前科学概念的研究进展

李高峰　刘恩山[1]

（北京师范大学生命科学学院　北京　100875）

 

摘　要：本文对前科学概念研究的成果进行了综述，介绍了前科学概念的术语、定义、产生的原因、特征、诊断及其转变，并对未来前科学概念研究的突破提出了展望。

关键词：前科学概念　原因　特征　诊断　概念转变

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   美国的霍尔（Stanly Hall）早在1903年就曾启动一个计划，调查儿童对自然现象如热、霜和火的（前科学）观念。让·皮亚杰（Jean Piaget, 1896～1980）按照不同的语言机能，把儿童的言语分为自我中心言语和社会化言语，他将其分别称为“自发概念”和“非自发概念”。列夫·谢苗诺维奇·维果茨基（Lev Semenovich Vygotsky, 1896～1934）曾研究儿童通过经验和独立思考形成的“日常概念”和在学校里所学到的“科学概念”之间的关系。以此为起点，前科学概念的研究逐步开始涉足学校教育中的不同学科。

一、前科学概念的术语

前科学概念的术语很多，依据研究者研究前科学概念的“依据”的不同，可以分为“以科学知识为依据的术语”（nomothetic terms）和“以自我描述为依据的术语”（idiographic terms）。

1.1以科学知识为依据的术语评价学生拥有的知识与标准知识是一致的还是背离的，以学生的回答和当前科学的认识的一致性为基础。这类研究称为通则研究、律则研究，即以规律为根据的研究，以学科为中心的研究；运用的术语有谬误（errors）、错误（mistakes）、错误概念（迷思概念）（misconceptions）、错误观念（erroneous ideas）、错误理解（misunderstandings）、持久错误（persistent pitfalls）、课堂错配（classroom mismatches）、朴素概念（naive conceptions）、迷信观念（superstitious beliefs）、前科学概念（prescientific conceptions）、前教学概念（preinstructional conception、pre-instruction conception）、教学前概念（instructional preconception）、不正确的概括（incorrect generalizations）、概念紊乱（conceptual disorders）、冲突模式（conflicting schemas）、未建成观念（unfounded beliefs）、潜在错误源（underlying sources of error）等。

1.2以自我描述为依据的术语描述的是学生自己对自然物质和事物的理解，研究者探索、研究和分析学生个体的解释，揭示普遍特征。这类研究属于个案研究，即个体研究；运用的术语有：对现实的个人模型（personal models of reality）、学生观念（pupil’s ideas）、相异概念（异类概念、另有概念）（alternative conceptions）、相异构架（alternative frameworks）、相异感知(alternate perceptions)、自发推理(spontaneous reasoning)、自发推理方式（spontaneous ways of reasoning）、发展中概念（developing conceptions）、自发知识(spontaneous knowledge) 、常识性概念(common sense concepts)、学生标准（schoolchildren’s criteria）、个人构想（personal constructs）、儿童理解（children’s understanding）、儿童观点（children’s views）、儿童知识（children’s knowledge）、直觉观念（intuitive beliefs、intuitive ideas）、直觉概念(intuitive conceptions)、原始概念（primitive conceptions）、朴素观念(naïve beliefs)等。

二、“前科学概念”的定义

上述术语中有三个用得比较广泛、具有代表性：错误概念、相异概念和前科学概念。

错误概念是前科学概念研究之初、学者们首选的术语。错误概念的意思是“对事物含糊的（vague）、不完善的（imperfect）或者是错误的（mistaken）理解（understanding）”。Arthur Louis Odom（1995）在研究中也主张用“错误概念”，他说“错误概念是学生拥有的与通常从科学家那里获得的概念不同的观念（ideas）”。Haluk Özmen（2004）列举了表示前科学概念的19个术语，这些术语在使用上未达成一致。他说，“为简便起见，本文使用错误概念这个术语，意思是与普遍接受的术语的科学理解不同的概念。”错误概念由学习者普遍拥有，难以“教掉”，和当前的科学知识是不同的。错误概念暗示，此等概念具有消极意义，对学习者的认知目的不起作用，应尽快消除。

