前科学概念诊断技术研究概述

李明玉 李红菊 刘恩山

(1 首都师范大学教师教育学院 北京 100048； 2 北京市第八中学 北京 100032； 3 北京师范大学生命科学学院 北京 100875)

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》将学科核心素养作为课程宗旨，并将其具化为生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。生命观念是生物学大概念，是生物学中的精华，标准要求教师要帮助学生深刻地认识生物学大概念，形成科学立场，增强担当社会责任的意识与能力，实现自身终身发展[1]。而大量研究表明： 学生在建立正确的科学概念以前，往往已持有了关于科学现象的诸多想法。这些想法中有与科学概念相悖的“错误概念”，也有与科学概念相近但不完整的“相异概念”，学界一般将这些统称为“前科学概念”，简称“前概念”。前概念(preconceptions)因自发性、广泛性、顽固性、隐蔽性、形成长期性、缺乏概括性等负向特点，极其不利于科学概念建构，因而学界对前概念的研究一直非常关注[2]。同时，研究表明： 教师也不同程度持有对科学概念的错误理解[3]，且研究发现师生前概念之间存在相似性错误趋势[4]。这导致教师非但不易发现学生的前概念，更无法对自身的科学概念水平进行元认知，这对概念教学的有效开展形成了严重阻碍。而如何来揭示学习者的前概念，使其显性化、具体化、确切化，成为概念教学首要突破的关键一环。鉴于此，拟探讨三个问题： 前概念诊断的技术方法主要有哪些？这些技术在生物学概念教学中的应用特点如何？通过对诊断方法技术的梳理，将为生物学概念教学的顺利实施提供哪些支持与启示。

1 前概念诊断技术(diagnosis technology)及特点

诊断学生前概念的方法有许多，包括： 提问法、访谈法、画图法、概念图、出声思考[5]、试题或作业分析、二阶层测验和确定性指数法等。以下进行主要方法概述分析及经典测验法侧重介绍。

1.1 画图法 Sacit Köse[6]利用该方法研究了师范专业的大三学生关于植物光合作用及呼吸作用的前概念，诊断分为两个步骤： ①首先教师告诉学生作图的目的、如何以作图形式表现对概念的理解并作出示范，然后学生进行练习并相互交流，与相对的“标准图”进行对比，目的是熟悉画图这种形式；②学生在白纸上独立完成“植物光合作用及呼吸作用”图画。研究者对这些图画进行分析及分类，概括出学生存在哪些错误概念。

再如，2016年Desty Nurbaety等利用画图法，对32名八年级学生有关植物结构和光合作用的错误概念进行探查，并将所得图画数据按Köse提出的图画五水平进行归类分析。结果显示，学生在第四级(局部图)水平上呈现出较多错误概念，表现出对植物结构与光合作用概念的片面理解。

该方法简单易行，对初中课堂较适用，能让学生自主地深入表达自己对某一概念的认识；缺点是学生未必能利用图画充分表达对概念的理解，即不能有效地将已经掌握的概念表达于图中，造成研究者分析误差。

1.2 概念图法 在此，仅讨论如何利用概念图进行前概念的诊断。首先，教师要教会学生如何绘制概念图(目前除能利用纸笔外，还有相应的网络软件辅助)。然后，教师可对学生所做概念图进行分析，找出其中包含的与科学概念不符合的地方，即为前概念。例如，2003年Chenyung Lin和Reping Hu用概念图方法诊断了七年级学生在“物质循环和能量流动”方面存在的前概念。结果发现： 绝大多数学生不能抓住物质循环和能量流动的联系，无机界与有机界的联系是学生掌握最薄弱的环节。

基于概念图的前概念诊断方法，拥有其他诊断方法不能企及的优点，如能更有效地利用教学时间，因为诊断过程同时是学生归纳、学习的过程。另外，它也可作为教师的形成性评价工具，用以指导后续教学。

1.3 诊断性测试 诊断性测试一般包括两种： 一是开放性题目测试；二是选择题测试。对于开放性测试，通常由教师给出一定问答题，学生根据自己的理解作答。其优点是： 给予了更多的时间让学生写下对某个概念的理解，因此能深入诊断学生的前概念；不足有两点： 一是分析和解释数据比较困难；二是耗时多，实际教学中较难操作。正是基于开放性题目测试(或者访谈法)的不足，研究或者实际教学中更多利用选择题测试来诊断学生的前概念。

