CAT:基于学习科学的科学概念学习环
2018-06-01 09:57阅读：
林静.CAT:基于学习科学的科学概念学习环[J].全球教育展望,2009,38(10):31-35.
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摘
要：CAT学习环根据学习科学的研究成果，将认知冲突、抽象概括、迁移运用作为科学概念的三个基本学习环节，并以丰富的学习环境促进学习者的内在认知活动，使得学习者能基于自己已有知识有效建构科学概念。
关键词：概念教学 学习科学
科学概念
近二十年来，随着正电子发射断层扫描（PET）、脑磁图（MEG）、功能性磁共振成像（fMRI）等多种无创伤脑研究技术的问世，使得人类对自己脑的高级功能有了实证性的科学研究。研究揭示的大脑学习机制促使人类对学习是如何发生的追问从猜想走向科学，并由此产生了一个新兴的跨学科研究领域——学习科学。学习科学不仅融合了认知科学、教育心理学、计算机科学、人类学、社会学和神经科学等多个学科，而且着眼于研究真实情境中的教与学，将为人类的教育由经验迈向科学奠定基础。本文根据学习科学的现有研究成果，探讨作为科学知识重要组织和表征形式的科学概念的
教学问题，以期推进遵循学生学习规律的科学课堂教学改革。
一、已有科学概念教学理论的局限以及学习科学的现有贡献
概念是思维最基本的形式，也是构成知识的最基本的成分。诸多研究者认为学生科学学习是科学概念的发展或转变，而不是一些孤立信息的增加。由此，研究者提出了诸多的概念教学模型，其中最具影响的是波斯纳等人（Posner,
Strike, Hewson and Gertzog,
1982）从认识论角度提出的概念转变模型（CCM），还有奥斯本等人（Osborne and Wittrock, 1983;
Cosgrove and Osborne, 1985）基于认知心理学的视角提出的概念教学模型。
波斯纳等人认为，具备以下4个条件，就可发生概念转变：（1）学生认识到自己的某个概念不能解释新的事件或不能解决当前遇到的问题，对原有概念产生不满；（2）学生认识到新概念是可理解的，能懂得新概念的真正涵义；（3）学生认识到新概念是合理的，能相信新概念的真实性；（4）学生认识到新概念是有效的，是解释某问题的更好途径。[1]但事实上，学生概念转变并不如模型所描绘的这么顺利。诸如学生的学习方式、知识表征方式、问题解决策略、情感状态、对科学本质的理解等因素都影响学生的概念转变（Hulland
& Munby, 1994; Demastes, Good, & Peebles, 1995; Hewson,
1989, 1999; Jones, Carter, & Rua,
2000）。另外，学生运用新概念解释现象时，往往比原有概念还要不能令人满意，所以常会继续持有他们的原有概念，而将科学概念置之不理（Wandersee,
Mintzes and Novak, 1994）。[2]
奥斯本等人提出，促进学生概念转变的教学由四个阶段组成：（1）预备阶段：教师要理解科学家、学生以及自己对新概念的观点；（2）关键阶段：创设情境，最好是真实的生活情境，促使学生理解新概念；（3）质疑阶段：鼓励学生阐明自己的观点，让学生相互质疑和辩护；（4）应用阶段：提供各种情境让学生运用新概念。[3]可见，这一模型旨在促进学生对概念的信息加工。奥斯本等人发现，“那些与学生的观点不同，又没有被学习情境所强化的概念，需要后续的更多应用练习。”
这两个模型都吸收了皮亚杰基于儿童行为观察和言语访谈而提出的意义建构学习观，所以都能注重学生的已有知识与积极参与。但模型各环节似乎更多的是从学习目的和学习结果的角度，而不是依据学习发生的内在机制去构建的。所以，学生还是难以获得科学概念，难以迁移运用。
