本章教学目标
1.知道概念图的构成要素。
2.阐明概念图在科学教学中的应用。
3.知道概念转变的模型、方式、教学过程及教学模式。
4.编制概念转变的教学设计方案，进行教学实践。
第一节 概念图与科学教学
概念图产生于1972年，诺瓦克（J·D·Novak）和高文（B·Gowin）根据奥苏贝尔（D·Ausubel）的认知理论发明了一种图式的工具来描述一个人的概念知识（conceptualknowledge），引导学生将新学习的概念与前概念图式沟通。所以概念图代表着某种主张（proposition）的一组概念，这些概念代表着某一事物或事件的常规，概念与概念之间则由一些文字所联结，以形成一个主张；亦即，概念图主要是用来作为描述概念之间关系的表征结构。
由于概念图不是从定义出发，而是强调从事物的关系中把握概念本身，关注的是事物的整体性和复杂性，因此，利用概念图可以建构出特定知识领域的结构。再加上科学理论特有的概念系统，以及概念、原理之间严密精确的关系，其与日常生活和社会生活现象的距离等等，都使得概念图在科学教学中的应用研究中不断得到重视。
一、概念图（concept map）与概念构图（concept mapping）
在教学研究领域，概念并不是传统意义上的简单的文字定义，而是包含了能够反映事物各方面属性的一个关系总和。因此，概念与概念间的关系成为了概念学习的关键所在，而概念图则是一种通过运用图示的方法来理想地展示概念与概念间关系的可视化工具。
1.概念图的定义
概念图可以这样描述：“用图形化的形式显示概念或多个概念之间的联系方式。”诺瓦克和高文指出：“概念图是一种能形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的结构化图形，它由节点（概念）和连接节点的线段（关系标签）组成，能清楚地表达某一命题中各概念节点间的内在逻辑关系。”概念图是用来组织和表征知识的工具，是一种以科学命题的形式显示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。
2.概念图的构成要素
节点（又称结点）、连线、连接词和实例是概念图的四个基本构成要素，如图6‐1‐1所示。
其中，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。如图6‐1‐2中的“是”，“包括”，“表征”等。实例：概念图不应只是一些抽象的概念，而应有具体感性的事例来丰富和加深学生对概念的认识与理解。当然，有些概念图除上述四个基本构成要素外，还可以有其他特定的构成要素。例如，单概念图的构成要素中，其中就包括有定义的特征项、有关特征项、例证信息、上位概念及相关联系等。
3.概念图的图表特征
从图6‐1‐2，可以清晰地看出概念图的基本特征，包括了概念（concepts）、命题（propositions）、交叉链接（cross‐links）和层级结构（hierarchical frame‐works）四个基本特征。概念是指同类事物的共同属性，通常用专用名词或符号进行标记；命题是两个概念之间通过某个连接词而形成的意义关系；交叉链接表示不同知识领域概念之间的相互关系；层级结构则是概念的展现方式，有两层含义：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，而具体的事例位于图的最下层；二是指不同层面的层级结构，即不同知识领域的概念图就某一概念实现链接。
4.概念构图
概念构图即是在教学前后给予受试者一组概念，然后要求受试者运用适当的联结语将这些概念联结起来，形成一幅概念图，教师可从中探测出学生的知识结构及迷思概念来。二、概念图的制作
概念图与其他教育原理和理论的很大不同点就在于它的工具性和实用性，概念图首先就是以一个教学工具的身份出现的，而后才有了与之相关的教学理论。因此，如何制作概念图则成了概念图研究中不可回避的话题。
