科學概念的建構性教學模式與策略探析

[摘要]建構性教學是一種促進學生依靠原有的前概念不斷建構新的科學概念的教學。作為一種科學概念的教學理論和教學形式，建構性教學的產生是當代建構主義理論、概念轉變理論和元認知理論碰撞、融合的必然結果。

[關鍵詞]科學概念；建構性教學；教學模式；教學策略

[作者簡介]袁維新（1954-），江蘇淮陰人，淮陰師範學院教育系教授，蘇州大學兼職碩士生導師，華東師範大學心理學系訪問學者，主要從事課程與教學論和科學教育理論研究。

當前，一種新的科學概念教學模式——建構性教學（constructivist teaching）正在科學教育領域中悄然興起。所謂建構性教學，實際上是指促進學生科學概念建構的教學，即促進學生依靠原有的前科學概念不斷建構新的科學概念的教學。建構性教學的產生是當代建構主義理論、概念轉變理論和元認知理論碰撞、融合的必然結果，是科學概念教學的一場意義深遠的革命。本文擬對科學概念的建構性教學的理論基礎、教學模式和教學策略等問題作點探討。

一、建構性教學模式的理論基礎

從理論上看，建構主義學習理論、概念轉變學習理論和元認知理論是建構科學概念的建構性教學模式的理論基礎。

1.建構主義學習理論。

在當代世界科學教育改革的浪潮中，建構主義（constructivism）作為一種主要理論正在對科學概念學習與教學產生著越來越大的影響。當代建構主義把學生的學習看作是一種學生自主建構認知結構或建構知識意義的過程，它關於學習的基本觀點如下：

（1）強調學習者的經驗。視學習者在教學前對所要學習的材料已存在有許多先前的概念（prior concept），所以學習者學習新的材料的時候並非是一張「白紙」，存在於學習者腦海中的相關的前概念形形式式，並存在個體差異，而新知識的學習則是建立在這種存有個體差異的前概念基礎之上的。

（2）注重以學習者為中心。建構主義認為，知識無法像貨物一般直接傳輸給學生，科學概念的學習必須由學生主動參與整個學習過程，重建構（reconstruction）知識的意義，因此，傳統的老師「說」學生「聽」的學習方式是無效的。

（3）強調創設衝突的學習情境。學習的發生在於解決認知衝突（cognitive conflict ）或消除認知心理的不平衡（disequilibration），認知衝突的解決會引起學生對原有認知結構的改變（Driver et al.，1994）[1]，於是個人的學習被視為現有的概念與新經驗的交互作用的結果，而不是新概念的積累過程（Millar，1989）[2]。

（4）尊重個人意見或原始想法。科學知識是有人類價值參與其中的，不是絕對的價值中立的，學生的科學概念可反映出學生在特定社會大環境中所形成的觀念。基於此，科學知識的學習是一種社會建構，學習者必須在與學習共同體成員的互動協調中達成共識，共同建構知識的意義。

（5）注重合作互動的學習方式。科學的學習必須在學習共同體之間通過對話、溝通的方式進行，大家提出不同看法以刺激個體反省思考，在交互質疑辯論的過程中，以各種不同的方法解決問題，澄清所產生的各種疑慮，並且逐漸形成能夠被學習共同體認同的正式的科學知識。

