心理发生视域下学习进阶机制的研究*①

高 嵩

( 山东师范大学 物理与电子科学学院，山东 济南，250014 )

一、学习进阶的界定

随着国际竞争的日益激烈，各国都在关注如何培养人才、怎样更好地促进公民核心素养发展等方面的问题。但是，如果教学中仅肤浅地关注知识点的学习，则很难形成有机的知识体系，并且非结构化的知识往往会在其他信息的影响下转变成错误的形式②，所以，我国2017年颁布的高中各学科课程标准都强调了观念的养成。由此，我们的教学应将视野置于整个基础教育阶段，甚至是整个学科体系的发展，以形成前后一贯的学习进程。而要做到这一点，需要对学习进阶的状况进行研究，帮助一线教师更好地理解学生的学习水平，从而使得他们在教学中能更有针对性地选择教学策略，更恰当地为学生提供帮助，促进学生对知识的深入理解，形成结构良好、便于迁移的知识体系③④。

如何描述学生的学习进阶现已成为人们关注的焦点。在实际的研究中，人们的观点主要分为两种：一种观点是预成的，或者说是“自上而下”的，持这种观点的人认为学习进阶是“概念的发展序列”或“概念的发展路径”⑤，因此，学习进阶与学科知识的逻辑发展是一致的，这样进阶的框架可以从学科体系出发，根据学科的知识体系梳理出来；另一种则是基于教育现实的，或者说是“自下而上”的，认为进阶是对学习者在不同学习阶段的表现的反映。持这种观点的学者，如Schwarz认为学习进阶的表现在于学习过程中对于模型的建构和发展(1)Christina V.Schwarz， Brian J.Reiser，Elizabeth A. Davis et al., “Developing a learning pro gression for scientific modeling：Making scientific modeling accessible and meaningful for learners”，Journal of Research in Science Teaching，Vol.46,No.6,2009.，Linn认为学习进阶的表现在于知识间关联特征的变化(2)Linn, M,The knowledge integration perspective on learning and instruct in R. K. Sawyer ed.，The Cambridge handbook of the learning sciences,New York:Cambridge University Press,2006,243-264.，以及Wilson、Liu等人对学习进阶的假设和验证。(3)Wilson M, Scalise K, “Assessment to Improve Learning in Higher Education: The BEAR Assessment System”,Higher Education, Vol.52,No.4,2006.(4)Xiufeng Liu, Anne McKeough., “Developmental growth in students’ concept of energy: Analysis of selected items from the TIMSS database”，Journal of Research in Science Teaching, Vol.42,No.5,2005.然而无论是哪一种，都存在着这样的两个问题：首先，是对学习进阶界定简单化的问题。前者是在课程领域谈学习进阶，而后者则是在评价领域谈学习进阶，虽然有文献将二者结合起来(5)王磊、黄鸣春：《科学教育的新兴硏究领域：学习进阶研究》，《课程·教材·教法》2014年第1期。，但是相互的联系并没有梳理清楚；其次，对学习进阶的发生机制缺乏合理的解释。这样，人们关于进阶的解释就缺乏深层次的理论支撑和恰当的解释模型，也将造成研究结论具有较大的随意性和局限性，在其他研究中难以印证和借鉴，尤其关于进阶的研究难以被运用于教学中。(6)姚建欣、郭玉英：《学习进阶：素养的凝练与范式的演变》，《教育科学》2018年第4期。

对学习进阶的认识既不能脱离学科概念体系，又不能超越学生实际。本文把学习进阶定义为：在一定的目标预设之下，学生通过经历一定的学习过程而发展起来的围绕某一科学主题核心观念的概念序列。因此，对学习进阶的描述，应该包括三个方面：首先，是目标预设，这取决于各地区、各学校对课程的规划和安排；其次，是学生在具体某学段的知识水平的表现；第三，则是学习进阶机制的解释，在横向上给出教学任务和进度以及学生表现之间的联系，在纵向上可以说明学生的发展。当下在第三个方面，几乎没有令人满意的结果。而对教育工作者，尤其是对于一线教师而言，只有明确了学生学习的发展机制，才能在实际教学中有较为明确的行动方针，我们的研究成果才有可能真正转化到教学实践中去。

