（教育技术学专业论文）思维建模促进小学科学概念转变的实证研究.pdf

摘要 摘要 国外近三十年的科学教育研究对于学生在科学学习中的概念化理解开展了 大量的研究，尤其在前概念的探查、概念转变理论模型及教学策略等方面取得了 颇有价值的研究成果。但相关研究表明，概念转变的教学并未达到预期的效果。 对于概念转变的策略研究依然是值得研究的课题，特别是网络时代的来临，赋予 了教育技术的特征。乔纳森对于技术的解读和思维建模的观点给了本研究启示。 如何在已有的研究成果基础上，从技术增强的学习和思维建模的角度出发，进行 研究，形成一种有效促进学生概念的教学策略，进而为小学科学教师提供一种新 的教学策略，成为概念学习研究领域重要、迫切且富有前景的研究课题之一。 本研究采用实验研究的方法，实验选取“种子发芽的条件 为实验内容，以 豆种为例。为实现研究目的，本研究将回答以下问题：学生对“豆种发芽的条件 存在哪些迷思概念，其经验来源是什么? 促进概念转变的支撑软件的设计与开 发；如何在教学实践中应用建模软件促进概念转变? 研究的前半段主要是完成两个工作，一是学生的前概念和迷思概念调查与分 析，二是完成豆种发芽建模软件的设计与开发。研究后半段是实验阶段，实验分 为两个阶段，学生培育探究阶段和建模建模实验阶段。学生培育探究阶段是以往 的教学方法，在教师的引导下设计实验，然后按照实验设计进行真实的豆种培育。 建模建模实验阶段在问题支架的帮助下，设计实验并通过建模软件完成实验操 作，并填写实验记录单，最终解决问题支架中的问题。在问题解决的过程中促进 学生的概念转变。研究数据主要是来自实验过程中前、中、后测。 本研究发现，以往的真实培育探究实验并不能改变学生已有的观念。相比培 育实验，建模建模实验能有效促进学生的概念转变。在此基础上，本研究提出了 思维建模促进概念转变的教学模式，其流程如下：一、前概念分析，发现迷思概 念及经验来源；二、根据学生的阶段和思维水平确定建模模式：探究性建模或描 述性建模；三、设计和开发内容支持的建模软件或选择合适的建模软件；四、设 摘要 计、提供必要的支架；五、引发认知冲突，实现思维建模。 文章最后对本研究的结论、局限性等进行了论述，并展望了未来需要进一步 研究的问题。 一关键词：概念转变思维建模认知冲突 i i s c h o o lo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi ne d u c a t i o n s o u t hc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y a n e m p i r i c a ls t u d y o nm i n d m o d e l i n g f a c i l i t a t i n gc o n c e p t u a lc h a n g e b y l i uj i a l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a oj i a n h u a t e a c h e rw u x i a n g d o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h e s o u t hc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c ei ne d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y d e g r e ea w a r d e d ： c o p y r i g h t 2 0 1 0 l i uj i a l i a n g a l lr i g h t sr e s e r v e d a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h en e a r l yt h r e ed e c a d e s ，ag r e a td e a lo ff o r e i g nr e s e a r c ha b o u ts c i e n c e e d u c a t i o nh a v e b e e nf o c u s e do ns t u d e n t s c o n c e p t u a l u n d e r s t a n d i n g i ns c i e n c e l e a r n i n g ，e s p e c i a l l yo ne x p l o r a t i o no fp r e c o n c e p t i o n ，c o n