原型匹配在“溶解”概念学习中的作用

〔摘 要〕 本文通过对一个课例片段的分析，讨论了学生在学习科学概念中遵循的主要模式。在一节“加速溶解”的课例中，一名学生对溶解定义的理解与教材出现较大偏差。本文作者在访谈后认为，该学生将教师课上胭脂红溶于水现象的特征定为了原型，通过原型匹配的方式建立溶解概念。这与目前建构主义的概念观有着明显的不同。由此本文提出：对于具体概念，原型匹配是学生更加偏好的概念学习模式。由此或可衍生出基于原型观的教学思路。

〔关键词〕 小学科学；原型匹配；概念学习；案例诊断

〔中图分类号〕 G424 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674-6317 （2024） 21 058-060

一、案例概要

本文来源于一节“加速溶解”课例：2021年，本文作者之一在讲授三年级“加速溶解”一课时问学生什么现象属于加速溶解。其中一名女生的答案很独特：冰块在热水中的融化属于加速溶解。这一答案显然是错误的。《中国大百科全书》中“溶液”词条的定义是：“两种或两种以上的物质组成的均匀稳定的混合物。”即溶解形成溶液的前提是两种不同物质，而冰与热水是同一种物质的两种物态，显然不是溶解。那么，该生为何会提出如此怪异的答案？

为此，我们对该生进行了课后访谈。其中一题（“蓝色和黄色颜料混合在一起，变成了绿色”是否属于溶解？）引起了我们的兴趣，我们之所以没有直接问学生为什么会认为冰在热水中是加速溶解，是因为我们更希望了解她是如何理解“溶解”这一概念的。

令我们十分诧异的是，该生的回答是：“我觉得这个属于溶解，因为就像以前做过的一个实验，把胭脂红放在水里，它溶解后整杯水都是红色的，而不是还有一些地方是透明的……（顿了一下）正常的水了。但是这个呢，就是跟那个做的胭脂红的实验一样，它们两个混合在一起变成了绿色，不会显现出来有蓝色或者黄色的痕迹。所以我觉得这个叫‘溶解’”。

二、案例诊断

显然，该生对概念的理解方式与教材所倡导的建构主义思路并不相同。按照教材布设的思路，首先对比食盐与沙子在水中的差别，从而引出全课核心问题：食盐“藏”到哪里了？然后通过设计、实施实验，验证自己对于核心问题的猜想，进而建构“溶解”概念。而胭脂红的实验位于其后，目的是将溶解现象可视化。即胭脂红的实验只是使这个建构过程更完整，它绝不是这节课的主体。可以说，该生对于“溶解”概念的理解与现今概念学习的主流观念差异极大。

目前科学教育的主流观点仍然是建构主义学派的。1934年，维果茨基出版了《思维与语言》一书，系统地阐述了他的概念观：首先，儿童会将观察到的一系列现象杂糅起来，形成复合思维。第二，对这些复合物进行加工，形成“链式复合”（即“复合思维最纯粹的类型”）。第三，对这些复合物特征进行抽象概括，形成假概念。但假概念极不稳定，容易受到具体现象的干扰。最终，语言加入认知过程使假概念蜕变成了科学概念。所以，维果茨基的概念观可以大致概括为一个进阶链：复合思维—链式复合—假概念—概念。

20世纪中叶，美国认知学家进一步丰富了建构观，突出体现在从新知识与旧有经验的角度看待进阶。如布鲁纳的发现学习理论，认为“学习是一个积极主动的认识过程……通过把新获得的知识和已有的认知结构联系起来，积极地建构其知识体系”。从进阶性上说，布鲁纳显然是维果茨基的拥趸。同样，奥苏贝尔的意义学习理论也具有这一特点：其实质上是新知识与旧有知识、经验的交互，在这种交互过程中，概念的含义逐渐变得更加丰富。

与其上均不同的是布鲁姆，其将关注点放在了教学目标上，即基于学生的认知特点，我们的目标应该如何设定？根据认知的难易程度（所需调用的认知资源的多寡），其将认知目标的水平划分成了不同的6个层级。虽然布鲁姆着眼于目标，但不难看出，其分类理论的本质依然是对学生认知结构的刻画。因此，不少学者认同布鲁姆理论的建构性。

但那名女生的概念学习方式显然与诸流派有着极大差异。首先，该生并没有把任何现象杂糅的迹象，而是直接抓住了胭脂红溶于水这一现象，在此基础上形成原型。其次，该生的认知过程也并未显示出如维果茨基的进阶迹象，其对于胭脂红实验的认识，以及颜料混合算不算溶解的判断几乎是瞬时完成的，该生的判断显示出明显的概念激活的特点。第三，该生的认知过程也显然与布鲁姆的认知结构有别。按照布鲁姆的理论，对于知识的记忆属于最低层级。该生连最低层级的要求都没有达到，遑论高阶层级了。但如果仔细分析她的话语不难发现，她通过对胭脂红实验的解析，牢牢抓住了其中“颜色”这一要素，以此构建了原型的匹配标准。换言之，她在通过“分析”完成概念的辨别——在连最低层级的要求都没有达到——的情况下，却调用了高阶层级的认知策略！

