国外科学概念转变教学研究：模式、策略及启示
国外科学概念转变教学研究：模式、策略及启示□冯春艳，陈旭远
（东北师范大学 教育学部，吉林 长春130024）
[摘 要]概念转变研究一直是科学教育的核心话题，国外对科学概念转变的理论研究和教学路径研究已相对成熟，而国内对科学概念转变教学方面的研究还较为局限。纵观国外关于科学概念转变的教学模式研究不断向纵向深化，其可分为基于认知冲突、拓展情境任务和表达论证观点三类；关于科学概念转变的教学策略研究，经历了从单一到多样组合、从理论到实践转化的过程，大体可分为基于认知主义和基于建构主义两大类。国外科学概念转变的教学路径研究也为我国科学教育提供了诸多启示。
[关键词]科学教育；概念转变；教学模式；教学策略
广义地讲，概念转变表示从学生的教学前概念到要学习的科学概念的学习途径；狭义地讲，当学习者学习有关某个问题或事实的新知识时，或改变原有想法时，便是概念转变。在此我们将其定义为一个学习过程，学生所持有的关于世界如何运作的想法或信念被转移和重组、远离误解，并转向像专家所持有的主导概念的过程。科学概念转变研究一直是近50年来科学教育研究的核心话题，一般认为其始于20 世纪70 年代的美国，主要存在于物理、化学和生物的学习研究中。最著名的概念转变理论之一是由波斯纳（Posner）、斯特里克（Strike）等人定义的，也就是库恩（Kuhn）的范式转移或皮亚杰（Piaget）的同化和顺应概念，斯蒂芬斯（Stepans）将这一理论提炼为概念转变模型（Conceptual Change Model，CCM），并成为学者们研究科学概念转变的起点。关于科学概念转变的研究可以描述为三个阶段：第一阶段是描述学生的想法以及支持概念转变的干预措施，该阶段主要是围绕着学生的前概念的含义、类型、甄别方法等进行讨论；第二阶段是考查学生对本体论的理解，他们的认识论信念，他们对模型的使用以及社会互动的作用；第三阶段被称为“系统性视角”，其中概念转变被建模为多个元素之间的交互作用，如社会因素、情感因素，概念变化的认知—情感模型（CAMCC）、泰森等人（Tyson，et al）开发的概念转变多维框架都是阐述概念转变受多元素交互作用的结果（p57-81）。至此，科学概念转变研究基本达到理论上的饱和状态，国内学者对于概念转变的理论研究主要也是围绕着以上三个阶段而展开论述的。纵观来看，国外对于概念转变的理论研究、教学路径研究已相对成熟。但国内对概念转变教学方面的研究还较为局限，主要集中在对前概念的探查、概念转变模型的理论综述以及对某一种教学策略的教学实践研究上，缺乏对概念转变教学方法的综述研究，缺乏对概念转变教学模式和教学策略的横向比较和纵向剖析，基于此，笔者对国外科学概念转变的教学路径进行深入分析和研究借鉴，以期为我国科学教育提供些许启示，为提升课堂教学质量提供参考。
一、科学概念转变的教学模式研究
（一）科学概念转变教学模式的纵向深化
在对科学概念转变的研究之初，人们最先注意到的是前概念在概念转变过程中的重要性，随之研究者们尝试利用诸多干预手段促进学生科学概念的转变，随着科学概念转变研究逐渐在教学中施展以及教学策略的多元化使用，基于概念转变理论而构建的教学模式也随之增多。波斯纳等人（Posner，et al）所提出的概念转变四个条件中“学习者对当前的概念产生不满”成为随后诸多教学模式建立的锚点，即认知冲突，这也是早期促进科学概念转变的教学模式最主要的特点。研究者们对前概念含义、来源、类型等进行深入探讨之后，基于本体论、认识论以及影响概念转变的多元素视角构建了早期的科学概念转变教学模式，并积极地将其付诸实践，通过应用、讨论之后，研究者们发现科学概念转变仅仅基于认知冲突是很难达到转变效果的，于是研究者们尝试设计情境任务激发学生的意识、想法，以明晰前概念和迁移应用效果，如基于教学情境理论的教学模式、双情境学习教学模式等。另外提供给学习者表达想法、论证观点的机会也至关重要，从而加深对概念的理解，促使主动认知，如5E 教学模式、基于对话的教学模式、基于“热”概念转变的教学模式等。总的来说，科学概念转变的教学模式从最初的基于认知冲突到情境任务，再到表达论证观点教学模式的转变，中间经历了概念转变理论研究的深化、教学策略的多样化以及教学实践的广泛性尝试，从而使教学模式从单一走向多元，从简单走向复杂，从局限走向开放。如今，对于科学概念转变的教学模式的研究还在不断深化，研究者们基于以往教学模式的研究予以综合改进，通过实证研究进行检验、验证、反馈，在促进学生科学概念转变的研究中更趋向于理论与实践的有机结合。
