试论概念图及其对科学教育的启示，本文主要内容关键词为：其对论文,试论论文,启示论文,科学论文,概念图论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1001-4918(2006)03-0116-119中图分类号：G441文献标识码：A
通过运用有效的教学策略来提高学生的科学成绩，促进学习者的积极主动性，是科学教育工作者和教育心理学家一直在探索的问题[1]，科学教育工作者Novak、心理学家Ausubel和哲学家Gowin就是其中的典型代表。他们长期以来一直致力于促进学生深入理解学习材料的研究，其成果之一就是开发了影响非常大，对科学教育研究和教学有很大促进作用的几种实用工具。这些工具在研究和探索认知结构的变化中非常有用，其中最重要的就是概念图(concept map)技术。
自概念图这一术语提出以来，Novak等人的研究工作就引起了广泛的关注。各国研究者以他们的工作为基础，结合本国的教学实际进行了许多相关的研究，Journal of Research in Science Teaching曾就概念图这一主题出版过一期特刊，其中的一篇文章列举了100篇关于概念图的参考文献，出版的文献和专著数量之多反映概念图的受关注程度和研究的价值[2]。经过三十多年的完善和发展，今天概念图技术已经逐渐成为一种非常有效的科学教育研究和科学教学的工具，也是一种有效地促进有意义学习的教学策略[3]。但是，我国有关概念图的研究还很少。为此，本文将系统介绍概念图的起源、作用以及概念图技术对科学教育和研究的启示。
1 概念图及其发展
1.1 概念图的含义与特点
概念图是包含结点和连线的一种对知识的结构化进行形象表征的方法。结点代表的是某个领域或主题内的重要概念，这里的概念被定义为“知觉到的一组用符号或标记来说明的物体或事件之间的规律和关系”[3,4]，这些概念是按照上位概念与下位概念的层次加以组织的，概念的例子列在图的底部。连线指的是一对概念（结点）之间的关系，线上的标注解释了概念是如何相互关联的。两个结点和一个包含标注的连线组成一个命题，命题是概念图中最基本的意义单元，也是用于判断概念间连线是否有效的最小单元[5～8]。图 1就是一个比较理想的概念图例子[3]。
图1 概念图举例
概念图作为一种知识表征工具，它具有这样一些特点[3,7]。首先，相关的概念之间有标注线进行连结。在概念图中，两个概念不仅有连线表示它们相关，而且还在线上做标注，说明他们之间的具体关系。以图1中的概念为例。“低等动物”和“骨骼”两个概念之间有箭头连线，线上的标注是“没有”，它们表示的意义就是“低等动物没有骨骼”。由此可见，概念、连线和标注组成一个有意义的命题，命题是概念图中必不可少的成分，缺少命题就无法准确地表征绘图者的理解。其次，概念图中概念的排列还有一定的层次结构。也就是说，最一般的、包含性最广的概念在概念图的顶端，具体的、包含性稍低的概念在适当的下位位置。如图1中，“高等动物”和“低等动物”的概念包含性广，所以在图的上部；而“生命活动”的概念包含性相对稍低，所以处于下位的位置。概念的层次结构并不容易确定，它主要依赖当前考察的特定知识单元以及研究者希望具体强调的内容，同一个概念在不同的主题下，所处的层次水平可能不同。
1.2 概念图的起源与发展
概念图技术的开发并不是研究者盲目进行的，而是研究者根据研究的需要和相应的理论基础，在实践中经过不断检验、修正和完善而发展起来的一种促进学生有意义学习的策略。它的提出不仅解决了研究中的困惑，给科学教育研究带来了便利，也形成了一个很有价值的研究领域。概念图之所以具有上述特点，与它所依据的理论、要解决的问题以及所发挥的作用密切相关。
概念图技术(concept mapping)的起源可以追溯到20世纪六七十年代Ausubel、Novak和Gowin等人在康奈尔大学所进行的著名研究。因为他们的出色工作，概念图在当时引起了相当大的关注，带动了各国研究者的一系列研究工作，大量有关概念图的研究报告开始出现，概念图成为科学教育研究和科学教学的一种有用而具有无限价值的工具[9]。
