，有研究者注重前概念的積極作用，主張將前概念當做學習資源來對待。
針對上述相反的觀點，結合我們對中學生物理概念學習的研究，我們認為在學習者頭腦中確實存在著前概念，也會對學習過程產生一定影響，但并不一定都產生積極的或消極的影響，而是與具體的學習內容有關。我們更關注的是，針對某個具體概念，學生存在哪些前概念？會對學習過程產生哪些影響？教師如何在教學中利用其積極影響同時避免其消極影響？
有待深入研究的問題是，學習者原有認識以什么方式支持原有概念并排斥科學概念？如果原有認識不可能憑空消失，那么如何促使其由支持錯誤概念轉向支持科學概念。
（二）概念轉變模型及其發展
在Posner等人提出概念轉變模型的同時，也第一次使用了概念生態來定義學習者個體經驗背景。概念生態提出以后，在各種應用研究和質疑聲中不斷地發展、完善。
概念轉變模型提出了概念發生轉變需要滿足的條件，其中使學習者認識概念的可理解性和合理性，與物理概念教學中強調運用多種策略促使學生建立概念，認識概念的內涵和外延的要求是一致的。使學習者認識概念的有效性，則與物理概念教學中創造機會讓學生學會應用概念的要求相吻合。
概念轉變模型強調，對原有概念的不滿是概念轉變的第一步，這是當前物理概念教學研究中比較薄弱的環節。我們認為，對原有概念的不滿是促使學習者進行概念轉變的動力，這種不滿不僅是概念轉變的條件，也是建立對科學概念意義認識的前提。
目前物理教育研究領域欠缺對概念學習過程的理論研究，而概念轉變模型的研究僅指向概念發生轉變的條件。也就是說，概念轉變模型初步確定了概念轉變的條件，而目前需要對如何達到這樣的條件做出理論上的回答。例如，如何使學習者認識到科學概念是可理解的、合理的？即如何使學習者順利認識概念的內涵和外延？指向概念轉變過程的理論研究，首先應該考慮這樣的問題：哪些因素、以何種方式影響具體概念的轉變？概念生態的研究是否能夠給概念轉變全面的支持？
（三）概念轉變的教學策略并沒有得到預期的效果
我們可以用研究者所持有的對前概念的觀點將概念轉變理論分成兩個派別：一部分研究者認為個體的概念發展可以用科學理論的發展來類比，比較重視概念轉變的整體一致性，強調“概念生態”，特別是其中的基本信念對具體概念的制約作用，認知沖突是他們倡導的主要教學策略。而另一部分研究者認為，學習者的前概念是一套松散的觀念，這些觀念來自對日常經驗的簡單抽象，就像碎片一樣存在于學習者的頭腦中，概念轉變也是孤立發生的。類比和利用直覺經驗則是這個派別的主要教學策略。
上述教學策略都具備充分的實證研究和理論的支持，迅速得到人們的認可并在教學中實踐。然而學校教學的現狀和隨后開展的大量研究說明，概念轉變的教學策略并沒有收到預期的效果。
我們認為，對于不同的物理概念，其前概念的結構和一致性程度是不同的，應有針對性地采用不同的教學策略。有些適合采用認知沖突教學策略，有些則適合采用類比策略，或者在概念轉變的不同階段需要采用不同策略。在物理教育研究中需要深入研究的問題是：對哪些具體概念采用何種策略是更有效的？在采用認知沖突策略時，如何判斷學習者有意義的認知沖突已經發生，并對教學起到了積極的促進作用？這樣的認知沖突如何達到？支持教學策略的理論本身是否存在不足，應該從什么角度發展和完善？
（四）如何檢測概念轉變的結果
概念轉變的結果，是概念轉變研究中應該重點關注的內容，即如何認定概念轉變發生了。在當前物理概念學習研究中，對概念轉變結果的考察，往往集中在探查學習者利用科學概念解決實際問題能力的發展情況，這也被認為是科學教育的目標，并不重視學習者在傳統紙筆測試中的表現。
我們認同以貼近學習者生活實際的問題檢測概念建立情況的基本原則。在應用這個原則開發測評工具的同時，更值得深入思考的、更深層次的問題是：學習者達到怎樣的狀態，才能表明概念轉變真的發生了？新的概念如何得以穩固，而不退回到前概念？對上述問題的研究，將為概念轉變測量工具的開發提供理論支持。
通過綜述可以看出，當前概念轉變的研究成果集中在概念轉變過程的起點，針對學習者的當前狀態和引起概念轉變條件的研究比較豐富，對于概念轉變的過程則缺乏足夠的深入研究，盡管教學策略和模式比較多，但效果都不夠理想。已有的概念轉變理論和物理教育研究領域的相關研究成果為我們今后的研究提供了一定的基礎，對這些研究結果的反思和提出的問題，為物理概念研究向更深層次發展提出了新的思路和方向。
| 【參考文獻】 |
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