c e p t u a lc h a n g et h e o r e t i c a l m o d e l sa n ds t r a t e g i e so ft e a c h i n ga n dl e a r n i n g h o w e v e r , s o m er e s e a r c hs h o w st h a t t h ec o n c e p t u a lc h a n g i n gf a i l e dt oa c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s t h er e s e a r c ho ns t r a t e g y o fc o n c e p t u a lc h a n g i n gi ss t i l lw o r t h w h i l e ，e s p e c i a l l yi nt h ea d v e n to ft h ei n t e m e ta g e ， g i v i n g e d u c m i o n a lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e c h n o l o g y j o n a t h a n u n d e r s t a n d i n go f t e c h n o l o g ya n dt h ev i e wo fm o d e l i n gg a v et h i sr e s e a r c hs o m er e v e l a t i o n t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ho fm o d e l i n gf o rc o n c e p t u a lc h a n g ei so n eo ft h em o s tc h a l l e n g i n ga n d p r o m i s i n ga r e a sf o rf u r t h e rr e s e a r c h ，w h i c hs h o u l db eb a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c h r e s u l t sa n de x p l o r ea ne f f e c t i v e t e a c h i n gs t r a t e g i e s t o p r o m o t et h ec o n c e p t u n d e r s t a n d i n g t h i ss t u d yi sp r e s e n t e da sa ni n s t r u c t i o n a le x p e r i m e n tu s i n gaq u a s i - e x p e r i m e n t m d e s i g n i nc l a s s r o o m s e t t i n g s a n ds e l e c t ”s e e d g e r m i n a t i o nc o n d i t i o n s ”a s t h e e x p e r i m e n t a lc o n t e n t t oa c h i e v et h er e s e a r c hp u r p o s e s ，t h i ss t u d yw i l la n s w e rt h e f o l l o w i n gq u e s t i o n s ：w h a ta r et h em i s c o n c e p t i o n so f ”s e e dg e r m i n a t i o nc o n d i t i o n s ” a n de x p e r i e n c es o u r c eo fm i s c o n c e p t i o n ? h o wt od e s i g na n dd e v e l o pt h es o f t w a r e s u p p o r t i n gt h ep r o m o t i o no ft h ec o n c e p t u mc h a n g e ? h o wt o u s et h es o f t w a r et o p r o m o t ec o n c e p t u a lc h a n g ei nc l a s s r o o ms e t t i n g ? t h ef i r s