CAT基于學習科學的科學概念學習環(huán)

1、.CAT 基于學習科學的科學概念學習環(huán)林靜(認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室博士后北京100875)近二十年來,隨著正電子發(fā)射斷層掃描(PET)、腦磁圖(MEG)、功能性磁共振成像(fM-RI)等多種無創(chuàng)傷腦研究技術的問世,使得人類對自己腦的高級功能有了實證性的科學研究。研究揭示的大腦學習機制促使人類對學習是如何發(fā)生的追問從猜想走向科學,并由此產(chǎn)生了一個新興的跨學科研究領域-學習科學。學習科學不僅融合了認知科學、教育心理學、計算機科學、人類學、社會學和神經(jīng)科學等多個學科,而且著眼于研究真實情境中的教與學,將為人類的教育由經(jīng)驗邁向科學奠定基礎。本文根據(jù)學習科學的現(xiàn)有研究成果,探討作為科學知識重要

2、組織和表征形式的科學概念的教學問題,以期推進遵循學生學習規(guī)律的科學課堂教學改革。一、已有科學概念教學理論的局限以及學習科學的現(xiàn)有貢獻概念是思維最基本的形式,也是構成知識的最基本的成分。諸多研究者認為學生科學學習是科學概念的發(fā)展或轉變,而不是一些孤立信息的增加。由此,研究者提出了諸多的概念教學模型,其中最具影響的是波斯納等人從認識論角度提出的概念轉變模型(CCM),還有奧斯本等人基于認知心理學的視角提出的概念教學模型。波斯納等人認為,具備以下4個條件,就可發(fā)生概念轉變：(1)學生認識到自己的某個概念不能解釋新的事件或不能解決當前遇到的問題,對原有概念產(chǎn)生不滿；(2)學生認識到新概念是可理解的,能

3、懂得新概念的真正涵義；(3)學生認識到新概念是合理的,能相信新概念的真實性；(4)學生認識到新概念是有效的,是解釋某問題的更好途徑。但事實上,學生概念轉變并不如模型所描繪的這么順利。諸如學生的學習方式、知識表征方式、問題解決策略、情感狀態(tài)、對科學本質的理解等因素都影響學生的概念轉變。另外,學生運用新概念解釋現(xiàn)象時,往往比原有概念還要不能令人滿意,所以常會繼續(xù)持有他們的原有概念,而將科學概念置之不理。奧斯本等人提出,促進學生概念轉變的教學由四個階段組成：(1)預備階段：教師要理解科學家、學生以及自己對新概念的觀點；(2)關鍵階段：創(chuàng)設情境,最好是真實的生活情境,促使學生理解新概念；(3)質疑階段

4、：鼓勵學生闡明自己的觀點,讓學生相互質疑和辯護；(4)應用階段：提供各種情境讓學生運用新概念?？梢?這一模型旨在促進學生對概念的信息加工。奧斯本等人發(fā)現(xiàn),"那些與學生的觀點不同,又沒有被學習情境所強化的概念,需要后續(xù)的更多應用練習。"這兩個模型都吸收了皮亞杰基于兒童行為觀察和言語訪談而提出的意義建構學習觀,所以都能注重學生的已有知識與積極參與。但模型各環(huán)節(jié)似乎更多的是從學習目的和學習結果的角度,而不是依據(jù)學習發(fā)生的內(nèi)在機制去構建的。所以,學生還是難以獲得科學概念,難以遷移運用。隨著科技的發(fā)展,新的學習科學對人是如何學習的這一問題有了進一步的認識,不僅更加強調學習者已有知識在

5、學習中的重要性,而且指出：(1)"有用的知識"是圍繞重要概念而聯(lián)系和組織起來的；它"有條件地"指明了知識可使用的場合；它支持理解和遷移,而不僅僅是記憶。(2)"元認知"能促使學習者對學習進行自我調控,以達成學習的理解和遷移。(3)學習不僅是基于個體已知的意義建構,也是個體與環(huán)境互動而建構意義的結果。在諸多的學習科學研究成果中,這里要著重介紹Dunbar等人(2004)運用fMRI技術對學過五級物理課程的物理系大學生和沒有接受過大學物理教育的成年人進行的自由落體運動概念的研究。研究顯示,當出現(xiàn)正確的運動圖像時,物理系學生腦中的相應區(qū)域(

6、尾核和副海馬區(qū))激活,說明他們已經(jīng)接受了正確的科學概念；當出現(xiàn)錯誤的運動圖像時,他們的前扣帶回激活增加,表示了概念上的沖突。普通成年人面對正確的和錯誤的圖像時,腦中激活的區(qū)域則相反,說明非物理專業(yè)的成年人仍然持有自由落體運動的錯誤概念。實驗中還發(fā)現(xiàn),即使是物理系的大學生,當他們看到錯誤圖像時,內(nèi)側前額皮層也是被激活的,這說明錯誤概念在大學生的腦中并沒有消退,他們?nèi)跃哂斜磉_錯誤概念的生理機制。根據(jù)實驗結果,Dunber認為物理系學生建立了正確的科學概念,但是并沒有重構他們的知識,而是在激活他們正確的概念時,抑制了他們原來的錯誤概念。Dunber的實驗結論不僅顯示了科學概念的學習是困難的,而且也沖

