以科学认知方法解决概念模型转变的课例研究

    徐雪松

    

    

    摘 要：基于认知冲突的研究，提出顺应认知冲突理论的教学策略（新认知、矛盾事件、迷思概念、目标科学概念等）及其建构过程。以数据库设计中的“概念模型”转变中的认知冲突解决方案为例，呈现了相关的课程教学设计并给出了教学的实施建议。

    关键词：认知冲突; 概念模型; 教学设计

    中图分类号：G642.0 ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ?文章编号：1006-3315（2021）1-156-002

    学习就是概念转变，概念转变的研究已经成为当代科学教育研究领域中的主要研究之一。许多促进概念转变的教学过程是建立在学生现有观念基础之上，通过认知冲突，使学生的现有观念向科学认识发展和拓宽。

    概念模型是一种面向客观世界的模型，独立于计算机系统，是用户和数据库设计人员之间进行交流的工具，主要应用于数据库设计。

    初学概念模型的学生很难正确理解和把握概念模型的要点和精髓，主要体现在概念转变四个方面：

    （1）对现有概念的不满或者不认可，即现有的概念无法解释面临的问题;（2）新概念模型必须满足可理解性，学生能够借助已学习的新概念对于现象的释读;（3）新概念模型必须满足合理性要求，即新概念模型和学生过去学习经验相符合，才能合理解释面临的问题;（4）新概念模型必须满足有效性，即新概念模型可以解释更多实际问题，适用范围要广。

    1.概念转变中的认知冲突

    概念模型的形成依赖于用户的认知过程，其表征反映形式为用户对产品的认知操作结构，这一知识系统构建天然地与认知心理学研究相关。因此，概念转变过程就是认知冲突的引发和解决的过程。Hashweh（1986）认为概念转变主要存在两类认知冲突：（1）新认知与矛盾事件之间的认知冲突;（2）矛盾事件与科学概念之间的认知冲突。

    2.以发展学生与科学观点相一致的认识冲突解决方法

    斯太威和伯克威茨（Stavy，Berkovitz，1980）研究了引起冲突进行的教学活动：学生对某一物理现象的认知结构和真实的物理现象之间的矛盾。例如，“大、小鐵球同时着地”的实验就是矛盾事件，由于矛盾事件使得学生明白实验结果与其原有的认知结构不一致，从而引发学生的认知冲突，促进概念转变，由此，形成新认知。但是，矛盾事件通常具有一定的局限性。“大、小铁球同时着地”实验必须在空气阻力非常小的情况下才能实现，如果将小铁球换成一个乒乓球，实验将无法通过验证。因此，通过矛盾事件形成的新认知难以提炼成科学概念。解决该认知冲突的策略方法归纳为如下四个步骤：

    （1）通过学生对暴露事件的反应来揭示学生的前概念。

    （2）使学生明确意识到他们自己和别的学生的想法。

    （3）通过让学生尝试解释一个矛盾事件，引起概念冲突。

    （4）鼓励和引导认知的调整，建立与科学概念相一致的新的概念模型。

    3.概念模型转变的教学设计

    概念模型是数据库设计教学中的核心概念，是大学阶段学生系统开发学习的难点之一。概念结构是对现实世界的一种抽象，即对实际的人、物、事和概念进行人为处理，抽取所关心的共同特性，忽略非本质的细节，并对这些特性用各种概念精确描述。由于这些概念本身的抽象性以及它们与日常用语之间存在的差异性，导致学生在学习过程中容易产生迷思概念。因此，在教学中针对概念模型中实体、关系和属性概念转变设计，能够有效帮助对模型建立进行用户体验方面的改进，跨越设计模型和用户模型之间的鸿沟。

    学生在初学数据库设计时，必须形成模型概念，首先，能够尽量充分地使用细粒度的概念来描述模型，而避免粗略描述;其次，筛选概念时，不能简单地认为需求说明中没有明显要求保留某个概念的信息或是概念中没有属性，就去掉概念，注意只担当纯行为的概念的存在;最后，寻找用于概念的“参考名单”。由于受到已有概念的影响，例如，在人事管理数据库中存放的职工实体集和家庭成员实体集，容易形成实体之间关联的迷思概念。针对该迷思概念，提供矛盾事件，让学生理解家庭成员实体依赖于职工实体集，这种依赖于另一个实体集存在而存在的实体集被称为弱实体集，它们与其他实体集间的联系称为依赖联系（如图1）。

    但是，仅仅提供矛盾事件对于转变迷思概念是困难的，因为矛盾事件难以让学生认识到概念模型实体关联的本质。进而提供批判性事件，直接从客观事物的本质属性上揭示实体关联的动态本质。在概念数据模型中，引入子类这一抽象概念，进一步描述一个实体集中某些实体的不同特征，从该实体集中取出一部分实体构成一个或多个新的实体集，称这个新实体集是原实体集的子类，而原实体集是新实体集的超类（如图2）。

    概念模型可利用上述抽象机制对需求分析阶段收集到的数据进行分类、组织，形成实体和实体的属性。

    4.总结

    通过本课例的教学实践发现，在使用科学方法的概念模型转变课堂中，学生学习的积极性得到了提高，更容易理解比较抽象的概念。教学设计中，矛盾事件与批判性事件的设计是进行概念模型转变的关键。实体关联概念在概念模型转变使用过程中可以根据学生的实际情况进行适当的增减。实体关联概念可向己学过的相关内容进行拓展。而其他的支持性认知则更多的源于日常生活经验，可以起到理论联系实际的作用。

    资助基金：江苏高校哲学社会科学研究一般项目“运用知识构建机制促进交叉学科专业学生概念转变的策略研究”（2020SJA0337）;资助基金：教育部产学合作协同育人项目“中医药院校软件工程专业大数据技术方向课程群建设与改革”（201902318009）

    参考文献：

    [1]Posner G J，Strike K A， Hewson P W，et al. Science Education，1982， 66（2）：211一227

    [2]陈英和.认知发展心理学.北京：北京师范大学出版社.1997：179-180

    [3]Cheng M M W，Gillbert J K.Internat-ional Journal oI Science Education，2013，36（8）：1373一1407

    [4]唐林，李施，唐烨伟，等.电化教育研究，2018，302（6）：116-122