儿童科学前概念研究文献资料(摘要)

根据概念形成的途径，儿童的概念主要有两种：一是不经过专门的教学，在日常生活中通过积累经验而获得的概念，这类概念称为日常概念(dai1y concept)，也称为前科学概念（pre-science conception）或前概念（preconception）；二是在科学教学过程中，通过揭示概念的内涵而形成的概念，这类概念属于科学概念(scientific concept)。 ^［1］这两种概念有着十分复杂的关系。西方从事科学教学研究的学者经过大量的研究后发现，学生形成的前科学概念由来已久、根深蒂固，这些前概念中有些是对客观世界的朴素概念（naive concept），更多的则完全与科学概念相悖，因此，人们一般把前概念也叫做错误概念（misconception）。在科学学习中，学生原有的认知结构中的错误概念不但会妨碍新知识的理解，而且会导致学生产生新的错误概念。但这不等于说前科学概念没有意义。根据建构主义的观点，前科学概念是儿童用以解释周围环境和世界的知识框架和基础结构。 ^［2］学生的概念学习是一个概念发展过程，这一过程不可能绕开学生头脑中的前科学概念，相反，必须依靠学生原有的前科学概念，通过概念转变和重建，形成更加精确的科学概念。 

确切地说，科学教学过程涉及许多重要的科学概念，诸如磁场、重力、光合作用、生态系统等。从小学到大学，学生对这些概念的学习不是一步到位，而是要重复多次，螺旋上升的。对这些概念的每次学习，学生都要利用自己的原有的知识，将它们发展到更深入、更抽象的层次。教师的任务就是要改变学生原有的知识结构，使学生的认知结构更加准确、抽象，从而有条理地说明事件和所涉及的过程。这一过程涉及修改原有知识获得新知的学习──概念重建。重建可以表征为学生头脑中的知识或特定的知识结构之间联系方式的变化（Rumelhart & Norman,1981）。 ^［3］概念重建的机制是顺应──通过调整原有的知识或重新定义原有的知识的概念解决（conceptual resolution）和以完全不同的知识结构代替现有的知识结构的概念转变（conceptual change）。这是一种有意义学习，只有通过这一过程才能促进学生思维的真正发展，达成发展学生科学素养的目的。 

概念重建的程度有很大的差别。作为概念解决，它仅涉及概念结构的微小的变化，作为概念转变，它涉及概念结构的重大变化，需要经历多年的世界观和思维方式的根本转变。概念转变可以说是建构了新的知识结构，它不同于个体原有的概念、概念之间的关系，而且新的知识结构可以解释的现象程度和类型也不同。总之，概念重建是一个从发生概念结构的微小的变化到重大变化的连续体。 

如果与作为小学生时具有的知识相比，中学生要发展一个全新的知识框架，这不仅需要同化信息，而且需要重大的知识重建。因此，科学教学应向概念重建教学转向。科学课程的重点不应是扩充关于磁和热等简单事实经验或最终形成的结论或规则，相反，科学教学要转向探索更复杂的概念间的关系，以及这些概念的抽象的最终结论的联系。科学教学要帮助学生从与实物打交道转向实物的表征(类比和模型)，直至更抽象的符号形式的表征。学生要学会更高级的思维技能，发展更多的抽象概念与它们的联系。最后，教师必须理解所有这一切发展导致的最终的教育目的是促进学生的智力的发展。 

必须认识到，概念重建对于科学学习与教学的含义在于：首先，重建最好是在原有知识基础上的扩展，以建立新信息与已有知识的联系；其次，现有的知识应该不同程度地用于支持重建的目的，不管重建新知识是否是依赖于同化或顺应的类型。 

一、基于概念转变理论的教学模型

在该研究领域中最具代表性的是基于建构主义观的“概念转变”理论，该理沦是在1982年由潘斯纳（Posner）等人通过自己的观察、访谈研究结合皮亚杰的认知建构主义理论以及库恩（Kuhn）的“范式更替”理论而提出的。该理论试图通过解决以下两个问题：（1）原有的概念及其结构（又称之为“概念生态”）的什么特征控制了对新概念的选择?（2）一个核心概念是在什么样的条件下被另外一种概念所取代?并在此基础上提出了“概念转变”学习模型。应该说，该理论使人们关注儿童已有的知识经验，并将其作为科学教学的出发点。并在教学中强调学生的自主建构，强调教师在教学过程中应为学生构建学习科学的平台。