选择题测试具有以下优点： ①客观性，可以快速评分；②操作简单；③对于学生数量较多的情况更为适用；④比其他诊断方法更受学生欢迎。

该诊断方法的缺点也很明显，表现在以下方面： ①它的有效性值得怀疑，即学生选择的正确答案有可能基于错误的理由或者纯粹记忆；②由于它有固定的答案，限制了被试者的独立发挥，不能全面反映被试者的想法；③不能联系实际生活及无法诊断各概念之间的关系结构；④有鼓励学生猜答案的嫌疑；⑤编制一份优秀的选择测试题非常困难。

以上分析可以看出，尽管选择题测试有许多优点，缺点仍较多。正是对该测试的进一步完善，形成了目前使用较广、对前概念诊断也更可靠的方法： 运用确定性指数法和二阶层测验法，这两种方法是诊断性测试的补充和发展。

1.3.1 运用确定性指数区分“知识的缺乏”和“前概念” 针对“学生选择正确答案只是猜测”这一点，Saleem Hasany等人在研究中引入了“确定性指数”(certainty of response index，简称CRI)[7]。确定性指数常在社会科学研究中使用，尤其在社会调查中，一般要求被试回答针对使用某一知识、概念或准则得到正确答案的信心程度。确定性指数有一定的等级标准，常用的是6级(0～5级)标准。学生对某一题(多项选择题)做出选择后，再对自己的选择进行确定性评价，即给出CRI值。0表示完全猜测，1表示几乎猜测，2表示不肯定，3表示肯定，4表示几乎肯定，5表示完全肯定。

CRI值的高低，代表学生答题的确定程度，以平均值2.5作为分界线。若一个学生某一题的确定性指数低于2.5，则不论回答正确与否，都表明学生缺乏知识，可能是基于“猜测”作答；当确定性指数高于2.5，如果回答正确代表学生确实具有正确概念，如果回答错误那就是具有迷思概念。

1.3.2 二阶层测验 针对以往仅包含客观选择题的诊断性测试“学生选择的正确答案有可能基于错误的理由或者纯粹记忆”这一点，Treagust于20世纪80年代发展了二阶层测验法(Two-tier Diagnostic Test)[8]。其特点是试题分为两层，第一层为是非题或选择题，一般由题干和2～4个选项组成；第二层为根据第一部分答案拟出的若干理由，一般由4～5个选项组成，在第二层客观理由后面添加空白项，以便学生写下其他认为正确的理由，这克服了传统选择题不利于发表个人想法的缺点。学生必须同时答对第一、二部分的选项，才能视为正确答题。二阶层测验能帮助教师确定学生在多大程度上有前概念，并暴露学生隐藏概念的机制，具有实际的课堂应用价值。

Treagust设计二阶层测验包括三个步骤： ①确定特定的内容范围(可参考课程标准、求助于教师或专家)；②利用其他方法初步确定学生的迷思概念，如查阅相关文献、访谈学生、开放性纸笔测验和概念图方法；③编制二阶层测验题。第一层为评价学生的具体知识，第二层为包含迷思概念的几种理由。在预测试后进行修改，最终确定二阶层测试题目。

二阶层测验在客观诊断学生的前概念方面较以往的诊断方法有了较大发展，但仍有局限性，表现在三个方面： ①与访谈法和开放性问题法相比，可能提示学生选择正确答案；②Griffard和Wandersee[9]在研究学生关于光合作用的前概念时发现，同时进行二阶层测验和“出声思考”，后者会使学生暴露出更多的错误。但作者也提到，不清楚这种差异来自于不必要的语言诱使还是学生头脑中确实存在这些前概念。③二阶层测验将过高估计学生前概念的比例。

针对纸笔性的“二阶层测验”在“理由”的选项上可能提示学生选择正确答案这点，有学者提出可以基于网络进行该测试： 屏幕上开始只出现“第一阶”题目，只有当学生最后选定答案时，才出现“第二阶”理由。这样能防止学生从“第二阶”理由中获得答题线索。

为了弥补二阶层测验不能区分“第一部分的错误答案是由于错误概念还是由于缺乏知识”这一不足，研究者提出了两种改进策略： 一是在“知识”和“理由”层分别都添加“不知道”这一选项，以排除学生由于缺乏知识造成的误选；二是开发了“三阶层测验”。它实质是将二阶层测验与确定性指数法结合，在“二阶层”基础上增加了第三阶层，即询问学生对答案的信心度。

