研究性学习的概念范例(3篇)
研究性学习的概念范文
关键词：核心概念；教学策略；核心素养
核心概念也可称作概念性知识、重要概念、关键概念。美国课程专家埃里克森认为，核心概念是指居于学科中心，具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值的关键性概念、原理或方法。这些核心概念源于学科中的各种概念、理论、原理和解释体系，为学科之间提供了联系。［1］关于核心概念的定义，不同学者有不同的看法。美国著名教育学家赫德认为，科学课程中的概念和原理都应该能够展现当代学科图景，是学科结构的主干部分，它们被称为核心概念。［1］核心概念的研究是国际上理科教育中的一个重要领域，我国的部分中学课程标准也提出要帮助学生深入理解学科的核心概念。2012年，教育部颁布《义务教育生物学课程标准（2011年版）》（以下简称《标准（2011年版）》），此次修订最大的变化是：在原有内容标准的十个一级主题下，共列举了相应的50项重要概念。《普通高中生物课程标准（实验）》则明确提出核心概念。核心概念教学研究正处在一个探索阶段，不少教师对概念与核心概念的理解比较模糊片面，仅仅将核心概念简单地等同于名词术语或者定义，过于关注零散的信息，没有注重概念之间的联系与情境的运用，将概念以孤立名词解释的方式让学生记忆。目前核心概念教学策略的选择上有时偏于传统，单纯地“讲概念”，一味地“讲定义”，而忽略核心概念的形成过程，以及学生概念获得的思维过程，所以学生只是单纯地背概念，很难迁移应用。通过对初中生物学50项重要概念进行充分的专业研讨和课例研究，我们主张将核心概念教学与最优策略进行适切性对应，选择思路主要从以学生为本理念到自主学习实施，从设计教到设计学，依据学情、核心概念、课程资源、教师优势的不同选择最优教学策略。以下是普适性较强的七个中学生物学核心概念教学策略。
一、建构模型
建构模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂的事物或过程的手段。建构模型作为一种认识手段和思维方式，是科学研究常用的重要方法，也是学生获得科学知识的一种能力。通过模型，有利于抓住事实的最主要的特征和功能，以简化的形式再现原型的各种复杂结构和功能，帮助人们认识生命世界中的本质，以便预测和指导实践。生物学研究中通常建构的模型包括物理模型、数学模型和概念模型等。对模型的灵活运用，可以有效地帮助学生理解科学概念。《标准（2011年版）》第七主题中的核心概念是：“DNA是主要的遗传物质，基因是包含遗传信息的DN段，它们位于细胞的染色体上。”［2］对此核心概念教学，学生制作DNA模型最切合。由于DNA的结构是微观而且立体的，学生先自己动手制作模型，再配合多媒体动画，就容易建构关于遗传物质的核心概念。教师可以为学生提供简便易行的材料进行模型制作，用矿泉水瓶盖代表脱氧核糖，用同一种颜色的截断电线代表磷酸根，把瓶盖和电线间隔地连接起来代表DNA单链，用四种颜色的截断电线代表四种碱基，通过不同颜色电线连接代表碱基配对，把两个DNA单链通过碱基对构成平面双链，最后扭动双链变成双螺旋DNA模型。值得注意的是，物理模型在学习关于细胞、人体器官的结构和功能等概念时，也发挥着同样的作用。
二、绘制概念图
概念图是围绕特定的主题创建的知识结构图，是一种关于概念知识、思维过程或思维结果、系统结构、计划流程等的图形化表征方式，能有效呈现思考过程及知识的关联。绘制概念图是引导学生进行科学概念意义建构的有效教学策略。概念图有利于学生对整个单元、整个生物教材中的知识进行加工、理解和储存，全面系统地掌握和记忆知识要点。概念图更侧重研究概念与概念之间的区别与联系，因此，在概念较多且相互之间有密切联系又极易混淆的知识内容的学习上，绘制概念图是一种很好的教学策略。概念图还有利于学生形成完整、系统、清晰和科学的知识体系，促进学生感知、记忆、想象和思维等心理因素的发展。学生通过绘制概念图，可以培养对概念的分析、比较、理解能力，从而加强对概念的内涵和外延的剖析。《标准（2011年版）》十个主题中的核心概念教学，都可以采取绘制概念图的教学策略，但对于初中生身心发展水平来说很有难度，需要循序渐进地实施。
三、比较研究
比较研究是指通过观察、分析，找出研究对象的相同点和不同点，是认识事物的一种基本方法。在中学生物学核心概念教学中，可以通过对两个或多个相似、相关概念的比较，让学生找出它们在某一方面的异同，理解它们之间的内在联系。此策略在生物概念教学中已得到广泛应用。通过类比、列表等方式，可以在动、植物细胞的结构，动、植物体的结构层次，光合作用与呼吸作用，血管类型，血液成分，动物的类群，动物的行为，细菌、真菌与病毒，免疫，等等诸多重要概念的教学中就概念的内涵和外延展开分析、学习，帮助学生以系统的思维快捷、清晰地建构概念。如，光合作用和呼吸作用，可列表对比如下：
四、运用科学史
