变易理论在科学教育中的应用及启示

●张 霄

变易理论在科学教育中的应用及启示

●张 霄

变易理论是一项植根于现象图析学的教学理论，其涉及的主要内容包括：学习内容、重要特征与重要方面、意识结构、识别。本文以科学教育中“冷凝”概念教学为例，探讨变易理论在科学教育中的应用，并得出相应启示，科学教师的知识观应当以现象学的视角反思科学教育的价值，学生观应当突出学生在建构知识过程中不可或缺的地位，教学观应当以“科学的”方式完成科学知识教学。

变易理论；科学；科学教育

变易理论 （variation theory）植根于现象图析学（phenomenography）研究方式。20世纪90年代，随着“现象图析学之父”，瑞典哥德堡大学马飞龙（Marton）教授与香港大学教育学院研究团队的合作，现象图析学逐渐由一种中观层面的教育学研究方法论转型成为理论取向的，旨在改善教学实践的教学理论——变易理论。变易理论观点认为，学习意味着个体以不同的方式体验（experience）、理解（understand）、感知（perceive）、看待（see）事物。[1]它关注学生在学习过程中表现的差异性行为以及促使学习活动发生的必要条件，强调教师应当明确学生以何种方式对教学中的知识内容进行理解，并尝试通过合理的教学策略促进学生的理解方式更加成熟。变易理论引入我国以来引起了部分学者的关注，教育理论与实践工作者尝试将变易理论应用于语文[2]、生物[3]、体育[4]等具体学科教学，并得出相应启示。本文旨在探讨变易理论在科学教育中的应用，及其对科学教育的启示，以期为丰富我国科学教育领域的教学理论带来裨益。

一、变易理论的主要内容

变易理论继承了现象图析学研究方式对于知识的本体论假设，即认为知识是个体与外部世界交互式作用的产物，以及对于个体学习的认识论假设，即人们会通过具有质的差异的方式理解同一学习内容。[5]变易理论涉及的主要内容包括：学习内容、重要特征与重要方面、意识结构、识别。

（一）学习内容（object of learning）

变易理论将学习内容划分为具体方面（specific aspect）与一般方面（general aspect）、内部视域（internal horizons）与外部视域（external horizons）。其关注学习内容的动态本质，即在教学活动中，教师逐步深化对学习内容的理解，学生在逐步变易的学习内容中达成教师设定的学习目标。学习内容的具体方面与一般方面是变易理论关注的两项基本内容。前者指具体的学科知识，体现了学科知识在特定情境中的实际应用价值，它蕴含着人类努力探索世界的过程中积累的宝贵经验。后者指能够超越具体学科知识的一般能力品质，它能够在一定范围内进行迁移，有助于个体在陌生情景中做出明智的裁决。

变易理论将学习内容的结构体系分为外部视域和内部视域。外部视域即在完整的知识体系内对知识内容的价值进行评估。变易理论观点认为，学习内容是相互关联、逐步递进的整体，内容与内容之间的关联与外延即学习内容的外部视域。学习内容的内部视域与学习内容的本质密切相关，其包括意义与结构两方面内容。结构即学习内容部分与部分之间，部分与整体之间的关系。在教学过程中，教师需要通过比较考察学习内容的内部视域，进而识别学习内容的重要特征与重要方面。意义源于学习内容之间形成的知识体系，孤立的学习内容对于学习者达成具体方面或一般方面的价值诉求没有任何意义。例如，孤立的数字“2”对于学生而言没有意义，而当数字“2”置于完整的数字体系中时，它能够与其他数字进行比较、运算，数字的意义随即产生。而当数字“2”置于二进制编码系统中时，它的意义随即发生变化。[6]

（二）重要特征（critical features）与重要方面（critical aspects）

重要特征与重要方面是变易理论中的重要概念，两者具有相似之处但又不尽相同。重要方面指变易维度（dimensions of variation），而重要特征指变易维度的具体价值。例如，当学生走进植物园，对一株植物进行描述时，学生们可能会识别“绿色的叶子”、“红色的花朵”、“芳香的气味”。其中“红色”、“绿色”、“叶子”、“花”、“芳香”即属于重要特征。而与之相对应的“颜色”、“（植物的）器官”、“气味”概念是重要方面。个体只能够在明确颜色、气味等重要方面的前提下，才有可能识别具体的红、绿、叶子、花等重要特征。因此，个体如果能够识别某项知识的重要特征，则必然能够识别相应的重要方面。

