概念转变研究的内容分析

摘要： 对813篇有关概念转变的SSCI文献进行了内容分析，结果显示当前国际概念转变研究领域有以下热点方向： 第一，基于学习进阶的概念转变研究;第二，概念转变教学落实于个体对概念的科学理解研究;第三，基于学生认知发展的心智模型研究。

关键词： 概念转变; 学习进阶; 心智模型; 概念理解

文章编号： 10056629（2018）12001806中图分类号： G633.8文献标识码： B

概念转变是个体认知冲突的引发和解决的过程，具体表现为个体已有概念受到与其不一致的新知识的影响而发生重大改变，由迷思概念（又称相异构想）向科学概念转变的过程[1]。概念转变包括两种形式： 一是同化，当新概念与学习者原有经验一致时，概念转变以完善丰富原有概念的方式进行;二是顺应，当新概念与学习者头脑中的原有认知结构发生冲突时，概念转变起到调整和改造原有概念的作用[2]。

Posner于1982年提出了概念转变模型（Conceptual Change Model），认为概念转变的实现必须满足四个前提： 第一，对原有概念的不满足（Dissatisfaction）;第二，对所学概念的真正理解（Intelligibility）;第三，所学的概念具有合理性（Plausibility）;第四，新概念具有有效性（Fruitfulness）[3]。Hewson将合理性、有效性和可理解性这三个条件定义为概念的状态，其中，概念的状态与概念转变发生的概率呈正相关的关系;并且原有概念能像新概念一样影响着概念的转变，彼此相互作用[4]。此后，Pintrich等人突破概念转变模型仅限于认知方面的局限，探讨了学生的学习目标、情感态度、自我效能感和价值观在概念转变过程中的作用[5]。Tyson等人在综合前人研究成果的基础上，提出了“多维解释框架”这一理论，从不同方面（认识论、本体论、社会与情意）来阐述概念转变的发生[6]。经过30多年的发展，概念转变研究已经从科学认识论、本体论、心智模型以及知识碎片化理论等各个视角得到了深化和发展[7]。

本研究以Web of Science数据库2010年以来的SSCI文献为数据源，对当前国际概念转变研究文献进行了内容分析，希望能为我国概念转变的相关研究提供借鉴和参考。

1 研究方法

通过Web of Science数据库获取了2010年以来主题为“conceptual change”的813篇SSCI论文。对这813篇论文的关键词进行统计，通过BICOMB 2.0来设定高频关键词词频并构建关键词共现矩阵和词篇矩阵。获取高频关键词之前，对内涵一致或接近的关键词进行统一化。如将Misconception、 Alternative conception、 Alternative framework、 Fuzzy conception统一为Misconception。然后，进行社会网络分析，使用UINET 6.212对共现矩阵进行转化，并绘制社会网络关系图。最后，将词篇矩阵导入到SPSS 22.0，进行聚类树状图的绘制。通过关键词社会网络和聚类图对国际概念转变研究展开内容分析。

2 研究结果与分析

2.1 高频关键词及分析

对论文中的关键词进行词频统计分析，高频关键词阈值的确定依据普莱斯计算公式： M=0.749Nmax，其中M代表高频关键词阈值，Nmax代表区间学术论文被引频次最高值。统计的813篇论文中，被引频次最高的是来自《JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING》于2010年第47卷第8期出版的一文——“Connecting High School Physics Experiences， Outcome Expectations， Physics Identity， and Physics Care”，该文的被引频次达到了94次。依据普莱斯公式求得M≈7.26，即高频关键词的阈值要大于或等于7。根据研究需要，我们最后抽取词频≥7的高频关键词，共30个。其出现的总频次为626次，占关键词总频次2959次的21.051%。具体结果见表1。

这一结果初步说明了概念转变研究是当下国际科学教育领域的热点研究方向。其中对个体科学概念学习过程中的心智模型、迷思概念以及个体的概念发展研究是学者重点关注的内容。此外，个体概念学习过程中的动机及其评价研究也受到了不少学者关注。可以看出，国际上有关科学概念学习的研究主要以概念转变理论为基础，然后围绕不同研究主题（如迷思概念、心智模型、科学本质等）进行相应的拓展和延伸。

