王众1，张翼2，江祎3
摘要：本文由一例课例片段得到启发，研究并讨论了儿童在学习科学概念中的偏好问题。在该节“溶解”课例中，其中一名学生将老师演示的“胭脂红溶于水”的演示实验作为原型，以判断一个新的现象是否属于溶解，而不是我们所预料的通过利用溶解定义进行分析、判断新现象。由此我们提出猜想，即相比于通过探究实验与分析、推导等思维方式，“原型匹配”可能是儿童更加偏好的概念学习方式。为此，我们对北京市某小学的160名五年级学生（均学习过该节课）进行了针对性测试，并利用拟合优度检验法对结果进行统计分析。结果显示：①整体4果的，P＜0.001，说明儿童的确存在明显的原型偏好现象；②我们对其中部分原型“做了手脚”，即它们看上去像是老师讲过的原型，但实际是错误的，然而结果显示儿童依然偏好这些所谓的“原型”（，P＜0.001）。结论：①儿童对于科学概念学习存在明显的“原型匹配”偏好，这不仅与目前强调发现/探究式建构的科学教育普遍认识有着明显的偏差，而且也在一定程度上指出了概念组织的各种方式（如定义说、原型说、图式说等）可能存在着优先级关系。②儿童对于原型的偏好似乎是不假思索的，不会对原型的真伪进行辨认，这一点尤为值得一线教学注意。
关键词：原型匹配,科学概念,概念学习偏好,拟合优度检验
作者简介：
- 王众（通讯作者）：北京行动者教育咨询有限公司；
- 张翼：北京市丰台区丰台第一小学；
- 江祎：北京市东城区东四九条小学。
1 研究缘起
本研究缘起于一节“溶解”的科学课。在该节课上，教师让学生猜测什么因素可能会加速溶解，其中一名女生回答说把冰放在热水里属于加速溶解。但从溶解的定义上看，冰在热水中融化显然不属于溶解，因为溶解的前提一定是两种不同物质混在一起（百度百科,“溶解”词条）。那么，为什么这名学生会认为冰在热水中融化是溶解呢？为此，我们对这名学生做了课后访谈（详见本文“9.附件”）。我们注意到了最后一个视频。在这个视频中，我们没有直接追问她为什么冰浸入热水中的现象是溶解，而是假想了一个现象：将蓝、黄两种颜料混在一起变成绿色，这个现象属不属于溶解？通过这个问题，我们尝试了解该生脑中对于“溶解”概念的理解，进而弄明白为什么这名学生会有上文的观点。但出人预料的是，该生对于这个假想的解释（她认为算是溶解）却有点奇特：她并没有解释与分析这个现象，而是将这个现象与老师上课时演示的一个实验——即胭脂红溶于水的现象——进行了匹配。她认为，这个现象与那个演示实验非常类似，既然胭脂红实验算溶解，那么这个现象也理应算是溶解。
虽然这个答案并没有指向那个最初的问题，但是这个回答倒是留给我们一个线索：我们似乎可以从中看出该生是如何理解“溶解”概念的。如果我们弄清了这个问题，冰与热水的问题也就迎刃而解了。而从这番问答中，我们可以明显地感受到，该生对于“溶解”现象的学习，似乎遵循的是一种“匹配原则”，即事先已知胭脂红实验是溶解，那么拿新遇到的现象去与这个实验进行匹配，可以匹配得上的就是溶解，反之就不是。而且是否匹配得上的标准，是该生在一瞬间自行制定出的。
如果这个猜测是正确的话，那么它将给现有的科学教学——尤其是概念教学带来相当的启示。目前国内小学科学界比较推崇的是维果茨基-兰本达的概念建构理论，即一个进阶过程（详见本文“2. 既往研究对此问题的观点”）。但是该生的情况却提示我们，科学概念学习的模式是否有多种？而且维果茨基的模式并不是儿童大脑所偏爱的？
2. 既往研究对此问题的观点
