小学生朴素热概念的发展
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摘要 概念转变是认知发展与教育领域的热点话题之一，但关于小学生对于热概念的转变研究仍处于萌芽阶段。本研究抽取了某小学一、三、六年级学生共104名，采用三种任务情境考察了他们在热概念方面的认识水平。研究发现：一年级学生主要将热看作是一种物质，用物质模型理解热作为一个过程概念具有的速度属性。三年级学生热的物质概念和过程概念的认识并存，能够正确认识过程概念的速度和方向两个重要属性。六年级学生对于热作为一个过程概念所应具有属性的认知较为稳固，但未发生进一步的转变，他们还不能将热作为一个自发过程概念来理解。此研究结果部分验证了Chi提出的概念转变的理论假设。
分类号 B844.1
1.问题提出
朴素理论（Matve theory）是指在接受系统的科学训练前，儿童的日常经验使他们对客觀世界的各种自然现象初步形成了自己的看法和解释，从而建构形成的大量的自发概念（Wellman&Gelman，1998）。朴素物理学、朴素生物学和朴素心理理论是朴素理论研究的三大基本领域，其中研究的最为详尽的当数儿童对物理学方面的认知。对于朴素物理学的研究主要集中于人们对物理实体、物理过程和物理现象的直觉认识（牟毅，朱莉琪，2006）。目前研究者考察过的儿童对于物理学各个分支基本概念的认知包括：力和运动、能量、热、光、声、电、天文现象等（王振宇，2004）。其中对力和运动这一概念的研究从皮亚杰具有开创性的工作开始到现在已经获得了丰硕的成果，而针对热、光、声此类儿童能够直觀感受但又较为复杂和抽象的概念所开展的研究则相对较少，也较为缺乏理论指导和系统性。
从本体论和认识论的角度来看，Carev等人认为（1992，1994），任何“理论”都是一套信念和知识结构，它包括了一系列“本体区分”方面的知识以及在此基础上形成的用来解释一系列现象的一定领域内的因果机制。这一理论假设。如果儿童具有某一领域的基本“理论”，那么他们应当能够对该领域做出本体论区分。对于这一领域中的现象能够进行因果推理，并且这些因果认识应当具有内在的一致性。由此可见，能够做出本体论的区分是儿童获得某一理论的基础。Chi及其同事（1994）基于本体论提出了他们的概念转变理论。该理论认为世界上所有的实体都可以归属于三个基本的类别（Chi将之称为“本体论树”），即物质、过程和心理状态。Chi（1997）认为如果学习者能够将概念正确归入他们所应当属于的基本类别，就实现了概念转变从而避免了错误概念的产生。对于某一个概念更为精细的理解和认识需要的不仅仅是将之正确归入三个基本的类别，同时还需要能够正确认识到它所属的子类别（Chi将之称为“本体论树上”的“枝节”）。依照这一理论，对应的概念转变也分为两种：即同一本体论类别下子类别之间的转换，被称为“枝节转移”（branch jumping）；不同本体论类别之间的转换，被称为“主干变换”（tree switching）（Chi，1992）。热、光、声、电等物理概念从本体论的角度进行划分都应当属于过程树下面的自发过程（emergent process）枝节类别当中。两位德国心理学研究者Mazens和Lautrey（2003）以Chi的概念转变理论为指导考察6-10岁儿童对于声概念属性的认识发现：更多的年幼儿童将声理解为一种物质而不是一个过程，随着年龄的增长会有越来越多的儿童将声这个概念从物质树变换到过程树上。在随后的研究中，他们通过类似的研究范式证实了8岁儿童在声和热概念上认识的连贯性和一致性（Mazens&Lautrey，2004），以上研究表明儿童对于此类概念的认识过程可能具有一定的相似性。
