概念转变的认知过程及其教学实现

/概念转变的认知过程及其教学实现【摘要】概念转变涉及复杂的认知过程。整合概念学习和认知心理学的相关研究成果，可建立包含过程链和调控网的概念转变认知过程模型。从过程链来看，概念转变受阻于感知阶段的注意失衡和信息过载、加工阶段的细节不清和关联不足、提取阶段的线索缺失和自动化倾向。从调控网来看，概念转变受困于知识框架不完备、动机取向偏差和元认知监控薄弱。立足认知规律开展概念教学，以提高学生的认知活动品质和认知调控能力为根本，有助于实现概念教学从知识传递、外部控制向思维提升、自我调控的转变。【关键词】概念转变；认知过程；概念教学

概念作为学科知识体系的基础单元和思维活动的必要元素，具有重要的育人价值。在知识体系中，概念发挥着承上启下的关键作用：它通过对一类具体事实进行抽象概括，并借助命题构建概念之间的关联，进而指向抽象程度更高、概括性更强、迁移价值更大的原理与观念，即所谓的“大概念”。[1]26在思维活动中，概念是判断和推理的基石。概念不清，则判断不明，继而推理不通。由此，准确掌握概念的重要性不言而喻。然而，学生在日常生活中形成的前概念常存在局限或偏差，且具有极强的持久性和迁移性，阻碍着学生建立对概念的科学认识。促进学生的前概念向科学概念转变，是概念教学的核心任务，也是面临的主要挑战。 认知过程是决定概念转变成效的最直接因素。阐明概念转变的认知过程有助于揭示其困难根源，进而发展出认知适配的教学策略。随着认知心理学与学习科学的研究持续深入，加之神经科学技术的引入，关于概念转变认知过程的认识有了新的发展。 一、概念转变的认知过程 关于学生为何难以转变前概念，学界形成了认识论、本体论、情感动机等多重视角的解释。然而，对学生概念转变所必须经历的复杂认知过程，过往理论普遍欠缺系统性考察——这也成为制约概念教学精准化、心理化的理论瓶颈。例如，波斯纳提出单线程的概念转变模型(ConceptualChangeModel)[2]，忽视了认知过程受到多种因素调控，难以解释相同教学条件下概念转变的个体差异。后续形成的综合性概念转变理论，如知识的认知重构模型、概念转变动态模型等，明确了概念转变依赖一连串复杂的认知操作，涉及一系列紧密关联的心理要素[3][4]，但是未阐明各认知操作的特点以及各心理要素的相互关系，导致概念转变的心理路径和必要条件不甚清晰。近些年，神经科学研究挑战了传统概念转变理论的“取代观”，揭示了新旧概念之间复杂且动态的共存与竞争关系，主张概念转变的本质是科学概念对前概念的超越，[5]但是系统阐释这一转变发生的过程性模型尚未建立。 本文基于概念转变的“超越观”，整合概念学习和认知心理学研究成果，构建了概念转变的认知过程模型(图1)。该模型认为，概念转变的结果是科学概念超越前概念，在知识框架中确立主导地位，能够在相关情境下被优先激活、调用，并指导思维和决策。这一结果的达成依赖感知、加工、提取三大认知环节的高效运作，以及知识框架、学习动机、元认知三大调控因素的系统协同。概念转变的认知过程模型突破传统概念转变理论对加工环节的孤立性考察，转向全流程的认知过程解析。感知、加工、提取构成概念转变的认知过程链，三者环环相扣、层层递进(图1实线路径)。唯有经历对概念特征的精准感知和精细加工，形成对科学概念的深度理解，并加以高频提取应用，方能最终确立科学概念在知识框架中的主导地位。同时，该模型突破既有理论对概念转变影响因素的碎片化讨论，构建系统性的认知调控网络。知识框架、学习动机、元认知与认知活动深度交互，共同塑造概念学习的品质和结果(图1虚线路径)。概念转变认知过程模型有助于揭示概念转变在心理层面的困难，为概念教学提供更有认知指向性的指导。 图1概念转变的认知过程模型 二、基于认知过程链的概念转变难点解析 (一)感知阶段：注意失衡和信息过载 大脑信息加工能力的有限性使得个体只能将少部分信息传递至工作记忆，进行更高级的加工。