基于概念轉(zhuǎn)變理論的科學(xué)概念教學(xué)：現(xiàn)實困境與破解路徑

李多　呂艷坤

摘要： 科學(xué)概念教學(xué)作為科學(xué)教育的重點和難點，尚存學(xué)情認(rèn)識不足，分析過程僵化；教學(xué)情境固化，遷移應(yīng)用匱乏；強化概念識記，應(yīng)試傾向凸顯等實踐困境。產(chǎn)生困境的根源是學(xué)生學(xué)習(xí)起點認(rèn)識的偏差、傳統(tǒng)概念轉(zhuǎn)變理論的局限和缺少科學(xué)的評價體系引導(dǎo)教學(xué)。為實現(xiàn)科學(xué)概念教學(xué)的育人價值，應(yīng)當(dāng)從審視概念轉(zhuǎn)向聚焦前概念，面向人文主義重新定義教學(xué)，構(gòu)建評價體系科學(xué)引導(dǎo)教學(xué)等路徑予以突破。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)概念； 概念轉(zhuǎn)變理論； 概念教學(xué)

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

科學(xué)概念作為科學(xué)知識生成的起點，是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。使學(xué)生形成、理解、掌握和運用科學(xué)概念，是科學(xué)教育的核心內(nèi)容之一。研究者普遍認(rèn)為學(xué)習(xí)者在正式學(xué)習(xí)前，對生活實踐中的事物產(chǎn)生了自己的概念、觀點及想法，這些預(yù)先的認(rèn)知結(jié)構(gòu)在學(xué)習(xí)者日后的學(xué)習(xí)過程發(fā)揮重要作用，即學(xué)生的前概念是概念學(xué)習(xí)的起點。從上世紀(jì)70年代開始，由前概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變研究逐漸興起，并由此衍生出了諸多概念轉(zhuǎn)變理論和教學(xué)策略。然而，大量的實證研究表明基于傳統(tǒng)概念轉(zhuǎn)變理論的諸多教學(xué)策略并沒有收到預(yù)期的效果，科學(xué)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(xué)概念教學(xué)的問題與出路，從而實現(xiàn)概念教學(xué)的育人價值。

1 科學(xué)概念教學(xué)的實踐困境

科學(xué)概念的形成與遷移應(yīng)用過程是科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的內(nèi)化與外顯過程，其在學(xué)生頭腦中的升華形成個體的科學(xué)觀念和科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。因此，概念學(xué)習(xí)是科學(xué)教育的首要任務(wù)。然而，實證研究表明我國學(xué)生在科學(xué)概念學(xué)習(xí)后尚存兩大現(xiàn)實問題：第一，學(xué)生能運用科學(xué)概念解決課內(nèi)習(xí)題，卻難應(yīng)用于生活實踐。最新的PISA數(shù)據(jù)顯示我國學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)高出OECD平均水平31.6%，但是存在著知識記憶與應(yīng)用能力高于分析解決問題能力的現(xiàn)象，實際問題解決能力低于新加坡、日本和韓國學(xué)生的平均水平［2］。第二，學(xué)生在離開校園或者停止學(xué)習(xí)后，頭腦中的科學(xué)概念會快速遺忘，學(xué)習(xí)效果與科學(xué)教育預(yù)期目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。為了學(xué)生能夠應(yīng)對時代挑戰(zhàn)、適應(yīng)未來社會需求和個人終身發(fā)展，應(yīng)當(dāng)聚焦實踐場域，反思科學(xué)概念教學(xué)中的現(xiàn)實困境。

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

然后，教學(xué)情境固化，遷移應(yīng)用匱乏。受教學(xué)時間不足、教學(xué)內(nèi)容繁多等因素的影響，教師在教學(xué)實踐中往往選擇便于表述、易于學(xué)生理解的情境來引入、闡述、驗證科學(xué)概念，而且會反復(fù)使用這些情境，容易導(dǎo)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(xué)生造成了“萬有引力與圓周（橢圓）軌道”之間的情境固化，導(dǎo)致了學(xué)生難以理解電影《火星救援》提及的“引力彈弓效應(yīng)”中引力場的作用［5］。情境固化容易導(dǎo)致學(xué)生形成情境、問題與概念之間的定勢思維，桎梏學(xué)生的思維多元化發(fā)展。在社會飛速發(fā)展的今天，熟悉的、單一的情境引起的思維固化會導(dǎo)致科學(xué)概念失去對于現(xiàn)實的解釋力，影響孩子學(xué)習(xí)和探索未知的熱情。而針對科學(xué)概念教學(xué)的練習(xí)，主要以特定的模型為主，缺乏基于真實問題情境的遷移，學(xué)生難以將概念內(nèi)化、達到靈活運用的學(xué)習(xí)效果。

