概念图(Concept-Map)及其应用

所谓“概念图(Concept-Map)”,是一种用节点代表概念、连线表示概念间关系的图示法。换句话说,就是指利用图示的方法来表达人们头脑中的概念、思想和理论等,是把人脑中隐形知识显性化、可视化,便于思考、交流和表达,也被称作思维地图、思维导图(Mind-Map)。也可以这样说,人类使用的一切用来表达自己思想的图示方法都是“概念图”。“思维导图”的称呼直接说明这是引导人们思维的图,把这种图示方法的意义挑明了。

把概念图作为一种教学原理、理论,而不仅仅是辅助性的经验、手段,主动自觉地运用到教学活动中,来帮助师生提高教学质量,是由美国康乃尔大学教育系的诺瓦克(Josehp D.Novak)教授提出的。诺瓦克教授认为,“意义学习”是将新的概念同化到已有的认知结构中,概念图对学习者和教师同样重要,可以在教学活动中帮助师生的认知活动,有助于整合新旧知识,在大脑中构建知识网络。

诺瓦克博士根据奥苏贝尔(David P.Ausubel)的学习理论,“有意义的学习是将新的概念同化到已有的认知结构中”,在1960年代着手研究概念图技术,并使之成为一种教学的工具。事实上,概念图的用途极其广泛。它除了用作辅助学生学习的工具外,还是教师和研究人员分析评价学生对知识的理解和构建的方法,也是人们产生想法(头脑风暴),设计结构复杂的超媒体、大网站以及交流复杂想法的手段。

一、概念图的理论基础

概念图的理论基础是奥苏贝尔的学习理论。

奥苏贝尔认为新知识的学习取决于新旧知识能否达到意义的同化。换言之,知识的构建是通过已有的概念对事物的观察和认识开始的。学习就是建立一个概念网络,不断地向网络增添新内容。奥苏贝尔的另一个重要观点有意义学习。为了使学习有意义,学习者个体必须把新知识和学过的概念联系起来。新知识必须和学习者现有的认知结构产生相互作用。有意义学习与死记硬背截然不同。尽管死记硬背也能把新信息纳入知识的结构,但是,它缺乏新知识与知识结构的相互作用。死记硬背固然对记忆事物的顺序有用,可是,它无法帮助学习者理解事物之间的联系。而有意义学习能使学习者认识概念之间的关系。不管采用哪一种教学策略,死记硬背和有意义学习都有可能发生。接受式学习和发现学习都可能导致有意义学习。因此,问题并不一定在信息呈现的方式上,而是新信息怎样与已有知识结构整合,这是实现有意义学习的关键。奥苏贝尔的第三个主要观点是概念有不同的深度,可以非常笼统,也可以非常具体。而且,笼统的概念中包含着不太笼统的概念,在这些不太笼统的概念中又含有相当具体的概念。所以,根据概念具体的程度可以渐进地对概念进行区别。奥苏贝尔认为,学习者应会辨别新概念的层次。根据层次,把这些概念放入他们知识结构中相应的位置上。

奥苏贝尔的“先行组织者”(advance organizer)是一种广泛使用的传递大量学科知识的方法。他主张用一幅“大的图画”,首先呈现最笼统的概念,然后逐渐展现细节和具体的东西。他认为,如果教师在学生开始学习课文前用这种形象化的手段呈现知识要点,可以帮助学生在新旧知识之间建立联系。同时,也有利于学生按阶段进行学习。

诺瓦克教授一直从事“元认知”工具用于促进有意义学习和知识创新的研究,概念图是作为元认知工具提出来的基于奥苏贝尔的学习理论,。诺瓦克教授认为,概念图对学习者和教师同样重要,可以在教学活动中帮助师生的认知活动。诺瓦克教授提出,概念图是一种表达知识的网络图形化技术,知识图由概念网络构成,网络包括节点和连线,节点代表概念,连线代表概念之间的关系。概念图将某个主题的概念及其关系用网络装的图形表示,将主题的不同级别的概念置于方框或圆圈中,再用各种连线将它们连接起来。

一个概念图包括节点、连接、层次和命题四个要素。“节点”表示概念,概念指同类事物的共同属性。“连接”表示两个概念之间存在的相互关系。“层次”有两个含义:一是指同一知识领域内的结构,即同一知识领域中的概念依据其概括性水平不同来排布,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,具体的事例位于图的最下层;二是不同知识领域间的结构,即不同知识领域的概念图之间可以分层超链接。“命题”是两个概念通过连接形成的意义关系。

