變易理論在科學教育中的應用及啟示

●張 霄

變易理論在科學教育中的應用及啟示

●張 霄

變易理論是一項植根于現象圖析學的教學理論，其涉及的主要內容包括：學習內容、重要特征與重要方面、意識結構、識別。本文以科學教育中“冷凝”概念教學為例，探討變易理論在科學教育中的應用，并得出相應啟示，科學教師的知識觀應當以現象學的視角反思科學教育的價值，學生觀應當突出學生在建構知識過程中不可或缺的地位，教學觀應當以“科學的”方式完成科學知識教學。

變易理論；科學；科學教育

變易理論 （variation theory）植根于現象圖析學（phenomenography）研究方式。20世紀90年代，隨著“現象圖析學之父”，瑞典哥德堡大學馬飛龍（Marton）教授與香港大學教育學院研究團隊的合作，現象圖析學逐漸由一種中觀層面的教育學研究方法論轉型成為理論取向的，旨在改善教學實踐的教學理論——變易理論。變易理論觀點認為，學習意味著個體以不同的方式體驗（experience）、理解（understand）、感知（perceive）、看待（see）事物。[1]它關注學生在學習過程中表現的差異性行為以及促使學習活動發生的必要條件，強調教師應當明確學生以何種方式對教學中的知識內容進行理解，并嘗試通過合理的教學策略促進學生的理解方式更加成熟。變易理論引入我國以來引起了部分學者的關注，教育理論與實踐工作者嘗試將變易理論應用于語文[2]、生物[3]、體育[4]等具體學科教學，并得出相應啟示。本文旨在探討變易理論在科學教育中的應用，及其對科學教育的啟示，以期為豐富我國科學教育領域的教學理論帶來裨益。

一、變易理論的主要內容

變易理論繼承了現象圖析學研究方式對于知識的本體論假設，即認為知識是個體與外部世界交互式作用的產物，以及對于個體學習的認識論假設，即人們會通過具有質的差異的方式理解同一學習內容。[5]變易理論涉及的主要內容包括：學習內容、重要特征與重要方面、意識結構、識別。

（一）學習內容（object of learning）

變易理論將學習內容劃分為具體方面（specific aspect）與一般方面（general aspect）、內部視域（internal horizons）與外部視域（external horizons）。其關注學習內容的動態本質，即在教學活動中，教師逐步深化對學習內容的理解，學生在逐步變易的學習內容中達成教師設定的學習目標。學習內容的具體方面與一般方面是變易理論關注的兩項基本內容。前者指具體的學科知識，體現了學科知識在特定情境中的實際應用價值，它蘊含著人類努力探索世界的過程中積累的寶貴經驗。后者指能夠超越具體學科知識的一般能力品質，它能夠在一定范圍內進行遷移，有助于個體在陌生情景中做出明智的裁決。

變易理論將學習內容的結構體系分為外部視域和內部視域。外部視域即在完整的知識體系內對知識內容的價值進行評估。變易理論觀點認為，學習內容是相互關聯、逐步遞進的整體，內容與內容之間的關聯與外延即學習內容的外部視域。學習內容的內部視域與學習內容的本質密切相關，其包括意義與結構兩方面內容。結構即學習內容部分與部分之間，部分與整體之間的關系。在教學過程中，教師需要通過比較考察學習內容的內部視域，進而識別學習內容的重要特征與重要方面。意義源于學習內容之間形成的知識體系，孤立的學習內容對于學習者達成具體方面或一般方面的價值訴求沒有任何意義。例如，孤立的數字“2”對于學生而言沒有意義，而當數字“2”置于完整的數字體系中時，它能夠與其他數字進行比較、運算，數字的意義隨即產生。而當數字“2”置于二進制編碼系統中時，它的意義隨即發生變化。[6]

