作者簡介：張玉峰，山東泰安人，北京市物理教研員，北京師范大學教育學博士。兼任中國物理學會中學分委會副秘書長、北京市競賽委員會副主任等。研究領域包括物理教學改進、學習診斷與評價等，在《課程·教材·教法》《教育學報》等雜志發(fā)表研究論文40余篇。

摘 要：概念深層理解的重要性早已是國際科學教育領域的共識。通過對北京市高二學生“靜電場”概念理解的測試，發(fā)現：高中生對物理概念的理解水平有待提高，缺乏在事實經驗基礎上經歷抽象、概括、推理的思維過程；缺乏圍繞核心概念整合具體概念之間的關聯(lián)，導致具體概念的碎片化；對概念的定性認識不夠，缺乏對引入概念必要性的理解；缺乏對概念理解過程的反思，沒有通過概念理解形成反省認知知識和程序性知識。為此，建議在課程、教學、評價等幾個方面，強化核心概念的統(tǒng)領功能，整合教學內容；重視學生認識從簡單到復雜的發(fā)展過程，一切為了學生的全面發(fā)展；關注學生差異，促進不同層次學生的認識發(fā)展。

關鍵詞：概念深層理解；層級；具體表現

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）8-0001-7

“理解（understanding）” 一直都是教育工作者追求的終極目標之一[1]，也是有效課堂教學的判斷標準之一。[2]概念深層理解的重要性早已是國際科學教育領域的共識。[3]

早在上世紀九十年代，美國就意識到其課程內容設置存在“一英里寬，一英寸深（a mile wide，an inch deep）”的不足，由美國科學促進協(xié)會推出“2061計劃”，并且制定了《國家科學教育標準》。美國科學促進協(xié)會制定的《科學素養(yǎng)導航圖》（ATLAS OF SCIENCE）一書在“前言”中明確指出，應該把學習目標看作是對理解的提高。并且進一步指出，不僅單個概念是重要的，而且概念間的相互支持也是非常重要的，有助于獲得對所有概念的綜合理解。

科學教育目標需要通過不同學科的教學得以實現。[4]概念理解是物理學習的重要目標，也是應用概念解決實際問題的前提；同時，也是影響學生物理學習興趣的重要因素之一。有研究表明：學生物理學習興趣不高的一個重要原因是學生對概念理解不透徹，沒有弄清楚物理概念的“來龍去脈”。[5]

但是，國內物理概念教學的現狀卻不能令人非常滿意，學生沒有深入理解物理概念，學習層級比較低，應用物理概念解決實際問題的能力沒有得到應有發(fā)展。[6]其主要原因在于： 概念教學不能讓學生實現科學概念的建構。[7]大多數學生并不能真正理解課堂上所學的知識，即使那些能夠在學校紙筆測試中取得好成績的學生，也不能將所學知識很好地應用于解決課堂以外的問題。[8]在物理教學實踐中，以概念的記憶和應用訓練替代概念理解的現象比比皆是。有研究恰恰指出，理解概念與應用概念解決問題之間并不存在顯著性相關。[9]

本研究擬在已有概念理解研究的基礎上，結合物理學及其教學的特點，建構具有可操作性的物理概念深層理解層級及其具體表現，以高中物理“靜電場”內容為例進行概念深層理解測試，并基于測試結果，分析概念理解存在的問題，提出有助于概念深層理解的具體建議。之所以選擇靜電場內容進行研究，是因為該內容不僅是物理教學的重點內容，還是教學的難點。[10]