th a l fo ft h es t u d yw a sm a i n l yt oc o m p l e t et w ot h i n g s ，o n ei s i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so fs t u d e n t s p r e - c o n c e p t i o na n dm i s c o n c e p t i o n ；t h es e c o n d i st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h es e c o n dh a l fi si n s t r u c t i o n a l e x p e r i m e n t ，w h i c hi s d i v i d e di n t ot w op h a s e s ：b r e e d i n gs e e da n ds i m u l a t i v e e x p e r i m e n t i nt h ep h a s eo fb r e e d i n gs e e d ，s t u d e n t sd e s i g ns e e de x p e r i m e n tu n d e r g u i d a n c eo ft e a c h e r sa n db r e e ds e e d t h ep h a s eo fs i m u l m i v ee x p e r i m e n t ，s t u d e n t i i i a b s t r a c t d e s i g ns e e de x p e r i m e n tw i t ht h eh e l po fq u e s t i o ns c a f f o l d s ，c a r r yo u te x p e r i m e n t s t h r o u g ht h es o f t w a r ea n df i u i n e x p e r i m e n t a l r e c o r ds h e e t w i t ht h eh e l po f e x p e r i m e n t s ，s t u d e n t sa n s w e rt h eq u e s t i o ni nt h es c a f f o l d s ，p r o m o t i n gs t u d e n t s c o n c e p t u a lu n d e r s t a n d i n gi nt h ep r o c e s so fp r o b l e m - s o l v i n g r e s e a r c hd a t am a i n l y f r o mt h ep r e - t e s t ，m i d d l et e s ta n dp o s t - t e s t t h i ss t u d yf o u n dt h a tb r e e d i n gs e e dd o e sn o th e l ps t u d e n t su n d e r s t a n d i n gt h e ”s e e dg e r m i n a t i o nc o n d i t i o n s ”c o m p a r e dw i t hb r e e d i n gs e e d ，s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t c a ne f f e c t i v e l yp r o m o t es t u d e n t s c o n c e p t i o nc h a n g e i nt h ep a s tt oc u l t i v a t et h et r u et e s td o e sn o tc h a n g et h es t u d e n t sa r ee x p l o r i n gt h e i d e a c u l t i v a t i o ne x p e r i m e n t ，s i m u l a t i o n sc a ne f f e c t i v e l yp r o m o t es t u d e n t sc o n c e p t u a l c h a n g e b a s e do nt h i sf i n d i n g ，at e a c h i n gm o d e lo ft h i n k i n gm