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1、走进高中物理新课程:科学教学与研究的新视角:概念转变,一、传统科学（物理）教育的审视二、科学哲学与学习理论的现代发展三、前概念四、概念转变的基本理论五、概念转变的基本策略,一、传统科学（物理）教育的审视,传统科学教学的隐喻：知识是由教师的脑袋经由一根导管传送到学生的脑袋，就像装满水的桶把水传送到一个个空的杯子里去一样。,课程的内容绝大部分是由教科书以及考试题所决定。教学的着眼点在学生对于事实和运算规则的学习，并做机械化的训练，越熟练越好。学生则被动地接受老师灌输的知识而将其储存在记忆之中，在考试时准确地复现在考卷上。,发现教学法在1960年代被科学教学采纳，从偏重科学知识的灌输转移到兼顾科学过
2、程（尤其是观察的技能）的培养和对归纳推论科学方法的倚重。发现式教学法的基本理念认为，学生经由客观、毫无成见的观察必然会得到概念上的理解，但从现代心理学和科学哲学的观点审视，这是不能成立的。,奥苏贝尔关心的是和学科内容有关的信息的结构；皮亚杰关心的则是和一般逻辑推演有关的结构。两者都是学生经由和环境的交互作用而建构出来的。学生概念的形成，除了逻辑思考能力以外，还有其他的重要因素。,从科学哲学的视角看，经典科学观的基本观点有：自然界是真实和客观的。科学知识是有效的。科学知识的证据来自观察。科学知识的有效性可以通过实验加以检验。科学知识具有特殊的认识论地位。科学知识是一种不断增加的事实资源。,二、科
3、学哲学与学习理论的现代发展,科学本质观的现代变革,科学哲学的现代发展对我国科学教育的启示：1、具备丰富的背景知识，有充分的心理准备，专注于某一个问题的思考，才可能抓住偶然的机遇。2、科学发现与科学创造是复杂地纠缠在一起的，难以区分。3、“科学发现”必须以“科学创造”为前提。4、新范式逐渐地演化为旧范式。5、批判思维能激励创造思维。6、科学家的概念改变并不只是单纯的智力过程，也包含社会协商的历程。7、学生所树立的科学观正确与否和科学知识的多少并不成正比。8、重新考虑科学课程知识论的基础。9、倡导开放性、发展性和多变性。,现代心理学的启示：建构主义学习理论 人类已经进入创建学习科学的新纪元，一场彻
4、底改变人类学习的理念与方式的革命已经兴起。,建构主义知识观：建构主义者一般强调，知识不是对现实的纯粹客观的反映，任何一种传载知识的符号系统也不是绝对真实的表征。它只是一种解释、一种假设，它并不是问题的最终答案，相反，它会随着人类的进步而不断地被否认，并随之出现新的假设；而且，知识并不能精确地概括世界的法则。按照这种观点，课本知识只是一种关于各种现象的较为可靠的假设，而不是解释现实的“模板”。科学知识包含真理性，但不是绝对正确的最终答案，它只是对现实的一种更可能正确的解释。另外，知识在各种情况下应用并不是简单套用，具体情境总有自己的特异性，所以，学习知识不能满足于教条式的掌握，而是需要不断深化，
5、把握它在具体情境中的复杂变化，使学习走向“思维中的具体”。,建构主义学习观：建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。因此，建构主义学习观认为，学习不是由教师把知识简单地传递给学生，而是由学生自己主动建构知识的过程。建构必有基础，基础就是每一个人原有的知识和经验，这就是知识的生长点，也可以说知识是通过新旧经验的相互作用“生长”出来的。学习的结果在于意义的获得，对新信息形成自己的理解。学习不只是印入信息，而是调动、综合、重组甚至改造头脑中已有的知识经验，对所接受到的信息进
6、行解释，生成了个人的意义或者说自己的理解。,建构主义教学观：在教学中，教师不仅要让学习者知道什么，更可贵的是要让学习者感受到什么；知识的意义不能直接传递，对知识的情感就更不能传递了。教师不只是关注如何呈现、讲解、演示信息，更重要的是，要创设一定的情境，促进学生自己主动建构知识的意义，时刻关注、了解、探知学生头脑中对知识意义的真实建构过程，并适时提供适当的鼓励、辅导、提示、点拨、帮助、支持，进一步促进学生的建构活动。,图1 鱼就是鱼,“鱼就是鱼”这个故事说明，学习总是建立在学习者原有知识基础之上的。没有基础我们就无法理解自己到底在干什么。,学生经由日常生活和原先的学习经验，对于教科书的内容常常在