本研究借助皮亚杰的心理发生理论构建学习进阶机制的模型，对初中原子物理概念体系的学习进阶进行了实证研究，以说明进阶机制模型的适切性。之所以选这个主题，原因是在我国初中物理课程标准中这是重要的内容之一，与此相关的学习对学生原子物理概念体系的构建，对物质观的形成具有重要作用。(7)[英]温·哈伦编著：《科学教育原则与大概念》，韦钰译，北京：科学普及出版社， 2011年，第23页。(8)美国科学促进协会：《科学素养的导航图》，中国科学技术协会译，北京：科学普及出版社，2008年，第54页。

二、基于心理发生理论的学习进阶理论构建

对学习进阶机制作出解释，必然地又回到皮亚杰。皮亚杰的一生都致力于研究个体的科学知识的建构过程，并且他的研究成果对教育有着极大的启发。但是当人们实际进入教学研究的时候，却极少直接运用皮亚杰的理论，尤其是他晚年的理论。这当然与皮亚杰的研究不是直接面对教学实践有关，因为他的研究成果不仅要面向心理的发生，更希望凭借其研究成果与哲学、心理学形成呼应，这对于一般教育实践者来说便显得过于晦涩。但是当我们仔细研读他的著作，尤其是将他对物理概念的心理发生的解释与当下研究正热的学习进阶结合起来的时候，发现确实可以为我们分析、理解相关的问题提供一个明晰的思路。

(一)皮亚杰关于物理学发展机制的说明

皮亚杰晚年的新理论是建立在对应性、态射、范畴和转换等新的概念体系上的，并且强调了“水平”概念和“意义”逻辑，从而超越了大家所熟知的他的早期理论中“四阶段”的划分。因此，皮亚杰本人就是“皮亚杰理论的最大的叛逆者”，这也使得他直到去世都始终站在建构主义的理论前沿。(9)蒋京川：《皮亚杰晚年的“新理论”及其思考》，《心理科学进展》2005年第3期。我们在此不打算对皮亚杰的理论进行详细的阐述，而是选取与本研究主题“物理学习过程中学习者知识的发展过程应该如何来描述”相关的理论来加以整理和研究。

皮亚杰强调个体的心理发展与科学史本身是可以比较的，都是连续的构建过程。皮亚杰认为关于物理学理论的发展机制可以用图1进行表示。(10)[瑞典]J.皮亚杰、R.加西亚：《心理发生和科学史》，姜志辉译，上海：华东师范大学出版社，2005年，第139页。

图1 物理学理论连续发展机制注：D表示： 领域E表示：实验平面，S(情境)和F(现象)出现在其中，它是“可 观察事实”的场所O0i 表示：对Ti而言的“可观察事实”O1i表示：对Ti而言的理论建构，对Tj而言的可观察事实Ti，Tj， Tk表示：连续的物理学理论A0i，A0j，A0k表示：对理论Ti，Tj，Tk而言的经验抽象A1i，A1j，A1k表示：对理论而言的反省抽象

第一，T代表的是某物理学理论。不同的阶段物理学理论有不同的表现形式Ti，如解释地球表面物体下落的原因，亚里士多德解释为物体的本性，牛顿解释为万有引力，而爱因斯坦解释为时空的弯曲。

第二，E表示实验平面，S(情境)和F(现象)出现在其中，是“可观察事实”的场所。对处于某一理论阶段的人来说，能进入他的视野，作为他的研究对象的可观察事实F只能局限于E的某一个领域D，这些D有时候是重合的，有时候是分离的。这取决于认识主体的经验。

第三，O0和O1分别表示描述F(现象)和情境S的某些概念，这些概念对高一级理论来说是可观察事实，对低一级理论则是理论建构，它们分别用某些概念来表达。如我们为表示杯子压桌面的“压力”，而做的垂直于桌子向下的有向线段。对于高一级的理论，如牛顿运动定律，这个表达是形象的、经验的。而对于低一级的“杯子压在桌面上”的生活认识，这个有向线段便是一种抽象的表达。

第四，A0和A1分别表示对理论T的经验抽象和反省抽象。经验抽象使得新的理论T立足于原有的经验——通过O描述的F，而得到建立，反省抽象，则是皮亚杰理论的独创(11)李其维：《评发生认识论的“反省抽象”范畴》，《心理科学》2004年第3期。，通过反省抽象使得原来未考虑的领域里的某些现象在新的理论中得到了解释。如认识到大气压强之前，人们从“自然界厌恶真空”来解释气体的扩散和把水抽到高处等现象，认为真空是不存在的。然而到了17世纪，随着托里拆利、格里克等人的一系列实验的展开，最终建立起大气压强的理论。以此人们既能理解“抽水机可以把水抽到高处”，又能解释原来不可理解的“水不能被抽到比33英尺高的地方”等问题，理论也因为有着更广泛的适用性以及更强的解释力而得到了确立。