20世纪60年代初期;行为主义理论还在北美盛行,由于行为主义理论不能很好的解释区别于低级动物的人是如何获得知识的,奥苏贝尔于1962年第一次提出关于人的学习的认知理论,并在第二年发表的《有意义的言语学习心理学》一书中对该理论作了精辟的论述④。奥苏贝尔认为,人的学习应该是意义学习,影响学习的最主要因素是学习者已掌握的知识,当学习者有意义学习的乙向,并把所要学的新知识同原有的知识联系起来时,意义学习便发生了。奥苏贝尔甚至在其最有影响的著作《教育心理学:一种认知观》(1968年再版)的扉页上写道:“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约成一条原理的话,我会说:影响学习的最重要的因素是学生已知的内容。弄清了一点后,进行相应的教学。”

奥苏贝尔同时对概念的形成和同化进行了区分,认为意义学习的心理机制是同化,除了学龄前儿童,学生的学习都是通过概念同化习得新概念的。概念的上位关系、下位关系和组合关系的层级排列最终形成了学生的认知结构。

奥苏贝尔的理论受到了社会的广泛关注。但是,如何知道学生已经掌握了哪些知识?诺瓦克教授根据意义学习和概念同化理论开发了概念图这样一种新工具,并首先在研究儿童能够理解诸如能量、细胞和进化等抽象概念的过程中进行了应用。很快他们发现,该工具同样可以用于教学设计和帮助学生进行有意义的学习,由此导致了对概念图更深入的研究。

后来的研究表明,现代的认知主义学习理论和建构主义学习理论都非常好的支持概念图教学的意义。令人惊奇的是,被誉为构建21世纪教育新模式的信息技术和脑科学,也为概念图的正确性和无比广阔的应用前景提供了大量的事实说明。

例如,现代脑科学发现,人的大脑是有大约140亿个神经元组成,每个神经元都与其他的神经元形成功能网络。人类对大脑的认识已经发展到泛脑网络阶段,泛脑网络学说认为,人的大脑可从宏观到微观分为回路、神经元群、神经元及分子序列四级层次的网络⑥。人的学习、记忆和思维正是通过这样一个网络系统来进行的。概念图的结构特征充分地符合了这一人脑的生理机制。

二、如何构建概念图

制作概念图可以使新旧知识之间、概念之间的关系清晰可见,迫使学习者将这些关系外化。从这个意义上说,概念图帮助学生了解知识的结构,了解知识构建的过程。这就是帮助学生学会学习。那么,怎样构建概念图?

根据诺瓦克博士的介绍,要确定一篇研究报告、一章内容的主要概念,或哪怕想到某一门学科的概念:

第一步是必须列出概念。有人觉得把概念写在卡片上,便于移动,对构成概念图很有帮助。

第二步是把含义最广、最有包容性的概念放在图的顶端。可是,有时要确定含义最广、最有包容性的概念比较困难。这时,可以注意一下概念的背景,或了解概念出现的顺序也会有帮助。

第三步,继续往下写,以增加更多具体的概念。但诺瓦克博士向教师建议,任何一个概念下面不要有三个以上连接的概念。用线条把概念连接起来,并用连接词语注明连线。概念间的连线可以是单向、双向或无方向的。 连接词语应能说明两个概念之间的关系。这种说明语可视为一句陈述,或叫命题。连线使概念之间建立了意义。当许多相互联系的概念捏到一起时,就看到了这方面知识的意义。

第四步,寻找概念图不同部分概念之间交叉连线的联结,并标明连接线。

第五步,把说明概念的具体例子写在概念旁。

对同一组概念可以画出许多不同形式的概念图。所以概念图的画法不是一种。随着对概念之间关系理解的变化,概念图也会发生变化。

三、概念图的应用

概念图是创作的工具。画一幅概念图好比经历一次头脑风暴。当一个人把自己的想法顺利地写下来时,想法会变得更加清晰,头脑也会接受新想法。这些新的想法可能与已经写下来的想法有联系,而且会引发新的念头。

概念图是超文本设计的工具。 由于万维网已变得日益强大,是无处不在的信息传播媒介,因此,作家必须改变线性的写作方式,去创建与其它文件相联系的超文本格式文件。超文本的设计与概念图在结构上相似,这就使概念图成为超文本概念结构设计非常合适的工具。超文本和概念图结构可视为一幅指导图或知识图。如果概念图上有可点击的区域,以超文本格式放在网上的概念图就可用作网的导航工具。