随着科技的发展，新的学习科学对人是如何学习的这一问题有了进一步的认识，不仅更加强调学习者已有知识在学习中的重要性，而且指出：（1）“有用的知识”是围绕重要概念而联系和组织起来的；它“有条件地”指明了知识可使用的场合；它支持理解和迁移，而不仅仅是记忆。（2）“元认知”能促使学习者对学习进行自我调控，以达成学习的理解和迁移。（3）学习不仅是基于个体已知的意义建构，也是个体与环境互动而建构意义的结果。[4]
在诸多的学习科学研究成果中，这里要着重介绍Dunbar等人（2004）运用fMRI技术对学过五级物理课程的物理系大学生和没有接受过大学物理教育的成年人进行的自由落体运动概念的研究。[5]研究显示，当出现正确的运动图像时，物理系学生脑中的相应区域（尾核和副海马区）激活，说明他们已经接受了正确的科学概念；当出现错误的运动图像时，他们的前扣带回激活增加，表示了概念上的冲突。普通成年人面对正确的和错误的图像时，脑中激活的区域则相反，说明非物理专业的成年人仍然持有自由落体运动的错误概念。
实验中还发现，即使是物理系的大学生，当他们看到错误图像时，内侧前额皮层也是被激活的，这说明错误概念在大学生的脑中并没有消退，他们仍具有表达错误概念的生理机制。根据实验结果，Dunber认为物理系学生建立了正确的科学概念，但是并没有重构他们的知识，而是在激活他们正确的概念时，抑制了他们原来的错误概念。Dunber的实验结论不仅显示了科学概念的学习是困难的，而且也冲击了建构主义认为学生概念转变是知识重构的观点，使人们对“概念转变”的说法提出质疑。
二、CAT基本学习环节及其学习机制
诸多的研究表明，学生获得科学概念的过程与人类探索科学概念的过程相似，是一个动态的发展过程，难以用某一个模式去固定化。但是，根据现有学习科学的研究成果，可以发现有效的科学概念学习必须经历认知冲突（Cognitive
Conflict）、抽象概括（Abstract & Generalization）和迁移运用（Transfer
Practice）这三个基本环节，因此可以由这三个基本环节循环构成一个学习环（如图所示），循序渐进地推进学生科学概念的认知发展。取这三个基本环节第一个词的英文单词第一个字母，将这个学习环简称CAT。
1. 引发学生认知冲突
认知冲突是指学生的原有认知结构与所学新知识之间无法包容的矛盾，或是在新知识与学生原有认知结构之间产生的“不协调”。进入课堂学习时，学生的头脑并不是空白的，即使婴儿也会把自己的观点带入学习情境之中，是积极的学习者。教小学生认识地球是一个球体，孩子会把地球描绘成一个煎饼，或者把地球描绘成一个里面或顶部像煎饼一样的平面球体，人站在煎饼的上面。孩子们自己构建的地球模型帮助他们解释人是怎样站在地球表面上或在上面行走的，尽管模型与科学的球体型地球不一致（Vosniadou
and Brewer, 1989）。[6]
学生头脑中已有的关于科学的“朴素理论”、日常概念与要学习的科学概念之间或多或少有些距离，甚至是偏差。如果不能有效地激发学生认识到自己已有知识与新知识之间的距离或偏差，学生就会自发地以自己的已知去理解和构建新知识，其结果就会产生类似于“煎饼状的地球模型”这样的错误概念。所以，教学仅仅激活学生的已有知识是不够的，而是要让学生意识到已有知识与新知识之间的矛盾和冲突，即发生认知冲突，从而能使学习者有意识地进行自我调控学习，避免已有知识对学习的干扰。例如让认为地球是平面的学生解释为什么看到远去的船只先是不见船身，然后逐渐不见桅杆；让认为土壤是植物食物的学生解释无土栽培植物的正常生长，则就会激发学生的认知冲突。
因此，认知冲突之所以是学生概念学习的基本环节，不仅是因为认知冲突能“唤醒”学生的已有知识，而且也是因为认知冲突能激发学生自我调控学习的意识和能力，促使概念学习顺利进行。
2. 促进学生抽象概括