生物科学史是人类探索生命奥秘的整个科学研究过程，体现了科学家严谨的逻辑思维和系统的知识结构，蕴含着丰富的科学研究方法。因此，在生物教学中，如果能够适时地运用科学史进行相关核心概念的教学，使学生在学习概念的同时渗透生物科学素养，就可以培养学生思维的创造性和严谨性。例如，学习“细菌”时，为了帮助学生提高科学探究的理解和认识，体验科学过程与科学方法，可以利用法国科学家巴斯德研究肉汤变质问题的典型案例。这是巴斯德的经典实验之一。教师向学生介绍巴斯德在微生物学上的重要贡献，以及巴斯德发现细菌等微生物存在的实验过程及推理，使学生如身临其境，体验科学探究的发展和形成过程，从而有效理解“微生物通常包括病毒、细菌、真菌等类群”这一核心概念。
五、体验探究过程
“科学探究”是初中生物核心概念的重要组成部分。生物学课程中的“科学探究”，是为学生积极主动地获取生物科学知识、领悟科学研究方法而进行的各种活动，教师应积极提供机会让学生亲自尝试和体验科学探究的过程。“体验”指通过实践来认识周围的事物，学生不仅要用脑思考，还要用眼睛观看，用耳朵聆听，用嘴巴诉说，用手操作，即用自己的身体去亲自经历，用自己的心灵去亲自感悟，达到认知过程和情感体验过程的有机结合，形成一定的科学探究能力和科学态度与价值观，培养创新精神。例如，在“生物的遗传变异和环境因素的共同作用，导致了生物的进化”这一核心概念教学中，为了让学生体会动物保护色的形成，可以用彩色的吹塑纸作为背景，模拟动物生存的环境，用彩色的小纸片代表动物不同体色的变异类型，用小纸片作为“猎物”，学生则作为“捕食者”。学生经过多次“捕猎”后发现，与背景色颜色相近的小纸片（“幸存者”）最多，通过游戏体验到保护色的形成是自然选择的结果。
六、实施真实学习
真实学习是通过展开真实世界的问题与任务让学生进行学习。实施真实学习需要教师作为引导者和促进者支持学生的真实实践，让学生在尝试解决真实世界问题，完成真实任务的过程中习得知识和概念。在讲授生物学核心概念时，教师要和客观实际结合起来，使学生在理论和实践的结合中理解和掌握概念，同时引导他们运用掌握的概念解决各种实际问题。实施真实学习，在新的情景中运用概念，是生物学核心概念教学的最佳策略。比如：讲到“微生物通常包括病毒、细菌、真菌等类群”这一核心概念，可以让学生结合禽流感、艾滋病、手足口病、非典等传染病，了解病毒的危害和防治知识；讲到“滥用抗生素”的后果的时候，可以联系“超级细菌”案例，让学生自己谈谈产生“超级细菌”的原因；学生通过识别和描述校园或公园中多种动物栖息地和丰富度，用自己收集的数据研究生物的多样性概念。总之，生物学的知识与我们的生活密不可分，学生在日常生活中就可以学习和了解到许多有关生物方面的知识。
七、优化教学媒体
多媒体辅助教学，是将计算机作为教学媒体，为学生提供一个良好的学习环境，使学生通过人机交互的方式进行学习的一种新型教学形式。计算机和多媒体的画面更加形象、具体，能更好地满足学生的心理需求。不仅如此，它还可以营造出色彩缤纷、图文并茂的教学情景，化抽象为形象，化静为动，化微观为宏观，使学生积极参与情感体验，运用多种感官主动参与学习的认知活动，从而激发求知欲望，有利于建构核心概念。目前中学生物教学媒体的选择和应用存在着一些误区和错误的观念，很多教师在应用教学媒体时，缺乏以学生为本的观念，盲目崇拜现代教学媒体，代替传统教学媒体的使用，用计算机大屏幕完全取代传统的黑板。对于生物学这门学科，让学生动手做实验的机会比较多，而有的教师则用计算机模拟完全取代生物学现象的实际观察，或是通生成过程中的人，它是人文主义价值观在教学评价体制中的具体实施。从小班的贴纸奖励到一年级的集章奖励再到高年级的集分奖励，从传统的人后赞誉到人前当面表扬，再到线上的微信点“赞”，发展性评价拥有不同的表象，也引发了积极的影响。这是一种与以往用于鉴别与遴选不同的评价，它提倡重视学生个性与优势的发展，重视人文性，重视学生终身的可持续发展，能激发学生积极主动的学习激情。发展性评价要更好地实现学生整体的终身发展，必须整合三个维度：信度、效度、时度。信度是评价的能量维度，是评价可信程度的体现，是课堂评价的内质，并最终影响评价的绩能。它要求教师要根据学生在探究活动中的发展，捕获课堂教学中的生成，挖掘合作历程中的星光，适时适度地进行点评。教师在评价过程中，要尽量少用大而空的赞扬，更不能进行反黑为白的夸赞。效度是评价的空间维度，是评价有效程度的体现。过大的评价点和面会使课堂容量过饱和，过小的评价点和面则会使过多的知识点被遗忘。时度是评价的时间维度，是评价时代程度的体现，也体现出不同时代学生的特征。这要求教师要与时俱进，不但要将有时代特点的评价语言带入课堂，还要勇于将线上网络评价领入课堂，让课堂教学在时代脉搏的律动中引领学生的终身可持续发展。当然，“四论”课堂教学法仍需要不断实践与提升，如果我们可以将“四论”课堂教学法在不断螺旋上升的进程中进行到底，那么“以学论教”的新课程改革理念的实现将为期不远。
参考文献：
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研究性学习的概念范文篇2
关键词化学概念概念学习个案研究概念图概念建构原子结构
概念是事物本质特征的反映,是任何一个学科知识体系最基本的构成元素。化学概念是从大量化学事实及逻辑思维结果中概括出来的,深刻地反映了化学过程的本质特征[1]。在学习者的认知结构中,概念充当知识网络中的“节点”,只有掌握化学概念才能帮助学习者建构起清晰的学科知识体系。