o d e l i n gp r o m o t i n g c o n c e p t u a lc h a n g ew a sp r o p o s e d ，w h i c hp r o c e d u r e a r ea sf o l l o w s ： o nt h i sb a s i s ，t h i ss t u d yp r o p o s e dm o d e lo ft h i n k i n gt e a c h i n gm o d e lt op r o m o t e t h ec o n c e p to fc h a n g e ，i t sp r o c e s s e sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t ，a n a l y z i n gp r e - c o n c e p t u a l a n df i n d i n go u tm i s c o n c e p t i o na n de x p e r i e n c es o u r c eo fm i s c o n c e p t i o n ；s e c o n d ， d e t e r m i n i n gt h el e v e lo fm o d e l i n ga c c o r d i n gt ot h el e v e lo fs t u d e n t s ：i n q u i r y o r i e n t e d m o d e l i n go rd e s c r i p t i v em o d e l i n g ；t h i r d ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o n s o f t w a r eo rc h o o s et h e r i g h ts o f t w a r es u p p o r t i n gm o d e l i n g ；f o u r t h ，d e s i g na n d p r o v i d i n gt h en e c e s s a r ys c a f f o l d s ；f i f t h ，t r i g g e r i n gc o g n i t i v ec o n f l i c t ，a n dt h i n k i n g m o d e l i n g i nc o n c l u s i o n ，a no v e r v i e wa n dl i m i t a t i o n so ft h i s s t u d yw e r ep r e s e n t e d r e c o m m e n d a t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha r em a d ea tl a s t k e yw o r d s ：c o n c e p t u a lc h a n g i n g ，t h i n k i n gm o d e l i n g ，c o g n i t i v ec o n f l i c t 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 图目录v i i i 表目录i x 1 绪论l 1 1 问题提出与意义1 1 1 1 问题提出1 1 1 2 研究意义2 1 2 研究目的与研究问题3 1 2 1 研究目的3 1 2 2 研究问题3 1 2 3 概念界定3 1 3 研究过程5 2 文献综述7 2 1 儿童前概念的特点7 2 2 建模学习的理论与综述8 2 2 1 建模学习的理论与方法8 2 3 概念转变的理论与综述1 1 2 3 1 概念转变模型l1 2 3 2 概念转变教学策略19 2 3 3 概念转变的教学模式2 2 2 3 4 概念转变相关研究2 5 3 研究方法2 7 3 1 实验研究2 7 v 日录 3 3 问卷调查。3 0 3 4 访谈法3 3 4 豆种发芽建模软件设计与开发3 5 4 1 豆种发芽建模软件设计3 5 4 1 1 内容设计3 5 4 1 2u i 设计一4 0 4 2 豆种发芽建模软件开发4 3 4 2 1 开发软件f l a s h 介绍4 3 4 2 2 关键代码4 4 4 3 实验操作流程5l 5 数据分析与讨论5 5 5 1 差异显著性检验效果分析一5 5 5 1 1 比率差异的显著性检验5 5 5 1 2 真实探究实验前后差异显著性检验5 5 5 1 3 建模实验前后差异显著检验5 7 5 2 学生概念转变状态分析5 9 5 2 1 学生前概念分析5 9 5 2 2 豆种培育探究实验后概念状态分析6 2 5 2 3 建模实验后概念状态分析6 3 5 2 4 建模软件有效性分析6 5 5 3 讨论6 6 6 研究结论与进一步研究的问题。