虽然热现象是儿童在日常生活中常常能够觀察到的现象，但是热概念却是儿童以及成人在学习和理解上常常会认识错误的概念：研究儿童对热概念进行概念转变的过程既有利于了解人类对于此类概念的朴素认知，又能够为教育工作者促进儿童进行概念转变和形成科学概念提供一定的理论指导。国内对于此类概念尚没有系统的研究，国外研究仅考察了儿童对于声概念的理解从物质树到过程树的转换。还未涉及其在过程树的各个枝节之间的转移。本研究试图以Chi等人近期的理论阐述为指导，借鉴和改进Mazens和Lautrey（2003，2004）对声和热概念进行研究时采用的实验范式来考察一、三、六年级的儿童对于热概念的本体论区分及概念转变的水平，研究假设一年级儿童主要将热理解为一种物质，还未发生从热概念的“主干变换”：三年级儿童正在从热的物质理解向过程理解过渡，在进行热概念的“主干变换”：六年级儿童基本构建了热的过程模型，但在自发过程的理解上还处于过渡阶段，即完成了热概念的“主干变换”，正在向“枝节转移”迈进。
2.方法
2.1被试
从北京市海淀区某小学一年级、三年级、六年级学生中各抽取18名男生和18名女生参与实验。其中有2名一年级女生、1名三年级男生和1名六年级男生未能完成实验程序，实际有效被试为104名。其中一年级学生的平均年龄为7.14岁，标准差为0.3岁：三年级学生的平均年龄为9.21岁，标准差为0.5岁：六年级学生的平均年龄为12.11岁，标准差为0.44岁。
2.2研究材料与程序
本研究设计了三个与热有关的物理任务情境来测量儿童对于热概念的朴素认知水平。任务情境一包含用于考察儿童是否能够理解热是一个非物质概念的2个题目，任务情境二包含用于考察儿童是否能够理解热是一个非物质概念的1个题目和儿童是否能够理解热是一个过程概念的3个题目，任务情境三包含用于考察儿童是否能够理解热是一个自发过程概念的2个题目。
任务情境一由1幅图片构成，考察当儿童将热误认为是物质时，是否认为“物质热”具有“重量属性”和“颜色属性”。这2道题目改编自Mazens和Lautrey（2004）通过将勺子放人热水中加热的研究范式，为了避免学生认为将勺子取出时带出了水而导致重量增加，本研究将热源改为火堆直接加热：同时为了避免塑料勺子和铁勺加热时容易产生颜色变化，本研究将被加热的勺子设定为陶瓷质地。任务情境二由2幅图片构成。考察当儿童将热误认为是物质时，是否认为“物质热”具有“实体性”，即错误信念中热是由物质构成的因此无法穿越固体。同时，这两幅图片也用于考察儿童将热当作过程概念来理解时，是否认为热具备速度属性和方向属性。其中，对于速度属性的考察使用了2道题目，分别是距离相等和距离不等两种情况中儿童对热在传递过程中所花费的时间长短的判断。以上的4道题目均改编自Mazens和Lautrev（2003）对儿童关于声概念的相应属性进行考察时所采用的题目。
依照Chi概括出的过程树下的直接过程和自发过程两个子类别概念之间的本体论属性上的差异，结合小学儿童认知发展的特点，在任务情境三中设计2幅图片，考察小学生对于热作为一个自发过程概念的理解程度。Chi（2005）的理论从组成成分水平上的相互作用方式和组成成分与模式之间关系两个角度对直接过程和自发过程之间的差异进行了总结，共十种。排除了必须引入分子、原子等概念才能理解的属性后，本研究希望考察小学生是否能够认识到热分子的运动与热整体的运动趋势之间具有的间接关系属性，在题目设计中体现在儿童是否能够正确判断出一个能够传递热的铁棒在失去部分之后仍然能够导热：同时，本研究还希望考察小学生是否能够认识到热分子的运动与热的整体运动趋势之间的关系是平等的，在题目设计中体现在儿童是否能够正确出判断粗的实心铁棒和细的实心铁棒在导热时的速度是相同的。
2.3施测
6名主试经过严格的培训，要求他们遵照给定的程序进行。地点选在小学的一间大教室里，可容纳三对主试与被试同时施测且互不干扰。主试与被试采取面对面的坐姿，在桌上摆放有刺激图片、作答图片和笔。对每位学生的施测均采用固定的顺序，每个问题最多可向被试重复3遍。除关于热的运动轨迹的题目以图示的方式作答，其余均为言语作答，答案用统一的表格由主试当场进行记录。每位学生接受施测的时间为15-20分钟。
