基于概念转变理论的科学概念教学：现实困境与破解路径

李多　吕艳坤

摘要： 科学概念教学作为科学教育的重点和难点，尚存学情认识不足，分析过程僵化；教学情境固化，迁移应用匮乏；强化概念识记，应试倾向凸显等实践困境。产生困境的根源是学生学习起点认识的偏差、传统概念转变理论的局限和缺少科学的评价体系引导教学。为实现科学概念教学的育人价值，应当从审视概念转向聚焦前概念，面向人文主义重新定义教学，构建评价体系科学引导教学等路径予以突破。

关键词： 科学概念； 概念转变理论； 概念教学

文章编号： 10056629（2023）10000305 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

科学概念作为科学知识生成的起点，是培育学生核心素养的重要载体。使学生形成、理解、掌握和运用科学概念，是科学教育的核心内容之一。研究者普遍认为学习者在正式学习前，对生活实践中的事物产生了自己的概念、观点及想法，这些预先的认知结构在学习者日后的学习过程发挥重要作用，即学生的前概念是概念学习的起点。从上世纪70年代开始，由前概念到科学概念的转变研究逐渐兴起，并由此衍生出了诸多概念转变理论和教学策略。然而，大量的实证研究表明基于传统概念转变理论的诸多教学策略并没有收到预期的效果，科学概念无法彻底取代前概念［1］。因此，亟待从实践反思和理论审视的双重视角探讨科学概念教学的问题与出路，从而实现概念教学的育人价值。

1 科学概念教学的实践困境

科学概念的形成与迁移应用过程是科学思维和科学探究能力的内化与外显过程，其在学生头脑中的升华形成个体的科学观念和科学态度与社会责任。因此，概念学习是科学教育的首要任务。然而，实证研究表明我国学生在科学概念学习后尚存两大现实问题：第一，学生能运用科学概念解决课内习题，却难应用于生活实践。最新的PISA数据显示我国学生科学素养高出OECD平均水平31.6%，但是存在着知识记忆与应用能力高于分析解决问题能力的现象，实际问题解决能力低于新加坡、日本和韩国学生的平均水平［2］。第二，学生在离开校园或者停止学习后，头脑中的科学概念会快速遗忘，学习效果与科学教育预期目标相去甚远。为了学生能够应对时代挑战、适应未来社会需求和个人终身发展，应当聚焦实践场域，反思科学概念教学中的现实困境。

首先，学情认识不足，分析过程僵化。美国认知教育心理学家奥苏伯尔在《教育心理学——认知观点》一书扉页中提出，“如果要我只用一句话说明教育心理学的要義，我认为影响学生学习的首要因素，是他们的先备知识，研究并了解学生学习新知识之前具备的先备知识，配合之以设计教学，从而产生有效的学习，就是教育心理学的任务”［3］。把学情分析作为教学设计的切入点，已成为科学教育理论和实践工作者的共识。但是一线教师在教学实践过程中对学情的分析尚存一定不足：首先，对于学情的理解不到位。奥苏伯尔所提及的“先备知识”指的是“对学习效果有影响的学生信息”，但很多教师将其简单地解读为“学生的知识储备”；例如在进行“物质”学情分析时，教师局限于学生在初中阶段学习过物质是由原子、分子等微观粒子构成的和原子是由原子核、核外电子构成的；并未涉及学生对于原子、分子、原子核与核外电子等概念的认识程度和认知方式，缺乏必要的前概念分析。然后，对于学情分析的科学方法掌握不够。教师大多以先前测试成绩或者以教学经验作为学情分析的依据，忽略了成绩与个体经验背后的东西，比如兴趣爱好、思维方式等因素。最后，对于学情分析仅限于课前教学设计环节。日常教学活动中的各个环节，尤其是课堂实施、作业批改、课后辅导、考试评价等都是反映学生学情的优良载体，是促进教与学有效融合的着力点，教师并未有效把握、深度解析学生学习的真实状态［4］。