6 9 6 1 研究结论6 9 6 2 研究局限与不足6 9 6 3 进一步研究的问题7 0 参考文献7 1 附录一：关于豆种发芽条件的认知情况调查7 9 附录二：关于豆种发芽条件的认知情况调查：8 0 目录 附录三：关于豆种发芽条件的认知情况调查一8 1 致谢8 3 v i i 图目录 图1 1 研究过程5 图2 1 静念模型9 图2 2 “物质”、“过程”和“心理状态的本体论树1 4 图2 3 学生关于力概念的一种理论结构1 6 图2 4 多维课堂概念转变框架18 图2 55 e 教学模式2 4 图3 1 实验过程2 8 图4 1 首页4 2 图4 2 “开始实验”界面4 2 图4 3 “扩展阅读”页面。4 3 图4 4 设置变量5l 图4 5 选择预测结果5 2 图4 6 结果预测5 2 图4 7 结果对比5 3 图5 1 学生对阳光条件的理解分布6 0 图5 2 学生对空气条件的理解分布6 1 表目录 表4 1 变量一3 5 表4 2 发芽情况表3 6 表4 3 发芽情况表3 7 表4 4 扩展阅读( 好璇光种子植物) 3 7 表4 5 扩展阅读( 嫌璇光种子植物) 3 8 表5 1 前中测数据统计5 6 表5 2 真实实验前后比率数据( 阳光) 5 6 表5 3 真实实验前后比率数据( 空气) 5 7 表5 4 中后测数据统计5 7 表5 5 建模实验前后比率数据( 阳光) 5 8 表5 6 建模实验前后比率数据( 空气) 5 8 表5 7 真实实验后现场数据统计6 2 i x i 绪论 1 1 问题提出与意义 1 1 1 问题提出 1 绪论 概念作为基础知识内容，其重要性是不言而喻的。概念既是基础知识，也是 日常生活中认知世界的工具。科学概念的学习能够使学生更加深刻地认识事物和 现象，促进科学知识的系统化和结构化，有助于发展学生的逻辑推理能力，实现 提升学生科学素养的科学教育目标。纵观国际科学教育发展的历史，近三十年来， 对学生的科学概念以及学生在科学学习中所扮演角色的研究是科学教育的心理 学研究中最重要的领域之( d u i t ，2 0 0 3 ) 。 2 0 世纪7 0 年代，研究者开始关注学生教学前概念( p r e i n s t r u c t i o n a l c o n c e p t i o n s ) 的研究，即对学生带入课堂中的、未接受教学之前的科学“概念”进 行研究。研究表明，在正式学习某些科学概念之前，儿童并不是空着脑袋来到课 堂的，他们已经通过对日常生活中一些现象的观察和体验而形成了一些个人化的 概念，这些概念被称之为“前概念( p r e c o n c e p t i o n ) ”( 任英杰，2 0 0 7 ) 。学生的原有 概念，有些是与科学的理解相一致的，是正确的概念，但往往学生的原有概念是 与科学理解相悖的，是错误的概念，称为迷思概念。学生头脑中这些与科学理解 不一致的概念如果得不到有效的纠正，它将影响新知识的获得。研究者对学生前 概念的研究发现，学生的科学概念相当有限而朴素的，是由来已久并且是根深蒂 固的( d u i t ，2 0 0 3 ) 。同时，沃斯尼阿多也发现一种“知识迁移的不对等”现象，一 方面，无处不在的日常概念会非常容易地迁移到学校教育情境中，对科学概念的 学习形成干扰；而另一方面，学生在学校中获得的科学概念却很少会迁移到日常 情境中( v o s n i a d o u ，2 0 0 7 ) 。 由此，促进学生的概念转变成为了科学教育中一个非常重要的任务。无视儿 童已有的概念而只管知识的灌输，或者意识到儿章先前概念的存在而试图用科学 l 绪论 概念去取代，事实证明，传统的授受式教学很难真正促进学生的概念转变( 王美， 2 0 0 8 ) 。例如，罗思( r o t h ) 发现，学生们在学过光合作用后，仍然认为植物是从土 壤中获取能量而不是在叶片中制造的( 杰瑞，2 0 0 8 ) 。从当前的情况来看，促进科学 概念教学的实践效果也并不理想，即使是在科学教育发展较早的美国，大量的研 究结果也表明学生对科学概念晦掌握并不理想( p e r k i n s 。1 9 9 2 ) 。在我国，由于教 学中往往强调对科学概念的机械记忆，学生对科学概念不能真正认识和理解，因 此，“科学概念教学不能让学生实现科学概念的建构”，且“科学概念教学的效果 并不理想”( 高潇怡，2 0 0 9 ) 。 有关迷思概念的改变，需要开发新的学习方法或教学策略，来解决这一教学 中长期没有得到解决的难题( 徐晓东，2 0 0 9 ) 。 