在“错误概念”被提出之后，对学生拥有的前科学概念的界定有许多不同的声音。有人认为，错误概念是错误的概念，主张用“错误”来取代“错误概念”。如Gowin(1983)就建议将术语简化，将“错误概念”改成“错误”。认同此观点的学者不多，绝大多数科学教师赞同使用“错误概念”。他们认为，“错误”比“错误概念”有更强的、更明确的否定的内涵，意指糟糕的认识或是将主要规则和原理置之度外，这是不恰当的。“错误概念”表达的概念能够代表“和当前科学思想不一致的想法”，它对于科学教师和普通大众、甚至门外汉来说都非常易于理解，而且从一开始就用“错误概念”，它已是科学教师熟悉的行话了。

后来，许多研究者，如Abimbola(1988)、Gilbert和Swift(1985)，都偏爱“相异概念”，而不用原先占主导地位的“错误概念”。他们认为“相异概念”不仅指出了“学习者对一系列可理解的自然现象和物体建构了基于经验的解释”，而且这个术语也暗示，学习者拥有相异概念是有理由的、合理的，它给拥有这些概念的学习者以智力上的尊重。Wandersee(1994)认为，相异概念是学习者在经验基础上建构的对一定自然现象和物质的解释。Gayle Buck, Patricia Meduna(2001)支持这种观点，并认为，相异概念包括错误概念，也包括与教育目标相反的想法。

Abimbola、Isaac Olakanmi、Baba和Salihu(1996)区分了“错误概念”和“相异概念”。他们认为，错误概念是和科学概念明显冲突的想法，因而是错误的；相异概念是和科学概念既不明显冲突，又不明显一致的想法，但有其自己涵义（value），因此不一定是错误的。

Good(1991)等主张用“前科学概念”，简称“前概念”。他认为，“前科学概念”和“错误概念”相比，否定的意味要少些；“前科学概念”是特定的科学；学习者拥有的前科学概念最终会把学习者引导到当前的科学概念上来。他认为，“前科学概念”最好地表达了科学教育研究者想要表达的意思。

三、学生前科学概念产生的原因

学生头脑中的前科学概念产生的原因亦即来源，有以下几种情况：

3.1日常生活经验的影响、日常概念的干扰（刘凤堂，1998；张怀广、张晓，1999）。学生在日常生活中，凭直观感觉学习到的东西不一定都是正确的；在日常生活中形成的概念，往往忽略了本质的特征。如他们认为铁比木头重；水温只要达到100°C就可沸腾；物体运动是因为有力，没有力就没有运动；重的物体比轻的物体下落快；(汽车的)速度越大，惯性就越大；电风扇吹风，温度降低。也有学者称其为前科学概念的负性作用（吴举宏，1998），如“鲸是鱼”“粪便是排泄物”等日常生活概念往往是不科学的，甚至是错误的。

3.2知识的负迁移（赵强、刘炳升，2001；兰智高、杨昌权2001）。产生负迁移的知识，既有本学科的知识，也有其他学科的知识。如，学生从小就接受数学教育，在理解物理学中的密度公式ρ=m/v时，相当一部分学生错误地认为“物体的密度跟它的质量成正比，跟它的体积成反比”。又如，类化概念的干扰（吴举宏，1998）；类化概念指的是字面相近、含意相似或属性相关的概念；诸如单性结实与单性生殖、呼吸运动与呼吸作用、囊胚与胚囊、胚孔与珠孔等。

3.3对语词的曲解或错误理解（赵强、刘炳升，2001；赖小琴、2002）。概念是用一定的语词来记载和标志的，科学语言抽象、严密、言简意赅、准确明了，但学生常用在生活中形成的对语词的理解来理解科学概念，并由此产生对科学概念的曲解或错误理解，导致错误概念；如错误地认为“加速度”就是描述“物体增加的速度”；把匀速圆周运动中的“匀速”理解为“速度保持不变”。望文生义是学生前概念形成的重要方式。

3.4进行不当的类比（赵强、刘炳升，2001）。类比是推理的一种重要方式，但有时用其它概念来类比推理另一概念时，会导致错误的结论。如，用导线将干电池的两极连接起来，导线中就有电流，错误类比而认为，用导线将磁铁的两极连接起来，导线中也会有电流产生。

3.5知觉系统的特性可能导致表象产生偏差或失真（赖小琴、2002）。知觉系统是一个有限的能量加工系统，还带有强烈的感情色彩，而且当知觉的对象与它周围环境之间的关系变化时，形成的表象会是错误的；如把用冷热浸过的左右手再放入同一盆温水中，会感觉到不同的温度。又如思维定势、忽视结论的使用条件和成立范围而任意推广、逻辑思维能力或抽象思维能力不足，也会导致错误概念（张怀广、张晓，1999）。