（二）科学概念转变教学模式的主要类型
科学概念转变在教学中的实现一般都遵循了“探寻前概念—学习新概念—应用新概念”这样的程序，笔者基于以上对科学概念转变教学模式的纵向深化研究，将其分为基于认知冲突的、拓展情境任务的以及表达论证观点的三类科学概念转变教学模式。
1.基于认知冲突的科学概念转变教学模式。基于认知冲突的教学模式侧重于揭示学生错误的前概念，并对具体的揭示学生前概念的教学策略做了较为详细的阐述。波斯纳等人（Posner，et al）所描述的概念转变条件成为人们研究概念转变教学模式的重要依据，尤其是学习者对当前概念的不满往往会成为概念转变的起始，也就是认知冲突的开端。如凯里（Carey）所提出的概念转变教学模型，首先识别异常，认识前概念；然后建构新模型，代替旧的心理模型；最后使用新模型，用新模型来解决问题(p1123-1130)。理查德·迈耶（R.E.Mayer）也指出了科学概念转变的教学模式：首先直面错误概念，尽可能暴露出学生的想法；然后建构新概念，通过同化学习和顺应学习；最后，应用新概念(p173-192)。努斯鲍姆（Nussbaum）、诺维克（Novick）提出了概念转变教学的三步法：揭示学生的前科学概念，引发认知冲突，鼓励认知顺应(p183-200)。在对这些教学模式研究的基础之上，研究者们通过实验、假设、提问等教学策略来进一步揭示学生的前概念，创造认知冲突，激发学生的主动学习过程。
2.拓展情境任务的科学概念转变教学模式。情境是教学内容的重要载体，没有情境为依托的教学必然会索然无味，情境与任务的有机结合促使学生主动构建概念。很多时候，学生初步建立的概念并不是牢固的，他们只是记住了这个概念，那么这个时候就需要将其迁移运用，在相应的情境中解释事实性问题，以加深学生对于概念的理解，巩固头脑中的认知结构以加强新概念的确立。著名的教学情境理论（Theory of Didactical Situations，TDS）是由布鲁索（Brousseau）提出的，他指出教学情境有五个阶段：权力下放、行动、制定、验证、制度化（p204-224）。基于该理论所提出的教学模式为：（1）权力下放：分发材料，展开教学环境和任务；（2）行动：学生们通过模仿来关注他们所经历的动觉；（3）公式：将文字和图像应用于动觉体验，并提出解释；（4）验证：通过生生互动、师生互动建立模型来验证上述解释(p56-72)。土耳其学者阿尔斯兰等人（Arslan，et al）针对运用TDS 的教师进行了个案研究，并对25 名八年级的学生进行了随机抽样访谈，学生在教师所提供的寻找不同三角形的重心的情境中表现出较高的兴致，结果表明学生在情境教学中学习效果更好（p204-224）。情境在促使学生概念构建的过程中起到激活前概念以及促进新概念迁移的作用，从而超越结构性知识层面、重构突触链接、形成新的认知图式。在双情境学习模式（Dual Situated Learning Model，DSLM）中也体现了情境教学的理念，最初被佘（She）用于通过一对一的事件程序访谈来了解学生的概念变化。DSLM 的步骤为：（1）检查所要教授的科学概念的属性；（2）利用情境让学生预测、解释；（3）分析学生所缺乏的科学概念的属性；（4）设计一系列双情境学习事件；（5）使用双情境学习事件进行指导；（6）挑战情境学习活动，为学生提供应用，确保他们的概念转变是成功的(p43-54)。在佘（She）看来，概念的改变需建立在情境学习的基础上，没有情境学生无法对问题做出预测和解释，教师也就无从分析学生已有的概念属性以及可能缺乏的科学概念。另外，情境的设立也为学生应用概念，确保他们的概念转变成功提供了保障。
3.表达论证观点的科学概念转变教学模式。杜威（Dewey）曾说过：“论证能够激起我们的观察和记忆，使我们脱离信徒式的被动，促使我们观察和发明。”所以，在科学概念转变的课堂上，给予学习者表达观点、想法的机会，更容易产生认知冲突，促使思维活跃，加深对概念的理解。图尔敏（Toulmin）在论证模型中确定了六个要素，即数据、主张、理由、反驳、限制和支持，也就是说论证过程必须有理有据，才能有利于主张、反驳的进行。20世纪80 年代，美国生命科学课程研究（Biological Science Curriculum Study，BSCS）推出了5E 教学模式，即投入（Engagement）、探讨（Exploration）、解释（Explanation）、精致化（Elaboration）、评价（Evaluation），其中“探讨”“解释”都是对表达观点的强调。