基于前概念体系的学习者认知诊断方法研究——以初中物理“力与运动”主题为例作者：王珏/解月光作者简介：王珏（1988-）,男，吉林长春人，东北师范大学信息科学 与技术学院博士研究生，主要从事数字化学习环境研究； 解月光，东北师范大学信息科学与技术学院（吉林长春 130117） o原文出处：《电化教育研究》（兰州）2017年第20179期 第122-128页内容提要：数字化学习环境优势之一在于满足学习者个性化学习需求, 实现个性化学习的基础是精准诊断学习者的相关特征展性, 以此为依据提供适应性的支持反馈文章基于前概念理论 的认知诊断方法，利用二阶诊断方法和数理统计方法构建 学习者前概念体系，来诊断学习者在学习具体内容时的认 知状态文章以初中物理“力与运动”主题为例，阐述基 于前概念理论的学习者认知诊断方法与其应用过程，诊断 方法作为智慧学习环境的一个诊断维度，能够提高学习环 境对学习活动的支持效果，包括可视化呈现诊断学生的前 概念状态；对错误概念进行归因分析，为适应性学习内容 组织提供依据；预测学习者在未来学习过程中可能遇到的 阻碍，为生成适应性学习路径提供依据期刊名称：《中学物理教与学》复印期号：2017年12期 关键词:前概念/认知诊断方法/数字化学习系统标题注释:【基金项目】教育部一中国移动科研基金项目“信息技术 支持下的基础教育教学模式研究及试点”（项目编号： MCM20130611） o一、问题的提岀对学习者特质进行诊断，基于诊断结果作岀适应性反馈，是数字化学习系统实 现个性化学习支持功能的基础。
传统的认知诊断方法，不符合学习者的认知规律， 不能把学习者的认知过程简单地概括为〃是〃或〃否"这种离散的描述方法，忽 视了学习者真实的认知过程，忽略了学习者在学习过程中需要解决的问题从认知 发展规律来看，学习者认知新知识的过程,是一个概念螺旋式发展的过程简单量 化的诊断结果无法阐述学习者未掌握某知识点的原因，那么系统就无法提供精确的 适应性反馈二是从方法层面上来看,这是一种”质化一量化一质化”的过程,在 信息传递上不可避免地会有一些损耗,降低了诊断的准确性系统诊断的准确性降 低,那么系统提供的反馈手段”包括学习者知识与技能的可视化表示、基于诊断结 果的适应性支持手段的效果都会降低基于以上两点问题,笔者以前概念研究为理论基础，从分析学习者真实的认知 过程岀发,设计数字化学习环境的认知诊断方法，以提高系统诊断的精准度,满足 教与学活动中学习者的需求，并以初中物理〃力与运动〃主题为例对本诊断方法进 行说明二前概念定义辨析〃前概念〃概念的提岀,可以追溯到皮亚杰(儿童概念，1929 )和奥苏贝尔(有意义学习理论,I960 )⑴等的研究研究者认为，前概念是指学习者在正式学 习前，对生活实践中的事物产生了自己的概念、观点及想法，这些预先的认知结构 在学习者日后的学习过程中将发挥重要作用。
因为本研究关注诊断学习者的认知状态，笔者认为采用前概念的名称描述学习 者的特质最为恰当，前概念在本研究中的具体含义包括:(1)前概念的〃前"不是 指时间维度，而是指学习者目前的概念理解处于习得科学概念之前的状态因为有 些前概念是在学习过程中出现的，比如教师在讲解〃电流概念〃时，为了便于学生 理解，会用水流的概念进行类比，这会使学生在理解电流概念、思考电流相关问题 时，出现前概念；同时，这种用〃水流类比电流"来促进理解新科学概念的认知方 法一旦被学生认可，也是一种前概念2)前概念的中西词义差距可能弓I起理解的 偏差前概念的英文是preconception ,其词根conception不仅有客观的概念的 含义，也有学习者主观的观念、想法等3)前概念来源于日常生活，一般是相异 于科学概念的学习者进行学习，就是从前概念到科学概念的转变过程,就是从学 习者具体的生活经验转化为标准的科学知识、抽象的逻辑符号的过程4)由于学 习者的认知规律，前概念发展为科学概念的难度较大笔者曾经对J省两所学校的 学生185人进行问卷调查，涉及物理学热学、电学、力学方面的内容硏究发现学 生在物理学习过程中,存在明显的前概念问题,对有效学习有阻碍作用；并且”经 过课堂教学后，前概念依然存在。
