張正嚴 錢慧玲 黃莉郁 佘曉清

本文所說的概念轉(zhuǎn)變，指的是與某個概念相關的所有知識的改變;概念轉(zhuǎn)變教學指的是教師引發(fā)和解決學生認知沖突的教學過程，它使學生原有的與某概念相關的認知經(jīng)驗在受到外部學習情境事件中新經(jīng)驗的影響后發(fā)生了重大改變。而認知沖突指的是人在原有概念與新經(jīng)驗之間出現(xiàn)對立性矛盾時所感受到的疑惑、緊張和不適的狀態(tài)。2002年，臺灣交通大學科學教育研究所教授佘曉清針對概念轉(zhuǎn)變教學提出了一個雙重情境學習模式（Dual Situated Learning Model，DSLM），并針對一些概念教學進行了雙重情境學習事件的設計，取得了較好的實驗效果。目前關于雙重情境學習模式的案例設計有熱膨脹、熱傳導、熱對流、浮力、大氣壓強、氧化還原反應等。本文將以佘曉清教授在2003年設計的熱膨脹教學為例，介紹雙重情境學習模式的教學理念和操作方法。

一、基于概念轉(zhuǎn)變教學的雙重情境學習模式簡介

學生在正式學習科學概念之前，頭腦里往往會存在許多與科學概念不同的觀點和想法，這些觀點和想法可以看作是學生的原有概念。概念轉(zhuǎn)變是指學生的原有概念在受到不一致的新經(jīng)驗影響后，學生主動進行概念修正或重建，使原有概念轉(zhuǎn)變?yōu)檎_的科學概念的過程。目前，關于概念轉(zhuǎn)變的研究集中出現(xiàn)在認知心理學和科學教育兩個領域。

認知心理學研究領域關于概念轉(zhuǎn)變的研究主要是探討影響概念轉(zhuǎn)變難易程度的重要因素。他們一致認為，導致概念轉(zhuǎn)變困難的原因主要是由概念本身的特質(zhì)決定的。Chi[1]等人提出了一種本體論的思想，他們將概念分為物質(zhì)、過程和心理狀態(tài)三種本體，認為：若概念轉(zhuǎn)變發(fā)生在同一本體下，則比較容易達成;若發(fā)生在本體之間，則較難達成。如，電流的概念是指自由電子在電場力的作用下的定向運動，屬于過程本體，但部分學生在學習過程中想當然地將電流類比為水流，視為流體，于是把它當成了物質(zhì)本體，似乎電池中自然地含有電流這種物質(zhì)，而且這種物質(zhì)具有流動性，于是導致了他們在學習電流概念時的概念轉(zhuǎn)變困難。Thagard[2]等人則把科學概念視為樹狀結構，并將概念轉(zhuǎn)變的方式分為三種類型：第一種，概念加成或刪除，即一個概念被加入（移除）到某一個概念系統(tǒng);第二種，分支跳躍，即一個概念由一個概念系統(tǒng)轉(zhuǎn)到另一個概念系統(tǒng);第三種，樹狀轉(zhuǎn)移（主干變化），即概念間的組織原理發(fā)生了改變，且此種轉(zhuǎn)變最為劇烈。他們認為，在以上三種類型的轉(zhuǎn)變中，后兩種概念轉(zhuǎn)變最為困難，常見于科學革命?？偟膩碚f，以上理論闡明了概念轉(zhuǎn)變的難易程度是由概念的本質(zhì)決定的，概念的層級水平是影響學生理解科學概念相對容易或相對困難的關鍵因素。以上兩種理論，無論哪一種，都需要教師在進行概念轉(zhuǎn)變教學設計時，對概念的本質(zhì)屬性或概念的結構進行分析。

科學教育研究者則主要聚焦于概念轉(zhuǎn)變的教學策略研究。如，Posner[3]等人提出概念轉(zhuǎn)變的實現(xiàn)需要四個條件：一是，學生不滿足于自身的原有概念;二是，學生對新概念有初步的了解;三是，學生認為新概念“有點合理”;四是，學生認為新概念是解釋得通且有效的。Hewson[4]在Posner關于概念轉(zhuǎn)變研究的基礎上，強調(diào)了概念轉(zhuǎn)變需要考慮學生的原有概念。