5E 教学模式旨在激发学生参与到一个主题中，探讨、表达想法，建构对所学概念更深入的理解。有学者研究了5E 教学模式对中学生“细胞呼吸”概念转变的影响，发现学生在该教学模式的引导下更加专注于自己的学习，使学生更容易理解细胞呼吸的概念(p55-60)。除了为学习者提供表达观点的机会，在表达的基础上进一步引导学生论证观点，解决不确定性将会促使其思维深化，激发主动认知。如科斯格罗夫（Cosgrove）和奥斯本（Osborne）所提出的概念转变教学模式：A.初步阶段：了解科学家的观点和孩子的观点；B.聚焦阶段：让学习者参与澄清自己的观点；C.挑战阶段：学习者辩论他们当前观点的利弊；D.应用阶段：跨范围在新情境下应用新思想(p101-111)。该教学模式十分重视学生的观点，并在教学过程中为学生提供了一切可以表达、获取学生想法和观点的机会，在认知层面上，这是对概念转变认识论的进一步深化和细化关注。再如基于对话的概念对抗教学模式：a.学生明确他们用来解释或预测的概念；b.每个学生发展一个分支来支持他的预测并呈现给全班同学看；c.向其他人阐释说明自己的想法、讨论和争论的有效性；d.教师用科学概念演示物理情境，并给出理论解释；e.让学生进一步讨论，使学生能够将他们的分析与科学分析进行比较(p163-187)。步骤b、c 便是给学生提供表达观点、论证观点的机会，最后通过教师的演示，给出解释，学生再予以讨论。周（Zhou）提出了概念变革教学的论证方法：（1）呈现问题背景；（2）引出学生的想法；（3）产生认知冲突；（4）构建科学概念：基于探究或以调查为基础的活动可以引导学生建构或发明科学的解释；（5）捍卫科学概念；（6）评价：进一步说服学生理解科学概念，证明科学思想的有效性和有效性(p101-110)。步骤2 到步骤4 都是在引导学生构建自己对概念的理解，允许学生利用研究或调查的方式论证自己的理解。在这个过程中产生的认知冲突可能会进一步加深误解，也有可能会促使概念的迅速转变，但经过教师的捍卫与评价步骤中的应用，学生会以更加深刻的印象真正理解新概念。
（三）科学概念转变教学模式的横向比较
基于认知冲突的科学概念转变教学模式都是先直面学生错误的前概念，引发认知冲突，然后建构新概念，实现新旧概念之间的置换，最后应用新概念进行迁移。我们知道学习者固有的许多概念都是很复杂的，在经历、感知、文化影响和语言使用的过程中不能被轻易推翻。所以，在教学过程中，仅仅基于认知冲突的教学是不能帮助学生改变概念的，尽管使用认知冲突的方式在激发学习动机方面是有用的。基于情境任务的教学模式是基于认知冲突教学模式的进一步细化和延伸，基于情境任务的教学模式并未忽略学生头脑中的前概念，只是更加注重在一定情境之下揭露学生的前概念，并通过拓展情境任务，让学生利用已有的理解进行迁移应用。TDS 更侧重在情境中完成任务，以实现概念转变；DSLM 更注重学生概念转变的本体观，通过情境让学生预测、解释，分析出学生科学概念的纰漏。基于表达论证观点的教学模式并非独立存在，而是嵌入其他教学模式之中，并以某种方式重点体现出来，学生在参与表达论证的过程中，不仅使自己的想法进一步明晰化，还能够促使新概念的同化顺应，增强新概念应用的合理性。也有的研究者将以上教学模式的经典之处综合起来，如基于“热”概念转变的教学模式（Teaching Model for Hot Conceptual Change，TMHCC）：A.展示学习情境，B.激发学生的想法和先入为主的概念，C.概述哪些概念或知识与不一致事件相冲突，D.创造认知冲突，E.小组合作/论证，F.引入科学概念，让学生评估新概念的可理解性、可信性和成果性，G.将新概念转移，测试其合理性和有效性，H.评估(p1-40)。该教学模式既给学生提供情境，引发认知冲突，也允许学生参与论证，激励学生主动认知，还指导学生对新概念进行迁移应用并评估其有效性。显然随着概念转变教学研究的深入，基于前人的研究成果以及当下的实证范例，会涌现出越来越多更有利于学生认知结构改变的概念转变教学模式。
二、科学概念转变的教学策略研究
（一）科学概念转变教学策略的研究趋势