目前国内科学教育主要遵循维果茨基的概念建构理论。前苏联学者列夫·维果茨基（Lev Vygotsky）在其《思维和言语》一书中阐述了他的概念观。他认为，首先，儿童会通过观察将一系列现象杂糅起来，形成一个独特的复合物：复合思维。第二步，儿童的大脑要对这些复合物进行加工，形成“链式复合”——即“复合思维最纯洁的类型”（列夫·维果茨基,2005,P141）。第三步，儿童会对这些复合物进行抽象概括，即形成假概念。但这种朦胧的抽象物极不稳定，非常容易受到具体现象的干扰。而这个让它稳定下来的关键，就是语言。维果茨基认为，语言加入认知过程使得假概念最终蜕变成了科学概念。所以，维果茨基的概念学习观可以大致概括为一个进阶：复合思维→链式复合→假概念→概念（列夫·维果茨基,2005,P115-181）。
维果茨基的进阶式概念观非常复合学生在探究实验中经历的过程：因为学生在探究实验中也也要经历一个抽丝剥茧、找到真相的过程。因此，在一些学者（如哈佛大学的B. Landsdown等人）的大力倡导下，以维果茨基为基础的探究学习成为目前科学教育的主流概念学习观（兰本达,P.E.布莱克伍德,P.F.布莱德温, 2008）。教育部最新颁布的《义务教育科学课程标准》即将科学探究作为最重要的学习方式之一，并写进了课程的总目标：“科学课程要培养的学生核心素养……包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面”“形成科学探究的意识，理解科学探究是探索和了解自然、获得科学知识、解决科学问题的主要途径”（中华人民共和国教育部,2022，P4-7）。
但是，一些既往心理学研究已经证实，人的概念学习可能遵从多种方式，而原型匹配（prototype matching）是其中重要的一种。如Rips等人发现，人们对“知更鸟是鸟”这样的句子的反应速度要比对“火鸡是鸟”更为迅速。对此，K. M. Galotti认为，对于大多数人而言，知更鸟是一种典型的鸟，但火鸡则不是（凯瑟琳·加洛蒂,2017, P113）。又如王树根提到：“它（原型说）认为在人脑中的记忆储存的不是与外部模式有一一对应的模板，而是原型（prototype）。这种模型反映了一类客体所具有的基本特征”（王树根,2002）。但遗憾的是，目前心理学界似乎对于概念学习各种方式的优先级研究得并不多，也并未指出哪些可能是儿童更加偏好的（既往的偏好研究更多集中于整体学习模式上，针对概念和知识的组织方式与偏好的则较为鲜见）。
事实上，既往的一些研究已有迹象表明，学生在科学学习中有寻找原型的迹象。如叶宝生、彭香在对小学生科学前概念的调研中发现，小学生在概念学习上有“突出明显特征”的特点。例如他们在研究儿童对纺织面料的特性时发现，60%的学生认为纺织面料的特性是柔软。对此，该文认为：“纺织面料是具有综合性特征的事物，然而学生对‘柔软’这一特性的认识比例远远高于其它特征……小学生仅仅对其‘柔软’这一明显特征认识清晰，这表明他们具有突出明显特征性的认识特点”（叶宝生,彭香,2018）。显然，这个“柔软”已经具有了原型的雏形。然而，这些迹象并未引起国内相关教育学者的重视，不仅未写进历次课程标准中，而且在有关“概念学习”的较有影响的论文中也难觅踪迹。
3 本研究基本猜想
相比于维果茨基的进阶建构方式，“原型匹配”可能是儿童在学习科学概念中更加偏好的方式。
4. 实验设计
4.1 基本思路
由于研究的是偏好问题，所以本实验采用分布拟合作为基本思路。即，我们以“学生在科学概念学习中没有特别的偏好，只依据冷静分析进行判断”作为零假设H0，然后让被试（学生）完成一系列选择题（测试任务），所有题目只有A、B两项，其中一项含有他们接触过的原型；而另一项则没有，需要依靠审慎的思考与分析方能判断是否正确。按照HO，测试结果应为随机的，那么选择含有原型选项的概率应接近0.5（当被试总数足够多时）。最终，我们采用拟合优度检验法验证实际观测的频数是否拟合0.5，进而判断是否可以接受H0。
