兒童樸素物理學的錯誤概念及影響概念轉換的因素

摘 要 建構主義的學習觀認為，新知識的學習總是建立在舊知識的基礎上，新舊知識經驗進行雙向交流。兒童在日常生活中形成的自發概念是科學學習的重要基礎，而其中與基本科學理論不一致的錯誤概念阻礙了學習過程。該文概述了兒童樸素物理學的錯誤概念研究，探討自發概念的結構及其爭論，并總結了影響概念轉換的重要因素，包括認知沖突感，元認知和動機因素，認識論信念因素等。

關鍵詞 樸素物理學，錯誤概念，自發概念，概念轉換，認知沖突。

分類號B844

1 研究背景

建構主義者提出，兒童的科學學習并非從零開始，而是對原有知識經驗進行建構，此過程通過新舊經驗之間雙向反復的相互作用而實現^[1]。在接受系統的科學訓練前，兒童的日常經驗使他們對客觀世界的各種自然現象初步形成了自己的看法和解釋，從而建構了大量自發概念（naiuml;ve idea），一些研究者也稱之為樸素理論（naiuml;ve theory）^[2，3]。自發概念中有的部分與科學概念相容，為以后接受科學知識打下基礎，奧蘇泊爾稱之為新知識的固定點或先前知識；另一些卻與科學概念相沖突，被稱為“錯誤概念”（misconception）。錯誤概念具有廣泛性、隱蔽性、頑固性等特點。不僅是兒童，就算是在接受了正規科學教育的成人頭腦中也屢見不鮮，因為這些概念通常能“解釋”一些表面現象，符合直觀觀察，所以在他們的頭腦里是“合理的”。目前兒童樸素理論研究多關注自發概念中與科學概念相容的部分，但本文將重點探討其與科學概念相沖突的錯誤概念的研究，目的不是強調其“錯誤”，而是意在探究兒童的自發概念向科學概念發展的過程和機制。

兒童錯誤概念在樸素物理學，樸素生物學以及數學認知等多個領域都有體現：在樸素生物學領域有研究發現，有的幼兒認為體形小的動物如小金魚不會長大，而其它魚可以長大^[4]。還有對于死亡、遺傳、疾病等概念的研究都發現了兒童的錯誤概念廣泛存在^[5]。在數學領域，研究者考察了兒童對分數^[6]，線性比例^[7]等概念的認識。當然進行得最廣泛最詳盡的，當數兒童的物理學認知研究。

2 樸素物理學的研究范圍

樸素物理學是指人們對物理實體、物理過程、物理現象的直覺認識^[5]。兒童用自發概念解釋和預測身邊的物理世界，同化和順應外部世界的刺激，但這些憑感性經驗得來的知識與當前的基本科學概念卻多有沖突，比如：重的物體比輕的落得快讓人覺得力是重物體本身的屬性；太陽東升西落的軌跡使兒童對天圓地方的地心說深信不疑；影子總是在有光的時候出現且是黑色的，所以兒童以為影子就是黑色的光^[8]；糖溶于水中消失，使兒童認為最終溶液的重量會少于糖加水的總重量^[9]等等。

目前的研究考察了兒童對物理學各個分支的基本概念認知，如力和運動、能量、熱、光、聲、電、天文現象等，其中又以對力學概念的研究最為詳盡。皮亞杰對此做了開創性研究，得出兒童對力有6種類型的認識：力就是運動；自己能動的東西就有力，反之則無力；力是有意圖有價值的動作；力是搬運物體的動作；能持久支撐就有力；力和大小輕重有關^[10]。Duit R曾對“學生關于力的錯誤概念”為研究主題進行統計，發現僅1979~1987年就有將近兩千篇論文發表^[5]。其中，Clement的拋硬幣實驗極具代表性。實驗要求被試在忽略空氣阻力條件下，用箭頭表示硬幣被拋向空中時，上升和下落階段各自的受力情況^[11]。如圖1所示。