由此，物理学理论的发展脉络就清晰了：一种物理学理论Ti的出发点始终是人们试图解释的一个现象。对这个现象(或所有现象)的选择和描述，意味着人们将考虑某些个体(或人们与某些个体打交道)，而忽视其他个体，考虑某些关系，而忽视其他关系。当通过一个抽象过程建立起一个理论的时候，各种现象便被分为了对主体来说可观察的证据和事实，以及主体还不认为理论能解释的其他领域。此时物理理论的作用并没有得到体现，因为它只是说明性的。而当它成为解释性的理论，通过反省抽象，将理论的适用范围拓展到其他的领域D，这个理论就获得了合理性。每当某一理论从较低的阶段Ti发展到较高阶段Tj的时候，发生的机制是一样的，以上描述的过程都会重复发生。

(二)学生学习进阶机制的构建

皮亚杰通过大量的考证，证明了个体的心理发展与学科的历史发展是可以对应的，根据皮亚杰关于物理学理论发展的模型，我们构建起学生学习进阶机制的模型，如图2所示：

图2 学习进阶机制模型

第一，学科理论T在学生的不同学习阶段有不同的表现形式，具有明显的阶段性，我们表示为各“理论阶段”，对应于图1中的各个Ti。以本文研究的原子及相关概念的学习进阶为例，对于小学或刚上初中的学生而言，他们对于原子几乎没有什么特别的认识，在他们的视野里，大的东西是由小的东西组成的，而原子，就是很小的东西之一。

第二，不同阶段学习者对原理的领会和把握，都是在具体的情境里发生的，这包括学习者对涉及到的各事物间的情境S和对这些事物存在的现象F的经验的分析。如刚上初中的学生，在解释物质构成的时候，他们必须面对具体的事物，如“一杯水”“一块铁”“一堆石头”等。这些东西连同他们的“原子”，必须在一定的时空里存在。学生描述的石头、水、铁块、空气等就组成了他们的认识领域，这是他们的经验基础，在图2中即为“能解释”的范围，这是构建高一级的理论阶段的基础和出发点。

第三，理论需要通过一个基于现实的抽象过程建立起关系。但不同于科学家的研究，在限定的时间里，学生很难发现自身所拥有理论的缺陷，所以也就没有发展理论的动力，这就需要教师构造这样的场景，让学生从可以解释的经验开始，对相关问题、情境进行提问、辨析和取舍。这是一个经验抽象的过程，生动的现象和经验被模型化成“理论阶段1”。然后通过反省抽象的过程，帮助学生拓展可解释的领域，这样阶段1的理论逐渐得到确认和接纳，而学生可认识的范围——从一个理论阶段的认识范围，扩展到了另外一个阶段的认识范围，并且阶段越高，可以认识和解释的范围也越大。

第四，随着理论水平的提升，对同一事物的解释也会发生变化。学习科学知识，不是一个单纯的概念复述的问题，而是要考查学习者是否真正基于理论“认识”了某个或某类事物。学习的结果既不是完全取决于纯粹的客体，也不是完全取决于主体，而是取决于主客体间的相互作用。(12)[瑞典]J.皮亚杰：《发生认识论原理》，王宪钿等译，北京：商务印书馆，1970年，第21页。这样，学习者在不同的学习阶段，对同样的情境和现象的描述都会不同。比如在日出时刻，持“地心说”的人“看到的”是太阳围着地球转，而持“日心说”观点的人则“看到了”地球围着太阳转。一般情况下，人们“看到”的“事实”依赖于观察者的概念体系。

由此可见，学生学习包括物理学在内的各门科学知识，既不是头脑空白的文字复制，更不能以是否可以复现理论的文字表达而告终。学习的关键在于可以构建起科学的解释体系(13)高嵩、洪正平、王其超：《科学探究中的科学解释》，《山东师范大学学报(人文社会科学版)》2009年第6期。。综上所述，科学概念或理论的学习不是一蹴而就的，而是一个不断发展的过程。理论发展的动力来自于超越原有理论的新的情境的出现。教学中评价个体是否“学会”了某个物理概念，或者是否实现了进阶，不仅要考查他能否复现原理的文字表述，还应从与理论对应的实践经验的选择和判定、相关模型的构建、思维和解释方式等方面予以确定。