在建构主义理论基础上发展起来的概念转变学习（conceptual change learning）理论，可以说是一种科学学习的特有的理论，它认为科学学习就是学生原有概念的改变、发展和重建过程，就是学习者的前科学概念向科学概念的转变过程。学生是如何进行概念转变的呢？潘斯纳等人认为，为了促使学生进行概念转变学习，必须提供以下四个条件：（1）学习者对当前的概念产生不满（dissatisfied）。（2）新概念的可理解性（intelligibility）。（3）新概念的合理性（plausibility）。（4）新概念的有效性（fruitfulness）。修森（Hewson，1981）[4]把概念的可理解性、合理性和有效性称为概念状态（conceptual status），是学习者对于概念所处的状态，包括可理解的（intelligible）、合理的（plausible）及有效的（fruitful）等三个状态。学习者对于概念所处的状态愈高，其发生概念转变的可能性也就愈高；也就是说，概念转变是发生在学习者能够充分理解与应用新概念时。而且提出，不仅新概念的状态，原有概念的状态也会对概念转变产生影响，两者之间存在交互作用。这里应注意，概念的上述三种状态不是概念实际上如何，而只是个体所看到、所意识到的可理解性、合理性和有效性，是个体对新、旧信息整合过程的元认知监控。根据波斯纳的观点，如果满足了上述概念转变学习的四个条件，学生所持有的错误概念就会被科学概念所替代或改变。

总之，根据概念转变学习理论，科学概念教学欲促进学生通过概念转变建构科学知识，必须遵循以下学习策略：（1）重组关于客体、事件或现象的学生的原有概念（前概念）；（2）提供超越学生前概念的理解性情境，这种情境可以是问题、认知冲突、悖论或难题；（3）选择具有挑战性的问题和情境；（4）学生向同伴提供自己的解释（概念）；（5）当学生与不合适的解释（错误概念）斗争时，首先帮助他们接受自己的解释；其次，建议对同一现象作出另一种解释或设计活动以引发学生的顿悟；再次，允许他们花时间重新建构自己的解释[5]。

其概念转变理论的教学模式主要包括四个阶段（图1）：

图1　科学概念的建构性教学模式

此模式中，在定向与探索阶级要暴露学生的前概念，在建构与交流中同样要评价学生的前概念，在解释与拓展中也有评价学生的前概念。所以这是一种以前概念为载体的科学概念教学模式。在该模式中，将反思与评价放在模式的中心，指对学生的定向与探索、建构与交流、解释与拓展三个阶段是否准确进行反思与评价。从反思与评价这一阶段向周围发出的三条虚线表示反思与评价这一阶段是潜在的，暗含在其他三个阶段当中。定向与探索、建构与交流、解释与拓展三个阶段中相互发出的三条实线表示这三个阶段之间是双向的，而且是螺旋渐进的，它们之间是互动的。

1.定向与探索

这一阶段的主要任务是诊断并引出学生的前概念。首先，教师创设特定的探究性问题情境，为学生的自主探究学习定向。其次，引导学生用自己的不充分的思想（错误概念）尝试解释问题，从而引出学生对此主题的前概念。这一阶段教师要提出一些启发性问题，提供活动的材料，让学生自主进行探究活动。在探究活动中，学生可能会获得一些结果，也可能一无所获，但这些不是主要的，重要的是让学生获得探究的经历与体验。这一阶段还具有以下几个特点：（1）这一阶段要引导学生回忆先前经验或引导学生通过探究获得全新的经验，这些经验与学生和学习目标密切相关；（2）这一阶段的活动要有利于激活学生的思维，鼓励学生进行开放发散型思考（divergent thinking），由此产生多种与问题解决相关的想法，哪怕只是一些模糊的想法；（3）在探索活动中，教师要通过一些“差异性实验”（discrepant events）来激发学生的探究兴趣。所谓“差异性实验”，是指一些有趣而且结果往往意想不到，与一般“常识”相违背的科学小实验。教师通常通过这种实验活动（通常是演示）造成学生心理上的不平衡（diseqilibrium），从而激起学生的求知欲。（4）这个阶段的活动需要老师给学生提供关于探究的技能的知识，因为学生在寻求问题解决过程中依赖于这些知识信息。

2.建构与交流

这一阶段是建构新的认识和初步形成解释的过程，同时也是使有关概念、原理或技能变得易懂、可理解和更加清楚的过程。在这个过程中，充满了学生不同的个人概念和认识之间、个人认识与事实证据之间、个人认识与科学概念原理之间的“冲突”、矛盾和斗争。学生在这样的过程中，进一步暴露和明确自己的先有概念和认识，感受不同观点和解释之间的一致与差异，评价解释推论与假设和证据之间的关系。这一阶段包括三个环节：（1）澄清与沟通（Clarity and exchange）。学生经由小组讨论、对比、解释彼此的前概念的异同，并与教师的意见交换、沟通，呈现可能的认知冲突，进行同化与顺应。（2）建构新的想法（Construction of new ideas）。依据上述的讨论，学生可比较不同的现象、理论解释与验证的形式，以发展概念或转变概念。（3）评价（Evaluation）。经由实验解释或自我思考与探究，学生可能找到新概念的含意，并知觉到旧有概念的不足。这一环节可以通过实验、讨论、澄清和交换概念，揭示和解决冲突情境，建构新概念，并作出恰当评价。

