概念转变的心理模型建构过程与策略

袁维新

(淮阴师范学院教育科学院,江苏淮安 223300)

【教育与改革】

概念转变的心理模型建构过程与策略

袁维新

(淮阴师范学院教育科学院,江苏淮安 223300)

根据认知心理学的观点,概念转变是学生内在的朴素心理模型向科学心理模型转变与建构的过程。心理模型建构包括四个阶段的循环:激活原有心理模型中的错误概念;对模型中的元素产生不满(产生认知冲突);建构新模型;使用新模型。概念转变的策略包括聚焦学生心理模型中的错误概念;引发学生的认知冲突;通过类比推理,建构新模型;使用新模型,进行科学推理。

概念转变;心理模型建构;过程;策略

一、概念转变的涵义及其本质

所谓概念转变(conceptual change),是指学生在新的学习中,不同程度地扩展、更改或重新组合头脑中的已有概念以适应科学概念,从而建构自己知识的过程。概念转变是个体原有的某种知识经验由于受到与此不相一致的新知识的影响而发生的重大转变,是对学生现有的理解或解释做出的调整和改造,是由学生的前科学概念向科学概念的转变。概念转变是新旧经验相互作用的集中体现,是新经验对已有经验的改造。概念转变的过程就是认知冲突的引发及其解决的过程。概念转变揭示了学生的前概念向科学概念转变的规律,这被认为是科学学习中的核心问题。

概念转变的本质是什么?沃斯尼阿多(Vosniadou,1992)[1]从认知心理学角度,提出了概念转变的心理模型建构论,认为概念转变涉及表征的变化,这里表征对应于概念的心理模型。所谓心理模型,是个人的被模式化的目标系统的内部表征,这意味着,表征的变化就是心理模型的建构,概念转变就是心理模型不断修正与重建的动态过程。在科学教学实践中学生有些错误概念难以改变,其中一个主要原因就是学生的错误概念往往涉及表征整个物理系统的原有的朴素心理模型。学生对一个概念的理解是由心理模型决定的,在学生的原有的朴素心理模型框架内形成的错误概念,如果不改变原有的朴素心理模型,这种错误概念就很难改变。

沃斯尼阿多等人 (Vosniadou et al., 2001)[2]通过深入研究学生如何理解物理学中力的概念后发现:学生对力的理解包含两种朴素心理模型,即“力是物体内部固有的属性”和“力是运动物体获得的属性”。学生在这种心理模型的影响下会生成具体理论用于解决特定的问题。比如,学生在“力是物体固有属性”这一心理模型的影响下,吸收了包括观察和社会学习在内的外来信息——“物体有大小轻重”、“某些物体能推拉或阻碍其他物体”,调和形成“力是大的或重的物体具有的属性”的新的心理模型,用于解释访谈中面临的问题情景。沃斯尼阿多 (Vosniadou,1994)[3]还对学生如何理解天文学中的地球概念进行了研究,该研究发现,学生凭借日常经验产生了关于物理世界的直觉概念,如“空间有上下之分”、“没有支撑的物体会下落”,在这一直觉概念的影响下,学生形成了“圆盘地球”、“中空地球”等关于地球形状的心理模型。

根据沃斯尼阿多 (1994)的理论,学生拥有的错误概念背后往往有更深层次的心理模型支持,而且学生能根据心理模型,自认为正确地解释一些现象,因此自己意识不到持有的概念是错误的,更不必说要改变原有的错误概念。所以要改变学生的错误概念,就必然要改变学生表征整个物理系统的心理模型。因为心理模型是指对某一特定系统的功能部分及其相互关系的表征,它是学生理解、推论和预测的基础。所以学生学习和理解科学概念的过程实质就是心理模型建构的过程,学生概念转变的心理过程也就是从朴素的心理模型向目标心理模型转变的过程。只有支撑错误概念的心理模型发生转变,错误概念才会发生根本的转变,并有良好的长期效果。

二、概念转变的心理模型建构过程

根据认知心理学的研究,我们认为概念转变的心理模型建构 (mental modeling)过程包含四个阶段的循环:激活原有心理模型中的错误概念;对模型中的元素产生不满 (产生认知冲突);创建新模型,学生审查和修改该模型的元素,或重建新模型;使用新模型(见图 1)。