4.2 技术路线
① 被试选择含有原型选项的频数是否与0.5有明显差异(P<0.05)？
4.3 测试任务设计
首先，由于目前小学阶段的生物、宇宙、地球科学等知识内容几乎不涉及实验与探究学习，而全部采用基于观察法的教学方法，我们无法通过本实验来筛选出学生的偏好，所以测试任务不包括如上内容。
其次，为了确保测试任务的原型学生都曾经接触过，所有题目中的原型选项皆依据教科书上的实验（或图片）制定（郁波,2020）。为了突出实验效果，我们在部分原型身上“做了手脚”，使得它们看上去像原型，但仔细分析会发现实际上是错误的，不能解释该题所涉及的知识点。
第三，由于教科书上呈现的典型实验或模型往往不是一个，我们并不能确认学生将其中的哪一个定为原型，所以我们设计了两套问卷（测试任务）。这两套问卷涉及的知识点完全相同，非原型选项也完全相同，唯一不同的是含有原型的选项。
具体问卷详见本文“9.附件”。其中红色字体的为含有原型的选项，题号上标“*”的是我们“做过手脚”的选项，红色字体及“*”标志不会出现在真实的问卷中。
4.4 统计分析方法设计
我们采用拟合优度检验法（goodness of fit test）作为本研究的主要统计方法。之所以选择该法，一是如上所述，本实验研究的是行为偏好问题，二是因为它可以“判断期望频数与观察频数是否有显著差异”（百度百科,“拟合优度检验”）。因此，它可以用来解释本实验的样本结果与0.5之间的偏差是否是由不可避免的随机误差造成的。
既往的研究也显示，拟合优度检验很适合于行为偏好研究。如Melanie等人通过该方法研究了德国1282人对于结直肠癌筛查的偏好，由于筛查对于结直肠癌早诊早治具有重要意义，但同时它也具有一定风险（百度百科,“结肠镜检查”词条），所以患者在是否选择上存在博弈性决策问题，因此该研究通过拟合优度检验来审查这种偏好（Melanie Brinkmann MSc et al, 2022）。
4.5 效应量方法设计
由上文，本研究基于卡方检验（拟合优度检验），所以我们采用Cramer’s V相关系数作为效应量的计算方法。该法的计算公式为：
其中n为样本容量，k为行数与列数中的较小者（郑昊敏,温忠麟,吴艳, 2011）。
该法的效应量大小标准我们采用小效应V<0.1，中等偏弱效应V∈(0.1, 0.3]，中等效应V∈(0.3, 0.5]，大效应V>0.5的标准（百度百科,“效应量”词条）。
4.6 样本量设计
由于本研究基于拟合优度检验，而该检验法客观上对于样本量有较高要求，要特别避免样本量过少（即所谓的“稀疏资料”）导致的结论偏差（胡纯严等, 2021）。为此，我们采用大样本容量（n>30）。同时，我们要求被剔除结果的被试数应不超过被试总数的5%（含）。
5. 实验准备及实施
5.1 被试准备
我们选择了北京市某小学五年级的160名学生作为被试。之所以选择五年级，是确保问卷中的知识他们都学过，也接触过其中的原型。所有学生学力中等、智商良好。本实验经过了当地机构的伦理审查，并在不暴露测试目的的前提下最大程度地保障了被试的知情权。
5.2 仪器准备
本实验的数据采集采用纸质问卷方式，数据统计及分析采用SPSS24软件，分析平台为一台Redmi Book Pro14锐龙版笔记本电脑。
5.3 实验流程
本实验总共包括两轮。第一轮为上文所述的测试任务，被试及相关准备详见本文4.3、5.1、5.2。在试卷的发放上，采用随机分配的原则，即通过“洗牌”的方式，将两份试卷随机地混合在一起，并由未参与此实验的教师随机地分发给被试。