3.解释与拓展

这一阶段包括两个环节：（1）解释。是指学生对自己的经验开始抽象化、理论化，使其成为一种可交流的形式。学生往往要通过比较其他可能的解释，特别是那些体现科学性的解释，并通过进一步的观察和实验，对自已的解释进行修正、求证与评价。在小组合作学习活动中，学生还要面对不同的解释结果展开讨论，通过比较各自的结果，或者与教师或教材提供的结论相比较，由此检查自己提出的结论是否正确，推理过程是否有缺陷等，以保证学生对有关问题的解释达成共识。（2）拓展。在这一环节，学生要扩展自己的概念，使其与其他概念相联系，并运用所建构的新概念解释周围世界或新情境问题，从而实现对新概念的验证、应用、巩固和提高，使新获得的概念在应用和拓展中得以精致。这一阶段要具有以下特点：（1）在概念的拓展应用活动中，教师与学生一起讨论并设计与教学目标相一致的新情境问题，以帮助学生应用新概念与技能；（2）学生要按照教师的要求完成设计好的活动。

4.反思与评价

反思与评价其实应贯穿于整个教学过程之中，反思与评价可随机、依教学进程展开，也可在拓展阶段之后进行总结性的反思与评价。学生的自我反思是最关键的，学生的自我评价和小组内的相互评价是最重要的。教师给予的有针对性的指导性评价是必不可少的，教师要引导学生既针对自己探究和学习的结果进行评价，更要对认识建构过程、探究活动的态度、方式和效果，合作的情况，学习的感受以及在前面的教学过程中各个方面的表现进行反思总结。教师可采用结构性观察、学生谈访、基于特定项目的文件夹评价等。总之，评价要做到定性评价与定量评价、形成性评价与终结性评价、自我评价与他人评价的结合，从而能够促使教师与学生通过评价获得进一步改进教与学的必要信息，并促进学生元认知策略的发展与完备。

然而，该理论是围绕“日常概念”（又称前概念、误差概念等）与“科学概念”之间的差异而展开的，其强调的是如何消除或转化儿童原有的一些“日常概念”，而往往忽视了“日常概念”与“科学概念”之间的连续性，忽视了儿童的认知规律以及儿童的概念生态。更为重要的是忽视了学生对周围世界与环境认识的整体性这一特征。因而在科学教学中造成了学生虽然在形式上接受了或获得了所谓的“科学概念”，然而在认识世界和解释世界的时候仍然用自己的所谓“日常概念”，最终导致了科学教学陷入困境。

二、基于儿童朴素理论的教学模型

　　儿童朴素理论发展观主张儿童的认知发展遵循依赖内容（content-dependant）的特殊性发展，儿童早期就对某一领域内的理解发生一致的变化，并对不同的领域有着不同的理解和解释机制。而这些早期获得的对自己的周围环境和世界的非正式的、非科学的“朴素理论”是儿童用以解释周围环境和世界的知识框架和基础结构。研究者们通过研究还发现，儿童对周围环境和世界的认识是理论性的，是可以与科学家的理论相类比的，具体来说可以总结为以下三点：

　　（1）儿童的认识具有理论的性质。这主要表现在（A）儿童能够在这个领域和哪个领域之间做出本体论的区分，如儿童知道诸如“思想”之类与“课桌”之类在质量上是不可比的；（B）儿童的概念具有内聚性、连贯性，即某一理论需要一组概念而且这些概念之间是相互关联的；（C）儿童已拥有一套因果解释机制，即“为什么”的问题，其涉及理论的预测、解释以及说明的功能。

　　（2）儿童的认识具有理论发展的特点。例如，儿童在运用自己的朴素理论进行解释世界时会不自觉地排除“反例”，并通过自己的经验来验证自己理论的正确性。

　　（3）儿童同伴群体之间可以形成朴素理论的“科学共同体”。即在儿童同伴群体的相互作用下，儿童各自的朴素理论会在儿童所在的群体中经过“讨论”以及检验最终会达成一种“共识”，儿童会利用这种“共识”来检验或形成自己的朴素理论。

　　诚然，儿童朴素理论的研究者们也认为儿童的朴素理论与科学理论之间存在着明显的差异，但他们更多地关注这二者之间的相似性与内在的一致性，即二者之间具有的相似的性质、相似的功能、相似的发展过程，而正是儿童朴素理论与科学理论之间的相似性与内在的一致性为儿童科学学习理论提供了新的视野。

　　由于儿童朴素理论与科学理论之间的相似性以及内在的一致性，因此，儿童朴素理论视角下的科学教学现并不是要以一种科学概念或理论去取代日常概念或儿童的朴素理论（在此可统称为儿童原有的知识体系或原有的观念），而是要让学生意识到在一定的情境中科学理论比他们原有的知识体系更加有效、更加具有解释力、更易于检验、更加真实以及更加简单。