在过去的40 年中，关于概念变化的理论构建状态变得越来越复杂，制定的教学策略也变得越来越复杂，这些发展是必要的，以便越来越充分地解决教学科学的复杂现象，但也伴随着一些新的需求(p89-104)：有必要对各种教学策略进行汇集研究，使其能以互补的方式建设性地相互作用；在改善教学实践层面，有必要对将教学策略付诸实践的教师进行多方位的评判。通过对科学概念转变教学策略的研究发现，人们主要基于认知主义和建构主义提出了诸多促进学生概念转变的教学方法和策略，在认知层面，研究者们从概念转变的路径出发，主要以探查学生前概念、激发学生主动认知、促进概念顺应为方向，开发出诸如论证、演绎、假设、探究、实验、概念图等诸多教学策略；在建构主义层面，研究者们则主要是从顺应的视角来研究知识的构建，揭示学生的错误概念及其转变规律的过程(p85)，侧重于合作学习、环境建构方面教学策略的开发。科学概念转变的教学策略伴随着教学模式的开发而得以广泛地运用，近些年，研究者们在教学策略研究饱和的情况下开始将相应的教学策略运用于教学实践中进行实证研究。但是随着单一教学策略在研究中遭遇瓶颈，研究者们逐渐发现仅仅试图用单一教学策略来促使概念转变几乎没有效果，于是研究者们开始寻找新的锚点，“核心概念”便成为重要的焦点，人们认为只有当学生以核心概念为基础看待世界和发展知识框架时，概念的转变才会发生；另外，多种教学策略的有序组合也是研究者们逐渐尝试的方向。在基于科学概念转变的教学中选择具体的教学策略时，可能需要考虑四个因素：学生的先验观念和态度、预期学习结果的性质、学习者的认知水平或智力需求、可能的教学策略(p34-42)。科学概念转变教学策略并非孤立存在的研究主体，它往往依存于具体的教学模式才能促使概念转变的顺利发生；某些教学模式的产生也并非是基于认知条件的简单排列或教学条件发生的臆想，通常需要围绕着某种教学策略而展开，如基于论证的教学模式，其主要路径必然少不了论证教学策略的频繁使用。总体来看，对于科学概念转变教学策略的研究，经历了从单一到多样组合，从理论到实践转化的过程，认知主义和建构主义在并行不悖中互补共生，使概念转变教学策略进一步多元化，为综合性、新颖性的概念转变教学模式的产生提供了诸多依据和启示。
（二）科学概念转变教学策略的主要类型
在概念转变研究逐步走向教学实践的过程中，衍生了越来越多的教学策略以及相关专家所给出的分类方式。斯科特等人（Scott，et al）将这些教学策略分为两类：基于认知冲突的教学策略和在学习者原有概念基础上利用类比和比喻进行扩展的教学策略。我国学者胡卫平等人则将科学概念转变教学策略分为探测认知结构、引发认知冲突以及解决认知冲突三类教学策略(p97)。笔者综合这两种分类方式认为探测认知结构与基于认知冲突的教学策略均属于认知主义学习观的范畴，而在原有概念基础上进行扩展的教学策略中包含着建构主义的观点，据此笔者将概念转变的教学策略分为基于认知主义和基于建构主义两类。
1.基于认知主义的科学概念转变教学策略。在认知主义看来，任何学习者在学习之初都不应被视为空白名单，从空白开始学习，学生头脑中的前概念既可能成为学习的障碍，也可能促进学习。教师在促进学生概念转变的教学活动中，促使学生看待问题的思路和视角的改变都是加速其认知结构重组的过程。概念的转变是一种具体的学习过程，其中对于某一现象的认识重组会影响个体的本体论、认识论和情感等维度。据此，笔者将基于认知主义的概念转变教学策略划分为激发逻辑思辨的教学策略、激发主动认知的教学策略、激发动觉体验的教学策略以及促进概念顺应的教学策略。
激发逻辑思辨意指教师利用论证、演绎等策略激发学生的思考力，进入某一种思维的轨道之中，在教师的引领下，形成逻辑的回路。论证是对一个选定的主题提出观点，进而提供支持观点的论据证明观点的过程。论证是科学家工作的一个主要组成部分，在构建科学知识的话语中，科学家们通过频繁的概念变化与自己争论，通过出版、会议和非正式场合互相争论，以便以最小的偏见构建知识，在教学中引导学生学会论证也是促使人们像科学家一样思考的方法之一。沃斯尼亚杜（Vosniadou）指出教师可以提供一定可理解的社会文化环境，鼓励学生参与对话互动，进行全班讨论，整体的课堂对话之所以是有效的，是因为它一方面确保了学生了解需要深刻地修改他们的信仰，而不是进行局部调整；另一方面，他们花费了大量的时间，努力进行有意识和深思熟虑的信念修正(p119-130)。这种方式放大了“认知”动机，增强了深层次理解和有意义学习。除了论证能够激发学习者的逻辑思辨能力之外，演绎推理教学策略也能培养学生的逻辑思维能力。演绎推理是科学解释和预测中使用的基本逻辑形式，它不仅是引发学生认知冲突的一个重要因素，更是解决认知冲突的一种思维策略。如李（Lee）、帕克（Park）基于科学信息演绎思维的方法教授牛顿运动定律，他们要求学生通过观察物体上的力的变化来识别作用在给定物体上的力，通过比较实验组（64名11年级学生）和对照组（72 名11 年级学生）在应用演绎解释任务（Deductive Explanation Tasks，简称DETs）前后对学生概念理解的差异，证实了演绎推理有助于提高学生对概念的理解能力(p1391-1414)。演绎推理是一种心理的推理过程，在这种推理中，输入的基本真理命题（前提）在逻辑上保证输出命题（前提）的真实性结论，前提是推理过程中没有出错。