1 文獻綜述與理論探討

概念學習與理解一直是教育心理學研究者們普遍關注的熱點問題。但由于研究目的不同，研究者們的研究視角、思路也不同。主要包括兩大類：（1）對概念學習與理解分類的研究，有研究者從學習過程的角度對學習進行分類，比如，皮亞杰的認識發(fā)生論提出了概念建構需要經過同化、順應、平衡等方式完成。[11]有研究者則從學習的復雜性角度對概念學習與理解進行分類，比如，奧蘇貝爾的學習分類理論，該理論提出意義學習，并指出意義學習是把新知識與已有知識建立實質性聯(lián)系的過程，屬于深層學習。[12]還有研究者也是從學習復雜度角度對學習進行分類，但出發(fā)點卻是為了方便教育目標的測量，比如，布盧姆的教育目標分類學對學習過程和學習結果的分類。[13]（2）對概念學習條件或者影響因素的研究，主要包括：自從上個世紀八十年代興起的概念轉變（conceptual change）理論，主要研究了從錯誤概念轉變到科學概念的條件、影響因素、類型等方面[14]；概念學習進階（learning progressions）理論則是最近10多年來逐漸興起的研究熱點，用來描述對概念的認識從簡單到復雜、具有層級的思維發(fā)展路徑[15]。在不同的研究背景下，理解具有不同的含義。[16]因此，給理解下一個統(tǒng)一的、明確的定義，或者描述它，都還是相當困難的。本研究基于概念理解測量視角，在綜合已有研究的基礎上，界定概念理解，并擬定概念理解層級及其具體表現。

1.1 概念深層理解的界定

本研究認為，概念深層理解是指個體弄清楚事實或者經驗與概念，以及概念與原有知識體系間實質性聯(lián)系的認知過程。根據理解內容或者結果的不同，可以分解為三個具體過程：（1）抽象概括過程，從事實與經驗經過抽象、概括，得出作為思維形式的概念的過程；（2）整合過程，把作為抽象思維形式的概念納入原有知識體系，與已有知識建立具有實質聯(lián)系的過程；（3）反思過程，對建立概念所使用的跨學科概念、科學思想方法等思維工具進行反思，以獲取反省認知知識。

需要指出的是，首先，這里的“理解”不同于“記憶”，因為“理解”需要在事實與經驗的基礎上歷經抽象概括、科學推理等思維過程；其次，“理解”意味著在不同事物或者其屬性間建立實質性聯(lián)系，而不是表面聯(lián)系；第三，概念理解與概念應用之間有關聯(lián)，理解有助于應用，應用能促進理解，但并不意味著理解了概念就能應用概念，反之亦然。

1.2 概念深層理解層級及其具體表現

已有測試（如PISSA、TIMMS、NEAP等測試）往往注重應用概念解決實際問題，而忽視了對概念理解過程及其影響因素的評價。但從教學診斷與反饋的角度看，需要了解學生概念理解的具體水平，在哪些環(huán)節(jié)存在問題，是哪些因素導致學生不理解或者錯誤理解等。endprint

因此，本研究以Knut Neumann等人在研究能量概念時提出的概念學習進階假設[17]為依據，結合物理學科自身的特點，建構物理概念學習進階假設。并以SOLO分類學習理論作為分析框架，擬定學習進階各層級的具體表現。物理概念深層理解層級及其具體表現如表1所示。

2 概念深層理解測試工具開發(fā)

本研究以高中物理“靜電場”內容為例，開發(fā)概念深層理解測試工具，開發(fā)過程如下。

2.1 確定關鍵概念

首先依據科學概念層級模型[18]，選取“靜電場”主題中的若干關鍵概念，如表2所示，以概念深層理解進階層級與具體表現框架作為工具，命制測試題。

2.2 命制初測試卷

依據物理概念深層理解層級及其具體表現，借鑒已有研究，命制初測試卷。本研究命制了靜電場核心概念及其具體概念的五份測試卷。測試卷涉及的概念、題目數量如表2所示。

依據概念層級及其具體表現框架，命制靜電場內容中各具體概念的測試題。

2.3 修訂并完善初測試卷

初測試題命制后，分別從三個層次的學校選取測試樣本（容量n=110人），進行初測，目的是修訂測試卷。根據測試結果，并結合對參與測試的學生和教師的訪談，調整測試題，為第二次測試做準備。

修改后的測試卷共有五套，涵蓋靜電場核心概念及其具體概念，總測試題數為101道。

3 概念深層理解測試對象與研究方法

3.1 測試對象

本研究選取北京市高二年級學生為研究樣本。為了提升測量的效度，采用分層抽樣，樣本容量n=462人。樣本由A、B、C等三所學校的高二年級學生構成。A學校是北京市首批示范校，該校在每年的高考中一類本科升學率一般可達到100%；B校為中等校，該校在每年高考中一類本科升學率一般為60%左右；C校為薄弱校，該校在每年高考中一類本科升學率一般為30%左右。A學校參加測試的總人數為265人；B學校參加測試的總人數為105人；C學校參加測試的總人數為92人。這三所學校所使用的教科書都是人民教育出版社出版的2003年課標教材。