基于儿童朴素理论的教学模型：

三、孟克与奥斯本的融合模式

1997 年,英国伦敦大学国王学院的科学教育学者孟克(M. Monk) 和奥斯本(J . Os2borne) 联袂在《科学教育》杂志上发表了《把科学史和科学哲学融入课程中:一个教育学的发展模式》一文。在总结历史经验与教训的基础上,结合当前关于科学课程改革的新观点(如建构主义学习观) ,他们提出了把HPS 融入科学课程与教学中的新模式。其理论基础特别注重两点:一是学生的已有知识和经验(通常叫做儿童的“选择性框架”或“儿童的科学”) ,二是“我们如何认知”这一重要的认识论问题。同时,这个课程与教学模式还充分考虑到教师在课堂教学中关注的两个重要任务,即促进学生对科学概念的理解与课堂管理。

这一模式(见图1) 假设,学习的课题是科学史上某一个科学家曾经研究过的自然现象,如落体的变化、植物从哪里获得食物或燃烧现象,等等。教学共有6 个阶段。

　在第一个阶段,教学以一个演示开始,教师让学生的注意力集中于某一现象上,由此产生一个需要解决的问题。例如:你们能否预测这两个一大一小的石头往下放时哪个先落到地面? 一根铁条在空气里燃烧过后是变重了呢还是变轻了? 你能说说在没有土壤而只在自来水里生长的植物,其重量会发生怎样的变化吗?

一开始向学生揭示的自然现象必须是以往科学家们在历史上进行理论研究的一个象。因此,并非所有的题目都适宜于这种教学。但在教学中有了这种解决问题的探究性学习,正如马赫所言,它们将使学生切身感受到什么是科学发现,并在他们头脑里扎根。

　　在第二阶段里引出学生的观念。应当用各种有效的方法把学生关于这一自然现象的观念搜集起来,如采用问答、概念图(conceptmap) 、词语联想、绘画、讨论等等方式。采用这些教学策略时还可以加上小组学习的方式,因为小组学习可让更多的学生有机会积极参与。在这个阶段,教师对学生提出的所有观念都应当采取不加判断的态度,鼓励他们自由地提出各种不同的观点。同时,教师也要鼓励学生提出证据支持自己的观点。为此,可以采取一种叫做“课堂脑风暴”的方法(即由发散性思维产生各种各样观点的方法) ,使学生各抒己见,畅所欲言。

　　鼓励学生提出各种观念及其解释能够充分发挥语言的作用,由此调动和激发学生积极地和创造性地思考。这就使学生感到,科学家的作用不仅在于发现所谓“科学事实”,而且要通过他们创造性的想象建构它们。因此,这个模式提供了一种机制,超越了把科学教育等同于传授最终的知识产品的传统教学方式。

　　在第三阶段学习历史时,教师需要进行以下工作: (1) 介绍早期科学家关于这一现象思考的例子,作为供学生考虑的又一个观点;(2) 提供当时经济—社会—政治状况的背景信息; (3) 举例说明当时其他科学家不同的观点; (4) 引导学生讨论或探索这些信息或其他支持这种历史观点的背景情况; (5) 按日期和事件简要地总结历史上的研究。教师可以口头讲述,也可以通过课本或多媒体材料让学生在小组里积极学习。学习历史当然要与前面选择的要进行学习和研究的自然现象有关,是教师经过仔细考虑的、适合于教学需要的科学故事。例如,盖伦关于血液的性质和目的观念、范·赫尔蒙特关于植物营养的困惑、亚里士多德关于自由落体的思想,等等。为什么古代科学家有那种想法? 每个科学故事都可以提供给学生思考的机会。这种科学故事创造了一个探究科学思想的情境,学生认识到古人并不是因为愚蠢才产生错误的观念,而是受当时得到资料和收集资料的技术手段的限制,或者受不同观念影响的结果。

　　科学史表明,科学发现与科学家的时代背景有着一定的必然联系。为什么当时发生的事件促使科学家提出一个新的思想? 他提出这个思想面临着什么困难? 例如,为什么英国人哈维1678 年却在意大利的帕多瓦(Padua) ? 水泵是何时首次发明的? 如果从来没有见过水泵他会那样思考吗(指血液循环) ? 为什么人们认为那种思考是合理的?为什么人们相信了这个观念? 通过这样的探讨,就会使学生理解过去的科学家是在当时的社会和历史情境中展开其工作的。

教师课前认真准备一个科学故事,在学生提出的各种观念的基础上增加一个“新”的声音,通过科学故事作为学习科学概念的一个环节,可以使学生在心理上和情感上接近科学,可以激发他们的想象力,还可以使他们以一种移情的方式设身处地体验以往科学家的探究和思考。埃根( K. Egan) 在《以讲故事进行教学》一书中极力主张这种教学方式。他认为,传统的教学模式是以目的/ 目标/ 策略和评价为基础的,是一种机械性的教学。它的目的限于狭隘的认知观点,旨在提高学生的理性思维能力。然而,这种教学模式却不能发展和利用学生思维的想象和创造性成分。用埃根的话来说,传统的科学教育是基于:“一种贫乏的经验主义的科学观,误用了科学的权威以教育来促进一种狭隘的逻辑思维,却牺牲了我们从儿童富于想象的活动中经常见到的其他类型的思维形式。”〔5〕

