国外物理概念转变研究：借鉴与启示，本文主要内容关键词为：启示论文,物理论文,概念论文,国外论文，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。
物理概念学习和教学是物理教育研究的重要内容，也是中学教学实践中遇到困难最多、教师参与研究最活跃的内容。国外对概念学习的理论和实践研究，构成了教育心理学及认知科学和物理教育研究者共同关注的研究领域，为物理概念的学习和教学提供了重要的理论支持。
对概念转变的研究始于20世纪的70年代至80年代开始出现各种研究成果。1982年由康奈尔大学的Posner等人提出的概念转变模型为这个领域的研究奠定了基础。自此，各种研究成果大量涌现，“概念转变”研究成为科学学习领域和物理教育研究领域关注的热点。本文从物理教育研究的视角对概念转变相关研究进行总结评述，希望能为物理概念学习和教学研究提供新的思路和方向。
一、关于前概念的研究
在概念转变的研究初、中期阶段，大部分成果来自对学习者前概念的研究。由于研究的侧重点和关注的对象不同，在不同研究者的文献中，使用了不同的描述学习者前概念的术语，如错误概念、相异构想等。由于其在学习者建构科学概念的过程中具有相似的作用和地位，本文采取在我国应用比较普遍的术语——“前概念”来统一代表学习者头脑中已经存在的经验、观点、认识等。在物理教育研究领域，这部分研究涉及了物理学的各个分支内容，研究对象遍布从小学生到学习大学导论课的大学生。以高中阶段的主要学习内容力学为例，McDermott在1998年综述了近60篇重要文献，集中反映了物理教育研究者在这个方向所做的工作，研究者分别从单纯运动状态的描述和动力学角度，对学习者前概念及科学概念建立情况进行了调查。[1]
随着调查研究的深入，整个研究领域在学习者前概念存在的普遍性、前概念的顽固性以及学习和教学都必须以学习者的前概念为出发点等方面基本达成了共识。关于前概念在学习过程中所起的作用则存在不同认识。有研究者认为，前概念阻碍对科学概念的学习，有意义的学习就是用科学概念取代前概念(
zmen，2004)。[2]而与此相反，有研究者认为，前概念是进一步学习的资源，或者认为前概念为进一步学习提供了可能(Hammer，2000)。[3]DiSessa进行了大量访谈研究，揭示学习者学习物理概念的困难，并且提出在教学中应该利用直觉概念，而不是去想办法取代它们。
研究者关于前概念的结构也有两种不同观点，可称为“碎片观”和“整体一致观”。前者认为，人的日常经验并不像科学概念那样与某些基本原理紧密地联系在一起，而是以分散的初级的图式形式存在，它们是对现象的表面解释。错误概念是由特定图式引起的，是局部的、孤立的，概念转变就是要使这些孤立的原始图式不再单独去解释相应的现象，而是与更复杂的知识结构联系起来(DiSessa，1993)。[4]后者则认为各种概念分属不同的类别，一旦学习者把概念归于某个类别，那么这个概念也就同时具有了这个类别的特征。他们把概念分为三个大的类别：物质、过程和心理状态。学习者的前概念和将要学习的科学概念，有可能属于同一个本体类别，也有可能分属不同的本体类别。同一类别内的概念转变比较容易，而不同本体类别间的转变会比较困难(Chi，1994)。[5]
持不同观点的研究者在提出自己观点的同时，针对对立观点开展类似甚至相同的实证研究，以说明对立观点的支持条件不充分(Vosniadou，2005；Hamza 2007)。[6][7]两种不同的观点交织、碰撞使得前概念的研究得以更深入的发展。
二、概念转变模型及其发展
在对前概念研究的基础上，1982年Posner等人提出了著名的概念转变模型。[8]对概念转变的条件以及学习者的知识经验背景对概念转变的影响提出了自己的解释，并且以物理学中的狭义相对论学习为例，对模型进行了分析、阐述。他们认为，学习者原来的概念要发生转变需要满足以下四点：对现有概念的不满，新概念的可理解性，新概念的合理性，新概念的有效性。四个条件之间密切相关，其严格程度逐级上升。
在提出概念转变模型的同时，Posner等人把影响概念发展的个体经验背景称为“概念生态”，其中的各个因素都影响着学生概念转变的进行。Posner等最初给出的概念生态包括以下几个因素：反例，类比与比喻，认识论信念，形而上学的信念与观点，其他领域的知识。