在促进学生概念转变的教学中，简单地覆盖更多材料并提供大量新想法而不激发学生的主动认知往往会适得其反，深刻的认知参与将会导致更大倾向的概念转变而非浅层次的认知参与。所以在促进科学概念转变的过程中，激发学生的主动认知才是最为关键的，如假设策略的使用，通过假设，学生尝试演绎和实验验证，看结论是否与假设相符合，如果符合假设成立，反之不成立，假设策略的结果往往会让学生产生认知冲突，以此来激发学生的主动认知。在科学学科中，假设策略必然要与实验结合在一起才能发挥其作用，实验不仅能够检验假设，还能够有助于发现事物运行的规律，建立科学的理论。另外，实验不仅能发现事物运动的规律，建立科学的理论，还能验证某些假说，纠正人们心目中的一些错误想法(p364-369)。德赖弗（Driver）开发了预测—观察—解释（POE）教学策略，这是假设策略的一种变式，即在教师展示概念冲突之前，学生对结果进行预测，继而学生解释它是如何发生的，并意识到预测和解释之间的差异，最后教师安排认知冲突来帮助学生挑战他们的先入之见。除了假设策略，探究策略和引导性问题策略也都是激发学生主动认知参与的重要方式。许多科学教育改革文件都倡导基于探究的概念转变教学，很多研究表明使用科学探究学习模型能够提高学生的科学认知能力。在探究活动中，学生们对自己的先入之见和自己的知识提出质疑，通过探究性实验，呈现日常生活中的新现象，引发学生的认知冲突，激发学生的学习兴趣，促进学生主动建构自己的概念体系，推动概念转变。但是探究的程序需要教师进行充分的设计，避免学生走向随意试错和盲目探索的误区；教师所提供的科学探究应该是基于概念的建立，应该是能够引导学生自行检验假设的。林恩·埃里克森（Lynn Erickson）和洛伊斯·兰宁（Lois Lanning）提倡在概念教学中应多设置引导性问题，包括事实性问题、概念性问题和激发性问题。在科学课程中，存在着很多事实和概念，由此构成的科学的框架、合理恰当的问题组合能够帮助学生进行深度思考，自行构建概念性理解。学生在教师所提供问题的引导下，为质疑和争端寻求解决方案，发现规律和联系，将具体案例与概念连接起来(p49)。最终，学生因为主动建构学习内容而获得了更好的学习效果，能够超越事实进行深度理解，引导性问题也能够激发并扩展学生的思考广度，形成他们自己独特的理解和认识。
在科学教育中，广泛存在着实践性内容，教师利用教学资源，创造丰富的实践体验，联系生活实际让学生感受真实与实际，将起到意想不到的学习效果，也必然会推动学生科学概念的转变。通过在物理教学中系统地使用熟悉的日常生活现象和动觉经验来影响学生的概念系统，可以有助于概念结构的形成，与传统教学相比，概念结构在不同的语境中更稳定，更符合形式物理(p56-72)。如利用角色扮演的动觉实践模型，学生扮演电路中的电子，使用阻力流来连接其他学生的推力，模拟电路中电压的影响(p309-311)。利用演示与动画的教学策略作为干预研究学生对物理中“力”的概念的理解情况，“一本书放在桌子上”和“一个人推着墙”让学生进行身体活动示范，“一架飞机以恒定速度移动”则用挂在绳子上的环被弹簧天平拉动来模拟，结果显示，学生的理解能力有了显著的提高，从而肯定了学生参与具体演示的积极作用(p1032-1042)。无论是身体参与的示范活动还是动手操作的实践活动，最终目的都是通过体验、讨论、记录自己的想法来形成自己的概念，以达到概念转变的效果，教师在这个过程中同样发挥着重要的作用(p1-16)：一是教师要能够设计出既能使学生达到比动觉活动本身更高抽象层次的体验，又能将这些体验与正式的物理知识联系起来的体验；二是教师要关注学生的解释，利用这些解释的要点对他们的观点进行概括并映射到正式的物理语言中，为学生提供指导性问题，验证他们的推理并及时向他们提供解释。
