前科學概念診斷技術研究概述

李明玉 李紅菊 劉恩山

(1 首都師范大學教師教育學院 北京 100048； 2 北京市第八中學 北京 100032； 3 北京師范大學生命科學學院 北京 100875)

《普通高中生物學課程標準(2017年版)》將學科核心素養作為課程宗旨，并將其具化為生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。生命觀念是生物學大概念，是生物學中的精華，標準要求教師要幫助學生深刻地認識生物學大概念，形成科學立場，增強擔當社會責任的意識與能力，實現自身終身發展[1]。而大量研究表明： 學生在建立正確的科學概念以前，往往已持有了關于科學現象的諸多想法。這些想法中有與科學概念相悖的“錯誤概念”，也有與科學概念相近但不完整的“相異概念”，學界一般將這些統稱為“前科學概念”，簡稱“前概念”。前概念(preconceptions)因自發性、廣泛性、頑固性、隱蔽性、形成長期性、缺乏概括性等負向特點，極其不利于科學概念建構，因而學界對前概念的研究一直非常關注[2]。同時，研究表明： 教師也不同程度持有對科學概念的錯誤理解[3]，且研究發現師生前概念之間存在相似性錯誤趨勢[4]。這導致教師非但不易發現學生的前概念，更無法對自身的科學概念水平進行元認知，這對概念教學的有效開展形成了嚴重阻礙。而如何來揭示學習者的前概念，使其顯性化、具體化、確切化，成為概念教學首要突破的關鍵一環。鑒于此，擬探討三個問題： 前概念診斷的技術方法主要有哪些？這些技術在生物學概念教學中的應用特點如何？通過對診斷方法技術的梳理，將為生物學概念教學的順利實施提供哪些支持與啟示。

1 前概念診斷技術(diagnosis technology)及特點

診斷學生前概念的方法有許多，包括： 提問法、訪談法、畫圖法、概念圖、出聲思考[5]、試題或作業分析、二階層測驗和確定性指數法等。以下進行主要方法概述分析及經典測驗法側重介紹。

1.1 畫圖法 Sacit K?se[6]利用該方法研究了師范專業的大三學生關于植物光合作用及呼吸作用的前概念，診斷分為兩個步驟： ①首先教師告訴學生作圖的目的、如何以作圖形式表現對概念的理解并作出示范，然后學生進行練習并相互交流，與相對的“標準圖”進行對比，目的是熟悉畫圖這種形式；②學生在白紙上獨立完成“植物光合作用及呼吸作用”圖畫。研究者對這些圖畫進行分析及分類，概括出學生存在哪些錯誤概念。

再如，2016年Desty Nurbaety等利用畫圖法，對32名八年級學生有關植物結構和光合作用的錯誤概念進行探查，并將所得圖畫數據按K?se提出的圖畫五水平進行歸類分析。結果顯示，學生在第四級(局部圖)水平上呈現出較多錯誤概念，表現出對植物結構與光合作用概念的片面理解。

該方法簡單易行，對初中課堂較適用，能讓學生自主地深入表達自己對某一概念的認識；缺點是學生未必能利用圖畫充分表達對概念的理解，即不能有效地將已經掌握的概念表達于圖中，造成研究者分析誤差。

1.2 概念圖法 在此，僅討論如何利用概念圖進行前概念的診斷。首先，教師要教會學生如何繪制概念圖(目前除能利用紙筆外，還有相應的網絡軟件輔助)。然后，教師可對學生所做概念圖進行分析，找出其中包含的與科學概念不符合的地方，即為前概念。例如，2003年Chenyung Lin和Reping Hu用概念圖方法診斷了七年級學生在“物質循環和能量流動”方面存在的前概念。結果發現： 絕大多數學生不能抓住物質循環和能量流動的聯系，無機界與有機界的聯系是學生掌握最薄弱的環節。

基于概念圖的前概念診斷方法，擁有其他診斷方法不能企及的優點，如能更有效地利用教學時間，因為診斷過程同時是學生歸納、學習的過程。另外，它也可作為教師的形成性評價工具，用以指導后續教學。

1.3 診斷性測試 診斷性測試一般包括兩種： 一是開放性題目測試；二是選擇題測試。對于開放性測試，通常由教師給出一定問答題，學生根據自己的理解作答。其優點是： 給予了更多的時間讓學生寫下對某個概念的理解，因此能深入診斷學生的前概念；不足有兩點： 一是分析和解釋數據比較困難；二是耗時多，實際教學中較難操作。正是基于開放性題目測試(或者訪談法)的不足，研究或者實際教學中更多利用選擇題測試來診斷學生的前概念。