佘曉清教授基于認知心理學和科學教育兩個領域關于概念轉(zhuǎn)變研究的有關理論，綜合學生原有概念和科學概念的本質(zhì)對概念轉(zhuǎn)變的雙重影響，提出了一種概念轉(zhuǎn)變教學方法，即雙重情境學習模式。該模式的雙重作用體現(xiàn)在概念轉(zhuǎn)變教學的全過程，共有三層含義：首先，情境事件的設計既要引起學生的認知不協(xié)調(diào)，又要為學生建立科學概念提供所缺乏的概念架構;其次，雙重情境學習事件的實施，既要能夠激發(fā)學生概念重建的動機，又要能夠挑戰(zhàn)學生的原有概念;最后，在整個概念轉(zhuǎn)變教學過程中，科學概念的本質(zhì)和學生對科學概念的認識始終處于交互作用當中。顯然，該模式是一種以學習者為中心的教學模式，旨在引導教師在分析科學概念和學生原有概念差異的基礎上，設計一系列由淺到深的情境事件，給學生制造認知沖突，引導學生逐漸建立起新的科學的概念。雙重情境學習模式的實施通?？煞譃榱鶄€階段[5][6]：階段一，分析科學概念的本質(zhì)屬性，確定學生建構科學概念所需的概念架構;階段二，找出學生關于此科學概念的常見另有概念;階段三，通過對比前兩個階段的實施情況，找出學生對于建構科學概念所缺少的概念架構;階段四，基于學生缺失的概念架構設計一系列由淺到深的雙重情境學習事件;階段五，展開雙重情境學習模式下的教學;階段六，設置具有挑戰(zhàn)性問題的情境學習事件。

二、雙重情境學習模式下的熱膨脹教學

關于熱膨脹這一概念，教育界有一個典型的實驗教學案例[8]：在水槽里固定蠟燭并點燃，然后將燒杯倒扣在燃燒的蠟燭上，蠟燭在燒杯中燃燒一段時間后逐漸熄滅，燒杯內(nèi)的水位逐漸升高。那么，燒杯內(nèi)水位上升的主要原因是什么呢？有的學生認為是燒杯中蠟燭燃燒導致燒杯內(nèi)氧氣消耗，所以才會導致水位上升;也有學生認為蠟燭燃燒使燒杯內(nèi)的空氣膨脹并溢出了燒杯，蠟燭熄滅后，水槽中的水填補了溢出燒杯的氣體所占的空間。最終的實驗證明，氣體的熱膨脹才是燒杯內(nèi)水位上升的主要原因。那么，針對此實驗情境，如何幫助學生達成對熱膨脹概念的正確理解呢？

佘曉清教授基于雙重情境學習模式理論，對該概念轉(zhuǎn)變教學經(jīng)歷了如下六個階段的實施過程，幫助學生逐漸建立起新的正確的熱膨脹概念。

（一）分析建構科學概念所需要的概念架構

這一階段一般是由科學家、科學教育工作者和中學物理教師共同組成的專家組對相關概念進行分析后再確定下來。專家組分析發(fā)現(xiàn)，熱膨脹概念屬于微觀領域較為抽象的科學概念，在這個問題情境中要建立起正確的熱膨脹概念，至少需要以下三個概念架構：概念架構1，燒杯中的蠟燭越多，燒杯里的水位就會越高;概念架構2，蠟燭燃燒使燒杯內(nèi)的氣體受熱膨脹而溢出;概念架構3，若氣體不溢出燒杯，燒杯里的水位將不會上升。

（二）找出學生關于此科學概念常見的另有概念

這一階段的重點是了解學情，可以通過對學生進行課前測試或由經(jīng)驗豐富的教師對學生進行訪談來收集第一手的學情資料。在佘曉清教授的研究中，學生被要求預測蠟燭熄滅后的現(xiàn)象，并解釋所預測的現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。結果發(fā)現(xiàn)，在這個問題情境中，學生對現(xiàn)象的預測和對原因的解釋都存在另有概念，主要包含以下三個：另有概念1，蠟燭最多的燒杯里水位最高，因為蠟燭越多，燃燒時所消耗的氧氣就越多;另有概念2，蠟燭最多的燒杯里水位最高，因為蠟燭越多，其所占的體積就越大;另有概念3，蠟燭數(shù)量不同的燒杯里的水位相同，因為三個燒杯中氧的消耗量是一樣的。

（三）分析學生對于建構正確的科學概念所缺少的概念架構

這一階段主要是通過比對階段一和階段二的分析結果，總結、得出學生缺少的概念架構及所存在的另有概念。從學生提供的另有概念1（蠟燭最多的燒杯里水位最高，因為蠟燭越多，燃燒時所消耗的氧氣就越多）和另有概念2（蠟燭最多的燒杯里水位最高，因為蠟燭越多，其所占的體積就越大）可以看出，學生對概念架構1（燒杯中的蠟燭越多，燒杯里的水位就會越高）是認同的，只是他們給出的解釋是錯誤的，于是可以得出結論：學生不完全具備概念架構1，對概念架構2和概念架構3未能表現(xiàn)出清晰的認識，也就是說，學生對于建立正確概念所需的三個概念架構全部缺失，只是缺失的程度略有不同。