3.6教学阶段性的影响（兰智高、杨昌权，2001）。由于学生接受性的限制，概念教学具有阶段性，即同一个概念要分成几个学龄阶段讲授，概念的内涵逐渐增加，外延不断变化。如中学物理描述物体运动的几个物理量：力、位移、速度等，只要求掌握它们的标量，到大学时要用矢量来描述，但学生很容易继续用旧有的思维去思考新的问题。

3.7概念学习不牢固（赖小琴，2002）。概念掌握不牢固，对事物所包含的各种特征了解不全面，造成对概念的外延不合理的缩小或扩大，变成相异构想。如，许多学生难以区分化学中的物质性概念和程序性概念，而中学化学教学中许多难点发生在程序性概念上；如“电离”反映了物质解离成离子的过程，是程序性概念，但很多学生把电离当作物质性概念来学习。

3.8晕轮效应（杨进琼，2001）。晕轮效应是指在知觉过程中，将知觉对象的某些印象不加分析地扩展到其他方面的一种心理现象。如，“我们加在运动物体上的力越大，物体运动得越快”，学生想当然地认为“物体的运动速度与所受的力成正比”。

3.9教师、教材的误导（Gayle Buck, Patricia Meduna，2001)。课本和教师在不经意间成了提供学生相异概念的途径。教师或教材过分强调问题的某一侧面时，将会暗示学生忽略对其他方面的思考。教材内容的顺序、概念关系的介绍、术语的选用、课本中的插图等都有可能形成学生的错误理解。教师本人就有错误概念和错误信息，而且教师在课堂上运用的语言，都有可能成为学生错误概念的源头。

3.10社会媒体（赵强、刘炳升，2001）。通过广播、电视、报刊杂志等渠道会获取一些错误的知识。如许多媒体在报导中对重量、重力、质量不分，混淆了路程和距离。

四、前科学概念的特征

我国学者对前科学概念的特征讨论较多，特别是在物理学科中。根据前科学概念的形成过程，学术界认为前科学概念有以下特征：

4.1自发性（刘文广，1997）。前概念是在学生的大脑中自发性地建构的，没有人教他这个问题应该是这样、那个问题应该是那样，他们完全是站在自己的立场上，凭自己的感性经验进行建构。

4.2广泛性（刘文广，1997）。广泛性包括内容的广泛、地域的广泛以及学生的广泛。前概念包罗万象，学生在各学科及其分支中都存在有前科学概念；在不同地区甚至不同国家的学生，在各个层次的学生，都具有相异构想。

4.3顽固性（刘文广，1997）。前概念一旦形成，就会在人的思维中形成定势；在学生头脑中根深蒂固，印象深刻；也有学者称其具有“稳定性”、“牢固性”。这些概念用传统的教学方法给予更正，显得格外顽固不化。

4.4隐蔽性（刘文广，1997）。学生头脑中的前概念是潜移默化形成的，以潜在形式存在，平时不易表现出来。

4.5负迁移性（赵强、刘炳升，2001）。先前的知识结构对新的知识结构的建立有时会产生一些负面的影响。

4.6层次复杂性（赵强、刘炳升，2001）。不同年龄段或同年龄段不同层次的学生中，对相同的物理问题有不同形式的前概念。

4.7反复性（赵强、刘炳升，2001）。学生学习科学概念后，前概念还会对学生产生作用，使其产生糊涂的认识。前概念很难在一个有限的学习时间里彻底消除，即使在学习中被纠正过，也很容易形成反复，过一段时间或毕业后又会忘记科学概念，前概念继续潜伏在人的思维中。

4.8形成的长期性（李孟然，2004）。前概念是师生在长期的教与学的活动和日常的生活中日积月累形成的。

4.9缺乏概括性（李孟然，2004）。前概念往往是因为晕轮效应任意扩大等因素形成的，缺乏严密的逻辑推演和实践的证明。

4.10特异性（袁维新，2003）。由于学生的个体差异和环境差异，造成了学生前概念的多样性和特异性。

4.11表象性（袁维新，2003）。学生的认识比较肤浅、直观，还停留在表象的概括水平上。

五、前科学概念的诊断

诊断学生的前科学概念的方法有：提问、访谈、制作概念图、出声思考（指被试在进行操作的同时，报告其头脑中的思维过程）、试题分析、答题分析、教材分析等。在前科学概念的诊断方面，需要特别说明“二段式测验”和“确定性指数”。