（二）重要特征（critical features）與重要方面（critical aspects）

重要特征與重要方面是變易理論中的重要概念，兩者具有相似之處但又不盡相同。重要方面指變易維度（dimensions of variation），而重要特征指變易維度的具體價值。例如，當學生走進植物園，對一株植物進行描述時，學生們可能會識別“綠色的葉子”、“紅色的花朵”、“芳香的氣味”。其中“紅色”、“綠色”、“葉子”、“花”、“芳香”即屬于重要特征。而與之相對應的“顏色”、“（植物的）器官”、“氣味”概念是重要方面。個體只能夠在明確顏色、氣味等重要方面的前提下，才有可能識別具體的紅、綠、葉子、花等重要特征。因此，個體如果能夠識別某項知識的重要特征，則必然能夠識別相應的重要方面。

識別學習內容中的重要方面與重要特征對于教師而言具有兩方面意義。其一是有助于深化教師對于學習內容的理解。變易理論強調個體在學習過程中僅能夠關注學習內容的有限方面，并且由于意識結構的差異不同個體對相同內容的關注點有所不同。教師如果希望學生使用與教師（或教材）相同的方式理解學習內容，則首先需要幫助學生識別相同的學習內容的重要特征與重要方面。其二是有助于教師應對學生的個體差異。變易理論觀點將學習的結果視為個體使用更加全面、更加系統的方式（有時甚至是全新的方式）理解學習內容。[7]當學生未能按照教師的預期完成學習時，多數情況是學生們忽略了（或根本沒有機會）識別學習內容的重要特征，以至無法獲得針對性訓練。

需要進一步思考的問題是，教師如何確保識別的學習內容的重要特征與重要方面能夠獲得學生的主體間性認同。一方面教師應當自覺地參考已有文獻并主動地與相關學科教師合作交流。教師首先要在“同行”之間獲得主體間性認同，“同行”主要包括兩種類型。[8]一種是同一所學校中的教授相同學科的教師，他們能夠通過研討會、工作坊等形式對重要特征與重要方面進行討論。另一種是通過閱讀相關文獻，教師與作者進行跨時空的思想交流。另一方面教師應當通過經驗性研究，如課前訪談，課堂觀察，課后訪談或課后測試等，調查學生對于知識內容的理解方式。分析學生整體的思維習慣及其與學習目標之間的差距，并以此為據識別學習目標的重要特征與重要方面。

（三）意識結構（structure of awareness）

意識結構即個體的意識在某些特定條件下形成的結構體系，它決定著個體理解現實的具體方式。在經驗具體事物時，個體之間存在的質的差異的理解方式，究其本質即意識結構之間的差異。當個體置身于某一特定情境時，會受到已有經驗體系的影響，格外關注情景中的某些能夠與現有意識結構相互作用的內容。因此個體通常僅能夠關注其有限的若干方面，其他方面或被忽略，或被置于意識結構的邊緣。變易理論關注個體的意識結構與其知識的本體論假設有關。變易理論的知識本體論假設與后現代知識觀高度契合，即反對知識的絕對“客觀性”、“中立性”、“普遍性”，將知識的特征定位于“文化性”、“境域性”、“價值性”。知識觀的轉型放棄了人們在認識世界的過程中存在統一的意識結構的基本假設。強調知識的產生與文化體系中的價值觀念、生活方式、語言符號乃至人生信仰等特定的（個體或群體）意識結構密不可分。[9]

變易理論觀點認為學生解決實際問題能力的提升，即意識結構的完善與豐富。[10]例如高中化學教師提問學生“請你預測Li2CO3（一種學生不熟悉的化學物質）可能具有哪些化學性質”，學生們基于自身意識結構予以回答。當進一步追問，“你是如何得出這些結論的”，教師獲得三種質的差異的理解方式，“憑感覺猜測得出”、“通過類比Na2CO3（學生熟悉的化學物質）的化學性質得出”、“通過元素周期表和元素周期律推導得出”。在上述案例中，學生們的第三類理解方式顯然對于未來的學習更加有效，它是教師希望學生在此類知識內容上形成的意識結構。教師的任務是在學生的意識結構和學習目標之間建構“相關結構”（relevance structure），通過合理的教學策略使學生先前的意識結構發生變易，最終達成教師預先設定的教學目標。