第二轮为一项追加任务，目的是为了排除一个潜在的竞争性解释：那些被大多数学生抛弃的选项，是否是学生没学过的、不会的（甚至是根本看不懂的）？虽然被试是五年级，即我们选择的知识都应该是学生学过的，但因为疫情，不少学生都有居家学习的经历，客观上学习效果难以保证，所以我们追加了这个任务。我们将第一轮测试中被选中概率低的题目展开，重新设计了相对详细的题目（除一道电路题外，依然为选择题），以考察学生是否的确会做。为了确保结果没有一致性偏倚（例如又做一遍相同题目，增加了被试的经验与思考时间），我们选择了与被试条件完全相同的另一个班级（共38名学生），该班学生没有经历过第一轮测试任务（也就没有见过这些题目），因此他们的作答结果可以反映出被试在应对第一轮测试任务的平均能力。
第二轮测试题目（追加任务）详见本文“9.附件”。
6. 结果及分析
6.1 数据的预处理
由于大部分测试任务为A、B选项，所以我们首先要将答案赋值，才能进行统计分析。具体赋值方法为：如某位被试在作答某一题时，选择了含有原型的选项（无论这个选项是A还是B），我们都赋值该答案为1；否则，如其选择了非原型选项，则赋值为0。追加任务中的第1题为用箭头示意出电流方向，正确答案应为6个箭头，我们计算被试画对箭头的个数，并用其除以6，得到该被试该题的赋值（如某一被试画对了4个箭头，那么我们就为其赋值为4÷6≈0.67）。由于无法看清电池正负极，所以该题可以无视电流方向，但应保证画出的所有箭头均遵循同一方向。通过此种赋值方式，确保了数据都指向了“选择原型的概率是否是随机的”这一点，即本研究的关注点。
同时，我们剔除了5名被试的答卷，主要原因是存在*题漏**未答或多选的情况。被剔除数占总数的3.13%，符合样本量设计（详见本文4.6）。
预处理后的数据，详见本文“9.附件”。
6.2 排除竞争性解释
如本文5.3所述，为了防止竞争性解释——即之所以没有选择这些选项很可能是因为不会做/看不懂题目——我们追加了一轮测试。这一轮测试的主要内容是将测试任务中被试选择较少的那些选项单独择出，并单独命题，以查看被试平均学力的学生是否能够解答这些问题。
表1显示的是38名学生追加任务的正确率（四舍五入，保留两位小数）。可以看出，同等学力的学生的平均正确率为0.88，也就是说，只要认真思考，学生完全会做这些选项。因此，也就基本上排除了该竞争性解释。
6.3 检验结果及分析
6.3.1 整体统计结果
表2-4为经过拟合优度检验后的结果。可以看出，测试任务整体的卡方值为73.865，显著性P<0.001，且没有期望频率低于5的单元格。由Cramer’s V相关系数，V≈0.35，具中等效应。非常容易看出，被试在选择上具有明显的原型偏好现象，且这种偏好具有极明显的统计意义。
6.3.2 “做过手脚”的题目
尽管从数据上能看出，被试选择含有的原型选项较多，但这种情况是否是因为那些选项也是正确的缘故？为此，我们专门抽选出那些在含有“原型”选项上“做过手脚”题目的统计结果（即所谓的“原型”其实是错误的，不能解释题目所指的科学现象）。表5-7为那些题目的统计结果。由Cramer’s V相关系数，V≈0.31，具中等效应。与表2-4呈现的大致结果类似，被试的选择依然具有明显的原型偏好。更重要的是，尽管这些题目存在陷阱，但似乎被试并没有关注到这一点。
6.3.3 在作答是否“做过手脚”题目上是否存在行为差异？
进一步地，被试在作答是否“做过手脚”的两类题目时，其作答行为是否构成显著性差异呢？如果这种差异足够显著，则可能说明这种修改影响到了被试的成绩（当然，这也意味着被试很可能察觉到了这些伎俩）。为此，我们采用独立样本t检验法检测被试在作答两类题目的结果是否具备显著差异。