近90%的被試認為硬幣受兩個力：一個是重力，一個是“拋力”。上升時拋力大于重力，下降時重力大于拋力。令人驚訝的是這些被試還是大一的工科學生！

我們將常見的力學錯誤概念與牛頓三大定律相對照，總結得出人們一般會錯誤地認為：①慣性也是一種力，它使物體保持運動軌跡不變，比如作圓周運動的物體，撤銷外力后依然作圓周運動； ②力是產生和維持物體運動的原因，比如認為物體靜止時就不受力；力的方向決定物體運動方向，力與速度成正比 ；③作用力存在于主動施力者，比如只有人和動物才有力；作用力和反作用力存在于同一物體上。這些錯誤概念深受“力產生運動”這一直觀觀察影響，生活中無處不在的此類現象讓人們形成這一樸素概念，使得從亞里士多德到中世紀的沖量理論，都具有本質上相同的錯誤。錯誤概念的頑固性可見一斑！

國內有研究者考察了學前兒童對具一定初速度的物體下落軌跡的判斷^[12]，讓幼兒畫出飛馳的汽車掉下陡坡時的軌跡。歸納出4種情況：垂直下落型，沖力型，滑梯型，類拋物線型。

大多數的幼兒處于“垂直下落型”，少數能達到“類拋物線型”； “沖力型”是按先后順序分別考慮初速度和重力，“滑梯型”的則能將二者綜合考慮。隨著年齡增加，垂直下落型逐漸減少，沖力型增加。

在對兒童樸素天文學的研究中，Vosniadou通過讓兒童自由畫出或用橡皮泥塑造地球形狀的方式^[13]，以及迫選或開放式提問的方式^[14]，總結出兒童頭腦中主要有五種地球模型：矩形，碟形，雙地球模型（人生活在平面的地球上，而說的那個“地球”在天上），中空球形（人生活在球內所以才不掉出去，天空就是空心部分）和扁球形（球的頂端是平面）。顯而易見在這些概念中，很多是科學概念和日常經驗的糅合：兒童既想符合科學描述的球形、旋轉天體的地球，又固守已有的日常觀察：大地是平面，支撐萬物，天空和日月星辰都置于大地上方。

關于晝夜更換和四季更替的研究得出：一些兒童認為太陽和月亮分別固定于地球兩側，地球自轉而產生晝夜；或地球固定，日月繞地旋轉^[15]。

兒童錯誤的物理學概念種類繁多，此處不再列舉。研究者們并未停留于對現象的描述，而是進一步展開對自發概念的本質結構的探討，對其結構是一致還是零散的問題上，分化出兩種意見。

3 自發概念的結構爭論

為了更好解釋錯誤概念的成因，我們首先需要了解兒童的自發概念本身的結構。對此產生了一致性和零散性兩種不同觀點。

3.1一致性觀點（coherence）

皮亞杰認為兒童認知能力的發展都受到一個共同結構，即“數理邏輯結構”的制約，它幾乎影響著兒童認知發展的每一個方面。雖然目前許多有關樸素理論的研究不同意邏輯結構的強制約性，而是強調各個知識領域經驗的重要性和特殊性（domain specific），但他們仍認為自發概念具有類似理論的組織結構（theory-like）和緊密聯系的特征（compactly characterizable）。

Vosniadou等提出的框架理論（framework theory）認為，兒童通過日常觀察自發形成了一些穩定的“前提假設”（presupposition），并由此衍生出具體理論（specific theory）來解釋或預測具體問題^[16]。比如兒童對地球形狀的假設前提是：空間分上下兩極以及物體如果沒有支撐就會掉下來。由此他們就得出地球是平面的概念，因為如果地球是球型那么人們豈不因為沒有支撐都掉出去了！

其他研究還表明從學前兒童到高中生，有近90%的被試穩定地只用一種力概念（盡管是錯誤的）來解釋27個不同場景的題目，充分說明了基本框架的制約作用和自發概念在各種問題情景中的一致性^[17]。

Chi等從本體論角度提出物質、過程與心理狀態這3種根本的本體類別（ontological categories）^[18]，錯誤概念就是將對象錯劃到其他類別中，并且還具有其他類別的相關屬性。如把熱、聲音等看成是物質本體而非過程本體，進而認為它們具有重量、體積、永存性等物質本體的屬性。而將熱量和聲音正確劃歸到“過程”類別時，它們又獲得同時發生性、無始或無終等過程類別的屬性^[19]。

另外，理論論（theory theory）者從兒童的認知具有解釋和預測的功能角度來支持概念的整體一致性。皮亞杰還認為兒童對科學概念的認識過程和整個科學史的發展有平行關系，還有人將個體概念轉換和Kuhn的科學結構革命相聯系。雖然兒童概念轉變與科學理論的發展有某些相似，但我們也應注意到二者的關鍵性區別，主要體現在界定的明晰性，外部表征的不同和元概念意識（metaconception awareness）（科學家們很明確他們擁有什么理論）等方面 ^[20]。