7、正式教学之前已自行形成了一些概念架构，而且他们是利用这些原有的概念架构来解释和理解教师的讲解和教科书的内容，然而，学生原有的概念架构常常和教科书或学科专家及教师的讲解所持的不同，而且极其不易改变。,三、前概念（preconception）,前概念基本上包含以下几方面含义：学生在学习前就存在着对科学事件的个人认识；学生的个人认识是其知识框架的一部分，是学习新知识、解决新问题的基础；学生的前概念虽然可能是错误的，但对于解决日常问题十分有效，这也是为什么学生不愿意放弃前概念的原因之一；学生科学概念的形成与科学家的研究过程是一致的，因此必须重视学生的认识过程。,迷思概念（misconception）“
8、迷思概念”是指学生在接受正规的教育之前，对于自然界的一些现象已有自己的想法，这是其自行所发展出来的概念，是不同于科学家的科学概念的。,迷思概念的特征：1、不完备性 2、个人性3、顽固性4、情境性5、普遍性6、历史相似性,迷思概念产生的原因：1、个人因素（1）日常的观察与经验 迷思概念可能起因于学生企图去理解每天日常生活中的经验，透过此理解的过程，学生会发展自发的概念，其中也会包括某些迷思概念。学习者易以个人为中心或是以人类为中心来看事物，只考虑事物的本质，并且直接从日常生活经验来建构知识。（2）原有知识的不足 学生在学习时，是以其先入为主的观点来解释所见所闻，因此他们所得的结论和解释很可能会和
9、教师或课本所要教的不同。由此可见，学生原有知识的不足很可能引发其迷思概念的产生。由于知识的不足，易以偏概全，从而产生迷思概念。,2、社会文化因素（1）文化语言汉字的词素 一般科学词汇的构成和中文的构词有密切关系，如了解“电”的词义，凡与“电”合成的词，如电灯、电线、电话、电表、电车、电风扇等，都有“电”的性能作用，学生利用中文词素中的词根的意义，很快就掌握了许多科学词汇。但也会造成干扰的现象，如“磁铁”、“黑洞”、“鳄鱼”、“鲸鱼”、“蚕豆”。（2）社会互动 在日常生活中，与朋友、父母和其他人（包括各种媒体）的交往谈话中，学生舍取了零星的科学知识和另有概念。,3、教师与教科书因素（1）教师因素
10、 教师有可能在教学过程中有错误的诠释，缺乏科学知识的本质的了解，或是企图简化概念，而来提供对于概念描述，教师对儿童迷思概念缺乏察觉心及兴趣、教师认为讲述时只要涵盖概念，学生就能理解学会。教师过分强调讲述法，如此都可能使学生产生迷思概念。（2）教科书因素 教科书对于概念的不同定义和说法，会对学生的概念理解造成干扰和误解。,四、概念转变的基本理论,（一）概念转变的条件 在面对新、旧概念冲突时，在何种条件下学习者才会转变已有概念呢？对此，波斯纳等提出了概念转变的四个条件：对现有概念的不满（dissatisfied）；新概念的可理解性（intelligibility）；新概念的合理性（plausibi
11、lity）；新概念的有效性（fruitfulness）,对现有概念的不满：只有感到自己的某个概念失去了作用，他才可能改变原有概念，甚至即使他看到了原来的概念的不足，也会尽力作小的调整。个体面对原来的概念所无法解释的事实（反例），从而引发认知冲突，这可以有效地导致对原有概念的不满。新概念的可理解性：学习者需懂得新概念的真正含义，而不仅仅是字面的理解，他需要把各片段联系起来，建立整体一致的表征。,新概念的合理性：个体需要看到新概念是合理的，而这需要新概念与个体所接受的其他概念、信念相互一致；与自己其他理论知识或知识的一致；与自己的经验一致；与自己的直觉一致。个体看到了新概念的合理性，意味着他相信新
12、概念是真实的。新概念的有效性：个体应看到新概念对自己的价值，它能解决其他途径所难以解决的问题，并且能向个体展示出新的可能和方向，具有启发意义。有效性意味着个体把它看作是解释某问题的更好的途径。,（二）概念转变的影响因素 反例(anomalies)：不满足的主要来源就是在概念生态中，必须有反例存在；类比或隐喻(analogies and metaphors)：类比与隐喻可以提供新的观念，使得新的概念变得可理解；认识论信念(epistemological commitments)：大多数的知识领域都具有判断何者为成功解释的标准；形而上的信念与概念(metaphysical beliefs and