概念图是交流的工具。 一个人制作的概念图代表了一种组织信息或思想的方法。它是可以被其他人共享的东西。一组人制作的概念图代表了集体的思想。无论哪一种情况,概念图可用作人们讨论概念和概念之间关系的交流的工具。他们可以设法赞同一个共同的结构,以此作为下一步行动的基础。

概念图是学习工具。 诺瓦克 研究概念图的初衷是用来帮助学习。建构主义的学习理论认为,要记住知识、并懂得意义,那么,新知识就应当与现有的知识结构整合。概念图的作用是促进这个过程的形成。这是因为概念图可以把整合的过程清晰地呈现出来,并使学习者看到概念之间的关系。研究发现,在学习中使用概念图的学生,在较长一段时间以后,其知识的保持超过不用概念图学习的学生。用画概念图和看概念图学习的学生,他们的知识面也比用死记硬背来学习的学生宽,更能解决问题。研究人员还发现,当学生试图用图来表示知识的理解时,他们最肯动脑筋。

概念图是评价的工具。概念图还可用作评价的工具。诺瓦克 博士的研究小组发现,通过概念图可以了解学习者在解释内容时被误解的概念。学生对概念的理解常常出现不完全或者有缺陷,结果造成了误解。学生画的概念图表达了他们对概念正确的或错误的理解,有助于教师诊断被学生误解的概念,以致影响教学效率的原因。

教师通过观察学生设计概念图的构图过程,可以了解其学习进展和内心思维活动的情况,以便给出及时诊断,改进教学。也可以作为总结性评价的工具,它与传统的试题测试相比的优点在于概念图为教师和学生提供的考试结果,已经不仅仅使一个抽象的分数,而是学生头脑中关于知识结构的再现。教师和学生可以清晰地了解学生学习的状况,从而有效地帮助学生认识自我。

用概念图来考察学生组织和理解知识的变化,强调学生知识构建的过程时,概念图与建构主义的学习观是一致的。

四、概念图的评价标准

诺瓦克 和 Gowin(1984)提出了概念图分析记分的四条标准:命题 (每个有效命题记1分),层级(每个有效的级为5分),交叉连接(每个有效的、有重要意义的交叉连接记10分。虽然有效,但不反映命题或相关概念组之间的综合则记2分),例子(概念图有效的例子记1分)。

Cleare(1983)在研究中采用的标准与上述标准相同,只是在分数的分配上有些差别。后来Wallace 和Mintzes(1990)的研究在上述四条标准的基础上又增加了一个标准——分支,并建议每个分支记1分。

Markham、Mintzes和Jones (1994)认为,分支的记分应根据形成分支的层级来定。第一层上的分支记1分,以后每个层级上的分支记3分。

Liu(1994)认为,Schreiber等人的记分方法不仅包括了概念图的命题和有层级的结构,而且对概念图组成部分的实际效度与隐含效度之比进行测量。这就便于用含有四个不同变量的数学等式来计算总分。
由此可见,记分法由于对概念图各组成部分的权重不同而有所不同。评分者通常要对有效性和精确性或组成部分的重要性作一些调整。结果使同一概念图的得分因评分者不同而有差别。所以,Liu认为在使用这种记分法时,应当估计到评分人之间的信度可能不是很高。

像诺瓦克 这样的分析记分在评价有具体概念或比较结构化的任务时,是有用的。但是,用它来评价开放性任务时,就很难了。而Schreiber 和 Abegg 的评分方法又太复杂,不便于中小学教师使用。所以,根据诺瓦克 和 Gowin (1984) ,以及Wallace 和 Mintzes等人确定的六个标准设计的一个评分表作为评价工具,是概括性较强的整体分析评分的方法,教师也比较容易接受。 考虑到区分度的问题,评分一般按4(最完全、有效)——0(缺失或无效)五个等级记分。六条标准及其定义是:

  1. 命题:在概念之间建立起有意义的联系;
  2. 层级:最高层的概念分解成若干有效的层级,从最一般到最具体;

3.分支:从最高层的概念分解出最概括的概念或下一层概念;

4.交叉连接:不同分支中的下一层概念之间的联结整合是有效的、有意义和重要的;

5.例子:最能区别次一级的概念;