最后，強化概念識記，應(yīng)試傾向凸顯。近年來，隨著社會經(jīng)濟的繁榮與發(fā)展，人民群眾的物質(zhì)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(zhì)量教育資源的發(fā)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(dǎo)致了全社會都在追捧學(xué)生學(xué)習(xí)成績和學(xué)校升學(xué)率。為了讓學(xué)生在短期內(nèi)提高成績，教師進行概念教學(xué)時，更愿意把概念以結(jié)論的形式直接呈現(xiàn)給學(xué)生，強化學(xué)生運用概念解決課內(nèi)習(xí)題和應(yīng)試技巧的能力，而忽略了科學(xué)概念在生活實踐中的實際應(yīng)用。教師對于科學(xué)概念的形成、發(fā)展與應(yīng)用過程重視程度不夠，導(dǎo)致了學(xué)生缺乏對于概念內(nèi)涵與外延的深度理解。學(xué)生對于這種淺層學(xué)習(xí)方式獲取的知識缺乏足夠的認(rèn)同感，對于知識所承載的教育功能獲得嚴(yán)重不足。以“植物的生存和生長”為例，教師強調(diào)學(xué)生記憶植物的生存和生長需要水、陽光、空氣和溫度，學(xué)生根據(jù)日常生活經(jīng)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(chǎn)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(xué)生真正理解植物的生存和生長需要適宜的環(huán)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(xué)概念教學(xué)的困境根源

2.1 學(xué)生學(xué)習(xí)起點認(rèn)識的偏差

安德烈·焦?fàn)柈?dāng)（André Giordan）在《學(xué)習(xí)的本質(zhì)》一書中曾提出“對學(xué)習(xí)者的前概念的考慮必須成為一切教育計劃的出發(fā)點”［6］。樸素理論認(rèn)為學(xué)生的前概念源自于日常生活，是學(xué)生對事物最初的認(rèn)知、概念和觀點；迷思概念理論強調(diào)前概念與科學(xué)概念的差異性。雖然不同理論流派對前概念的具體認(rèn)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(huán)境、社會環(huán)境互動中形成，根植于環(huán)境文化之中，具有一定的時代印記和環(huán)境印記。同時，個體從自身觀察、自身經(jīng)驗、與他人以及客觀世界的關(guān)系出發(fā)，建立起個體的認(rèn)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(xué)之初分析學(xué)生的前概念時，要兼顧時代印記、環(huán)境印記和個體印記。但是，一線教師在開展教學(xué)設(shè)計時，往往根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗或者自身的臆想來確定學(xué)生學(xué)習(xí)新知識存在哪些認(rèn)知困難，極少有教師會在課前針對學(xué)生相關(guān)知識的前概念進行測試與分析［8］。一個論據(jù)要有意義、能改變思想，就必須和學(xué)生相聯(lián)系，而不是和教師相聯(lián)系。這種“虛假”的學(xué)情分析偏離了學(xué)生學(xué)習(xí)的真正起點，由此導(dǎo)致教學(xué)效果難以與預(yù)期相符。

2.2 傳統(tǒng)概念轉(zhuǎn)變理論的局限

傳統(tǒng)意義上的概念轉(zhuǎn)變，是指學(xué)習(xí)過程中新舊經(jīng)驗相互作用的過程，是新經(jīng)驗對已有經(jīng)驗改造與重構(gòu)的過程，概念轉(zhuǎn)變成功的標(biāo)志是科學(xué)概念對于前概念的取代，以此為目標(biāo)衍生出了各種概念轉(zhuǎn)變理論。Ponser等人提出了著名的基于認(rèn)識論的概念轉(zhuǎn)變模型，將概念轉(zhuǎn)變分為同化和順應(yīng)兩種類型，認(rèn)為概念的存在和轉(zhuǎn)變過程都不是孤立的，而是與概念所處的“環(huán)境”密切相關(guān)［9］?；谡J(rèn)知論的模型被視為概念轉(zhuǎn)變的經(jīng)典模型，強調(diào)幫助學(xué)生在前概念的基礎(chǔ)上建構(gòu)科學(xué)概念，并衍生出了眾多被廣泛使用的教學(xué)策略，諸多教學(xué)策略并沒有收到預(yù)期的效果。這源自于認(rèn)識論概念轉(zhuǎn)變模型的局限性：模型描述的是前概念與科學(xué)概念之間的競爭過程而非轉(zhuǎn)變機制，雖然指出了概念轉(zhuǎn)變過程中可能受影響的因素，但并未闡明這些因素產(chǎn)生影響的作用機制，也未指出因素內(nèi)部間的相互關(guān)系。

