三种积极的学习策略，以解决学生的混合认知并促进概念转变

介绍

在科学教育界，有人认为学生进入课堂时对自然世界有着稳定而连贯的观点，而这些观点不同于科学教科书和科学教师所提出的观点，还有一些人声称学生的知识由被称为现象学原语（p-prims）的孤立结构组成。前者被称为“理论理论”（TT；例如。，波斯纳等人，1982年;Vosniadou等人，2008年). 一个例子是，学生从稳定连贯的力和运动概念或理论开始学习，这些概念或理论与古代哲学家和科学家的理论相似(Wanderse等人，1994年). 第二种观点被称为“碎片中的知识”（KiP），出现于20世纪90年代，是TT的主要替代方法。每种观点对教学目标和方法都有重要而不同的影响，从而导致学生知识结构的生产性变化（概念变化）。

自然，学生的科学知识结构反映了他们的科学学习观。将科学学习视为一种被动活动的学生认为，科学知识是被接受的知识，而知识结构高度零散的学生则认为科学知识是需要记忆的大量无关的“比特”或琐事。这种私人的、通常是隐含的学生认识论可以被描述为“问题驱动”；也就是说，科学知识由孤立的结构组成，例如方程，从章节总结中“樱桃精选”来解决与具体情况相关的问题。在这种观点下，方程式不是一般思想或原理的抽象表示，而仅仅是计算事物的工具。传统的科学教学往往会加剧这个问题。例如，忽视理论和实验的相互作用，或相互竞争的理论，会给学生留下错误的印象，认为科学进步完全是由于实验。因此，现代科学课堂的设计必须满足混合学生认识论课堂的各种需求。

反思他的学生直觉知识理论，迪塞萨（1996）写道：普通人对物质世界有什么类似的理论吗？似乎最合理的先验立场是“不”。理论是属于形式科学的东西（第711页）。然而，最近，Lattery（2017年）为这一索赔提供了详细的反证。他的研究表明，许多物理学入门学生可以而且确实可以从理论上思考，甚至产生自己的理论，这些理论与教科书中的理论不同。这些观察的背景是大学入门物理课堂。Lattery的工作为“学生是真实和创造性的科学建模者”（第109页）的说法提供了证据，并声称“学生对力和运动的观点似乎并不连贯或支离破碎，而是受[a]规则的驱动……”（第142页）。这一观察结果表明，许多学生进入课堂时，不仅对世界如何运转有着半连贯和稳定的概念，而且对科学或科学知识的本质也有着直觉（例如，科学知识必须连贯）。Lattery的发现与之前在该领域占主导地位的学生知识“理论论”观点一致。

那么问题是，我们可以从这些不同的角度来做什么？鉴于我们的入门科学课堂可能存在认识论上的多样性，我们提出了一些教学策略，帮助学生从富有成效的“知识片段”中建立对科学的正式理解和通过对他们的替代概念的仔细指导分析。结合这些策略的关键是要有一个学习环境，让学生能够与同龄人和老师讨论他们的想法。在详细描述这些策略之前，我们讨论了（1）开始评估科学教育中认识论多样性所带来的挑战范围的研究，（2）一个对理解寻求解决这一挑战的学习环境至关重要的概念(不可通约性)以及（3）一组五个研究问题，以指导这些学习环境的改进。

学生对科学本质的看法概述

卡尔曼（2002,2010)表明学生可以通过直接学习科学哲学来提高对科学本质的理解。在这些研究中，大学生被分成小组，并指派一位科学哲学家在整个课程中学习（例如。，库恩，1962/1970;波普尔，1963年;Lakatos，1970年;费耶阿本德，1993年). 重要的时间（每周60分钟或第二周60分钟或五次75分钟的会议）用于小组演讲。小组定期向全班汇报。除了在课堂上分享这些想法外，学生们还交了一份书面作业。只有后者是有标记的。

关于理论部分的辩论，实验中约有一半的学生描述为卡尔曼（2002）,2010)他在第一天就与波普尔持有一致的科学观，认为科学知识是连贯和相互关联的。在课程结束时，只有三名学生（均被归类为“其他”）对科学持有可归类为“零碎知识”（KiP）的观点。所有最初被认定为培根派和基普派的学生都提高了他们的观点，并证明了他们对科学本质的一致看法。现在人们普遍认为，天真的学生直觉知识的性质（无论是连贯的还是零散的）取决于学生的具体经验和认知发展(卡尔曼，2010年). 这些知识几乎肯定与学生对科学思考过程本身的理解有关。