2.2 高頻关键词社会网络分析

只是对关键词出现的频次进行统计分析对窥探国际上有关概念转变研究的热点是远远不够的，并且关键词词频的统计分析并不能可视化关键词之间联系的紧密程度。为了更深入地挖掘高频关键词之间的内部关联程度，基于BICOMB 2.0导出的关键词共现矩阵，我们使用UCINET 6.212软件对关键词进行可视化的分析与统计，结果见图1。图中的正方形代表一个关键词的节点，关键词的节点越大表明它在整个社会网络中的重要性越大，并且它在控制其他节点共现的能力方面也越强;节点之间的关系用实线连接，实线越粗，代表相互之间的关系越强。

从节点的大小来看，“概念转变”的节点最大，其次是“迷思概念”、“科学教育”。它们对其他关键词共现的控制能力也最强，说明上述三个关键词在整个社会网络中具有重要作用。从各个节点之间的联系来看，“概念转变”“迷思概念”和“科学教育”不管是连线的数量还是粗细，在整个社会网络中都十分抢眼。科学教育要实现学生对概念的科学理解及其科学素养的提升，势必要重视学生头脑中迷思概念的转变和发展。科学教师需要对学生概念理解的心智模型进行科学的表征，进而展开有效的科学探究活动来促进学生迷思概念的转变。从整个社会网络来看，下边的  “认知冲突”“推理”以及“元认知”与上边的“概念转变”“迷思概念”“科学教育”之间的距离很远，这表明它们在整个社会网络中处于比较边缘的地带，是未来值得继续关注的模块。

为避免因主观判断引起偏差，我们运用三类中心度（Centrality）指标来对图1的社会网络关系进行客观的描述。主要有点度中心度、接近中心度和中介中心度三个指标，前两个指标低，最后一个指标高代表了该学科领域未来发展的趋势。结果显示： 概念理解、科学本质、模型以及模拟等关键词的点度中心度和接近中心度较低、中介中心度较高，说明未来科学概念的学习，对于学生迷思概念转变的研究更关注于学生对科学概念理解的研究，即学生的概念转变要为了其理解而教。有学者也指出： 近二十年国际科学概念学习研究中有关概念理解的研究越来越多，概念转变的研究越来越少[8]。此外，借助模型（Model）、仿真模拟（Simulation）以及数字化实验软件等可视化途径来促进学生对科学概念的理解是未来科学教学的热门手段和途径。可视化技术既能够把无法直接观测的科学概念（元素、密度以及电子等概念）以图表、模型等形式形象地呈现出来，也能实时、动态地具化抽象科学概念，科学课堂借助可视化技术的辅助教学能够有效地促进学生对概念的理解，从而帮助学生形成科学本质观。

2.3 高频关键词聚类分析

基于社会网络和高频关键词中心度的分析，发现了概念转变领域热门的高频关键词以及关键词之间的内部联系。继续对关键词进行聚类分析，以获得基于高频关键词的国际概念转变研究的重要类别，结果见图2。图2树状聚类团的连线由近及远地将国际概念转变研究分为5个领域。其中，前4个领域更为重要，在此分别展开说明。

领域一中，关键词“概念转变”处于整个领域首要位置，主要有“学习进阶”“评估”“科学教育”等关键词。美国国家教育理事会于2007年颁布的《将科学带进K8年级的科学学习和教学》提出了学习进阶（Learning Progressions， LPs），指出未来的教学要能够支撑学生在不同科学学科核心概念上的学习。学习进阶被认为在整合课程、评价和教学这三方面的作用巨大[9]。从图2中可以看到关键词“学习进阶”和“评价”之间的距离很近，并聚成一个小类。表明对个体概念的学习进阶评价是当前国际科学教育领域的热点方向。当前西方有关学习进阶的评价方式主要有以下集中比较流行的模式： 伯克利评价研究系统，也称四基石评价模型;以化学家观念为框架的ChemQuery评价系统;以证据为中心的评价设计;以学习目标驱动设计为基础的结构中心设计法[10]。