13、concepts)：在科学观念里，关于宇宙具有秩序、对称，或是不混乱的信念，通常在科学工作时决定了新概念应该被接受或是丢弃；其他的知识(other knowledge)：新的概念必须要比在其他领域的知识，或是竞争的概念，具有更多发展的前途。,（三）概念转变的方式与途径1、概念转变的方式 丰富 重建,丰富：该模式首先按已有认知结构的改变方式将概念转变类型称之为“丰富”。指在现存的概念结构中概念的增加或删除。人们在生活中获得的大量知识充实着他们原有的知识。充实的另一种形式包括对现存概念结构的区分、合并以及增加层级组织。总之，这一途径涉及到原有概念结构的量的扩展（enlargement）。,重建：重
14、建意味着创造新结构，这种新结构的建构或者为了解释旧的信息，或者为了说明新信息。心理学家对不同的重建类型作了区分。其一是区分弱势（weak）与根本（radical）重建。弱重建就是在某一概念或一整套概念的内部结构中进行重组。根本重建就是考虑理论中的变化，类似于科学史中理论的改变。根本重建发生在个人获得一种新理论之时，这种新理论不同于其原有结构中的老理论,2、概念转变的途径 连续途径 不连续途径,连续途径：连续途径试图避开在不连续途径中的基本的重建的需要，其概念转变开始于同科学概念一致的学生原有概念结构或是对已有概念的重新解释。在第一种情况中，其要点是概念的变更和目标概念的协调是逐步发展起来的。在
15、第二种情况中，“重新解释”策略稍有不同。与之类似的是虽然它也是从学生的原有概念开始，但对它已用新的方式作出了解释。连续途径不需要重建科学概念结构，它只是在原有概念基础上的扩展或重新解释。,不连续途径：不连续途径的显著特点是学生已有概念与科学概念是完全不同的。在不连续途径中，认知冲突策略起关键作用。认知冲突主要有以下三种：首先，认知冲突产生于学生的预测同其经验结果相反时；其次，认知冲突产生于学生的观点与教师不一致时；再次，认知冲突产生于学生之间的不同观念的碰撞中。,（四）概念转变的科学教学过程 概念转变的教学过程可概括为以下三个阶段：探测认知结构，了解已有概念；引发认知冲突，解构迷思概念；解决认
16、知冲突，建构科学概念。,概念转变的科学教学过程,（五）概念转变的科学教学模式1、DO五步教学模式（1）定向：教师运用实际的活动、实际问题、教师的示范、影片等方式，引起学生的学习兴趣。（2）引出学生的想法：透过实际的活动或小组讨论后提出的报告让教师与学生注意到一些学生原先就存有的想法。（3）学生想法的重组：经过引发原有概念后，使学生觉察到自己原先概念不同于科学上的观点，因此此阶段教师必须协助学生经由澄清、建构、验证、评鉴来架构新概念，使其符合科学家的观点。（4）应用新的想法：教师可以利用熟悉及新奇的情境，使学生不断重新验证其想法，增强学生新建构的想法。（5）回顾想法的改变：学生透过个人的写作、专
17、题研究计划等方式，比较现有概念与原有想法二者间的差距，并熟悉学习历程，审查想法改变的程度。,2、NN三步教学模式（1）揭示和弄清学生已有的前科学概念。主要通过谈话法、实验法来发现学生的前科学概念或了解他们已有的观念。（2）引进与前科学概念相冲突的新概念。可以通过合作学习中的讨论、对话，利用特殊文本等来产生认知冲突。（3）鼓励学生对新观念进行评论，并形成对有关问题的新的观念图式。,3、OF四阶段教学模式（1）准备阶段：教师要确定学生的观点，并加以分类，找出科学上及科学史上的观点，考虑可导致放弃旧观点的证据。（2）聚集阶段：教师建立适当的情境，诱发学生动机的经验，然后介入，提出针对学生个人的开放式
18、问题，根据学生的回答加以解释并阐述学生的观点。学生则运用熟悉的事物来探索有关概念的器材，思考所观察的现象，提出和要学习概念有关的问题，并加以描述和澄清自己在这概念上的观点。（3）挑战阶段：教师协助观点的交换，确定所有的观点都被考虑到，让讨论开放地进行，必要时提供示范的步骤及科学家观点的证据，接受学生对新观点暂时性的接受。学生则考虑其他同学的观点，找出其优缺点，寻找合适的证据来考虑这些观点的正确性，并比较科学家的观点和班上同学的观点。（4）应用阶段：教师协助学生澄清新的观点，要求利用它来解决所有的问题，确定学生可用口头描述问题的解答，介入、激发并参与学生对解题的讨论，协助解答较难的问题，告诉学生