2.概念轉變學習理論。

在建構主義理論基礎上發展起來的概念轉變學習（conceptual change learning）理論，可以說是一種科學學習的特有的理論，它認為科學學習就是學生原有概念的改變、發展和重建過程，就是學習者的前科學概念向科學概念的轉變過程。學生是如何進行概念轉變的呢？波斯納等人（Posener el al，1982）[3]認為，為了促使學生進行概念轉變學習，必須提供以下四個條件：（1）學習者對當前的概念產生不滿（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、合理性和有效性稱為概念狀態（conceptual status），是學習者對於概念所處的狀態，包括可理解的（intelligible）、合理的（plausible）及有效的（fruitful）等三個狀態。學習者對於概念所處的狀態愈高，其發生概念轉變的可能性也就愈高；也就是說，概念轉變是發生在學習者能夠充分理解與應用新概念時。而且提出，不僅新概念的狀態，原有概念的狀態也會對概念轉變產生影響，兩者之間存在交互作用。這裡應注意，概念的上述三種狀態不是概念實際上如何，而只是個體所看到、所意識到的可理解性、合理性和有效性，是個體對新、舊信息整合過程的元認知監控。根據波斯納的觀點，如果滿足了上述概念轉變學習的四個條件，學生所持有的錯誤概念就會被科學概念所替代或改變。

總之，根據概念轉變學習理論，科學概念教學欲促進學生通過概念轉變建構科學知識，必須遵循以下學習策略：（1）重組關於客體、事件或現象的學生的原有概念（前概念）；（2）提供超越學生前概念的理解性情境，這種情境可以是問題、認知衝突、悖論或難題；（3）選擇具有挑戰性的問題和情境；（4）學生向同伴提供自己的解釋（概念）；（5）當學生與不合適的解釋（錯誤概念）鬥爭時，首先幫助他們接受自己的解釋；其次，建議對同一現象作出另一種解釋或設計活動以引發學生的頓悟；再次，允許他們花時間重新建構自己的解釋[5]。

3.元認知理論。

元認知（metacognition）概念是由美國心理學家弗拉維爾（Flavell1，1976）首先提出來的。所謂元認知是「對思維的思維」[6]，是主體對自己的認知過程、結果和與之相關的活動的認識。它包括對自我的認知能力和對當前正在發生的認知過程的認知，以及兩者相互作用的認知。迄今為止，元認知還沒有統一公認的定義。當前，對於元認知的結構國外有兩種最具代表性的觀點。弗拉維爾將元認知分為元認知知識和元認知體驗。元認知知識是指個體關於自己學習能力的知識。它包括個體變數（有關自我和他人思維的知識）、任務變數（主體關了認知活動的任務要求的知識）和策略變數（有關改善學習和操作的認知和元認知策略的知識）。元認知體驗是指，主體在從事認知活動時所產生的認知和情感體驗。Brown則將元認知劃分為「關於認知的知識「和「認知調節」，即元認知知識和元認知調節[7]。國內學者則傾向於將元認知分為元認知知識、元認知體驗和元認知調節[8]。元認知知識在學習過程中具體表現為對個人學習能力、學習特點、學習方式的認識，對學習任務、學習目標以及制約學習任務完成因素的認識、對學習策略種類以及各個策略特點的認識等。元認知體驗是個體伴隨著認知活動而產生的認知體驗或情感體驗。元認知體驗的出現與學生在認知活動中的位置，已經取得的進展和可能取得的進展有關。一般來說，它常常產生在學生期望對自己的認知活動進行有意識地調節和控制的時候。而學生學習的成功與否，在很大程度上取決了學生對認知活動本身及其認知活動的質量進行大量的反省或體驗。元認知調節是指個體在認知活動進行的過程中，對自己的認知活動積極進行監控，並相應地進行調節，以達到預定的目標。具體的內容包括制定認知計劃，實際控制認知過程、及時檢查認知結果、及時調整認知計劃和在認知活動偏離認知目標時採取補救措施等。在實際學習過程中，學習者在元認知體驗作用下，針對具體的學習內容，實施對學習方法的調節，主要是通過元認知調節來實現。

根據元認知理論，在科學概念學習活動中，學習者的元認知起關鍵作用。認知活動的有效性如何在很大程度上取決於元認知過程的運行水平，即對認知過程進行監視、控制和調節的水平。元認知的實質就是對認知活動的自我認識和自我控制。建構性教學模式強調學習者對學習過程與結果的自我監控和調節與評價，這正是對元認知理論的自覺運用。

