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有关概念学习_韦钰有关儿童科学概念学习的研究在心理科学领域已经有近百年的历史。自上世纪50年代认知科学兴起以后，对儿童科学概念学习的研究在认知科学领域也是关注的重点。近几十年来，由于科学技术的进步，特别是脑成像技术的发明和发展，使得科学家可以在线研究活体状态下人的精神状态和活动过程，使我们对儿童科学概念的形成和发展有了进一步的了解。学生科学概念的学习，也成为新出现的学习科学（Learning Science， 或神经教育学，Neuro-Education，）的研究重点。下面介绍两个例子。（一）为什么学生对一些科学概念的掌握十分不易？学生对科学概念的学习不仅是重要的，而且是困难的。在有关学生科学概念学习的大量研究中，多次证明了这一点。如果参加过汉博教师培训中心组织的教师培训，教师们可能都观看过一部DVD电影“Private Universe”。.这是一部美国获奖的科教片，实地记录了学生对有关电回路和四季概念的学习过程。一些学生尽管很优秀，但是在改变他们的错误前概念时，同样是很困难的，哈佛大学的学生也不例外。长期以来，人们依据不同的学习理论，对这个问题进行解释，而且希望找到对某些核心科学概念的有效教学方法，但是结果仍然不能得到令人信服的结果。用不同方法来进行研究，都发现学生概念的发展和历史上人类概念的发展十分相似。人对概念的接受有两种情况一种是在学习过程中概念的更改不大，只是在已有的概念结构上增加一些知识，增加的知识和原来学生持有的概念之间不存在冲突，这种微小的概念变化就比较容易被学生接受不需要将原来的知识重新建构。第二种情况是需要概念发生根本性的移转。在这种情况下。需要重新建构概念。当学生需要发生根本性的概念转移时，就比较困难了，常常经过一、两节课的教学不能解决问题。所以在科学教育中需要知道那些概念学生转移有困难，为什么会发生这种困难，然后才能研究解决的办法。 现在，由于科学技术的发展，我们可以用脑成像的方法，在活体的情况下，在线检测不同的学习过程中，脑不同区域的激活情况。虽然，脑是一个十分复杂的动态系统，并不能找到一个简单的脑区或是脑中的回路，与完成某一项学习功能完全相对应，但是，大量的研究已经揭示了与某些学习过程有关的脑区激活情况。如在基底节的激活和传统的学习过程相关1；位于边缘系统的海马区和副海马区激活表示明晰性记忆发生2；当需要监测误差和冲突时，前扣带回会激活3等等。神经科学已经得到了许多和记忆、学习、注意、推理过程与脑激活区域的关系，因此，为我们在脑、心智和教育的交叉学科领域里研究这些问题提供了基础，现在可以用神经科学的研究方法，得到有关学生学习科学概念过程的脑图像，从而说明学生持有的某些科学概念难以改变的原因。Dunbar 博士的一个实验是这样进行的4。在物理领域里，有一个重要的核心概念-自由落体运动问题。在人类历史上，从亚里斯多德提出有关自由落体的观点以后，他的错误的观点维持了两千年，直到伽利略用实验和推理才给出了正确的答案，可见关于自由落体运动的物理概念并不是自发地就可以建立的。Dunbar设计了一个电脑上运行的电影，让电脑的屏幕上依次显示不同的物体自由下落的过程。一种情况是两个同样的小球下落；另一种情况是两个大小不同的球下落。如果是在不存在摩擦力的情况下，要求受试者判断两个球下落的速度是否一样，它们是同时到达地面，还是一快一慢，一先一后到达地面。受试者由两组人组成，一组是至少在物理方面学过五级物理课程的物理系大学生，另一组是普通的没有受过大学物理教育的成年人，两组受试者的选择考虑了在SAT考试和性别上相类似的基础条件。实验时，要求被试者观看电脑的屏幕，看到认为是正确的答案时，按下手边的按钮，同时用功能核磁共振脑成像仪对受试者的脑部进行实时成像。研究结果显示，当实验结果和受试者的预期一致时，脑的核磁功能脑图像显示脑中的尾核和副海马回Caudate andParahippocampal Gyrus)被激活；表示这两个脑区在运作；而当结果和受试者的预期不一致时，前扣带回和辅助运动区（Anterior Cingulate and Supplementary Motor Area） 激活增加，因为他们认为这种情况是和他们的理解冲突的。我们知道，尾核是基底节的一部分，它的激活表示学习过程发生，而副海马区是形成明晰性记忆的重要区域，前扣带回激活表示受试者有认知上的冲突。