3.2 零散性觀點（fragment）

兒童頭腦中的概念真的連貫一致嗎？有許多研究者對此提出異議。DiSessa在“零散知識”（knowledge in pieces）理論中運用“初始圖式”（phenomenological primitives ， p-prim）來闡明兒童的自發概念并非穩定一致，而只是一些局部、零散的知識成分^[21]，是一個個缺乏內在邏輯聯系的相對獨立的圖式（p-prim），但這些成分是接受其他知識的基礎。由于它們對相應情景做出表面解釋，因此同一現象可能會對應多種解釋^[22]。類似的，Minstrell將這些零散片段稱為facet，也強調其與具體問題情景緊密相關^[23]。

與Vosniadou對力概念研究結果不同的是，有研究發現學生對力的認識依賴于情景，他們對同一現象有著不同的解釋，且意識不到自己的矛盾之處。他們不能肯定自己的概念，而且還允許與其原有概念相矛盾的解釋存在^[24]。

Duschl從概念轉變的角度說明，因為概念轉變很可能逐步進行，所以自發概念中核心概念對具體概念的制約也未必如一致觀說的那樣強^[25]。從聲音和熱量概念的實驗也看到，當它們從物質本體類別下被重新劃分出去時，其物質屬性也是逐個消退的。

需要說明的是，本文雖然分析了以上兩種觀點的差異，但并不認為兩者就完全對立。事實上，一致性觀點不會說自發概念的結構就是鐵板一塊，零散說也不認為兒童頭腦的知識就完全雜亂無章。雙方在相互借鑒中逐漸細化自己的理論或者修正現有不足：對統一觀來說，具體概念到底在何種程度上受核心觀念的制約，反過來它又如何影響核心觀念的改變呢^[26]？對零散觀點而言，每個零散成分范圍究竟多大？有縱向研究實驗表明各成分有相互加強聯系的趨勢，那么該如何解釋成分間的相互作用^[21]？本文作者認為兩派的差異還有試驗方法的原因，比如被試選取跨度大（從學前兒童到研究生），研究范圍廣（從樸素物理學到樸素生物學）等因素，使得研究由于缺乏一個共同的基礎而難以比較。

4 影響概念轉變的因素

深入探究自發概念的結構是為了更有效地幫助兒童改變錯誤概念。雖然在概念轉換問題上，零散說偏重知識成分的擴充和相互聯系，將新知識納入現有知識，通過積累使之轉變；而一致性觀點則認為需重組原有概念來協調新舊概念的對立。可是概念轉換的過程漫長曲折，多有反復，比如講授的科學概念容易消退，且有高年級兒童在同一操作任務中成績差于低年級學生的現象。故簡單地運用某一派觀點還不能完全解決轉換問題，而綜合兩派觀點的“整合觀”似乎更為妥當。事實上雙方都將概念轉換分出若干種類和步驟，而這些分類就互有交叉，可相互補充。在概念轉換過程中，影響到轉換結果的還遠不止兩派爭論提出的問題，本文將論述認知沖突，元認知和動機，認識論信念等因素對概念轉換的影響，這些也是易被以往的概念轉換研究所忽視的方面。

4.1 認知沖突

有研究者認為：認知沖突（cognitive conflict）是人的原有圖式與新感受到的事件或客體之間的對立性矛盾，學習者需要對新信息或原有圖式做出調整以解決沖突^[27]。我們注意到有時沖突的兩個概念針鋒相對，但有的也可以如零散觀所認為的那樣并存，即只是因為考慮角度不同而沒有根本性對立。雙方都不能否認的是，能否明確體驗到認知沖突是影響概念轉換的重要因素。在教學中發現，憑著直觀感覺得來的自發概念在除學校教育以外的情況中被反復強化，使得很多學生僅在課堂才用科學概念思考（比如熱量和力概念），而其余時間還是自發概念大行其道，甚至有的學生根本未認識到自己的概念與科學概念有何不同！這當然不利于概念的轉換。