7、擊了建構主義認為學生概念轉變是知識重構的觀點,使人們對"概念轉變"的說法提出質疑。二、CAT基本學習環(huán)節(jié)及其學習機制諸多的研究表明,學生獲得科學概念的過程與人類探索科學概念的過程相似,是一個動態(tài)的發(fā)展過程,難以用某一個模式去固定化。但是,根據(jù)現(xiàn)有學習科學的研究成果,可以發(fā)現(xiàn)有效的科學概念學習必須經(jīng)歷認知沖突(Cognitive Conflict)、抽象概括(Abstract&Generalization)和遷移運用(Transfer Practice)這三個基本環(huán)節(jié),因此可以由這三個基本環(huán)節(jié)循環(huán)構成一個學習環(huán),循序漸進地推進學生科學概念的認知發(fā)展。取這三個基本環(huán)節(jié)第

8、一個詞的英文單詞第一個字母,將這個學習環(huán)簡稱為CAT。(一)引發(fā)學生認知沖突認知沖突是指學生的原有認知結構與所學新知識之間無法包容的矛盾,或是在新知識與學生原有認知結構之間產(chǎn)生的"不協(xié)調"。進入課堂學習時,學生的頭腦并不是空白的,即使嬰兒也會把自己的觀點帶入學習情境之中,是積極的學習者。教小學生認識地球是一個球體,孩子會把地球描繪成一個煎餅,或者把地球描繪成一個里面或頂部像煎餅一樣的平面球體,人站在煎餅的上面。孩子們自己構建的地球模型幫助他們解釋人是怎樣站在地球表面上或在上面行走的,盡管模型與科學的球體型地球不一致。學生頭腦中已有的關于科學的"樸素理論"

9、、日常概念與要學習的科學概念之間或多或少有些距離,甚至是偏差。如果不能有效地激發(fā)學生認識到自己已有知識與新知識之間的距離或偏差,學生就會自發(fā)地以自己的已知去理解和構建新知識,其結果就會產(chǎn)生類似于"煎餅狀的地球模型"這樣的錯誤概念。所以,教學僅僅激活學生的已有知識是不夠的,而是要讓學生意識到已有知識與新知識之間的矛盾和沖突,即發(fā)生認知沖突,從而能使學習者有意識地進行自我調控學習,避免已有知識對學習的干擾。例如讓認為地球是平面的學生解釋為什么看到遠去的船只先是不見船身,然后逐漸不見桅桿；讓認為土壤是植物食物的學生解釋無土栽培植物的正常生長,則就會激發(fā)學生的認知沖突。因此,認知沖

10、突之所以是學生概念學習的基本環(huán)節(jié),不僅是因為認知沖突能"喚醒"學生的已有知識,而且也是因為認知沖突能激發(fā)學生自我調控學習的意識和能力,促使概念學習順利進行。(二)促進學生抽象概括抽象是指舍棄事物個別的、非本質的特征或聯(lián)系,抽取共同的、本質的特征或聯(lián)系的思維過程。概括是根據(jù)抽象出來的事物的共同的、本質的特征或聯(lián)系,而把同類事物聯(lián)結起來的思維過程。抽象決定概念的內(nèi)涵,是概括的基礎,若沒有抽象就不可能概括；而概括決定概念的外延,概括有助于更科學的抽象。例如學生學習了兔、狗、羊、獅子、老虎這幾種動物,抽取出這些動物所具有的共同特征：身體表面有毛；一般分頭、頸、軀干、四肢和尾五個部分

11、；用肺呼吸；體溫恒定,是恒溫動物；腦較大而發(fā)達；哺乳；胎生。這些特征足以將這幾種動物區(qū)別于鳥類或兩棲類,但若要推廣至所有哺乳類,則哺乳、胎生是最具普遍性的本質特征。因此,可以概括出哺乳動物最簡約的科學概念是哺乳、胎生的動物。抽象的目的是降低事物之間的復雜程度,經(jīng)概括得到普遍性的概念,從而使人們能夠以綜觀的角度來了解許多特定的事物,把握事物的本質和規(guī)律。因此,抽象概括是科學概念獲得和發(fā)展的重要思維方法。而概念化傾向是人類自小就有的一種能力。有研究顯示,嬰兒甚至在他們出生的第一個月就能形成概念。在短短的幾年內(nèi),兒童會獲得有關時間、空間、數(shù)字以及生物等的大量概念。但是,兒童這種自發(fā)的抽象概括往往是簡