　　其他科学教育学者,如萨滕(C. Sutton)也认为,科学故事有益于科学教学。利用科学故事进行科学教学能够使儿童通过情感的方式掌握有用的概念工具。〔6〕加拿大科学教育学者斯迪纳(A. Stinner) 甚至大力倡导以科学故事为线索重新编写科学教材,以“故事线索”(story2line) 的方式进行科学教学。〔7〕

　　第四阶段是设计实验。现在有了多种多样的观点(或观念) ,既有学生提出的,也有历史上科学家提出的。教师要求各小组的学生考虑哪种观点正确。在这个阶段,又可以激发学生的想象力为设计实验。因为在设计实验决定那种观点有效和正确时,他们需要进行创造性和富于想象力的思考。

　　在这个阶段,教师要通过实验让学生知道通常可提出一系列可供选择的或辅助性的假说解释实验证据。例如,1638 年托里切利( Torricelli) 演示的空气压力可以有多种不同解释,而他的解释多年未被广泛接受。也就是说,在指导学生实验时,教师既要让学生弄清搜集有效证据的方法问题,又要揭示“我们如何知道”的证明和解释问题。这两个方面结合起来才使科学构成一种独特形式的知识。

　　在这个阶段,教师要使学生意识到以下几点: (1) 一个正在研究的自然现象; (2) 班上不同的学生对正在进行的研究会有稍微不同的思考,以及造成分歧的原因; (3) 过去有人思考过这些事情; (4) 过去人们遇到这种现象的历史情境; (5) 可用来检查某种观点有效性的可能的试验。

第五阶段由教师讲解当代的科学观点,即介绍教科书上对这种自然现象的解释。这时教师的讲解也成为一个新的声音,增加了一种观点。这种观点是可以通过现代实验予以证实的。学生学习这一科学的观点(或概念) 是在前面一系列活动之后进行的,这或许为他们的观念转变提供了一个思想基础。

　　如图1 所示,这个阶段还要对科学的观念(概念) 进行实验,由实验提供的资料帮助学生接受科学的观念。实验证据支持科学的解释,但并不一定是无可辩驳的。科学史表明,即使是后来被普遍接受的科学观念至少在开始阶段并不是很容易被人接受的。就是说,仅仅有实验证据并不是科学知识的唯一裁决者。因为:“批评者举出否定性的结果为理由对争论的现象不予考虑,而任何剩下的肯定性的结果都被辩解为不适合、幻觉、甚至是欺骗。然而,支持者则把否定性的结果解释为未能完全重复获得肯定性结果的相同的条件而造成的。所以,实验似乎不能解决争端。”〔8〕

　　根据孟克和奥斯本的观点,一个具有当代科学观的理科教师并不简单化地断言,科学的观念就是正确的,而应当采用工具性的观点,即现代自然现象的解释是更为精确的预测、或更清楚的解释、或具有更广泛的应用。〔9〕如此而已。应该说,这种理性怀疑主义的态度是科学精神的重要组成部分,是值得肯定的。

　　最后一个阶段是总结与评价。这个阶段虽简短但都是必要的。总结和评价的目的在于帮助学生更加深刻的了解科学探究的过程、历史上科学家的探究和科学概念。

综上所述,我们可以看到孟克和奥斯本的融合模式有以下几个特点: ①科学史与科学哲学的学习与当前科学概念或理论的学习有机地融合在一起,使教师不再象以往那样感到科学史与科学哲学是科学课的附加部分; ②整个教学过程提供了一个解决问题的情境,是一个探究过程,因而有利于培养学生的解决问题的能力和创新能力; ③充分发挥了学生的主体性,促进了他们的主动学习和建构知识; ④使学生认识到早期的科学家在解释一些自然现象时与他们一样有着类似的错念,从而使他们得到一种心理上的支持; ⑤在学生错念的基础上通过探索形成正确的科学概念,这种建构主义的学习方式有利于学生深刻理解科学概念。

四、马修斯的适度模式

　　另一个教学模式是澳大利亚新南威尔士大学教育学院的科学哲学教授迈克尔·马修斯(Michael R. Matthews) 提出的。多年来马修斯积极倡导把科学本质的内容纳入科学课程与教学中,这一主张集中反映在其1994 年出版的专著《科学教学:科学史和科学哲学的作用》一书〔10〕和许多篇关于科学哲学与科学教学的论文中,尤其在《教科学本质的适当目标:一个辩护》一文中。〔11〕