如果学生未能注意到概念的关键特征，那么对科学概念的深度理解也就无从谈起。在实际教学中，存在两个突出问题制约着学生对概念关键特征的充分感知。注意失衡是感知环节的常见问题。各学科教学中，教学材料常包含辅助性、拓展性或装饰性内容。部分学生将过多的注意集中于学习材料中有趣的却与概念本质没有太多关联的信息，这会显著降低他们对概念本质的理解和记忆水平。譬如阅读一篇关于闪电形成过程的文章，一些学生过多地注意“高尔夫球手在比赛中被闪电击中”等趣味信息，而对云层中正负电荷如何相互作用等重要内容关注不足。这种注意资源的不合理分配直接导致学生对概念的理解不佳。[6] 信息过载是感知环节的另一个关键瓶颈。密集的信息和并行的任务容易超出学生的信息处理能力，导致重要的概念信息丢失或被压缩。[7]167-169例如，教师在课件上同时呈现了概念的文字说明和快节奏的动画解释，容易超出学生的视觉通道容量，导致他们遗漏概念的重要细节信息；教师在学生阅读复杂材料的同时进行讲解，部分学生无法在语音输入和视觉输入之间有效切换与整合，降低了概念信息的获取效率；在实验探究中，学生需要同时执行操作设备、观察现象、记录数据等多项任务，若缺乏适当的支持，他们可能无法集中于对概念关键现象的观察。 (二)加工阶段：细节不清和关联不足 加工是概念学习的核心环节。在此过程中，个体通过提取已有的相关知识，对输入的信息进行复述、联想、分析、推理等操作，最终形成新的概念理解加以存储。加工水平理论指出，信息加工的“深度”，或者说“精细程度”，是决定记忆持久度和强度的根本。[8]精细加工以扩展必要细节和构建实质关联为核心特征，[9]使学生超越对科学概念的机械记忆与表面理解，形成细节丰富、本质清晰且联系密切的深度理解，从而使得科学概念能够在记忆中长期维持，也更可能实现灵活提取。反之，如果学生“浅尝辄止”，对信息的加工停留在简单复述或依靠直觉的粗浅水平，那么形成的概念表征脆弱且易扭曲，不仅难以在记忆中稳固立足，更无力撼动根深蒂固的前概念。 学生在概念学习中的粗浅加工表现为概念细节不清和概念关联不足。部分学生在处理复杂的概念信息时过度压缩和简化，未能进行必要的细节丰富与拓展。例如，加工概念定义时，遗漏了必要的限定语，或没有“咬文嚼字”，未领悟词语隐含的深意；仅记住了概念的典型样例，忽略了特例的补充；将概念简化为定义和公式，没有增添实例、适用条件、不同情况下的具体现象等信息；只建立了单一形态的概念表征，未建立并整合文字、图像、模型等多元表征等。这种忽视概念细节的笼统性加工导致学生对概念的理解停留在表面，进而出现提取困难、过度概括、概念混淆等问题。 碎片化加工和建立表面关联是粗浅加工的另一种显著表现。部分学生倾向于根据事物的表面特征(如外观、形态、语音等)关联概念。在奥苏贝尔看来，这样的关联是人为强加的、牵强附会的任意关联，而非反映事物客观逻辑的实质性关联，容易造成对概念的错误理解。譬如，学生根据概念的字面含义直觉性地做出关联、分析或推理，会产生“质量和重量是一回事”“只有运动的物体才会受到摩擦力”“物体加速度越大，速度就越大”等错误认识。此外，缺乏实质性关联还会导致科学概念缺乏有效的提取线索，沦为惰性知识，即使学生对概念定义倒背如流，但却不知在何种情境中、如何加以运用。更关键的问题是，这种表面关联无法使学生触及概念的内在逻辑和系统性原理，从根本上阻碍了依托一般概念建构大概念的进程。 (三)提取阶段：线索缺失和自动化倾向 记忆具有“用进废退”的特点，为此，要确立科学概念的主导地位必须对其进行高频次的提取，强化其神经表征。缺乏足够的提取实践，将不可避免地导致科学概念的表征弱化，出现概念模糊、混淆和遗忘等问题。然而，科学概念的提取并非总能顺利执行，它常受阻于两个因素：科学概念的提取线索缺失和前概念的自动化提取倾向。概念的提取依赖于特定的知识线索或情境线索，而且那些与线索最相关的概念表征会优先得到激活。