二、建構性教學的教學模式

根據建構主義理論、概念轉變理論和元認知理論，我們認為科學概念的建構性教學就是促進學生依靠原有的前科學概念不斷建構新的科學概念的教學。其教學模式主要包括四個階段（圖1）：

圖1　科學概念的建構性教學模式

此模式中，在定向與探索階級要暴露學生的前概念，在建構與交流中同樣要評價學生的前概念，在解釋與拓展中也有評價學生的前概念。所以這是一種以前概念為載體的科學概念教學模式。在該模式中，將反思與評價放在模式的中心，指對學生的定向與探索、建構與交流、解釋與拓展三個階段是否準確進行反思與評價。從反思與評價這一階段向周圍發出的三條虛線表示反思與評價這一階段是潛在的，暗含在其他三個階段當中。定向與探索、建構與交流、解釋與拓展三個階段中相互發出的三條實線表示這三個階段之間是雙向的，而且是螺旋漸進的，它們之間是互動的。

1.定向與探索

這一階段的主要任務是診斷並引出學生的前概念。首先，教師創設特定的探究性問題情境，為學生的自主探究學習定向。其次，引導學生用自己的不充分的思想（錯誤概念）嘗試解釋問題，從而引出學生對此主題的前概念。這一階段教師要提出一些啟發性問題，提供活動的材料，讓學生自主進行探究活動。在探究活動中，學生可能會獲得一些結果，也可能一無所獲，但這些不是主要的，重要的是讓學生獲得探究的經歷與體驗。這一階段還具有以下幾個特點：（1）這一階段要引導學生回憶先前經驗或引導學生通過探究獲得全新的經驗，這些經驗與學生和學習目標密切相關；（2）這一階段的活動要有利於激活學生的思維，鼓勵學生進行開放發散型思考（divergent thinking），由此產生多種與問題解決相關的想法，哪怕只是一些模糊的想法；（3）在探索活動中，教師要通過一些「差異性實驗」（discrepant events）來激發學生的探究興趣。所謂「差異性實驗」，是指一些有趣而且結果往往意想不到，與一般「常識」相違背的科學小實驗。教師通常通過這種實驗活動（通常是演示）造成學生心理上的不平衡（diseqilibrium），從而激起學生的求知慾。（4）這個階段的活動需要老師給學生提供關於探究的技能的知識，因為學生在尋求問題解決過程中依賴於這些知識信息。

2.建構與交流

這一階段是建構新的認識和初步形成解釋的過程，同時也是使有關概念、原理或技能變得易懂、可理解和更加清楚的過程。在這個過程中，充滿了學生不同的個人概念和認識之間、個人認識與事實證據之間、個人認識與科學概念原理之間的「衝突」、矛盾和鬥爭。學生在這樣的過程中，進一步暴露和明確自己的先有概念和認識，感受不同觀點和解釋之間的一致與差異，評價解釋推論與假設和證據之間的關係。這一階段包括三個環節：（1）澄清與溝通（Clarity and exchange）。學生經由小組討論、對比、解釋彼此的前概念的異同，並與教師的意見交換、溝通，呈現可能的認知衝突，進行同化與順應。（2）建構新的想法（Construction of new ideas）。依據上述的討論，學生可比較不同的現象、理論解釋與驗證的形式，以發展概念或轉變概念。（3）評價（Evaluation）。經由實驗解釋或自我思考與探究，學生可能找到新概念的含意，並知覺到舊有概念的不足。這一環節可以通過實驗、討論、澄清和交換概念，揭示和解決衝突情境，建構新概念，並作出恰當評價。