所谓概念学习(又称概念形成)是指个人在学习环境中掌握同类事物共同的关键特征的过程。面对概念学习的复杂性,研究者们的视角也从对概念学习的一般特征的宏观了解转向对个体的、详细的概念学习过程的审视;同时,学习者在概念学习过程中认知变化的特殊性使得对个体概念学习的研究成为对群体研究的一项必要补充[2]。本研究追踪记录并分析了被试TY对21个原子结构相关化学概念的建构、重构过程。
1被试
通过访谈被试就读学校的教师、家长以及与被试的交往,获取关于被试的基本信息。
被试TY,16岁,女,南京某重点中学应届初中毕业。她自信、活泼,兴趣广泛,和同学关系亲密;她平时善于提问、学习较为主动并有自己的学习方式,成绩优秀。总体而言,TY拥有浓厚的学习兴致、敏捷的思维、良好的学习习惯以及对自己较为准确的判断。初中阶段的化学学习中,TY学习的教材是人民教育出版社出版的义务教育课程标准实验教科书《化学》九年级(上下2册)。
2前测
从形式思维水平、元认知水平、相关化学知识与科学本质观4个纬度来考察TY。前测所基于的假设如下:首先,由于中学化学中的原子结构相关概念对个体的思维发展水平提出了一定的要求,所以设计了以美国坦普尔大学教育学院教育心理系编制的“形式思维评价量表”的自然科学部分为平台的前测。其次,元认知在个体的概念学习中发挥评价、协调、监控等作用,所以考察TY的元认知水平。第三,科学本质观在一定程度上影响学生对抽象概念的学习,测查TY对自然科学所持有的态度,为概念学习提供参考。最后,以自编习题考查了TY的相关前化学知识。
为了全面、详尽地收集有效资料信息,前测的实施以纸笔测验为主,结合使用半自由式访谈、深度访谈、观察、实物演示等方法。
在形式思维水平测试中,TY得25分,处于形式运算阶段(23分及以上)。访谈进一步体现出被试思维的批判性、深刻性、周密性。元认知水平测试表明TY对自我的认识清晰、肯定;对实践任务能够做到有意识归类、分析并寻找恰当方法;在具体的认知活动中TY的计划性较强。被试的科学本质观介于知识本质观与现代的科学本质观之间,并且比较接近后者;TY对自然科学知识持有开放、灵活的观点。前化学知识测试表明TY已初步具备相关化学知识。
基于前测,参考人民教育出版社出版的普通高中课程标准实验教科书《化学》(必修1、必修2)以及《物质结构与性质》,设计了概念学习方案;鉴于TY在思维发展水平与元认知测试中的良好表现,将学习的难度稍作提高,以便最大限度地考察其概念学习过程。
3研究程序
特意将研究安排在暑假。其时,TY刚参加完当年南京市中考并自信满怀地等待某示范高中的录取通知。整个研究期间TY的学业负担小、学习热情高;此外,主试随时关注被试情感变化并适时引导,确保整个研究在TY较为平缓、良好的情感背景下进行。研究时段的安排也充分保证所关注的是TY有意义学习过程中的积极的思维变化,而非消极的应付式的机械学习。具体研究安排参见表1。
表1被试基本学习情况一览(a)
日期(7月)1日2日4日5日
学习时间/min50403030
主要学习内容能层及其表示符号、能级及其表示符号电子云、电子云轮廓图、磁量子数原子轨道、能量最低原理、自旋量子数、电子排布式、轨道表示式、Pauling不相容原理、Hund规则构造原理,主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数(以第
一、
二、三周期元素为例)
学习结果呈现CM1CM2CM3CM4
学习性质新概念学习
表1被试基本学习情况一览(b)
日期(7月)6日10日11日12日17日
学习时间/min5560503530
再学习内容(被试本次学习中重点加工的内容)构造原理、全满半满规则(以第四周期元素为例)磁量子数、自旋量子数、原子轨道之间的关系电子云轮廓图与原子轨道之间的关系原子轨道与4个量子数之间的关系,4个量子数与电子排布式、轨道表示式、电子排布规则之间的关系精确节点间的连接词
学习结果呈现SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
学习性质被试尝试改变硬币的位置、重新认识概念之间关系,修正、完善概念图
概念学习共进行了9次,前4次为基于方案的新概念学习,后5次通过自由学习逐步完成对难点概念的重构。每次学习后,主试要求TY基于她所理解的概念绘制(或制作)概念图,并针对某些细节对TY进行深度访谈。
前3次为被试学习后自由绘图;第4次主试参与被试作图过程,引导TY思考每一步概念图的绘制;在第5至8次学习中,研究者采用借助于硬币等实物搭建概念图的形式帮助TY实现对部分概念的理解转变。以上共涉及21个概念。
4概念学习分析
追踪研究中,收集到TY建构的9个概念图:CM1、CM2、CM3、CM4为TY绘制的概念图,SCM1、SCM2、SCM3、SCM4为TY借助实物搭建的概念图,CM5为TY最后一次绘制的终结版美工概念图。结合概念图的特征,从节点、命题、层级3个维度分析其变化趋势;在考察被试的概念图建构行为的基础上,揭示TY头脑中组块的成长轨迹。
4.1节点分析
节点是针对概念图图表结构而言的。考虑到TY所做概念图的特征,本研究中节点是指被试概念图中箭头(牙签)所指向的或从箭头(牙签)出发的原子结构相关概念的重要术语名词。笔者又将节点细化为以下小类别:
“已学概念数”指的是截止到此次学习为止TY所接触到的原子结构相关概念的数目。在其概念图中节点位置处正确呈现出来的概念称为“有效节点”,其数目即为“有效节点数”。将TY每次概念图中的有效节点与已学习概念相比较,将遗漏部分称为“遗漏节点”。本研究中“联想属性”本质是关于某一概念TY所能想到的相关属性,不同概念图中同一概念的联想属性不完全相同。联想属性依附于节点而存在,将其作为对节点研究的辅助考察。概念图节点特征情况详见表2。表2概念图节点特征情况(a)
概念图CM1CM2CM3CM4
已学概念数7101720
有效节点数55511
遗漏节点名称能层、能级能层、能级、电子云、电子云轮廓图、磁量子数能层、能级、电子云、电子云轮廓图、磁量子数、原子轨道示意图、能量最低原理、自旋量子数、电子排布式、轨道表示式、泡利不相容原理、洪特规则轨道表示式、电子排布式、电子云、电子云轮廓图、构造原理、主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数中国编辑。
数量25129
联想属性
数量11141812
不当表述能级电子云图不同能量级的电子云图
备注TY将新学概念视为已知概念的联想属性
表2概念图节点特征情况(b)
概念图SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
已学概念数2121212121
有效节点数1919202220
遗漏节点
名称电子云、
电子云轮廓图
电子云、
电子云轮廓图电子云电子云电子云
数量22111
联想属性数7771010
备注TY解释:将“电子云”视为绘制“电子云轮廓图”和“原子轨道”的工具,所以不在概念图中呈现。
图1表明,从CM1到CM4有效节点数、遗漏节点数、联想属性这3个变量都呈现出较大的变幅,在SCM1之后的概念图中它们的变化都较为平缓。为何出现前后截然不同的节点变化趋势?这里又映射出TY怎样的认知变化细节?
图1概念图节点特征变化
为此,查看了CM1、CM2、CM3,发现在这些概念图中新概念并没有全部体现在节点中,有的被遗漏,有的则以联想属性的形式出现——在CM1中,TY将“能层”、“能级”作为“核外电子”的联想属性,在CM2中将“电子云示意图”作为“能级”的联想属性,在CM3中将“电子排布式”、“轨道表示式”作为“能级”的联想属性。将新概念视作为已知概念的联想属性是TY采取的概念学习方式之一。新的命题的意义的出现,最典型的反映是新旧知识之间构成一种类属关系[3]。TY采取的这种学习方式在奥苏贝尔的意义学习理论中被称为类属学习或下位学习。这是一种较为省力的学习,在这种学习中TY只需将“能层”、“能级”作为“核外电子”运动的深化认识(相关类属),将“电子云示意图”作为“能级”特例(派生类属)来记忆。用已有概念包容新概念的过程是TY对新概念的初步加工。
在CM4的绘制中,主试参与TY作图过程,引导她将新概念从联想属性中解放出来,作为独立的概念呈现;在之后的概念图中,TY借助于硬币等实物搭建概念图,做图方式的转变进一步引导她完成对各概念独立性的认识。所以在CM4、SCM1中,有效节点数明显增加,联想属性相应降低。学习策略的转变(主试引导做图、实物搭建概念图)对概念学习具有促进作用。SCM1之后,TY的概念图中节点变化大大减少,此阶段TY学习的重心已经转移到对概念内涵、外延的精加工上。
4.2命题分析
从某种意义上说,概念图是以命题的形式表征概念间有意义关系的网络结构图[4]。对命题的剖析使得我们对概念图的分析更接近其本质。本研究中,对“命题”的界定遵循这样一个原则:在2个节点之间出现的(由箭头或牙签构成)的意义关系属于命题,不同位置联想属性之间的意义关系属于命题;节点与联想属性之间的意义关系不属于命题,相同位置的不同联想属性之间的关系不属于命题。
笔者对命题的分析首先是查找出某概念图中所有的命题并记录为“命题总数”;再找出其中的不当命题的数量并记录为“错误命题数”;将某一概念图与之前一次的概念图相比较,在相同节点之间所出现的新意义(新命题)记录为“创新命题”;将CM5终结版美工概念图作为标准概念图,结合每次学习内容在其中找出该次学习所对应的命题数称为该次学习所应达到的“标准命题数”。详见表3。
表3表明,在CM1至CM3中有效命题数增加较为缓慢,同时此期间错误命题数一路攀升,创新命题数鲜有变化。有效命题数第一次上升出现在CM4中,随后在SCM1中持续上升。学习方式的灵活多变是这2次学习的重要特征——在CM4中主试参与被试做图,引导TY尝试着将新概念作为独立成分容纳到其概念图中;SCM1中TY第一次尝试着用实物(大小不等的硬币和牙签)搭建概念图,这一充满趣味性的学习策略带来概念图中创新命题数第一次达到最高点。同时在这2次学习中被试概念图中的错误命题数都维持在零。
表3概念图命题特征情况
概念图CM1CM2CM3CM4SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
标准命题数7918212222222222
命题数469101617182222
有效命题数456101616182222
错误命题数013001000
创新命题数002030230