识别学习内容中的重要方面与重要特征对于教师而言具有两方面意义。其一是有助于深化教师对于学习内容的理解。变易理论强调个体在学习过程中仅能够关注学习内容的有限方面，并且由于意识结构的差异不同个体对相同内容的关注点有所不同。教师如果希望学生使用与教师（或教材）相同的方式理解学习内容，则首先需要帮助学生识别相同的学习内容的重要特征与重要方面。其二是有助于教师应对学生的个体差异。变易理论观点将学习的结果视为个体使用更加全面、更加系统的方式（有时甚至是全新的方式）理解学习内容。[7]当学生未能按照教师的预期完成学习时，多数情况是学生们忽略了（或根本没有机会）识别学习内容的重要特征，以至无法获得针对性训练。

需要进一步思考的问题是，教师如何确保识别的学习内容的重要特征与重要方面能够获得学生的主体间性认同。一方面教师应当自觉地参考已有文献并主动地与相关学科教师合作交流。教师首先要在“同行”之间获得主体间性认同，“同行”主要包括两种类型。[8]一种是同一所学校中的教授相同学科的教师，他们能够通过研讨会、工作坊等形式对重要特征与重要方面进行讨论。另一种是通过阅读相关文献，教师与作者进行跨时空的思想交流。另一方面教师应当通过经验性研究，如课前访谈，课堂观察，课后访谈或课后测试等，调查学生对于知识内容的理解方式。分析学生整体的思维习惯及其与学习目标之间的差距，并以此为据识别学习目标的重要特征与重要方面。

（三）意识结构（structure of awareness）

意识结构即个体的意识在某些特定条件下形成的结构体系，它决定着个体理解现实的具体方式。在经验具体事物时，个体之间存在的质的差异的理解方式，究其本质即意识结构之间的差异。当个体置身于某一特定情境时，会受到已有经验体系的影响，格外关注情景中的某些能够与现有意识结构相互作用的内容。因此个体通常仅能够关注其有限的若干方面，其他方面或被忽略，或被置于意识结构的边缘。变易理论关注个体的意识结构与其知识的本体论假设有关。变易理论的知识本体论假设与后现代知识观高度契合，即反对知识的绝对“客观性”、“中立性”、“普遍性”，将知识的特征定位于“文化性”、“境域性”、“价值性”。知识观的转型放弃了人们在认识世界的过程中存在统一的意识结构的基本假设。强调知识的产生与文化体系中的价值观念、生活方式、语言符号乃至人生信仰等特定的（个体或群体）意识结构密不可分。[9]

变易理论观点认为学生解决实际问题能力的提升，即意识结构的完善与丰富。[10]例如高中化学教师提问学生“请你预测Li2CO3（一种学生不熟悉的化学物质）可能具有哪些化学性质”，学生们基于自身意识结构予以回答。当进一步追问，“你是如何得出这些结论的”，教师获得三种质的差异的理解方式，“凭感觉猜测得出”、“通过类比Na2CO3（学生熟悉的化学物质）的化学性质得出”、“通过元素周期表和元素周期律推导得出”。在上述案例中，学生们的第三类理解方式显然对于未来的学习更加有效，它是教师希望学生在此类知识内容上形成的意识结构。教师的任务是在学生的意识结构和学习目标之间建构“相关结构”（relevance structure），通过合理的教学策略使学生先前的意识结构发生变易，最终达成教师预先设定的教学目标。