[10]234-235当新情境与原始学习情境高度相似时，概念提取最为顺畅，因为二者共享的知识要素和情境要素构成了强有力的提取索引。反之，当学生面对相异程度较高的新情境，若未能从中识别到与科学概念相关的知识要素或情境要素，则难以激活相关知识。从根本上说，提取线索缺失与学生在加工阶段未能广泛建立实质性关联有着莫大关系，比如将科学概念与单一知识或情境要素过度绑定，或仅依据情境的表面特征建立关联等。 前概念的自动化提取是阻碍科学概念确立主导地位的关键障碍。自动化提取指大脑在无需意识控制或刻意努力的情况下，对记忆进行快速激活，即通常所说的“下意识反应”或“直觉性反应”。由于前概念在日常生活中被反复应用，致使与之对应的神经通路持续强化，形成稳固的自动化激活模式。[11]这导致在科学概念习得的早期阶段，前概念在与科学概念的认知资源竞争中占据显著优势，往往被优先提取。例如，许多学生虽然学习了“力”这一概念，但是在看到滚动小球停下时，其直觉性反应往往还是将小球停下归因于缺乏维持其运动状态的力。而且，缺乏提取监控进一步提升了前概念自动化提取的成功率。前概念的自动化提取优势阻塞了科学概念的激活与应用，长此以往，科学概念就可能逐渐模糊和消退。 三、基于认知调控网的概念转变难点解析 (一)原有知识框架不完备 学生原有的知识相互关联，构成一个指导其观察和理解世界的知识框架。这个框架包含具体的学科领域知识(如前概念、相关知识、信念等)和一般的学科本质观念(如学科认识论、本体论、方法论等)。[12]这个知识框架的内部要素相互关联、相互支持，共同构成一个相对稳定且自洽的解释系统。学生的原有知识框架既是概念理解的基石，也制约着认知活动的开展。一方面，学生若欠缺学习科学概念所必须的具体领域知识，他们将难以进行有效的信息获取和加工。[10]194-195研究发现，具备更多知识储备的“专家型”学生往往能更敏锐地感知到“新手型”学生所注意不到的信息特征和信息模式。[13]另一方面，朴素的学科本质观制约着学生对概念进行精细加工的可能。学科认识论信念塑造着学生对知识本质的理解，深刻影响着其面对冲突信息时的认知倾向。当学生认为知识是复杂的、发展的、实证的，他们更愿意改变自身对科学现象的原有解释，更倾向于比较观点、整合信息、深度推理和批判性思考[14][15]，同时展现出更高的自我调控水平。[16]此外，概念转变也受学生的本体论信念和方法论信念的调控。多项研究表明，具有正确的本体论观点和掌握了科学探究方法的学生更可能实现错误概念的转变。[17][18] (二)学习动机取向有偏差 概念转变需要学生“启动”他们的情感，激发他们为了更好地理解世界、改造世界付出认知努力，而非仅仅因为他人要求或考试评价去记忆一堆信息。研究表明，动机能够增强自上而下的注意控制，从而调节学生的注意力分配[19]，同时影响着学生对加工策略的选择以及在加工过程中的努力和毅力。[13]不同动机取向的学生在概念学习中会有截然不同的表现。具有掌握目标的学生更关注获得对概念的真正理解和能力的发展，这使得他们面对与自身观点相矛盾的信息时，有着包容开放和积极探究的心态，会更多地尝试关联新旧知识、构建知识框架，也会更多地使用元认知策略，从而更顺利地实现了错误观念的转变。[14][20]相比之下，持有表现目标的学生在概念学习中表现出“知识存储取向”。他们注重对概念的准确记忆，倾向采用机械复述等形式对概念进行浅层加工，缺乏对概念的深度关联和系统性重构。面对冲突性观点，他们常常抱有否认或回避冲突的态度，甚至干脆放弃思考。[20]虽然表现取向的学生可能在短期的记忆测验中有更好的表现，但在需要长期保持和灵活应用的学习测验中，他们往往后劲不足。[21] (三)元认知活动较薄弱 元认知是对认知活动的监控和调节。本质上，概念转变是学生充分审视自己赖以思考和行动的基础性观念，努力协调、重组原有观点和科学观点的过程。