5.1问卷调查。问卷调查可以在短时间内收集到范围广泛的材料。研究者根据自己的概念教学实践和已有的错误概念经验，选择有针对性的内容，设计成问卷，形式诸如多项选择题、单项选择题、问题解答，由学生回答；通过分析学生的选择、解释，研究错误概念。问卷调查也可称之为诊断性测验。国际上常用的问卷测试是二段式（two-tier）测验，即每一道题包括两部分：第一部分评价学生的具体知识，一般由题干和2个或4个简单的定性答案选项（事实选项）构成；第二部分评价学生对知识的理解，是根据第一部分的答案所拟出的数个可能的理由（理由选项）；必须同时答对第一、二部分的选项，方能视为正确的答题。

5.2运用确定性指数区分“知识的缺乏”和“错误概念”

Saleem Hasan、Diola Bagayoko和Ella L Kelley（1999）认为区分“知识的缺乏”和“错误概念”是非常重要的，他们用回答确定性指数（certainty of response index，简称CRI）来鉴别学生是否拥有错误概念。学生对某一题（多项选择题）做出选择后，再对自己做出的选择进行确定性的评价，即给出CRI值。0表示是完全猜测的，1表示几乎是猜测的，2表示不肯定，3表示肯定，4表示几乎确定，5表示确定。总之，0～2表示是猜测的，3～5表示有高的确定性。CRI值是高还是低，他们采用2.5作为衡量标准。

一个学生对某一题做出了正确的回答，确定性指数低于2.5，那就是缺乏知识；高于2.5，那就是具有正确的概念。如果做出了错误的回答，确定性指数低于2.5，那就是缺乏知识；高于2.5，那就是具有错误概念。

对给定问题的抉择矩阵

	低确定性指数（CRI＜2.5）	高确定性指数（CRI＞2.5）
正确的回答	正确的回答和低确定性指数 缺乏知识	正确的回答和高确定性指数 具有正确的概念
错误的回答	错误的回答和低确定性指数 缺乏知识	错误的回答和高确定性指数 具有错误概念

六、前科学概念的转变

概念转变指的是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。概念转变的途径有两种，一种是“丰富”，一种是“修订”。也有人称概念转变为“原理转变”（principle change）或“信念转变”（belief change）。

6.1概念转变的理论基础

建构主义学习理论认为，学习过程是学习者建构自己的知识经验的过程，即学习者通过新旧经验的相互作用来发展自己的知识经验。新旧经验的相互作用过程存在两种相反的运动：同化和顺应。同化是指学生把外在的信息纳入到已有的认知结构，以丰富和加强已有的思维倾向和行为模式。顺应是指学生已有的认知结构与新的外在信息产生冲突，引发原有的认知结构发生调整和变化，从而建立新的认知结构。概念转变是从顺应的侧面来研究知识建构的过程的，这被认为是概念转变策略的理论背景。

6.2概念转变的必要条件

波斯纳（G.J.Posner）、斯特莱克（K.A.Strike）、修森（P.W.Hewson）和格特左戈（W.A.Gertzog）（1982）提出的概念转变模型（Conceptual Change Model，简称CCM）认为，概念转变得以实现须具备以下四个条件：（1）对已有概念的不满（dissatisfaction）；（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）。

6.3概念转变的策略

概念转变策略有三个类别：一是建立在认知冲突和解决冲突基础上的教学策略，也有学者称其为修正认知结构（modifying cognitive structure）的概念转变技术。这一类概念转变策略的立论基础是：学习者拥有的前科学概念与科学概念是相互冲突的。为了转变前科学概念为科学概念，必须要使学习者的认知发生冲突、动摇其前科学概念，从而建立科学概念。此类概念转变策略的实质就是新旧经验的顺应。诸如纳斯伯姆和诺威克（Nussbaum, Novick, 1982）提出的教学策略——矛盾事件：让学生尝试解释一事件，引起概念冲突，发现矛盾事件；鼓励和引导学生认知的调整，建立与科学概念相一致的新的概念模型。我国有研究者将其归纳为NN三步教学模式。又如归谬法：首先假设原来的科学概念正确，然后利用其内部矛盾归纳出与事实或学生已知的公理相悖的结论来，从而创设认知冲突，让学生在冲突中自己发现原有前科学概念的错误之处，以达到对科学概念的正确顺应。