在引入新概念之后，教师往往要对一些无法直接观察到的概念或事物做出解释，类比策略、概念图策略、知识考古策略等都可以帮助学生形成完整的认识和理解，促进学生对新概念的顺应。如果说假设策略增加了思维的长度，使学生跟随教师的指引深入思考问题，那么类比策略则是增加了思维的广度，让学生扩展了对概念的想象范畴，增强了学生的学习兴趣，并使之处于相对舒适和安全的水平之中(p601-614)。类比教学过程由四个部分组成：a.使用目标问题明确学生对所考虑主题的误解；b.教师提出一个类似的锚定案例；c.教师要求学生在锚定与目标案例之间试图建立类比关系；d.如果学生不接受这个类比，那么老师会试图找一个桥接类比或一系列桥接类比(p554-565)。类比是科学教学的一个特别强大的工具，因为它允许比较和映射不同的知识领域：来源（学习者熟悉的领域）和目标（要教授的领域和为学习者所理解），从来源到目标的信息传输在他们之间创建了一个结构连接，从而支持新知识的构建(p37-51)。类比手法在启动概念转变过程中有工具性的作用，类比过程不仅应突出学生先验知识与专家模型之间不同的个别命题和特征，还应突出系统层面这些特征之间的相互关系(p47-61)。教师在应用类比策略时还应该注意语义上的相似性，类比对象在结构上的对应性以及它们在运用上的关联性。概念图是一种用节点、连线代表概念与概念之间关系的表示方法，概念图既能用来指示学习目标层级，还能够反映出学习者头脑中已有的概念结构，从而反映出学习者的前概念以及对新概念的理解，并可以作为评价学生概念转变与发展的依据。对知识进行寻根问底，把握其来龙去脉，也是概念形成的必由之路。教师通过讲故事的过程，也就是对知识进行考古的教学策略，将教学的着眼点从关注后端（知识结论）变为关注前端（知识结论的生成过程），用历史叙事来解构抽象的概念和理论。教师通过讲述故事发生的时间、人物、过程和结果让知识变得生动起来，学生有机会认识到科学概念和结构是如何被改变的，以及它们改变的理由，这不仅能让知识富有生命力，促进学生的理解能力，还能够启示学生将科学发现史中的方法延伸到自己的科学研究之中，便于迁移应用。
2.基于建构主义的科学概念转变教学策略。建构主义学习观认为学习应该是一个交流和合作的互动过程，每个学习者的发展水平和经验背景不同，对于相同的内容会形成不同的理解。很多建构主义学者也同样认为建构主义的学习环境在帮助学习者构建意义的过程中起着重要作用，他们认为应该提供复杂的学习环境和真实的任务(p204-206)。为此我们将基于建构主义的概念转变教学策略划分为侧重合作学习的教学策略和加强环境建构的教学策略两个方面。
社会建构主义认为，知识具备社会性，通过社会性的合作学习，可以加快对知识的有意义建构。合作学习是一种系统化、结构化的教学策略，并非单一使用的教学策略，其他教学策略如异质分组、小组讨论、小组互动围绕着合作学习的应用，能够提供给学生语言互动、表达观点的机会，激发学生的学习动机。在过去30 年中，人们对合作学习的研究兴趣迅速增长，众多研究已经表明合作学习能够促进科学概念的发展以及问题的解决。如奥克桑（Oksan）、塞夫吉（Sevgi）等人研究了四年级学生利用合作学习对地球和天空概念进行理解的影响(p84-96)，结果发现通过合作学习使用概念转变导向教学的学生比接受传统科学教学的学生获得了更好的概念理解。罗塞特(Roseth)、约翰逊(Johnson)等人在对148 项独立研究的综合分析中，比较了合作、竞争和个人目标结构的相对有效性，发现更高的成就和更积极的同伴关系与合作学习显著相关(p223-246)。也就是说学生通过合作学习，能够促进学习的动机与成就，在概念转变的教学中，将会更积极性地去学习和应用新的概念。研究发现，当学生以3—4 人为一组时要比以5—7人为一组的学习效果更好，成绩也更高。研究合作学习的两位重要的研究者约翰逊（D.W.Johnson，R.T.Johnson）提出了合作学习的五个要素：积极相互依赖、促进性的相互作用、个体和小组责任、人际和小组技能、小组过程。在概念转变的课堂上，教师通过为学生提供情境或任务以供学生合作学习，学生在相互促进的团体中会变得更加积极。由于每个人对概念的理解不同，所以更容易引发认知冲突；在对新概念的理解中，彼此间的多维理解也能起到相互促进和补充的作用，在此过程中不仅促进了概念转变，更促使同伴之间的互助与沟通交流能力增强。