有效命题数的第二次攀升出现在SCM3和SCM4中。这一阶段TY学习的重心是修正、深化对概念的认识。尽管这一阶段概念图中节点数变化不大,但对概念内涵、外延的思考带来TY对概念之间关系的再认识,进而带来这一阶段创新命题数一路升至第二个最高点。在SCM2中被试出现一处错误命题,但随着被试认识的深化这一错误很快便得到纠正,并且之后的概念图中错误命题数一直保持在零。
4.3层级分析
对概念图中层级的划分依据以下标准:从同一节点出发的不同箭头(或牙签)指向相同的下一层级;从同一层级出发的不同箭头(或牙签)指向相同的下一层级;相同位置联想属性归属于它们的附属节点所在的层级;相邻的不同位置联想属性之间构成一个层级差。概念图中的最大层级数为该概念图的层级数。统计情况见图2。图2概念图层级数变化
层级结构作为概念的展现方式,较大程度受制于使用者对概念图的呈现方式。在SCM3中便由于被试概念图呈现方式的变化引起层级数的略下降。排除这一主观因素,宏观来看,在TY的整个概念学习中,前期层级数增加显著,这部分由于随着学习的进行被试接触到的概念显著增多,部分源于被试对概念之间关系的逐渐领悟;后期层级数并没有停止变化而是缓慢增加,这表明对概念内涵、外延的思考有助于被试进一步理清概念之间的层级关系;反之,对概念层级关系的明晰也有助于被试从本质上认识各概念本身。
4.4组块分析
本研究中,组块分析是对被试做图过程中相关行为的分析。通过分析这些行为能推测被试概念学习(特别是概念表征)的一些情况。人们认为,在被试的认知结构中相关的概念被编码到一起,形成一个组块。本研究中,判断组块的具体标准为:TY做概念图的过程中,一口气书写出来的概念名词被认为归属于相同的组块;在书写过程中发生思考、停顿等间歇性(间隔时间参考2秒标准)行为时,就认为新组块出现。(在棋手组块的相关研究中,simon等人就指定2秒钟的时间间隔为不同组块出现的标准,后经实验证明这一标准是有心理现实的。)
在分辨出所有的组块之后,将TY终结版美工概念图中的组块作为标准组块并记为A、B、C、D。依据标准组块中所涉及到的概念,从之前的概念图中寻找出它们成长的轨迹,并分别记为a1、a2、……b1、b2、……c1、c2、……详见表4。TY概念图中具体组块的组成参见表5。表4组块变化情况
概念图前测CM1CM2CM3CM4SCM1SCM2SCM3SCM4CM5
组块分
布情况
a1,a2AAAAAAAAA
b1b1b1b1b2,b3b3,b4b2,b5BB
c1c2c1,c3CCCC
d1d2d3DD
表5具体组块组成
暂时采用组块及各组块内容标准组块及所含概念数中国编辑。
a1原子、原子核、核外电子A5
a2原子核、质子、中子
b1能层及其表示符号、能级及其表示符号
b2能层及其表示符号、主量子数,能级及其表示符号、角量子数
b34个量子数B7
b4能层、能级、原子轨道
b5磁量子数、原子轨道,自旋量子数
c1电子排布式、轨道表示式
c2Pauling不相容原理、Hund规则、能量最低原理C7
c3Pauling不相容原理、Hund规则、构造原理、全满半满、能量最低
d1能级、能级电子云图
d2电子排布式、轨道表示式、能量级电子云图D2(原子轨道、电子云轮廓图)
d3电子云轮廓图
表4表明,组块A的成长非常迅速。在前测中TY还不能流畅地再现这5个概念;但由于它们之间的关系简单,并且在TY的长时记忆中又多少储存有对它们的相关表征;所以TY在第一次学习后便将这5个概念重组成一个组块。借助于长时记忆进行的信息再编码不但可以实现组块扩容,而且降低了被试的认知负荷,有助于被试将注意力集中在新概念的学习上。
组块B的成长非常缓慢。经历了前后7次学习才形成的组块B共包括7个概念,并且它们之间关系错综复杂。在第一次学习中受学习内容限制,被试首次形成了组块b1,这一组块一直保持到SCM1的实物搭建概念图中才首次扩容形成组块b2;随后被试在概念构图过程中表现出多个b组块并存现象,直至SCM4中才再次将多个b组块整合而成标准组块B。从组块b1到b2到b3,我们不仅看到了组块的扩容而且看到其动态变化。从组块b4、b5我们发现,TY尝试着将“原子轨道”融入之前的组块中,但由于概念间关系交错复杂,直至SCM4中才为“原子轨道”找到了合适的位置,真正形成一个整体性、有意义的组块。
组块C是被试在学习中形成较快的一个组块,这与组块内部关系的层级分明有着重要关系。可见,概念数量不是影响组块化进程的唯一因素,组块内部关系的复杂程度同样重要,特别是在前者相同的情况下,后者的影响便成为组块化进程的决定性因素。
组块D是较为特殊的一个组块,其中只包含2个概念。节点分析表明“电子云轮廓图”一直以来都是TY概念图中的遗漏节点,直至SCM3中TY才尝试着将其摆放在“原子轨道”概念的旁边,但这一行为前后的时间间隔超过了2秒(5秒左右),所以我们没有将其视为一个组块。在最后的2次概念构图行为中,被试不但较为顺利地将这2个概念摆放在一起,而且给出了自己的解释,认为他们之间存在“含90%电子出现概率的电子云轮廓图称为原子轨道”,据此我们认为组块D形成。可见,随着TY对各概念内涵外延的熟悉、对概念图层级结构的明朗化,TY可以很快确定组块。
5研究结论
基于研究与分析,得到以下结论:
(1)概念学习初期,TY采用下位学习对新概念进行初步加工。将新概念视为已知概念的联想属性形成对它们的初步认识,学习初期TY采用的这一学习策略有效降低其认知负荷,但也使得TY对新概念的理解较为局限、较多地依附于长时记忆。