（四）识别（discernment）

在变易理论中，识别即学习者对具体学习内容的重要方面和变易维度（dimension of variation）的认知。[11]变易维度是指将学习内容的重要特征与重要方面进行系统化、结构化的组织后，形成的关于学习内容的结构化模型。学习是一种识别的功能，识别是一种变易的功能。[12]个体对于任何物体的识别，通常基于物体之间差异的比较。在教学过程中，系统的变易某些特定方面，保持某些特定方面不变，能够帮助学生识别“某物”（something）的全新一面，获得新的意义。例如，想教会儿童识别红色，教师可以为儿童展示不同颜色的塑料小球，“红色”作为重要特征保持不变，变易重要方面的其他内容，即除红色以外的其他颜色。“球”作为颜色的载体不属于学习内容的重要特征，需要保持不变。通过变易内容与重要特征的不断比较，儿童能够在颜色体系中识别“红色”的概念。

上述对于学习内容的重要方面与重要特征的识别过程类似于科学实验中对于自变量、因变量与无关变量的确定。较之科学实验更为复杂的是，变易理论中的识别不仅强调个体对于变易内容与非变易内容的识别能力，更加强调个体主动进行识别的理论自觉以及个体间（教师与教师、教师与学生、学生与学生）通过识别获得的对于重要特征和重要特征的主体间性认同。变易理论涉及的主要内容及其关系如图1所示。

图1 变易理论主要内容

二、变易理论在科学教育中的应用——以“冷凝”概念教学为例

变易理论强调的识别学习内容的重要特征和重要方面，在很大程度上类似于科学实验中对于自变量、因变量和无关变量的确定。特别是在科学教育中，变易理论能够指导教师将庞杂的学习内容，解构成为基本的教学单元。通过单元之间的变易与比较，突出学习内容的重要特征与重要方面，进而对学生的理解方式做出针对性指导。因此变易理论可以被视为“教学艺术的科学基础”。本文以科学教育中的“冷凝”概念教学为例，讨论变易理论在科学教育中的应用。[13]

案例：变易理论视域下“冷凝”概念的教学

冷凝即水蒸气遇冷凝结为小水珠的过程，是一种极为常见的物理现象。然而，在传统教学中，科学教师在讲授这一概念时，通常将冷凝现象直接指向温度，忽略了对其他可能影响因素的识别与检验，使得学生的学习困难重重。传统教学方式如表1所示。

表1 冷凝与温度的关系

通过调查学生以及课堂观察教师发现，部分学生认为可乐罐表面形成小水珠的原因不一定与温度有关，有可能与可乐罐中是否有液体或可乐罐表面是否接触空气有关。通过教师与学生的互动，教师识别出冷凝概念的重要特征：温度、液体和空气。在变易理论的指导下，教师重新设计教学，通过对学习内容进行变易和比较，让学生能够自觉地识别泠凝概念的重要特征。基于调查的教学方式如表2，3所示。

表2 冷凝与液体的关系

表3 冷凝与空气的关系

上述过程虽然在理论层面满足了学生对于重要特征的识别，但仍然存在一个问题亟待解决。教师从教的学校中缺乏真空泵等设备，无法创造无空气的环境，供学生识别空气对于冷凝现象的影响。因此，对于“空气”这一重要特征，教师需要进行实验改进对其进行检验。教师通过面巾纸、塑料薄膜等材料，设计可用于实际教学情境的实验，检验上述影响因素。实际教学方式如表4所示。

表4 冷凝与温度、空气、液体的关系

上述过程可以归纳为，教师通过与学生的交流互动识别冷凝实验的重要特征。通过学习内容的变易与比较，使学生对其加以自觉地识别。最终使学生理解温度和空气能够影响小水珠的形成，而可乐罐中有无液体对其没有影响。即小水珠形成的原因是空气中的水蒸气遇到冷的可乐罐。由于可乐罐和液体不属于重要特征，因此可以替换为其他情景，例如冬天玻璃上的雾气等。