科学概念转变理论需要提供描述认知过程中的内在表征和过程活动，概念通常嵌入在丰富的情境中，往往携带着社会和文化的意义，所以概念的转变不能仅依赖于课堂单调的环境，应该加强环境建构，促进概念与环境的意义联结，从而使概念转变的理解过程更加完整和平衡。研究表明，动画、视频的内在激励属性能够促进学生对学习的积极态度。随着现代信息技术的快速发展，学习者的学习环境也在不断地发生着变化，但无论是计算机辅助应用设备的加入，还是多样化实验设备的融入，抑或是教师对教学设计的大幅度改良，都是在为学习者创造一个更加舒适自在、情境逼真、便于实践体验的学习环境。网络辅助教学过程中，在提高学生的分析、综合和评估技能方面具有优势，计算机辅助概念转换文本或网络辅助概念转换文本（图片、视频、动画和模拟）可以有效地消除错误概念。视频技术为学生提供了丰富多样的教学情境，创造了灵活的信息表达和连接方式，学生在接触视频格式的信息后易产生更精确和准确的记忆，同时视频信息资源还为学生提供了可参与讨论和辩论的契机。大量的事实表明，这些复杂的教学干预措施改变了课堂的学习环境，使抽象的内容可视化，进一步促进了概念的理解。希腊学者利用计算机模拟速度和加速度的实例，促进了学生对这两个核心概念的认知进展。凯特·赖特（Kate Wright）利用交互式视频（Interactive Video Vignettes，Ivvs）的方式建构了学生主动参与学习的模式，促进学生生物概念转变。巴尔克西尔大学（Kessel University）的库苏泽尔（Küçüközer）研究了利用三维（3D）计算机建模支持预测—观察—解释（POE）策略对月球概念的理解的长期有效性，结果表明，大多数参与者在接受指导后表示“教学干预在促进概念转变方面非常有效”，而且大多数参与者保持了他们的科学概念理解(p482-494)。这表明有效而强大的学习环境确实能够促进学习者对于概念理解的持久性。学习者学习环境的改变意味着教师的教学程序和方式方法也要发生相应的改变，如果课堂转移到实验室，那么以实验为核心的教学就要转换以教师为中心的角色定位，学生的表达、参与应该成为课堂的主要活动，这时便需要教师设计一系列的程序来达成概念转变的最终目的。
三、对我国科学教育的启示
国外对于科学概念转变教学策略的研究是一个不断深化、螺旋上升的过程，科学概念转变教学实证研究正在走向教育的各个学科、学段以及不同类型的学生。然而我国在此方面的研究还停留在浅表层面，对前概念的来源及原因的探查仍未深入到认识论本质上，对科学概念转变在情感、社会等本体论层面的因素考查仍未彻底、全面，在方法论上仍缺乏量化与质化研究相结合的实证研究，对于国外研究工具的借鉴显得水土不服。因此，笔者通过回溯国外科学概念转变教学模式、教学策略的相关研究成果，结合我国目前概念转变教学的局限，拟为我国的科学教育提出几点想法。
（一）多维视角开发教学模式
概念转变来源于认知视角的研究，随后逐步发展的本体论、社会情感等多维解释框架为概念转变带来了新的方向。一方面是概念转变类型的提出，进一步充实、更新了原有认知框架的解释，齐（Chi）提出概念转变的三种类型即信念修订、心理模型转型与分类转变；另一方面是概念转变影响因素的提出，如目的、动机、期望、需求等情感因素，错误概念是对概念本体论进行了错误的分类等。在开发科学概念转变教学模式时，我们不仅应该考虑概念转变的认知框架，更要考虑学生的情感因素对概念转变的影响。譬如在探查学生前概念的过程中，获取学生的期望、需求则更能够掌握学生的情感基准，更有利于教师制定学习目标和教学计划；在利用相应教学策略促进学生概念转变的过程中，如能激发学生的学习动机，促使学生自主认知，将起到意想不到的效果。另外，及时确定在概念转变的过程中，学生对错误概念的误解类型也极为重要，如学生对错误概念的误解源于对概念分类不清，那么及时地通过概念本体论对其解析，再用其他教学策略增强效果，便能真正达到概念转变的根本目的。开发科学概念转变的教学模式，应拆解、重组、因地制宜、因材施教地制定教学流程和规范，以多维视角找准概念转变的锚点，才能真正达到概念转变的教学目的。
（二）合理利用多种教学策略
没有任何教育方法在所有情况下都能产生最好的效果，也没有任何教学模式都能保证学生成功转变概念。所以在基于概念转变的教学活动中，我们应该对多种教学策略进行编排，促使学生概念发生渐进的变化。也就是说，如果我们想在教育中更好地促进学生概念转变和理解，我们不应依赖于某种固定的教学模式，而应该在此基础之上设计更好的教学策略组合，开发与某一概念转变教学模式更契合的教学策略。如奥斯曼（Osman）、伊斯梅特（Ismet）对土耳其迪亚巴克尔（Ziya Gökalp）高中的52名十年级的学生在DNA、染色体方面的学习效果进行研究(p51-68)，研究中的教师利用多种教学策略组合的概念转变教学模式，其中的教学策略包括利用概念转换文本、类比教学以及动画视频策略，结果表明参与这个教学实验的学生遗传学概念方面的成绩明显高于对照组。利用多种教学策略可以通过多种感官刺激学习者，使其多方位体验，调动其学习的兴趣和动力，促使大脑活动迅速和深刻，引发深度认知。但是，还应规避过多教学策略杂糅使用所造成的学生认知负荷，课堂教学虽琳琅满目，却华而不实，未达实效的问题。
