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摘 要：在概述概念图的发展历程、基本要素、基本类型、功能及概念图运用于概念教学的理论基础上，提出利用概念图建构生物学概念的教学过程——概念图制作培训，概念图变式运用和利用概念图评价。同时根据实验班的实验前后的书面调查分析，以及与对照班所制作的“新陈代谢”概念图中节点数、层级数和命题数的差异，得出利用概念图开展生物学概念教学，有利于对概念知识的整合，有利于把握概念的内涵与外延，能提高概念的结构化程度，有助于学生形成了良好的认知方式。

关键词：生物学概念 概念图 建构 评价

一、问题的提出

一个新的生物学概念的提出，往往标志着人们观念的改变，促进生物学科的发展，甚至是对生物学科全新的认识。概念是生物学理论的基础和精髓，概念也是思维过程的核心。在人教版《全日制普通高级中学教科书——生物》(2003年6月第一版)后附录上就有211个生物概念，其中必修本有154个，选修本上有57个。但近10年来，人们很少在有关理论指导下进行概念教学研究，基本上是关于概念教学的体会，如如何识记、辨别、掌握概念等，导致学生普遍反映生物学概念多、难掌握、更难运用。笔者近三年利用概念图进行生物学概念教学及评价实践研究，有效地帮助学生建构生物学概念，初步改变了学生的认知方式，形成了良好的认知方式。

二、概念图的概述

（一）概念图的发展历程

概念图最早是在20世纪60年代由美国康奈尔大学（Cornell University )的诺瓦克(Joseph D. Novak)教授通过研究儿童对科学概念改变历程时提出的，但“概念图”这一名词的确定却是在20世纪80年代。20世纪60年代初期；行为主义理论还在北美盛行，由于行为主义理论不能很好的解释区别于低级动物的人是如何获得知识的，奥苏贝尔（David P．Ausubel）于1962年第一次提出关于人的学习的认知理论，奥苏贝尔认为，影响课堂教学中意义接受学习的最重要的因素是学生的认知结构。所谓认知结构，就是学生现有知识的数量、清晰度和组织方式，它是由学生眼下能回想起的事实、概念、命题、理论等构成的。

奥苏贝尔的理论受到了社会的广泛关注，告诉我们要促进新知识的学习，首先要增强学生认知结构中与新知识有关的概念，这样就迫切需要一种工具来表示学习者知识体系的概念和概念之间固有的联系。诺瓦克教授就是在此种情况下根据意义学习和概念同化理论开发了概念图这样一种新工具，由于首先在研究儿童能够理解诸如能量、细胞和进化等抽象概念的过程中进行了应用。很快他们发现，该工具同样可以用于教学设计和帮助学生进行有意义的学习，由此导致了对概念图更深入的研究。

国外从20世纪60年代提出概念图到现在，相关的研究已经比较丰富和成熟，在西方国家，概念图是中小学教学中很常用的一种方法，有着很好的教学效果。我国中小学已经比较广泛地使用概念图，特别是近年来计算机软件的发展，如Inspiration、MindManager等概念图软件逐步流行起来，为教师和学生在教学活动中使用概念图提供了方便。

（二）概念图的基本要素

概念(concepts)、命题(propositions)、交叉连接(cross-links)和层级结构(hierarchical frameworks)是概念图的四个基本要素。概念是感知到的事物的规则属性，通常用专有名词或符号进行标记。命题是对事物现象、结构和规则的陈述，在概念图中，命题是两个概念之间通过某个连接词而形成的意义关系；交叉连接表示不同知识领域概念之间的相互关系；层级结构是概念的展现方式，有两个含义:一是指同一层面中的层级结构，即同一知识领域中的概念依据其概括性水平不同而分层排布，概括性最强、最一般的概念处于图的最上层，从属的放在其下，而具体的事例列于图的最下层；二是不同层面的层级结构，即不同知识领域的概念图可就某一概念实现超链接提供相关的文献资料和背景知识。