1.3.3 三阶层测验 三阶层测验(Three-tier Diagnostic Test)由Ery1lmaz和Sürmeli发展而来，该研究对九年级学生关于“热和温度”的前概念进行了诊断[10]。结果表明，所有的前概念都是错误的，但不是所有的错误选择都属于前概念，一些错误选择可能源于缺乏知识导致的。在三阶层测验中，只有当学生以相符的理由解释了其错误选择并且较有信心时(信心度大于3)，才能被认定为前错误概念。仅看第一阶层的客观选择题，46%的选项表现为前概念；同时关注第一、二阶层，27%的选项为前概念(与仅关注客观选择题相比，19%的选项是由于失误或者偶然给出的错误答案，并不属于前概念)；当同时考虑三个阶层时，18%的选项被认定为前概念(与二阶层测验相比，9%的选项是由于缺乏知识给出了错误答案，也不属于前概念)。

三阶层测验有一项潜在假设，即学生对题目答案及理由的信心度是相同的。Griffard和Wandersee研究表明，虽然二阶测验中题目答案与理由密切相关，学生仍可能或多或少认为第一、二阶层是独立的选择题，因此对两题的信心度可能有差异。

1.3.4 四阶层测验 考虑到三阶层测验基于学生对题目答案及理由的信心度假设，Imelda和Subramaniam在研究中利用了四阶层测验(four-tier multiple-choice test)[11]。四阶层测验是基于二阶层测验改进的，即在每一个问题和理由后，分别询问学生对所选答案或理由正确性的信心度(仍采用6个等级)，由此组成了四阶层测验。

四阶层测验是如何判断学生的前概念的呢？当学生选择的错误答案与对应理由高于随机选择概率的10%时，表明发生了显著性前概念(significant ACs)。例如，如果某题目内容有3个选项，理由有4个选项，则以题目阶层、理由阶层、题目—理由阶层代表的显著性前概念至少分别有43.3%、 35%、 18.3%的学生选择。如果显著性前概念的平均信心度大于3.5，则为真正的前概念(genuine ACs)，它是由于缺乏对概念的理解或以错误的理由应用概念，如果显著性前概念的平均信心度小于3.5，则为假象的前概念(spurious ACs)，它是由于学生缺乏知识、猜测造成的。对于真正的前概念，若平均信心度在3.5在4.0之间，为中度前概念(Moderate ACs)，教师应用相应的概念转变策略可较易纠正；若平均信心度大于4.0，为顽固前概念(strong ACs)。

四阶层测验看似由二阶层测验一步步发展而来，理应最完善最有效，但其缺陷也不容忽视： 一是耗时多；二是受诊断题目的限制，成就性测试的作用小；三是出于社会需要，学生可能在信心度水平上作假。因此，实践中二阶层测验比四阶层测验应用更广泛。

虽然目前有很多种方法用于诊断学生的前概念，但使用最广泛的两种方法为二阶层测验和确定性指数法，因为它们的可操作性强。另外，在实际“前概念诊断”研究中，一般多种方法同时使用，比如二阶层测验的编制过程中，很重要的步骤便是利用其他方法初步探明学生可能的前概念。

2 前概念诊断技术的开发与利用

2.1 关于针对性使用前概念诊断技术 国际前概念研究已进行了近40年，自2011年义务教育课程标准颁布以来，国内对该领域也越发关注，国内外大量的前概念诊断研究成果不断涌现，但前概念的诊断方式方法多样且各有利弊，需要结合学习内容和学生学段等实际学情，针对性设计与运用，以更加有效、准确地诊断学生前概念，遗憾的是这方面研究尚鲜见报道，有待学界后续予以更多的投入与关注，更有待教师自身、教师教育机构更多的实践探索与尝试。

2.2 关于研发教师前概念诊断技术 已有的大量研究专注于学生前概念的诊断和概念转变策略的开发。却少有研究关注教师的前概念，其中一个原因也许是人们往往都持有一个潜在的假设，那就是教师已经拥有了足够多的科学内容知识，这些知识使得他们足够胜任他们的教学工作[12]。然而对教师前概念诊断的研究结果显示教师和学生持有很多类似的前概念[3，4]。这在某种程度上提示着学生前概念的重要来源之一很可能就是他们的教师。因此教师教育中，需对教师前概念予以充分诊断关注，帮助教师提升科学概念学习水平。