概念图：发展反思性科学教学的工具

CHERYL L. MASON

圣地亚哥州立大学数学与科学教育研究中心和教育学院，圣地亚哥，加利福尼亚92182-0139

一、介绍和背景

国家和国际测试结果表明，美国学生在大多数情况下远远落后于国际同龄人的学习和科学能力（Mullis和Jenkins，1988）。 与大多数教育问题一样，这些结果的原因很多。 虽然教师教育工作者不能对每个变量负责，但他们可以更好地为编制科学教师提供帮助。

科学课堂学习环境的情感和认知方面基本上由教师决定。 他们试图让学生参与学习和理解科学，但与学生的访谈中表明，他们中的大多数人认为科学是无聊的，是一大张词汇和事实的清单，是吓人的而且与他们的生活无关（Koballa，1988年; Mason和Kahle，1989）。 为了培养积极的态度和对科学的理解，科学教师需要知道学生的最初体验和处理信息的方式与他们随后获取和传递知识以适应新情况的能力之间的关系（Minstrell，1989）。

Novak和Gowin（1984）认为概念在知识的获取和使用中起着核心作用。 他们阐述中心观点所代表的概念和原理（与不相关的事实相对），必须在信息能够被有意义地学习之前建立起来。 那些将科学视为一系列无关词汇而不是概念构建过程的教师，这种科学课堂学习环境持续存在会加深大多数学生的消极态度。 根据塔洛克（Tullock，1986）的观点，有经验的科学教师不仅通过提供准确的科学课程，包括有力的解释和具体的例子，还通过自信而专业地应对课堂中的意外情况。

不幸的是，学校教育课程和科学学科课程之间的分离加剧了新手教师开发特定内容的教学法的困难（Shulman，1987b; Blank，1988; Treagust等，1988）。 由于这种分离，许多教师提出：（1）不要超越学习的陈述阶段（他们可以陈述的事实或知识）；（2）不具备制定有效科学教学策略和课程的技能（McDiarmid等，1989）。 在师范教育课程开始时，大多数新科学教师对其学科知识感到很自信，但承认在教育学领域存在缺陷。 然而，学生的课堂讨论和作业表明，学生们对各种科学概念（如果不是不准确的）知识有些模糊（Mason，1989）。 另一个值得关注的领域是，这些未来的教师倾向于讲解他们已经了解到的某个特定主题的“每一个”术语，而不是针对那些关键概念。新教师们无法提炼教学和学习主题所需的信息令人担忧，特别是在考虑到科学信息更新的速度很快的情况下。

这些陈述的基本理念是，教师必须自己准备好知识，并将这些知识转化为帮助他人学习的科学。 合理而有效的教学来自实践者的反思，他们积极而谨慎地考虑科学教育的全部内容（Peterson，1988; Treagust等，1988）。某些当前的权威，他们需要以理性和直观的方式分析他们的教育经历（Goodman，1984; Schon，1987; Zeichner和Liston，1987），而不是常规行事。教师教育工作者可以通过开展让学生参与元认知活动的活动来协助这一行动。最近的研究表明，概念图有可能成为实现这一目标的有效工具（例如，Heinze-Fry和Novak，1990; Okebukola，1990）。概念映射可以作为获取记忆信息的图形表示的工具，也可以用于记忆检索系统的复杂“迷宫”（Holley and Dansereau，1984）。 这种知识结构的外部表征可以为新教师提供反思科学学习的机制。

二、目的

让人们非常担心的是，预科科学教师通过在讲课中以线性、不连贯的方式呈现过多的科学术语来模拟复制他们自己的教育体验，然后通过讲座或食谱实验室断开连接。如果科学教育要得以改善，教师教育工作者必须通过促进学生更有意义的学习来摆脱这一循环。因此需要采取策略来鼓励年轻教师反思他们自己的科学和科学学习的知识库，并意识到这样做是必要的。 这项为期两年的研究调查了使用概念图作为一种工具来帮助年轻科学教师重新思考他们的知识内容，并开始了解科学概念的强大性质。具体而言，概念图被看做是理解科学本质、凝聚科学信息、确定演示的有效性、识别错误的思考并发现不同学习风格的工具。