例如，调查问卷中题三：I：匕较闭合串联电路中两 个小灯泡的亮度,学生答案中有两个典型前概念观点［2］一种前概念是学生认为电 流像水流经过拦截会衰减，那么接近正极的第一个小灯泡会更亮；而有的学生会认为,第二个小灯泡汇聚了电源和第一个小灯泡发岀的电流,一定比第一个灯泡只接受电源的电流大，所以第二个小灯泡更亮，见表lo三、构建前概念体系的重要性分析前概念体系是本研究所提岀的学习者认知诊断方法的重要组成部分,对学习者 认知状态的诊断结论是建立在前概念体系基础之上的构建前概念体系对学习者诊断的意义在于,了解学习者进行学习的过程中其认 知结构的变化，并以此为依据设计教学反馈策略，有效促进学习者完成学习任务， 达成学习目标现有的促逬概念转变策略，多是遵循波森纳的概念转变模型［3］，认 为概念转变要经过四个基本阶段：即对原有概念不满，到理解新概念，再到认同新 概念的合理性，最后认同新概念价值当该模型应用到实际的教学活动中，并期望 以此对学习者认知状态进行诊断时,对前概念产生的原因和对前概念进行预测成为 必须解决的2个重要问题,构建前概念体系是解决相应问题的良好方法,通过科学 构建的前概念体系，可以提升学习者认知诊断的精准性。
所以，作为学习者认知诊 断方法的重要组成部分，前概念体系构建的重要性有如下两点：(-)基于前概念体系对学习者前概念观点逬行归因，最大化教学效果在实际教学中,对学生表现岀来的一个单独的前概念观点进行转变教学的效果 不佳因为学习者有自己的朴素理论框架⑷来解释日常生活，其脑中的前概念不是 孤立的，如果只对框架里的一个前概念观点进行转变，会引起该概念点和整个框架 的认知冲突那么学习者在发生认知冲突时,会调整该概念以顺应整个朴素理论框 架，之前的概念转变就没有效果；或者将该概念的应用情境逬行分类，产生的结果 就是考察同样的知识点,有的时候能够正确解决相关问题，有的时候却不能有效 的教学活动,不仅需要针对单个前概念,还有对该前概念所属的朴素理论框架内相 关的前概念点进行概念转变,即对具体前概念观点进行归因二)基于前概念体系对学习者进行预测，最小化前概念对学习活动的阻碍作用概念转变模型的假设是前概念已经存在，并且与科学概念相异，需要引发学习者对前概念的不满，主动创设认知冲突而现实情况是,学生可能原来没有前概念, 在学习过程中是由概念转变模型创设的认知冲突活动诱发的，对学习活动反而起到 阻碍作用如果能够预测学习者岀现某一前概念的概率大小，就可以均衡选择适当 的教学手段。
同时，预先排除一些前概念，可能规避其在后续学习过程中引发学生 产生新的前概念只有构建前概念体系，建立相关前概念之间的联系,才能满足对前概念进行归 因和预测的需求，进而满足学习者个性化学习的需求笔者将在下文中，以〃力与 运动〃主题相关前概念体系构建研究为例，阐述前概念体系构建的方法四、前概念体系构建过程与方法系统体系构建，就是分析系统的组成成分，探究成分之间的关系学习者前概 念的具体观点就是前概念体系的组成成分,前概念观点间的关系就是前概念体系的 结构)前概念体系成分提取方法前概念是源于学习者的原有经验、认知结构，是学习者对科学知识的理解、观 点和解释，是主观个体对客观知识的映射要提取学习者的前概念观点，就是诊断学习者在学习具体内容时，理解科学知识的观点,解释科学现象时的观点常用的 方法有访谈法、出声思考测试（think-aloud-method ）和二阶段诊断问卷法由 于本研究需求大量样本进行统计和计算,采取二阶段诊断问卷法二阶段诊断问卷是诊断试测者前概念的有效方法，二阶段诊断问卷在一个问题 中包含两个阶段，第一阶段要求试测者对问题作出判断，第二阶段要解释判断的原 因使用二阶段诊断问卷，可以得到学习者对问题的观点和解释。