19、何处可找到帮助。学生则利用所学概念作为解决实际问题的基础，并告诉班上同学自己的解答，讨论、辩论个人提出的解释的优点，仔细予以评价，然后由所提解答联想到其他进一步的问题。,4、5E教学模式（1）投入（engagement,E1）：这时期的教导模式完全模仿学习的任务（learning task）。以活动或问题引起学生参与学习，帮助学生连结所知的和能做的事。（2）探讨（exploration,E2）：这时期的教学模式提供学生鉴定及发展目前的概念、过程和技巧的共同经验基础。学生从合作活动来探讨概念，并在老师的引导下澄清主要的概念和技能。（3）解释（Explanation,E3）：这时期提供学生能以言语
20、传达他们对概念的了解或示范他们对投注及探索经验的技巧与行为。学生解释他们所学习的概念和学习的过程，教师澄清学生的了解和判断新概念与知识。（4）精致化（Elaboration,E4）：这时期的教学模式要对学生概念了解上予以挑战及延伸，并且提供学生验证预期的技巧及行为的机会。激发学生应用所学的概念，建构自己概念的了解，扩展知识和技能。（5）评价（Evaluation,E5）：这时期是鼓励学生评价他们的了解程度及能力，提供教师评价学生达到教育目标的进展状况的机会。学生自评他们的知识、概念和能力，教师评价学生的进展。,5、学习环教学模式（1）探索阶段：教师设计问题、任务或活动让学生参与，作为学习一特定
21、概念与相关主题的基础，也给予学生机会去发表对该学科主题的先前知识，且使教师有机会去解释并改变学生对自然界不正确的观点，发展正确的知识。（2）名词引介阶段：学生由探索阶段获得的资料，在教师引导下由学生讨论并比较预期结果与探索的实际发现，藉此机会促使学生思考预期结果与实际观念不符合的原因而达到新的理解，进而发明该课所预期的主要概念，当概念自学生的讨论中浮现时，教师才可叙述，并进而介绍与概念相关的专有名词，同时帮助学生厘清思考模式并澄清目标概念。（3）概念应用阶段：教师提供一个新的、学生不熟悉的活动来强化学生在第二阶段所学习的概念，使能运用于新的情境之可能性，并增加对理论与模型进一步的了解。,五、概
22、念转变的科学教学策略,（一）探测认知结构：了解前概念 1、探测认知结构的工具与方法,2、概念图（1）构成要素 节点(又称结点)、连线、连接词和实例,图2 Novak的概念图模型,3、访谈 明茨基（Mintzes J.J.），万达西（Wandersee J.H.）和诺瓦克把访谈方式分为：,3、二段式诊断测验 二段式诊断测验每一题都包含两个部分，第一部分针对题目可能的结果（单一选择题）作答后，紧接着对第二部分针对理由作答（单一选择题），一般在第二部分理由中会安排“其他”的选项供受试者自由填答。例：有人说下雨后放晴的天空很容易看到彩虹。你觉得对不对？（）（1）对（2）不对你选了上题的答案，原因是因为
23、：（）（1）反射作用，空气中的水分可以反射太阳光，形成彩虹。（2）折射作用，空气中的水分可以折射太阳光，形成彩虹。（3）光合作用，光和空气中的水分产生光合作用，形成彩虹。（4）空气中的水气对光既有反射也有折射，形成彩虹。（5）其他：,（二）引发认知冲突：解构迷思概念 1、合作学习（1）正式合作学习的实施方法学生小组成绩分工法 切块拼接法 小组调查法 小组辅助个别学习法 小组游戏竞赛法 共学式（2）非正式合作学习（3）辩论,2、探究性实验探究性实验的实施：提出问题 进行猜想和假设 实验验证,V形图：探究性实验的有效工具 V形图主要由事件、关键概念、概念名词、焦点问题、记录、数据转换、结论、评价等