(2)非传统的学习策略能有效地促进概念转变。主试引导做图和实物搭建概念图,这些策略一方面提高TY的学习兴趣,一方面促使她抛弃之前绘制概念图时的定势、尝试着从概念本质上来制作概念图。
(3)组块研究告诉我们,影响组块化进程的首要因素是组块内诸概念之间的关系。随着概念转变的实现,TY对概念内涵、外延的思考不断深化,这些思考促进了她对概念之间关系的理解,进而实现组块化。
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研究性学习的概念范文
【关键词】概念学习；思维建模；建模学习；概念转变
【中图分类号】G420【文献标识码】A【论文编号】1009―8097（2011）05―0053―04
一研究背景
概念学习是小学科学教学的前提，其重要性不言而喻。科学概念的学习能够使学生更加深刻地认识事物和现象，促进科学知识的系统化和结构化，有助于发展学生的逻辑推理能力，实现提升学生科学素养的科学教育目标。
基于此，我们需要清楚的是需要教给小学生什么样的科学概念，张俊提到了两种观点，一种观点是，科学教育理应把“科学”的概念教给幼儿，否则科学教育还谈何“科学性”?但遗憾的是，很多科学概念幼儿并不能理解。由此产生了第二种观点，既然幼儿无法理解抽象的科学概念，那何不尊重幼儿的年龄特点，让他们在自己的水平上理解周围世界呢[1]?从这个角度讲，涉及到了科学概念层次的问题，虽然小学生已经开始有一定的推理能力，但由于其知识基础、认知能力和理解能力方面的不足，很多时候，他们无法理解科学概念中的原理。那小学生应该在什么层次学习科学概念？我们不应该要求他们去掌握其中复杂的数量关系、工作原理，只要求他们掌握其中的自变量与因变量间的变换关系就足够了。小学生学习的科学概念应该是一种简化的科学概念，是定性非定量的或者半定性半定量的。显然这种自变量与因变量间的变换关系也是科学概念，正如“地球是围绕太阳转的”，他们知道这个关系就可以了，不需要他们去了解导致地球围绕太阳转的万有引力，以及万有引力的公式等原理性知识。
从当前的情况来看，促进科学概念教学的实践效果并不理想，即使是在科学教育发展较早的美国，大量的研究结果表明学生对科学概念的掌握并不理想[2]。在我国，由于教学中往往强调对科学概念的机械记忆，学生对科学概念不能真正认识和理解，因此，“科学概念教学不能让学生实现科学概念的建构”且“科学概念教学的效果并不理想”[3]。
乔纳森在《技术支持的思维建模》一书中提出思维建模的观点。思维建模（Modeling）是指借助于思维建模工具将学习者内在的思维过程建立模型，进行可视化表征的一种方法。乔纳森认为“学习者是从思考中学习，而不是从技术中学习”，因此技术应作为一种能够帮助学习者阐释和重组个人知识的思维工具，利用技术帮助学习者进行更为有效的思考。乔纳森提出以建模的形式来使用思维工具，它要求学习者利用思维工具，将对主题要素及其关系的认知过程以模型的形式呈现出来[4]。
随着信息技术的迅猛发展以及信息技术与课程整合问题的凸显，如何借助建模工具，促进学习者概念转变，便成为教育技术学中一个重要的研究领域。为了改善科学概念教学的效果，本研究在已有研究成果的基础上，从思维建模的角度出发，进行实证研究，旨在形成一种能够有效促进学生概念转变的教学方式。
二建模学习
思维建模从操作层面上来讲是建模学习，为了将思维建模的理念应用于教学研究，就需要根据学生对象的特征选择合适的建模学习方式。建模学习分为探究性建模与表达性建模两种[5]。在探究性学习活动中，学习者探究他人（教师或专家）有关某一主题的想法，这些想法往往与学习者的想法有很大的差异，是以模型表示出来的。在这样的活动中，学习者需要与这些模型产生交互作用，让自己的想法和他人的想法产生碰撞。学习者与这些模型的交互过程是：在“如果，那么”的框架下，作出预测、考虑可能的方案、作出决策并观察可能的结果。在表达性学习活动中，学习者利用工具将自己思想的某些方面外化出来，从而表述自己的看法。例如，学习者可以利用几何画板这一计算机工具软件来表达自己对某一显示问题的表征。在这样的活动中，学习者是在对自己的假设建构模型。探究性模式与表达性模式对建模工具的使用是大不相同的。在探究性模式中，教学者要给学习者提供一些事先已经利用建模工具建构出来的适当的模型，并同时提供问题和活动。在表达性模式中，教学者给学习者提供空的工具，同时还提供可促使学生进行建模的材料和任务[6]。
由于本研究中选择小学的学生作为研究对象，根据小学生思维水平、推断能力和其需要学习的概念层次等特征，探究性建模对于小学生来讲是比较适合的。
三研究设计
为了最终形成一套能够有效促进概念学习的建模学习流程，本研究采用实证研究的方法。
1内容选取
“生物与环境”是小学科学课程的重要内容，“种子发芽的条件”是其中的一部分。根据任课教师多年的教学经验，学生在该部分的学习中存在概念迷思―“种子发芽需要阳光”，并且难以改变，这一直是困惑教师的教学难题。因此，本研究选取了“豆种发芽”作为实验研究内容。
2建模软件设计
本研究选择采用Flash作为建模软件的开发工具。主要是考虑到Flash强大的交互功能、生动活泼的动画页面可以很好的迎合儿童的好奇心，以及解决其注意力不易集中的问题。