20世纪六七十年代，Novak和Gowin等人对200名学生进行了一项长达12年的纵向追踪研究。在研究的第一年要对学生进行几次访谈，很快他们就发现访谈结果的解释和转录存在很大问题，从访谈记录和转录中很难看出学生概念理解的具体变化，要想区别改变的类型更难。在研究中，他们经常遇到这样一个难题：他们所设计的任何一种书面测验，都不能有效地测量儿童所掌握的知识。很显然，他们需要更好的工具或方法来表征儿童知识结构和概念结构发生的变化[8,10]。
1978年，Rowell在研究了一些磁带录音和研究性访谈记录之后，决定要设计一个“概念图模型”。在这些早期的概念图中，并没有使用联系词。他们认为研究者可以根据连结的两个概念理解它们之间的意义。但是在讨论过程中，Posner对概念图中内在的模糊不清提出了严厉的批评[4]。后来的研究也发现，评分者对同一个连结的理解存在很大的差异，甚至完全不是绘图者的意思。因此，他们改进了概念图，要求绘图者在概念图的连线上做标注[3,11]，这就是我们今天所说的比较完善的概念图。
当然，用概念图来表征学生知识的想法不是凭空想象的，而是有一定的理论依据。Novak与康奈尔大学的研究小组在课堂实践中开展了大量的教育研究工作，他们非常注重课堂观察，这给他们研究结论的推广带来了很大的便利。但是，在最初的研究中，Novak等人的研究结果经常与理论的预期不一致，这让他们非常困惑。此时，Ausubel(1963)发表了《有意义言语学习理论》，其中的某些理论恰好可以合理解释他们的研究结果。而且，他们发现Ausubel的理论能更精确地解释学习、学习者的成功和失败。此后，Novak等人在发展研究和课程改进项目时，主要以Ausubel的有意义学习的同化理论为框架[8]。他们在课堂里实验Ausubel学习理论的各种思想，由于他们的研究成果，Ausubel对自己的理论进行了一些修正[4]，Novak和Gowin等人也根据Ausbuel学习理论的某些思想开发了几种促进教学和科学教育研究的有效工具，概念图技术就是影响较大的工具之一。
Ausubel的理论认为，认知结构是有层次的结构，抽象的概念和命题高于范围较窄的、较具体的概念和命题[4]，大多数的新学习都是通过派生或相关类属，把新信息的意义纳入已有的概念／命题系统。于是，Gowin等人提出了概念／命题结构层次化表征的思想，这是概念图思想的来源之一[11]。同时，Ausubel的理论也认为，人的认知结构中的概念处于逐渐分化的过程之中，在这个过程中，学生会从事件和物件中认识到范围更广和更具体的概念，会发现更多的包括其它有关概念在内的命题联系；当学生发现两个或两个以上的概念存在着联系，可以构成新的命题意义的时候，或者当各个概念之间的意义矛盾得到解决的时候，就会在不同的部分之间进行综合贯通[4]，这些思想都为概念图的使用和评分提供了理论依据。
除了以Ausubel的有意义学习理论（层次结构理论、逐渐分化理论、综合贯通理论）为基础，概念图也来源于对Piaget的临床访谈法进行的调整。最初，Piaget使用临床访谈法来分析儿童解释周围事件的认知过程，后来Novak等人对此方法进行了修改，用概念图来表征学习者的认知结构，并把它客观化，让学习者和老师都了解学习者已经知道了什么，以调查人们解释事件的概念和命题框架[7]；同时，研究者还把概念图用作一种评估工具。研究证明，概念图对传统的评估方法是一种很好的补充。
1.3 概念图的绘制
Ausubel和Piaget的理论为如何建构一个概念图提供了指导。Novak和Gowin认为，概念图应该是：(1)具有层次性，上位概念在顶端；(2)用适当的联系词做标注；(3)有交叉连结，表明层次的子分支之间的关系。因为“新信息经常与更一般的、更具有包含性的概念建立联系，或类属于其下”，所以会出现层次结构。根据逐渐分化原理，学生或者通过创建新的分支，或者通过进一步分化已有的分支，把新概念和新连结添加到层次结构中，丰富和完善已有的层次结构。当学生认识到层次中相同水平上的概念或命题间的新联系时，就理解了它们的意义[6]。
Novak和Gowin对绘制概念图的方法步骤，根据学生年级的不同分别进行了详细介绍[4]。一般而言，教学生绘制概念图包括以下部分[12]：(1)向学生介绍概念图：概念图是什么，其用途有哪些，包括哪些组成成分；(2)分析概念图的建构，主要强调概念图的四个方面，即如何识别一组概念间的关系，建构命题，学习识别好的概念图，重新画概念图；(3)练习建构概念图。先给学生提供关于某一主题的概念列表，教师带领学生共同建构一份概念图。然后，重新提供另一组主题概念，让学生单独绘制概念图；(4)检查和讨论学生绘制的概念图，介绍评分标准，提供一些评分后的概念图例子；(5)巩固练习绘制概念图。