一个更加合乎逻辑的解释是，基于原型匹配的概念学习模式是学生的偏好与优先选项。

三、有关概念学习的原型观

尽管在教育界鲜有提及，但原型（prototype）在认知学及神经科学中并不是一个新鲜的事物。

对于原型观的界定存在一些模糊性，经典教科书认为只要样例足够典型就完全可能形成原型，也有学者认为需要从多个样例中抽象出共同特征，形成原型。但无论哪种，大多数学者都同意原型是从典型的样例出发形成的对某一概念的代表（例如知更鸟相比火鸡更适合代表“鸟”）。进而，当人接触新的事物时，可以利用原型判断新事物是否属于该概念。

目前神经科学的研究认为，原型之所以在概念学习中起到关键作用，与原型本身具有的该类概念的典型特征有关。例如相比于牛油果，苹果具备更多“水果”的典型特征，因此人们提到水果，更容易想到苹果，很少有人会想到油腻的牛油果。之所以如此，是因为拥有更多、更典型特征的样例更容易激活某些对特征敏感的脑区（如脑内侧前额叶皮层或前颞叶区），而这些脑区是概念识别的关键区域。换言之，更典型的特征拥有激活的优先权，最终形成特定的认知偏好。

这一点值得注意，因为目前探究式的建构法是科学的主流学习理论之一，这种方法强调在实验中搜集证据与线索，进而建构概念。但由于概念激活的优先权，此种方法存在明显的劣势，突出体现在认知负荷问题上。大量实验已证实，由于大脑的认知资源有限，一旦一个认知成本低、更容易激活的内容被激活，其他认知活动将被抑制。因此一旦原型被激活，复杂的基于证据与线索的探究建构活动可能就会被抑制，反映到课堂上就是探究活动的实效性会受其所累。这一点从本案例中可清晰地看出：学生完全被胭脂红所吸引，彻底忽略了还曾经在实验中探究过“食盐去了哪里”这回事。

四、案例后续

为了验证原型匹配是不是学生更加偏好的概念学习方式，我们于2022年对北京市另一所小学的160名五年级学生进行了随机对照试验。试验题目全部是非A即B的选择题，且两个选项全部是正确的，唯一区别是其中一个选项是教材中出现过的实验（即含学生见过的原型特征）。结果显示，绝大部分学生选择了那些含有原型的选项，且这种倾向具有极强的统计意义（p＜0.001，ES≈0.35）。这一点验证了我们的猜测，即原型匹配是学生面对具体概念的首选工具。

更加耐人寻味的是，我们对其中一部分测试卷悄悄地“做了手脚”，即这些题目所谓的“原型”其实是错误的，它们只是猛地看起来像原型，但不能解释题目中的现象。我们的目的是考查学生是否能识别这些所谓的“原型”其实是滥竽充数。但学生依然不假思索地选择了这些“原型”（p＜0.001，ES≈0.31）。这说明，学生根本没有仔细、审慎地分析与思考，而是遇到见过的“原型”，立刻选择了它们。

这一点非常明确地昭示出激活的特点：它并不经过复杂的思索与分析，也没有靠得住的推理论证。为了更快速、便捷地反应，大脑选择了一条认知成本更低的捷径，即将复杂的信息打包并贴上标签，这些标签就是原型所包含的典型特征。而当需要调用这些信息时，大脑通过寻找标签，将信息包裹从记忆中翻出来，却并不会仔细检查包裹里的东西是否已经变质了。

五、教学改进建议

显然，原型观与我们现在的概念学习主流观点格格不入。但问题是，诸多证据都显示，这种倾向是脊椎动物大脑的固有生理特征——科学家甚至在鸽子身上也观察到了明显的原型效应。换言之，原型观似乎更受大脑欢迎。

既然如此，我们为何不考虑利用这种独特的方式呢？具体来说，原型观下这节课例或许应该是（图1）：先出示胭脂红溶于水的实验，通过其强烈的视觉冲击力给学生一个典型的样例，从而建立原型；第二步，引导学生仔细观察胭脂红在水中发生了什么，目的是引导学生从现象中抽象出溶解的典型特征，在此基础上可以让学生画一画这个过程，即尝试建立溶解过程的动态模型；第三步，出示实验“食盐去哪里了？”引导学生基于原型解释新现象，并寻找线索与证据进行验证；最后，给出其他现象，让学生根据所学辨别它们是否属于“溶解”，从而完成概念的迁移与泛化（如下图）。

这一思路的优点有二：其一，符合学生的原型偏好；其二，将“食盐去哪里了？”的实验放在胭脂红实验之后，实质上变成了基于原型对于新现象的解释。相比于正向的搭建概念，这是一个逆向思考的过程，即引导下的对原型的训练，需要调用更多的认知资源，可以激发更深层的认知，更有利于概念的建构与巩固。

参考文献

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[4]冯友梅，颜士刚，李艺.论核心素养语境下教育目标分类体系的建构逻辑：源自对布鲁姆风格教育目标分类体系的拷问[J].电化教育研究，2018（6）