三、方法和程序

1、主题

这项为期两年的研究科目（N = 72）是参加两门科学专业的课程设计的， 特别是为了解决上述问题的。一门课程适用于本科生，另一门课程适用于年度考生。 为了提供教师教育的协作模式，每门课程都由三位教师开发和教授的，其中包括科学学院、教育学院的科学专家和高中科学实践者（Mason，1989年）。 这些课程以Shulman的教学推理和行动模型（1987a）为基础，重点关注特定内容的教学和学习。

由于课程的目标是帮助年轻教师理解各种学习策略的理论基础，所以重点放在以学生为中心的活动上，在任何时候都向他们提供最精简的信息。 取而代之的是课堂演示以及同行和结构工作者的后续点评，合作学习活动，科学文章和讲座分析以及其他个人作业。 这种方法被用来帮助课程参与者认识到：

（1）他们构建自己的科学知识的方式;

（2）将特定内容的教学法付诸实践的功效。

2、概念图：一种工具

为了向班级参与者介绍使用概念图作为学习的工具，首先是阅读并讨论了如何学习的书（Novak and Gowin，1984）， 下一步是向这些新教师提供绘制概念图的相关概念（例如染色体，DNA，内质网，基因，遗传，减数分裂，有丝分裂，核，蛋白质和RNA）列表。 由于名单按字母顺序排列，学生被引导确定重点概念和等级关系。另一个活动是先给学生一个重点概念，如稳态，从而制定自己的名单和概念图，然后详细讨论他们参与概念图绘制过程中的的认知和情感方面的情况。课程参与者在整个过程中，对概念图的细节和设计进行了分析，提供了大部分的投入。每周日记条目还提供了一种方法来确定概念图对科学教学和学习观点的影响。 在介绍这个过程之后，通过概念图用多种方法来监控课程参与者的反思性思维：

1. 课程参与者与一个或多个同伴一起参加一个科学研讨会。在研讨会之后，他们和他们的同行开发并比较了介绍的概念图。
2. 课程参与者从科学教科书的一小段中开发概念图。
3. 课程参与者制定了概念图，显示他们如何将科学书文章中的信息转化为预科课程。

概念绘图练习的基本目标是帮助有潜力的老师认识到：

1. 科学概念是相互关联和分层次的。
2. 只要概念之间的关系是准确的，概念可以从各种角度发展。
3. 提供的信息并不一定反映学生的学习内容。
4. 概念图可以用来识别教师和学生的先前知识和误解。
5. 学生对概念图的解释揭示了学习科学概念（强大）和记忆科学术语（超强）之间的差异。
6. 个人有不同的学习风格和兴趣。
7. 有意义的学习可以通过整合信息网络来实现。
8. 科学的学生需要学习如何提问并进行有意义的学习，而不仅仅是记住答案。
9. 在没有事先教学的情况下，学生往往无法从教科书中获得有意义的信息。

3、概念图：定量测量

由于概念图提供了个体知识结构的示意图，因此量化地图仍然是一个有争议的问题。然而，这项研究对于从可量化的位置监测概念图的发展非常重要，几个研究人员开发了一种为概念图分配定量值的方法（Novak和Gowin，1984; Hoz，1987; Michelsen，1987）。