从上表可以看出，数据不具备显著性差异，这表明被试在作答是否“做过手脚”的题目上，并没有证据证明其察觉到了这些伎俩。从数据中似乎可以看出，被试在这两种类型的题目上很可能具有相似的行为表现。
由此我们认为，可以否定零假设H0，即从数据上看，学生在概念辨认与判断时，具有明显的原型匹配的偏好。更具有说服力的是，即使所谓的“原型”其实是错误的，但被试依然执着地选择了它们。这似乎反映出，被试对原型的选择是一瞬间的、直觉性的，因为只要略加思考，这些陷阱其实不难发现。
7. 讨论
7.1 另一个来自“临床”的证据
如上结果让我们回忆起几年前的一个案例证据。2018年，我们研究并分析了一个课堂教学案例。在该案例中，教师要讲解有关影响摆速因素的知识，为此要先让学生认识经典的摆的模型。但是基于“从生活中来”这个理念，该教师并未直接出示摆的样子，而是从生活中的摆（如钟摆、秋千等）开始引导，试图通过这些让学生建构“摆”的概念。但是其中一名学生却没有最终建立摆的概念，他始终认为摆就应该是秋千的样子（该节课讲解的摆是一个物理学上的典型单摆）。我们课下对该生进行了访谈：在没有提示的情况下让该生画出刚才课上的实验。我们可以清楚地看出（详见下图），该生画出的摆都具有明显的秋千的特点，说明该生建构的摆就是秋千的样子（王众,苗莹莹, 2021）。
该如何解释这个案例呢？如果仔细观察这幅图，不难发现，相比于物理学的单摆（一根摆线），这幅图中的所谓的“摆”明显具有秋千的特点（尤其是②）。因此从本文的角度看，我们可以得出一个合乎逻辑的解释：该生在老师讲到秋千时，不自觉地将秋千作为原型，然后拿摆的样子与其进行匹配，结果发现匹配不上，于是坚决否认单摆是摆。可以说，该案例为本研究提供了一个来自一线课堂的间接证据。
7.2 本研究对于科学教育的意义
本文更大的影响可能在于对概念组织存在优先级的揭示上。
对于概念的形成，认知心理学大致有“经典观”（Classical view of concepts）、“原型观”（Prototype view of concepts）、“样例观”（Exemplar view of concepts）、“图式/脚本观”（Schema/script view of concepts）与“知识基础观”（Knowledge-based view of concepts）等观点（凯瑟琳·加洛蒂, 2017, P117-124）。这些观点从不同角度对于概念是如何形成的进行了推断，并提出了相应的证据。然而，既往的研究已经揭示出这些说法中的任何一种不能解释所有的概念形成问题，甚至不同观点之间对于概念的认识会出现“犬牙交错”的现象。例如，Roach等人调查后发现，大部分美洲人都认为知更鸟和麻雀相比于小鸡、企鹅和鸵鸟更像鸟，但这些鸟类在经典观下的地位应该是平等的。显然，经典观无法解释某些鸟比另一些“更像鸟”这种现象，而这个现象用原型观与样例观解释似乎更为合适（凯瑟琳·加洛蒂, 2017, P117）。因此，不同观点之间（如果它们都是正确的话）显然是存在相互关系的，甚至是存在优先级的。
但遗憾的是，这一点似乎并没有得到应有的重视。文献中对于概念偏好的研究大多集中于在相同条件下被试偏好哪一种概念这个角度，而非相同概念的不同学习（形成）方式。例如Olli J. Loukola等人对于大山雀和斑姬鹟在筑巢选址上的竞争关系的研究中发现，斑姬鹟对于大山雀巢穴上符号（研究者在大山雀巢穴上预加的符号）的大小非常敏感，甚至表现出对于这种特性（在筑巢时）的刻意复制，而对于形状等因素则不敏感（Olli J. Loukola et al. 2022）。又如上文中Thomas A. Daniel对于幼鸽的研究，也着眼于幼鸽对于不同彩色JPEG图像的选择偏好上（Thomas A. Daniel et al, 2016）。