皮亞杰認為，只有當個體有能力解決認知沖突的時候，他才可能意識到這種沖突，這主要取決于兒童的形式推理能力，特別是對邏輯矛盾的判斷能力，但這樣的要求似乎過高。我們認為在個體具有這種能力前，還有很多信息反應出了兒童是如何對待這些沖突的，比如研究兒童對待反例的策略。研究者通過詢問幼兒有關水和煙霧流動的問題，列舉出兒童對待反例的以下策略^[12]：①忽略：根本無視反例的存在，也不嘗試解釋反例；②拒絕：會提出反駁理由。常見的理由有：認為獲得信息的方法存在問題，比如學生懷疑實驗儀器有問題；認為信息僅僅是一種隨機表現，反例只是碰巧發生；信息具有欺騙性，是實驗者的玩笑或斥之“騙人的”；③將反例排除于理論外，聲稱自己的理論不是用來解釋這些反例的；④將反例擱置一旁，保持沉默；⑤重新解釋反例，不斷增添“輔助假設”來重新解釋反例，從而保護自己的理論；⑥理論外圍發生變化，使得理論更加精細；⑦改變理論。

在前兩種情況中，兒童實際上還未體驗到沖突，也不存在改變自發概念。從第三種開始，兒童不再否認反例，認識到新舊概念的不同，但由于認知水平和其他個體差異的原因而對反例采取了不同的處理方式。值得注意的是，兒童盡管有沖突體驗，但都在盡力維護自發概念（除最后一種外），而并不傾向于改變。

除認知因素外，學生的學習動機和態度也與認知沖突密切相關，Dreyfus等發現^[28]，學生的學習態度和熱情對認知沖突也很重要，如果對知識漠不關心，則認知沖突難以發生。另外，有的學生由于自我印象消極或有高焦慮，也會有意無意地回避沖突。由此看來，引發認知沖突是促進概念轉換的必要環節，當然也是長征的第一步。

4.2 元認知和動機因素

以前的各種概念轉換模型雖在一定程度上對錯誤概念做出解釋，但研究者越來越清楚地認識到，不要用純認知的觀點來解釋概念轉變，應該看到動機和態度等的影響。Printrich認為個體目標，自我效能感，情緒動機，包括引導性的學習環境和教師態度等皆和認知因素一樣重要^[29]。本文著重分析Karina Merenluoto等提出的一個與動機、元認知和認知加工過程相互聯系的概念轉換模型^[30]，它可用來解釋為什么錯誤概念不易克服，而且認知沖突并不總是導致有效的概念轉換。

該模型分析了學習者能否掌握新概念來解釋新現象和完成新任務，強調了個體認知能力、元認知水平和動機敏感性（motivational sensitivity）的作用（動機敏感性是指學習者探求新事物的傾向性）。模型設計了3種情況：一是自發概念與新概念并無聯系，此時的自發概念為“無關觀念”（no-relevant -perception）。因為不具備相應的認知水平，造成學習者認知上的低確定狀態，在認知沖突中最終導致逃避行為，拒絕概念轉變而保留錯誤概念。如學生初次接觸力概念時，因為新概念大不相同于直觀觀察，而且許多教材在介紹力概念之前鋪墊不夠，使得學生常常有此表現。

另一種是自發概念與新概念有部分聯系，但是兒童只注意二者之同，忽略了二者之異，誤以為完全了解新概念，從而產生“理解錯覺”（illusion-of -understanding）。在認知上達到高度確定性，且動機敏感性降低，不再繼續探索新意義。那些對新概念不充分或斷章取義的吸收，就屬于這類情況。這時自發錯誤概念并未消失，只是稍做添加而形成一種雜糅的合并概念。在學習兩個易混淆概念時此類情況也容易發生，比如學習速度和加速度，熱量和溫度等具有微妙聯系的概念。

第三種情況是兒童體驗到新舊概念的沖突，在認知上的確定性降低。在模棱兩可的沖突狀態中，如果個體仍保持較高的動機敏感性，并引入較強的元認知監控，那么就會導致概念的轉變；如果認知水平確實達不到任務要求，也至少保持了較強概念轉變的動機。而個體如不能保持強動機和元認知監控，則很可能轉到認知低確定狀態和低動機敏感性的狀態中。

該模型解釋了概念替換（conceptual exchange）、區分歸類（compartmentalization）、無效學習（no learning）這3種概念轉變的動力學原因，強調了元認知和動機在概念轉換中的重要作用。我們認為該模型從心理感受和行為能力兩方面明確了對錯誤概念“不能”克服和“不愿”克服的區分標準，可使以后的研究思路更加明晰。

