原型匹配在“溶解”概念學習中的作用

〔摘 要〕 本文通過對一個課例片段的分析，討論了學生在學習科學概念中遵循的主要模式。在一節“加速溶解”的課例中，一名學生對溶解定義的理解與教材出現較大偏差。本文作者在訪談后認為，該學生將教師課上胭脂紅溶于水現象的特征定為了原型，通過原型匹配的方式建立溶解概念。這與目前建構主義的概念觀有著明顯的不同。由此本文提出：對于具體概念，原型匹配是學生更加偏好的概念學習模式。由此或可衍生出基于原型觀的教學思路。

〔關鍵詞〕 小學科學；原型匹配；概念學習；案例診斷

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 21 058-060

一、案例概要

本文來源于一節“加速溶解”課例：2021年，本文作者之一在講授三年級“加速溶解”一課時問學生什么現象屬于加速溶解。其中一名女生的答案很獨特：冰塊在熱水中的融化屬于加速溶解。這一答案顯然是錯誤的。《中國大百科全書》中“溶液”詞條的定義是：“兩種或兩種以上的物質組成的均勻穩定的混合物。”即溶解形成溶液的前提是兩種不同物質，而冰與熱水是同一種物質的兩種物態，顯然不是溶解。那么，該生為何會提出如此怪異的答案？

為此，我們對該生進行了課后訪談。其中一題（“藍色和黃色顏料混合在一起，變成了綠色”是否屬于溶解？）引起了我們的興趣，我們之所以沒有直接問學生為什么會認為冰在熱水中是加速溶解，是因為我們更希望了解她是如何理解“溶解”這一概念的。

令我們十分詫異的是，該生的回答是：“我覺得這個屬于溶解，因為就像以前做過的一個實驗，把胭脂紅放在水里，它溶解后整杯水都是紅色的，而不是還有一些地方是透明的……（頓了一下）正常的水了。但是這個呢，就是跟那個做的胭脂紅的實驗一樣，它們兩個混合在一起變成了綠色，不會顯現出來有藍色或者黃色的痕跡。所以我覺得這個叫‘溶解’”。

二、案例診斷

顯然，該生對概念的理解方式與教材所倡導的建構主義思路并不相同。按照教材布設的思路，首先對比食鹽與沙子在水中的差別，從而引出全課核心問題：食鹽“藏”到哪里了？然后通過設計、實施實驗，驗證自己對于核心問題的猜想，進而建構“溶解”概念。而胭脂紅的實驗位于其后，目的是將溶解現象可視化。即胭脂紅的實驗只是使這個建構過程更完整，它絕不是這節課的主體。可以說，該生對于“溶解”概念的理解與現今概念學習的主流觀念差異極大。

目前科學教育的主流觀點仍然是建構主義學派的。1934年，維果茨基出版了《思維與語言》一書，系統地闡述了他的概念觀：首先，兒童會將觀察到的一系列現象雜糅起來，形成復合思維。第二，對這些復合物進行加工，形成“鏈式復合”（即“復合思維最純粹的類型”）。第三，對這些復合物特征進行抽象概括，形成假概念。但假概念極不穩定，容易受到具體現象的干擾。最終，語言加入認知過程使假概念蛻變成了科學概念。所以，維果茨基的概念觀可以大致概括為一個進階鏈：復合思維—鏈式復合—假概念—概念。

20世紀中葉，美國認知學家進一步豐富了建構觀，突出體現在從新知識與舊有經驗的角度看待進階。如布魯納的發現學習理論，認為“學習是一個積極主動的認識過程……通過把新獲得的知識和已有的認知結構聯系起來，積極地建構其知識體系”。從進階性上說，布魯納顯然是維果茨基的擁躉。同樣，奧蘇貝爾的意義學習理論也具有這一特點：其實質上是新知識與舊有知識、經驗的交互，在這種交互過程中，概念的含義逐漸變得更加豐富。

與其上均不同的是布魯姆，其將關注點放在了教學目標上，即基于學生的認知特點，我們的目標應該如何設定？根據認知的難易程度（所需調用的認知資源的多寡），其將認知目標的水平劃分成了不同的6個層級。雖然布魯姆著眼于目標，但不難看出，其分類理論的本質依然是對學生認知結構的刻畫。因此，不少學者認同布魯姆理論的建構性。

但那名女生的概念學習方式顯然與諸流派有著極大差異。首先，該生并沒有把任何現象雜糅的跡象，而是直接抓住了胭脂紅溶于水這一現象，在此基礎上形成原型。其次，該生的認知過程也并未顯示出如維果茨基的進階跡象，其對于胭脂紅實驗的認識，以及顏料混合算不算溶解的判斷幾乎是瞬時完成的，該生的判斷顯示出明顯的概念激活的特點。第三，該生的認知過程也顯然與布魯姆的認知結構有別。按照布魯姆的理論，對于知識的記憶屬于最低層級。該生連最低層級的要求都沒有達到，遑論高階層級了。但如果仔細分析她的話語不難發現，她通過對胭脂紅實驗的解析，牢牢抓住了其中“顏色”這一要素，以此構建了原型的匹配標準。換言之，她在通過“分析”完成概念的辨別——在連最低層級的要求都沒有達到——的情況下，卻調用了高階層級的認知策略！