概念转变模型的提出，对科学教育研究领域产生了非常重要的影响。在概念转变模型取得一定研究成果的同时，有研究者开始反思并对概念转变模型提出质疑和批评，主要的观点概括起来大致有以下几点：(1)过于关注学习者前概念对知识建构的负面影响，忽视前概念中的积极成分。(2)概念转变发生在复杂的教育、社会和文化背景下，是一个社会建构的过程。(3)不要过于强调儿童日常经验中的核心信念对具体概念的限制，概念转变常常并不是随核心信念的改变而整个地改头换面，而是一个一个地进行的。(4)概念转变并不一定是一步完成的，它是一个渐进的过程，有时两种概念同时存在和使用。
针对上述批评，Strike & Posner对最初提出的概念转变理论进行了修正，改变了过于强调纯认知的观点，承认了动机等情感因素的重要性，扩展了概念生态所应该包含的因素。(Strike，1992)。[9]与此同时，许多研究者都展开对概念转变的理论和实践研究，使概念转变理论不断地发展完善，对科学学习的影响越来越深入。
其中，Vosniadou领导的研究小组开展了长期系统的研究，在沿袭Posner基本观点的基础上，提出了更为系统的理论模型，并在此基础上在科学学习领域进行了大量实证研究(Vosniadou，1994)。[10]Vosniadou认为概念根植于并被限定在一个大的理论框架中，理论框架不为意识所觉察，虽然意识不到，但理论框架限制学习者获得物理世界的真实知识。她特别强调基本信念对具体概念的制约作用，认为这个理论能够解决研究者对于概念转变模型的质疑，并且大力倡导在数学学习领域开展概念转变的研究。
在上述研究取得一定进展的基础上，如何采取相应的教学策略帮助学习者在前概念的基础上建构科学概念成为新的研究热点。
三、概念转变的教学策略研究
Posner等人强调学习者对现有概念的不满，认知冲突被认为是引发学习者对现有概念不满的最为有效的教学策略。认知冲突的教学策略，在激发学习者学习兴趣等情意因素方面，往往能收到意想不到的效果，因此在教学实验中被广泛采纳。许多研究也报告了认知冲突教学策略在教学中产生的积极效果。但是研究者同时也发现，认知冲突教学策略在实际教学实践中并没有达到人们预期的效果(Limon，2001)。[11]
在DiSessa的观点中，教学的目的不应该定位于用科学概念取代学习者头脑中的前概念，而应该把前概念当做学习资源加以利用。所以，在他们的理论中，类比和利用直觉概念是重要的教学策略。
在物理教育研究领域涌现出大量教学策略层面的相关研究。除了典型的认知冲突策略外，有研究者注重利用实验手段帮助学生克服概念转变的困难，并且注重计算机的应用(Cornelise，2004)。[12]
有研究者提出在进行大班授课时，同伴互教能保证学生积极参与。(Crouch，2001)对在学习大学物理导论课的学生中开展了10年的“同伴教学”进行了总结和深入研究。[13]这种教学以小单元针对核心概念的形式进行，教学过程中重要的组成部分是学生的交流和向教师汇报答案。
尽管出现了大量与概念转变模型相关的实证研究，许多研究并没有对概念转变的条件给予足够的关注。研究者只是在概念转变模型的思想影响下，依据自己的认识设计相应的模式或策略。
四、概念转变结果的检测
在物理教育研究中，研究者为了检验概念转变的结果，以贴近学生生活实际为基本原则开发了相应的测评工具(Hestenes，1992；Rebello，2004)。[14][15]这些经过实验检验并被广泛采纳的测评工具，使本领域实验研究的数据采集和处理成为可能。有些测量工具（例如FCI，FMCE），在本领域的研究中有极高的认同度，这为物理概念学习理论发展和测量工具的开发提供了思路和借鉴。近来有研究者在概念转变理论研究发展的基础上，对测量工具进行修正，并对测量工具开发的方法进行了讨论(Smith，2008)。[16]
五、借鉴与启示
（一）关于前概念所达成的一致认识和存在的问题
整个研究领域的研究者，在学习者前概念存在的普遍性，前概念的顽固性，以及学习和教学都必须以学习者的前概念为出发点等观点上基本达成了共识。
研究者关于前概念存在方式的分歧主要表现为朴素认识的“碎片观”和“整体一致观”的对立。因此研究者对于前概念的作用认识也根本不同，有研究者强调前概念的负面作用，主张用科学概念取代前概念，有研究者注重前概念的积极作用，主张将前概念当做学习资源来对待。