　　作为一个科学哲学家,马修斯深知科学哲学和科学史素养对于理科教师的重要性。他希望理科教师多懂一些科学哲学、科学社会学和科学史,然而他同时又是一位现实主义者,认为希望所有理科教师和理科师范生都成为有能力的科学哲学家、科学史学家或科学社会学家是不现实的。因此,应当把目标限制在让师范生或教师了解课堂上出现的有关认识论和科学本质的问题范围内。在马修斯看来,在任何一个理科课堂上,哲学问题无处不在。因为任何理科教材或课堂教学都会涉及到这样一些术语:定律、理论、模式、解释、原因、真理、知识、假说、证实、观察、证据、理想化( idealization) 、时间、空间、场、物种..。至于科学史,理科教学中都会不可避免地遇到许多科学家的名字,如伽利略、牛顿、波义耳、达尔文、孟德尔、法拉第、伏特、道尔顿、玻尔、爱因斯坦等等。一个优秀的理科教师应当能够对这些与科学哲学有关的术语和科学史上的著名人物作一些解释,就象一位音乐教师会说一说贝多芬、莫扎特和其他大音乐家的故事一样。马修斯的这一见解与英国皇家督学维斯特威(Westaway) 对优秀理科教师的期待是一致的,即除了会教他们那门学科外,他们还应当具有哲学家的气质,熟悉科学史,能够与一群孩子一起坐下来给他们讲解关于天才科学家———如伽利略、牛顿、法拉第和达尔文———的观察和判断误差、他们的生活和工作。

　　依照马修斯的观点,当教师和学生在科学教学过程中遇到上述术语时,当他们停下来问一问它们是什么意思以及正确使用它们的条件时,哲学就出现了,因为所有这些概念都起源于哲学家对认识论和形而上学问题的思考(请记住,科学在19 世纪中期以前就叫做自然哲学) ,因而它们也有助于哲学思考。教师和学生都应当问一问哲学家们经常问的问题：你所指的……是什么意思? 你是如何知道……的? 例如。当讨论波义耳定律、道尔顿原子模型或达尔文的进化论时，上述这种初步的哲学分析就会使学生更好地理解它们所蕴涵的独特的经验和概念问题。同时，这种方法也在一般意义上促进了批判性思维和反省思维。

　　对于许多未接受过哲学史和科学哲学熏陶的理科教师来说,他们在科学教学时也许难以发现科学课本身就蕴涵着许多值得探讨的科学史故事和科学哲学的概念。对他们提出过高的要求显然是不可能实现的。同样,对于学生来说,让他们在学习科学的同时获得很多哲学中知识和科学哲学训练同样是过高的奢望。鉴于此,一个可行的办法是要求教师和学生就科学课中出现的基本的科学史和科学哲学问题作些探讨。例如,可以就下列问题进行讨论:什么是科学的解释? 什么是受控实验? 什么是判决性实验? 模型在科学中有何作用? 一个假说需要多少证实才能建立? 是否有办法评价相互竞争的研究计划? 牛顿的宗教信仰影响他的科学吗? 普朗克战争期间留在纳粹德国继续他的科学研究是否应当受到谴责? 等等。

或许有人认为,对于高中生科学教学中涉及这些科学史和科学哲学的概念、人物和问题是可取的,但对于小学和初中学生来说恐怕行不通。这种看法未免有些片面。事实上,儿童和青少年不仅可以学好科学,也可以学好哲学。近些年来,国外有关儿童哲学运动的大量文献表明,儿童不仅能够探索初步的哲学问题,而且对哲学思考具有浓厚的兴趣,并因此而能够提高他们的思维水平。例如, 美国哲学教授马修斯( Gareth B.Matthews) 所撰写的《哲学与幼童》一书,揭示了儿童自己提出的大量哲学问题,足以证明他们是喜欢进行哲学探讨的。马修斯发现, “他们中许多人(指大学生———笔者注) 在孩提时代就已经在运用哲学了。”哲学活动是儿童“与生俱来的一种活动,不过这种活动后来为适应社会生活需要而放弃了。”〔12〕80 年代初美国另一位哲学教授李普曼(MathewLipman) 等人编写的《儿童哲学》教程,内容涉及艺术、社会学习和科学等学科的概念,是利用哲学故事教儿童思维技能的好教材。〔13〕凡此种种,都说明迈克尔·马修斯教授倡导在科学课上利用课程本身蕴藏的哲学史和科学哲学素材进行科学本质的教育既是有益的,也是可行的。

五、概念重建教学模式

维特罗克(Wittrock，1974) ^［4］提出的生成学习模式（learning generative model），也是一种建构性学习理论，它也是概念重建的心理机制。生成学习过程是指学习者根据自己的态度、需要、兴趣和爱好以及认知策略（指学习者对信息进行加工的特殊方式，这种加工方式是通过以前的多次学习逐渐形成的，并且保存在大脑的长时记忆中）对当前环境中的感觉信息产生选择性注意，获得选择性信息并利用原有的认知结构（指储存在长时记忆中的各种表象、事件、判断与技能，即过去的经验与知识）而完成该信息的意义建构从而获得新知识、新经验的过程。维特罗克模式强调以下两个基本观点。(1)人在学习过程中并不是被动地接受和记录环境信息，而是主动地构建对环境信息的理解和解释。具体表现为主体主动地选择某些信息，同时又摒弃某些信息，并从中进行推论。(2)学习者已有认知结构在生成所知觉事物的意义时有非常重要的意义，也即学习者是在自己原有认知结构基础上来理解新知识的。