乔纳森提出“学习者可以通过使用认知工具对思维进行建模，从而促进自我 认知概念的转变，并最终实现有意义的学习。”强调利用技术工具支持思维技能 的培养，源于乔纳森对于技术与学习关系的理解：“在利用技术支持学习者学习 时，若只是将技术作为信息的存储工具和传递工具，那么将会剥夺学习者或者教 师在整个学习过程中的有意义控制一因为学习者是从思考中获得学习，而不是从 技术中学习”。根据乔纳森的观点，应该将技术作为一种能够帮助学习者阐释和 重组个人知识的思维工具，利用技术来帮助学习者进行更有效的思考( 乔纳森 顾小青译，2 0 0 8 ) 。 如何在已有的研究成果基础上，基于乔纳森对于技术的理解和思维建模的观 点，从技术增强的学习和思维建模的角度出发，进行研究，形成一种有效促进学 生概念的教学策略，进而为小学科学教师提供一种新的教学策略，成为概念学习 研究领域重要、迫切且富有f i 景的研究课题之一。 1 1 2 研究意义 ( 1 ) 理论意义： 从技术支持的思维建模的角度出发，促进学生的概念转变，可以探索一种新 的促进小学科学概念学习的教学策略，丰富教学策略与概念转变教学的理论研 究。 2 1 绪论 ( 2 ) 实践意义： 一方面，本研究可以促进小学生对科学概念的学习和理解，有助于小学生科 学素养的培养。另一方面，通过本研究可为小学科学老师开展科学概念学习提供 一种新的方法、思路或模式。 1 2 研究目的与研究问题 1 2 1 研究目的 本研究旨在研究从技术支持的思维建模的角度促进学生迷思概念的转变。本 研究的具体研究目的如下： ( 1 ) 探究思维建模的含义及可操作的教学方式。 ( 2 ) 调查学生存在哪些迷思概念，并查找其来源。 ( 3 ) 验证思维建模促进概念转变的教学策略的有效性。 1 2 2 研究问题 为达到上述目的，本研究试图探讨并回答如下问题： ( 1 ) 如何构建有效的思维建模工具7 ( 2 ) 技术支持的思维建模能否促进迷思概念的转变，如何促进? 1 2 3 概念界定 本研究涉及的核心概念主要有前概念、迷思概念、概念转变和思维建模等。 思维建模和概念转变是本研究是最核心的概念，对其进行清晰的操作性定义可以 为本研究的开展提供一个简明的研究框架和思路。结合研究的实际需要，概念界 定如下： 1 科学概念、前概念和迷思概念 科学概念 考虑到研究的操作性和具体情境，本研究将科学概念界定为目前普遍被专家 l 绪论 和科学家所接受的观点、看法等( g l y n n ，y e a n y & b r i t t o n 熊召弟等译，1 9 9 6 ) 。 前概念 在正式学习某些科学概念之前，儿童并不是空着脑袋来到课堂的，他们已经通 过对同常生活中一些现象的观察和体验而形成了一些个人化的概念，这些概念被 称之为“日c f 科学概念”或“前概念( p r e c o n c e p t i o n ) ”( 任英杰，2 0 0 7 ) 。 迷思概念 “迷思概念”是我国台湾学者对英文“m i s c o n c e p t i o n ”一词的有趣译法。迷 思概念是指学生头脑中存在的与科学概念不一致的认识称为“迷思概念” ( 乐国安，2 0 0 1 ) 。 迷思概念来源于生活，经验性是其最大的特点。迷思概念强调对知识的错误 认识，不只是针对某一概念。迷思概念的范围逐渐扩大到原理、理论性的知识， 即迷思概念可以是一个原理或者理论。比如：“运动表示有力的作用”迷思概念。 ( 摘自2 0 0 9 年1 2 月对徐晓东教授访谈) 2 认知冲突、概念转变 认知冲突 个体已有观点与新的问题情境相互矛盾而产生的一种心理不平衡( 丁伟， 2 0 0 9 ) 。 概念转变 概念转变指个体原有的某种知识经验由于受到与此不一致的新经验的影响 而发生的重大改变( 张建伟，1 9 9 8 ) 。 3 建模、思维建模、思维建模工具 建模 为了解决特定问题，利用所给定的思维工具，通过一定的抽象、简化和假设 活动，以某种表征系统再现原型客体的基本属性及其关系。表征系统由3 种成 分构成：( 1 ) 被表征的原型客体；( 2 ) 表征符号系统；( 3 ) 两者之间的关系。这3 种 成分及其协调一致性构成了表征系统( 刘儒德，2 0 0 3 ) 。 思维建模 乔纳森认为“学习者是从思考中学习，而不是从技术中学习”，因此技术应 4 l 绪论 作为一种能够帮助学习者阐释和重组个人知识的思维工具，利用技术帮助学习者 进行更为有效的思考。乔纳森在技术支持的思维建模一书中提出以建模的形 式来使用思维工具。它要求学习者利用思维工具，将对主题要素及其关系的认知 过程以模型的形式呈现出来( 乔纳森，2 0 0 6 ) 。 