（一）概念图制作方式
概念图的制作方式主要有传统的手工制作方式和现代的软件制作方式。
1.传统的手工制作方式
概念图最初由诺瓦克于20世纪60年代发明，限于当时的科技水平，概念图主要通过手工绘制而成。学习者首先将概念写在卡片上，通过对卡片的排列确定概念间的层级关系，然后用连线对概念进行相互关联，并在边线上注明概念间的关系，最后将所展现的关系通过笔纸作于图上。
2.现代的软件制作方式
随着计算机技术的发展，概念图软件的出现解决了以往手工制作概念图的不便与缺点，诸如不易修改、操作烦琐、图形单调、缺乏师生的互动与反馈、不易实现大型概念图等，同时网络化赋予了概念图软件超媒体链接，不同地域资源共享，以及师生的远程教学等时代特征。
目前国内外制作概念图的软件众多，其中主要有Cmaptools、Inspiration、Kidspiration、MindMapper、Visio和我国自己开发的易思-认知助手。
（二）概念图制作的基本步骤
诺瓦克在《学会学习》一书中详细地介绍了通过笔纸和卡片制作概念图的过程。随着计算机技术的发展，人们已经开发了不少便捷的平台，这样，概念图的制作主要通过计算机来完成，诺瓦克提出的过程可以完全通过计算机操作来实现。比如，计算机可以完全替代卡片、边线等物件，并且能够灵活地在计算机屏幕上进行操作。但是无论采用什么工具，概念图制作的基本思路和步骤还是类似的。
通过研究对比，我们认为制作概念图可以通过以下基本步骤来完成。如图6‐1‐4所示。
1.选取一个知识领域，列出相关概念
学习制作概念图，首先要选定某一知识领域（教材的某一单元章节或者某一主题），然后让学生写出自己认为与此有关的相关概念，并说明理由，将其中无关概念删除。概念图的结构与其所要运用的情境关系很大，因此最好选取学习者试图理解掌握的一个关键概念、某个实验活动，或者某个实际的问题，让学生熟悉这些概念，以便于确定概念图的层级结构。
2.选定关键概念，内化排序结构
在选定知识领域，写出相关概念后，对列出的相关概念进行排序，按照从具体到抽象、从一般到特殊、从边缘到核心的原则，最终确定核心概念，形成概念间的层次结构，并在概念之间标记或包含、或并列、或对立、或融合等关系。
3.拟定概念图的纵横向关联
在初步梳理了上下位的相关概念之后，进行纵横向的排列组合，使其形成一个概念网络，概念之间的联系有时很复杂，特别是交叉链接，它是不同知识领域之间的相互关系，这就需要学习者的横向思维，同时也是发现和形成概念间关系、产生新知识的重要一环。因此，它是判断一个概念图好坏的重要标准之一。
4.建立概念间连接，绘制概念图
在确定了纵横向关联之后，在相关的连接上用连接词标明两者之间的命题关系，这样同一领域及不同领域中的知识通过某一相关概念连接起来了，概念图就初步制作完成了。在进行连接时要注意：一定要精选连接的概念，且要慎重考虑连接词，连接词不能用句子；找到概念图不同部分概念之间的相互关系，这样可在概念图上形成不同层级概念间的超链接。
5.反思、修改和完善概念图
在初步制作完概念图后，随着学习的持续深入，将不断会有新的概念加入原有的概念图，而已存在于概念网络的概念也会不断被修正和改变。因此，概念图将会随认知的变化而不断地进行修缮。正如诺瓦克所说的那样，一张好的概念图往往需要修改三次以上。
二、概念图在科学教学中的应用
如前所述，概念图是一种表征、检查、修正、完善知识的认知工具，它把知识高度浓缩，将各种概念及其关系以类似于脑对知识储存的层级结构形式排列，清晰地揭示了意义建构的实质。在科学教学中，科学概念之间有着严密的逻辑关系，其中包括从一般到具体的序列关系及渗透的网状关系。概念图对科学概念教学有着尤为重要的作用和意义。
（一）概念图作为一种评价工具
