概念图在高中化学教学中的应用研究.doc
《概念图在高中化学教学中的应用研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《概念图在高中化学教学中的应用研究.doc（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
``
西南师范大学化学化工学院教育硕士论文
概念图在高中化学教学中的应用研究
刘 红 （2004年5月）
内容摘要：
传统的化学教学面临时代的挑战。
新一轮的课程改革旨在提高学生的科学素养，要求从目标到观念到内容到方法到评价等的更新。
概念图这种表征、检查、修正、完善知识的认知工具，将各种概念及其关系以类似于脑对知识存储的层级结构形式排列，清晰地揭示了意义建构的实质，在课程与教学设计、教与学、促进学生高级思维发展与问题解决、合作学习等方面应用效果比较显著。
但概念图在化学学科教学中的应用研究却比较少，为此，选择了概念图在高中化学教学中的应用这一研究课题。
首先在介绍概念图涵义及意义的基础上，寻找其相应的理论基础及自身的理论体系，结合高中化学的学科特点及学生的学习特点，较系统地探讨了概念图在高中化学教学中的功能，提出并归纳概念图在化学教学中的应用策略。
最后对概念图能有效提高教学和学习效果进行了初步的实验研究，研究表明概念图能有效促进学生学会学习，大面积提高学生的学业成绩，提高化学教学质量。
1.问题的提出
1.1概念图的涵义
概念图最初来源于20世纪60年代，由美国康奈儿大学诺阿克（JosephD.Novak）和古温（BobGowin）等人提出，他们在《学会学习》一书中，使用图形组织结构，称之为“概念地图”。
概念图的研究缘于Novak等人的A-T课题，他们发现一些低年级的儿童已经可以根据其对某一问题的理解独立画概念图了，于是在儿童能理解的诸如能量、细胞和进化等抽象概念的过程中进行了应用，很快他们又发现，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。
但概念图这一概念名词的确定却是在20世纪80年代。
1984年，诺阿克（JosephD.Novak）将概念图表述为：
概念图就是用来组织与表征知识的工具，是一种以科学命题的形式显示了概念之间的意义联系，并用具体事例加以说明，从而把所有的基本概念有机地联系起来的空间网络结构图。
它通常是将有关某一主题不同级别的概念或命题置于方框或圆圈中，再以各种连线将相关的概念和命题连接，这样就形成了关于该主题的概念或命题网络，以此形象化的方式表征学习者的知识结构及对某一主题的理解。
概念图又可称为概念构图（conceptmapping）或概念地图（conceptmaps）。
前者注重概念图制作的具体过程，后者注重概念图制作的最后结果。
现在一般把概念构图和概念地图统称为概念图而不加以严格的区别。
在后来的发展中，学者们又提出了诸多自己的见解。
如“概念图是一种用节点代表概念、连线表示概念间关系的图示法”等等。
归纳起来，概念图有如下几方面的特征：
第一、可视化特征概念图可从视觉上再现知识结构、外化概念和命题。
第二、表征性特征概念图可生动形象地反映出概念间关系的意义联系。
第三、结构化特征概念图以核心概念为中心，连接次一级的概念，并以这些次级概念为节点再连接下一层次的概念，构成一个分层次、多节点相互联系的网络结构。
2.2概念图在教学中的意义
概念图在教学中的意义主要体现在如下几方面：
第一、在教的方面，概念图作为一种教的策略，在促使教师从传统教学到科学教学的转变中有着重要的意义。
⑴有利于教师教学设计的明朗化
在课程与教学设计（如编写教材、教案等）中，使用概念图，能够以简明扼要的形式把要教的主要概念和原理表示出来，利用其层级结构给教材内容的呈现提供顺序，使整个教学设计直观、清晰。
⑵有利于教师教学内容的系统化和学科间知识的相互渗透
传统教学呈现的各部分知识往往是孤立的，而概念图的使用却可以使呈现的教学内容系统化，甚至整合各学科知识为一体。
康奈尔大学的Ednondson认为：
概念图在将内容图式化过程中，是一种有效的工具，可以帮助教师高效建构教学内容的知识结构。
唐晓杰在《近30年来教学研究的进展》中也说，示范将知识分类的策略，鼓励学生运用先行组织者及概念图建立联系。
⑶有利于教师摆正课堂教学中师生的“角色”
传统的课堂教学是“教师中心”，学生只是被动接受教师传授的知识，而概念图的使用却有利于学生自主建构知识，教师只需针对概念图作适当点拨，从而使学生成为学习的真正主人，特别是在科学学科教学中，能切实地提高教师的教学效果。