三、以初中原子主题重要概念为例进行学习进阶研究

(一)测试过程

以小学到初中这一阶段学生关于“原子”这一主题的学习进阶情况为研究对象。首先，我们分析了我国小学科学课程标准、小学科学教材、初中物理课程标准、人民教育出版社出版的八年级和九年级教材，并参照美国的NGSS(下一代科学标准)，整理了关于“原子”的重要概念，把“物质结构”重要概念列表中小学阶段需要理解的重要概念作为起始概念，绘制出依据教科书及学习时间先后的概念关系图。然后，构建原子主题的双向细目表，制定原始题库。之后，运用Rasch模型进行分析、修改、测评等一系列环节，直到得到符合Rasch模型要求的题目。最终选取青岛某城区中学八年级、九年级各一个班共100个学生进行测试，试卷发放100份，回收100份，有效问卷94份，获得了测试题目的难度与被试对象的关系，并进一步得到了初中原子主题下重要概念的学习进阶模型。

(二)研究结果

图3 初中物理原子重要概念测试题目与被试关系图

通过测试，获得了测试题目的难度与被试能力关系的怀特图，结果如图3所示。其中一个“X”表示一个被试，右侧为题号。从图中可以看出，题目和被试都有较好的匹配，保证了测量结果具有较高的可信度。

从图3可以得到非常有趣的结果。首先看第3题(3.一杯水可以分成许多滴水，那么一滴水还可以无限分割下去吗？( )A.能 B. 不能 C.不清楚)，该题问的是一滴水是否能无限可分，这与前后两个题(分别让被试分析小木块和封在袋子里的空气是否无限可分)考查的范畴是一脉相承的，就是涉及考查被试对常见状态的物质是否理解它们是可分的，但这个题对被试来说却非常难。他们难以理解“小水滴”有多小，原子有多小，这说明对初中生来说，在头脑中无法构建起二者间的数量关系。而另一道与大小相关的11题(11.下列各物体的尺度，按由小到大的顺序排列正确的是( )A.夸克、原子核、质子、原子；B.质子、原子核、原子、夸克；C.夸克、质子、原子核、原子；D.原子、原子核、质子、夸克)，让被试把夸克、原子核、质子、原子按照尺度由小到大的顺序进行排列，这对他们来说却是难度适中，这是因为在学习过相关内容之后，初中生对原子核的构成、电子的位置等在头脑中有较为清晰的模型，所以出错率较低。

其次，关注第9题(9.下列关于原子的说法中，正确的是( ) A.原子是由原子核和核外电子组成的；B.所有原子都由电子、质子和中子组成；C.所有原子内部的质子数和电子所带的电荷数不相等；D.带正电荷的电子在原子核外空间绕核高速运动)，这个题目考查的是学生是否理解原子的结构，被试的出错率也比较高。在测试之后我们进一步做了访谈，发现学生之所以出错，是因为他们都没有考虑到氢原子这个特殊情况。

本测试题中学生感到最困难的是第7题(7.春节期间，家家户户都要贴对联，用胶水将对联贴到墙上，是因为胶水分子间存在______的缘故。A．粘性；B.引力；C.斥力；D.不存在)，该题考查被试是否可以从分子间相互作用来解释胶水贴春联的现象，但很多被试认为胶水不同于学过的固体、液体和气体三种状态，所以粘性也不应该用“分子间既存在引力也存在斥力”来解释。胶水这种物质的分子还应具有引力、斥力以外的“粘力”，这说明初中生还没有很好地构建起分子间相互作用力的模型。

而对于“原子主题”下的最后一个部分——对核能的解释，由于初中阶段，甚至整个中学阶段都不需要基于核的模型做出更多的解释。所以仅让被试判断关于核能说法对错的第13题(13.下列关于核能的说法正确的是( )A.物质是由原子组成的，原子中有原子核，所以利用任何物质都能得到核能；B.到目前为止，人类获得核能有两种途径，即原子核的裂变和聚变；C.原子弹和氢弹都是利用原子核裂变的原理制成的；D.自然界只有在人为的条件下才会发生裂变)，对被试来说难度适中。