概念图最初的目的就是为了测试学生已经具备的知识，所以它可以作为一种评估的工具。一些研究者认为，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，而无法测验学习者的知识结构以及对知识间关系的理解，概念图则可以检测出学生的知识结构以及学生对知识间相互关系的理解情况。
作为一种评价工具，概念图主要有如下应用：第一，探测学生的前概念；第二，评价学习者概念的转变与发展；第三，评价结果。
1.探测学生的已有概念
就如同奥苏贝尔所说的：“学习者目前已知道的是什么？”对有意义教学而言是很重要的，因为有许多研究指出：学习者是带着不同学习经验和知识来学习新的知识的。因此，教师在教学前应如何了解学生既有的知识，并且深入探测或修正其原有知识的迷思概念，便成为教学上的一个重要课题。从学生的概念图中，教师可以发现学生头脑中存在的已有概念，而这些在传统考试形式中不能很好地外显出来。在此，我们以一个具体的例子来说明。一个学生所做的概念图。从该概念图，我们可得到以下判断：这位学生认为磁铁能吸引金属，实际上，磁铁不能吸引所有的金属，可见，其对此概念理解不完全。其次，异性相吸，但这位学生描述了北极和南极都吸引北极。从学生的概念图中，教师可发现学生存在的迷思概念，并依此采取相应的教学补救措施。
2.评价概念的转变与发展
贝尔拜克（B·A·Beyerbach）的研究发现，在使用概念图去考察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价概念的转变及发展。
“有限的概念图”为例。在与教师、学生讨论后，这位学生重新绘制了关于磁铁的概念图，如图6‐1‐6所示。可见，图6‐1‐5中的北极与北极吸引已改为北极与南极吸引，在南极与南极、北极与北极之间作了排斥的联接，学生已发生了概念转变。而且，涵盖了许多新的概念，如暂时磁铁、永久磁铁等。可见，与原有概念相比，学生概念得到了发展。
3.评价结果
概念图可以为我们提供一个观察学生如何组织知识的窗口，与传统的学业成绩评价手段相比，概念图评价方法最突出之处在于，“概念图评价学生对科学知识的理解，概念图提供了一种有效敲击学生思维维度的途径。”通过对学生概念图的评价，教师可以深入了解学生的知识结构，发现错误概念和错误理解，用较少的凝缩在概念图中的言语来了解大量的信息。概念图可以体现出学生理解知识的方式，概念图中呈现概念数、连接词语的质量、例子的多少，都能体现出学生知识掌握的数量和质量，因此利用概念图可以评价学生知识的水平。
诺瓦克与高文制定出了以概念图进行评估时的评分准则，依据学生与专家在命题、层级、交叉联结及举例等部分的得分，来判断两个概念图间一致程度的高低。
此外，教师本身也可以根据学生用来构图的概念，自行建构一份标准的概念图，并且根据上述评分原则予以自我计分，以作为比较或评分的参照。再将学生的概念图分数除以该标准概念图分数，求出一个百分比值，以作为进行比较学习是否有进步的参考依据。或许，对于少数颇具创造力的学生而言，他们的概念图可能绘制得比标准概念图还好，因此，他们所获得的百分比值可能超过100%。这里以诺瓦克和高文所举例子，具体分析诺瓦克与高文所提出的概念图的计分。
在本例子中，共有4个阶层，每个阶层以5分计算，共得20分；有效且重要的命题，共有14个，每个以1分计算，共得14分；其中的交叉联结有两项，每项以10分计，共得20分；最后，本例共举出4个例子，每个例子以1分计，共得4分；所以，总共加起来，共得58分，这便是本例子的评价分数。
自从诺瓦克给出了概念图的评分标准后，许多研究者在用概念图评价时对原来的记分标准有所变革，出现了多种概念图记分方法。如马卡姆（K·M·Markham）从学生概念图的六个方面记分：“概念的数目——被认为是学生对某一领域知识了解程度的象征；概念间的联结——被认为是学生对某一知识了解程度的另一个象征；分支——被认为是学生对知识的理解所达到的分化程度的象征；等级层次——被认为是知识分类的象征；交叉联结——被认为提供了知识综合的象征；实例——被认为是学生掌握领域知识的象征。”