（四）識別（discernment）

在變易理論中，識別即學習者對具體學習內容的重要方面和變易維度（dimension of variation）的認知。[11]變易維度是指將學習內容的重要特征與重要方面進行系統化、結構化的組織后，形成的關于學習內容的結構化模型。學習是一種識別的功能，識別是一種變易的功能。[12]個體對于任何物體的識別，通?；谖矬w之間差異的比較。在教學過程中，系統的變易某些特定方面，保持某些特定方面不變，能夠幫助學生識別“某物”（something）的全新一面，獲得新的意義。例如，想教會兒童識別紅色，教師可以為兒童展示不同顏色的塑料小球，“紅色”作為重要特征保持不變，變易重要方面的其他內容，即除紅色以外的其他顏色?！扒颉弊鳛轭伾妮d體不屬于學習內容的重要特征，需要保持不變。通過變易內容與重要特征的不斷比較，兒童能夠在顏色體系中識別“紅色”的概念。

上述對于學習內容的重要方面與重要特征的識別過程類似于科學實驗中對于自變量、因變量與無關變量的確定。較之科學實驗更為復雜的是，變易理論中的識別不僅強調個體對于變易內容與非變易內容的識別能力，更加強調個體主動進行識別的理論自覺以及個體間（教師與教師、教師與學生、學生與學生）通過識別獲得的對于重要特征和重要特征的主體間性認同。變易理論涉及的主要內容及其關系如圖1所示。

圖1 變易理論主要內容

二、變易理論在科學教育中的應用——以“冷凝”概念教學為例

變易理論強調的識別學習內容的重要特征和重要方面，在很大程度上類似于科學實驗中對于自變量、因變量和無關變量的確定。特別是在科學教育中，變易理論能夠指導教師將龐雜的學習內容，解構成為基本的教學單元。通過單元之間的變易與比較，突出學習內容的重要特征與重要方面，進而對學生的理解方式做出針對性指導。因此變易理論可以被視為“教學藝術的科學基礎”。本文以科學教育中的“冷凝”概念教學為例，討論變易理論在科學教育中的應用。[13]

案例：變易理論視域下“冷凝”概念的教學

冷凝即水蒸氣遇冷凝結為小水珠的過程，是一種極為常見的物理現象。然而，在傳統教學中，科學教師在講授這一概念時，通常將冷凝現象直接指向溫度，忽略了對其他可能影響因素的識別與檢驗，使得學生的學習困難重重。傳統教學方式如表1所示。

表1 冷凝與溫度的關系

通過調查學生以及課堂觀察教師發現，部分學生認為可樂罐表面形成小水珠的原因不一定與溫度有關，有可能與可樂罐中是否有液體或可樂罐表面是否接觸空氣有關。通過教師與學生的互動，教師識別出冷凝概念的重要特征：溫度、液體和空氣。在變易理論的指導下，教師重新設計教學，通過對學習內容進行變易和比較，讓學生能夠自覺地識別泠凝概念的重要特征?；谡{查的教學方式如表2，3所示。

表2 冷凝與液體的關系

表3 冷凝與空氣的關系

上述過程雖然在理論層面滿足了學生對于重要特征的識別，但仍然存在一個問題亟待解決。教師從教的學校中缺乏真空泵等設備，無法創造無空氣的環境，供學生識別空氣對于冷凝現象的影響。因此，對于“空氣”這一重要特征，教師需要進行實驗改進對其進行檢驗。教師通過面巾紙、塑料薄膜等材料，設計可用于實際教學情境的實驗，檢驗上述影響因素。實際教學方式如表4所示。

表4 冷凝與溫度、空氣、液體的關系

上述過程可以歸納為，教師通過與學生的交流互動識別冷凝實驗的重要特征。通過學習內容的變易與比較，使學生對其加以自覺地識別。最終使學生理解溫度和空氣能夠影響小水珠的形成，而可樂罐中有無液體對其沒有影響。即小水珠形成的原因是空氣中的水蒸氣遇到冷的可樂罐。由于可樂罐和液體不屬于重要特征，因此可以替換為其他情景，例如冬天玻璃上的霧氣等。