“豆种发芽”的建模软件分为三个部分：实验说明、实验和扩展阅读。实验部分是建模软件的重点，包括温度、空气、湿度和光照四个变量，变量的值不同，豆种发芽的情况也不同。豆种发芽的情况是根据严格科学实验的结果进行简单量化，该量化呈现的是种子在不同条件下发芽的关系模型，而不是完全意义上的量化。该软件有一个明显的特征，如图1所示，学生在设置变量的值后，首先通过点击四种情况中的一种作为预判，然后点击确定观察豆种在选定条件下的发芽情况，并与预判的结果进行可视化的对比。如果与预判结果不一致，学生可再次进行实验以确认实验结果，多次实验冲突就引起学生的认知冲突，进而引发学生的思考，这正是乔纳森在对技术的解读中提到的“技术应该是帮助学生思考的思维工具”。最终，学生通过不断的实验逐步形成正确的认知。
3实验设计
本研究采用单组前后测的实验方法，对被试组在实验教学干预的前后分别进行前测、中测和后测，通过前后比较来研究实验因素的效果。
本研究试图在以往教学的基础上，通过建模学习改善概念学习的教学效果。实验在华南师范大学附属小学展开，合作教师为该小学科学教学特级教师，具有二十多年的教学经验，对科学教学有独特的见解。被试者为三年级三班全体学生。实验过程中，通过使用“豆种发芽建模软件”，并辅助认知策略支架促进学生的概念转变。
实验研究分为两个阶段，豆种培育阶段和建模实验阶段。豆种培育阶段采用的是以往教学中的教学方法。首先，教师针对某一条件对豆种发芽的影响引导学生设计实验。由于不同的条件对豆种发芽的影响不同，要根据每个条件来设计实验以探索该条件对豆种发芽的影响。建模实验阶段是在多媒体教室实施，排除协作学习因素的干扰，每个学生一台电脑，每台电脑都安装了豆种发芽的建模软件。建模实验过程如下：
第一步，学生首先要熟悉建模软件的操作流程。打开建模软件，点击首页“实验说明”，进入操作使用说明。阅读说明，简单掌握软件操作的流程。然后教师做进一步的操作师范，指导学生如何操作建模软件。
第二步，实验开始前给学生提供问题支架。问题支架是为了说明实验的目的，让学生对实验有一个整体认识。例如：通过建模软件，探究豆种发芽需不需要阳光？问题支架可以使学生带着目的去完成实验操作。
第三步，开展实验。为了帮助学生完成实验，并记录实验结果，给学生提供实验记录单。学生在问题支架引导下，针对问题设计实验。根据设计实验中所设置的变量值，对实验结果作出预判，点击确定观察建模实验结果，最后将实验结果与预判结果进行比较，完成实验记录单的填写。如果预判结果与实验结果相冲突，且多次实验结论持续不一致，就会引发学生的认知冲突和深层思考。技术的支持能够帮助学生重新思考实验设计，通过逐步探索完成实验，从而形成正确的科学概念认知。
四数据分析
实验过程中研究数据来自前测、中测和后测，以及学生填写的实验记录单。数据分析采用比率差异的显著性检验（P检验）和描述性统计分析的方法。
豆种培育阶段，豆种培育前，37名学生认为豆种发芽需要阳光，7名认为不需要；豆种培育后，有30名学生认为豆种发芽需要阳光，17名认为不需要。通过比率差异显著性检验Z=1.872.58，差异非常显著，这说明通过建模实验，学生对于种子发芽是否需要阳光的看法有了显著性的改变，大部分学生开始认为豆种发芽并不需要阳光。
豆种培育阶段，豆种培育前，42名学生认为豆种发芽需要空气，2名认为不需要；豆种培育后，有41名学生认为豆种发芽需要空气，4名认为不需要。通过比率差异显著性检验Z=0.65
本研究对小学生在不同实验阶段的概念转变状态进行了描述性分析。分析表明，豆种培育前学生对于迷思概念“种子发芽需要阳光”的经验主要来自“植物的生长需要阳光”。经过豆种培育阶段，学生对这一概念的认识没有得到有效转变。原因是学生无法严格控制实验条件，加上不确定性因素的影响，实验结果并不理想。同时，不同学生在培育豆种过程中存在主观认识和微观操作上的差异，加之其分析能力有限，所以，对学生而言，实验培育的结果不能有效的说明事实。而从科学的角度出发，需要严格控制实验条件才能作为事实依据，学生自主进行豆种培育实验显然达不到这一点。比如，一位同学在保鲜膜内培育的豆种可以发芽，显然保鲜膜内存在空气，而学生则认为没有空气，由此他认为豆种发芽不需要空气。
建模实验后，学生对于光照条件的认识得到了有效的转变，对空气条件也有了更清晰化的认识。原因是学生在实验过程中，实验结果与实验预判产生了多次的冲突，引发了学生的思考，使其逐步否定原先错误的认识，并通过重新设计和实施实验，强化新的正确的认识，最终形成了正确的概念。
五研究结论
通过研究和数据分析发现，利用认知冲突原理，设计、开发的建模工具可以有效的引发学生思考、支持概念转变。在此基础上本研究形成了能有效促进小学科学概念学习的建模学习方式，过程如下：
1前概念分析，发现迷思概念及经验来源；
研究者可通过问卷和访谈等方法对学生的前概念进行分析，发现学生在学习相关内容之前的迷思概念以及迷思的经验来源，为下一步研究设计和软件设计奠定基础。
2根据学生的阶段和思维水平确定建模方式：探究性建模或表达性性建模；
不同阶段的学生其思维水平和推理能力存在差异，由此需要根据学生的阶段和思维水平确定建模方式：探究性建模或描述性建模。只有确定了建模的方式，才能确定是否需要开发相应的建模软件或者选择支持描述性建模的建模软件。