選擇題測試具有以下優點： ①客觀性，可以快速評分；②操作簡單；③對于學生數量較多的情況更為適用；④比其他診斷方法更受學生歡迎。

該診斷方法的缺點也很明顯，表現在以下方面： ①它的有效性值得懷疑，即學生選擇的正確答案有可能基于錯誤的理由或者純粹記憶；②由于它有固定的答案，限制了被試者的獨立發揮，不能全面反映被試者的想法；③不能聯系實際生活及無法診斷各概念之間的關系結構；④有鼓勵學生猜答案的嫌疑；⑤編制一份優秀的選擇測試題非常困難。

以上分析可以看出，盡管選擇題測試有許多優點，缺點仍較多。正是對該測試的進一步完善，形成了目前使用較廣、對前概念診斷也更可靠的方法： 運用確定性指數法和二階層測驗法，這兩種方法是診斷性測試的補充和發展。

1.3.1 運用確定性指數區分“知識的缺乏”和“前概念” 針對“學生選擇正確答案只是猜測”這一點，Saleem Hasany等人在研究中引入了“確定性指數”(certainty of response index，簡稱CRI)[7]。確定性指數常在社會科學研究中使用，尤其在社會調查中，一般要求被試回答針對使用某一知識、概念或準則得到正確答案的信心程度。確定性指數有一定的等級標準，常用的是6級(0～5級)標準。學生對某一題(多項選擇題)做出選擇后，再對自己的選擇進行確定性評價，即給出CRI值。0表示完全猜測，1表示幾乎猜測，2表示不肯定，3表示肯定，4表示幾乎肯定，5表示完全肯定。

CRI值的高低，代表學生答題的確定程度，以平均值2.5作為分界線。若一個學生某一題的確定性指數低于2.5，則不論回答正確與否，都表明學生缺乏知識，可能是基于“猜測”作答；當確定性指數高于2.5，如果回答正確代表學生確實具有正確概念，如果回答錯誤那就是具有迷思概念。

1.3.2 二階層測驗 針對以往僅包含客觀選擇題的診斷性測試“學生選擇的正確答案有可能基于錯誤的理由或者純粹記憶”這一點，Treagust于20世紀80年代發展了二階層測驗法(Two-tier Diagnostic Test)[8]。其特點是試題分為兩層，第一層為是非題或選擇題，一般由題干和2～4個選項組成；第二層為根據第一部分答案擬出的若干理由，一般由4～5個選項組成，在第二層客觀理由后面添加空白項，以便學生寫下其他認為正確的理由，這克服了傳統選擇題不利于發表個人想法的缺點。學生必須同時答對第一、二部分的選項，才能視為正確答題。二階層測驗能幫助教師確定學生在多大程度上有前概念，并暴露學生隱藏概念的機制，具有實際的課堂應用價值。

Treagust設計二階層測驗包括三個步驟： ①確定特定的內容范圍(可參考課程標準、求助于教師或專家)；②利用其他方法初步確定學生的迷思概念，如查閱相關文獻、訪談學生、開放性紙筆測驗和概念圖方法；③編制二階層測驗題。第一層為評價學生的具體知識，第二層為包含迷思概念的幾種理由。在預測試后進行修改，最終確定二階層測試題目。

二階層測驗在客觀診斷學生的前概念方面較以往的診斷方法有了較大發展，但仍有局限性，表現在三個方面： ①與訪談法和開放性問題法相比，可能提示學生選擇正確答案；②Griffard和Wandersee[9]在研究學生關于光合作用的前概念時發現，同時進行二階層測驗和“出聲思考”，后者會使學生暴露出更多的錯誤。但作者也提到，不清楚這種差異來自于不必要的語言誘使還是學生頭腦中確實存在這些前概念。③二階層測驗將過高估計學生前概念的比例。

針對紙筆性的“二階層測驗”在“理由”的選項上可能提示學生選擇正確答案這點，有學者提出可以基于網絡進行該測試： 屏幕上開始只出現“第一階”題目，只有當學生最后選定答案時，才出現“第二階”理由。這樣能防止學生從“第二階”理由中獲得答題線索。

為了彌補二階層測驗不能區分“第一部分的錯誤答案是由于錯誤概念還是由于缺乏知識”這一不足，研究者提出了兩種改進策略： 一是在“知識”和“理由”層分別都添加“不知道”這一選項，以排除學生由于缺乏知識造成的誤選；二是開發了“三階層測驗”。它實質是將二階層測驗與確定性指數法結合，在“二階層”基礎上增加了第三階層，即詢問學生對答案的信心度。