根据维特罗克模式，概念重建的过程就是学习者将已有认知结构（已经储存在长时记忆中的事件和信息加工策略）与从环境中接受的信息（新概念）相结合，主动地选择注意信息并主动地建构信息意义的过程；概念重建过程是一个复杂的信息加工过程，重建最好是在原有知识基础上的扩展，新信息与已有知识相联系；重建是从引发新旧概念的矛盾与冲突开始的。根据学生的认知心理逻辑发展规律（生成学习过程），结合人类的一般认识过程，我们提出科学概念重建的过程模型。这一过程模型包括以下四个阶段。 

（1）感知—探究阶段。通过感知典型的科学事物，或者感知描述典型科学事物的语言，陈述科学知识或准备知识的语言以及相应问题，激活与问题有关的知识经验（前科学概念），引发其认知冲突，促使学生进行自主探究活动，获得探究的经历与体验。 

（2）加工—理解阶段。通过对上一阶段感知的结果进行各种各样的思维加工，由此初步形成对科学概念、科学原理或者对自然界的理解与认识；初步形成的知识以各种形式跟已有知识发生联系，纳入到原有知识体系和认知结构中。 

（3）运用—精制阶段。通过实际运用，使所学知识进一步广泛联系而被巩固，同时也可能发现问题，补充、修整、发展所学知识，或者引发新的学习过程。 

（4）评价—发展阶段。此阶段,学生需指引自己的注意,监控学习的进展，控制自己的情绪，调节行为与目标之间的偏差,评价学习结果，因此需要学生有较强的自我监控和自我评价能力。学习者的科学概念知识正是在一轮又一轮的学习过程中不断丰富和发展的。 ^［5］

概念重建教学模式是以上述的概念重建过程模型为依据，以前科学概念为前提，以小组合作学习为基本组织形式，以科学探究为基本方式，以促进概念重建为根本目的的循环性学习过程。该教学模式突出学习的探究性和概念重建的复杂性、交互性和自控性，使概念重建和对科学本质的理解在运用科学方法而展开的科学探究过程中得到统一，强调学生在学习活动中的主体性和自控性，教师在教学过程中发挥组织者、协调者、帮助者和促进者的作用。此模式分为五个阶段，是一种循环过程。其基本程序如图1所示。

图1  概念重建教学模式

（一）定向参与

定向参与是概念重建教学过程的启动阶段。它的主旨是创设积极的富于驱动性的教学情景，帮助和促使学生形成并明确有价值、有意义的问题，作出自己的解释，使学生参与到学习任务中来。这一阶段的主要任务是诊断并引出学生的前概念。教师要从日常生活、生产实际和学生的经验中发现和提出与科学知识相关的问题；学生根据各自的已有经验或前概念，作出自己的预测或猜想，并通过小组或全班交流讨论他们的预测与解释，旨在暴露学生的前概念，引发学生的认知冲突。这一阶段要使学生的注意力集中在具体问题情景或事件上，由问题引发的参与过程是激发学生产生探究需要，明确探究期待，做好探究准备的过程。这一阶段教师的作用是创设问题情景、显示不一致事件以及设置驱动性的活动任务促使学生参与，其中核心原则是要充分关注学生的已有经验和个人认识（前概念），真正贴近学生实际，要明确教学任务，制定活动规则和程序促使每一位学生都积极参与。首先，教师通过创设特定的探究性问题情境，为学生的自主探究学习定向。其次，引导学生用自己的不充分的思想（前概念）尝试解释问题，从而引出学生对此主题的前概念。 

（二）实验探究 

实验探究阶段为学生提供引出自己原有概念的机会，通过探索新现象，获得与自己原有观念不一致的经验，目的在于造成认知心理的不平衡，促使学生重建原有的概念。 

在此阶段，学生多以小组合作的方式，根据自己对现象和问题的想法进行探究，明确自己和小组的观点，进行猜想、假设和预测，设计并制订实验和探究方案，进行实验或实施调查，观察记录实验现象，收集处理数据资料，思考证据与假设和结果的关系，进行初步分析和解释，在小组内交流和讨论。一旦学生参与到活动中，他们就会有真正属于自己的问题、想法和假设，他们就渴望有时间、有机会进一步探究自己的问题，证实自己的想法和假设。如果说定向参与带来了认知不平衡（认知冲突），那么实验和探究就开始了寻求新的平衡的过程。实验是科学探究的重要方式，也是为了探究或发现、证实或证伪而寻找事实证据、收集数据资料的过程。为了探究而进行的实验过程是基于自己的假设和预期、经过主动设计和计划、不断进行反思和调控的极为丰富的心理活动过程，它远远超越了照方抓药式的机械操作和有什么看什么的被动观察的实验。实验探究阶段的目的还在于建构新的经验，以便为随后的建构与交流提供感性经验的支持。