概念图的图表结构包括节点(又称结点)、连线和连接词三个部分。节点就是置于圆圈或方框中的概念。连线表示两个概念之间的意义联系，连接可以没有方向，也可以单向或双向。位于上层的概念通常可以引出好几个知识分支，不同知识领域或分支间概念的连线就是交叉连接(又称横向联系)，交叉连接常常形成方向性意义，也是产生创造性思维的关键之处。连接词是置于连线上的两个概念之间形成命题的联系词。如“是”、“包括’、“表示”等。概念图的基本模型如图一。

图一：Joseph D Novak概念图模型(1984)^[1]

（三）概念图的基本类型

诺瓦克（J.D.Novak）博士认为，概念图是用来组织和表征知识的工具。本课题研究的概念图采用广义概念图的定义，其如黎加厚教授所说，人类使用的一切用来表达自己思想的图示方法都是“概念图”。但主要指层级概念图如Joseph D Novak概念图模型，网络概念图如图2-3，还有“V”形概念图如图2-2 等。

图二：光合作用的网络概念图^[2]

图三：Growin 的V形概念图

（四）概念图的功能

1、概念图作为一种教学工具和教学策略

自从Novak开发了概念图之后，概念图就成了一个有效的教育中介。大量的研究表明概念图具有如下功能：第一，概念图可以帮助教师提高教学效率(Beyerbach & Smith. 1990； Hoz et al., 1990)；第二，概念图可以帮助教师提高课程计划的质量 (Martin.，1994)；第三，概念图作为一种教学策略可以有效的降低学生学习的焦虑和紧张感（Jegede et al., 1989 ）；第四，概念图可以大幅度的提高学习者的态度(Philip，1993)；第五，概念图策略更适合于科学

课程，而在其他学科如英语、数学的教学中效果则不理想（Okebukola，1992)。但是近几年的研究表明，在其他领域概念图也是有效的，只是效果不如科学课程显著；即使在科学学科内部，概念图的作用也不一样，生物学上的显著性要大于化学和物理。

2、概念图作为一种学习工具和学习策略

利用概念图建构知识，第一，可以促进学习者进行有意义的学习（Scanlon,1992）^[3]；第二，可以改变学习者的认知方式（Jungwirth,1980）^[4]；第三，有利于培养学生创造性思维。Roth等（1980）^[5]研究认为，概念图不仅能拓展科学概念，而且还是学生的一种思维体操。它为学习者提供了学习科学语言的形式和建构科学知识的一种有效手段；第四，可以作为合作学习的工具，基于计算机的概念图还可以分享不同学习者的认知（Stoyanova & Kommers,2002）^[6]；第五，概念图可以作为引导元认知的工具。Wandersee认为，画概念图实际上是建构学习者所观察到的客观现实世界的一种图形表征。人都是用概念图进行思维的，一个人头脑中概念图越完备，也就越能理智地思考问题，所以当一个人用图式化的形式将存在大脑中的各概念的各种关系表达出来，这一过程本身就会对其认知产生重要影响。

3、概念图可以最为一种评估工具

一此研究者认为，传统的测验方法一般只能测验学习者对概念的理解和掌握程度，而无法检测学习者的知识结构以及对知识间关系的理解。作为一种评估工具，概念图有如下应用:第一，评估学习者对概念的理解。一些专家研究发现，概念图是一种非常有用的评估学生知识的工具，而且可以诊断出学生对知识特别是对于陈述性和程序性知识错误的理解；第二，评估学习者概念的转变。Gravett & Swart,（1997 )^[7]的研究结果显示:概念图作为一种元认策略可以引导、促进、帮助建构知识，这样就可以监控概念的转变以及长期存在的对概念的错误的理解；第三，评估概念的发展。Beverbach（1986）^[8]的研究发现，在使用概念图考查职前教师的概念结构转变的时候，同时发现量的分析和质的分析都表明概念图还可以用来评估概念的发展；第四，学习者使用概念图进行自我评价。Stow（1997）^[9]的研究结果显示，概念图可以帮助学习者有能力鉴别出未来学习的目标，还可以促进动机和元认知。