6.概念化程度:理解最高层概念和与之相连接的次级概念的程度。

五、概念图的研究现状

概念图在国内的研究不多见,从掌握的资料来看,港台地区发展较快。例如台湾,从1997年开始计算,以概念图作为关键词的博、硕士论文多达36篇。在内地,如果对概念图的研究发展可以概括为介绍、引进、应用和研究的话,那么现时还处于介绍、引进阶段。

国外从20世纪60年代提出概念图到现在,相关的研究已经比较丰富和成熟。如美国的《科学教育研究》杂志(Journal of Research in Science Teaching)在1990年第四季度专门出版了一期“概念图面面观”(Perspectives on concept mapping)。在西方国家,概念图是中小学教学中很常用的一个方法,有着很好的教学效果。随着建构主义理论的发展和网络学习的普及,概念图的时代特征更为明显,推广概念图已成为许多国家的教育改革策略之一。

国外对概念图的研究发展可以概括为以下几个特征:

1.功能上的扩展,从评价工具到教学技能、教学策略

概念图最初的目的是为了测定学习者已有的知识,所以它是一种评价的工具。后来,人们发现作为工具的概念图,在教学上的意义远不止是评价原有知识和错误概念,它同时也是学习的工具、创造的工具、合作的工具、超媒体设计的工具、课程和教学设计的工具。概念图蕴涵着如此丰富的教学功能,使很多研究者渐渐脱离了概念图狭隘的工具观,而把概念图作为一种教学的技能和策略。研究发现,教学者和学习者如果掌握了制作概念图的技能,就可以大大提高教和学的水平。概念图同时也是一种学习的策略和元认知策略,能帮助学生进行有意义学习,提高反省认知,最终使学生学会学习。值得一提的是,在建构主义学习理论视野下,概念图还是学生建构知识不错的脚手架(scaffold)。

2.范围上的扩展,从中观概念图到微观概念图、宏观概念图

概念图的制作总是要选取一段包含诸多概念的知识内容,为便于教学,所选的知识点包含的概念数目一般不是很大。我们把这样的概念图称为中观概念图。但随着概念图功能的扩展,如在课程设计中,一个概念图所包含的概念数可以上百个,甚至更多,我们把这样的概念图称为宏观概念图(macro concept maps)。在宏观概念图中,选取某个概念再次利用概念图进行更详细的表征和说明,这样的概念图我们称之为微观概念图(micro concept maps)。随着电脑技术的发展,不但使概念图的制作变得极为方便,而且还可以方便的为概念和命题提供超级链接,所以在电脑网络上,微观概念图一般存在于超级链接的文本中。当然,超级链接可能更多的时候并不是以概念图的形式出现,而是以超媒体(hypermedia)的形式为概念进行更多说明。

3.领域上的扩展,从科学学科到其他学科、社会应用

诺瓦克教授领导的研究小组,最初把概念图应用于研究儿童科学知识的掌握,因为,科学知识相对具有抽象的概念内涵、丰富的逻辑层次和严谨的科学命题。但很快,概念图的研究范围便超出了科学的范围而扩展到各个学科,甚至被社会上的方方面面所研究利用。如新产品的设计、市场的开发、管理问题的解决等等,只要一个复杂的问题需要被明确的表达或解决,概念图是一个很好的方法。

4.技术上的扩展,从手工制作到电脑软件、网络技术

概念图可以手工制作,现在还可以利用电脑软件进行编制。利用电脑软件制作概念图有许多优点,如修改方便,界面漂亮,可以直接打印,可以网上学习交流等。鉴于概念图的巨大应用前景,市场上可以编制概念图的软件多达十几种,如(amp2.0、Inspiration、Activity Map、Mind Manager、Mindman、Axon Idea Processor5.0、CoCo Systems Decision Explorer等。

网络的发展使世界变成村落,使学习资源变得极为丰富,如何在浩渺的信息世界中有效的学习,知识高度浓缩和结构化的概念图也许能为网络教育提供参考的模式(如概念图导航模式)。在许多国家、利用互联网的技术优势,可以在网上实行概念图的师生交互学习和同伴合作学习,一般由网络管理者(教师)提供知识内容和有关背景知识,要求各个网络终端(学生)制作概念图并递交,制作过程中可以通过BBS进行网上讨论和即时评论,以此促进学习者学会学习。

如果说概念图使知识由一维线性表征形式转变为二维平面表征形式的活,那么有了电脑网络技术的概念图已经把知识延伸为三维的立体网络空间,这不能不说是知识呈现的一次革命。

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