在不同大小的球以同样的速度下落时，学过物理的学生脑中的尾核和副海马区激活，说明他们已经接受了正确的有关自由落体的科学概念，学习过程发生。物理系的学生看到球落下的速度不一致时，不符合他们学过的物理理论，他们的前扣带回激活增加，表示了概念上的冲突。而普通的成年人显示的结果则相反，他们在观看大小不同的两个球先后落地时，脑中的尾核和副海马区激活；而在看到两个球同时到达地面时，他们的前扣带回和辅助运动区激活增加。这个实验说明即使是成年人，没有经过认真的科学教育，他们仍然持有伽利略以前的关于自由落体运动的错误概念。实验结果说明，当现实的结果和原来持有的概念一致时，学习过程发生了，现实的实验结果和原有的观念不一致时，脑中会发生抑制这些信息被接受的过程，学习过程并没有被有效进行，这就是为什么学生接收一个新的概念是如此的困难。.同时，实验中发现了内侧前额皮层的激活，这相应于已存在的概念被表现。因而内侧前额皮层激活可以用来作为学生是否具有某种概念表达的一种标志。Dunber在实验中发现，即使是物理系的大学生，在他们看到错误的图像时，内侧前额皮层也是被激活的，只是因为结果和学生现在持有的概念不符合时，他们会抑制原有的概念。这个实验事实是十分重要的，因为它提出了一个问题，当学生的前概念改变时，是知识结构的重构吗？这是教育上一个重要的问题，一直以来，在建构主义理论的解释中，认为学生概念变化时，学生持有的知识被重构了。但是，根据实验结果，Dunber提出了一种新的和不同的观点，认为物理系的学生既表现为建立了新的正确的科学概念，但是并没有重构他们的知识，而是在接受了新的知识以后，在激活他们正确的概念以后，抑制了他们原来的前概念。物理系的学生不管是在看到正确的概念，还是不正确的原有的概念的影像出现时，他们的内侧前额皮层都被激活了。但是在前概念出现时，内侧皮层被激活的同时，前扣带回也被激活.说明即使在概念的改变发生的时候，学生仍然保留了他们原来的前概念，只不过新的知识抑制了他们原来的概念。这和目前在教育界流行的建构主义的结论并不一致。在建构主义的教学理论里，人们认为，在接受了新的教育以后，学生的科学概念是被从新建构了。这些结果对教育有什么意义呢？首先我们知道了，在学生学习新的科学概念的过程中，有脑中发生的生物过程相伴。而脑中存在的抑制机制造成了学生接受新概念的困难。其次，学生在某些方面具有的前概念，始终不会完全消失，即使在他们接受了良好的教育以后，了解了新的正确的概念以后，这些旧的错误的概念只是被抑制了，而不是被消灭了，原有的知识并没有被重构。我们从长期记忆的形成原理中似乎也可以说明这个问题。总之，有关教育的神经科学研究说明了学生有些正确的科学概念的建立不是可以自发形成的，需要良好的教学策略。一些概念要比另一些概念更难建立。说明应该尽早对儿童进行科学教育，应在他们巩固这些错误概念以前，帮助他们建立正确的科学概念或是纠正错误的概念。因为可能在许多情况下，这些错误的概念不能被置换或是重新组织，而只是可以被一定程度地抑制。我想，这再一次证明在新教改中取消小学一、二年级的科学课是不正确的。为什么帮助学生建立正确的科学概念这么重要呢。因为这会影响他们后续对许多问题的推理和判断，学习科学的研究也已经得到了有关这个问题的实验结果。（待续）主要参考资料1. Michael J. Frank，“Go” and “NoGo” Learning and the Basal Ganglia，Dana Foundation，December 07, 2007 2. 韦钰，脑与教育学习札记1-15，可以在此博客中下载。3. Bush, G., Luu, P. & Posner, M.I. (2000) Cognitive and emotional influences in anterior cingulate cortex. Trends in Cognitive Science, 4: 215-222 4. Laura-Ann Petitto & Kevin Dunbar，New findings from Educational Neuroscience on Bilingual Brains, Scientific Brains, and the Educated Mind，In press: K. Fischer & T. Katzir (Eds.), Building Usable Knowledge in Mind, Brain, & Education. Cambridge University Press.