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

2.3 缺少科學(xué)的評價體系引導(dǎo)教學(xué)

教學(xué)評價作為教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，通過各種測量手段和統(tǒng)計方法，對學(xué)生學(xué)習(xí)的成就、教師完成教學(xué)目標(biāo)的程度給予量化或質(zhì)性的描述，為教學(xué)活動的持續(xù)開展提供了基本遵循。我國現(xiàn)有對于概念教學(xué)的評價科學(xué)性不足，以學(xué)生對科學(xué)概念的理解水平和解決問題的復(fù)雜程度與能力作為評價標(biāo)準(zhǔn)，對促進學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展、教師教學(xué)能力提高和教學(xué)實踐改進的導(dǎo)向性不足。第一，就評價目的而言，過分強調(diào)甄別與選拔功能，忽視了學(xué)生的個體前概念差異性，難以實現(xiàn)幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)潛能、診斷問題、規(guī)劃發(fā)展、激勵成長的作用。第二，就評價內(nèi)容而言，聚焦于科學(xué)概念的理解水平與基本運用，對學(xué)生的科學(xué)觀念、科學(xué)思維與科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任關(guān)注度不夠；只關(guān)注結(jié)果而忽略學(xué)習(xí)過程的評價難以全面評價學(xué)生的綜合素質(zhì)。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(xué)生對于科學(xué)概念的理解程度，脫離生活實踐的考試載體并不能反映學(xué)生解決實際問題的能力；試題文本最終呈現(xiàn)的是容易量化和比較的分?jǐn)?shù)，易加劇學(xué)校教學(xué)應(yīng)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(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)水平的視角進行評價，忽視了學(xué)生也應(yīng)是評價的主體，失去了在評價過程中培養(yǎng)學(xué)生自主意識和自我教育的機會。第五，整個概念教學(xué)評價體系對于情境的關(guān)注不夠，且未考慮學(xué)生離開校園之后的表現(xiàn)，難以引導(dǎo)教師關(guān)注學(xué)生前概念、概念轉(zhuǎn)變過程、概念持續(xù)作用和學(xué)生的未來發(fā)展。

3 科學(xué)概念教學(xué)的破解路徑

3.1 審視概念轉(zhuǎn)變，聚焦前概念

概念轉(zhuǎn)變自提出以來備受推崇，由此衍生出來的教學(xué)策略持續(xù)影響了科學(xué)教育幾十年。然而在對學(xué)生概念學(xué)習(xí)效果的檢測中發(fā)現(xiàn)前概念在時間維度上更具生命力，很難徹底被科學(xué)概念完全取代；二者共存于學(xué)生頭腦中，相互作用、相互影響。因此，傳統(tǒng)的概念轉(zhuǎn)變理論正在不斷地受到質(zhì)疑。通過自然科學(xué)實證研究范式的引入，基于行為學(xué)和腦科學(xué)的量化數(shù)據(jù)分析，研究者對前概念有了新的認(rèn)識并提出了概念轉(zhuǎn)變的抑制理論：前概念不僅僅作用于概念學(xué)習(xí)的起點，而是廣泛存在于人的整個認(rèn)知過程之中；概念轉(zhuǎn)變的本質(zhì)是科學(xué)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(fā)生改變，由此導(dǎo)致科學(xué)概念與前概念的共存，二者長期處于一種動態(tài)的沖突、競爭與平衡之中。

科學(xué)概念學(xué)習(xí)開始的關(guān)鍵在于讓學(xué)生對自身的前概念產(chǎn)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(xiàn)實有一定的解釋力，只有讓學(xué)生真正意識到前概念的解釋力不足時，才能激發(fā)其學(xué)習(xí)的持續(xù)動力。因此，探察學(xué)生的前概念成為概念教學(xué)的重點，教師只有突破自身教學(xué)經(jīng)驗和傳統(tǒng)測試題的局限，方能了解學(xué)生的真實前概念：首先，通過查閱文獻確定學(xué)生針對某一教學(xué)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(xué)生的前概念以及學(xué)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(xí)等手段挖掘隱藏的前概念，以及明晰前概念與科學(xué)概念的動態(tài)競爭和作用機理。從而選擇合適的教學(xué)情境，在凸顯科學(xué)概念優(yōu)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(xué)