1.3.3 三階層測驗 三階層測驗(Three-tier Diagnostic Test)由Ery1lmaz和Sürmeli發展而來，該研究對九年級學生關于“熱和溫度”的前概念進行了診斷[10]。結果表明，所有的前概念都是錯誤的，但不是所有的錯誤選擇都屬于前概念，一些錯誤選擇可能源于缺乏知識導致的。在三階層測驗中，只有當學生以相符的理由解釋了其錯誤選擇并且較有信心時(信心度大于3)，才能被認定為前錯誤概念。僅看第一階層的客觀選擇題，46%的選項表現為前概念；同時關注第一、二階層，27%的選項為前概念(與僅關注客觀選擇題相比，19%的選項是由于失誤或者偶然給出的錯誤答案，并不屬于前概念)；當同時考慮三個階層時，18%的選項被認定為前概念(與二階層測驗相比，9%的選項是由于缺乏知識給出了錯誤答案，也不屬于前概念)。

三階層測驗有一項潛在假設，即學生對題目答案及理由的信心度是相同的。Griffard和Wandersee研究表明，雖然二階測驗中題目答案與理由密切相關，學生仍可能或多或少認為第一、二階層是獨立的選擇題，因此對兩題的信心度可能有差異。

1.3.4 四階層測驗 考慮到三階層測驗基于學生對題目答案及理由的信心度假設，Imelda和Subramaniam在研究中利用了四階層測驗(four-tier multiple-choice test)[11]。四階層測驗是基于二階層測驗改進的，即在每一個問題和理由后，分別詢問學生對所選答案或理由正確性的信心度(仍采用6個等級)，由此組成了四階層測驗。

四階層測驗是如何判斷學生的前概念的呢？當學生選擇的錯誤答案與對應理由高于隨機選擇概率的10%時，表明發生了顯著性前概念(significant ACs)。例如，如果某題目內容有3個選項，理由有4個選項，則以題目階層、理由階層、題目—理由階層代表的顯著性前概念至少分別有43.3%、 35%、 18.3%的學生選擇。如果顯著性前概念的平均信心度大于3.5，則為真正的前概念(genuine ACs)，它是由于缺乏對概念的理解或以錯誤的理由應用概念，如果顯著性前概念的平均信心度小于3.5，則為假象的前概念(spurious ACs)，它是由于學生缺乏知識、猜測造成的。對于真正的前概念，若平均信心度在3.5在4.0之間，為中度前概念(Moderate ACs)，教師應用相應的概念轉變策略可較易糾正；若平均信心度大于4.0，為頑固前概念(strong ACs)。

四階層測驗看似由二階層測驗一步步發展而來，理應最完善最有效，但其缺陷也不容忽視： 一是耗時多；二是受診斷題目的限制，成就性測試的作用??；三是出于社會需要，學生可能在信心度水平上作假。因此，實踐中二階層測驗比四階層測驗應用更廣泛。

雖然目前有很多種方法用于診斷學生的前概念，但使用最廣泛的兩種方法為二階層測驗和確定性指數法，因為它們的可操作性強。另外，在實際“前概念診斷”研究中，一般多種方法同時使用，比如二階層測驗的編制過程中，很重要的步驟便是利用其他方法初步探明學生可能的前概念。

2 前概念診斷技術的開發與利用

2.1 關于針對性使用前概念診斷技術 國際前概念研究已進行了近40年，自2011年義務教育課程標準頒布以來，國內對該領域也越發關注，國內外大量的前概念診斷研究成果不斷涌現，但前概念的診斷方式方法多樣且各有利弊，需要結合學習內容和學生學段等實際學情，針對性設計與運用，以更加有效、準確地診斷學生前概念，遺憾的是這方面研究尚鮮見報道，有待學界后續予以更多的投入與關注，更有待教師自身、教師教育機構更多的實踐探索與嘗試。

2.2 關于研發教師前概念診斷技術 已有的大量研究專注于學生前概念的診斷和概念轉變策略的開發。卻少有研究關注教師的前概念，其中一個原因也許是人們往往都持有一個潛在的假設，那就是教師已經擁有了足夠多的科學內容知識，這些知識使得他們足夠勝任他們的教學工作[12]。然而對教師前概念診斷的研究結果顯示教師和學生持有很多類似的前概念[3，4]。這在某種程度上提示著學生前概念的重要來源之一很可能就是他們的教師。因此教師教育中，需對教師前概念予以充分診斷關注，幫助教師提升科學概念學習水平。