基于以上分析，得到“原子主题”的重要概念学习进阶，如图4所示。

图4 “原子主题”学习进阶图

虚线以下的是小学科学的学习内容，是初中原子概念建立的基础。图4与最初按照课程标准和教科书制定的学习进阶存在以下三个明显的改变：

第一，对于分子动理论的三条基本原理，许多教师认为学生在学习过程中没有难度区别，然而在实际测试中，对于涉及原子大小的问题，学生依旧出错率很高，所以在修改后的“原子主题”进阶图中，将“分子是由原子构成的，且原子数量级约为10-10m”设置为更高的进阶。第二，学生对分子动理论中“一切物质的分子都在永不停息地做无规则运动，温度越高运动越快”的理解，对理解“分子间有引力也有斥力”有影响，所以二者不是绝对独立的，而是有一定的关联性。第三，在图4中可以看到与原子相关的概念可以分为三个层级，即以原子、分子为解释模型的对宏观物质的构成和变化的理解；以“原子的核式模型”为解释模型的对原子本身的理解；以“原子核也有结构”为解释模型的对物质分类问题以及核物理问题的理解。而核能的利用则属于第三个层次的一个具体应用。所以，进阶的表现与学习时间的先后不是必然联系的。

四、结语

通过本研究，我们有如下结论：

第一，从本研究的结果来看，学生的学习过程中的确有着明显的进阶。但是进阶不是指某一条概念或规律的进阶，而是与此相关的一组概念的发展。所以当我们考查学生的学习进阶时，要分析相互联系的概念组。越到高阶的认识，其相应的概念网络会更加的严密。

第二，通过本研究我们更深刻地体会到，构建学习进阶的过程是一个回归的过程。起点仍旧可以是教科书、课程标准，但教师需要结合学生的情况确定概念体系的层次， Rasch模型可以在学生的能力和题目的难度间建立起较好的对应性。当然，关于其他的研究，研究者可以根据自己对该研究的认识，选定更加合适的方法。

第三，随着学习的展开，认识范围的变化并不是单一扩大。 图2中某“理论阶段”的认识范围的变化并未像我们最初设想的那样仅仅是扩大，而是有两个方向：精确化和扩大化。比如小学阶段学生并没有清晰的原子的概念，所以，包括固态、液态、气态的所有的物质几乎都在他们的认识范围之内，但到了初中，原子图景越来越清晰，仅有微观的问题才能进入到原子主题的认识范围，使得研究的问题越加精确。另一个就是往更大的范围发展，基于氢原子的结构，便可以更好地了解和认识更多更复杂的原子的结构，并以此为基础，理解诸如金属为何能导电、物体间发生相对运动时为什么可以产生摩擦力，等等。

第四，物理概念的进阶，还体现在学习者所运用的工具上。进阶的层次越高，数学推理的工具介入得就越深。如本研究中的两个判断句“原子数量级约为10-10m”和“一切物质的分子都在永不停息地做无规则运动”，字面上难以说明哪个难哪个易。但当面临具体问题时，前者要用数学表征、推理和运算，而这种能力的形成是非常不易的，对不同学生来说差异非常大。(14)柳笛、杨纯：《儿童数量表征研究评述》，《华东师范大学学报(教育科学版)》 2017年第5期。所以物理学大师费恩曼在讲解原子的时候，非常生动地讲到：“如果把苹果放大到地球那样大，那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那样大。”(15)[美]费恩曼、莱顿、桑兹：《费恩曼物理学讲义》(第1卷)，郑永令等译，上海：上海科学技术出版社, 2012年，第31页。

第五，学习进阶还体现在描述所用的概念(或语词)上。如初中伊始，学生所说的原子可能就是很小的东西，虽然模糊，但它可以帮助学生为建立有关小得看不到的微粒概念做准备，而到了初中，学习了相关理论之后，他们逐步建立起“球形”的原子和分子的模型，此时，原子、分子也并未严格的区分，都是指的构成物质的基本单元，并在此基础上理解分子动理论。这些站在认知的终点来看很不严格的语词，却能帮助学生逐步构建起以原子为核心的概念系统。

这提示我们在教学中应该分析学习进阶的目标和学生的现实，采取恰当的手段，如合理设置学习情境，恰当引入物理学史的内容，循序渐进地引入数理工具，都可以有效帮助学生达到学习进阶的目标。