抽象是指舍弃事物个别的、非本质的特征或联系，抽取共同的、本质的特征或联系的思维过程。概括是根据抽象出来的事物的共同的、本质的特征或联系，而把同类事物联结起来的思维过程。[7]抽象决定概念的内涵，是概括的基础，若没有抽象就不可能概括；而概括决定概念的外延，概括有助于更科学的抽象。例如学生学习了兔、狗、羊、狮子、老虎这几种动物，抽取出这些动物所具有的共同特征：身体表面有毛，一般分头、颈、躯干、四肢和尾五个部分；用肺呼吸；体温恒定，是恒温动物；脑较大而发达；哺乳；胎生。这些特征足以将这几种动物区别于鸟类或两栖类，但若要推广至所有哺乳类，则哺乳、胎生是最具普遍性的本质特征。因此，可以概括出哺乳动物最简约的科学概念是哺乳、胎生的动物。
抽象的目的是降低事物之间的复杂程度，经概括得到普遍性的概念，从而使人们能够以综观的角度来了解许多特定的事物，把握事物的本质和规律。因此，抽象概括是科学概念获得和发展的重要思维方法。而概念化倾向是人类自小就有的一种能力。有研究显示，婴儿甚至在他们出生的第一个月就能形成概念（Haith
& Benson, 1998; Quinn & Eimas,
1995）。在短短的几年内，儿童会获得有关时间、空间、数字以及生物等的大量概念。[8]但是，儿童这种自发的抽象概括往往是简单而狭隘的，形成的“朴素理论”、日常概念常常忽略了事物之间的本质特征，而包括了一些非本质特征。例如，儿童根据自己有限的观察能力，会形成地球是平面的观点，会把能运动、能捕食作为动物的共同特征来区分动植物。[9]因此，科学概念教学的关键是发展学生科学的抽象概括能力。
CAT学习环将抽象概括作为学生学习科学概念的基本环节，不仅凸显了科学概念学习的特性，也藉由提高学生抽象概括能力而发展学生自我调控概念学习的能力，提高学生的元认知。已有的一些科学概念教学正是因为没有突出抽象概括环节，所以尽管学生意识到已有知识与新概念之间的距离，但由于缺乏同化新概念的思维方法而不能正确获得新概念。
3. 引导学生迁移运用
迁移是指已经获得的内容对学习新内容所产生的一种影响。[10]学习者都是基于已知去理解和建构新知的，所以迁移是学习的实质。迁移既有积极的，也有消极的。已学的内容促进新情境的学习，是正迁移，简称迁移；已学的内容干扰新情境的学习，是负迁移，或称为干扰。从Dunbar等人的实验结果来看，即便掌握了科学概念的人脑仍留有错误概念的痕迹，因此学会迁移的关键是明确科学概念提取运用的“条件”，从而避免错误概念的干扰。
影响迁移的第一个因素是对已学内容的掌握程度，没有达到一定水平的已有学习，迁移是不会发生的（Luchins and
Luchins, 1970; Klahr and Carver, 1988; Littlefield et al.,
1988）。其次，迁移受学习理解程度的影响，仅靠记忆或错误理解也不能发生迁移（Bransford and Stein, 1993;
Bransford et al.,
1983）。再者，迁移需要元认知提供策略性的能力。“元认知”是指人们预测他们在各种任务中表现的能力以及对目前的理解和掌握程度进行调控的能力（Brown,
1975; Flavell,
1973）。因此，将迁移运用作为学生学习科学概念的基本环节，不仅注重学习的实质，并且提供机会让学生自我检测概念学习的质量，学会自我判断是否理解、如何修正以完善所学的概念，从而充分发挥学生元认知的自我调控能力以促进学生概念学习能力的提高。
迁移是主动的、动态的过程。以往的教学模式往往只注重迁移的评价功能，只将迁移定位为教学评价的反馈，忽视了迁移是学习者自我调控的一种表现。已有研究显示，有效的学习者能够明确地意识到迁移的重要性，并且有强烈的内部动机来利用迁移的机会促进学习，具体表现在主动识别不同学习任务之间的相关性，识别可迁移的具体情境，在迁移机会出现时，主动、恰当地提取或接通有关经验或可利用的资源，并灵活地运用这些经验和资源（林崇德，2003）。[11]由此，有效学习者更清晰何时何地如何提取运用所学的新概念，即具备了“条件化”运用新概念的能力。
三、CAT学习环教学的基本策略
新的学习科学既注重学习者内在的学习规律，同时也注重学习环境对学习的重大影响。学习的发生，是学习者内在认知结构与外界学习环境互动的结果。CAT的三个基本环节遵循学生科学概念学习的内在认知规律，充分体现了学生是主动的学习者，教师的“教”则在于创设适宜的学习情境引导学生积极建构和互动，使得学生在有限的课堂时间内获得科学概念。因此，CAT学习环教学的基本策略在于：