2.4计分方式和数据处理
每道题目回答正确或最为接近科学认识计1分，回答不完全正确或较为接近科学认识计0.5分，回答错误或离科学认知差距很大则计0分。对于“物质热”相关题目的计分则采用反向计分的方式，得到的是学生关于热的非物质性的认知能力。在考察学生对于热作为一个过程概念来理解时，对应速度属性的两道题目完全回答正确记1分，否则计0分。考察学生将热作为某一种概念来理解时的合计分为这种理解所对应的所有题目得分的平均值。
依据前述计分方式对三个年级的学生在每种热概念理解水平的整体认识情况，使用SPSS15.0进行描述统计和方差分析。为了进一步了解可能的发展差异的来源，又对三个年级的学生在每种热概念理解水平下对不同属性上的认识差异进行描述统计和卡方检验。
3.结果
3.1对热概念的三种理解水平的年级差异分析
三种热概念理解水平按照上面提到的计分方式计分，各年级学生在热概念三种理解水平上的得分情况和方差分析结果见表1。结果表明。在热的非物质概念理解水平层面，一年级、三年级和六年级学生之间存在显著差异，事后分析发现六年级学生的理解水平显著高于一年级和三年级学生、三年级学生的理解水平也显著高于一年级学生：在热的过程概念理解水平层面，一年级、三年级和六年级学生之间存在显著的差异，事后分析发现六年级学生的理解水平显著高于一年级和三年级学生、三年级学生的理解水平显著高于一年级学生：在热的自发过程概念理解水平层面，三个年级之间存在显著的差异，事后检验发现这种差异仅体现于一年级和三年级学生以及一年级和六年级学生之间，在三年级学生和六年级学生之间不存在显著差异。
3.2各年级儿童对热的非物质属性的理解程度分析
如果学生将热作为一个物质概念来理解时，各年级儿童中认为热是“有重量”的比例分别是：一年级9人（26.5%）、三年级7人（20%）、六年级2人（5.7%），X2（2）=5.46，p=0.065，说明小学生在热的“重量属性”认知的年级差异达到边缘显著的水平。各年级儿童中认为热是“有颜色的”的比例分别为：一年级15人（62.5%）、三年级7人（20%）、六年级4人（11.4%）。X2（2）=10.53，p=0.005，说明在热的“颜色属性”的认知上具有显著的年级差异。各年级儿童中认为热具有“实体性”的比例分别为：一年级21人（61.8%）、三年级16人（45.7%）、六年级5人（14.3%）；有儿童认为热具有部分“实体性”，即热只能穿过比较薄的或比较软的物质。其所占比例为：一年级13人（38.2%）、三年级16人（45.7%）、六年级13人（37.1%）。对年级和“实体性属性”的认知类别进行卡方检验，X2（4）=34.65，p=0.000，说明在热的“实体性属性”认知上具有显著的年级差异。
3.3各年级儿童对热的过程属性的理解程度分析
速度属性是将热作为一个过程概念进行理解的基本属性之一。能够认识到热在空气中传递，距离不同所需的时间不同，距离相同所需要的时间也相同的一年级儿童为32人（94.1%）、三年级34人（97.1%）、六年级34人（97.1%）。在这一属性上各年级之间不存在差异，X2（2）=0.57，p=0.753。热作为过程概念的另一个重要属性为其运动的方向性，儿童对于这种方向性的认知分为以下几种：只能朝向有人的地方、只能朝向上方、直线指向四面八方、以一种波浪的形式朝向四面八方、向波纹一样扩散到四面八方。按照对热运动的理解趋于科学的程度，我们将其分为三种类型，科学性依次升高，前两种回答为“单一方向类”，持这种认识的一年级儿童20人（58.8%）、三年级10人（28.6%）、六年级0人；中间一种为“宏觀多方向类”，持这种觀点的一年级儿童10人（29.4%）、三年级18人（51.4%）、六年级25（71.4%）；最后两种答案为“微觀多方向类”，持这种觀点的一年级儿童4人（11.8%）、三年级儿童7人（20%）、六年级儿童10人（28.6%）。对年级和方向属性的认识类别进行卡方检验，X2（4）=38.06，p=0.000，说明小学生在热的方向属性的认知方面具有显著的年级差异。