上述案例充分體現了變易理論對于科學教育的指導意義。首先，變易理論將科學知識視為內在理性與外部世界交互式作用的產物。換言之，知識是一定時空范圍內，達成主體間性共識的觀念體系?？茖W教育旨在轉變或修正學生對于外部世界的理解方式，使之與當下主流的科學觀念相契合。因此，科學教師在完成教學前的首要任務即了解學生們當下理解外部世界的方式。變易理論確定學習內容重要特征的過程，類似于確定教學重難點。但與傳統的重難點確立不同的是，由于變易理論源于經驗性研究方法論——現象圖析學，因此其強調通過經驗性調查的方式，如訪談、問卷等，對學生的前概念以及理解學習內容的方式進行描述與分類。進而分析學生所處的狀態與教學目標之間的差距，針對性的確定教學內容，設計教學流程。例如在上述案例中，傳統教學中教師通常將學習內容的重要特征限定于溫度對冷凝現象的影響，教師所有的教學設計如實驗、理論分析等，均旨在說明冷凝現象的實質即溫度的變化。然而，學生們基于自身的理解方式，提出可樂罐內的液體以及接觸空氣可能是引起冷凝現象的重要特征。通過調查獲得學生們對學習內容的理解后，教師能夠更加具有針對性的設計教學，通過變易與比較，突出學習內容的重要方面與重要特征。以連續的實驗自然地解答學生們的疑惑。

其次，比較與變易是變易理論突出學習內容重要特征的兩項基本方法。比較旨在確定學習內容的變易維度。即基于學習內容之間的相互比較，將其按照一定的邏輯順序進行歸類，學習內容的重要特征隸屬于其中的一種特殊類型。變易即通過改變學習內容中的一些方面，同時將學部分內容保持不變，識別變易維度整體的變化。最終通過比較突出學習內容的重要特征。變易理論的變易與比較過程類似于科學實驗中確定自變量、因變量以及無關變量，即在對無關變量進行控制的前提下，通過改變自變量，探討自變量與因變量之間的關系。實際上，變易理論的“實驗特征”與其對于科學知識的本體論假設密切相關?！芭c生產實踐一樣，科學實驗也是人類基本的社會實踐形式……科學實驗是直接的、現實的主體和客體相互作用的活動，即在主體積極支配下的對象——工具活動?！盵14]科學實驗強調的主體與客體的交互式作用與變易理論對于知識的本體論假設如出一轍。同時科學實驗強調主體的積極支配作用，變易理論旨在通過比較與變易的方式對個體理解學習內容的方式進行轉變，因此需要個體的積極參與，在理性思考的前提下自覺地轉變自身觀念體系。

最后，科學教育的特殊之處在于，教師需要在實際條件（通常指外部條件）的限制下對學習內容的教學進行選擇與改進。因此，在確定科學教育學習內容的過程中，需要從理論與實踐兩個維度考察學習內容的恰適性。在上述案例中，教師需要檢驗小水珠的形成原因是否與可樂罐外部與空氣接觸有關。然而實際的實驗條件無法通過直接操作，如創造真空環境等方式，對其進行比較與變易。此時，科學教師需要基于實際情況，對突出重要特征的方式進行改進，即選擇便于實施的方法比較學習內容的重要特征。需要指出的是，教學方式的改進需要建立在教師識別學習內容的重要特征以及明確需要變易和非變易內容的基礎之上，從實踐角度對比較和變易的內容進行再思考，使之能夠在現實條件下順利實現。因此，變易理論旨在指導教師明確學習內容的重要特征，基于學生的具體理解方式對教學策略進行不斷改進，而非單純的使用特近生活的、有趣的，甚至是獵奇的方式完成教學。

