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中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 中文摘要 i 中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 中文摘要 在科学教育领域， 科学探究既是重要的科学内容， 也是科学学习的重要方式之一。 因此，如何在科学教育中进行科学探究教学，成为新课程最关心的问题。 “儿童从出 生到成年的发展就是人类种族进化过程的重复” 。卢梭这一断言被称为“文化重演理 论” 。在“文化重演”的基础上，人们形成了“教育重演理论” （recapitulation theory of education） 。按照教育重演理论的观点，学生科学探究的学习活动应该与人类认识 科学世界的活动类似。我国学者母小勇、王全曾初步实证了学习者在学习物理的过程 中“重演”着人类探索物理的过程。本研究在此基础上对中学生科学概念的形成过程 进一步研究，并深入考察这些概念的历史形成过程，科学比较两者的相似性。 本研究采用概念形成的假设检验模型与文生学习曲线的绘制技术，选取“热传 导”、“自由落体运动”、“熵”以及“惯性”四个概念作为学习材料，对中学生上 述概念的形成过程进行实验研究并绘制相应的文生曲线； 运用文生方法对物理学家共 同体上述概念形成的历史过程进行研究并绘制相应的文生曲线； 利用灰色绝对关联度 模型，比较中学生形成这四个概念的过程与概念的历史形成过程的相似度或关联度。 结果表明： （1）学生科学探究活动的关键是对“范式”的理解和方法的掌握； （2）中 学生的概念形成与此概念的历史形成过程有惊人的相似， 二者不仅都需经历渐进上升 期高原期突变期三个阶段，而且每个阶段的发生以及持续时间也颇为相似。 基于以上研究，本文对科学教育教学提出了一些参考意见。科学探究教学应该尊 重科学探究的历史，科学概念、定律和原理的教学，都应该联系科学家早期关于这些 概念、定律和原理的观点以及他们思考的路径。在库恩的科学革命以及怀特海的循环 学习理论基础上，对应学生的学习过程，教育教学过程也应该是一种循环。 关键词：关键词： 概念形成；中学生；物理学家共同体；文生曲线；关联度 作作 者：马娜者：马娜 指导老师：母小勇指导老师：母小勇 abstract the similarity between physics learning and earlier physicists exploring ii the similarity between physics learning and earlier physicists exploring abstract scientific inquiry is not only important content in scientific education field, but also one of significant learning way. therefore how to organize investigative teaching becomes the most concern problem in the view of new curriculum. “the development of children from birth to adulthood repeats the evolution of the human race” j.j.rousseau (june 1712 - july 1778) said. and this assertion is called “recapitulation theory”. recapitulation theory of education is formed on the basis of recapitulation theory. jean piaget (august 1896 - september 1980) inspected the formation and development of physical concepts in history and compared them with childrens learning process of physical concepts, he found that both of them undergo four same periods and their processes of construction are very alike. corresponding to scientific inquiry teaching asks for highlighting the trajectory of exploration, research paradigm, scientific spirit and humanistic spirit. so scientific inquiry teaching should respect the history of science exploration instead of distorting it. concept is the foundation of thinking, and thinking is the core of wisdom. the theory and practice of scientific teaching show that concepts teaching plays a vital role in the formation of childrens physical knowledge structure .therefore, this research uses the