第二、在学的方面，概念图作为一种学的策略，在促进学生有效掌握知识、学会学习等方面有非常积极的作用。
主要体现在：
⑴有利于学生从整体上建构和把握知识概念图技术可以让学生在任何信息资源中抓住知识脉络，尤其在这个信息泛滥的世界，如互联网所提供的浩如烟海的信息中获取真正的知识，同时促使学生整合新旧知识，建构知识网络，浓缩知识结构，从而使他们从整体上把握知识。
概念节点、关系连线、层级结构、命题与实例能使知识内容轻松凸现、书越读越薄。
⑵有利于学生实施自主学习、探究学习和合作学习概念图的制作过程可促进学生思维的发散与集中，从而有效地改变学生的认知方式，引导学生进行自主学习、探究学习和合作学习，帮助学生学会学习，形成终生学习的意识和能力。
⑶有利于学生元认知能力的提高制作概念图的过程中，学生需要反思自己学习的过程，从而概念图还可以作为一种元认知策略，提高学生的自学能力和自我反思能力。
⑷有利于学生学习的意义建构JosephD.Novak在1977年和1988年都强调了概念图的认识论意义。
他认为，把知识划分为陈述性和程序性知识不利于对认知发展的清晰理解，往往造成知识与行为的脱节，其实，知识建构就是相对较高水平的意义学习，而搭建任一领域知识的基石就是概念和命题。
“概念好比构成物质的原子，而命题好比是分子”，概念和命题的数目是相对有限的，而它们构成的知识是无限的。
正是概念与命题的框架赋予了学习过程以意义。
概念图技术可超越有关陈述性知识与程序性知识的分类，促进学生的学习从机械学习向意义学习转变，进而促进学生学习的意义建构。
⑸概念图是人表征知识的经济方式当代认知心理学家关于人用来表征客观世界状况的三种基本形式的经验性研究表明：
困由于人的信息加工系统中，短时记忆容量有限，因此人必须具备表征知识的各种各样的经济方式，以适应这一系统结构的有限性。
人的知识是以减轻工作记忆负担的形式来表征的，而概念图正是一种有效的经济方式。
第三、在教学评价方面，概念图作为一种新的教学评价方式，是形成性评价的一种好方式。
传统的评价方法只能考查学习者的离散知识，而概念图却可以检测出学习者的知识结构及对知识间相互关系的理解，随时可使学生对自己的日常学习进行反思与评价。
让学生养成画概念图的习惯，教师便可及时了解学生学习的进展与诊断学生的问题，获得关于学生知识掌握情况的大量信息，很快发现学生对概念的理解程度和在理解概念过程中的错误，了解学生知识基础的全貌及缺陷，同时也促使教学评价从只注重结果的终结性评价转变为更注重过程的形成性评价。
总之，Novak在1985年、1991年及1998年的多项研究中证实，如果教师能把概念图用于教学设计，并在课堂中用作教学策略，而且也要求学生在学习过程中去建立概念图，获得应用并掌握，学生就能成功地把握科学意义，就能成功地对自己的学习进行监控。
另外，概念图对教学理论的丰富和发展也具有积极的理论意义。
1.3概念图研究现状
1.3.1国外研究现状
国外从20世纪60年代提出概念图到现在，相关的研究己经比较丰富和成熟。
如美国的《科学教育研究））杂志（JournalofResearchinScienceTeaching）在1990年第四季度专门出版了一期“概念图面面观”（Perspectivesonconceptmapping）。
在西方国家，概念图是中小学教学中很常用的一个方法，有着很好的教学效果。
随着建构主义理论的发展和网络学习的普及，概念图的时代特征更为明显，推广概念图已成为许多国家的教育改革策略之一。
国外对概念图的研究发展可以概括为以下几个特征：
第一、功能上的扩展，从评价工具到教学技能、教学策略。
概念图最初的目的是为了测定学习者已有的知识，所以它是一种评价的工具。
后来，人们发现作为工具的概念图，在教学上的意义远不止是评价原有知识和错误概念，它同时也是学习的工具、创造的工具、合作的工具、超媒体设计的工具、课程和教学设计的工具。
由于它蕴涵着丰富的教学功能，因而逐渐成为一种教学的技能和策略。
第二、范围上的扩展，从中观概念图到微观概念图、宏观概念图
概念图的制作总是要选取一段包含诸多概念的知识内容，为便于教学，所选的知识点包含的概念数目一般不是很大，于是把这样的概念图称为中观概念图。
但随着概念图功能的扩展，如在课程设计中，一个概念图所包含的概念数可以上百个，甚至更多，这样的概念图称为宏观概念图（macroconceptmaps）。
