概念图技术在中学生化学相异构想转变中的应用研究

陈浩 严文法 靳泽艺

摘要：根据建构主义的指导思想，学生在学习科学概念之前头脑中存在着大量的相异构想。概念图作为表征学生认知结构和促进学生有意义学习的工具，它可以被用来诊断、转变学生的相异构想。探讨了概念图作为教学策略、学习策略在学生“电解质”概念相异构想转变中的应用，并利用概念图技术对应用效果进行了评价，得出了以下结论：概念图是促进学生有意义学习和概念转变的有效工具;概念图有助于学生形成良好的认知结构。

关键词：概念图;相异构想;概念转变;电解质

文章编号：1008-0546（2019）10-0015-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.004

一、问题提出

概念图（concept map）由美国康奈尔大学的诺瓦克（Novak）在上世纪70年代末提出，能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的图解，是用来组织与表征知识的工具。概念图是概念的网状结构，网状结构是由节点（点/最高点）和连结节点的线段（弧形，折线）组成。节点代表概念而连线（关系标签）代表概念之间的关系。概念（concepts）、命题（proposition）、交叉连线（cross-links）和层级结构（hierarchicalframeworks）是概念图的四个图表特征。

1.概念图是实现教、学、评一体化的有效策略

在教育领域，一些最常用的认知过程模型建议应该把知识从长时记忆中组织化以便于理解。根据这些模型理论，知识就是通过发展丰富的、准确的、相关的以及可理解的、组织化的知识结构来获得的，换言之，概念的理解既要理解概念本身的意义更要理解概念之间的关系。作为一种教学策略，概念图可以用在教学设计优化，新授课、复习课教学等方面。作为一种学习策略，概念图可以促进学科知识的整合，便于学生自主、合作、探究学习，从而有利于学生将相异构想转变为科学概念等。作为一种评价工具，概念图可以被用于评价学生概念学习的效果。

2.概念图是诊断化学相异构想的有效工具

建构主义认为，学习是学习者根据已有的知识经验主动建构新知识的过程。由于受语言、教学、日常生活经验等的影响，学习者在学习科学概念（scientific conceptions）之前，头脑中存在着许多相异构想（ahernative framework），有些相异构想与科学概念是完全相悖的，有些虽然不是错误的，但是却与科学概念不完全一致。作为组织与表征知识的工具，概念图中呈现的命题及其层级关系可以反映学生对相关概念及其关系理解的正误，因此概念图可以被用作可视化的工具有效诊断学生的相异构想。我们在此前的研究中以概念图为工具诊断并发现了学生头脑中存在的“电解质”概念的相异构想，并发现学生头脑中内在的相异构想具有溢出性和负迁移性、结构性和关联性、存在的广泛性和普遍性等性质。

3.概念图能很好地促使学生的相异构想转变为科学概念

教学实践中的大量事实证明，学生头脑中的相异构想极大地阻碍了学生对科学概念的获取，因此概念教学的目的是促使学生的相异构想转变为科学概念，即促使学生实现概念转变。Posner提出了促使学生发生概念转变需要满足的四个条件：①学习者要对已有概念产生不满;②新概念必须是可理解性的，要求学习者需懂得新概念的真正含义，并要建立概念间的整体联系;③新概念必须是合理的，要求新概念要与已接受的其他概念保持相互一致，能够被重新整合接纳;④新概念必须是有效的，要求个体应看到新概念的价值，能通过迁移应用解决其它途径难以解决的问题，并且能帮助个体发现新的可能和方向，具有启发意义。概念图是由多个语义单元通过其内在关系和意义连接在一起组成，教师对标准概念图中概念关系的正确呈现能激发学生对已有概念的不满，有效激发学生的认知冲突;绘制概念图的过程也是建立概念间有意义联系的过程，因而有助于加深学生对新概念的理解;利用概念图教学能帮助学生找到新概念和已有概念间的一致性，有助于学生将新概念整合到已有概念体系;修改或完善概念图的过程中能激发学生的思考，有助于促使学生迁移应用新概念解决新问题或发现新知识。基于概念图具有以上优势，概念图技术能很好地促使学生的相异构想转变为科学概念，而把概念图技术应用在诊断学生相异构想和促进学生概念转变上，能够达到有效弥合学科知识逻辑结构和学生构建的心理意義之间的差距的目的。

传统“电解质”相关概念的教学过分关注概念字面意思，忽视对概念内涵的理解及其与相关知识的逻辑关系，学生通过这种方式获得的概念往往是孤立的、零散的，很难再生长和发展，因而不能很好地帮助学生转变相异构想并形成良好的概念体系。已有研究中提出的化学概念转变策略主要有对比教学策略、激发认知冲突策略、微课策略等，这些策略固然可以加深学生对“电解质”概念的理解，但它们在促进学生相异构想转变为科学概念并帮助学生建立正确的认知结构方面存在缺陷。基于概念图可用于教、学、评为一体的概念转变教学模式中的讨论，本文将研究概念图作为教学策略、学习策略在学生相异构想转变中的应用过程，并利用概念图技术对实施效果进行评价。