编写二阶段客观 诊断问卷，是为了实现对大量学习者进行诊断的需求，易于整理数据［2 ,5,6］二） 前概念体系结构探究方法对科学内容的理解是前概念观点产生的概念层原因,是根本原因；对科学现象 的解释是应用概念本体来认知现象，是〃因变量〃，所以前概念体系必然是层级结 构由于概念本体的理解层和认知现象层存在因果关系，在足量样本统计的条件下, 关于科学概念本身理解错误的前概念观点与其他前概念观点的显著关系，相较于其 他前概念观点的显著相关关系会更多以此为依据，划分前概念的层级结构可以 通过条件概率公式，求岀具有显著相关的各前概念观点的相关关系，体现前概念体 系内部关系三） 前概念体系构建的具体过程学习者的前概念体系需要针对具体学习内容，通过以下阶段、步骤和方法进行 科学的构建，构建过程可以分为三个阶段：前概念观点提取阶段、前概念层级划分 阶段；前概念相关关系计算阶段下面以初中物理〃力与运动〃单元的知识点为例, 阐述前概念体系构建的过程、步骤和方法1. 前概念观点提取阶段针对具体学习内容提取学生的前概念观点是构建前概念体系的基础阶段，也是 最重要的阶段目的是通过学习者作答二阶段诊断问卷，提取学习者关于学习内容 的各知识点都有哪些具体的前概念观点。
本阶段主要包括析出测试主题内容的知识 点、二阶段主观题诊断问卷设计与发放、二阶段主观题诊断问卷分析与总结、具体 前概念观点分析等4个步骤1) 析出测试主题内容的知识点笔者选取了人教版教材中〃力与运动”单元的知识点进行分析⑺将〃力与运 动"中的概念分条目列岀，〃力与运动"单元包含运动、力、牛顿第一定律、重力、 摩擦力等五个知识点，将知识点细分为具体内容，并进行编号2) 二阶段主观题诊断问卷设计与发放%1 问卷编写通过研读相关文献及对师生进行访谈，收集该主题内容的前概念的相关信息， 编写主观题题目1 问卷试测选取J省B中学八年C班进行问卷试测1 问卷正式测试选取B中学五个班，当堂发放第二版问卷并收回3) 二阶段主观题诊断问卷分析与总结①问卷分析对回收的问卷进行质化与量化分析，总结每道题主要的答案，对学生进行访谈, 挖掘学生作答结果的原因总结与分析结果见表2，确保学生作答的所有可能性都 被包含②问卷总结(a) 一些题目分析的结果不够详尽，需要在该知识点增加题目，以得到更细致 的结论b) 试测者两问的答案，就是下一步编写的客观问卷答案的主干c )总结得出一些新的前概念观点，比如试测者认为物体越高，所受重力越大。
4) 二阶段客观题诊断问卷设计与发放%1 问卷编写以主观题问卷分析结果为客观答案选项每道题第二问添加一个开放选项,允 许学生填写新的答案或解释将主观题问卷测量效果不好的题目重新设计,拆分成几个更细致的新问题1 问卷发放选取A中学五个班,C中学四个班当堂发放问卷并收回5) 具体前概念观点分析试测者的作答表示试测者对题目的判断和作岀判断的原因”即其脑海里的前概念观点分析试测者每种答案组合，总结岀〃力与运动〃单元的41条具体前概念观 点(L1-L41),见下页表3O将具体前概念观点与其所属的知识点相关联，例如，试测者在第一题两个问分 别选择B、A ,表示其具有前概念观点L4 :静止的物体不受力，运动方向上必有力, 这条前概念观点是属于牛顿第一定律知识点，对具体内容〃N1牛顿第一定律:一切 物体在没有受到力的作用或合力为零时，总保持静止状态或匀速直线运动状态"理 解有错误，是N1内容的第四条前概念各前概念与所属知识点关联如图1所示2. 前概。