然后，教学情境固化，迁移应用匮乏。受教学时间不足、教学内容繁多等因素的影响，教师在教学实践中往往选择便于表述、易于学生理解的情境来引入、阐述、验证科学概念，而且会反复使用这些情境，容易导致情境固化。例如教师在讲授万有引力与航天时往往选用圆或者椭圆模型（椭圆往往只分析轨道顶点），由此给学生造成了“万有引力与圆周（椭圆）轨道”之间的情境固化，导致了学生难以理解电影《火星救援》提及的“引力弹弓效应”中引力场的作用［5］。情境固化容易导致学生形成情境、问题与概念之间的定势思维，桎梏学生的思维多元化发展。在社会飞速发展的今天，熟悉的、单一的情境引起的思维固化会导致科学概念失去对于现实的解释力，影响孩子学习和探索未知的热情。而针对科学概念教学的练习，主要以特定的模型为主，缺乏基于真实问题情境的迁移，学生难以将概念内化、达到灵活运用的学习效果。

最后，强化概念识记，应试倾向凸显。近年来，随着社会经济的繁荣与发展，人民群众的物质生活水平得到极大提高，随之而来的是对于通过接受教育进一步改善生活的美好期待。但是由于高质量教育资源的发展水平和速度有限，无法满足全体民众的需求，由此加剧了人们的教育焦虑，导致了全社会都在追捧学生学习成绩和学校升学率。为了让学生在短期内提高成绩，教师进行概念教学时，更愿意把概念以结论的形式直接呈现给学生，强化学生运用概念解决课内习题和应试技巧的能力，而忽略了科学概念在生活实践中的实际应用。教师对于科学概念的形成、发展与应用过程重视程度不够，导致了学生缺乏对于概念内涵与外延的深度理解。学生对于这种浅层学习方式获取的知识缺乏足够的认同感，对于知识所承载的教育功能获得严重不足。以“植物的生存和生长”为例，教师强调学生记忆植物的生存和生长需要水、阳光、空气和温度，学生根据日常生活经验也能理解这些因素对于植物的生长具有重要意义，但是很可能会产生这些影响因素越多越好的错觉。只有通过控制变量法的实验，切身观察不同因素影响植物生长的具体过程，才能让学生真正理解植物的生存和生长需要适宜的环境，进而明白水、阳光、空气和温度对于植物生长的具体作用分别是什么。

2 科学概念教学的困境根源

2.1 学生学习起点认识的偏差

安德烈·焦尔当（André Giordan）在《学习的本质》一书中曾提出“对学习者的前概念的考虑必须成为一切教育计划的出发点”［6］。朴素理论认为学生的前概念源自于日常生活，是学生对事物最初的认知、概念和观点；迷思概念理论强调前概念与科学概念的差异性。虽然不同理论流派对前概念的具体认识有所差别，但是对于前概念的广泛性、顽固性、迁移性和情境性等基本特征达成一致［7］。前概念形成于个体的成长过程，是人在和即时环境、社会环境互动中形成，根植于环境文化之中，具有一定的时代印记和环境印记。同时，个体从自身观察、自身经验、与他人以及客观世界的关系出发，建立起个体的认知方式和观念，即前概念也具有明显的个体印记。因此，在教学之初分析学生的前概念时，要兼顾时代印记、环境印记和个体印记。但是，一线教师在开展教学设计时，往往根据以往的教学经验或者自身的臆想来确定学生学习新知识存在哪些认知困难，极少有教师会在课前针对学生相關知识的前概念进行测试与分析［8］。一个论据要有意义、能改变思想，就必须和学生相联系，而不是和教师相联系。这种“虚假”的学情分析偏离了学生学习的真正起点，由此导致教学效果难以与预期相符。