三、變易理論對我國科學教育的啟示

（一）知識觀：以現象學的視角反思科學教育的價值

變易理論關于知識的本體論假設與后現代知識觀如出一轍，即將知識的客觀性、中立性、權威性，轉型為文化性、情景性、建構性。后現代知識觀將先前科學知識的穩固基礎 （如中立的觀察與純粹的理性）軟化，削弱了其權威地位。因此，科學教師應當重新思考科學教育的終極價值訴求?，F象學觀點認為“自然的存在科學不是最終的存在科學。需要有一門絕對意義上的關于存在之物的科學……其基礎是在一般的認識批判中所獲得的關于認識的本質和認識對象，及其各種基本形式的本質的明察，這種基本形式是指認識和認識對象之間各種基本的相互關系?！盵15]現象學的產生與發展在一定程度上消弭了近代科學失去其權威性地位引起的精神恐慌。一方面，科學教師應當接受科學知識并非絕然真理，學生并非以“虔誠的”態度全然接受科學知識中的“金科玉律”?？茖W教師的任務在于引導學生以獨立個體的態度完成與知識建構者之間超越時空的思想“對話”。另一方面，科學教師應當對科學知識的“實用價值”進行反思。誠然，知識能夠在很大程度上改善人類的生存環境，但實用價值不應當成為科學知識是否成立的唯一考量標準。教師可以從現象學的視角反思科學知識純粹的意義與價值，而非單純突出其在特定情境中的具體功用價值。

（二）學生觀：突出學生在建構知識過程中不可或缺的地位

變易理論強調教師在確定學習內容的過程中，需要與學生獲得主體間性認同。教師需要通過經驗性研究，獲得學生們對于學習內容的理解方式，進而以此為據確定學習內容與教學策略。變易理論的這一特征表明，學生在科學知識的建構過程中有著不可或缺的地位。一方面，后現代知識觀將科學知識視為人類建構而成的用于描述、解釋、預測自然現象的研究范式，它是人類通過內部意識和外部世界的交互式作用建構而成的觀念體系。因此，在知識建構的過程中，學生應當被視為具有獨立思考能力的個體。教師的任務即引導學生最大程度的體驗知識建構的必然（至少是帶有明顯傾向性的）歷程，為學生創造與知識建構者之間有可能產生“共鳴”的一切機會。另一方面，變易理論觀點認為學習是個體理解方式的轉變與完善，即完成學習后的個體能夠以更加系統、更加準確的方式理解具體現實。因此，在實施教學以前，教師首先應當明確把握學生目前習慣使用的理解方式與意識結構，進而分析學生與教學目標之間的差距。教師需要以此為據為學生準備恰適的學習內容，通過學習內容之間的比較與變易，突出學習內容的重要特征與重要方面，進而引導學生以教師希望的理解方式進行學習，培養學生形成更加完善的意識結構。

（三）教學觀：以“科學的”方式完成科學知識教學

如上所述，變易理論突出學習內容的重要特征的基本方式是比較與變易，即通過比較變易前后的差異，輔助學生識別學習內容的重要方面與重要特征，進而完成學習。實際上，變易理論強調的比較與變易在很大程度上與控制變量、差異比較、系統分析等科學方法的基本理念相契合。誠然，變易理論是能夠指導各類學科教學實踐的教學理論，甚至包括舞蹈、戲劇等。但相較而言，變易理論的方法論假設與科學，特別是自然科學的方法論假設極度類似。因此，變易理論對于科學教育的指導更為直接，它能夠指導教師以“屬于科學的方式”完成科學知識的教學。一方面，通過學習內容的重要特征與重要方面的變易與比較，學生能夠理解、學習相應的科學知識內容，即變易理論所謂的學習內容的具體方面。另一方面，通過變易與比較的方式進行學習，學生能夠直接體驗科學方法在科學知識學習過程中的功能與價值，有助于在科學知識的教學過程中潛移默化地培養學生的科學精神，即變易理論所謂的學習內容的一般方面。由此可見，變易理論能夠指導科學教師以“科學的”方式完成科學知識教學。

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（責任編輯：金傳寶）

張 霄/首都師范大學教育學院在讀博士，研究方向為科學教育