简而言之，绘制概念图的大致程序是，先列出某个主题领域内的重要概念，根据抽象概括程度的不同，有结构、有层次地将其相互之间的本质联系用连线和相关词语表示出来，经过反复修改和讨论，达到对该主题知识的融会贯通。
2 概念图的作用
从上述概念图理论来源的介绍中，可以看出概念图综合了结构主义和建构主义的观点。它以Ausubel的学习理论为基础，体现的是结构主义的观点，是对知识的一种静态形象的描述，可以用来了解学生已有的知识和错误概念等；概念图的结构层次可以促进学生新旧知识之间的联系，促进有意义学习。概念图对皮亚杰的临床访谈进行调整，体现的则是建构主义的观点，是对知识的一种动态的描述，可以用以促进和评估学生认知结构的发展变化。所以，概念图的作用与它的理论起源和特点是一致的。
2.1 调查学生的先前知识和错误概念
概念图就是一种非常有效的了解学生先前知识的工具和技术。尽管Ausubel在理论中着重阐述了学生的先前知识在学习中的重要作用，但是，他并没有给教育工作提供简单、有用的手段，来帮助教师了解学生的已有知识。绘制概念图可以解决这个问题，它已经经过特别的改制，能够深入每个学生的认知结构，并把它客观化，使学生和老师都能弄清楚这个学生已经知道了什么，进而看出学生的错误概念，从而纠正概念之间的错误的连结。Novak等人也谈到，并不是说一张概念图能够完全把学生关于某个主题的概念和命题全部展现出来，但是，总的来说概念图大致上能够做到这一点[4]。随后大量的研究也证明了他们的观点。
同时，通过学生绘制的概念图也可以了解学生的错误概念，概念图在辨别错误概念上非常有用，概念图中不正确的连结形成的错误命题，或者相关概念之间没有进行连结，都是很好反映学生错误概念的指标[8]。
2.2 帮助学生“学会如何学习”
Novak及其同事[2]发现，概念图可以帮助学生组织和理解新知识，促进学生学会有意义的学习，也能帮助老师更有效地组织教学。概念图是一种知识的客观化视觉表征，能够使学生清楚地看到自己学习中存在的问题和错误，从而有针对性地进行知识的补充和修正，以及学习策略的调整。绘制概念图也是一种非常有趣的学习活动，可以吸引学生的注意力，使学生能够有效地监控自己的学习过程，针对自己的情况，调整学习进度。概念图可以帮助学习者意识到并反思他们自己的错误，帮助学生负责自己的意义理解，有助于他们形成综合的概念系统。可以说，绘制概念图的过程也就是理解知识的过程。概念图不仅为学生提供学习的支架，而且是改善学生学习的元认知工具[13]。
2.3 促进学生的有意义学习
概念绘图法如何促进有意义学习呢？概念图中的概念不是分离的，而是相互之间存在一定的关系。交叉连结是很强有力的连结，它把相关的概念组成一个“网”，可以促进知识在认知结构内的稳定性。概念图不只是连结一般概念和具体概念，也把概念结构内不同的子领域(sub-domain)连结起来，增强了不同知识范围的联系。实际上，这样提高了联系新材料的相关概念的数目，使新学习的内容更容易与已有的相关知识经验建立联系，联系的稳固程度也会有所增强。非常强有力的连结可以将原先分散的章节甚至题目联结起来。
只有垂直连结的命题比那些垂直和水平连结都有的命题更可能忘记，因为垂直连结是概念的具体例子，而交叉连结把概念层次不同领域的概念联系起来，可以使新知识记忆得更牢固。机械学习记住的只是一系列命题，相互之间没有建立联系；使用概念图，新概念和命题与整个已有的、相关系统联系起来，这种类属、逐步分化以及上位学习模式最终造成学习者知识结构质量和连结数量增多，从而促进学生的有意义学习[5]。事实上，在过去三十年中，大量有关概念图的研究也证明，它是一种非常有效地促进学生有意义学习的策略和工具[3,13]。
Heinze-Fry和Novak[5]以自修生物的大学生为被试，调查了概念图工具在三个教学单元的时间内是否促进学生了学生的有意义学习。研究结果显示，概念图使学生更多地进行有意义学习，尽管在短期内，实验组和控制组的成绩统计上没有达到显著水平，但是，实验组在知识保持、学习效能等方面的平均得分都高于控制组。而且，随着干预时间的延长，概念图对有意义学习的促进效果会越明显。