（四）基于學生缺失的概念架構設計雙重情境學習事件

每一個情境學習事件的設計都對應一個概念架構，且具備雙重學習任務，既要引起學生對原有概念的不滿，也要為他們提供一個新的思維情境來構建更科學的概念。概念建立所需的概念架構之間是有先后順序的，因此，在設計雙重情境學習事件時必須考慮概念架構的順序。佘曉清教授先后設計了四個雙重情境學習事件，幫助學生建立正確的熱膨脹概念。

雙重情境學習事件1：如圖1所示，把一、三、五根蠟燭各一組分別固定于水槽中，之后在水槽中注入適當清水，點燃蠟燭后，將三個燒杯分別倒扣在一、三、五根組的蠟燭上。實驗結束后，學生可以觀察到：五根蠟燭組的燒杯里水位最高，三根蠟燭組的燒杯中水位次之，一根蠟燭組的燒杯里水位最低。該實驗可以用來打破學生的另有概念3（蠟燭數(shù)量不同的幾個燒杯里的水位都相同，因為三個燒杯中氧的消耗量是一樣的），同時為學生提供概念架構1（燒杯中的蠟燭越多，燒杯里的水位越高）。

雙重情境學習事件2：如圖2所示，在水槽內(nèi)固定三組各五根蠟燭，分別點燃三組中的一、三、五根蠟燭，再將三個燒杯倒扣在三組蠟燭上。在該情境學習事件中，學生可以觀察到：雖然蠟燭總數(shù)相同，但因為點燃的蠟燭數(shù)量不同，三組燒杯中的水位上升高度也是不同的，且仍然是點燃的蠟燭數(shù)量越多，燒杯中的水位升得越高。通過該情境事件的學習，學生可以否定另有概念2（蠟燭最多的燒杯里水位最高，因為蠟燭越多所占體積就越大），并在內(nèi)心的矛盾沖突中引發(fā)好奇心和進一步的思考：燒杯內(nèi)點燃蠟燭數(shù)量越多水位上升越高的原因不是體積，那是什么？

雙重情境學習事件3：如圖3所示，將水槽內(nèi)的清水換成肥皂水，分別固定一、三、五根各一組蠟燭于水槽中，點燃蠟燭，將三個燒杯分別倒扣在各組蠟燭上。在蠟燭熄滅的過程中可以觀察到：三組燒杯內(nèi)的水位都在慢慢上升，同時燒杯口的周圍有氣泡溢出，并且燒杯內(nèi)蠟燭數(shù)量越多，燒杯口周圍的氣泡也就越多——氣泡的產(chǎn)生很容易讓學生猜想到燒杯內(nèi)有氣體溢出。通過對這個情境學習事件的學習，學生不難得出下面的理論解釋：因為蠟燭燃燒使燒杯內(nèi)的氣體受熱膨脹，所以會有氣體溢出燒杯，于是得出概念架構2（蠟燭燃燒使燒杯內(nèi)的氣體受熱膨脹而溢出）。

雙重情境學習事件4：如圖4所示，將燒杯換成套著蠟紙袋的中空玻璃管，分別固定一、三、五根各一組蠟燭于水槽中，點燃全部蠟燭，將三個上方套著蠟紙袋的玻璃管分別扣在各組蠟燭上。觀察實驗可以發(fā)現(xiàn)，當蠟燭燃燒時，蠟紙袋會慢慢地膨脹，待蠟燭熄滅后，蠟紙袋會慢慢地收縮，且整個過程中玻璃管的下端管口周圍無氣泡溢出且三個燒杯內(nèi)的水位均未升高。通過該情境事件的學習，學生可以確定：只要氣體不溢出燒杯，燒杯內(nèi)的水位就不會升高。這樣，便可以幫助學生構建概念架構3（無氣體溢出，瓶內(nèi)的水位是不會上升的）。

（五）進行雙重情境學習模式的學習

在完成情境事件的設計后，就可以展開教學了。教學時有兩個方面的問題需要注意：一是要嚴格按照概念架構建立的順序推進教學，即按照上述階段四中設計的4個雙重情境學習事件的先后順序推進;二是在呈現(xiàn)雙重情境學習事件前，一定要先讓學生對事件中的現(xiàn)象進行預測并解釋原因，再呈現(xiàn)事件，最后讓學生對比其預測與事件發(fā)生發(fā)展的結果的異同，并再次嘗試解釋個中原因。這便是在認知矛盾的激勵下提出猜想、嘗試解釋，進而構建科學概念的過程。