总的来说，概念图是根据概念的数量，它们之间的联系以及在图中的组织来评估的。图1显示了用于分析概念图的标准及其描述。

1. 使用概念的数量来确定这些年轻教师是否可以有效地提取信息，以便检测他们的讲述是信息性的而不是大量的术语。在面向有限的时间和无限的信息时这是一个重要的技能。

标准 坚持程度

*巴尔斯确定坚持程度

概念的数量：与主要概念相比，概念太少或太多

重点概念：错过主要焦点与分层次指示主要焦点相比

联动的有效性：形成命题不准确与形成的命题是准确的与遗漏了许多可能的联系与包含重要的联系

水平与垂直流量：倾向于向一个方向延伸与相对均匀

链接的语义范畴：命题链接是模糊的或缺失与明确的

图1.定量评分概念映射练习的标准。

1. 根据连接的准确性和显式性评估关联。 尽管并非所有潜在的交叉链接都是必要的，但是地图被评价为指标，以便班级参与者理解地图的各个领域是如何相关的。
2. 需要相当均匀的水平与垂直流动。 二维表示显示了所有概念通常如何相关。 任何一个方向的线性地图都非常类似于概述，并没有表明学习者已经同化了内部或内部学科的概念。

在开发和讨论概念图的初始培训课程之后，对课程参与者的前几个指定概念图进行评分，得到的平均值作为平均基线得分。在学期结束时，对课程中的最后三幅概念图进行评分，并将平均值与基线平均值一起用于确定概念图构建中的增益分数。为了建立可靠性，10％的概念图随机抽样由课程导师决定，再由科学教授和研究生进行评估。

4、概念图：定性测量

由于涉及因果关系，因此当试图从这种复杂情况中分离出变量时，会出现细节和背景的损失。因此，行为的真正根本原因难以确定（Munby，1984; Goetz和LeCompte，1984）。处于这种担忧，本研究采用了定性措施作为数据收集量化方面的补充方法。

课程参与者参与了多个活动，其中包括使用概念图，演示文稿，小组活动，科学讲座，科学研讨会和教科书分析，组织问题的讨论，复杂性和概念图的细节都是在每个活动结束之后进行的。课程导师记录科学概念和现象讨论过程中行为变化的具体例子。 此外，班级参与者的书面工作被用作确定使用概念图作为反思工具的功效的支持性证据。课程讲师的总结报告表明，他们在课堂动态和个人表演方面能相互配合。

四、发现

本研究采用定性和定量的方法确定各科目的基本概况，并监测其理解科学性质和科学教学的发展。定量测量包括概念图上的获得分数，定性测量涉及期刊写作，个人作业，课堂演讲和讨论，所有这些都涉及到概念图的使用。数据分析采用三名具有科学教育兴趣的大学教授，两名高中科学工作者和三名具有科学教育背景或教育心理学背景的研究生助理。

1、概念图的演变

在整个学期中，进化学，生态学，遗传学和呼吸学等概念被用作讨论主题并作为概念图的基础。最初的概念图趋向于线性化，并包括概念之间的有限连接，然而概念之间的关联词常常含糊不清或缺失。基线概念图的平均得分为11.22，标准差为2.16，范围为13.随着学期的不断发展，随着科学概念之间相互关联性的提高，学生的学习能力明显提高，这归因于课程参与者开发了有更清晰的分层表示和更具描述性的交叉链接结构概念图。最终概念图的平均得分为20.49，平均得分为9.26，标准差为4.30，范围为19.这种改善使学生提高解释概念图的能力和回答问题的能力。与其给出模糊和死记硬背的答案，提出问题的解释变得清晰和更有意义。

计算概念图上的平均基线和最终得分的配对检验结果显示增益得分存在显着差异（df，71; P = 0.0001）。因为没有真正的对照组，所以可以理解某些影响可能是由于其他因素造成的。然而，过去教师的经验表明，其他课程的学生没有表现出对科学概念之间相互关系的洞察力，正如使用概念图的课程参与者一样。更重要的是，定性数据使监控个体构建知识表征变化的收益分数得以实现。

在不同程度上，课程参与者对科学教育和学习的探究和反思在其日记条目中显而易见。指示概念映射影响的日记条目示例如下所示：

我们在课堂上进行了概念图的绘制，并且了解了一些关于时间映射概念。这个想法其中一个概念图涉及循环系统。当我在课后开车回家时，我意识到我没有正确地绘制概念图，肺动脉和静脉处于错误的位置。让我感到尴尬的除了应该更好地了解循环系统以外，我一

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