发布于2008年07月16日 15:32 | 评论数(67)阅读数(20979) 我的文章让我们来看看大科学家们的意见The scientific way of forming concepts differs from that which we use in our daily life, not basically, but merely in the more precise definitions of concepts and conclusions; more painstaking and systematic choice of experimental material, and great logical economy. (Einstein, 1936/1950, p. 98)在科学上形成概念的方法和我们在日常生活中用来形成一些观念的方法不同，它只不过是更加周密地进行概念的定义和得出结论，更加辛勤地和系统地选择试验素材和格外地重视逻辑推理.爱因斯坦可见，准确的定义概念是科学思维的特点。“鸡瘟”似应不属于科学概念。下面一个例子是我在写“探究式科学教育教学指导书”时翻译的，原文出自于原美国科学院院长，现在Science杂志的主编，Alberts博士写的一篇有关小学科学教育的文章。看来对围绕科学概念进行探究式科学教育是大家关心的课题诺贝尔物理奖获得者美国科学家费曼（Feynman，19181988）在回忆他父亲对他的培养时，曾经说到这样一个故事：有一次一个孩子问我“看见那只鸟了吗？你知道它是什么鸟吗？我回答：我一点都不知道。他说：那是一只褐色的、会发喉音的画眉，你父亲什么也没教你吗？费曼说:完全不是这样，父亲教了我很多。父亲说：看那只鸟！，它的名字叫斯宾赛鸣鸟（我知道父亲其实并不知道这只鸟的正确名字）。父亲又说：在意大利它叫XXX；在中国它叫XXX；在日本它叫XXX；你可以知道用世界上不同的语言如何称呼这种鸟，但是，学完了这些，你实际上根本不了解这种鸟，你只知道世界上居住在不同地方的人对这种乌有不同的称呼。所以，让我们来仔细观察这只鸟，看看它在做什么？那是我们应该考虑的。（我很小就知道，知道某个物体的名字和知道某个物体之间的差别）父亲说：比如说，看吧，这只鸟不停地在啄它的羽毛，它是不是一边走；一边在啄它的羽毛？是！鸟为什么要啄它们的羽毛？可能是它们飞行时把羽毛弄乱了，它们啄羽毛，以便把它们的羽毛理顺。父亲又说：好吧，如果是这样，那么它们只需要在飞过以后啄一会儿，当它们落地一段时间以后，就不应该再啄它们的羽毛了。你知道我问你这个问题的目的吗？父亲又说：让我们仔细观察一下，它们是在刚刚落下时啄得最多吗？实际上要看清楚这一点，并不困难，比较一下那些刚刚落下的鸟和已经在地上走来走去的鸟，它们在啄羽毛上看不出差别。我说，我放弃我的想法，那些鸟啄它们的羽毛，并不是为了整理羽毛。父亲说，因为有虱子在咬它，虱子在吃羽毛上沾着的蛋白的屑屑。虱子的腿上常常有一些柔软的物质，更小的生物会吃它，这些小生物不能完全消化这些物质，就会排泄一些和糖类似的物质，细菌就会在其中生长。最后父亲说，你要知道，哪里有食物存在，就一定会存在以它作食物而生存的，有生命的生物。费曼说,我现在知道，在那些鸟的脚上，可能存在的并不一定是虱子，在虱子的腿上也不一定有更小的生物，父亲告诉我的，也许在细节上并不准确，但是他却教给我根本上正确的东西。美国科学院阿伯尔茨（Alberts）院长引证了这段故事以后写道,我们每个人不可能都有像费曼那样的父亲，培养我们孩子的责任，就应该落在学校的身上。费曼的父亲要他观察的内容，围绕着建立一个核心概念那里有食物存在，就一定会存在找到它作为食物的，有生命的生物。我们现在有些科学教科书上要求学生观察的内容常常没有明确的目的，似乎越细越好。要观察植物，大多是估计树有多高，多粗、什么形状；观看叶子的颜色、形状、大小等等。要观察纸，就要求学生比较纸的厚薄、颜色、吸水性，再拉一拉，看结实不结实。各人看各人的，越细越好，看完了，各人有各人的标准和感受。天底下的不同种类的树和树叶多的是；纸也各式各样、千奇百怪，我们课堂上能看到的只是“沧海一粟”。