1. 创设学生学习科学概念的“学习共同体”
当代对学习共同体的界定主要是从人类学、社会学的角度出发，认为凡是以社会协商的方法建构知识的团体都可称为“学习共同体”。在科学概念的学习过程中，学生要将基于自己已知建构的个人概念达成科学规定的科学概念，则需要经历课堂中的社会协商过程。因此，科学课堂中的师生、生生之间应该是一个具有共同目标、相互支持、相互帮助的学习共同体。
营造学习共同体的策略之一是赋予学生学习责任和思维空间。教师要借助于学生暴露的日常概念使学生明白学习是他们自己内部的意义建构过程，教师能给予的只是引导和帮助，要获得科学概念，学生自己必须积极地投入到学习中，有意识地关注、思考和交流，以促进自己内在的认知活动。同时，教师在课堂上一定要留有时间和空间让学生主动思考。教师可以让学生根据自己对所学概念存在的困惑来决定概念学习的途径和方法，让学生自己决定和执行学习质量的检测。教师在课堂中要尽量少讲答案，多以有效的提问来激发学生问题解决的高级思维活动。在学生进行交流和讨论时，教师要做一位主持人而不是裁判。总之，教师要让学生充分意识到课堂是他们学习的场所，他们是课堂学习的主角。
营造学习共同体的策略之二是明确协商机制。协商是学生将个人概念发展为科学概念的基础。教师要与学生一起制定一些协商机制，例如制定小组合作学习机制、各小组之间交流讨论机制等，对协商中的分工与合作、解释和论证、质疑和批判等给予操作上的一些约定，以提高协商的有效性。
营造学习共同体的策略之三是形成多元、民主、平等而安全的学习氛围。协商是一种民主、平等的对话与交流，教师要营造相应的氛围以支持和维护课堂中的协商。教师要充分运用自己的肢体语言，例如期待的目光、赞许的点头、鼓励的微笑、倾听时的沉思、倾听时的前倾等，来塑造自己作为学生学习引导者、合作者的角色。教师的言语要温和亲切，善于鼓励学生勇于表达自己观点、积极反思自己学习情况、及时改进错误理解等等学生表现。同时，教师要教导学生学会尊重他人的观点，学会宽容的倾听与严谨的质疑，学会科学的解释与合理的反驳，使得课堂不仅是民主的、平等的，还是多元的、安全的。
2. 搭建学生学习科学概念的“脚手架”
学生要在有限的课堂时间内掌握人类经历漫长的认识而形成的科学概念，是有困难的。教师要为学生搭建科学概念学习的“脚手架”，使学生能顺利理解和建构科学概念。
搭建“脚手架”策略之一是创设逼真的、问题丰富的学习情境。学生往往不能将自己在课堂中学习的科学概念应用于日常生活情境之中，其原因在于课堂学习的科学概念往往脱离了现实情境，从而使得学生难以获得概念的意义，形成刻板的、肤浅的理解。教学与学生的现实生活相联系，不仅有益于学生的深入理解和迁移，而且真实情境的真实任务易于激发学生学习动机，能转变为对学生具有自我参照意义的、主动参与的、有目的的活动，从而也激发学生运用元认知对自己的学习进行调控。因此，课堂内真实学习情境的设计对学生概念学习至关重要。例如在“传染病”概念教学的抽象概括环节，让学生观看我国非典时期的疾病传播以及防治情况录像，供学生讨论传染病的特征以及防治措施。在“密度”概念教学的迁移运用环节，教师可以让2~4位学生组成一个小组，各小组用相同质量的橡皮泥制作一艘船，比一比哪一组的小船能盛放最多的小铁钉而不会沉没于水。
搭建“脚手架”策略之二是提供概念的典型事例。一般情况下，至少应该有2~3个正例和2~3个反例，以便让学生能对概念的本质特征与非本质特征以及特征的变化进行辨别与反思。最具有代表性的概念事例被称为原型，正例之中应该包括原型。
按概念的抽象水平可以将概念分为具体概念和抽象概念两类。可以直接通过观察获得这类事物共同本质特征的是具体概念，例如“狗”、“鸟”等概念。抽象概念指一类事物的本质特征不能通过直接观察获得，必须通过下定义来揭示，又称为定义性概念，例如“密度”、“功”等概念。具体概念的正例和反例就是一些具体对象，例如鸟的正例有家鸽、企鹅和鸡，其中家鸽可以作为鸟的原型。反例则有昆虫、哺乳类、爬行类等。