图1 概念转变的心理模型建构过程

(一)激活原有心理模型中的错误概念。在接受系统的科学训练前,儿童的日常经验使他们对客观世界的各种自然现象初步形成了自己的看法和解释,从而建构了大量朴素概念(naive idea),一些研究者也称之为朴素理论(naive theory)或朴素模型 (naive models)[4]。朴素概念中有的部分与科学概念相容,为以后接受科学知识打下基础,奥苏伯尔称之为新知识的固定点或先前知识;另一些却与科学概念相冲突,被称为“错误概念”(misconception)。错误概念具有广泛性、隐蔽性、顽固性等特点。不仅是儿童,就算是在接受了正规科学教育的成人头脑中也屡见不鲜,因为这些概念通常能“解释”一些表面现象,符合直观观察,所以在他们的头脑里是“合理的”。学生在学习或感知典型的科学事物时,或者感知描述典型科学事物的语言,陈述科学知识或准备知识的语言以及相应问题时,必须激活与问题有关的已有知识经验(原有心理模型中的错误概念),才能引发其认知冲突,促使学生进行新模型的建构活动。

(二)对模型中的元素产生不满 (产生认知冲突)。即认识到目前的心理模型不能解释观察到的数据和现象,于是产生认知冲突。学生在学习科学概念之前已经具有理解外部世界的心理模型,这个心理模型往往是不科学的,学生的学习就是一个不断由不科学的心理模型向科学的心理模型转变的过程。为了促进心理模型的转变,必须让学生认识到目前持有的心理模型与接触到的资料不相符,学生进入课堂的时候不是带着空白的头脑,而是已经具有表征物理世界的心理模型,只不过这些模型常常是错误的。于是学生要将自己原有的心理模型与表征物理世界的目标模型 (target moduel)进行比较,如果他们能够认识到两者之间的差异,就会产生认知冲突,从事各种建构活动,例如推论(其中包括自我解释推论)、提问、回答问题、解释、总结,等等,于是学生产生新的命题和联结,获得新的组织原则,一个新的心理模型就出现了。

(三)建构新模型。即通过建构活动和类比,建立一个新模型,解释观察到的事实。一旦学生产生了认知冲突,认识到他们的心理模型是有缺陷的,下一步就应该进行各种建构活动,创建新模型。在这一过程的教学中,教师应促进学生进行各种建构活动。类比已明确地用于帮助学生克服一些错误概念,尤其是在一些常见的错误概念中,使用“桥式”(bridge)类比有很好的效果。例如,以“水流”来类比“电流”、以行星围绕太阳运转来类比电子绕原子核。好的类比应具有更显著的语义上的相似性,结构上的对应性,以及实用上的相关性。类比能引发学生对主题的思考。

(四)使用新模型。即使用新模型描述、解释、预测和推论新的情境中物质实体运行的表现,以充分理解模型的意义并检验之。虽然新的心理模型已经建立起来,但整个建构过程还没有结束,如果要使心理模型真正地成为知识体系中的一部分,还要知道如何运用心理模型,并在此基础上做出解释、推论和预测,主要有检验模型的内部一致性,以判断是否需要修正模型;利用已效化的模型求得解答、解释或判断问题解答的适当性;使用已验证的模型解决新情境的问题。

三、促进概念转变的策略

(一)聚焦学生心理模型中的错误概念。

为了促进学生概念转变,首先是让学生认识到目前持有的心理模型与接触到的资料不相符,学生进入课堂的时候不是带着空白的头脑,而是已经具有表征物理世界的朴素心理模型,只不过这些模型常常是错误的。有两个典型的朴素心理模型的例子:一个是曲线动量错误,绳上的一个球以圆形轨迹旋转,如果任其运动,球的运动路径将会怎样?正确的答案是球按照圆的切线方向运动,但有相当数量的人认为球应按照圆形路径运动。另一个是滑落错误,如果球以一定的速度从桌边滑出,球的轨迹将会怎样?正确答案是球应该按照抛物线下落,但有人认为球将水平向前运动,当动量耗尽时开始下落。这些错误概念背后往往有更深层次的心理模型支持,上述两个错误概念就涉及对运动的根本理解,而且学生能根据心理模型,自认为正确地解释一些现象,因此自己意识不到持有的概念是错误的,更不必说要改变原有的错误概念[5]。

由于错误概念具有隐蔽性,教师通过行为观察很难知道学生拥有的错误概念,因此有必要采用多种方法来揭示学生的错误概念。了解或诊断学生的错误概念的有效方法主要有调查问卷、访谈、绘制概念图、描述等,随着计算机技术的发展,数据库、语义网络、专家系统、视觉化工具等技术工具也不断被开发出来专门用于支持心理的表征和模型建构。

