概念图的理论、构造和使用[1]
Technical Report IHMC CmapTools 2006-01
Joseph D. Novak
Professor Emeritus, Cornell University
and
Senior Research Scientist
Florida Institute for Human and Machine Cognition (IHMC)
Alberto J. Cantilde;as
Associate Director
Florida Institute for Human and Machine Cognition (IHMC)
1 介绍
概念图是组织和表示知识的图形工具。它们包括的概念，通常包含在某些类型的圆圈或框中，以及由连接两个概念的连接线表示的概念之间的关系。线上的单词，称为链接单词或链接短语，指定了这两个概念之间的关系。我们将概念定义为事件或对象，或由标签指定的事件或对象的记录中可感知的规律性。大多数概念的标签是一个单词，尽管有时我们使用诸如 或%之类的符号，有时使用多个单词。命题是关于宇宙中某些物体或事件的陈述，要么是自然发生的，要么是构造出来的。命题包含两个或两个以上的概念，通过连接单词或短语来形成有意义的陈述。有时这些被称为语义单位，或意义单位。图1显示了一个概念图示例，它描述了概念图的结构，并说明了上述特征。
图1 概念图显示概念图的主要特性。概念图往往是从上向下阅读的。
概念图的另一个特点是，概念以分层的方式表示，最包容、最通用的概念位于图的顶部，而更具体、不太通用的概念按层次排列在下面的位置。特定知识领域的层次结构还取决于应用和考虑该知识的上下文。因此，最好参照我们要回答的特定问题来构建概念图，我们称之为焦点问题。概念图可能与我们试图通过以概念图的形式组织知识来理解的某些情况或事件有关，从而为概念图提供上下文。
概念图的另一个重要特性是包含交叉链接。这些是概念图的不同部分或域中的概念之间的关系或链接。交叉链接帮助我们了解在图上表示的一个知识领域中的概念如何与在图上显示的另一个领域中的概念相关联。在创造新知识的过程中，交叉环节往往代表着知识生产者的创造性飞跃。在促进创造性思维方面，概念图有两个重要特征:在图中表示的层次结构，以及搜索和描述新的交叉链接的能力。
可以添加到概念图中的最后一个特性是事件或对象的特定示例，它们有助于阐明给定概念的含义。通常这些不包括在椭圆或框中，因为它们是特定的事件或对象，不代表概念。1972年，概念图由Novak 在康奈尔大学的研究项目过程中开发，他试图跟踪和理解儿童科学知识的变化(Novak 和Musonda，1991年在研究过程中，研究人员采访了许多儿童，他们发现很难通过检查采访记录来确定儿童对科学概念理解的具体变化。这项目基于David Ausubel (1963—1968 Ausubel )。Ausubel认知心理学的基本观点是，学习是通过把新的概念和命题吸收到学习者现有的概念和命题框架中来进行的。学习者所拥有的这种知识结构也被称为个体的认知结构。为了更好地表达儿童的概念理解，出现了以概念图的形式表达儿童知识的想法。因此诞生了一种新的工具，不仅用于研究，而且用于许多其他用途。
2 概念图的心理学基础
有时会出现关于我们最初概念的起源的问题。这些是孩子在出生到三岁的时候获得的，那时他们能识别周围世界的规律，并开始为这些规律识别语言标签或符号(Macnamara，1982)。这种概念的早期学习主要是一种发现学习过程，在这个过程中，个体识别事件或对象中的模式或规律，并将其识别为成人用单词或符号标记的相同的规律。这是一种非凡的能力，是所有人类进化遗产的一部分。三岁以后，新概念和命题的学习在很大程度上是由语言来调节的，主要是通过接受性学习过程，通过提问和澄清旧概念和命题与新概念和命题之间的关系来获得新的意义。当有具体的经验或支持时，这种获取是非常重要的。因此，“实践”活动对幼儿科学学习的重要性，但这也适用于任何年龄和任何学科领域的学习者。
在发现学习过程中，概念的属性是由学习者自主识别的，而在接受学习过程中，概念的属性是用语言描述并传递给学习者的，Ausubel对死记硬背和有意义的学习做了非常重要的区分。有意义的学习需要三个条件:
- 要学习的材料必须在概念上清晰，并提供与学习者先前知识相关的语言和例子。概念图可以帮助满足这一条件，既可以在更具体的概念指导之前确定学习者所掌握的大型通用概念，也可以帮助学习者对学习任务进行排序。这些学习任务可以逐步地变得更加明确，并可以锚定到概念框架的开发中。
- 学习者必须具备相关的先验知识。这一条件在3岁以后几乎可以满足任何领域的主题，但如果希望在以后的课程中详细提供任何领域具体知识，那么在构建概念框架时必须谨慎和明确。因此，我们看到条件(1)和(2)是相互关联的，而且两者都很重要。
- 学习者必须选择有意义的学习。教师或导师只能间接控制的一种情况是，学生选择学习的动机是试图将新的含义融入到他们已有的知识中，而不是简单地记忆概念定义、命题陈述或计算过程。对这一选择的间接控制主要体现在教学策略和评价策略的使用上。强调将新知识与学习者现有知识联系起来的教学策略有助于培养有意义的学习。鼓励学习者将他们拥有的想法与新想法联系起来的评估策略也鼓励有意义的学习。典型的客观测试很少比死记硬背要求更多(Holden， 1992)。事实上，最糟糕的客观测试形式，或简短的答案测试，需要逐字逐句地回忆语句，而有意义的学习可能会妨碍这一点，因为在现有框架中吸收了新知识，使得很难逐字逐句地回忆特定的定义或描述。这种问题在霍夫曼1962年的著作《测试的暴政》中得到了承认。
如上所述，重要的是要认识到，个体在拥有相关知识的数量和质量上有差异，寻求将新知识融入现有相关知识的途径的动力也不同，有意义的学习与死记硬背截然不同，它一个连续的学习过程。造力可以被看作是非常高水平的有意义的学习，我们将进一步讨论这个问题。图2显示了这些想法。
图2 学习可以是死记硬背，也可以是有意义的。创造力来自于高水平的有意义的学习。
人们经常把死记硬背和有意义的学习与教学方法混淆起来，这些教学方法可以是连续的，从直接表示信息(可能在概念上是模糊的，也可能在概念上是明确的)到自主发现方法，在这种方法中，学习者感知规律并构建自己的概念。根据学习者的性格和教学材料的组织，直接呈现和发现教学方法都可能导致学习者死记硬背或高度有意义的学习。图3显示了这些区别。有一种错误的观念认为研究性学习将确保有意义的学习。现实情况是，除非学生对他们正在调查的现象至少有一个基本的概念理解，否则这种活动可能导致他们在相关知识方面的收获很少或没有收获，而且可能只是繁忙的工作。
图3有意义学习连续体与教学的接受-发现连续体是不同的。图取自Novak (1998年，第58页)。
概念图的强大用途之一不仅是作为一种学习工具，也作为一种评估工具，从而鼓励学生使用有意义学习模式(Mintzes et al.， 2000；Novak ，1990；Novak 和Gowin，1984)。概念图还可以有效地识别学生的有效和无效的想法，这将在另一节中进一步讨论。在确定学习者在教学前或教学后所掌握的相关知识方面，它们可以像更耗时的临床访谈一样有效(Edwards amp; Fraser， 1983)。
我们对学习的进一步理解是，人类记忆不是一个单一的“容器”，而是一个相互关联的复杂记忆系统。图4展示了人类大脑的记忆系统，以及与情感和心理运动输入的交互作用。
图4当我们学习时大脑主要的记忆系统联合工作
虽然所有的记忆系统都是相互依赖的(信息是双向的)，但将知识融入长期记忆的关键是短期记忆和“工作记忆”。“所有输入的信息都是在工作记忆中通过与长期记忆中的知识互动来组织和处理的。这里的限制特征是，工作记忆在任何时刻只能处理相对较少的心理单位(5到9个)(Miller, 1956)。
这意味着两个或三个概念之间的关系是由于工作记忆处理能力的限制。例如，如果给一个人一张10-12个字母或数字的清单，让他在几秒钟内记住，大多数人只能记住其中的5到9个。然而，如果这些字母可以组合成一个已知的单词，或者类似单词的单位，或者这些数字可以与一个电话号码或一些已知的东西相关联，那么就可以回忆起10个或更多的字母或数字。在相关测试中，如果我们让学习者在几秒钟内记忆10-12个熟悉但不相关的单词，大多数人只能记住5-9个单词。如果单词是不熟悉的，比如第一次介绍的技术术语，学习者可能会很好地记住其中的两三个。相反，如果这些单词很熟悉，并且与学习者的认知结构相关，例如，一年中的几个月，12个或更多的单词可能很容易被回忆起来。