在宏观概念图中，选取某个概念再次利用概念图进行更详细的表征和说明，这样的概念图称之为微观概念图（microconceptmaps）。
随着电脑技术的发展，不但概念图的制作变得极为方便，而且还可为概念和命题提供超级链接，所以在电脑网络上，微观概念图一般存在于超级链接的文本中。
第三、领域上的扩展，从科学学科到其他学科、社会应用
最初概念图只应用于研究儿童科学知识的掌握，但很快，概念图的研究范围便超出了科学的范围而扩展到各个学科，甚至被社会上的方方面面所研究利用。
如新产品的设计、市场的开发、管理问题的解决等等，只要一个复杂的问题需要被明确的表达或解决，概念图便能显示出它在这方面的特殊功能。
在许多国家、利用互联网的技术优势，还可以在网上实行概念图的师生交互学习和同伴合作学习，一般由网络管理者（教师）提供知识内容和有关背景知识，要求各个网络终端（学生）制作概念图并递交，制作过程中可以通过BBS进行网上讨论和即时评论，以此促进学习者学会学习。
如果说概念图使知识由一维线性表征形式转变为二维平面表征形式的活，那么有了电脑网络技术的概念图已经把知识延伸为三维的立体网络空间，这不能不说是知识呈现的一次革命。
第四、技术上的扩展，从手工制作到电脑软件进行编制。
利用电脑软件制作概念图有许多优点，如修改方便，界面漂亮，可以直接打印，可以网上学习交流等。
市场上可以编制概念图的软件至今多达十几种，如map2.0、Inspiration、ActivityMap、MindManager、Mindman、AxonIdeaProcessors.0、CoCoSystemsDecisionExplorer等。
另外，据朱学庆向美国教育资源信息中心（ER工C—EducationalResourcesInformationCenter）的查询结果，从1984到2002年，以概念图作为研究对象的文献多达664篇，呈逐年增多趋势。
2000年，诺瓦克在互联网上发表文章认为：
[9]学校的教学变革总是太慢，概念图在接下来的一、二十年中，才会有实质性的进展。
除非教育部门下决心把概念图作为教学和评价的内容要求教师和学生，否则只能寄希望于未来。
看来，对概念图的认识、研究和应用还任重道远。
1.3.2国内研究现状
在国内的教育领域概念图研究不多见，较少有介绍概念图的文章。
以概念图为关键词，在“Google”上进行搜索和查询相关网页，发现跟概念图有关的文章多达一万多项。
但在这一万多项内容中，与教育教学有关的不过儿十项，与化学教学有关的更是极少。
以概念图为关键词，以“Google”或直接输入网址http：
刀www.lib.swnu.edu.cn查询CNKI学术期刊，搜索1994年一2003年的中国期刊全文数据库，查询结果为56篇。
其中94年3篇，95年2篇，96年9篇，97年7篇，98年3篇，99年5篇，2000年7篇，2001年没有，2002年10篇，2003年10篇，在56篇文章中，与教学有关的38篇，其中化学教学的仅占4篇。
另外，现刊文献查阅，笔者认真地查阅了从1994年至2003年共10年的《化学教育》和《中学化学教学参考》两种杂志，两种杂志各有一篇关于概念图的文章，分别是《化学教育》2003年第四期的“化学概念图在课堂教学中的应用”和《中学化学教学参考》2004年第1-2期合刊中的“概念图与化学教学中的学科渗透”。
虽然只有两篇，但却体现了概念图越来越受到化学教育教学工作者的重视。
如果对概念图的研究发展可以概括为介绍、引进、应用和研究的话，那么现时还处于介绍、引进阶段。
在国内各级书刊杂志中查询到的零星小篇幅论文只是简略的介绍概念图的含义、某项功用、某学科中的某一简单应用及实验研究等，再查询某些教学论、学习论、教育学、认知心理学书籍等也只是在某章的某节中理论性地简略提及。
总之呈现如下不足：
（1）缺乏较系统的理论综述，尽管都有理论介绍，但大部分都从某一角度出发简介某一学习理论，缺少综合的论述和综合的概念图自身的理论体系。
（2）概念图在学科教学应用的研究方面显得数量较少、也不深入，尽管物理、生物等学科教学的研究相对稍多一些，但化学学科教学的少，从学科教学的各方面系统化研究的更少。
（3）缺乏针对性和实效性，大都只是泛泛而谈，在学科教学中结合专业特点具体“怎样做”的研究少，在高中化学教学中的就更少。
1.4本研究的目的
第一、从心理学、教育学等科学中寻找概念图的理论基础，收集整理概念图自身的理论体系，较系统地探讨概念图在教学中的功能及意义。
第二、从高中化学学科特点、学生学习特点及教学实际出发，较系统地探讨概念图在高中化学教学中应用的策略及原则；