4.3 認識論信念

以往的研究只探察了各個孤立概念，而非將之處于廣泛的聯系中；只注意了兒童某個具體的物理概念，而忽略了他們對各概念間關系的認識，以及對整個物理學的認識。在詳盡研究了兒童對力熱光電等各個具體概念的認識后，我們很自然會想到兒童是怎么看待知識這個整體的。這種對知識整體性的認識深刻影響著兒童對具體科學概念的學習，因此我們應當注意對認識論信念的研究。認識論信念（epistemological beliefs）是指對知識本質和來源的認識，它構成了學習的內在背景，是自我監控學習的重要基礎^[31]。Schommer提出了認識論信念的五個維度^[32]：對知識的確定性認識（stability）（嘗試變化或不改變）、結構(structure)（分離或整合）、來源(source)（權威或觀察推理）、獲得速度(speed of acquisition)（迅速或逐漸）以及知識獲得的控制(control of acquisition)（出生即固定或終生改進）。后來的研究表明快速學習通常得出過分簡化和自信的結論，而高的知識確定性信念常預示著兒童過于絕對的結論，這樣的狀況不利于兒童對錯誤概念的革新。

兒童的認識論信念預示了其接受新概念的基本態度，自發概念的形成和概念的轉換都在這個大背景下進行。我們不僅需要促進單個概念的改變，還要重視兒童整體態度的變化。當然它們之間還有復雜的相互作用，使得認識論信念本身也隨年齡增長知識增多而發生變化。

5 小結和研究展望

自發概念對兒童的認知發展有特殊的意義，它表明了兒童在主動地思考著周圍世界，而出現錯誤概念也是認知發展的必然過程。前人對這個過程的每個細節都展開研究，所得結果引發了許多新的興趣點：

（1）對于一致性觀點來說，目前還不能清楚說明兒童的具體概念和核心概念（基本框架）如何相互促進或制約。而對于零散說，不成系統的知識成分之間關系究竟如何，又怎樣清楚描述零散的程度？這些爭議都涉及到兒童的元認知監控問題：如何協調自發概念內部各成分關系，如何整合新舊概念的異同。個體的自我監控，即元概念意識（metaconception awareness）處在至關重要的位置，這也是有待進一步的深入研究^[26]。

（2）雖有研究將兒童和成人對照（兒童和專家的比較不在此討論之列），得出兩者有著類似的錯誤概念，但并未深入分析這兩類人在概念結構上是否也真的相同。有研究者在測查幼兒的力概念時，發現幼兒園老師也有和孩子一樣的錯誤概念^[12]。但兩者的知識經驗和認知能力都有明顯差別，那么這種相似表現是否只是假象？或者是因為我們的探察不夠深入而未能發掘出“同”中之“異”，又或者兩類人的概念結構差異要到面對認知沖突，進行概念轉換的時候才顯現出來。

（3）兒童的錯誤概念和概念轉換在多大程度上也具有領域特異性（domain specific）?學科本身性質的差異對錯誤概念和概念轉換的影響如何（比如樸素物理學和樸素生物學等領域的差別）？兒童對物理學各個分支概念的認識是否同步發展？能否認識到各概念間的聯系？跨領域或跨概念的對比研究為數不多，而這些問題都為兒童錯誤概念和概念轉換的研究提供新的途徑。

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Children’s Misconception in Naiuml;ve Physics and Factors Influencing Conception Change

Mou Yi 1，2Zhu Liqi1

（1Key laboratory of Mental Health， Institute of psychology， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101，China）

（2Graduate School of the Chinese Academy of Science， Beijing 100039，China）

Abstract: Constructionists hold that learning new knowledge is based on those old ones， and the new and old knowledge interplay each other. Children’s naiuml;ve conceptions formed in everyday experience is the foundation of scientific learning， while some of these conceptions conflict with basic science theories and impede children’s learning. This article summarizes researches about children’s misconception in the field of children’s naiuml;ve physics， analyzes the debate about the natural structure of naiuml;ve conception， and lists some important factors， including cognitive confliction， metacognition and motive， epistemological belief， which influence the process of conception change

Key words: misconception， naiuml;ve physics， naiuml;ve conception， conception change， cognition conflict.