（六）設置具有挑戰(zhàn)性問題的情境學習事件

這一階段要給學生提供一個檢驗學習成效的機會，將學生所建立的新概念應用到新情境，以確認概念轉(zhuǎn)變的成功與否。新的情境，要注意結合學生通過一系列雙重情境學習事件的學習后重建的、以前缺乏的概念架構，進行有針對性的設計，而且要有一定的挑戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)性事件可以是以上事件的簡化設計，也可以是關于熱膨脹的其他情境學習事件。佘曉清教授針對熱膨脹概念教學所設計的挑戰(zhàn)性問題的情境學習事件如下：將一根蠟燭固定于水槽中并點燃，在水槽中注入適量清水，用倒置燒杯扣在蠟燭上，蠟燭熄滅后，請學生解釋燒杯內(nèi)的水位是否上升，并詳述其過程。這里的挑戰(zhàn)性事件實際是雙重情境學習事件1的簡化設計，其挑戰(zhàn)性表現(xiàn)在要讓學生詳述過程，從中檢驗學生是否可以將學習過程中所獲得的心智架構應用到相似的情境，進行準確的陳述。教師通過學生的陳述和解釋，可以檢測學生對熱膨脹概念的掌握程度，確保學生對所學知識的有效遷移。黃莉郁博士在接下來的實驗研究[8]中，選取了臺灣地區(qū)新竹市的高中生進行實驗，結果如下：學生在課前對熱膨脹這個概念都存在另有概念，通過一系列雙重情境事件的學習后，95%的學生能夠成功地攻克挑戰(zhàn)性問題，并能正確地闡述熱膨脹的科學概念，也就是說，有95%的學生成功地實現(xiàn)了概念轉(zhuǎn)變。

近年來，很多學者根據(jù)雙重情境學習模式，嘗試進行概念轉(zhuǎn)變的教學設計，都獲得了成功，包括：孫洪娜以“高一氧化還原反應”為例[9]，設計并實踐證明了DSLM的有效性;董秋月以“染色體與遺傳”為例[10]，研究了雙重情境學習模式對高中生概念轉(zhuǎn)變與推理能力的影響，得出了正向的結論;等等。

參考文獻：

[1]Chi，M.T.H.，Slotta，J.D.，& deLeeuw，N..From things to processes：A theory ofconceptual change for learning science concepts[J]. Learning and Instruction，1994（4）.

[2]Thagard，P.Conceptual revolutions[M]. Princeton，NJ：Princeton University Press，1992.

[3]Shawn M.Glynn & Russell H. Yeany & Bruce K.Britton. The Psychology of Learning Science[M].熊召弟，王美芬，段曉林，熊同鑫，譯.臺北：心理出版社，1995.

[4]Hewson，P.W.& Hewson，M.G.. Effect of instruction using students prior knowledge and conceptual change strategies on science learning[J]. Journal of Research in Science Teaching，1983，20.

[5]She Hsiao-Ching. Fostering “Radical” conceptual change through Dual Situated Learning Model[J].Journal of Research in Science Teaching，2004，41（2）.

[6]She Hsiao-Ching. Concepts of higher hierarchical level required more dual situational learning events for conceptual change：A study of students conceptual changes on air pressure and buoyancy[J]. International Journal of Science Education，2002，24（9）.

[7]She Hsiao-Ching. DSLM instructional approach to conceptual change involving thermal expansion[J]. Research in Science and Technological Education，2003，21（1）.

[8]黃莉郁.探討多重表征之呈現(xiàn)方式對高中學生熱膨脹概念改變的認知歷程與腦波變化的影響[D].新竹：交通大學，2009.

[9]孫紅娜.基于雙重情境學習模式的概念轉(zhuǎn)變教學研究——以高一“氧化還原反應為例”[D].濟南：山東師范大學，2013.

[10]董秋月.雙重情境學習模式下科學推理對高中生概念轉(zhuǎn)變與推理能力的影響——以“染色體和遺傳”為例[D].杭州：杭州師范大學，2016.

注：本文系西南大學教師教育學院2020年度院級科研培育基金項目（JSJY2020011）、重慶市科協(xié)項目“重慶市農(nóng)村小學科學教師科學素質(zhì)狀況調(diào)查研究”的階段研究成果。

（責編 白聰敏）