24、部分组成。其排布如图6-3-5所示。,（三）解决认知冲突：建构科学概念,1、类比类比教学的模式：一般类比教学模式 类比模式的教学 FAR导引模式 类比桥模式 多重类比模式 学生产生类比模式 故事性类比模式 以实例为基础的推论模式,一般类比教学模式：评价学生类比推理能力，以及处理视觉影像或认知复杂需求工作的能力等相关特质。评价学生的原有知识以决定类比是否有帮助。分析某主题学习的材料以决定是否已含有类比。依据类比是否为学生所熟悉、类比的复杂程度、其与目标类比相关的特质，进而评断类比的恰当性。依据学生的特质来决定类比的特征。选择教学的策略以及教学的媒体。呈现类比的方式包含下列步骤：介绍目标概念、介绍
25、类比、将类比与目标物连接呈现相似性的特质，并从最显著的特质开始，利用转移的语句呈现类比与目标物中不相关的属性，最后再讨论不相关的属性。评价学生的学习成就，以了解学生对于某主题概念的知识特质，并诊断出使用类比可能造成学生哪些迷思概念的产生。在评价此模式的每一步骤后加以修改，以决定是否需要额外的讨论、其他替代类比或不同的教学策略。,类比模式的教学：TWA模式分为六个部分：目标概念的介绍；回忆类比概念；找出目标物与类比间的相似特质；标出相似的特质；依据概念得出结论；指出哪些类比物之特质与目标物的不同。,类比教学与学习的FAR导引,类比桥教学模式：呈现锚类比（anchoring analogy）；呈现
26、目标物，并与锚类比物来进行比较；提供类比桥，并辅以小组讨论来加强学生思考，藉以拉近锚类比与目标物的差异；提供可以解释现象的机制的解释模式，让目标物对学生更具有意义。,多重类比模式：有计划性的和连续性的类比，每一个类比物建立于前一个之上，以连续精致化的过程提供一个自我更正的机制，来降低产生非预期的迷思概念的可能性。学生产生类比模式：在这一模式中，教师作为资源提供者，学生参与的工作可分成三步骤，而同时进展到第四步骤前必须重复前三步骤：解释现象；建立他们自己的类比，得以较深入地理解该现象；运用类比于该现象，并且找出其间的相似和相异性；参与课程讨论，以讨论在解释现象中所使用的建议类比的恰当程度。,故事
27、性类比：找出重要性：这个主题最重要的地方是什么呢？为什么重要呢？什么是有效的参与呢？这个主题有哪些困难的概念需要经由比较熟悉的经验进而协助理解？找出二元的相反物：有哪些二元的相反物最能表达与显示主题的重要性？有哪些事件是学生熟悉的，且可用于建构与主题相关的恰当类比？有哪些类似的情境可以协助目标概念的发展？将内容以故事的方式组织化？有哪些内容最能与二元相反物连接，进而提供对于该概念的使用？什么概念最能连接主题而形成故事？类比如何被分析与发展，进而与这些机制结合形成问题？结论：有何最佳方式可以解决二元相反物所隐含的冲突？这些相反物的仲裁程度是否适于追求？什么样的情节最能显示出故事中的重要演员与目标
28、物概念间的关联？评价：如何得知此主题已经被了解、重要性已被掌握、内容已被学习？类比故事如何使得概念的理解可以加强或复杂化？,以实例为基础的推论模式：此模式提供学生机会去学习以及给予问题，让学生依据其过去的经验、同伴或专家的经验，设计解决的方法，进而解决问题。,2、模型模型的建构：假说 唯象模型 近似 简化 示教性模型 类比 理想实验,假说：这是由对某种现象的试探性的解释所构成的，它们的作者相信它们很可能或者肯定是真的。唯象模型：在科学发展过程中，会看到一些物理现象可以用某种机制来解释，但是没有足够的证据使我们确信那就是正确的解释。尽管一时还无法做出抉择，但用模型来描述可能是很有用的，这可以理清
29、一些关系，并揭示一些进一步的应用或实验。近似：科学中很多方程很少具有容易处理的精确解，所以只好求助于近似方法或数值解。简化：人们在科学中遇到的许多情况，初看起来显得十分复杂，而随后通过考察略去某些复杂性质的一种简化模型，将会大大有助于人们对情况的了解。,示教性模型：有时，比真实描述走得更远，并且达到更大简化的做法是必要的或是有益的，与此同时却仍然保留着与真实状况充分的相似性，足以有助于我们理解它的某些特质。类比：有的时候，通过研究一个比较简单的体系来了解一个科学体系的某些情况是必要的或方便的；那个简单体系不一定在一切本质方面都和所研究的科学体系相似，但却具有它的典型特点。理想实验：这是一种可能的实验尽管做起来可能不很方便或者不很现实，但是并不违反任何已知的物理定律。,本讲座的详细内容请参考专著：蔡铁权，姜旭英著，概念转变的科学教学，教育科学出版社，2008.8,