抽象概念的事例则要复杂得多，一般要运用类比、隐喻等方式，通过呈现蕴含概念定义内涵的现象或活动提供概念的正例。例如，在“密度”概念教学中，教师可让学生做一个“猜想-验证-解释”的游戏活动促进学生抽象概括。教师为学生提供质量相同的木块、石蜡、铝块和铁块，让学生猜测这些物质的轻重，然后让学生分成小组通过实验来验证自己的猜测，再让各小组根据自己的猜想和实验现象作出解释。由于四个物质的体积不同，学生往往将石蜡或者铝块作为最轻的，也往往运用天平来验证自己的猜想。当学生要对自己的猜想与实验结果不符合的现状作出解释时，他们会反思自己作出猜测的依据是什么，也会思考为何质量相同的不同物质的体积会不同，由此会抽象出每种物质自身具有“轻”或“重”的属性（即密度）。此时，教师可以将这四种物质分别放入透明的水槽中，让学生观察它们在水中的沉浮，进一步巩固学生的这一观点。接下来，教师发给学生体积不同的一些木块、石蜡、铝块和铁块，让不同的小组分别研究这四种物质的“轻”或“重”的属性。各小组基本上会考虑物质的质量与体积的关系，或者会求单位质量的体积，或者会求单位体积的质量（即密度定义的基本涵义）。此时，教师要求学生回顾自己作出猜测时是否隐含了某单位物理量的判断。让学生思考，平常人们说塑料、木块轻，铁、铜重，是单位体积的质量判断，还是单位质量的体积判断。最后告诉学生科学上是以物质单位体积的质量来衡量物质轻重属性的，并将这一属性称为物质的密度。
易于混淆学生理解概念内涵的现象或活动则可以作为抽象概念的反例。例如铁块会沉于水，而用铁造的船能浮于水，这混淆学生对密度是物质属性的认识。教师可以先后将一整块橡皮泥、去掉1/3的橡皮泥、作成船形的橡皮泥放入水中，让学生观察它的沉浮并作出解释。如果学生不能作出恰当的解释，则教师可以将两个质量相同而一个实心、一个空心的铁球放入水中，让学生观察并进行解释。
唯有创设了适宜的学习情境，注重内在认知机制的CAT学习环才能有效促进学生科学概念学习。另外，学生往往要多次经历认知冲突、抽象概括、迁移运用这三个基本学习环节才能达成对一个科学概念的深入理解，尤其是抽象概念的学习。在教学中，教师可以根据具体情况，在三个基本学习环节上增加一些学习环节，以帮助学生获得科学概念。例如在引发学生认知冲突之后，安排一个实验活动环节，然后引导学生基于实验探究进行抽象概括；或者发现学生抽象概括之后获得的概念存在错误，可以再次引发学生认知冲突，促使学生反思，修正认识。
参考文献
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[11] 林崇德. 学习与发展[M]. 北京：北京师范大学出版社, 2003: 23-24.
CAT: A Science Concept Learning Cycle Based on the Learning
Sciences
Abstract: According to the researches of the learning
sciences, the CAT learning cycle sets up three basic steps of
science concept learning: cognitive conflict, abstract and
generalization, transfer practice. And the CAT enriches the
learning environments to facilitate the learner’s cognitive
operation to construct the science concept
effectively.
Keywords: concept teaching, science concepts, learning
sciences