method of scientific history study and the research technique of concept formation of psychology experiment, and compiles experiment material basis on bouthilet hypothesis test model. this research is aimed at discussing further about the process of concept formation of high school physics using psychology methods. it turns out that: (1) the key of students science inquiry activity is understanding paradigms and mastering the method; (2) students science inquiry learning activities is similar to humans activities of realizing the scientific world. and this declares that whichever scientific concept or scientific law or principle is directly derived from science, we can also find scientists early ideas about these concepts, laws and principles as well as their thinking path. based on these reasons, this paper puts forward some suggestions for science education teaching. thomas kuhn(july 1922june 1996) believes that the development of the similarity between physics learning and earlier physicists exploring abstract iii science is a cyclic process. it goes through the following stages“pre-science, normal science, abnormal and crisis, scientific revolution, new normal science”only if it develops unceasingly in circle can it keep on progressing. and students explore learning process happens to go through a cycle as well, “prescientific concept, conjecture and hypothesis, standardized concept, new problems and new phenomena, conjecture and hypothesis, new standardized concept”this cycle is very similar with the development of scientific revolution. thus education should be a kind of cycle as well corresponding to the learning process of students. keywords: concept formation; high school students; earlier scientists exploring; vincent curves; absolute degree of grey incidence wirtten by : ma na supervised by : mu xiaoyong 目 录 第一章 问题提出与文献综述 . 1 1.1 问题的提出. 1 1.1.1 题目来源和意义 . 1 1.1.2 研究假设 . 2 1.2 文献综述 . 2 1.2.1 科学概念形成心理机制研究 . 2 1.2.2 科学概念转变研究 . 4 第二章 科学教育的“重演”本质. 7 2.1 科学概念的形成过程 . 7 2.1.1 心理学理论皮亚杰的发生认识论 . 7 2.1.2 科学哲学理论库恩的科学革命论 . 8 2.2 重演理论 . 10 2.2.1 重演论的提出及内涵 . 10 2.2.2 教育重演理论 . 11 2.2.3 科学概念形成过程的重演以皮亚杰的动量概念形成为例 . 12 第三章 研究方法 . 16 3.1 被试 . 16 3.2 研究工具实验材料 . 16 3.3 实验过程 . 17 3.4 数据统计和处理 . 17 3.4.1 文生曲线 . 17 3.4.2 灰色绝对关联度 . 19 第四章 结果分析 . 20 4.1 物理科学概念形成过程的文生法分析 . 20 4.1.1 热传导 . 20 4.1.2 自由落体运动 . 23 4.1.3 熵 . 27 4.1.4 惯性 . 30 4.2 中学生与物理学家概念形成过程的对比研究 . 35 4.2.1 热传导 . 35 4.2.2 自由落体运动 . 37 4.2.3 熵 . 38 4.2.4 惯性 . 39 4.2.5 小结 . 40 第五章 结论与对策 . 43 5.1 学生科学探究活动的关键是对“范式”的理解和方法的掌握 . 