2.2 传统概念转变理论的局限

传统意义上的概念转变，是指学习过程中新旧经验相互作用的过程，是新经验对已有经验改造与重构的过程，概念转变成功的标志是科学概念对于前概念的取代，以此为目标衍生出了各种概念转变理论。Ponser等人提出了著名的基于认识论的概念转变模型，将概念转变分为同化和顺应两种类型，认为概念的存在和转变过程都不是孤立的，而是与概念所处的“环境”密切相关［9］。基于认知论的模型被视为概念转变的经典模型，强调帮助学生在前概念的基础上建构科学概念，并衍生出了众多被广泛使用的教学策略，诸多教学策略并没有收到预期的效果。这源自于认识论概念转变模型的局限性：模型描述的是前概念与科学概念之间的竞争过程而非转变机制，虽然指出了概念转变过程中可能受影响的因素，但并未阐明这些因素产生影响的作用机制，也未指出因素内部间的相互关系。

经典概念转变理论出现后，关于概念转变的相关研究迅速涌现。如基于本体论的概念转变理论、基于发展心理学的概念转变理论、多维课堂概念转变框架等，这些理论都将科学概念对于前概念的取代视为概念转变，分别从不同角度解释概念转变困难的原因和概念转变过程的影响因素。在各种概念转变理论的指导下，教师以科学概念取代前概念作为概念转变成功的标志，而忽略了概念转变之后，即学生形成科学概念之后这些概念如何存在以及发挥作用。教学实践表明学习者很难用科学概念完全取代前概念，前概念会持续存在并影响人的行为意识［10］。

2.3 缺少科学的评价体系引导教学

教学评价作为教学活动的重要环节，通过各种测量手段和统计方法，对学生学习的成就、教师完成教学目标的程度给予量化或质性的描述，为教学活动的持续开展提供了基本遵循。我国现有对于概念教学的评价科学性不足，以学生对科学概念的理解水平和解决问题的复杂程度与能力作为评价标准，对促进学生素养发展、教师教学能力提高和教学实践改进的导向性不足。第一，就评价目的而言，过分强调甄别与选拔功能，忽视了学生的个体前概念差异性，难以实现帮助学生发现潜能、诊断问题、规划发展、激励成长的作用。第二，就评价内容而言，聚焦于科学概念的理解水平与基本运用，对学生的科学观念、科学思维与科学探究能力、科学态度与责任关注度不够；只关注结果而忽略学习过程的评价难以全面评价学生的综合素质。第三，就评价方式而言，受测试手段的制约局限于纸笔测验，文本形式单一且难以真实反映学生对于科学概念的理解程度，脱离生活实践的考试载体并不能反映学生解决实际问题的能力；试题文本最终呈现的是容易量化和比较的分数，易加剧学校教学应试化的倾向。第四，就评价主体而言，教师作为评价的单一主体从学生学业表现水平的视角进行评价，忽视了学生也应是评价的主体，失去了在评价过程中培养学生自主意识和自我教育的机会。第五，整个概念教学评价体系对于情境的关注不够，且未考虑学生离开校园之后的表现，难以引导教师关注学生前概念、概念转变过程、概念持续作用和学生的未来发展。

3 科学概念教学的破解路径

3.1 审视概念转变，聚焦前概念

概念转变自提出以来备受推崇，由此衍生出来的教学策略持续影响了科学教育几十年。然而在对学生概念学习效果的检测中发现前概念在时间维度上更具生命力，很难彻底被科学概念完全取代；二者共存于学生头脑中，相互作用、相互影响。因此，传统的概念转变理论正在不断地受到质疑。通过自然科学实证研究范式的引入，基于行为学和脑科学的量化数据分析，研究者对前概念有了新的认识并提出了概念转变的抑制理论：前概念不仅仅作用于概念学习的起点，而是广泛存在于人的整个认知过程之中；概念转变的本质是科学概念对于前概念的抑制，而非完全取代［11］。实践表明随着时间的推移，这种抑制作用会发生改变，由此导致科学概念与前概念的共存，二者长期处于一种动态的冲突、竞争与平衡之中。

