原型匹配在“溶解”概念學(xué)習(xí)中的作用

〔摘 要〕 本文通過對一個課例片段的分析，討論了學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念中遵循的主要模式。在一節(jié)“加速溶解”的課例中，一名學(xué)生對溶解定義的理解與教材出現(xiàn)較大偏差。本文作者在訪談后認(rèn)為，該學(xué)生將教師課上胭脂紅溶于水現(xiàn)象的特征定為了原型，通過原型匹配的方式建立溶解概念。這與目前建構(gòu)主義的概念觀有著明顯的不同。由此本文提出：對于具體概念，原型匹配是學(xué)生更加偏好的概念學(xué)習(xí)模式。由此或可衍生出基于原型觀的教學(xué)思路。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；原型匹配；概念學(xué)習(xí)；案例診斷

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 21 058-060

一、案例概要

本文來源于一節(jié)“加速溶解”課例：2021年，本文作者之一在講授三年級“加速溶解”一課時問學(xué)生什么現(xiàn)象屬于加速溶解。其中一名女生的答案很獨特：冰塊在熱水中的融化屬于加速溶解。這一答案顯然是錯誤的?！吨袊蟀倏迫珪分小叭芤骸痹~條的定義是：“兩種或兩種以上的物質(zhì)組成的均勻穩(wěn)定的混合物?！奔慈芙庑纬扇芤旱那疤崾莾煞N不同物質(zhì)，而冰與熱水是同一種物質(zhì)的兩種物態(tài)，顯然不是溶解。那么，該生為何會提出如此怪異的答案？

為此，我們對該生進(jìn)行了課后訪談。其中一題（“藍(lán)色和黃色顏料混合在一起，變成了綠色”是否屬于溶解？）引起了我們的興趣，我們之所以沒有直接問學(xué)生為什么會認(rèn)為冰在熱水中是加速溶解，是因為我們更希望了解她是如何理解“溶解”這一概念的。

令我們十分詫異的是，該生的回答是：“我覺得這個屬于溶解，因為就像以前做過的一個實驗，把胭脂紅放在水里，它溶解后整杯水都是紅色的，而不是還有一些地方是透明的……（頓了一下）正常的水了。但是這個呢，就是跟那個做的胭脂紅的實驗一樣，它們兩個混合在一起變成了綠色，不會顯現(xiàn)出來有藍(lán)色或者黃色的痕跡。所以我覺得這個叫‘溶解’”。

二、案例診斷

顯然，該生對概念的理解方式與教材所倡導(dǎo)的建構(gòu)主義思路并不相同。按照教材布設(shè)的思路，首先對比食鹽與沙子在水中的差別，從而引出全課核心問題：食鹽“藏”到哪里了？然后通過設(shè)計、實施實驗，驗證自己對于核心問題的猜想，進(jìn)而建構(gòu)“溶解”概念。而胭脂紅的實驗位于其后，目的是將溶解現(xiàn)象可視化。即胭脂紅的實驗只是使這個建構(gòu)過程更完整，它絕不是這節(jié)課的主體?？梢哉f，該生對于“溶解”概念的理解與現(xiàn)今概念學(xué)習(xí)的主流觀念差異極大。

目前科學(xué)教育的主流觀點仍然是建構(gòu)主義學(xué)派的。1934年，維果茨基出版了《思維與語言》一書，系統(tǒng)地闡述了他的概念觀：首先，兒童會將觀察到的一系列現(xiàn)象雜糅起來，形成復(fù)合思維。第二，對這些復(fù)合物進(jìn)行加工，形成“鏈?zhǔn)綇?fù)合”（即“復(fù)合思維最純粹的類型”）。第三，對這些復(fù)合物特征進(jìn)行抽象概括，形成假概念。但假概念極不穩(wěn)定，容易受到具體現(xiàn)象的干擾。最終，語言加入認(rèn)知過程使假概念蛻變成了科學(xué)概念。所以，維果茨基的概念觀可以大致概括為一個進(jìn)階鏈：復(fù)合思維—鏈?zhǔn)綇?fù)合—假概念—概念。

20世紀(jì)中葉，美國認(rèn)知學(xué)家進(jìn)一步豐富了建構(gòu)觀，突出體現(xiàn)在從新知識與舊有經(jīng)驗的角度看待進(jìn)階。如布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，認(rèn)為“學(xué)習(xí)是一個積極主動的認(rèn)識過程……通過把新獲得的知識和已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，積極地建構(gòu)其知識體系”。從進(jìn)階性上說，布魯納顯然是維果茨基的擁躉。同樣，奧蘇貝爾的意義學(xué)習(xí)理論也具有這一特點：其實質(zhì)上是新知識與舊有知識、經(jīng)驗的交互，在這種交互過程中，概念的含義逐漸變得更加豐富。