3.解釋與拓展

這一階段包括兩個環節：（1）解釋。是指學生對自己的經驗開始抽象化、理論化，使其成為一種可交流的形式。學生往往要通過比較其他可能的解釋，特別是那些體現科學性的解釋，並通過進一步的觀察和實驗，對自已的解釋進行修正、求證與評價。在小組合作學習活動中，學生還要面對不同的解釋結果展開討論，通過比較各自的結果，或者與教師或教材提供的結論相比較，由此檢查自己提出的結論是否正確，推理過程是否有缺陷等，以保證學生對有關問題的解釋達成共識。（2）拓展。在這一環節，學生要擴展自己的概念，使其與其他概念相聯繫，並運用所建構的新概念解釋周圍世界或新情境問題，從而實現對新概念的驗證、應用、鞏固和提高，使新獲得的概念在應用和拓展中得以精緻。這一階段要具有以下特點：（1）在概念的拓展應用活動中，教師與學生一起討論並設計與教學目標相一致的新情境問題，以幫助學生應用新概念與技能；（2）學生要按照教師的要求完成設計好的活動。

4.反思與評價

反思與評價其實應貫穿於整個教學過程之中，反思與評價可隨機、依教學進程展開，也可在拓展階段之後進行總結性的反思與評價。學生的自我反思是最關鍵的，學生的自我評價和小組內的相互評價是最重要的。教師給予的有針對性的指導性評價是必不可少的，教師要引導學生既針對自己探究和學習的結果進行評價，更要對認識建構過程、探究活動的態度、方式和效果，合作的情況，學習的感受以及在前面的教學過程中各個方面的表現進行反思總結。教師可採用結構性觀察、學生談訪、基於特定項目的文件夾評價等。總之，評價要做到定性評價與定量評價、形成性評價與終結性評價、自我評價與他人評價的結合，從而能夠促使教師與學生通過評價獲得進一步改進教與學的必要信息，並促進學生元認知策略的發展與完備。

三、建構性教學的教學策略

1.關注學生的「前科學概念」

科學概念的建構是以學生的前概念為基礎的，並且要以學生前概念為載體展開概念轉變學習。學生並不是空著腦袋走進教室的，他們在先前的學習和日常生活中已經形成了自己對各種事物或現象的看法，即所謂的前科學概念。這些前科學概念是學生認識這個世界的開端，是他們建構對於這個世界的新認識的起點。因此，科學教育要珍視學生的前科學概念，從學生的「現有水平」出發，了解他們的發展水平，發現他們理解的困難所在。只有這樣，才能夠真正為學生創造一種能引發探究和思考的學習環境，促使其在現有水平上獲得進一步的發展和提高。同時，由於學生的前科學概念主要是建立在直接經驗基礎上的，因此，它們有的與科學知識並不一致，甚至足相互衝突的，對於這些與事實不相符的「錯誤概念」，教師必須通過為學生創造親自探究的機會和條件，讓他們自己去發現已有經驗與事實間的不一致甚至矛盾之處，引發其認知衝突，促使其審視、反思並修正自己的經驗和認識，從而建構起更為科學的新解釋、新概念。皮亞傑將這種自我調節視為是影響學生認知發展的一個基本的甚至是首要的因素。

2.重視協商對話的合作學習

建構性教學非常強調學習者間的互動，因此主張採用小組合作學習模式，兼顧教師的教學過程和學生的學習過程，強調溝通與討論，重視教師和學生在師生互動的過程中交互作用。由於經驗背景的差異，不同學生對問題的理解常常各異，這種差異本身便構成了一種寶貴的學習資源。通過同伴間的相互交流與溝通，學生在闡述自己觀點和傾聽他人意見的過程中，可以更好地對自己的理解和思維過程進行審視和監控。同時，同伴間的相互質疑和觀點對立，可以引發學生的認知衝突，促進其自我反思，從而深化自己的認識；並且，這種爭議和質疑還有助於激發彼此的靈感，共同建構出新的假設和對問題的更深層的理解。

3.將科學探究作為重要的教學方式

建構性教學特別重視開發學生的智力，發展學生的創造性思維，培養自學能力，力圖通過自主探究引導學生學會學習和掌握科學方法，促進科學知識的建構。為此，教師要創造條件鼓勵學生自己去探究。探究什麼？學生可能探究的問題很多，學生可對知識產生髮展的過程進行探究；可在新舊知識的連結點上探究；有時在學生質疑問難處探究；更多的是在解決認知衝突中進行探究。