领域二主要由“心智模型”“认知发展”“概念发展”“物理教育”和“小学”构成。以Vosniadou为代表的学者于上世纪90年代初在进行概念转变研究过程中，对儿童物理概念的学习和认知发展进行了大量的心智模型的构建研究，提出了著名的认知架构理论和心智模型。心智模型往往被指代在个体认知功能运行期间（新信息被整合到学生已有的经验之中）所产生的观念架构，它是个体心理活动的特殊表征形式，是个体对事物状态的一种模拟表征形式，它的特殊之处在于保留了事物所应该具有的结构特征[11]。也就是说心智模型是一种动态的、可生成性的表征，这种表征是可以从心理上进行操控的，它是对具体现象产生原因的解释，是对真实世界事物状态的预测，它产生于个体需要解决具体问题的情景之时[12]。从这个角度来看，学生概念转变的实质就是个体用以表征科学概念的心智模型的不断修正与完善。Reinfried指出： 学生心智模型的形成和发展显著性依赖于其已有的相关经验和知识，因此，在探测学生概念的转变和发展时，关注学生在此阶段的心智模型以及其认知发展的特点，有助于研究者更好地了解学生的观念架构[13]。同样的，探测学生头脑中已有的观念架构对其学习新概念过程中心智模型的形成和发展也有重要作用。

领域三中主要由“认知冲突”“概念理解”“建模”“元认知”和“探究”构成。其中，“认知冲突”和“模型”聚成一个类别，“元认知”“概念理解”和“探究”3个关键词构成另外一个类别。前者侧重模型建构在解决认知冲突过程的应用研究;后者关注学生的已有经验，并强调通过探究性活动促进学生概念理解的研究。通过创造情境来引发学生的认知冲突，进而使用模型建构和建模教学帮助学生解决其认知上的冲突，有利于促进概念的理解。一旦学生产生了认知冲突并认识到自己的知识系统是有瑕疵的，那么下一步就应该对科学概念进行意义建构，进而解决这一认知冲突。学生在认知冲突不同阶段主要有以下几个重要的环节： 第一，创设情境，探测已有概念，所有学生通过合作学习或探究性试验，运用已有的知识经验来建构模型;第二，引發认知冲突，解构迷思概念，学生在设计模型的过程中产生认知冲突，他们渴望解决冲突并由此构建新知识;第三，解决认知冲突，建构科学概念，学生依靠科学模型解决了其认知上的冲突而建立起对概念的科学理解。

领域四中共包含了“科学本质”“概念转变文本”“建构主义”和“论证”6个关键词。建构主义理论认为，学生对学习内容的理解和掌握是通过主动建构实现的，学习者对新知识的同化既可以借助原有认知结构中的相关经验，也可通过改造、重组原有的认知结构来完成。科学教育的重要目标之一就是帮助学生理解科学的本质，然而，传统课堂的科学教学并没有提高学生对于科学本质的理解。il使用概念转变文本和探究教学两种教学模式进行了实证研究，并比较了它们对科学本质理解的有效性，结果显示： 使用概念文本教学的实验组在理解科学本质的试验性、实证性、创造性以及推论性等方面显著优于实施探究教学的控制组[14]。科学教育不能被理解为仅仅只是事实的积累或真理的简单传递，要关注学生在新概念学习过程中的类比推理等逻辑思维的发展，要重视学生科学论证能力的发展。常见的科学论证方式有文本和图示两种，其中，图示论证能够表征个体推理过程中最常见和最常用的抽象形式，并能整合其推理过程的逻辑原理与语义概念，通过辨识个体的论证结构，并采用科学论证图示的测评，能够重构个体所消失的推理能力以及基本观念，这对于想要促进学生概念转变的教师来讲具有值得借鉴的意义[15]。