上述案例充分体现了变易理论对于科学教育的指导意义。首先，变易理论将科学知识视为内在理性与外部世界交互式作用的产物。换言之，知识是一定时空范围内，达成主体间性共识的观念体系。科学教育旨在转变或修正学生对于外部世界的理解方式，使之与当下主流的科学观念相契合。因此，科学教师在完成教学前的首要任务即了解学生们当下理解外部世界的方式。变易理论确定学习内容重要特征的过程，类似于确定教学重难点。但与传统的重难点确立不同的是，由于变易理论源于经验性研究方法论——现象图析学，因此其强调通过经验性调查的方式，如访谈、问卷等，对学生的前概念以及理解学习内容的方式进行描述与分类。进而分析学生所处的状态与教学目标之间的差距，针对性的确定教学内容，设计教学流程。例如在上述案例中，传统教学中教师通常将学习内容的重要特征限定于温度对冷凝现象的影响，教师所有的教学设计如实验、理论分析等，均旨在说明冷凝现象的实质即温度的变化。然而，学生们基于自身的理解方式，提出可乐罐内的液体以及接触空气可能是引起冷凝现象的重要特征。通过调查获得学生们对学习内容的理解后，教师能够更加具有针对性的设计教学，通过变易与比较，突出学习内容的重要方面与重要特征。以连续的实验自然地解答学生们的疑惑。

其次，比较与变易是变易理论突出学习内容重要特征的两项基本方法。比较旨在确定学习内容的变易维度。即基于学习内容之间的相互比较，将其按照一定的逻辑顺序进行归类，学习内容的重要特征隶属于其中的一种特殊类型。变易即通过改变学习内容中的一些方面，同时将学部分内容保持不变，识别变易维度整体的变化。最终通过比较突出学习内容的重要特征。变易理论的变易与比较过程类似于科学实验中确定自变量、因变量以及无关变量，即在对无关变量进行控制的前提下，通过改变自变量，探讨自变量与因变量之间的关系。实际上，变易理论的“实验特征”与其对于科学知识的本体论假设密切相关。“与生产实践一样，科学实验也是人类基本的社会实践形式……科学实验是直接的、现实的主体和客体相互作用的活动，即在主体积极支配下的对象——工具活动。”[14]科学实验强调的主体与客体的交互式作用与变易理论对于知识的本体论假设如出一辙。同时科学实验强调主体的积极支配作用，变易理论旨在通过比较与变易的方式对个体理解学习内容的方式进行转变，因此需要个体的积极参与，在理性思考的前提下自觉地转变自身观念体系。

最后，科学教育的特殊之处在于，教师需要在实际条件（通常指外部条件）的限制下对学习内容的教学进行选择与改进。因此，在确定科学教育学习内容的过程中，需要从理论与实践两个维度考察学习内容的恰适性。在上述案例中，教师需要检验小水珠的形成原因是否与可乐罐外部与空气接触有关。然而实际的实验条件无法通过直接操作，如创造真空环境等方式，对其进行比较与变易。此时，科学教师需要基于实际情况，对突出重要特征的方式进行改进，即选择便于实施的方法比较学习内容的重要特征。需要指出的是，教学方式的改进需要建立在教师识别学习内容的重要特征以及明确需要变易和非变易内容的基础之上，从实践角度对比较和变易的内容进行再思考，使之能够在现实条件下顺利实现。因此，变易理论旨在指导教师明确学习内容的重要特征，基于学生的具体理解方式对教学策略进行不断改进，而非单纯的使用特近生活的、有趣的，甚至是猎奇的方式完成教学。

三、变易理论对我国科学教育的启示

（一）知识观：以现象学的视角反思科学教育的价值

变易理论关于知识的本体论假设与后现代知识观如出一辙，即将知识的客观性、中立性、权威性，转型为文化性、情景性、建构性。后现代知识观将先前科学知识的稳固基础 （如中立的观察与纯粹的理性）软化，削弱了其权威地位。因此，科学教师应当重新思考科学教育的终极价值诉求。现象学观点认为“自然的存在科学不是最终的存在科学。需要有一门绝对意义上的关于存在之物的科学……其基础是在一般的认识批判中所获得的关于认识的本质和认识对象，及其各种基本形式的本质的明察，这种基本形式是指认识和认识对象之间各种基本的相互关系。”[15]现象学的产生与发展在一定程度上消弭了近代科学失去其权威性地位引起的精神恐慌。一方面，科学教师应当接受科学知识并非绝然真理，学生并非以“虔诚的”态度全然接受科学知识中的“金科玉律”。科学教师的任务在于引导学生以独立个体的态度完成与知识建构者之间超越时空的思想“对话”。另一方面，科学教师应当对科学知识的“实用价值”进行反思。诚然，知识能够在很大程度上改善人类的生存环境，但实用价值不应当成为科学知识是否成立的唯一考量标准。教师可以从现象学的视角反思科学知识纯粹的意义与价值，而非单纯突出其在特定情境中的具体功用价值。