二、研究设计与实施

1.研究设计

（1）方案

本研究采用“实验组一控制组后测设计”方案，选取化学基础基本相同的两个班，将其中的一个班确定为实验组，将另一个班确定为控制组。教师对控制组学生利用除概念图以外的其它策略教学，包括设置演示实验、概念讲授、课堂提问、举例、类比、设置习题进行课堂练习等策略，学生则主要以习题强化训练的方式甄别或应用概念;而教师对实验组学生除了应用上述策略教学外，还重点利用概念图进行教材处理及教学设计，并利用概念图策略进行概念教学，学生则利用概念图预习、练习、复习等。实验结束后，以概念图为工具，从两组学生的概念图得分、相异构想数量两个方面评价概念转变效果。

（2）抽样

选取甘肃省某中学高二年级的两个理科平行班作为研究对象，两个班均为60名学生且为同一化学教师任教，在实验前，用SPSS24.0对两个班最近一次化学成绩进行独立样本T检验，具体的检验结果见表1和表2。从两组成绩的样本均值来看，两组成绩基本无差异;方差齐性检验结果，F的统计量为1.496，其相伴概率为p=0.224>0.05。因此，可以认为两组成绩的方差是相等的;假设方差相等，t统计量的值为-1.224，自由度df=118，其相伴概率为p=0.223>0.05。因而我们应当接受Ho：u1=u2，即两个班的化学成绩无显著性差异，说明两个班的化學基础基本相同。

选取“电解质”作为研究的内容载体，对两个班采取不同的教学方法教学干预一个月后，再次利用概念图技术测评两个班各自的教学效果。在测评教学效果之前，为确保所有学生熟练掌握手工绘制概念图的技巧，任课教师前后三次培训了实验组和控制组全体学生绘制概念图的技能，且培训主题均与“电解质”无关。

3.数据统计方法

用Markham的概念图评分方案对每位学生的概念图评分，采用SPSSS24.0软件对实验组和控制组的两组数据进行配对样本t检验。

三、基于概念图的化学概念转变教学

1.概念图在概念教学中的应用

（1）教师利用概念图整合教材内容，优化教学设计

概念图是组织和表征知识的工具。教师通过绘制所教内容的概念图，使教材的组织与呈现更具条理性，有助于教师更加深入地理解所教内容，从而使教学目标更加明确，对教学重、难点的把握更加到位，有助于教师掌握学情并据此选择恰当的教学策略。作为可视化的工具，概念图可以清晰地反映教学设计中知识的组织方式，通过不断修改，不仅可以形成以本节课所学知识点为中心的知识网络结构图，而且通过纵向连接还可以可清晰地意识到本节内容的知识点与其它章节知识点之间的关系，从而形成教学的逻辑起点。

（2）教师利用概念图进行概念教学

按照内容特征，概念图可分为专题概念图、对比概念图、章节概念图三种类型，不同类型的概念图功能和使用方法都不一样。利用专题概念图可对某一专题概念进行归纳、总结，常被用于新授课讲解概念及其关系;利用对比概念图以图示的方法展现临近概念并通过对比揭示易混淆其内涵概念之间的差异;利用章节概念图对某一章节内容概括可以使之形成较为完整的知识体系。

①以概念图为“脚手架”促进概念意义的理解

在“电解质”概念教学过程中，教师适时要求学生完成概念图绘制任务有助于学生建立概念间有意义的联系。教师指导学生绘制概念图时，要求学生提炼出关键概念并将所有概念按照层级关系排序，在确定了纵横向关联之后，用连接词标明两者之间的关系;在学生绘制完成概念图后，教师利用专题概念图逐步呈现不同层次的概念及其关系，并对前期研究中利用概念图技术诊断得到的“电解质”相异构想进行重点讲解，学生在比较分析的基础上形成认知冲突，反思个人所绘制概念图中错误的连接或不足之处，教师指导学生修正错误的连线或标签，补充缺少的概念或实例，鼓励学生尽可能多地建立分支或横向连接，以加深学生对“电解质”概念内涵及外延的理解，具体的教学过程见表3。

②学生使用填充型概念图练习，进一步修正知识结构

填充型概念图任务一般要求绘制者选择关键词或连接词填充到既定的概念图框架中，如果给定框架正确可使绘制者错误的知识结构得以修正，利用具有对比功能的填充型概念图，目的是使学生形成对临近概念的正确辨识以消除相异构想的关联性，从而建立正确的认知结构。

例1：选择关键词完成概念图，可选择的关键词有：电解质，强电解质，弱电解质，离子化合物，共价化合物，易溶物，难溶物，导电，离子所带电荷及其浓度。其中涉及到例子的填空可自由发挥（见图1）。

例2：选择关键词完成概念图，可选择的关键词有：电解质，非电解质，电离，导电。其中涉及到的例子可自由发挥（见图2）。

③绘制标准概念图，促进知识的巩固和迁移应用

在教学和练习后，师生共同绘制班级概念图使概念进一步得以整合或综合应用，在修改班级概念图的过程中，教师通过提问或举例或辅以练习题等形式有意促进概念的迁移应用，最终形成结构正确、概念丰富的标准概念图（见图3），教师要求学生将所绘制的标准概念图保存下来用于以后对该领域相关知识的复习。