[22]因此，学生能否恰当地评估自己关于科学概念的所知、所思，并采取行动调整学习进程，决定着概念转变的认知过程是否流畅。其一，元认知水平欠佳的学生难以根据概念学习的需求调控注意力的分配，无法维持对概念关键特征的持续专注和加工。[23]其二，元认知活动薄弱的学生难以准确判断科学概念的学习难度、自身对科学概念的掌握程度等情况，导致无法合理调整概念加工进程与策略。[24]例如，高估了概念学习的难度，学生可能选择放弃付出认知努力。其三，缺乏元认知活动，学生更难觉察到认知冲突，也无法有效抑制前概念对理解和提取科学概念的干扰。[10]302-303神经科学研究表明，在问题解决中，成功提取科学概念的学生的背外侧前额叶——与反应抑制功能密切相关的脑区，呈现出更为显著的激活状态。[25]这表明在前概念自动化提取的优势下，科学概念的成功提取需要学生付出额外的认知努力进行元认知监控，调动大脑的抑制控制功能，降低前概念的激活程度。 四、概念转变的教学实现 (一)概念导入：预备基础知识和激发掌握动机 概念导入环节必须使学生做好知识和动机的双重准备。设计先行组织者是帮助学生做好概念学习知识预备的有效策略。它能够激活或增加学生用于解释和组织新材料的知识框架，为目标概念的学习提供必要的认知锚点，促进学生在后续的学习活动中对概念进行精准感知与精细加工。教师可以借助比较性组织者激活学生的原有知识，促进概念同化。例如，以学生学过的相近概念导入，有助于学生更敏锐地观察和辨别概念之间的异同；以学生熟悉的具体事物作为类比，有助于学生为抽象概念拓展更多细节和关联。当学生的原有知识不足以组织新材料时，教师可以通过说明性组织者为学生做好知识预备。说明性组织者可以是对于目标概念的上位类属的介绍，为目标概念的嵌入提供知识结构；也可以是阐述大概念的引导性材料，为学生理解目标概念提供学科视角与学科思维。例如以“生物体需要经过很长时期的进化形成在特定条件下的功能”这一大概念的介绍导入“蕨类植物”的学习，能促进学生在观察和理解时更有意识地关注植物生存环境、形态结构与功能优势的联系，实现对这一概念的深度理解。 形成概念掌握的意向是高质量认知活动的必要前提。为此，教师需要在导入环节灵活运用认知冲突、创设悬念、设计新颖有趣的活动等策略激发学生对概念学习的早期兴趣。[26]例如在科学课堂中，教师可借助一些富有认知挑战性的演示小实验来驱动概念学习。违背学生原有认知或直觉判断的实验结果使他们陷入认知不平衡的状态，渴望通过学习摆脱这种矛盾状态。然而，早期的情境兴趣具有暂时性，在概念学习进程加深、内容趋于复杂和困难时容易消退。因此，教师需要随着概念学习的推进调整教学策略，增强概念学习活动的探究深度、强化其与现实世界的关联，并为学生提供更多自主选择的空间，促使外部激发的情境兴趣向由概念内在价值和认知挑战本身所驱动的、持续的内在动机转化。[26] (二)概念呈现：促进概念关键特征的精准识别 概念呈现环节的教学重点在于帮助学生精准识别概念的关键特征。概念的关键特征常隐藏在复杂的信息里，尤其在实验探究、案例分析等学科实践活动中，学生在收获丰富感性经验的同时，也容易受无关信息干扰。因此，教师必须采取策略，帮助学生过滤冗余信息，强化对概念关键特征的识别。一方面，教师可设置引导性问题，激活学生相关的知识图式，利用自上而下的注意机制使学生更多地关注与目标概念关键特征高度相关的信息。例如，学生在日常生活中形成了许多有关“像”的前概念。对此，在平面镜成像的探究实验之前，教师可以设置诸如“镜子里的你在镜面还是镜后，它离镜子的距离和你一样吗”“镜中的你和你本人大小相同吗”“移动时像的大小会变吗”等引导性问题，帮助学生在实验中集中观察平面镜成像的重要方面。另一方面，教师需要根据自下而上的注意特点，精心设计概念学习的素材，便于学生更快地注意到概念的关键特征。