在实验探究活动中，学生可能会获得一些结果，也可能一无所获，但这些不是主要的，主要的是让学生获得探究的经历与体验。这一阶段还具有以下几个特点。（1）这一阶段要引导学生回忆先前经验或引导学生通过探究获得全新的经验，这些经验与学生的学习目标密切相关。（2）这一阶段的活动要有利于激活学生的思维，鼓励学生进行发散型思考（divergent thinking），由此产生多种与问题解决相关的想法，哪怕只是一些模糊的想法。（3）在探索活动中，教师要通过一些“差异性事件”（discrepant events）来激发学生的探究兴趣。所谓“差异性事件”，是指一些有趣而且结果往往意想不到，与一般“常识”相违背的科学小实验。教师通过这种实验活动（通常是演示）造成学生心理上的不平衡（disequilibrium），从而激起学生的求知欲。（4）这个阶段的活动需要教师给学生提供关于探究的技能的知识，因为学生寻求问题解决过程必须依赖于这些知识信息。 

（三）建构交流 

这一阶段是建构新的认识和初步形成解释的过程，同时也是使有关概念、原理或技能变得易懂、可理解和更加清楚的过程。在这个过程中，充满了学生不同的个人概念和认识之间、个人认识与事实证据之间、个人认识与科学概念原理之间的“冲突”矛盾和斗争。学生在这样的过程中，进一步暴露和明确自己的已有概念和认识，感受不同观点和解释之间的一致与差异，评价、解释、推论假设和证据之间的关系。这一阶段包括三个环节。（1）澄清与交流（clarity and exchange）。学生经由小组讨论、对比、解释彼此的前概念的异同，并与教师的意见交换、沟通，呈现可能的认知冲突，进行同化与顺应。（2）建构新的想法（construction of new ideas）。依据上述的讨论，学生可比较不同的现象、理论解释与验证的形式，以发展概念或重建概念。（3）评价（evaluation）。经由实验解释或自我思考与探究，学生可能找到新概念的含义，并知觉到旧有概念的不足。这一环节可以通过实验、讨论、澄清和交换概念，揭示和解决冲突情境，建构新概念，并作出恰当评价。 

（四）解释拓展

这是以学生为中心的知识应用与扩展阶段，是学生用前一阶段刚刚获得的科学概念在新情境中解决问题，从而实现对新概念的验证、应用、巩固和重建。当学生通过对问题的探究，发现了事物间新的规律和联系、获取了新的知识和认识之后，必然需要经历一个解释和精致概念的过程。通过这个阶段，新旧经验经相互作用与联系得以整合，原有的认知结构经同化与顺应得到发展，新获得的概念、过程或技能得以精致。 

这一阶段包括两个环节。（1）解释。是指学生对自己的经验开始抽象化、理论化，使其成为一种可交流的形式。学生往往要通过比较其他可能的解释，特别是那些体现科学性的解释，并通过进一步的观察和实验，对自己的解释进行修正、求证与评价。在小组合作学习活动中，学生还要面对不同的解释结果展开讨论，通过比较各自的结果，或者与教师或教材提供的结论相比较，由此检查自己提出的结论是否正确，推理过程是否有缺陷等，以保证学生对有关问题的解释达成共识。（2）拓展。在这一环节，学生要扩展自己的概念，使其与其他概念相联系，并运用所建构的新概念解释周围世界或新情境问题，从而实现对新概念的验证、应用、巩固和提高，使新获得的概念在应用和拓展中得以精致。这一阶段要注意以下两点：（1）在概念的拓展应用活动中，教师与学生一起讨论并设计与教学目标相一致的新情境问题，以帮助学生应用新概念与技能；（2）学生要按照教师的要求完成设计好的活动。 

（五）反思评价 

反思与评价其实应贯穿于整个教学过程之中，反思与评价可随机、依教学进程展开，也可在拓展阶段之后进行总结性的反思与评价。学生的自我反思是最关键的，学生的自我评价和小组内的相互评价是最重要的。教师给予的有针对性的指导性评价是必不可少的，教师要引导学生既针对自己探究和学习的结果进行评价，更要对知识建构过程，探究活动的态度、方式和效果，合作的情况，学习的感受以及在前面的教学过程中各个方面的表现进行反思总结。教师可采用结构性观察、学生谈访、基于特定项目的文件夹评价等。总之，评价要做到定性评价与定量评价、形成性评价与终结性评价、自我评价与他人评价的结合，从而能够促使教师与学生通过评价获得进一步改进教与学的必要信息，并促进学生元认知策略的发展与完备。