(二)引发学生的认知冲突。

所谓认知冲突 (cognitive conflict),是人的原有心理模型与新感受到的事件或客体之间的对立性矛盾,学习者需要对新信息或原有心理模型做出调整以解决冲突。学生在学习新的科学知识之前,头脑绝不是一片空白,而是有了形形色色的原有心理模型,在学习新知识时,他总是试图以这种原有心理模型来同化对新知识的理解。当遇到不能解释的新现象时,就会引发认知冲突。一旦引发认知冲突,就能激起学生的求知欲望和好奇心,促使学生调整、修改和转变原有心理模型。所以说,引发认知冲突是促使学生建构新的心理模型和实现概念转变的契机和动力。

如何引发学生的认知冲突呢?一般认为有两种策略:(1)通过特殊文本产生认知冲突。古泽蒂等人 (Guzzetti et al.,1993)[6]认为有两种文本,一种是批驳性文本,也就是直接呈示学生的错误概念,然后予以批驳,接着再呈现正确的科学概念;另一种是非批驳性文本,在这种文本中,首先呈示与错误概念无直接关系的新信息,以此来激活学生头脑中与新信息相关的原有的错误概念,进而促使学生对原有的错误概念与新信息之间的异同点作出比较,由此引发认识冲突。(2)通过合作学习中学生的讨论与对话引发认知冲突。社会建构主义认为,认知冲突是由他人的不同观点引发的。对于每个学习者来说,由于对问题的认识的深度和广度不同,对事物的理解都会受到自身条件、认知水平的局限,尤其会受到原有心理模型的影响。因此,对同一问题的认识往往会因人而异,有的较全面,有的较片面,有的较深刻,有的则完全错误。这样,学习者之间就会产生不同观点的对立、交锋,从而引发学习者的认知冲突,即当学习者发现自己所持的观念与他人不同时,他们往往会对自己先前所持有的这些观念产生怀疑,进而引发认知冲突。“处于同样认知水平的同学之间通过同略有差异的观点与认识的碰撞,各自产生内部的认知冲突,这种认知矛盾的解决将会引起每一个个体内部的知识的重新建构。”[7]总之,只有通过这种认知冲突,学习者才易于接受新的、正确的科学观念,实现心理模型的转变。

(三)通过类比推理,建构新模型。

一旦学生产生了认知冲突,认识到他们的心理模型是有缺陷的,就要鼓励学生进行各种模型建构活动,以创建新模型。萨阿里 (Saari, 2003)[8]指出,建模是一个相当抽象的过程,因为它不只是实体简单地复制而已,而是包括建构无法观察到的物体或事件。学生必须通过高层次的思维,才能建构出正确的模型,然而大多数的学生都缺乏抽象思维能力。因此,必须采用类比教学策略以促进学生建立新模型。

布朗和克莱门特 (Brown and Clement, 1989)[9]提出的类比策略包括四个基本步骤: (1)创设靶例。创设一个“靶子”问题,用以暴露儿童正在讨论的相关主题的前科学概念。例如,大多数初学物理的儿童对于静止在桌面上的书会受到向上的力这一点,普遍存在错误的观点,认为桌子是被动的,不可能对书施加向上的力。(2)创设锚例。教师举出一个符合儿童直觉的类比例子 (例如让儿童用手托住一本书),这个例子被称之为“锚例”,“锚例”的直觉含义是初学者所持有的和科学理论基本相容的信念,这种信念可以是明确的,也可以是缄默的。(3)建立类比。教师要求儿童在“锚例”和目标概念之间做出明确类比,并试图建立类比关系。(4)提供“架桥”。如果儿童没有接受这种类比,教师再试图找到一种架桥类比 (或者一系列架桥类比),即在目标和“锚例”之间插入“概念化的中介物”。例如,儿童虽然不能理解在桌面上的书会受到向上的力,但能够理解在自己的手向下压弹簧时,弹簧会产生弹力。因此,可以用放在弹簧上的书作为概念化的中介物。实验研究表明,布朗和克莱门特提出的类比策略在促进学生学习力学等关系本体类别的概念时有很好的效果。