與其上均不同的是布魯姆，其將關(guān)注點放在了教學(xué)目標(biāo)上，即基于學(xué)生的認(rèn)知特點，我們的目標(biāo)應(yīng)該如何設(shè)定？根據(jù)認(rèn)知的難易程度（所需調(diào)用的認(rèn)知資源的多寡），其將認(rèn)知目標(biāo)的水平劃分成了不同的6個層級。雖然布魯姆著眼于目標(biāo)，但不難看出，其分類理論的本質(zhì)依然是對學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的刻畫。因此，不少學(xué)者認(rèn)同布魯姆理論的建構(gòu)性。

但那名女生的概念學(xué)習(xí)方式顯然與諸流派有著極大差異。首先，該生并沒有把任何現(xiàn)象雜糅的跡象，而是直接抓住了胭脂紅溶于水這一現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上形成原型。其次，該生的認(rèn)知過程也并未顯示出如維果茨基的進(jìn)階跡象，其對于胭脂紅實驗的認(rèn)識，以及顏料混合算不算溶解的判斷幾乎是瞬時完成的，該生的判斷顯示出明顯的概念激活的特點。第三，該生的認(rèn)知過程也顯然與布魯姆的認(rèn)知結(jié)構(gòu)有別。按照布魯姆的理論，對于知識的記憶屬于最低層級。該生連最低層級的要求都沒有達(dá)到，遑論高階層級了。但如果仔細(xì)分析她的話語不難發(fā)現(xiàn)，她通過對胭脂紅實驗的解析，牢牢抓住了其中“顏色”這一要素，以此構(gòu)建了原型的匹配標(biāo)準(zhǔn)。換言之，她在通過“分析”完成概念的辨別——在連最低層級的要求都沒有達(dá)到——的情況下，卻調(diào)用了高階層級的認(rèn)知策略！

一個更加合乎邏輯的解釋是，基于原型匹配的概念學(xué)習(xí)模式是學(xué)生的偏好與優(yōu)先選項。

三、有關(guān)概念學(xué)習(xí)的原型觀

盡管在教育界鮮有提及，但原型（prototype）在認(rèn)知學(xué)及神經(jīng)科學(xué)中并不是一個新鮮的事物。

對于原型觀的界定存在一些模糊性，經(jīng)典教科書認(rèn)為只要樣例足夠典型就完全可能形成原型，也有學(xué)者認(rèn)為需要從多個樣例中抽象出共同特征，形成原型。但無論哪種，大多數(shù)學(xué)者都同意原型是從典型的樣例出發(fā)形成的對某一概念的代表（例如知更鳥相比火雞更適合代表“鳥”）。進(jìn)而，當(dāng)人接觸新的事物時，可以利用原型判斷新事物是否屬于該概念。

目前神經(jīng)科學(xué)的研究認(rèn)為，原型之所以在概念學(xué)習(xí)中起到關(guān)鍵作用，與原型本身具有的該類概念的典型特征有關(guān)。例如相比于牛油果，蘋果具備更多“水果”的典型特征，因此人們提到水果，更容易想到蘋果，很少有人會想到油膩的牛油果。之所以如此，是因為擁有更多、更典型特征的樣例更容易激活某些對特征敏感的腦區(qū)（如腦內(nèi)側(cè)前額葉皮層或前顳葉區(qū)），而這些腦區(qū)是概念識別的關(guān)鍵區(qū)域。換言之，更典型的特征擁有激活的優(yōu)先權(quán)，最終形成特定的認(rèn)知偏好。

這一點值得注意，因為目前探究式的建構(gòu)法是科學(xué)的主流學(xué)習(xí)理論之一，這種方法強調(diào)在實驗中搜集證據(jù)與線索，進(jìn)而建構(gòu)概念。但由于概念激活的優(yōu)先權(quán)，此種方法存在明顯的劣勢，突出體現(xiàn)在認(rèn)知負(fù)荷問題上。大量實驗已證實，由于大腦的認(rèn)知資源有限，一旦一個認(rèn)知成本低、更容易激活的內(nèi)容被激活，其他認(rèn)知活動將被抑制。因此一旦原型被激活，復(fù)雜的基于證據(jù)與線索的探究建構(gòu)活動可能就會被抑制，反映到課堂上就是探究活動的實效性會受其所累。這一點從本案例中可清晰地看出：學(xué)生完全被胭脂紅所吸引，徹底忽略了還曾經(jīng)在實驗中探究過“食鹽去了哪里”這回事。