应该指出的是，死记硬背的信息仍然存在于长期记忆中，正如有意义的学习信息一样；不同的是，在死记硬背的学习中，很少或没有将新知识与现有知识结合起来，从而导致两个负面的结果。首先，死记硬背的知识往往很快就会忘记，除非不断重复。第二，学习者的知识结构或认知结构没有得到增强或修改，以消除错误的想法。因此，错误的观念会持续存在，所学的知识很少或没有用于进一步学习和/或解决问题的潜力(Novak，2002)。
因此，当接收到新的知识时，要构造大量的知识体，需要在工作记忆和长期记忆之间进行有序的迭代序列(Anderson， 1992)。概念图作为一种模板或脚手架将一个个非常小的相关概念和命题组织、构建成知识体系。我们相信概念图如此强大的原因之一是促进有意义学习。许多学习者和教师惊讶地发现，这个简单的工具是如何促进有意义的学习和创建强大的知识框架的，不仅允许在新的环境中使用知识，而且还可以长时间地保留知识((Novak， 1990； Novak amp;Wandersee， 1991)。从不同来源研究，仍有相对较少的已知的知识最终被纳入我们的大脑，我们的大脑在分层框架和组织知识，使这一学习过程促进学习者学习能力的提高(Bransford等等 1999)。
虽然确实有些学生在他们的早期经验中在构建概念图和使用这些概念图方面有困难，但这似乎主要是由于多年在学校环境中的死记硬背式学习实践，而不是由于大脑结构本身的差异。所谓的学习风格差异，在很大程度上是由学生所采用的学习模式的差异衍生而来的，这些学习模式从高度投入到连续的死记硬背式学习，到几乎完全投入到有意义的模式学习。帮助前者的学生转向后者的学习模式并不容易。虽然概念图可以提供帮助，但学生也需要学习一些关于大脑机制和知识组织的知识，这种教学应该伴随着概念图的使用。以上信息应成为熟练使用概念图教学计划的一部分。本文件所提供的资料可作部分参考。其他改进教学以达到对该主题理解的想法可以在其他地方找到(Mintzes et al.， 1998)。
为了说明改变个人的想法是多么困难，特别是如果他们以死记硬背为主要手段，我们引用了哈佛大学的“私人宇宙计划”(PUP)所做的采访的例子(Schneps， 1989)。PUP的工作人员采访了23名哈佛毕业生、校友和教职员工，问他们每个人为什么有季节？只有正确组织了11个概念才能理解为什么我们有季节，图5显示了这些概念。而面试官们发现23名面试者中有21人无法解释为什么我们会有季节，这是一个在学校里反复教授的内容。其中包括一名最近修过行星运动物理学课程的毕业生，他还错误地认为，季节的形成是由于地球在夏天离太阳更近，在冬天离太阳更远。事实上，马萨诸塞州的冬天，太阳比夏天更接近太阳。我们在远离赤道的纬度地区有四季的主要原因是由于地球在夏天的轴向太阳倾斜，导致白天变长，辐射更直接，从而产生更大的热量。让这21名哈佛学生感到困惑的是，他们的普遍经验是，当我们离火或灯更近的时候，热的感觉比我们离得更远的时候更强烈。因此，这些人没有认识到同样的现象并没有给地球带来四季。他们把知识从一种环境转移到另一种环境，但这是不正确的。这在每一个研究领域的许多误解的例子中都很常见。克服误解的唯一方法是帮助学习者有意义地学习，使用概念图是非常有用的。(有关科学和数学中的误解的更多信息，请参见Novak(2002)和（www.mlrg.org)。
图5这是理解为什么我们有季节所需要的知识结构的一种表现。
3 概念图的认识论基础
如前所述，我们将概念图定义为事件或对象的记录中由标签指定的可感知的规律性(或模式)。现在人们普遍认识到，上面描述的有意义的学习过程与科学家、数学家或任何学科的专家构建新知识的过程是相同的。事实上，Novak 认为新知识创造无非是在某特定领域拥有良好知识结构，并且对新知识求知欲强烈的个人所进行的相对高水平的有意义学习。Novak ，1977，1993，1998)。认识论是研究知识本质和新知识创造的哲学分支。学习与心理学之间有重要的关系，正如哲学家和认识论者越来越多的共识，新知识创造是一个建设性的过程，其中包括我们的知识和我们去创造其新意义和新方法的动力。努力创建概念图的学习者自己也参与了一个创造性的过程，这可能是具有挑战性的，尤其是对于那些一生中大部分时间都在死记硬背的学习者来说。死记硬背对我们的知识结构贡献甚微，因此不能作为创造性思维或解决新问题的基础。
如上所述，概念和命题是任何领域
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