3.2 研究方法

本研究采用測驗法測驗高中生物理概念深層理解水平，采用基于Rash模型的Winstep軟件和SPSS17.0社會學統(tǒng)計軟件分析測驗數據。

用Winsteps軟件對測試結果進行分析，如表3所示，測試題和樣本的信度分別為0.99和0.91，分離度分別為3.10和10.86。數據表明：從整體上看，測試卷和被試都具有較好的信度，是可靠的，測試卷和被試都具有較好的分離度。

在進行概念測驗的同時，自編半開放型訪談提綱，對教師和參與測驗的學生進行深度訪談。通過訪談調查，了解高中生概念深層理解存在的問題，分析與解釋問題產生的原因。

4 概念深層理解測試結果與分析

4.1 高中生物理概念深層理解的整體狀況

如圖1為測試的懷特圖?？梢园l(fā)現，從整體上看，高中生的物理概念深層理解水平不太理想，大部分仍然處于基于事實經驗的感性認識階段，缺乏對事實經驗的抽象概括，導致不能從多個角度理解概念，建立概念的數學表征，缺乏概念與其對應的核心概念之間的關聯(lián)。從概念理解各層級的比較看，學生在學習靜電場具體概念過程中，認識達到整合層級的學生比例較少，遇到的困難也是最多的；對概念層級的認識次之；其他依次為關聯(lián)層級和事實經驗層級。這一結果也定性驗證了本研究提出的靜電場概念學習進階假設。

進一步應用SPSS19.0軟件對概念學習各層級進行差異顯著性檢驗。數據表明：概念理解的各層級間難度均在0.05水平上達到顯著差異。這說明學生對靜電場概念理解處于不同層級。

圖2所示為達到靜電場具體概念學習各層級難度平均值的人數百分比，100%的學生達到“事實經驗”層級的平均水平；97%的學生達到“映射”層級的平均水平；90%的學生達到“關聯(lián)”層級的平均水平；68%的學生達到“概念”層級的平均水平；8%的學生達到“整合”層級的平均水平。

如圖3所示為概念深層理解各層級存在困難的人數百分比，可以發(fā)現，并不是所有的學生在所有“事實經驗”和“映射”層級均具有良好的表現，仍分別有19%的學生在這兩個層級上存在學習困難。因此，從整體上分析，高中物理靜電場教學的效果還有較大的提升空間，尚有接近30%的學生對事實與現象的抽象概括水平比較低，并未達到概念層級；絕大部分（92%）學生對靜電場概念的學習未達到整合水平。

上述測試結果與靜電場教學實踐經驗具有較大的一致性。在學習靜電場內容時，有少部分學生缺乏建立概念的事實和經驗，這部分學生往往不能建立場的概念，在遇到具體問題時仍習慣從電荷之間作用力的角度分析問題；有相當一部分學生即使知道了電場的概念，但由于靜電場內容的抽象性，仍然不能建立起描述靜電場性質的具體物理概念；只有較少數學生能整合靜電場內容，建立其靜電場概念的聯(lián)系、靜電場與場概念的聯(lián)系、靜電場概念與相關跨學科概念之間的聯(lián)系。

4.2 在概念理解各層級上表現出的學習困難

測試還發(fā)現了學生在靜電場學習中遇到的若干具體困難。下面分別對靜電場具體概念學習進階的各層級中發(fā)現的學習困難舉例說明，并結合個人教學經驗和長期的課堂觀察對學習困難的產生原因做初步探討。

（1）在事實經驗層級上表現出的具體學習困難

充足的事實與經驗是學生學習概念的基礎。五套測試題分別對若干靜電場具體概念建立的事實與經驗進行了考查。測試結果表明：大約15%的學生對建立概念的事實和經驗存在不足。例如，“靜電場測試四”的第3.1題是對勻強電場中電場力做功的考查，屬于建立電勢差與電場強度關系概念的事實經驗。測試結果表明：約有5%的學生并不能掌握此事實與經驗。endprint