但显然该问题又是一个极有价值的问题。笔者曾不止一次地见过学生试图寻找原型的迹象：如在查找电路问题时（尤其是试卷上的电路图），其会刻意寻找哪里不像一个“圈”（教材上简单电路的样子），而非通过电流角度进行衡量；又或者初次学习气体热胀冷缩的学生会把气体受热膨胀顶破肥皂泡的现象解释为“热空气会上升”（这个现象与他们在课堂上见过的热气球实验极为相似）。需注意的是，这两个例子（以及本研究缘起的那个例子）都是需要通过推理判断方能辨认的，但学生依然采用了原型（甚至是不正确的原型）。这或许意味着，儿童会将需要复杂加工的事物与原理用某种方式“打包”成原型再进行加工，从而降低加工所耗费的认知资源。因此，对于概念偏好的研究，无疑对于儿童概念学习问题的解释具有极大意义。
进一步的，该问题对于纯粹认知学可能还存在着另一重价值：它很可能有助于解释人的瞬时决策问题。瞬时决策在很多生活场合都存在，尤其是在购买行为中。既往对此问题的研究基本上还是基于“理性人假设”（hypothesis of rational man）视角的，即假设人即使在瞬时中依然是对相关因素的分析从而建立决策的。如吉旭等基于INTERNET的成本效益评估，构建了化工行业的生产经营模型（吉旭, 朱立嘉, 2003）。又如袁迁以人对于风险阈值的预估从而决策风险投资的购买为依据，建立了瞬时不确定性决策模型（袁迁, 2007）。但本文揭示出，在瞬时决策中，人很可能是非理性的，他们的决策行为很可能建立在某些“捷径”上（如尝试匹配原型）。
但显然，由于被重视程度不足，相关证据较少，本假设依然需要更多后续研究的支持。
7.3 本文的不足
没有从反应时的角度对本文的核心问题进行探究是本文方法学层面存在的最大的不足。
既往对于原型匹配的研究许多都是基于反应时的，如本文2.中列举的知更鸟与火鸡的例子。又如，Carol Conrad发现，被试对于“鲨鱼会动”（A shark can move）这个句子做出的反应，并没有比“鱼会动”（A fish can move）或者“动物会动”（An animal can move）更慢。这个结果有悖于语义记忆的语义层级网络模型（Hierarchical semantic network model of semantic memory），因为按照该理论，“鲨鱼”是“鱼”的一个子类，自然调用起来比“鱼”甚至是“动物”应该更费力（凯瑟琳·加洛蒂, 2017, P111-112）。这一点很容易理解：如果概念的激活具有偏好，那么按照偏好激活显然比通过复杂的分析、推理应当更迅速。因此，反应时理应是一个更为理想的指标。
但是受疫情影响，我们始终无法进入学校，自然也无法把反应时设备带入学校并开展相关实验。因此，本文的结论建议仅作为该问题的间接证据。
8. 全文结论
第一，儿童对于科学概念学习存在明显的“原型匹配”偏好，这不仅与目前强调发现/探究式建构的科学教育普遍认识有着明显的偏差，而且也在一定程度上指出了概念组织的各种方式（如定义说、原型说、图式说等）可能存在着优先级关系。第二，儿童对于原型的偏好似乎是不假思索的，不会对原型的真伪进行辨认，这一点尤为值得一线教学注意。
9. 附件
本文的所有实验数据、测试题目（含追加任务）及最初的课后采访视频已上传至科学数据银行（ScienceDB），*载下**或查看请点击链接：https://www.scidb.cn/en/detail?dataSetId=e3bddcd1754b422ba5870fef94346c13
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