12、單而狹隘的,形成的"樸素理論"、日常概念常常忽略了事物之間的本質特征,而包括了一些非本質特征。例如,兒童根據(jù)自己有限的觀察能力,會形成地球是平面的觀點,會把能運動、能捕食作為動物的共同特征來區(qū)分動植物。因此,科學概念教學的關鍵是發(fā)展學生科學的抽象概括能力。CAT學習環(huán)將抽象概括作為學生學習科學概念的基本環(huán)節(jié),不僅凸顯了科學概念學習的特性,也藉由提高學生抽象概括能力而發(fā)展學生自我調控概念學習的能力,提高學生的元認知。已有的一些科學概念教學正是因為沒有突出抽象概括環(huán)節(jié),所以盡管學生意識到已有知識與新概念之間的距離,但由于缺乏同化新概念的思維方法而不能正確獲得新概念。(三)引導學

13、生遷移運用影響遷移的第一個因素是對已學內(nèi)容的掌握程度,沒有達到一定水平的已有學習,遷移是不會發(fā)生的。其次,遷移受學習理解程度的影響,僅靠記憶或錯誤理解也不能發(fā)生遷移。再次,遷移需要元認知提供策略性的能力。"元認知"是指人們預測他們在各種任務中表現(xiàn)的能力以及對目前的理解和掌握程度進行調控的能力。因此,將遷移運用作為學生學習科學概念的基本環(huán)節(jié),不僅注重學習的實質,并且提供機會讓學生自我檢測概念學習的質量,學會自我判斷是否理解、如何修正以完善所學的概念,從而充分發(fā)揮學生元認知的自我調控能力以促進學生概念學習能力的提高。遷移是主動的、動態(tài)的過程。以往的教學模式往往只注重遷移的評價功

14、能,只將遷移定位為教學評價的反饋,忽視了遷移是學習者自我調控的一種表現(xiàn)。已有研究顯示,有效的學習者能夠明確地意識到遷移的重要性,并且有強烈的內(nèi)部動機來利用遷移的機會促進學習,具體表現(xiàn)在主動識別不同學習任務之間的相關性,識別可遷移的具體情境,在遷移機會出現(xiàn)時,主動、恰當?shù)靥崛』蚪油ㄓ嘘P經(jīng)驗或可利用的資源,并靈活地運用這些經(jīng)驗和資源。由此,有效學習者更清晰何時何地如何提取運用所學的新概念,即具備了"條件化"運用新概念的能力。三、CAT學習環(huán)教學的基本策略新的學習科學既注重學習者內(nèi)在的學習規(guī)律,同時也注重學習環(huán)境對學習的重大影響。學習的發(fā)生,是學習者內(nèi)在認知結構與外界學習環(huán)境互動

15、的結果。CAT的三個基本環(huán)節(jié)遵循學生科學概念學習的內(nèi)在認知規(guī)律,充分體現(xiàn)了學生是主動的學習者,教師的"教"則在于創(chuàng)設適宜的學習情境引導學生積極建構和互動,使得學生在有限的課堂時間內(nèi)獲得科學概念。因此,CAT學習環(huán)教學的基本策略在于：(一)創(chuàng)設學生學習科學概念的"學習共同體"當代對學習共同體的界定主要是從人類學、社會學的角度出發(fā),認為凡是以社會協(xié)商的方法建構知識的團體都可稱為"學習共同體"。在科學概念的學習過程中,學生要將基于自己已知建構的個人概念達成科學規(guī)定的科學概念,則需要經(jīng)歷課堂中的社會協(xié)商過程。因此,科學課堂中的師生、生生之間應

16、該是一個具有共同目標、相互支持、相互幫助的學習共同體。營造學習共同體的策略之一是賦予學生學習責任和思維空間。教師要借助于學生暴露的日常概念使學生明白學習是他們自己內(nèi)部的意義建構過程,教師能給予的只是引導和幫助,要獲得科學概念,學生自己必須積極地投入到學習中,有意識地關注、思考和交流,以促進自己內(nèi)在的認知活動。同時,教師在課堂上一定要留有時間和空間讓學生主動思考。教師可以讓學生根據(jù)自己對所學概念存在的困惑來決定概念學習的途徑和方法,讓學生自己決定和執(zhí)行學習質量的檢測。教師在課堂中要盡量少講答案,多以有效的提問來激發(fā)學生問題解決的高級思維活動。在學生進行交流和討論時,教師要做一位主持人而不是裁判。