3设计和开发内容支持的或选择合适的建模软件；
在了解学生的迷思概念和经验来源的基础上，设计和开发相应的建模软件。开发软件的选择要顾及学生的阶段，比如，选择Flash开发建模软件有利于吸引小学生的注意力。如果选择描述性建模需要根据学生的推断能力等来选择合适的建模软件。
4设计、提供必要的支架；
建模学习是一个自主的学习活动，为了发挥建模学习的优越性，教师必须充分激发学生的自主积极性，鼓励其进行独立的探索。但自主探索活动对学生而言是一个挑战，需要教学者的帮助与支持。设计和提供一些必要的支架，可以帮助学生找出并理解不同的表征系统，同时在不同的表征系统中建立联系。
5引发认知冲突，实现思维建模。
思维建模促进概念转变的原理基础是引发认知冲突。引发认知冲突可以通过技术支持（建模软件）或者设计知识内容两种手段来实现。在引发认知冲突的基础上，借助软件的支持实现思维建模，从而达到思维建模促进概念转变的目的。
关于建模学习，北京师范大学刘儒德[6]提出教学者在实际教学中应用建模时，为了保证建模学习的有效性，必须考虑如何根据学习者的认知发展水平、先前经验的丰富性，确定建模活动的种类、建模的复杂程度、模型的抽象程度以及任务的特征等问题。建模学习包括三个方面的特征：（一）根据学生年龄选择不同的建模活动；（二）提供可视化的工具；（三）提供必要的认知支架。关于建模活动的学习环境，何美、裴新宁[7]认为学习科学领域研究依据普遍认同的学习理论基础和探索实践，如情境认知理论、元认知理论以及探究活动研究的相关成果，力图创设丰富的学习环境，来支撑建模活动在科学教学中的有效实施。建模活动学习环境应具有以下特征：（一）支持逼真的问题/项目；（二）探究循环建模活动置身其中；（三）适时恰当的支架；（四）支持对话与协作。我们不难发现，本研究与以上研究者所提出的关于建模学习方式和环境的相关特征具有一定的相似性，都强调教学前的学生特征及建模类型等方面的分析、对真实问题的建模，强调提供技术支持和必要的支架，强调学生利用建模软件对知识进行反复建构、对心理模型进行可视化表征等。关于对话与协作，本研究为了排除该因素对建模学习本身的干扰没有涉及，但会在下一步的研究中引入对话与协作，以探究更丰富、有效的建模学习方式。
总之，思维建模是一种借助于思维建模工具将学习者内在的思维过程建立模型，进行可视化表征的认知方法。思维建模能够帮助学习者改变原有的迷思概念，建立新的科学概念，以积极的探索世界，进而建构起有关世界的知识结构。
参考文献
[1]张俊.幼儿科学教育的第三条道路:概念转变[J]．幼儿教育•教师版,2007,(5):22-23．
[2]Perkins,D.Smartschools:betterthinkingandlearningforeverychild.NY:Macmillan,TheFreePress.1992,(23):23-35.
[3]胡久华,支瑶.促进学生科学概念理解的教学设计[J].中国教育学刊,2006,(9):52-53.
[4]乔纳森,顾小青译.技术支持的思维建模[M].上海:华东师范大学出版社,2008:2-4.
[5]BlissJ,OgbornJ,BoohanR,BrosnanT,MellarH,SakonidisB.ModelingwithYoungStudents-QuantitativeandQualitative.JournalofComputinginHigherEducation101999,(2):69-110.
[6]刘儒德.建模:一种有效的建构性学习方式[J].心理科学进展,2003,11(1):49-54.
[7]何美,裴新宁.科学教学中的建模活动:若干概念与研究主题[J].全球教育展望,2009.(2):38-42.
TheAnalysisonProcessofConceptLearningbaseonModeling
――TakingtheElementaryScienceforExample
LIUJia-liang1ZHAOJian-hua2WUXiang-dong3
(1.EducationalTechnologyandInformationCenter,GuangdongMedicalCollege,Dongguan,Guangdong523808,China;SchoolofEducationalInformationTechnology,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou,Guangdong510631,China;3.PrimaryschoolaffiliatedtoSouthChinanormaluniversity,Guangzhou,Guangdong510631,China)
Abstract：Inordertoimprovescientificconceptteachinginelementary,thisresearch,basedontheideaofmodeling,exploresanewwayofmodelinglearningfortheelementarystudentsusingmodelingsoftwarethroughaempiricalstudy.