四、案例后續(xù)

為了驗證原型匹配是不是學(xué)生更加偏好的概念學(xué)習(xí)方式，我們于2022年對北京市另一所小學(xué)的160名五年級學(xué)生進(jìn)行了隨機對照試驗。試驗題目全部是非A即B的選擇題，且兩個選項全部是正確的，唯一區(qū)別是其中一個選項是教材中出現(xiàn)過的實驗（即含學(xué)生見過的原型特征）。結(jié)果顯示，絕大部分學(xué)生選擇了那些含有原型的選項，且這種傾向具有極強的統(tǒng)計意義（p＜0.001，ES≈0.35）。這一點驗證了我們的猜測，即原型匹配是學(xué)生面對具體概念的首選工具。

更加耐人尋味的是，我們對其中一部分測試卷悄悄地“做了手腳”，即這些題目所謂的“原型”其實是錯誤的，它們只是猛地看起來像原型，但不能解釋題目中的現(xiàn)象。我們的目的是考查學(xué)生是否能識別這些所謂的“原型”其實是濫竽充數(shù)。但學(xué)生依然不假思索地選擇了這些“原型”（p＜0.001，ES≈0.31）。這說明，學(xué)生根本沒有仔細(xì)、審慎地分析與思考，而是遇到見過的“原型”，立刻選擇了它們。

這一點非常明確地昭示出激活的特點：它并不經(jīng)過復(fù)雜的思索與分析，也沒有靠得住的推理論證。為了更快速、便捷地反應(yīng)，大腦選擇了一條認(rèn)知成本更低的捷徑，即將復(fù)雜的信息打包并貼上標(biāo)簽，這些標(biāo)簽就是原型所包含的典型特征。而當(dāng)需要調(diào)用這些信息時，大腦通過尋找標(biāo)簽，將信息包裹從記憶中翻出來，卻并不會仔細(xì)檢查包裹里的東西是否已經(jīng)變質(zhì)了。

五、教學(xué)改進(jìn)建議

顯然，原型觀與我們現(xiàn)在的概念學(xué)習(xí)主流觀點格格不入。但問題是，諸多證據(jù)都顯示，這種傾向是脊椎動物大腦的固有生理特征——科學(xué)家甚至在鴿子身上也觀察到了明顯的原型效應(yīng)。換言之，原型觀似乎更受大腦歡迎。

既然如此，我們?yōu)楹尾豢紤]利用這種獨特的方式呢？具體來說，原型觀下這節(jié)課例或許應(yīng)該是（圖1）：先出示胭脂紅溶于水的實驗，通過其強烈的視覺沖擊力給學(xué)生一個典型的樣例，從而建立原型；第二步，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察胭脂紅在水中發(fā)生了什么，目的是引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象中抽象出溶解的典型特征，在此基礎(chǔ)上可以讓學(xué)生畫一畫這個過程，即嘗試建立溶解過程的動態(tài)模型；第三步，出示實驗“食鹽去哪里了？”引導(dǎo)學(xué)生基于原型解釋新現(xiàn)象，并尋找線索與證據(jù)進(jìn)行驗證；最后，給出其他現(xiàn)象，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)辨別它們是否屬于“溶解”，從而完成概念的遷移與泛化（如下圖）。

這一思路的優(yōu)點有二：其一，符合學(xué)生的原型偏好；其二，將“食鹽去哪里了？”的實驗放在胭脂紅實驗之后，實質(zhì)上變成了基于原型對于新現(xiàn)象的解釋。相比于正向的搭建概念，這是一個逆向思考的過程，即引導(dǎo)下的對原型的訓(xùn)練，需要調(diào)用更多的認(rèn)知資源，可以激發(fā)更深層的認(rèn)知，更有利于概念的建構(gòu)與鞏固。

參考文獻(xiàn)

[1]段巍，彭香.科學(xué)（三年級下冊）[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2017.

[2]陳奎元，等.溶解.中國大百科全書（第三版）[M].北京：中國大百科全書出版社，2017.

[3]肖少北.布魯納的認(rèn)知：發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論與教學(xué)改革[J].外國中小學(xué)教育，2001（5）.

[4]馮友梅，顏士剛，李藝.論核心素養(yǎng)語境下教育目標(biāo)分類體系的建構(gòu)邏輯：源自對布魯姆風(fēng)格教育目標(biāo)分類體系的拷問[J].電化教育研究，2018（6）