（二）学生观：突出学生在建构知识过程中不可或缺的地位

变易理论强调教师在确定学习内容的过程中，需要与学生获得主体间性认同。教师需要通过经验性研究，获得学生们对于学习内容的理解方式，进而以此为据确定学习内容与教学策略。变易理论的这一特征表明，学生在科学知识的建构过程中有着不可或缺的地位。一方面，后现代知识观将科学知识视为人类建构而成的用于描述、解释、预测自然现象的研究范式，它是人类通过内部意识和外部世界的交互式作用建构而成的观念体系。因此，在知识建构的过程中，学生应当被视为具有独立思考能力的个体。教师的任务即引导学生最大程度的体验知识建构的必然（至少是带有明显倾向性的）历程，为学生创造与知识建构者之间有可能产生“共鸣”的一切机会。另一方面，变易理论观点认为学习是个体理解方式的转变与完善，即完成学习后的个体能够以更加系统、更加准确的方式理解具体现实。因此，在实施教学以前，教师首先应当明确把握学生目前习惯使用的理解方式与意识结构，进而分析学生与教学目标之间的差距。教师需要以此为据为学生准备恰适的学习内容，通过学习内容之间的比较与变易，突出学习内容的重要特征与重要方面，进而引导学生以教师希望的理解方式进行学习，培养学生形成更加完善的意识结构。

（三）教学观：以“科学的”方式完成科学知识教学

如上所述，变易理论突出学习内容的重要特征的基本方式是比较与变易，即通过比较变易前后的差异，辅助学生识别学习内容的重要方面与重要特征，进而完成学习。实际上，变易理论强调的比较与变易在很大程度上与控制变量、差异比较、系统分析等科学方法的基本理念相契合。诚然，变易理论是能够指导各类学科教学实践的教学理论，甚至包括舞蹈、戏剧等。但相较而言，变易理论的方法论假设与科学，特别是自然科学的方法论假设极度类似。因此，变易理论对于科学教育的指导更为直接，它能够指导教师以“属于科学的方式”完成科学知识的教学。一方面，通过学习内容的重要特征与重要方面的变易与比较，学生能够理解、学习相应的科学知识内容，即变易理论所谓的学习内容的具体方面。另一方面，通过变易与比较的方式进行学习，学生能够直接体验科学方法在科学知识学习过程中的功能与价值，有助于在科学知识的教学过程中潜移默化地培养学生的科学精神，即变易理论所谓的学习内容的一般方面。由此可见，变易理论能够指导科学教师以“科学的”方式完成科学知识教学。

[1][11]Runesson U.What is it possible to learn？On variation as a necessary condition for learning[J].Scandinavian journal of educational research，2006，50（4）：397-410.

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[3]杨波.基于变易理论的“有丝分裂”教学设计[J].生物学通报，2014，49（2）：27-29.

[4]张磊.基于变易理论的体育教学内容分析及其设计策略[J].北京体育大学学报，2015，（6）：95-101.

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[6][7][8][13]Ling Lo M.Variation theory and the improvement of teaching and learning[M].Göteborg：Acta Universitatis Gothoburgensis，2012.

[9]石中英.教育哲学[M].北京：北京师范大学出版社，2007：127.

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[14]刘大椿.科学哲学[M].北京：中国人民大学出版社，2011：111.

[15]胡塞尔.现象学的观念[M].倪梁康，译.北京：商务印书馆，2011：23.

（责任编辑：金传宝）

张 霄/首都师范大学教育学院在读博士，研究方向为科学教育