科学概念学习开始的关键在于让学生对自身的前概念产生困惑甚至不满，前概念之所以能长时间广泛存在是因为它对现实有一定的解释力，只有让学生真正意识到前概念的解释力不足时，才能激发其学习的持续动力。因此，探察学生的前概念成为概念教学的重点，教师只有突破自身教学经验和传统测试题的局限，方能了解学生的真实前概念：首先，通过查阅文献确定学生针对某一教学主题可能存在的前概念；然后，通过多阶测试题，利用答题阶、理由阶和信心阶确定学生的前概念以及学生对于前概念的信任程度；最后，通过有效对话、课堂观察、课后练习等手段挖掘隐藏的前概念，以及明晰前概念与科学概念的动态竞争和作用机理。从而选择合适的教学情境，在凸显科学概念优越性的同时，强化对于前概念的抑制作用。

3.2 面向人文主义，重新定义教学

传统的知识观强调科学概念的客观性，否认概念存在的主观性，忽略了人作为知识的主体应有的个体化差异。人文主义教育观和发展观承认前概念存在的合理性，提出“知识是个人和社会解读经验的方法，与创造及再生产的文化、社会、环境乃至社会体制都不可分割”［12］。教师只能把科学概念和学生的前概念尽可能真实地呈现给学生，让学生体会二者之间的差异，引导学生整合两种概念。因此，需要重新定义概念教学目标中的教与学。教师“教”的目的不在于清除学生的前概念、帮助学生建立正确的科学概念，而是应该关注学生的文化背景、生活经验、认知水平和认知方式，将前概念作为新知识的生长点，选择恰当的教学方法和策略引导学生构建自己的大概念体系。学生“学”的目的也不再是科学概念完全取代前概念，而是学会用科学的视角来观察世界、提出问题，能够用科学概念来分析问题、解决问题，并能够在具体生活、问题情境中灵活运用这些科学概念［13］。以“速度”的概念教学为例，教师“教”的目的是让学生认识到初中所学的“路程与时间的比值”描述的是速率，在速率的基础上理解速度的内涵与外延。学生“学”的目的是体会到速度与速率的差异与关联，在具体情境中选择恰当的物理量对运动进行合理地描述。

3.3 构建评价体系，科学引导教学

传统的以前概念向科学概念转变状况作为概念教学评价依据已不能满足时代发展需求。在素养为本的课改背景下，概念教学应当面向未来、培养学生能够适应社会可持续发展和个人终身发展的能力。教师“教”科学概念不局限于学生的概念是否发生转变，更集中体现在引导学生认识自身的前概念，接受前概念和科学概念的共存、竞争，帮助学生建立科学合理的大概念体系，从而长期保持对于前概念的抑制作用。学生“学”科学概念不再是概念的理解、记忆、运用，而是学生能够在复杂、多变的陌生情境下选择合适的科学概念、运用恰当的科学方法成功地解决实际问题。学生运用科学概念解决问题的路径也不应再是唯一的，而应该是多元和发散的；因此概念测评试题应当是多元乃至是开放的，鼓励质疑与创新。为落实中共中央、国务院印发的《深化新时代教育评价改革总体方案》指导精神，扭转不科学的教育评价导向，促进科学概念教学实践积极改进，应当重新建构概念教学评价体系：首先，基于新的“教与学”定义，从教与学两个维度确定科学概念学习进阶的“阶”，突出学生作为教学与评价的主体地位，强化过程评价。然后，关注学生前概念的多元化与个性化，选择合适的问题情境，对教学前后学生真实表现开展有效评价，探索增值评价。最后，改变以测试成绩为唯一指标的评价与招生模式，坚决克服唯分数论，将学生运用科学概念解决实际问题的能力纳入评价标准，引导学生从科学走向社会，改善结果评价。与此同时进一步探索并逐步完善学生综合素质档案，将其作为高校招生、单位招聘的重要依据，从而真正发挥教学评价指挥棒的正向调节作用。

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