如何在科學教學中引導學生進行探究性學習？一個有效策略是採用探究性教學模式。國外學者在綜合考察一些較為有效的探究教學模式後，將其共有的一般階段和內容概括如下：（1）學生參與圍繞科學型問題、事件或現象展開探究學習，探究活動與學生原有認識緊密相關，教師設法激起學生的認知衝突，激發他們的求知慾望；（2）學生通過動手實驗探究問題，形成和檢驗假設，解決問題，解釋觀察結果；（3）學生分析、解釋數據，對自己的觀點進行綜合，利用各種資源構造解釋客觀世界的模式或模型；（4）將所學知識運用於新情境，以拓寬理解，形成新技能；（5）教師與學生共同回顧和評價所學內容與學習方法[10]。

4.提高學生的元認知水平

建構性學習與教學本質上是一種自我監控過程。「在建構性學習中，學習者要不斷監視自己對知識的理解程度，判斷自己的進展及與目標的差距，採取各種增進理解和幫助思考的策略，而且，學習者還要不斷反思自己及他人的見解的合理性如何，看它們是否與自己的經驗體系一致，是否符合經驗事實，以及推論中是否包含邏輯錯誤等。[11]」所有這些，都取於學習者的元認知水平。一般來說，元認知水平高的學生，其建構性學習的質量要大大高於元認知水平低的學習者。因此，要使學生成為一個有效的知識建構者，必須提高學生的元認知能力，這就要對學生進行元認知培養與訓練。具體地說，可以通過以下幾種方式提高學生的元認知水平。

（1）強化學生的自我反思意識。學習者的自我監控能力不是自發地產生的，它也需要教師有目的有計劃地引導與培養。教師在教學中要特別注意引導學生對自己的學習過程進行自我觀察、自我評價與自我反思。例如，引導學生思考：我真的理解了嗎？我運用學習策略和方法是否有效？我的前概念是如何轉變的？是否還有更好的建構學習途徑？等等。進而對自己的學習過程、方法和結果進行正確的評價，如果意識到存在學習偏差，則通過及時調節學習過程，變換學習策略，從而保證學習過程向預期的目標靠近。總而言之，通過這種自我評價、自我反思、自我調節過程，就能使學習者形成反思的意識與習慣，從而不斷提高自身的元認知能力。

（2）通過思維訓練培養學生的元認知能力。隨著元認知理論研究的深入與發展，以元認知理論為基礎的思維訓練課也應運而生。研究表明，以元認知策略與具體認知策略相結合的訓練模式比傳統的思維訓練模式更為有效。常見的元認知策略包括目標設置、計劃、自我監控、複習等。其中，教師應該特別注意學生學習時間計劃的制定，幫助學生學會管理自己的學習時間。一些具體的認知策略，如複述、分類、作小結、列提綱、畫示意圖等，教師應把它們滲透在各科的具體教學內容中教給學生。學生僅僅擁有某些策略是不夠的，還必須了解策略適用的條件和範圍。美國心理學家加涅提出的思維訓練新模式中，教師不僅教給學生有關認知策略的行動序列部分，告訴學生應用策略的步驟，依次進行練習和反饋，而且將更多的時間教給學生模式識別，即告訴學生什麼時候一個行動序列最為有效。

綜上所述，科學概念的建構性教學是一種以學生的前科學概念為基礎，通過概念轉變不斷建構新的科學概念的教學模式，在教學過程中，要創設自由探究的情境，讓學生充分暴露自己的前科學概念，學生經由小組討論、對比、解釋彼此的前概念的異同，並與教師的意見交換、溝通，呈現可能的認知衝突，進行同化與順應，建構新的科學概念，並通過對新概論的拓展與運用，實現由前概念向科學概念的轉變。

參考文獻

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