傳統(tǒng)的知識觀強調(diào)科學(xué)概念的客觀性，否認(rèn)概念存在的主觀性，忽略了人作為知識的主體應(yīng)有的個體化差異。人文主義教育觀和發(fā)展觀承認(rèn)前概念存在的合理性，提出“知識是個人和社會解讀經(jīng)驗的方法，與創(chuàng)造及再生產(chǎn)的文化、社會、環(huán)境乃至社會體制都不可分割”［12］。教師只能把科學(xué)概念和學(xué)生的前概念盡可能真實地呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生體會二者之間的差異，引導(dǎo)學(xué)生整合兩種概念。因此，需要重新定義概念教學(xué)目標(biāo)中的教與學(xué)。教師“教”的目的不在于清除學(xué)生的前概念、幫助學(xué)生建立正確的科學(xué)概念，而是應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的文化背景、生活經(jīng)驗、認(rèn)知水平和認(rèn)知方式，將前概念作為新知識的生長點，選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和策略引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建自己的大概念體系。學(xué)生“學(xué)”的目的也不再是科學(xué)概念完全取代前概念，而是學(xué)會用科學(xué)的視角來觀察世界、提出問題，能夠用科學(xué)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(xué)概念［13］。以“速度”的概念教學(xué)為例，教師“教”的目的是讓學(xué)生認(rèn)識到初中所學(xué)的“路程與時間的比值”描述的是速率，在速率的基礎(chǔ)上理解速度的內(nèi)涵與外延。學(xué)生“學(xué)”的目的是體會到速度與速率的差異與關(guān)聯(lián)，在具體情境中選擇恰當(dāng)?shù)奈锢砹繉\動進行合理地描述。

3.3 構(gòu)建評價體系，科學(xué)引導(dǎo)教學(xué)

傳統(tǒng)的以前概念向科學(xué)概念轉(zhuǎn)變狀況作為概念教學(xué)評價依據(jù)已不能滿足時代發(fā)展需求。在素養(yǎng)為本的課改背景下，概念教學(xué)應(yīng)當(dāng)面向未來、培養(yǎng)學(xué)生能夠適應(yīng)社會可持續(xù)發(fā)展和個人終身發(fā)展的能力。教師“教”科學(xué)概念不局限于學(xué)生的概念是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，更集中體現(xiàn)在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自身的前概念，接受前概念和科學(xué)概念的共存、競爭，幫助學(xué)生建立科學(xué)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(xué)生“學(xué)”科學(xué)概念不再是概念的理解、記憶、運用，而是學(xué)生能夠在復(fù)雜、多變的陌生情境下選擇合適的科學(xué)概念、運用恰當(dāng)?shù)目茖W(xué)方法成功地解決實際問題。學(xué)生運用科學(xué)概念解決問題的路徑也不應(yīng)再是唯一的，而應(yīng)該是多元和發(fā)散的；因此概念測評試題應(yīng)當(dāng)是多元乃至是開放的，鼓勵質(zhì)疑與創(chuàng)新。為落實中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《深化新時代教育評價改革總體方案》指導(dǎo)精神，扭轉(zhuǎn)不科學(xué)的教育評價導(dǎo)向，促進科學(xué)概念教學(xué)實踐積極改進，應(yīng)當(dāng)重新建構(gòu)概念教學(xué)評價體系：首先，基于新的“教與學(xué)”定義，從教與學(xué)兩個維度確定科學(xué)概念學(xué)習(xí)進階的“階”，突出學(xué)生作為教學(xué)與評價的主體地位，強化過程評價。然后，關(guān)注學(xué)生前概念的多元化與個性化，選擇合適的問題情境，對教學(xué)前后學(xué)生真實表現(xiàn)開展有效評價，探索增值評價。最后，改變以測試成績?yōu)槲ㄒ恢笜?biāo)的評價與招生模式，堅決克服唯分?jǐn)?shù)論，將學(xué)生運用科學(xué)概念解決實際問題的能力納入評價標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)走向社會，改善結(jié)果評價。與此同時進一步探索并逐步完善學(xué)生綜合素質(zhì)檔案，將其作為高校招生、單位招聘的重要依據(jù)，從而真正發(fā)揮教學(xué)評價指揮棒的正向調(diào)節(jié)作用。

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