第三、对概念图在高中化学教学中的应用作初步的实验研究.。
2.概念图的理论综述
2.1概念图的理论基础
2.1.1认知主义学习理论
（1）早期认知学习理论
认知理论早期主要有格式塔心理学的学习“顿悟说”和托尔曼的“认知目的说”，格式塔心理学认为，“我们的思维是一种整体的、有意义的知觉，而不是各种映象的整合”，强调“所看到的情境是一个有意义的整体”。
托尔曼则强调“行为的目的性和整体性”。
概念图中强调概念间相互的联系，而不是孤立的单个概念理解，也可以说有他们的这种整体观的痕迹。
（2）皮亚杰（JeanPiaget）图式学习理论
该理论认为，知识既不是客观的东西，也不是主观的东西，而是个体在与环境交互作用的过程中逐渐建构的结果。
个体的认知图式是通过同化和顺应而不断发展，以适应新的环境。
一般而言，个体每当遇到新的刺激，总是试图用原有图式去同化，若或成功，便得到暂时的平衡，如果用原有图式无法同化环境刺激，个体便会作出顺应，即调节原有图式或重建新图式，直至达到认识上的新的平衡。
学习是一种能动建构的过程，在皮亚杰看来，学习并不是个体获得越来越多外部信息的过程，而是学到越来越多有关他们认识事物的程序，即建构了新的认识图式。
学习是基于学习者的经验进行意义建构的过程。
而概念图的制作从某种角度来说就是一种图式的建构，以原有的概念或命题逐步吸纳、扩展新的概念或命题以连成知识网络，这和图式理论是相吻合的。
（3）布鲁纳（JeromeSeymourBrune）认知结构学习理论
布鲁纳认为，学习包括三个几乎同时发生的过程：
（1）习得新信息。
这种新信息常常是与一个人己有信息相背的或是己有信息的一种替代或是已有信息的提炼。
（2）转换。
人们可以通过外推、内插或变换等方法，把知识整理成另一种形式，以便超越所给予的信息。
（3）评价。
检查我们处理信息的方式是否正确。
学习的实质是一个人把同类事物联系起来，并把它们组成赋予一定意义的结构。
学习是认知结构的组织和再组织的过程。
知识的学习就是在学生头脑中形成各学科的知识结构。
这种知识结构是由学科中的基本概念、基本思想和基本原理组成的，这也是概念图所强调的概念或主题的结构化和网络化。
此外，布鲁纳还提出了动作表征、映象表征、符号表征三种认知表征系统，应用于教学中就是要把知识转化成最容易接受的形式教给学生，在这一点上，概念图既有映象表征也有符号表征，学生更易接受。
（4）奥苏贝尔有意义学习理论
奥苏贝尔（DavidP.Ausubel）于1962年第一次提出关于人的学习的认知理论，并在第二年发表的《有意义的言语学习心理学》一书中对该理论作了精辟的论述。
奥苏贝尔认为，人的学习应该是意义学习，影响学习的最主要因素是学习者己掌握的知识，当学习者有意义学习的倾向，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。
有意义学习是指通过理解学习材料的意义联系而掌握学习内容的学习。
有意义学习的实质是，文字或符号代表的新观念与学生头脑中的相应观念建立非人为的、实质性的联系。
这里的非人为的联系是指所学的观念能与学生头脑中己有观念的联系；这里的实质性联系，是指把握新观念的实质，其表现是学生能用不同的但等值言语表达同一个观念，而非逐字逐句的回忆。
所以，影响课堂教学中意义学习的最重要因素是学生的认知结构。
也即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出的事实、概念、命题、理论等构成的。
这也就要求一要注意学生认知结构中能与新教材建立联系的有关概念是否可利用，如果能利用这些概念，就为学习和记忆新教材提供必要的固定点。
二是这些概念与要学习的新概念之间区别的程度如何。
三是认知结构中起固定点作用的概念是否稳定、清晰。
而这些正是作概念图要思考的内容和要达到的目标。
奥苏贝尔还认为，知识是按层次结构组织起来的。
概念有不同的深度，非常笼统的概念包含着不太笼统的概念，而不太笼统的概念中又包含非常具体的概念。
于是，概念图是具有层次结构的，最高级的概念处在顶端，人们可以用适合的关联词来说明不同层次的概念之间的关系，并确定不同分支之间的横向联系，这体现了认知结构的渐进分化和融会贯通的特征。
由于概念图的提出和发展正是基于上述的奥苏贝尔有意义学习理论，因此，奥苏贝尔有意义学习理论既是概念图的来源，更是其理论及发展应用的强有力支撑点。
后来，概念图的初始研究者Josed.Novak（2000，IT）还提出，意义学习需要三个条件：