43 5.2 科学概念形成的重演本质. 44 5.3 教育是一种循环过程 . 46 参考文献 . 48 攻读学位期间公开发表的论文 . 52 致 谢 . 53 中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 第一章 问题提出与文献综述 1 第一章 问题提出与文献综述 1.1 问题的提出 1.1.1 题目来源和意义题目来源和意义 我国新一轮基础教育课程改革倡导研究性学习和科学探究， 其核心是利用文化演 进的规律和程序，解决教学过程中学生自主性体现不足、肢解人类文化和学生单向度 发展的问题。随着新课程的逐步实施和改革的不断深入，人们发现，由于一些人对倡 导研究性学习和科学探究的意图的肤浅认识，加之对文化演进规律和程序的误解，导 致许多教科书、 教学过程似乎陷入忽视精确、 规范知识和理论的泥潭。 在 “发展能力” 取向的新课程背景下，引发了课程领域关于知识重要性和学习本质的争论。事实上， 基于卢梭“文化重演理论” 、库恩“科学革命”理论和怀特海循环学习理论的科学探 究教学策略，并不是仅仅强调绝对自由的、 “浪漫的”猜想或假说活动，它们还强调 规范的、 精确的科学知识、 科学 “范式” 的形成， 主张通过学生和教师形成真正的 “学 习共同体”来开展科学学习和科学探究。 在科学教育领域， 科学探究既是重要的科学内容， 也是科学学习的重要方式之一。 因此，如何在科学教育中进行科学探究教学，成为新课程最关心的问题。科学探究教 学应该尊重科学探究的历史，而不应该歪曲科学探究历史另搞一套，这是科学探究教 学凸显探究轨迹、 研究范式、 科学精神和人文精神的要求。 科学探究教学本质上是 “重 演”人类先驱的科学探究历史、过程、轨迹和方法，只是在教学过程中需要科学教师 不断地在探究难点、转折点和新思想的生长点给学生启发、指导和引导。我国学者母 小勇教授曾经用心理学假设检验模型研究过中学生物理概念形成过程并与物理学概 念演变历史进行过对比，初步实证了“重演理论” 。本研究将在“文化重演”的视野 中，进一步对中学生物理概念的形成过程进行心理学研究，希望准确把握研究性学习 和科学探究的本质，深刻解读“科学革命”理论，为后续有志之士构建更加合理、有 效的科学教学模式及科学教学策略做好铺垫， 这必将为推进基础教育科学类课程改革 产生重要意义。 第一章 问题提出与文献综述 中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 2 1.1.2 研究假设研究假设 “儿童从出生到成年的发展就是人类种族进化过程的重复” 。卢梭这一断言被称 为“文化重演理论” 。皮亚杰通过对物理学概念形成和发展过程的历史考察，并与儿 童物理概念学习过程进行比较， 发现物理学概念的发展历程和儿童物理概念学习的心 理过程都经历了四个时期，两者的建构的过程存在相似性。我国学者母小勇教授曾经 用心理学假设检验模型研究过中学生“熵” 、 “反作用力” 、 “机械能守恒”和“场”几 个物理概念的形成过程， 提出了科学概念的形成要经历振荡渐进期高原期突 变期三个阶段。到底科学概念的形成过程是否符合这一规律，中学生科学概念的形成 过程与历史上该概念的发展过程是否相似，以及存在怎样的相似，本文依据高中物 理课程标准精选4个物理概念进行进一步研究，试图回答以上问题。 1.2 文献综述 自20世纪50、60年代，美国、加拿大、新西兰等国家的学者已对学生的科学概念 进行了大量的研究， 20世纪80年代对学生前概念的研究已成为科学教育研究的一个重 要课题。 科学概念转变的研究在过去20年来一直是科学学习上最重要的研究议题以及 发展的方向。 长期以来认知心理学领域学者与科学教育领域学者不断尝试从不同的角 度进行研究，试图建立一个可以有效促进学科科学概念转变的成功模式。我国关于学 生科学概念的相关研究起步较晚。自20世纪80年代建构主义学习理论引入我国后，许 多学者对学生的建构性学习产生兴趣并开展研究。 科学概念掌握与发展研究兴起，“学 生的已有知识经验”日益受到关注。80年代末期后涌现出了“前概念”的相关研究， 主要是集中在物理、化学、数学等学科，并提出了一些使学生形成正确科学概念的教 学策略。 通过对相关文献的整理分析， 可以将国内外学者对于科学概念的研究归结到以下 两个方面。 1.2.1 科学概念形成心理机科学概念形成心理机制研究制研究 当前在心理学界对科学概念形成及发展的研究文章并不多见， 关于概念形成机制 的最有影响的学说主要有两家：假设检验理论和样例学习理论。样例学习理论认为， 自然情况下概念形成以样例学习为主。moates等人1980年提出包括发现属性、发现 属性结合的规则、提出假设和检验假设等阶段。也就是说，所谓概念的形成是指从大 乐国安. 现代认知心理学关于概念获得的某些研究j. 心理学动态, 1985(4): 1-7. 中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 第一章 问题提出与文献综述 3 量的具体例子出发，从概念的肯定例证中，以归纳的方式抽出一类事物的共同属性， 并把某一种事物置于某一类事物中的过程。 而假设检验理论认为概念形成是一个不断 提出假设、不断验证假设的过程。l. bouthilet于1948年首创假设检验模型，采用精 心搭配的英文单词来提供正确或不正确的选项，让被试产生并检验假设。这种材料后 来广为流行，被很多研究者借鉴改编。而许多学者主张把这两种理论综合起来考虑。 smith等人提出：人的记忆中可能存在两类信息，样例信息（对样例的记忆）和类别 信息（概念的定义、关键特征以及特征间的相互关系） ，前者用于迅速判断，后者用 于逻辑证明。每个概念都含有类别信息和样例信息。下面具体介绍一些学者利用l. bouthilet假设检验模型研究概念形成过程的研究成果。 （1）人工概念形成过程 1986年杨治良利用bouthilet假设检验模型和按同样原理自制的汉字假设检验模 型对概念的形成过程进行探究，得出先渐进、后突变，无明显高原现象的结论。 之 后第二年， 陈家麟利用自制的汉字假设检验模型得出了与杨治良不同的结论， 他认为： 概念的形成过程应该是一条突变曲线，具有相当长的高原期。 （2）自然科学概念形成过程 在假设检验模型的基础上，母小勇、张莉华以“熵”概念为例进行了实验研究， 分析得出“熵”的概念形成过程为：渐进期高原期突变期过程。 母小勇又以“反作用力” 、 “机械能守恒” 、 “熵” 、 “场”四个物理概念为例，对成 人和中学生的物理概念形成过程进行了实验对比研究。成人与中学生物理概念学习 过程曲线依然分为三个部分：振荡渐进期高原期突变期。对于比较具体的科 学概念，成人和中学生的学习特征是基本一致的。越是抽象的科学概念，成人与中学 生概念形成过程的差异出现越早。成人科学概念学习的振荡渐进期较长；中学生科学 概念学习的振荡渐进期较短，振荡特征比较明显。成人科学概念学习的高原期出现较 晚，但持续较长；中学生科学概念学习的高原期出现较早，但持续较短，并且突变期 的跨度随概念的抽象程度提高而越来越大。 双方曲线都有一段以较快的速度急剧上升 呈突变式的过程， 说明成人与中学生物理概念学习的最终完成还是要依靠他们的自组 织学习活动。 杨治良概念形成渐进突变过程的实验性探索j心理学报，1986，18（4）：380387. 转引自: smith, e.e. 中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 第一章 问题提出与文献综述 5 杜伊特根据建构主义思想，将概念转变学习分为连续途径和不连续途径。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， 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。不连续途径的显著特点是学生已有 的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 冲突就是在学生的认知心理上造成差异与不平衡。一旦引发这种认知冲突，就会引起 学生认知结构上的不平衡，就能激起学生的求知欲和探索心向，促使学生进行认知结 构的同化与顺应。 （2）概念转变的条件 康乃尔大学教育系的波斯纳等四位专家在80年代初期提出了观念转变理论（概 念转变模型） ，认为概念转变的四个条件有：(1)对已有概念的不满。学生只有当感到 自己的某个基本概念失去作用，他才可能改变原有概念。当遇到新概念与已有概念发 生冲突，导致新概念不能顺利地被学习者接受，就可能会有效地导致对原有概念的不 满。(2)新概念的可理解性。学习者必须懂得新概念的真正含义，把各部分联系起来， 建立整体一致的表征。 (3)新概念的合理性。 只有当新概念与个体所接受的其他概念、 信念相互一致时，个体才能看到新概念的合理性。学生看到新概念的合理性，就意味 着他相信新概念的真实性。 (4)新概念的有效性。 个体应该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。 （3）促进概念转变的教学策略研究 袁维新根据认知心理学的观点，认为概念转变是学生内在的朴素心理模型向科 学心理模型转变与建构的过程。 概念转变的策略包括聚焦学生心理模型中的错误概念； 引发学生的认知冲突；通过类比推理，建构新模型；使用新模型，进行科学推理。袁 维新还提出用诊断性评价揭示来学生的前概念。 许丽军采用二段式诊断性测查对初一学生头脑中几个典型（力学）概念的前概 念情况进行研究，提出了：问题呈现讨论暴露前概念修正原有概念解决 新问题、巩固概念的概念转变策略。 袁维新. 西方科学教学中概念转变学习理论的形成与发展j. 比较教育研究, 2004(3): 33-38. posner, g.j. , strike, k.a. , hewson, p.w. 2 王全，母小勇. 基于小组合作的科学概念形成过程研究j. 苏州大学学报(工科 版) ，2008(5)：99-101; 3 母小勇. 成人与中学生科学概念形成过程的四个对比实验j. 心理科学，2002， 25(5)：569-572; 4 王全， 母小勇. “科学史探索” 教学模式的 “重演” 论基础j. 课程 教材 教 法，2008，28(7)：62-66; 5 樊琪. 自然科学概念形成过程中外显与内隐学习的比较j. 心理科学， 2001， 24(6)： 676-679; 6 宋广文，王平. 社会科学概念形成过程中外显与内隐学习的比较研究j. 心理科 学， 2004，27(3):640-642; 7 杨治良 概念形成渐进突变过程的实验性探索j 心理学报， 1986， 18 （4） ： 380387; 8 杨治良. 概念形成过程的一项实验研究兼谈死记硬背在概念形成中的消极作 用j. 心理科学通讯，1985,（5）：31-35; 9 spalding t. l. 10 smith, e.e. 11 陈家麟. 关于概念形成的一项实验研究j. 心理学报，1987，(4)：359-364; 12 乐国安. 现代认知心理学关于概念获得的某些研究j. 心理学动态，1986，(4)： 1-7; 中学生与物理学家共同体概念形成过程的对比研究 参考文献 49 13 丁月华.有关儿童科学概念形成研究评介j. 吉林省教育学院学报， 2008， 24(11)： 124-125; 14 关瑜桢. 中国科学史研究中的模拟实验方法探析j. 上海交通大学学报：哲学社 会科学版，2009,17（2）：42-48; 15 posner, g.j. , strike, k.a. , hewson, p.w. 16 haeckel, e. 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