2.概念图在概念学习中的应用

（1）绘制个人概念图，诊断相异构想

学生个人绘制的概念图很容易暴露相异构想，通过对相关概念意义的再次理解和审视，能够促使学生自觉意识到理解误区，进而引导学生主动思考。如果养成利用概念图总结知识的习惯，学生的自主学习能力将会有所提高。

（2）绘制小组概念图，解构相异构想

通过绘制小组概念图，学生不断将自己的认识与组内其它同学的认识进行对照，能引发学生理解概念时的认知冲突，学生将在个人认知、冲突、再认知、再冲突的过程中不断修正和丰富自己的知识结构，而且还利于加强学生之间的对话与合作，有助于引起学生的学习方式由单独学习变为合作学习，形成长期合作学习的氛围和习惯，为创建和谐的生生关系创造条件。

（3）绘制章节概念图，形成良好的概念体系

在复习概念时，要求学生绘制一章内容的概念图，能加强对概念内涵的理解及其与相关知识的逻辑关系的认识，不仅能帮助学生快速检索到学习目标、重点、难点等，而且还能促使学生对旧知识加以梳理和回顾，避免无关信息的干扰，从而提高复习效率。

四、利用概念图后测学生“电解质”概念转变的研究结果

1.控制组、实验组学生概念图平均得分对比

Novak最初是把概念图作为一种评价工具提出的，他在提出概念图的同时就提出了基于概念图的构成要素与层级结构的评分方案，其它评分方案多数是对Novak评分方案的某种改变。本研究采用了Markham的概念图评价方案，Markham从概念图的节点数目、连接质量、分支、层级、交叉连接、实例六个方面记分，并将具体的评分标准确定如下：每个有效的概念得1分，只有与主题相关的概念才是有效的;每个正确的命题得2分，若概念之间没有标签，概念和连接词割裂或不正确，概念之间的关系没有充分的解释都属于不清楚的命题或没有完成的命题，不清楚或没有完成的命题不得分;分支得分按照分支的数量和精确度计分（每个分支记1分，每个成功的分支记3分）;每个有效的等级水平记5分;每个既有效又重要的交叉连接记10分，有效但没有体现系列相关概念或者命题之间综合联系的横向连接记2分;每个正确的实例记1分。

用SPSS24.0对控制组和实验组学生概念图得分做了配对样本t检验，具体的检验结果见表4和表5。从样本的均值和标准差数据来看，两个样本的方差差异和均值差异都较大，这说明在采用基于概念图的概念转变教学之后，学生与学生之间概念图得分的差异程度变大;相比较于控制组，实验组学生概念图平均分提高显著。配对变量差值的t检验的结果是：我们应当拒绝接受Ho：u1=u2，说明基于概念图的概念转变教学之后学生的概念图得分发生了显著性的变化。

2.控制组、实验组学生相异构想数量比较

对控制组、实验组学生概念图中的相异构想统计的结果是：实验组学生拥有的相异构想总数量为5个，少于控制组的19个;控制组相异构想中的15个在实验组中没有出现，有4个相异构想在两组中均出现，但是其中3个相异构想实验组的频数减少;只有1个相异构想在控制组没有出现而在实验组出现。在实验组研究对象的60个人中有37人的相异构想完全得以消除;其中4人的相异构想没有被消除，前、后测时频数均为1，且为同一相异构想;只有2人在后测时出现了新的相异构想，前测时相异构想频数为O，后测为1;另外还有17人在前、后测中均没有被诊断出相异构想，这有两种可能：一是部分學优生较好地掌握了“电解质”概念没有出现相异构想，二是有部分学生绘制的概念图过于简单，没有达到暴露相异构想的目的。增加的相异构想均为前测中没有出现而只在后测中新出现的相异构想，这可能是学生再次绘制概念图的过程中被诱发的。

五、讨论

1.概念图是促进学生有意义学习和概念转变的有效工具

在利用概念图技术经过一段时间的教学干预后，实验组学生相异构想得以彻底消除或数量明显减少，这说明概念图技术作为教学策略或学习策略能有效促使学生的相异构想转变为科学概念;而且实验组学生概念图得分明显高于控制组学生，一方面是因为其概念图中有效连接比控制组学生多，另外一方面是因为其概念图中的层级结构或交叉连接更加丰富，这说明概念图能促使学生建立概念之间实质性的联系，即能促使学生进行意义学习。

2.概念图有助于学生形成良好的认知结构

在利用概念图对实验组学生教学干预后，通过比较学生绘制的概念图发现，虽然实验组个别学生仍散在地存在着少量的相异构想，但是在一定程度上实验组学生错误的认知结构得以修正。例如，后测发现控制组学生在常规教学后仍存在电解质类型与化学键、溶解性、导电性、电离、电离方程式等相异构想之间的关联性，而实验组学生已经能清晰辨别临近概念之间的关系并且能对其加以正确应用，这说明概念图技术也能有效丰富或修正学生的认知结构。