根據測試結果，反思當前的物理教學實踐可以發(fā)現，出現此種結果的主要原因可能有兩個方面：一是新課教學中部分教師忽視了概念建構過程的教學，也不注意在學生的事實經驗基礎上引導學生建構物理概念，把主要精力放在了獲取作為結論的知識，而忽視了知識獲得的過程；二是從評價和習題訓練的角度看，更多題目側重考查學生應用知識對現象進行解釋或預測，解決問題，而考查知識建構過程的題目較少。

（2）在映射層級上表現出的具體學習困難

對概念物理意義的理解是物理概念學習的重要內容。本研究的五套測試題對物理概念的意義做了重點考查。測試結果表明：學生對物理概念意義的理解不太理想，大約有四分之一的學生對靜電場具體概念的意義理解不夠。這與測試預期存在較大差距。例如，“靜電場測試五”的第2題考查學生對靜電場意義的理解。學生對電場意義不能從力和能量兩個角度全面認識。

結合教學實際，分析出現上述測試結果的原因，這與高考、會考等利害性測試的測試內容可能有關系。這類測試一般不直接考查關于物理概念的意義，因此導致一線教學中對物理概念意義的學與教的缺失。

（3）在關聯(lián)層級表現出的具體學習困難

能說出靜電場具體概念與其他哪些概念有關，并能定性描述這些關系是具體概念關聯(lián)層級的主要學習內容。在靜電場具體概念學習進階的五套測試題中分別設計關聯(lián)層級的考查。測試結果表明：有少部分學生對個別靜電場概念的關聯(lián)層級認識仍有困難。例如，“靜電場測試三”的第3.1題考查學生是否能說出電勢和電場強度分別是從哪個角度描述電場的。測試結果表明：接近20%的學生不能正確作答。

從物理教學實踐看，出現上述情況的主要原因是：有些教師往往比較重視概念教學的結果，即概念的定義式，而對概念從事實經驗逐漸抽象、概括或者推理的得出過程重視不夠。

（4）在概念層級表現出來的具體學習困難

能區(qū)分反映場性質的物理量（如電場強度和電勢）和反映電荷在電場中所具有的性質（如電場力和電勢能），并理解它們的定量關系，是概念層級的主要學習內容。具體說來，電場強度、電勢、電勢差等物理量是描述場性質的；而電場力、電勢能等是來描述電場對處于電場中的電荷的作用的。在五套測試題中分別涉及了此問題。測試結果表明：有較大數量的學生不能區(qū)分表征靜電場本身性質的物理量和電荷在電場所具有的能或者所受的力。例如， “靜電場測試五”的第4.1題考查學生能否區(qū)分電場強弱與電荷在某點所受力大小關系。測試結果表明：相當多的學生不能區(qū)分電場強弱與點電荷受力大小。

出現此種情況的原因可能是多方面的，其中的一個重要原因可能是，學生學習中“死記硬背”的現象仍然是普遍存在的，學生記住公式后，并沒有真正理解其內涵，在實際應用中便出現了“硬套公式”的應答方式。

（5）在整合層級表現出的具體學習困難

測試結果表明：學生對靜電場具體概念之間關系的認識，以及具體概念與其對應的核心概念和跨學科概念都存在認識不夠深入或者錯誤認識。例如，“靜電場測試一”的第2題和第6題都涉及了對電場物質屬性的考查。測試結果表明：沒有學生知道電場屬于物質，并對電場和一般的實物粒子作出區(qū)分。

從當前高中物理教學的現狀看，出現此種情況的主要原因在于教師在教學中更關注知識點的教學，強調落實每一個知識點，而忽視知識點之間的聯(lián)系，忽視學生大概念的發(fā)展；與高考的指揮棒作用亦不無關系，在高考的考試說明中，物理知識被拆分成一個一個的知識點，而沒有闡釋對它們關系的要求。

測試結果還表明：較大數量的學生對概念得出過程所涉及的跨學科概念、思想方法等存在認識不清楚的現象。例如，“靜電場測試五”的第4.7題要求學生說出得出電勢差與電場強度關系所使用的數學方法和物理學研究方法。測試結果表明：只有大約10%的學生能說出部分方法，大部分同學的答卷是空白的。