三、概念图运用于概念教学的理论基础

（一）有意义学习理论

建构主义的有意义学习理论认为学习是基于学习者的经验进行意义建构的过程，而这种基于经验基础之上的知识构建过程，实质上是相对较高水平的意义学习过程。美国著名教育心理学家奥苏贝尔在大量的实验基础之上得出结论：认为人的学习应该是意义学习，而发生意义学习又必需有三个条件：(1)将要学习的材料必须是概念清晰且以语言及与学习者先前知识有关的例子呈现的。(2)学习者必须拥有相关的先前知识。(3)学习者必须选择有意义的学习。当学习者具有了有意义学习的心向，并把所要学的新知识同原有的知识联系起来时，意义学习便发生了。意义学习的心理机制是同化，除了学龄前儿童，学生的学习都是通过概念同化习得新概念的，概念的上位关系、下位关系和组合关系的层次排列最终形成了学生的认知结构。奥苏贝尔的有意义学习理论受到了社会的广泛关注，诺瓦克博士根据意义学习和概念同化理论开发了概念图这样一种新工具。

(二) 认知心理学理论

现代认知心理学将广义的知识分为陈述性知识和程序性知识两大类。该理论认为陈述性知识以命题网络的形式表征；而程序性知识则以产生式的系统表征。一个大的知识单位中既有陈述性知识，也有程序性知识，二者相互交结在一起，心理学家用“图式”一词来描述这种大块的知识表征和贮存。图式就像是围绕某个主题组织起来的认知结构，其中有许多空位可以容纳新知识。图式中不仅含有命题或概念的网络结构，也含有解决问题的方法步骤，学生的认知结构是由知识结构“内化”而来的。我们把这两类知识在脑内系统化的存储方式称之为“知识网络”。知识网络具有联系的多维性和网络的开放性的重要特点。第一，联系的多维性，是指在知识网络中每一概念(知识点是其形式表征)向外发出的联系是多方向的，即每一概念通过许多不同的连线而与其它知识相联系，同时每两个概念之间也不只是一种连接方式，这些需要在教学与学习中加以规范。需要建立的知识网络应是既符合学科知识结构特点又符合学习者的认知特点与水平。第二，网络的开放性，是指无论网络中己有知识还是它们之间的联系是可以无限扩展的。新的各类知识可以源源不断地补充到原来的网络中去，包括陈述性知识可以不断增加，更好的程序性知识亦可取代旧有的联系方式，从而使知识网络不断地充实和优化。根据知识网络的特点，在学习概念的同时，必须掌握它们的条件、用途以及与其它知识之间的关系，加强两类知识之间的相互促进才能把知识学活学透。从认知心理学的观点看，知识要点(最基本概念)是联系有关概念的核心，通过它可以很快联想相关的概念，而知识难点或疑点就是学习者把知识要点与知识如何联系起来尚存在困难之处。从知识网络观点来看，困难的出现有两个原因，一是要学习的知识点与学习者认知水平差距较大；一是学习者缺乏一定的知识基础，找不到知识之间的连接点。有关研究认为，专家与新手的区别并不完全在于能够回忆多少知识点，而在于能否灵活运用这些知识。而概念图作为一种元认知工具，通过绘制概念图激发学习者弄清概念间的意义关系，超越了有关陈述性知识与程序性知识的分类，有利于机械学习向有意义学习转变，实现了真正意义上的意义建构的过程。

四、概念图运用于生物学概念教学的实践

（一）利用概念图建构生物学概念的教学过程

为了检测概念图的教学效果，去年进行一项对照实验，在实施课题研究前，在实验班级进行书面调查，调查结果显示：80%的学生认为生物学概念很多，96%的学生认为生物学概念间有紧密的联系，48%的学生认为生物学概念较难掌握，52%的学生学习生物学概念的方式是识记与背诵，只有4%的学生通过图形、分类等方法学习概念，没有学生知道概念图，72%的学生认为学习生物学概念较累或很累，80%的学生愿意接受概念教学的改革。针对调查情况，提出了利用概念图开展教学，主要从概念图制作培训、概念图变式运用和概念图评价三个方面进行研究。

1、概念图制作培训

鉴于学生对概念图基本不了解，首先通过卡片移动、黑板上画等方式进行培训，到一定时间后，再进行电脑上利用有关软件进行制作培训，如用易思——认知助手、Inspiration、Kidspiration等软件制作。制作概念图的具体步骤如下：