第二类是以学习者原有的观念为基础，利用比喻和类比的方法将其扩展到新的领域，也叫具体认知结构（externalizing cognitive structure）的概念转变技术。这类教学策略的理论基础是：学生的前科学概念与科学概念并不相悖，只是不完整、与科学概念相割裂而已，需要将外在信息纳入前科学概念，使其内涵丰富和加强，即可转变为科学概念。例如类比（analogy）策略，有学者将其和拟人（anthropomorphism）共用，也有学者称其为“架桥策略”：利用原有的直觉知识，在被学生误解的“靶例”和“锚例”之间形成类比关系，帮助学生形成科学概念。

第三类策略是关于学习者元认知方面的策略，即自我监督和控制学习（monitoring and controlling learning）的策略，关注学生是如何学习概念的，至力于教会学生如何去学习概念。如：“合作+元认知”教学策略、文件夹活动（folder activity）、概念图（concept mapping）和概念转变文本（conceptual mapping text）、自我解释（self-explanation）。

七、前科学概念研究取得的阶段成果

美国路易斯安那州立大学的James H. Wandersee、哈佛大学的Joel J. Mintzes和康奈尔大学的Joseph D. Novak（1994）从众多的前科学概念的文献中选取了自1954年以来有影响的319篇论文，总结了前科学概念研究的阶段性成果，最终确定了8种重复最多的观点（他们用的术语是相异概念）。

观点1：学习者是带着对自然物质和事件（natural objects and events）的各种各样的相异概念来到正规科学教育中的（formal science instruction）。这个观点是其他一切“前科学概念”研究的基础，是这个领域中最重要的断言。

观点2：学习者带进正规科学教育中的相异概念超越了年龄、能力、性别和文化的限制。也就是说，不管年龄、能力、民族、居住地或种族、教育水平、信仰，相异概念在不同人群中具有显著的同一性。

观点3：相异概念非常顽固（tenacious），传统教学策略难以消除。也有学者认为，并非所有的相异概念都很顽固，具有抵制性；有的相异概念，用传统的方法就能转变，有的则需要用适当的概念转变策略才能转变，把这两种相异概念区分开来是非常重要的。

观点4：相异概念和前几代科学家和哲学家对自然现象的解释经常相类似（parallel）。孩子们某一领域概念的发展重复了科学史上重要思想的发展历程。有许多研究都分析了学生拥有的（相异）概念与科学发展史上的概念具有相似性。

观点5：相异概念源于不同的个人经历，包括直接观察和理解、同代人的文化和语言，以及教师的解释和教学材料。小孩子在和妈妈、长辈、兄弟姐妹、同龄人及其他成人的相互交往中，建立起了自己对世界的认识，其中有许多相异概念。

观点6：教师常常和他们的学生一样也认同（subscribe to）相同的相异概念。教师在自然科学领域中拥有大量的相异概念，是不争的事实。教师拥有的相异概念也很顽固，这可能是差劲的大学科学课本的编写导致的，或者是由于大学科学课程的糟糕教学产生的结果。

观点7：学习者先前的知识和正规教育呈现的知识相互作用，形成了一系列不同的预期之外的学习结果。当教师的知识和学生带到课堂的前科学知识相互作用时，会产生计划之外的教育结果，有人称其为“儿童科学结果”（consequences of children’s science）；这种“混合结果”(mixed outcome)是一种“二观点结果”（two perspective outcome）,因为学习者常建立了两种分离的知识体系：日常生活世界的知识体系和科学世界的知识体系。

观点8：促进概念转变的教学方法可能是有效的课堂工具。已有的研究，使得大量新颖的干预策略得到了发展，这些策略能够帮助学生朝科学理解自然现象的方向转变。

八、问题和展望

从上述前科学概念的文献综述中，我们可以发现前科学概念的研究存在一些有待进一步研究的问题。首先是前科学概念的术语和定义方面所存在的分歧，主要集中在“错误概念”“相异概念”“前科学概念”的内涵及其关系的确定上。其次是具体学科的前科学概念的研究亟待发展；上述前科学概念的产生的原因、特征、诊断、分类及其转变，具有泛学科的特点，其中大部分是基于物理学的研究成果，需要化学、生物学、地理学等学科前科学概念研究的发展和深入。第三，前科学概念的本质尚不十分明晰，与科学概念的关系的研究有待开展。相信在认知建构理论、认知心理发展理论的支持下，随着研究领域的扩展，研究方法的突破，前科学概念的研究会取得更大的成就。

参考文献：

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