2.4 促进和评估学生认知结构的变化
概念图不仅可以促进学生主动参与学习活动，同时也是测量学生知识结构变化情况的敏锐工具[2]。极端的知识基础重新建构，也就是概念转变，可以在概念图的最高层次水平上反映出来；同样地，在下位学习过程中伴随着的缓慢、精细、同化性的变化，也能通过概念图中低层次水平的增加或减少描述出来[14]。Carey建议，概念图可用于分析知识的获得。她说，“通过比较连续的概念图，比较学生掌握的某个领域的知识，研究者可以看出在获得知识的过程中，知识是怎样被重新建构的”[13]。
很多研究证明了概念图在这方面的作用。Wallace和 Mintzes[13]通过研究发现，概念图能揭示学生知识基础在复杂性和命题结构方面的大量变化。结合自己十多年使用概念图的实践经验，他们认为概念图示法是调查认知结构变化的一种有效而有用的机制。同时还指出，概念图能补充其它方法（如访谈、卡片分类以及传统的测验工具）的研究结果，而又不会与这些方法的发现重复，是唯一一种既能了解学生已知知识，又能了解他们知识组织的方法。Novak和Musonda曾做了一个长达12年的研究，证明概念图能有效地用于分析概念的改变，即使是跨越很长的时间[8]。
Pearsall、Skipper和Mintzes[14]曾研究在长时间内学生生物知识的改变，他们周期性地给学生机会增加或重新建构他们关于细胞或生物的概念，大学生在学习一学期的生物课程过程中，每四周修改一次先前的概念图，到期末的时候，研究者可以得到每个学生的四张概念图，通过分析这些概念图可以看出他们概念转变的历程。
2.5 概念图的其它作用
Novak和Gowin建议将概念图用于课程设计。一些研究者深信，利用概念图可以改善课程开发的产品和过程，在课程设计的过程中，设计者可以通过建构和修改概念图，对一些重要的概念达成共识，也可以更好地统整课程，安排课程单元的顺序和结构，设计知识点的布局等。美国科学教育史上的重要文件——科学素养的基准(Benchmarks for Scientific Literacy)也是以概念图为基础而形成的[8]。
在绘制概念图的时候，学生因能完成概念图的建构，体会到概念对他的意义，所以能促进学生的自尊。Trowbridge等人在进行临床访谈时，发现学生对他们建构概念图的能力感到很自豪[8]。Horton等人[15]的研究发现，绘制概念图不仅能引起学生成绩的提高，同时也会改善学生的学习态度。概念图也可以用于师资培训，使教师将学科内容概念化，统整学科内的概念以设计教学，并开发相应的评估策略。
当然，作为一种仍需要完善和发展的工具，概念图不可避免的存在一些不足之处。比如概念图不适用于知识结构层次不强的主题，以及了解水平的知识[12]；评分标准不统一，带有一定主观性，研究者不同，对同一份概念图的评分标准会有差异，影响研究结果。因此，还需要对概念图做进一步的深入研究，促进其发展。
3 概念图对我国科学教育的启示
自概念图的研究开展以来，在过去的三十年，国外有关概念图的研究和讨论曾经盛极一时，并在理论和实践中取得了丰硕的成果，推动了当时美国科学课程的设置和教学的改革，并带动了其它很多国家的研究课题。遗憾的是，我国有关概念图的研究却非常少，即使是介绍性的文章也不多。
当前，我国的基础教育课程改革正在全国范围内展开，新一轮的课程改革不仅关注教师教学方式、学生学习方式的变革，也强调学生评估方式的变革；不仅对结果进行评估，也对过程进行评估；重视学生的主体地位，强调以学生为中心。而概念图教学，恰好能满足这些要求。学生在绘制概念图的过程中，可以增强他们的积极主动性，使他们监控自己的学习过程，对自己的学习负责；在绘制概念图的过程中，学生是自己学习的主人；教师通过学生绘制的概念图，可以持续了解学生知识的理解程度，从而相应地开展进一步的教学；概念图也可以帮助教师计划和组织教材[8]，改善教学方式。同时，概念图也是一种非常有效的教师培训策略。
因此，概念图作为一种非常有效地促进学生有意义学习的策略和在真实情境中评估学生知识获得及变化的工具，在我国的科学课堂研究和教学中具有非常广泛的潜力和应用前景，概念图与我国课堂情境的结合将是一个重要而有意义的研究领域。