從核心概念角度和具體概念學習需要的策略性知識分析，本研究認為，之所以出現這種情況，主要原因有兩個：第一，物理教學中往往更加重視具體概念內涵、外延的學習，特別是如何應用概念解決問題等方面的訓練，而相對缺乏建立具體概念與其對應核心概念之間的聯(lián)系等方面的內容。第二，物理教學中更加重視物理學知識本體的教學，而較少討論在獲取知識過程中所涉及的策略性知識，教師在教學過程中，特別是在概念教學過程中，更是較少明示概念學習過程中所涉及的這類知識。

結合物理教學的現狀，分析靜電場測試中反映出來的問題，概括起來看，主要還是因為當前的物理教學中仍然存在重結果輕過程，以概念應用替代概念理解等不良教學傾向。

5 基于概念深層理解測試結論的建議

通過對測試結果的分析，并結合對參與測試的學生和教師的訪談，本研究得出如下結論：

第一，高中生物理概念理解的整體水平不高，缺乏在事實經驗的基礎上經歷抽象、概括、推理的思維過程。在學習過程中，更傾向于死記硬背結論，而忽視概念得出的過程。

第二，高中生缺乏圍繞核心概念整合具體概念之間的關聯(lián)，學習結果往往表現為記憶了一些孤立的“知識點”，導致具體概念的碎片化，不利于形成良好的物理概念體系。

第三，高中生對概念的定性認識不夠，能記住概念的數學表達式，卻不一定能說明表達式的內涵，無法區(qū)分物理量的定義式和決定式。特別是對引入概念的必要性缺乏理解，不明白為什么引入概念。

第四，高中生缺乏對概念理解過程的反思，沒有通過概念理解形成反省認知知識和程序性知識，例如跨學科概念、物理學思想方法等。

基于上述概念理解的結論，為了更有效地促進學生對物理概念的深層理解，本研究為課程、教學、評價等方面提出如下建議。

5.1 對課程的建議

課程內容應該緊緊圍繞核心概念。核心概念與學生的生活實際緊密相連，對學生未來的學習產生更重要的影響，更容易遷移。選取內容時，應確定具體概念在促進核心概念理解中的地位與作用，從而做出合理取舍。同時，內容選取還應考慮到學生的可接受性，應基于實證，了解學生對概念的理解層級，而不是單憑經驗作出判斷。endprint

課程內容的呈現方式應該體現并促進核心概念的學習進階。第一，以核心概念學習進階為主線，安排具體概念的順序。第二，適當顯化跨學科概念、物理學思想方法、科學本質觀、STSE教育等影響概念學習進階的要素。這在某些版本的教材中已經有所體現，比如新課程人教版的“物理1”中已經以閱讀材料的形式呈現關于“變化率”的相關知識。

建議對選修與必修內容的安排作出適當調整，具體包括以下幾點：第一，在必修部分覆蓋力、熱、電、光、原全部內容，但主要側重核心概念較低層級的學習，幫助學生形成物理學的概貌；第二，以核心概念組織各模塊內容，兼顧各模塊內容量的均衡；第三，圍繞核心概念重新組織某些內容，比如2003年《普通高中物理課程標準（實驗）》中“物理1”模塊劃分為兩個二級主題：運動的描述、相互作用與運動規(guī)律。建議圍繞“運動與相互作用”核心概念整合上述內容，使其圍繞核心概念展開。建議課程標準中的內容標準參照美國新一代科學教育標準的呈現方式，劃分學習層級并明確具體表現，這有利于一線教師實踐操作，有利于教育評價部門對學生的學業(yè)水平進行評價。

教科書是最基本、最重要的課程資源之一，是課程標準的具體體現。建議：第一，在內容上體現不同層級學生的選擇性，真正落實以人為本的課程理念，為不同層次的學生提供幫助。第二，合理編排章、節(jié)內容，力爭圍繞核心概念，以核心概念學習進階為主線設計全章內容，以具體概念學習進階設計節(jié)內容。

5.2 對教學的建議

基于本研究的過程性體會和研究結論，提出如下教學建議。

第一，圍繞核心概念整合教學內容。整合教學內容時注意考慮兩點：一是核心概念的學習層級有哪些，具體某一層級的理解是通過哪些具體概念實現的；二是影響概念學習進階的要素有哪些，教材上的要素是否充分，還需要補充哪些影響理解的要素等等。