（1）选定生物学概念的知识领域。因概念图的建构必须依赖一定的生物学知识，所以最好选取学生试图学习、理解掌握的某个单元、某个章节或者某个实际的问题，这样有助于学生确定概念图的层级结构。例如，在学习细胞概念时，可以引导学生建构“细胞”的概念图。

（2）确定关键概念和概念等级。选定“细胞”的概念后，接着就要找出与细胞相关的其他概念，并一一列出。如原核细胞、真核细胞、植物细胞、动物细胞、细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核等，然后对这些概念进行排序，从最一般、最概括的概念到具体的概念依次排列。虽然这样的排列是粗糙的，但能帮助我们确立概念图的结构。

（3）初步拟定概念图的分层和分支。把所有的概念写在活动卡片上，移动卡片讨论概念可能的连接，按照概念的纵向分层和横向分支在工作平台(如黑板)上排列卡片，初步拟定概念图的分布。若在电脑上利用概念图的有关软件就更方便，如利用Kidspiration软件制作如图四。

图四

（4）建立相关概念的连接。把每一对相关的概念用短线连接，并在连线上用适当的连接词标明两者之间的关系。这样同一领域及不同领域中的知识通过某一相关概念相连接，再经过修改后各级概念及其关系清晰可见，每个人所绘的概念图就基本确定了，如图五。

图五

（5）反思完善概念图。对个人绘制的概念图初稿分组进行讨论及补充，构建小

组概念图；然后全班再讨论综合成一个班级概念图，如图六。

图六

2、概念图变式运用

学生在初步掌握概念图的制作技能后，就可运用概念图来进行学习。按由易到难，可让学生绘制三种不同类型的概念图。

（1）限定型概念图。构图前教师先给出一定数目且随机排列的概念，要求学生必须使用这些概念来画概念图。例如，在学习“化合物”概念时，教师列举一些概念，如化合物、无机化合物、有机化合物、水、蛋白质、多糖、二糖、单糖、脂质、核酸、氨基酸、核苷酸、脱氧核苷酸、核糖核苷酸、DNA、RNA、胆固醇、性激素、维生素D等概念，要求学生利用这些概念建构化合物的概念图，学生经过阅读相关教材，基本上能建立化合物的概念图，如图七。

图七：化合物概念图

（2）引导型概念图。学会制作限定型概念图后，可以提高制图的要求和难度。给出一定数目的概念后，要求学生从中选择一部分来构图。由于所给信息多于所选的信息，这就要求学生对所需概念的选择要准确，必须对主概念的内涵和外延有系统的认识。例如，要求学习“光合作用”概念时，列举光合作用、光反应、暗反应、二氧化碳、水、ATP、C₃、C₅、光照、ADP、Pi、叶绿体基粒等概念，要求学生利用上述提供的概念和条件，建构一个概念图。学生中概念图往往忽略了暗反应的场所叶绿体基粒或被其它概念迷惑。较好的概念图如图八。

图八

（3）创造性概念图。教师参照生物学学科知识的特定范围，给出一个核心概念，让学生围绕这一概念，联想有关的知识、概念，创造性地构图。让学生在类比中联想、顿悟，使思维不断升华，从而产生创造的灵感，将零乱的知识穿成串、结成网，变成“集成电路”印在学生的脑海中，便于应用和创新。例如，在复习课中，教师要求学生以“酶”为核心概念建构概念图。学生经过自己画概念图、小组交流整合，最后创造性地画出“酶”的概念图，如九。

图九：酶的概念图

学生通过分层次的反馈训练和巩固，得到了整体的相互联系的结构化知识，内化为他们的自身能力，且能较快地迁移到同类心智操作活动中去。通过各种变式练习，学生可以掌握概念图的各种制作技巧，如点一线一面制作法、筛一排一联制图法和激活一联想法等。