3 结论与讨论

本研究基于文献计量的内容分析梳理了813篇有关概念转变研究的SSCI文献，尝试通过可视化手段总结当前国际概念转变研究的热点和动向。其中，“概念转变”“迷思概念”“科学教育”“理解”“论证”“心智模型”等关键词是近年来国际概念转变研究的关键词汇。围绕这些关键内容，当前国际概念转变的研究热点主要包括以下方面：

第一，基于学习进阶理论的概念转变研究。在对科学大概念的学习研究中，学习进阶不仅为科学大概念的学习和评估提供了理论基础，还展现出了更强劲的适切性和韧性。学习进阶可以理解为当人们将概念转变研究的时间单位拉长，并对概念转变的模式进行整合，就能对一段时间内的概念转变的模式建构认知模型[16]。学习进阶量化了学生认知过程中的不同水平，进阶过程中的每一水平强调综合性和适当性的发展步调，这样的进阶更能促进学生熟练地理解大概念。学习进阶的发展其实是实证检验和理论提升的迭代循环过程。西方国家从上世纪80年代起积极关注学生迷思概念转变的研究，在步入新世纪后，随着美国国家教育理事会于2007年提出“学习进阶”一词后，概念转变的研究热点开始转向学习进阶的研究。

第二，基于个体心智模型构建的迷思概念转变研究。解析个体的心智模型能够帮助研究者深入剖析学生已有的观念架构，从而为促进个体的概念转变提供科学的实证依据以及为科学教师实施课堂教学提供相应的策略。个体心智模型具有内隐性、间接性和抽象性，因此需要使用一些可视化的手段使其外显，如文本、概念图、草图和图画，等等。与“概念”相比，“观念”一词能更全面地体现和涵盖个体对知识的感知、体验与领悟，这是因为科学概念强调理科学科本体的东西，而“观念”是从认识论的角度出发，是客观事物在人脑中的反映，是个体主观的感知与思维[17]。由此来看，个体心智模型所具有的内隐性、间接性和抽象性与观念有内在的一致性。所以，对学生心智模型的研究以及学生学习前后观念所发生的变化研究同样值得我们关注。个体已有的观念框架对于新概念学习过程心智模型的形成和发展有十分重要的影响。而从“概念”到“观念”的嬗变，将是未来我国科学教育领域中理科知识教学研究需要关注的热点方向[18]。

第三，概念转变的研究最终要落实于个体的科学理解。美国国家科学教育标准将科学概念的理解定义为需要个体整合不同类型知识的复杂结构，包括各类科学概念、不同概念之間的联系以及这些联系之间的因果关系，使用概念来解释与预测其他自然现象的手段以及将概念运用到其他情景中的方式[19]。然而，在不丢失概念理解本身所蕴含的复杂性的情况之下来准确定义概念理解是很难的，因为个体的理解水平随着年龄的增长会一直发生变化并永远不能达到完全。并且，个体无法处理概念问题并不能说明其完全不具备某些核心概念的构想，只能说个体对概念的理解水平还不充分。概念理解的获得并不是一蹴而就的，学生从习得某些科学概念到真正理解这些概念往往需要几个月的时间。传统教学之所以不能使大多数儿童获得对核心概念的良好理解往往是因为缺乏合理的有效教学，有效的教学实践旨在通过使学生参与各种探究活动和实践来建立新概念的合理理解。因此，教师可以通过开展探究性活动帮助学生积极地参与到新概念的学习中来，亲身的经历和体验能够具化抽象概念、加深学习印象并促进概念的迁移与应用。

概念转变是心理学和教育学领域的问题，概念转变教学是当今我国乃至国际科学教育领域的重要研究课题。通过对学生迷思概念有效深入地研究，将新知识所赋予的内涵与个体已有相关经验进行有意义地联系，从而促进学生基本观念的建构，有利于全面提高学生的学习能力和科学素养以及优化课堂教学效果。此外，概念转变理论为科学教师更全面地了解学生前概念和更有效地运用概念转变教学策略提供了理论基础，为基于概念转变的课程开发和概念转变教学提供了科学依据。

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