第二，注意引導學生逐漸梳理圍繞核心概念建構具有清楚的層級結構的概念體系。具有層級結構的概念體系并不是一蹴而就的，需要在學習過程中逐步完成。

第三，圍繞核心概念、基于具體概念學習進階進行課堂教學設計。

第四，教學前，切實考查學生的認知基礎，這是學生概念學習進階的基礎。所謂學生的認知基礎，具體包括學習前學生擁有的學科概念、跨學科概念、思想方法、實踐體驗、能力等。

5.3 對評價的建議

在評價的內容和形式上，提出如下建議：

第一，圍繞核心概念進行教學評價，也就是說，以評價促進學生對核心概念的理解。具體來講，關注兩點：一是評價的知識應該是物理學科的核心概念，而不是一些瑣碎的“知識點”，特別需要指出的是，盡量避免選擇與核心概念關系不大的一些偏、怪、難的知識點；二是評價的認知過程是“理解”，不能以考查“記憶”和“應用”替代考查“理解”水平。

第二，進一步重視形成性評價。已有概念理解評價往往更關注概念理解的結果，即“學會了概念能做什么”的評價。從“為了教學的評價”這一角度出發(fā)，建議關注概念理解的形成性評價，以獲取改進教學的有用信息。具體來講，關注兩個方面：一是概念學習進階的層級究竟是怎樣的，以概念理解層級的具體表現，設置合適的評價問題；二是概念學習進階的影響因素究竟有哪些，這些因素是如何促進學生概念理解的，以此作為依據，設置評價問題。

第三，測試內容和難度應該關注到不同層次的學生。評價的目的應該是促進（下轉第10頁）（上接第6頁）不同層次的學生都有所進步，而不單純是為了甄別和選拔學生。這就需要清楚地描述概念學習進階的不同層級及其具體表現。

參考文獻：

[1]Tina Blythe. The Teaching for Understanding Guide. San Francisco： John Wiley & Sons， Inc.， 1998： xi-xv，1-7.

[2]IOWA Department of Education. Characteristics of Effective Instruction [EB/OL]. 2012. http：//educateiowa.gov/index.php？ option=com_content&view=article&id=2102#tu. [2013-05-16].

[3]R.基思·索耶.徐曉東，等，譯.劍橋學習手冊[M].北京：教育科學出版社，2013.

[4]溫·哈倫. 韋鈺，譯. 科學教育的原則和大概念[M].北京： 科學普及出版社， 2011.

[5]鄧志祥.中小學生學習負擔過重問題研究[D].武漢：華中師范大學碩士學位論文，2008.

[6]徐寧.基于認知模式轉化的高中物理概念教學研究[D].北京：北京師范大學博士學位論文，2009.

[7]胡久華，支瑤.促進學生科學概念理解的教學設計[J].中國教育學刊，2006（9）：52-55.

[8]Ron Brandt. On Teaching for Understanding： A Conversation with Howard Gardner. Educational Leadership， 1993，4：4-7.

[9]Esther Bagno and Bat-Sheva Eylon. From problem solving to a knowledge structure： An example from the domain of electromagnetism. American Association of Physics Teachers. 2007（8）.

[10]蘇明義，等.普通高中物理課程分析與實施策略[M].北京：北京師范大學出版社，2010.

[11]施良方.學習論[M]. 北京：人民教育出版社，2000.

[12]施良方.學習論[M]. 北京：人民教育出版社，2000.

[13]L.W.安德森，等. 皮連生，主譯. 學習、教學和評估的分類學（布魯姆教育目標分類學修訂版）[M].上海：華東師范大學出版社，2007.

[14]吳嫻，等. 概念轉變理論及其發(fā)展述評[J].心理科學進展，2008，16（6）：880-886.

[15]王磊，黃鳴春. 科學教育的新興研究領域：學習進階研究[J]. 課程·教材·教法，2014（1）：112-118.

[16]Editorial. Teaching for Undestanding Across the Primary Curriculum.EVALUATION AND RESEARCH IN EDUCATION.2001（3）.

[17]Knut Neumann， Tobias Viering， William J. Boone etc. Towards a Learing Progression of Energy . Journal of research in science teaching. 2013， 50（2）.

[18]張玉峰. 科學概念層次分析：價值、變量與模型[J]. 物理教師，2015，36（11）：2-6.

（欄目編輯 廖伯琴）endprint