这样的观察结束以后，学生就记住了有不同的叶子，有不同的纸，还有什么？实际上，围绕概念来组织科学教学，并不是这次修改科学教育标准中新提出来的方法。在小学自然课的标准中，列出的主要知识点就是科学概念的一种表达。原来新教改制定的标准中，也体现了应该围绕科学概念来进行科学教学的理念。东南大学叶善专教授曾经详细对比过这三个标准内容中涉及的概念，在物理、生物和地球科学三个大的领域，这三个标准之间并没有太大的差别，只是这次课标修改稿中希望把科学概念提得更明确和准确一点，并增加了分级。在领域方面，增加了技术和设计的领域。按概念来教学，也不是科学课所特有的。在我们熟悉的数学教学中一直是这样进行的。数学的教学中一定会让学生逐步建构一些概念，如整数（正数、负数、零）、分数（真分数、假分数、带分数）、正方形、长方形、三角形、平行四边形等等。学生在掌握这些概念以后，才能了解和掌握不同的运算规则和定律。为什么我们要围绕科学概念来组织科学教育呢？.因为这样做符合我们人认知发展的特点，是我们有效认识世界的途径。 在缤纷繁杂的大千世界里，我们无法记住所有的事物和事件，我们需要将它们类比、分类、归纳，推理，找寻其规律和联系，组织成为系统的知识。过去，人们以为儿童并不具有形成概念和学习概念的能力。近几十年来，关于儿童概念发展的研究方面，至少有近万篇论文已经发表。这些研究结果告诉我们：婴儿在不会说话时，已经开始对面部和语音进行分类，1-2岁可以接受某些概念，2岁半左右可以运用归纳的方法，学前儿童已经能够具有抽象推理的能力，并形成他们自己的概念。当然，这些概念的形成和概念涉及的领域有关，有些领域概念的形成先于其他一些领域，而且和儿童成长的环境有关，表现出儿童之间存在着个体的差异。儿童形成的概念很可能是不全面和不正确的，我们需要及早地帮助他们建构正确的概念，以利于他们进一步的学习。总之，在小学科学教育中，围绕概念来组织科学教育不仅是可能的，而且是必要的。近几十年来的研究，证明以下一些观点是不正确的：1. 概念的作用只是为了组织经验。2. 在儿童发展中存在认知能力发生突然变化的质变时期。3. 七岁的儿童才具有接受抽象概念和推理的能力。4. 儿童概念的形成都必须从具体的感知信息开始。我们原来小学科学课取消一、二年级的科学课，在国家标准的案例中出现像“鸡瘟”这样的案例，可能和不了解有关儿童学习理论的最新进展有关。在小学科学中围绕科学概念来组织教育，对提高儿童的学习效率，促进儿童发展是十分重要的。因为这种教学方法不仅可以让学生有效地组织和记忆知识，而且有助于他们鉴别、类比、和推理。有些经验他们可能并没有遇到，但是可以运用已经建立的概念去理解，去扩展，学会运用核心知识和模型来“触类旁通”。可以说，概念是儿童建构更复杂能力的基石。现在提出的探究式科学教育和原来自然课的教育都是围绕概念来进行，那么两种教育方法有什么不同呢？在自然课教学中，比较常用的是演绎式的（Deductive）教学方法。教学中一般由教师讲解概念，也可以给出一些实际的例子，或是让学生动手实验。希望学生掌握概念以后，能够举一反三地运用概念解决问题。而现在提倡探究式的方法来进行科学教育，是一种归纳式的（Inductive）教学方法。让学生从自己身边的事实出发，逐步建构出概念来，亲历概念形成的过程，以在掌握概念的同时，学会探究的方法，培养他们探究的能力。期盼他们不仅能将结论举一反三，而且能将探究概念的能力，如提出问题、设计实验、进行观察和实验、收集数据、进行解释等等，扩大到探究其他的问题上。这里特别要强调的是，这种探究应该在教师引导、组织和支持下进行，在一个学习的集体中，通过交流和讨论来实现，不是只靠儿童自发的闭门造车。这也是“鸡瘟”这个教案对探究式教育理解错误的地方。对这一点我们还需要进一步讨论。下面我们试着列举一些例子，看围绕概念和不围绕概念来组织教学有什么不同。例一：养蚕养蚕是普遍在幼儿园和小学中采用的案例，很有中国特色。有的教学中，让学生详细地观察和记录蚕脱了几次皮？每次相隔多少时间？每次脱皮时，蚕有多长？蚕在结茧时是怎么进行的？甚至观察蚕结茧时用了什么样的架子？这些架子是什么材料？是什么形状？等等。当然培养学生仔细观察的能力是好的，可是这些具体的过程和知识学生可能记不住，也难运用到理解生物的共同特点上。如果我们从了解生物的基本特征：生命周期和生存条件着眼，让学生重点在观察如何从卵开始