针对上述相反的观点，结合我们对中学生物理概念学习的研究，我们认为在学习者头脑中确实存在着前概念，也会对学习过程产生一定影响，但并不一定都产生积极的或消极的影响，而是与具体的学习内容有关。我们更关注的是，针对某个具体概念，学生存在哪些前概念？会对学习过程产生哪些影响？教师如何在教学中利用其积极影响同时避免其消极影响？
有待深入研究的问题是，学习者原有认识以什么方式支持原有概念并排斥科学概念？如果原有认识不可能凭空消失，那么如何促使其由支持错误概念转向支持科学概念。
（二）概念转变模型及其发展
在Posner等人提出概念转变模型的同时，也第一次使用了概念生态来定义学习者个体经验背景。概念生态提出以后，在各种应用研究和质疑声中不断地发展、完善。
概念转变模型提出了概念发生转变需要满足的条件，其中使学习者认识概念的可理解性和合理性，与物理概念教学中强调运用多种策略促使学生建立概念，认识概念的内涵和外延的要求是一致的。使学习者认识概念的有效性，则与物理概念教学中创造机会让学生学会应用概念的要求相吻合。
概念转变模型强调，对原有概念的不满是概念转变的第一步，这是当前物理概念教学研究中比较薄弱的环节。我们认为，对原有概念的不满是促使学习者进行概念转变的动力，这种不满不仅是概念转变的条件，也是建立对科学概念意义认识的前提。
目前物理教育研究领域欠缺对概念学习过程的理论研究，而概念转变模型的研究仅指向概念发生转变的条件。也就是说，概念转变模型初步确定了概念转变的条件，而目前需要对如何达到这样的条件做出理论上的回答。例如，如何使学习者认识到科学概念是可理解的、合理的？即如何使学习者顺利认识概念的内涵和外延？指向概念转变过程的理论研究，首先应该考虑这样的问题：哪些因素、以何种方式影响具体概念的转变？概念生态的研究是否能够给概念转变全面的支持？
（三）概念转变的教学策略并没有得到预期的效果
我们可以用研究者所持有的对前概念的观点将概念转变理论分成两个派别：一部分研究者认为个体的概念发展可以用科学理论的发展来类比，比较重视概念转变的整体一致性，强调“概念生态”，特别是其中的基本信念对具体概念的制约作用，认知冲突是他们倡导的主要教学策略。而另一部分研究者认为，学习者的前概念是一套松散的观念，这些观念来自对日常经验的简单抽象，就像碎片一样存在于学习者的头脑中，概念转变也是孤立发生的。类比和利用直觉经验则是这个派别的主要教学策略。
上述教学策略都具备充分的实证研究和理论的支持，迅速得到人们的认可并在教学中实践。然而学校教学的现状和随后开展的大量研究说明，概念转变的教学策略并没有收到预期的效果。
我们认为，对于不同的物理概念，其前概念的结构和一致性程度是不同的，应有针对性地采用不同的教学策略。有些适合采用认知冲突教学策略，有些则适合采用类比策略，或者在概念转变的不同阶段需要采用不同策略。在物理教育研究中需要深入研究的问题是：对哪些具体概念采用何种策略是更有效的？在采用认知冲突策略时，如何判断学习者有意义的认知冲突已经发生，并对教学起到了积极的促进作用？这样的认知冲突如何达到？支持教学策略的理论本身是否存在不足，应该从什么角度发展和完善？
（四）如何检测概念转变的结果
概念转变的结果，是概念转变研究中应该重点关注的内容，即如何认定概念转变发生了。在当前物理概念学习研究中，对概念转变结果的考察，往往集中在探查学习者利用科学概念解决实际问题能力的发展情况，这也被认为是科学教育的目标，并不重视学习者在传统纸笔测试中的表现。
我们认同以贴近学习者生活实际的问题检测概念建立情况的基本原则。在应用这个原则开发测评工具的同时，更值得深入思考的、更深层次的问题是：学习者达到怎样的状态，才能表明概念转变真的发生了？新的概念如何得以稳固，而不退回到前概念？对上述问题的研究，将为概念转变测量工具的开发提供理论支持。
通过综述可以看出，当前概念转变的研究成果集中在概念转变过程的起点，针对学习者的当前状态和引起概念转变条件的研究比较丰富，对于概念转变的过程则缺乏足够的深入研究，尽管教学策略和模式比较多，但效果都不够理想。已有的概念转变理论和物理教育研究领域的相关研究成果为我们今后的研究提供了一定的基础，对这些研究结果的反思和提出的问题，为物理概念研究向更深层次发展提出了新的思路和方向。