一個更加合乎邏輯的解釋是，基于原型匹配的概念學習模式是學生的偏好與優先選項。

三、有關概念學習的原型觀

盡管在教育界鮮有提及，但原型（prototype）在認知學及神經科學中并不是一個新鮮的事物。

對于原型觀的界定存在一些模糊性，經典教科書認為只要樣例足夠典型就完全可能形成原型，也有學者認為需要從多個樣例中抽象出共同特征，形成原型。但無論哪種，大多數學者都同意原型是從典型的樣例出發形成的對某一概念的代表（例如知更鳥相比火雞更適合代表“鳥”）。進而，當人接觸新的事物時，可以利用原型判斷新事物是否屬于該概念。

目前神經科學的研究認為，原型之所以在概念學習中起到關鍵作用，與原型本身具有的該類概念的典型特征有關。例如相比于牛油果，蘋果具備更多“水果”的典型特征，因此人們提到水果，更容易想到蘋果，很少有人會想到油膩的牛油果。之所以如此，是因為擁有更多、更典型特征的樣例更容易激活某些對特征敏感的腦區（如腦內側前額葉皮層或前顳葉區），而這些腦區是概念識別的關鍵區域。換言之，更典型的特征擁有激活的優先權，最終形成特定的認知偏好。

這一點值得注意，因為目前探究式的建構法是科學的主流學習理論之一，這種方法強調在實驗中搜集證據與線索，進而建構概念。但由于概念激活的優先權，此種方法存在明顯的劣勢，突出體現在認知負荷問題上。大量實驗已證實，由于大腦的認知資源有限，一旦一個認知成本低、更容易激活的內容被激活，其他認知活動將被抑制。因此一旦原型被激活，復雜的基于證據與線索的探究建構活動可能就會被抑制，反映到課堂上就是探究活動的實效性會受其所累。這一點從本案例中可清晰地看出：學生完全被胭脂紅所吸引，徹底忽略了還曾經在實驗中探究過“食鹽去了哪里”這回事。

四、案例后續

為了驗證原型匹配是不是學生更加偏好的概念學習方式，我們于2022年對北京市另一所小學的160名五年級學生進行了隨機對照試驗。試驗題目全部是非A即B的選擇題，且兩個選項全部是正確的，唯一區別是其中一個選項是教材中出現過的實驗（即含學生見過的原型特征）。結果顯示，絕大部分學生選擇了那些含有原型的選項，且這種傾向具有極強的統計意義（p＜0.001，ES≈0.35）。這一點驗證了我們的猜測，即原型匹配是學生面對具體概念的首選工具。

更加耐人尋味的是，我們對其中一部分測試卷悄悄地“做了手腳”，即這些題目所謂的“原型”其實是錯誤的，它們只是猛地看起來像原型，但不能解釋題目中的現象。我們的目的是考查學生是否能識別這些所謂的“原型”其實是濫竽充數。但學生依然不假思索地選擇了這些“原型”（p＜0.001，ES≈0.31）。這說明，學生根本沒有仔細、審慎地分析與思考，而是遇到見過的“原型”，立刻選擇了它們。

這一點非常明確地昭示出激活的特點：它并不經過復雜的思索與分析，也沒有靠得住的推理論證。為了更快速、便捷地反應，大腦選擇了一條認知成本更低的捷徑，即將復雜的信息打包并貼上標簽，這些標簽就是原型所包含的典型特征。而當需要調用這些信息時，大腦通過尋找標簽，將信息包裹從記憶中翻出來，卻并不會仔細檢查包裹里的東西是否已經變質了。

五、教學改進建議

顯然，原型觀與我們現在的概念學習主流觀點格格不入。但問題是，諸多證據都顯示，這種傾向是脊椎動物大腦的固有生理特征——科學家甚至在鴿子身上也觀察到了明顯的原型效應。換言之，原型觀似乎更受大腦歡迎。

既然如此，我們為何不考慮利用這種獨特的方式呢？具體來說，原型觀下這節課例或許應該是（圖1）：先出示胭脂紅溶于水的實驗，通過其強烈的視覺沖擊力給學生一個典型的樣例，從而建立原型；第二步，引導學生仔細觀察胭脂紅在水中發生了什么，目的是引導學生從現象中抽象出溶解的典型特征，在此基礎上可以讓學生畫一畫這個過程，即嘗試建立溶解過程的動態模型；第三步，出示實驗“食鹽去哪里了？”引導學生基于原型解釋新現象，并尋找線索與證據進行驗證；最后，給出其他現象，讓學生根據所學辨別它們是否屬于“溶解”，從而完成概念的遷移與泛化（如下圖）。

這一思路的優點有二：其一，符合學生的原型偏好；其二，將“食鹽去哪里了？”的實驗放在胭脂紅實驗之后，實質上變成了基于原型對于新現象的解釋。相比于正向的搭建概念，這是一個逆向思考的過程，即引導下的對原型的訓練，需要調用更多的認知資源，可以激發更深層的認知，更有利于概念的建構與鞏固。

參考文獻

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