思维建模工具 用来建立思维模型的思维工具，思维建模工具能够帮助学习者具化内部的认 知概念模型，促使学习者在建模的过程中积极地调整与修改自我的概念模型结 构，并通过多种形式的认知呈现，帮助学习者丰富和扩展内部的认知概念模型的 意义( 乔纳森，2 0 0 6 ) 。 1 3 研究过程 本研究分为四个阶段：研究准备阶段，建模建模实验软件设计与开发阶段， 应用实践阶段以及总结反思阶段。 l 绪论 研究的迷思概念来设计和开发的建模建模实验软件。本研究选取了“豆种发芽需 要阳光”这一迷思概念，设计并开发了“豆种发芽”建模建模实验，为后续实证 研究提供技术支持。 3 应用实践阶段 本阶段基于第二阶段开发的建模建模实验软件，依据“技术支持的思维建模” 的理念设计实验，通过问卷调查、访谈等方法收集实验数据，并进行数据分析， 验证思维建模在促进学生概念转变中的应用效果。 4 总结反思阶段 该阶段主要工作是在理论与实践研究的基础上，总结、归纳研究成果，创新 点与不足，并提出后续研究展望。 。 6 2 文献综述 2 文献综述 2 1 儿童前概念的特点 儿童是带着与他们观察到的现象有关的各种想法和解释进入科学课堂的，即 使他们那时候还没有系统地学习过有关的科学知识。儿童形成这些想法和解释， 是因为他们在日常生活中已经有了各方面的经验，如通过身体力行的活动、通过 与身边的人交谈，通过大众媒体获得的经验。儿童的这些来自经验的想法和解释 构成了儿童的前概念。儿童的前概念具有个体差异性、不连贯性和稳定性。 1 个体差异性 由于每一个儿章都以自己的方式来“观察 并解释现象，所以儿童会给出五 花) k f - j 的解释。人们内化经验的方式至少有一部分是某个体独有的，他们建构了 他们自己意义。这些具有个体差异性的“想法”影响了获取信息的方式。大多数 的科学哲学家都认为，假设和理论并不代表所谓的“客观”信息，而是人类思维 想象的建构物或产物。从这个角度考虑，对事件的观察受到观察者的理论框架的 影响。因此，儿童的观察和对观察结果的解释受到他们的想法和期望的影响。人 们的想法和期望是具有个体差异性的，因此儿童的前概念也具有个体差异性。 2 不连贯性 学生们在课堂上会对某一现象提出不同的有时候甚至是相互矛盾的解释，学 生不一定能够意识到，即使学生与老师的观点相矛盾。同一个孩子对一类特定的 想象会有不同的看法，有时候在科学家看来是完全相同的情况，学生却使用不同 的论据作出相反的预测，甚至对于同一想象，他们会在两种解释之间换来换去。 为什么会有这些矛盾? 这是因为学生与科学家对连贯性的需要和标准的认识不 同，学生没有任何单一模型可用来统摄一系列在科学家看来等价的想象。由于对 自然事件的事后解释和预测在实践中行得通，学生也就看不到保持连贯性的必 要性。 3 稳定性 7 2 义献综述 教师经常发现，即使在教学之后，学生也没有改变他们的想法，不管教师如 何竭尽全力提供相反的证据来挑战学生的观点。学生可能对相反的证据置之不 理，或者用他们自己的概念来进行解释。如前所述，虽然学生的观念是持久而稳 固的，但这并不意味着学生对现象形成了一个完全连贯的模型，而这些现象在科 学家罩是连贯的。学生的诠释和概念往往是自相矛盾的，但他们都相当稳定( 刘 小玲译，2 0 0 8 ) 。 要教给小学生什么样的科学概念，张俊提到了两种观点，一种观点是，科学 教育理应把“科学”的概念教给幼儿，否则科学教育还谈何“科学性”呢? 但遗 憾的是，很多科学概念幼儿并不能理解。由此产生了第二种观点，既然幼儿无法 理解抽象的科学概念，那何不尊重幼儿的年龄特点，让他们在自己的水平上理解 周围世界呢( 张俊，2 0 0 7 ) ? 其实这涉及小学生学习科学概念层次的问题，虽然小学 生已经开始有一定的推理能力，但由于其知识基础、认知能力和理解能力方面的 不足，很多时候，他们无法理解科学概念中的原理。n d , 学生应该在什么层次学 2 义献综述 调一致性构成了表征系统( 刘儒德，2 0 0 3 ) 。 2 、建模的种类 m e l l a r 和b l i s s ( 1 9 9 4 ) 对建模做了一种颇有创见与教学实践价值的分类方 法。他们认为，建模可分为以下3 种：定量建模、定性建模与半定量建模。 ( 1 ) 定量建模 定量模型包括静态模型和动态模型2 种( b o o h a n ，1 9 9 4 ) 。在静态模型中，学 习者将原始值代入系统中的一些变量，然后计算出结果，如果所获结果接近目标， 就完成解答，建立起一个模型；否则，重新向这些变量输入新的值，直到完成解 答并建立模型为止，如图所示。 绐京 图2 - 1 静态模型 电子表格普遍被学校课程用作一种建模工具，尤其在静态模型中使用最多。 电子表格输入新值很方便，而且，学习者每改变一个变量的值，电子表格系统就 会自动修改其他相关变量的值，因而对“如果，那么 问题与试误性解答非常适 用( m o l y n e u x ，1 9 9 9 ) 。 