类比不仅对于促进学生理解科学概念具有显著的作用,同时,更可以作为概念转变的有效工具。正如范维拉和特里格斯特 (Venville and Treagust,1997)[10]在讨论类比教学的优点及缺点时指出的,类比教学的优点主要有:(1)类比教学能协助学生联系已有的知识来建构新的知识,因而是非常有用的教学策略;(2)类比教学在协助学生把抽象概念或看不见的现象具体化方面亦很有价值;(3)类比教学能引起学习动机。如果教师所采用的比喻能对应于学生的实际经验,学生便会产生一种自发的学习兴趣。当然,类比教学也具有局限性,正如格林(Glynn,1991)[11]指出的:类比是一把双刃剑,可成就亦可能误导学习,因为类比物不可能与目标物完全吻合,由此可能导致学生产生错误概念,阻碍学生对新概念的学习。因此,教师应当指出类比在何处是不适用的,不确切的。此外,教师应尽量使用学生熟悉的那些事物作类比,应清晰地表明类比之间在语义和结构上的相互对应。总之,无论促进学生的建构活动,还是提供相似而具体的模型作类比,都能帮助学生替换朴素的心理模型,建构科学的新模型。

(四)使用新模型,进行科学推理。

新的心理模型的建立,并不代表整个建模过程的结束。如果要使心理模型真正地成为知识体系的一部分,还要在新的情境中运用心理模型,进行科学推理,并在此基础上进行模型验证和模型展开,这样才算完成整个的概念转变过程。诚如哈罗英(Halloun,1996)[12]指出的,在传统的教学过程中,模型验证和模型展开这两个步骤常被忽略,因此,通过互动(interactive)和论证(dialectic)的过程,有助于学生在建模过程中发展其模型的有效性和展开性。赫斯坦斯(Hestenes,1997)[13]则指出,模型的发展和模型的应用是其模型建构过程中很重要的活动。

库恩等人 (Kuhn et al.,1992)[14]指出,科学推理是已有理论 (新模型)与新事实之间的相互协调。协调意味着它们之间的交互矫正,事实是评价、调整新模型的基础,而新模型又决定了事实探索的形式和方向。模型与事实间的成功的协调依赖于两种基本能力。首先,学习者要能够反思自己新模型,把新模型作为认知对象,并乐于接受它为错的可能性;其次,学习者要能够辨认出否证这一新模型的事实证据,即知道什么样的事实会否定自己的新模型。而推理有两种重要方式:排除 (exclusion)和包含(inclsion)。所谓排除,即在非共变性事实基础上推断某种因果关系不存在。所谓包含即在共变性事实的基础上推断某种因果关系的存在。在这两种方式上,学生都常常会表现出某些错误倾向,比如,儿童经常错误地将时间先后关系确认为因果关系,另外,他们往往在探索中忽视那些自认为无关因素的影响,这常常会漏掉那些可能会否定自己的新模型的事实信息。

如何提高学生的科学推理能力呢?劳森和斯尼特金 (Lawson and Snitgen,1982)[15]的研究表明,当提供了直接教学时,学生在如何检验生物理论假设上测验分数获得很大提高。凯里等人 (Carey et al.,1989)[16]研究发现,让七年级学生参与为期三周的科学教学单元,教学中重视发展科学推理,其中包括集中探索一些课题,例如“为什么酵母、面粉、糖、盐和温水在一起会产生气体?”参与的学生在科学知识建构和科学推理上都有了很大的提高。总之,研究表明,科学推理是可教的,教师能够帮助学生以新建的模型为基础做出推理和假设。

四、结语

综上所述,概念转变的心理模型建构论认为,概念转变是一个由内在的朴素心理模型向科学的心理模型转变与建构过程。据此,概念转变不能仅仅从概念本身入手,更重要的是要关注支撑概念的心理模型的转变与建构。只有改变学生的心理模型,才能有效促进学生的概念转变与发展。基于心理模型建构过程,教学中必须采用多种方法和策略,以更有效地促进学生进行心理模型建构。

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On the Process and Strategy ofM entalM odel Construction of Conceptual Change

YUAN Wei-xin
(School of Education Science,Huaiyin NormalUniversity,Huaian,Jiangsu 223300,China)

According to the cognitive psychology viewpoint,conceptual change is the process of the change and construction from student’s intrinsic naive models to scientific mentalmodels.Mentalmodel construction includes four stage circulations:activating on misconception of originalmentalmodels;producing dissatisfaction in the model element(producing cognitive conflict);constructing new model and using new model.The strategy of conceptual change include:focusing on the misconception of student’s mentalmodels;initiating student’s cognition conflict,analogical reasoning;constructing the new model and using new model and scientific reasoning.

conceptual change;mentalmodel construction;process;strategy

G44

A

1007-8444(2010)01-0125-05

2009-10-09

2006年度江苏省教育厅高校哲学社会科学研究项目(06SJB880008)。

袁维新 (1954-),男,江苏淮阴人,教授,主要从事课程与教学论和科学教育理论研究。

责任编辑:孙义清