（三）为学生表达想法创设机会
概念转变中最关键的一环并非是新概念的完全替代，而是对学生头脑中概念的探析，在我国的教育教学中却往往忽略了这个步骤。教师们普遍认为课堂教学时间有限、学生数量众多，难以做到真正考查学生自身对概念的理解；在概念转变的教学过程中，倘若给予学生机会一一表达想法，解释对概念的理解，同样也是需要充裕的时间，并且并不能够保证其他学生的参与度。诚然这些因素限制了学生想法的表达，也使得教师无法在概念转变的课堂上全面地了解学生的认知结构，无法在设置认知冲突时做到有的放矢，无法高效地转变学生的前概念，但完成对学生前概念的探查以及课堂上对概念的理解未必都局限于课堂之中，教师可以设置表现性任务作业，如课前要求学生完成概念的二段式测验、制作概念图等，以了解学生的前概念；课后要求学生完成与所学概念相关的制作、模型设计、小论文等作业，以更详细地了解学生对概念的理解、思想指向。随着计算机辅助教学的大范围应用，未来基于大数据、人工智能的方式来探查、记录、分析学生的学习前概念也未尝不可。另外，教师尝试利用相应教学模式或策略完成概念转变教学之后，往往就会认为学生真的已经完成了概念转变，这是因为在科学概念转变教学中还缺少为学生表达想法创造机会的步骤。在课堂之上或者课后作业布置中，为学生提供更多表达想法的机会，便能够及时探知学生的认知概念是否与科学概念相符，学生是否真的发生了概念的真正转变，这不仅是对教学效果的检验，更是对教学过程的有效反馈。
（四）概念转变教学需加强迁移
学生的前概念是其长期生活经验或直觉而生成的产物，其中的错误概念往往根深蒂固难以转变。概念转变不是一时半会的事情，所以在概念转变的教学过程中新的概念可能不是一次教学就能建立起来的，而是需要通过一系列的教学活动才能够帮助学生巩固某一概念。当学生的概念得以初步转变时，它未必是稳固的，还可能会受到学习者自身顽固的前概念和短时认知冲击的影响，因此，概念转变的教学过程必然要重复某些教学程序或策略，以相似的情境刺激学生的大脑皮层，加强迁移应用，以引起记忆的复苏和链接。即便同时使用多种概念转变教学策略，也有可能只是让学生暂时用新概念替代了前概念，并非永久的置换。如德国的梅西格（Messig）、库斯（Groß）对高中植物营养的概念进行了实证研究，在获悉了学生的前概念之后，使其暴露于范·赫尔蒙特（van Helmont）实验中，以制造认知冲突，并采用定性内容分析法确定概念变化的迹象(p132-142)。结果表明，教材中范·赫尔蒙特的实验并没有引发概念上的改变，而是加强了学生的前概念。这样看来，概念转变的认知冲突范例也未必会成为学生概念转变的动力，这样便亟须促进概念顺应的教学策略，并提供给学生更多的机会利用新概念进行迁移应用。学生只有在新情境中不断地运用新概念解决问题，强化新概念在原有认知结构中的地位，促进与现实的意义联结，才能促使概念的真正转变。
四、结语
对于当前的教学而言，我们所面临的很多内容都是需要对学生进行概念转变教学的。在概念转变研究推动国外教育进步的同时，我们更应该积极加入概念转变教学实践，无论是为学生提供更多表达想法的机会还是加强对新概念的迁移应用，都是对概念转变的探索和尝试，以多维视角开发教学模式、嵌套使用多种教学策略便是对概念转变教学研究进阶的需求，更是未来我们应该面对和挑战的方向。
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10.14180/j.cnki.1004-0544.2021.03.017
[中图分类号]G40
[文献标识码]A
[文章编号]1004-0544（2021）03-0150-11
基金项目：国家社会科学基金教育学一般项目“中小学课堂教学实践样态40年变迁的教育族志学研究（1977—2017）”（BHA160082）。
作者简介：冯春艳（1987—），女，吉林长春人，东北师范大学教育学部博士生，东北师范大学生命科学学院兼职硕士生导师；陈旭远（1963—），男，黑龙江佳木斯人，东北师范大学教育学部教授、博士生导师。
责任编辑 杨 幸
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