3.4各年级儿童对热的自发属性的理解程度分析
在儿童对于热作为一个自发过程的分子热运动与热的整体运动趋势间的间接关系属性的认识中，有三种类型的答案，科学性依次降低，分别是：（1）失去部分仍能导热，持这种觀点的一年级儿童7人（20.6%）、三年级25人（71.4%）、六年级29人（82.9%）；（2）失去部分不能导热，持这种觀点的一年级儿童20人（58.8%）、三年级10人（28.6%）、六年级6人（17.1%）；（3）完整也不能导热，持这种觀点的一年级儿童7人（20.6%），三年级和六年级0人。对这三种类型的认识与年级进行卡方检验，X2（4）=36.49，p=0.000，说明儿童在热的分子运动与热的整体传递趋势间的间接关系属性的认知上具有显著的发展差异。
在儿童对于热作为一个自发过程的分子的热运动与热的整体运动趋势间的地位关系属性的认识中，有四种类型的答案，科学性依次降低，分别是：（1）无论实心体粗细导热速度一样快，持这种觀点的一年级儿童0、三年级6人（17.1%）、六年级7人（20%）；（2）细的实心体导热速度快，持这种觀点的一年级儿童15人（44.1%）、三年级19人（54.3%）、六年级23人（65.7%）；（3）粗的实心体导热速度快，持这种觀点的一年级儿童17人（50%）、三年级10人（28.6%）、六年级5人（14.3%）；（4）实心体无法导热。持这种觀点的一年级儿童2人（5.9%）、三年级和六年级均0人。对这四种类型的认识与年级进行卡方检验，X2（6）=12.25，p=0.002，说明儿童在热的分子运动与热的整体流动趋势间的地位关系属性的认知上具有显著的发展差异。
4.讨论
从热概念的三种理解水平的年级差异分析结果来看，三个年级的儿童的确存在着发展性的差异，这种差异主要体现在一年级儿童、三年级儿童和六年级儿童在热的非物质概念和过程概念理解程度上的递增。在热的自发过程概念的理解上。虽然三年级和六年级儿童比起一年级儿童有了明显的进步，但是就本研究所考察的两个属性上他们均未达到掌握的程度，且两个年级的儿童之间没有显著的差别。
在一年级的儿童的朴素热概念中，热仍然是一种物质。虽然大部分儿童不再认为热具有重量和颜色，但仍然坚持热的实体性。将热视为有重量和颜色的儿童可能会受以下现象影响：日常生活中“暖气”“冷气”之类的口语化词语让他们误以为“热”一样是一种“热气”（黄希庭，杨义，刘宗华，1980；方格，方富熹，刘范，1984）；儿童将“热”与阳光相混淆或与物质受到加热时颜色的变化相混淆，认为阳光的颜色或物质变化后的研究就是“热的颜色”。半数以上的一年级儿童很难理解热能够“穿过”物体。这与Mazens和Lautrey（2004）在声音和热的对比研究中得出的结论是一致的，在他们的研究中有很多德国二年级儿童存在这样的认识，时间和空间是运动着的物质存在的基本形式，一年级儿童虽然能够理解热的传递是需要时间的，但本研究的发现并不支持认为他们的朴素热概念是一个过程概念。黄希庭、方富熹、方格等人的研究表明：5-7岁是儿童时间认知发展的飞跃期（黄希庭。杨义，刘宗华，1980；方格，方富熹，刘范，1984；林泳海，1996）。在本研究中一年级儿童的平均年龄已经超过7岁，他们能够正确判断出实验情境中不同距离的孩子感受到热的快慢不同不足为奇，根据情境一的实验结果，可以推断，儿童所理解的速度是热作为物质移动的速度而非热传递的速度。同时，在本研究中有过半数的一年级儿童还不具备热过程的方向属性可以作为以上论断的佐证。在对热的方向属性的认识上，58.8%的一年级儿童认为热的运动是指向单一方向的，其中有13人认为热是向上运动的，7人认为是指向人的。与Mazens和Lautrey（2004）的研究结果类似的。我们发现部分一年级儿童仍然会有类似“泛灵论”的想法，认为热的方向会偏向人：而在Mazens和Lautrey的研究结果中未出现的热只能向上运动的情况，则可能是由于本研究所选取的是不同的发热源。在Mazens和Lautrey的研究中所选取的热源为暖气而本研究所选取的是篝火，篝火这种热源可能使儿童将火焰的方向或者烟的方向当作了热的运动方向，其概念模型仍然属于物质实体。