在动态模型中，计算出的结果又反馈到系统的各种关系中，经过一段时间的 循环变化，系统的行为就被模型化。 ( 2 ) 定性建模 定性模型与定量模型相反，它更强调推理过程( t o m p s e t t ，1 9 9 4 ) ，其商业用途 是要利用人类决策过程来提高计算机的决策能力。而在教育中，人们的兴趣恰恰 相反，是要利用计算机模型中所反映出来的推理过程来增强学习者的理解。这就 把注意的焦点从决策转到了推理过程。简单一点的定性模型就是根据某一问题的 事实，运用一些代表主题知识的“通用规则”演绎出新信息，这些新信息可被解 释为对真实世界中这一问题的解答。这种定性建模与数学建模有相似之处，前者 中的事实或信息对应于后者中的数值，规则对应于公式，只不过是用推理过程取 9 2 文献综述 代了计算。 ( 3 ) 半定量建模 半定量建模是一种新颖但很重要的建模方式。它根据物件的粗略大小与影响 方向来考虑问题( b l i s s ，1 9 9 4 ) 。它要求理解因果关系的方向( 上升或下降) 却不 需要考虑数值或数量关系。半定量推理之所以能被用于算术学习和教学当中，还 因为它允许学生关注于情境中的要素，而又避免陷入因确定精确关系而带来的复 杂性之中。一些研究认为它是定量推理的前身，另一些研究认为，由于半定量方 法使学生能从相当小的年龄就学会系统思考的方法，因而可以更j 下确地处理好复 杂的概念。 此外，建模学习还可分为为探究性建模与表达性建模两种( b l i s s ，1 9 9 9 ) 。在 探究性学习活动中，学习者探究他人( 教师或专家) 有关某一主题的想法，这些 想法往往与学习者的想法有很大的差异，是以模型表示出来的。在这样的活动中， 学习者需要与这些模型产生交互作用，让自己的想法和他人的想法产生碰撞。学 习者与这些模型的交互作用过程是：在“如果，那么 的框架下，作出预测、考 虑可能的方案、作出决策并观察可能的后果。在表达性学习活动中，学习者利用 工具将自己思想的某些方面外化出来，从而表述自己的看法。例如，学习者可以 利用几何画板这一计算机工具软件来表达自己对某一显示问题的表征。在这样的 活动中，学习者是在对自己的假设建构模型。探究性模式与表达性模式对建模工 具的使用是大不相同的。在探究性模式中，教学者要给学习者提供一些事先已经 利用建模工具建构出来的适当的模型，并同时提供问题和活动。在表达性模式中， 教学者给学习者提供空的工具，同时还提供可促使学生进行建模的材料和任务。 3 、建模与计算机建模 建模与信息技术的关联在定程度上导致了思维建模与计算机建模的混淆。 计算机交互式建模，设计者事先已建立好了框架，提供了对某一主题领域的一个 成熟的模型( 专家建立好的) 。学习者可以改变这一模型中某些变量的值，观察 这些改变所带来的结果，从而探究这些变量之间的关系。这种交互性地操纵模型 的方式比过去那种注重概念、公式和规则的静态的课本学习是一个很大的进步 ( w i l e n s k y , 1 9 9 5 ) 。但学生很可能不了解模型的工作原理及基层架构。学生对要 1 0 2 文献综述 素及要素间关系的认识深度取决于模型设计的科学性和有效的学习支架，并默认 该模型的工作原理是科学合理的，从定程度上简化了思考的过程。 技术支持的思维建模是利用思维建模工具对思维进行建模，它要求学习者利 用思维工具，将对主题要素及其关系的认知过程以模型的形式呈现出来。 4 建模学习与使用模型 建模学习和使用模型不同，具体区分如下表所示： 表2 - 1 建模学习与使用模型 方式主体过程目的 建模学生( 建构)构建模型通过让学生构建模型获得主题的要素 及其之间的关系 使用模型学生( 使用)使用模型通过使用模型，发现主题的要素及其 关系 2 3 概念转变的理论与综述 2 3 1 概念转变模型 2 0 世纪8 0 年代，研究者开始越来越关注促进学生由教学前概念向科学概念 发展、转变的各种教学方法，以及对概念转变理论框架的认识和发展( 高潇 怡，2 0 0 9 ) 。1 9 8 2 年，p o s n e r 等人著名的基于认识论的概念转变模型( c o n c e p t u a l c h a n g em o d e l ) 。该模型对概念转变的界定是，核心、组织化的概念由一套概念系 。 统转变为另一套不兼容概念系统的过程。随后，c h i 等人提出了基于本体论概念 转变理论，以及维果斯基的基于朴素理论的概念转变理论( 转引吴娴等，2 0 0 8 ) 。 1 、基于认识论的概念转变模型 p o s n e r 等人借鉴了库恩、拉卡托斯等当代科学哲学家的思想，将学习者的概 念转变与科学的发展相类比，包含“学习是探究 、“学生是科学家 的隐喻，提 出了著名的基于认识论的概念转变模