例如，通过一些视觉标记和提示语，引导学生对学习材料中概念关键信息的关注；尽量减少样例中概念的非本质特征，降低无关信息带来的认知负荷；以比较的方式呈现样例，让概念的关键特征更加突出等。 (三)概念加工：深化内在本质与外在关联的建构 如前所述，概念的精细加工以丰富细节和构建关联为核心。因此，概念教学的关键在于引导学生向内挖掘概念的多元表征和深层结构，实现概念的精致化；向外拓展概念的关联网络，实现概念的系统化。逐层深入的问题链是引导学生进行概念精细加工的认知脚手架。问题链的第一层是感知辨识类问题，引导学生观察与分析事物和现象，识别概念的具体例子，丰富概念的细节描述，初步形成概念原型。第二层是本质抽象类问题，通过比较、推理、假设等方式，剥离概念的非本质特征，强化对概念关键属性的抽象概括。第三层是关系建构类问题，引导学生分析概念之间的层次、顺序、因果等复杂关联，建立概念模型以及概念网络。这三类问题组成的问题链能够帮助学生从具体到抽象、从现象到本质、从孤立到系统，实现对概念的精细加工和深度理解。在师生互动过程中，教师应多采用精细化问询策略，借助“为什么”“如何”等问题深入追问因果、机制、证据等，从而推动学生在概念表征中不断添加细节、关联要素，同时也促使学生突破直觉局限，检视思维过程，开展元认知调控。[27] (四)概念迁移：强化提取的灵活性与内省性 只有当科学概念在不同情境下都能被准确提取，才表明它在知识框架真正占据了主导地位。因此，概念教学要特别重视科学概念的迁移练习，着力提高概念提取的灵活性和内省性。强化概念提取灵活性的有效方法是设计一组在表面上从相似逐渐过渡到相异、但本质始终相通的问题情境，并且帮助学生剥离具体情境的表象，提炼概念的核心原理或问题模型。[13]55-57以“惯性”概念的练习为例，可以从常见的人、球或车辆等问题情境入手，过渡到涉及不同运动主体、不同运动方式、不同运动环境等更多样、更复杂的问题情境，引导学生进一步提炼惯性的本质及其与力、加速度、运动状态等概念的关系。通过这种多变式、强概括的提取练习，学生能够深化概念理解，并且能够超越情境的表面特征，基于问题情境的核心原理建立图式，从而实现概念在更大范围的灵活迁移。 强化概念提取的内省性需要加强学生对概念提取的元认知调控。在问题解决过程中，学生需要内省自己对概念的理解和运用是否恰当，特别是监控前概念是否被自动化提取。比如在解释滚动的小球为何停下时，学生需要审视自己下意识的回答是否受到了前概念的影响、可能存在哪些错误、应该如何修正等。这种有控制的提取有助于学生及时察觉前概念的不当激活，更有效地抑制干扰、纠正偏差，从而准确地提取科学概念来解决问题。通过在多样的情境中有意识地抑制前概念提取，强化科学概念的神经表征，学生将逐渐建立以科学概念为核心的自动化提取路径，最终实现对前概念的稳定超越。 (五)重构知识框架：渗透学科本质观的培养 要帮助学生实现根本的概念转变，概念教学不应该只短视地关注具体概念知识的获得，也要重视学生的学科本质观的发展，以科学概念的理解为基础，掌握学科的基本观念、思维方式和价值追求。以大概念为核心组织概念教学是培养学科本质观的基本思路。大概念是具有高度统摄性、持久性和可迁移性的关键概念、原理或观念，反映了学科专家的思维方式。将大概念作为课堂教学的骨架，渗透在教师的知识组织和教学设计之中，能够使每个任务情境、每个问题设计都暗合学科的基本观念和思想方法。经过教学转化，大概念成为学生认识世界的“透镜”，使学生知晓采用怎样的视角观察现象、聚焦概念的哪些特征。大概念也是学生组织概念网络的枢纽，使学生明白应如何联结概念，达成知识的融会贯通。正如埃里克森在“概念为本的教学”中所强调的“协同思考”，将具体概念层面的理解与大概念层面的思考结合起来，能促成学生获得更有生产力、更可迁移的知识框架。[1]93 显性—反思性教学是塑造学生学科本质观的有效方式。[28]在概念教学中，教师要有意识地将培养学科本质观作为明确的教学目标之一，深入挖掘隐藏在概念形成过程、发展