第一，将要学习的材料必须是概念清晰且以语言及学习者先前知识有关的例子呈现的，概念图有助于满足这一条件。
它可以在教学之前识别出众多具体概念中较大的慨括性概念，并帮助学习者把学习任务排序，那么，随着越来越多的知识被纳入不断完善的概念框架中，知识也就变得越来越清晰。
第二，学习者必须拥有相关的先前知识。
要想在学习以后的学科中呈现详细具体的知识的话，必须精细清晰地建构概念框架。
第三，学习者必须选择有意义地学习。
直接控制这一条件的教师或指导人员，应激发学生要努力把新的意义并入已有知识中，而不要简单地记忆概念定义或命题陈述或计算步骤，由此让学生来选择意义学习，以此鼓励概念图的应用。
（5）信息加工学习理论和现代脑科学
信息加工学习理论认为，为了尽可能使学生在短时间内学习较多知识，’我们必须把知识组织成有意义的块状，减少机械学习”。
所谓组块就是在记忆中把许多小单位组合成较大单位的信息加工过程。
心理学家们认为，尽管我们记忆同时出现的一系列信息的能力是有限的，但如果把一些信息组织成块，不仅可以大大提高并保持记忆，而且可以增加信息摄取量且组块中所包括的信息量可以是很不同的，信息编码不仅有助于学生的理解，而且也有助于信息的储存和提取，教师可以帮助学生使用各种策略来编码。
概念图从某种意义上说，也是信息的加工组块。
现代脑科学研究表明，人类记忆不是一个有待填充的“容器”，而是一个由相互关联的记忆系统构成的复杂装置，人的大脑是有大约140亿个神经元组成，每个神经元都与其他的神经元形成功能网络，人类对大脑的认识己经发展到泛脑网络阶段。
泛脑网络学说认为，人的大脑可从宏观到微观分为回路、神经元群、神经元及分子序列四级层次的网络，人的学习、记忆和思维正是通过这样一个网络系统来进行的。
概念图的结构特征充分地符合了这一人脑的生理机制，概念图之所以能强有力地促进学习是因为它可以作为一种模板，去帮助组织知识并使之结构化，哪怕是碎小的、肢离的知识，有了这块模板，就可以用小的彼此相关的概念及命题的框架单元把这些知识组织成结构。
2.1.2建构主义学习理论
建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情景中，借助学习获取知识的过程及其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得，获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力。
具体有如下几点：
第一、学习是学生自己建构知识的过程，学习不是简单被动地接收信息，而是主动地建构知识的意义，这种建构是无法由他人来代替的。
第二、学习是根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理，从而获得意义，外部信息本身没有什么意义，意义是学习者通过新旧知识经验的反复的、双向的相互作用过程而建构成的。
第三、学习意义的获得，是每个学习者以自己原有的知识经验为基础，对信息重新认识和编码，建构自己的理解。
学生原有的知识经验，会由于新知识经验的进入而发生调整和改变。
第四、同化和顺应，是学习者认知结构发生变化的两种途经或方式，同化是认知结构的量变，而顺应则是认知结构的质变。
学习包含了新旧知识经验的冲突及认知结构的重组。
作概念图的过程也就是学生主动建构知识的过程，学生阅读学习内容并在自己原有的知识经验基础上回忆、联想，列出主要概念并思考其相互联系，对他们进行标注和实例说明以形成可视化的网络结构图，这就是实质上的有意义学习的建构。
由此可见，建构主义学习理论也是概念图的有力支持者。
2.2概念图的基本理论
2.2.1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（hierarchicalframeworks）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。
2.2.2概念图的基本模型
应用模型：
（见下页图一）
首先，概念按照一般性程度从大到小的顺序排列，最为一般性的概念写在最顶端，向下依次为次一般性、较为具体的概念，这样排列就形成一种概念等级。
其次，概念之间用线和词语连接起来，这些连接词可以看作概念之间的联系，连接线还刻画这同一等级的概念之间，即概念之间既有纵向联系，又有横向联系。
概念图的表征形式大致可分为：
放射状（树状）、层次、框图。
2.2.3概念图的
升级会员 