17、總之,教師要讓學生充分意識到課堂是他們學習的場所,他們是課堂學習的主角。營造學習共同體的策略之二是明確協(xié)商機制。協(xié)商是學生將個人概念發(fā)展為科學概念的基礎。教師要與學生一起制定一些協(xié)商機制,例如制定小組合作學習機制、各小組之間交流討論機制等,對協(xié)商中的分工與合作、解釋和論證、質疑和批判等給予操作上的一些約定,以提高協(xié)商的有效性。營造學習共同體的策略之三是形成多元、民主、平等而安全的學習氛圍。協(xié)商是一種民主、平等的對話與交流,教師要營造相應的氛圍以支持和維護課堂中的協(xié)商。教師要充分運用自己的肢體語言,例如期待的目光、贊許的點頭、鼓勵的微笑、傾聽時的沉思、傾聽時的前傾等,來塑造自己作為學生學習引導者

18、、合作者的角色。教師的言語要溫和親切,善于鼓勵學生勇于表達自己觀點、積極反思自己學習情況、及時改進錯誤理解等等。同時,教師要教導學生學會尊重他人的觀點,學會寬容的傾聽與嚴謹?shù)馁|疑,學會科學的解釋與合理的反駁,使得課堂不僅是民主的、平等的,還是多元的、安全的。(二)搭建學生學習科學概念的"腳手架"學生要在有限的課堂時間內(nèi)掌握人類經(jīng)歷漫長的認識而形成的科學概念,是有困難的。教師要為學生搭建科學概念學習的"腳手架",使學生能順利理解和建構科學概念。搭建"腳手架"策略之一是創(chuàng)設逼真的、問題豐富的學習情境。學生往往不能將自己在課堂中學習的科學概

19、念應用于日常生活情境之中,其原因在于課堂學習的科學概念往往脫離了現(xiàn)實情境,從而使得學生難以獲得概念的意義,形成刻板的、膚淺的理解。教學與學生的現(xiàn)實生活相聯(lián)系,不僅有益于學生的深入理解和遷移,而且真實情境的真實任務易于激發(fā)學生學習動機,能轉變?yōu)閷W生具有自我參照意義的、主動參與的、有目的的活動,從而也激發(fā)學生運用元認知對自己的學習進行調控。因此,課堂內(nèi)真實學習情境的設計對學生概念學習至關重要。例如在"傳染病"概念教學的抽象概括環(huán)節(jié),讓學生觀看我國非典時期的疾病傳播以及防治情況錄像,供學生討論傳染病的特征以及防治措施。在"密度"概念教學的遷移運用環(huán)節(jié),教師可

20、以讓24位學生組成一個小組,各小組用相同質量的橡皮泥制作一艘船,比一比哪一組的小船能盛放最多的小鐵釘而不會沉沒于水。搭建"腳手架"策略之二是提供概念的典型事例。一般情況下,至少應該有23個正例和23個反例,以便讓學生能對概念的本質特征與非本質特征以及特征的變化進行辨別與反思。最具有代表性的概念事例被稱為原型,正例之中應該包括原型。按概念的抽象水平可以將概念分為具體概念和抽象概念兩類?？梢灾苯油ㄟ^觀察獲得這類事物共同本質特征的是具體概念,例如"狗"、"鳥"等概念。抽象概念指一類事物的本質特征不能通過直接觀察獲得,必須通過下定義來揭示,又

21、稱為定義性概念,例如"密度"、"功"等概念。具體概念的正例和反例就是一些具體對象,例如鳥的正例有家鴿、企鵝和雞,其中家鴿可以作為鳥的原型。反例則有昆蟲、哺乳類、爬行類等。抽象概念的事例則要復雜得多,一般要運用類比、隱喻等方式,通過呈現(xiàn)蘊含概念定義內(nèi)涵的現(xiàn)象或活動提供概念的正例。例如,在"密度"概念教學中,教師可讓學生做一個"猜想-驗證-解釋"的游戲活動促進學生抽象概括。教師為學生提供質量相同的木塊、石蠟、鋁塊和鐵塊,讓學生猜測這些物質的輕重,然后讓學生分成小組通過實驗來驗證自己的猜測,再讓各小組根據(jù)自己的猜想和實驗

22、現(xiàn)象作出解釋。由于四個物質的體積不同,學生往往將石蠟或者鋁塊作為最輕的,也往往運用天平來驗證自己的猜想。當學生要對自己的猜想與實驗結果不符合的現(xiàn)狀作出解釋時,他們會反思自己作出猜測的依據(jù)是什么,也會思考為何質量相同的不同物質的體積會不同,由此會抽象出每種物質自身具有"輕"或"重"的屬性(即密度)。此時,教師可以將這四種物質分別放入透明的水槽中,讓學生觀察它們在水中的沉浮,進一步鞏固學生的這一觀點。接下來,教師發(fā)給學生體積不同的一些木塊、石蠟、鋁塊和鐵塊,讓不同的小組分別研究這四種物質的"輕"或"重"的屬性。各小組基