（二）利用概念图评价学生对生物学概念的掌握程度

由于概念图评估具有传统评估所不具备的优点，即重视节点之间的联系和知识建构过程，作为一种教学和评估的有效结合点在国外逐渐成为一种评估工具，由教学转向了评估舞台，目的是期望能够通过画概念图将概念之间联系的可视化特征表现出来，从而测量出学生对概念的深层理解，评估学生知识结构。Joseph D.Novak认为概念图以科学命题的形式显示了概念之间的联系，它强调的是概念之间的层次结构和相互联系，因而能够反映被试掌握知识的组织特征。在概念图中生物学概念之间的横向连线越多，纵向连线越深，说明学生生物学概念的掌握程度越好，头脑中的知识结构化程度越高。显然，概念图能够直观而清晰地反映被试的认知结构。由于传统的评价方法只能考查学习者的离散知识，而概念图却能检测出学习者的知识结构及对知识间相互关系的理解。对概念图的量化评分的信度、效度及如何客观地评价等问题，专家学者仍在深入研究，对于概念图的评价，我们只是处在学习、模仿阶段。引导学生进行概念图的评价，只是希望学生能较规范地应用概念图的学习策略，在自我评价或互评时，进一步完善概念结构，形成反思的习惯。

1、实验测试方法

（1）实验抽样

本实验随机抽取某高级中学高二理科平衡班学生作为样本，实验班50人，其中男生29人，女生21人；对照班52人，男生32人，女生20。

（2）实验处理：

实验班：经过对概念图的有关知识及其意义的介绍，并进行概念图制作的培训和运用后，在实验班就开展利用概念图开展生物学概念教学的实践。应用概念图开展概念教学的具体策略：第一，在教师指导下，学生在学习每课的新内容时，首先预习课文，找出教材中出现的所有新概念；第二，教师以概念图技术组织课堂教学，运用各种有效的教学手段，让学生理解这些概念的基本含义，分析概念的内涵与外延，且把重点放在理解概念的各种关系；第三，引导学生进行充分的联系，可采用头脑风暴法，找出学生头脑中已储存的与这些概念有关的概念和知识，同时记录并整理，分析新概念与已有概念间的各种关系，按概念间关系的亲疏进行排列；第四，在教师指导下，学生开始建构某一命题下相关的概念图；第五，组织全班学生对某同学获小组的概念图，进行剖析，完善概念图，形成班级概念图。具体如图十。

图十：利用概念图教学流程图

对照班：传统的概念教学策略。具体措施：第一，让学生预习教材，尝试解决做课后的练习题；第二，课堂教学时，主要利用各种直观的教学手段，让学生理解生物学概念的内涵与外延，但不进行概念的联系和层次的分析；第三，课堂练习，布置课后作业。

（3）测试方法

首先，教师以“细胞”概念为例，用约10分钟的时间，向被试学生介绍概念图的理论、要素、做法及评分规则，然后要求被试学生用10min的时间，从“新陈代谢”这个概念出发，画出与植物的“新陈代谢”相关的概念图，如图3-9（测试学生制作的班级概念图）。这次测验主要参考结构评分法，由于主要想了解一段时间的概念图教学后的对学生的生物学的概念数量、概念的内涵与外延、概念图的制作的规范性及认知方式的等方面的影响情况。参考结构评分法的评分系统的部分操作，主要测试关于概念图的“节点数”（这次测验把具体的实例也纳入节点数）、“层级数”和“命题数”。

节点数：节点对应生物学学习内容中代表各种概念的重要术语名词，节点数的多少能反映了学生认知结构中关于所掌握生物学概念的“量”的多少。

层级数：生物学概念是按一定结构组织起来的，最高级的概念处在概念图的顶端，次高级的概念处在顶端的下部，再次高级的概念在距离顶端更远的地方与次高级概念产生有意义联结，所以概念图是具有层次性结构的，这种层次性结构体现了认知结构的渐进分化和整合（融会贯通）的特征。层级数能反映了学生认知结构中关于生物学概念相互之间关系的有序性、清晰性。

命题数：两个节点以一个带标注的联线连接起来，就构成了一个命题。联线代表一对概念（节点）之间的关系，而联线上的标注则说明了这是什么样的关系。命题数的多少反映了概念之间联系的紧密程度。

图十一：植物新陈代谢概念图

2、测试结果与分析

实验班与对照班被测各抽样30位学生（男15女15）所制作的“新陈代谢”概念图中节点数、层级数和命题数进行分析，如下表（抽样测试汇总表）