在三年级儿童的朴素热概念中，物质概念和过程概念的属性并存。绝大多数三年级的儿童（80%左右）已经不再认为热有“重量”、有“颜色”了。几乎所有三年级的儿童仍然将“热”看做一种无法“穿过”其他固体的“物质”，其中一半儿童认为热无法“穿过”任何固体，另一半儿童认为它只能“穿过”比较软或者比较薄的固体。在Mazens和Lautrev（2004）关于8岁儿童在热概念和声概念的认识连续性研究中，66.2%的儿童认为热无法“穿过”任何固体，20.8%的儿童认为热能否“穿过”一个固体与其硬度有关。虽然本研究中三年级学生的平均年龄在9岁左右，他们在热的非实体性属性方面的认识与Mazens和Lautrey（2004）研究中8岁儿童的认识并无本质差别。在对热的过程概念的理解上，几乎所有三年级儿童都能够正确认识到热在运动时的速度属性，超过半数的三年级儿童能够正确认识到热的方向属性，明白热的扩散方向是指向四面八方的，所以我们认为三年级儿童的朴素热概念中基本具备了过程概念的属性。在热的自发过程属性方面，大部分三年级儿童能够认识到即使金属棒缺少了一部分，它依然具备导热的功能，热仍然能够从金属棒的一端到达另一端，这说明将近一半的三年级儿童能够认识到热分子运动与热的整体运动趋势间的间接关系属性，但是这种认识是否真的是基于微觀水平与宏觀水平间的仍然有待进一步的考察：只有少数儿童会认为两个金属棒能够同时将热从一段传向另一端，这说明儿童或许还不能认识到金属棒每一部分所具有的地位是一样的，这样的结果也可能受到儿童一般认知水平发展的限制，三年级的儿童还处于皮亚杰认知发展阶段中的具体运算阶段（弗拉维尔。米勒，米勒，2002），这可能会对儿童完成这一任务造成困难。
六年级儿童的朴素热概念中，热已经接近一个过程概念了。六年级的儿童中已经很少有人（5%-15%）认为热具有诸如重量、颜色以及实体性这样的物质属性了，这说明大部分这个年龄段的儿童已经不再把热归人物质树的类型之下了。六年级的儿童基本上全部正确掌握了热作为过程概念所具备的时间和空间两方面的属性，他们不仅能够认识到热的扩散是指向四面八方的，一些儿童还对指向四面八方这一较为粗略的模型进行了精细化加工，这种认识似乎带有了一些微觀世界物质运动的色彩。在他们画的轨迹中使用了水波纹状的线条，虽然热运动的科学模型并非如此，但这与简单的直线或折线运动已经有了很大的差别。六年级儿童在回答热作为自发过程类概念属性的题目与三年级儿童差别不大，认为热会同时从金属棒的一端传向另一端的儿童做出的解释为两个金属棒的材料和长度都一样，他们的传热速度也应该一样。这样的解释并非基于微觀粒子运动的。但此阶段儿童所具有的形式运算的能力对理解热分子运动与热的整体运动趋势间的间接地位属性是有帮助的。
在不引入分子概念的前提下，对小学儿童进行热、声、光等较为抽象的概念进行考察难度较大，从六年级儿童对情境三中题目的回答情况来看，将热概念从普通的过程概念枝节向自发过程概念枝节的转变在小学阶段发生的可能性不大，这与小学儿童的一般认知发展水平和相关知识的拥有程度有关。因此，本研究仅验证了Chi（2005）的概念转变理论的前半部分，对于后半部分的验证或许需要引入分子概念并选择年龄更大的儿童甚至成人更为适合。
5.结论
研究发现一年级儿童主要将热看作是一种物质，三年级儿童热的物质概念和过程概念的理解并存。六年级儿童基本上上摆脱了热的“物质属性”，同时将热作为过程概念进行理解的认识也较为稳固。同时，即使到了小学六年级对于热概念的自发过程属性仍未发生进一步的转变，