不可通约性与科学学习

学生的科学概念被发现是不可通约的用公认的科学理论(Chi，2013年)古希腊关于力和运动的观点与牛顿力学的观点很不一致。当两种观点之间没有或只有非常有限的比较基础时，就说一种观点与另一种观点不相称。库恩（1962/1970）和费耶阿本德（1962）独立地将不可通约性思想引入科学哲学。库恩使用不可通约性阐明科学革命中发生的变化的整体性质；例如，库恩声称，许多学者最初拒绝接受牛顿的理论，因为它没有解释物质之间的吸引力，这是亚里士多德、笛卡尔及其追随者所要求的任何力学(库恩，1962/1970). 在以后的出版物中，例如库恩（1981/2000）他继续强调与现有概念相符的正常累积增长与不可能完全基于先前已知概念（如牛顿理论的发现）的革命性发现之间的差异。这些新发现需要用与先前想法不可比较的新概念替换已知概念。这些观察对课堂学习的影响才刚刚开始探索。

在反对方法费耶阿本德指出（第212页）：“1962年，我将那些包含‘动力’和‘动量’的理论称为不可通约理论。”。作为卡尔曼（2009）注意，如果连续的理论之间存在重叠（即存在共同的观点和/或概念），那么可能会有一些有趣的问题，在这两种理论的背景下都有意义。因此，在光的波动和粒子理论的背景下，我们可以问是否发生衍射。然而，如果没有重叠，那么存在的问题只在一种理论的上下文中有意义，而在另一种理论中没有意义。因此，关于以太的性质的问题在波-乙醚理论的背景下是有意义的，但在爱因斯坦的狭义相对论的背景下没有意义。

科学教学的五个问题

解决学生在接受（目标）科学知识的关键方面的不同观点是科学教育面临的一个重大挑战。卡尔曼（2017）提出了科学教育研究中的研究问题，在他的书中对这些问题进行了深入的研究。在科学教学设计的背景下，我们考虑了以下五个基本和局部问题：

1.学生知识的性质是什么：知识在作品中还是连贯的理论。

学生知识的性质问题对教学具有重要意义。如果学生的知识支离破碎、杂乱无章，那么教学应该像桥接技术那样从相关的“片段”中构建科学概念(Clement和Rea-Ramirez，2008年). 然而，如果学生的知识表现出连贯性（例如，学生在建模活动中越来越重视解释的连贯性），那么教学应该像激发和挑战方法那样，直面学生的想法。Lattery（2017年）提供证据证明这两种方法的整合是合理的。

2.学生的智力发展阶段是什么？

麦金农和雷纳（1971）陈述假设：“大多数进入大学的新生在进入大学时，没有足够的技能在逻辑上就某一特定原则的重要性进行辩论，而该原则的使用语境发生了轻微的改变。”在这种情况下，雷纳和帕斯克（1977）发现“大约50%的进入大学的新生是实际操作的。”这本身就是一个粗略的简化。维果茨基（1978）批评了这样一种假设，即学生的发展水平完全是由一系列不同难度的测试给出的。他认为，学生“在他人的帮助下”所能做的事情在某种意义上可能比他们独自做的事情更能反映他们的心理发展”（第85页）。因此，讲师的角色是提供必要的脚手架(Wood等人，1976年)让学生在发展阶段取得进步。

3.学生的认识论信念或学习方法是什么？

埃尔比（2001）注意到“学生的认识论信念——他们对知识和学习本质的看法会影响他们在物理课程中的心态、元认知实践和学习习惯。”另一个需要考虑的问题是学生对科学本质的看法。学生通常从一个培根式的观点开始，即科学思想是通过实验归纳发展起来的(卡尔曼，2010年)。克拉夫（2006）指出学生对NOS的概念是基于“教师的语言、食谱活动、报告科学最终产品的教科书，而没有说明知识是如何发展的”（第467页）。然后，教学还应注重学生对NOS的看法，强调理论和实验的相互作用，以此作为评判和完善理论的方法。

4.学生需要什么样的教学支持来检查和发展自己的想法，并将其与同龄人、教科书和讲师提出的想法进行比较？？

费耶阿本德（1993）第33页）指出，对自己的想法进行批判性评估需要考虑另一种相互竞争的想法。这就是反归纳法的原理，也就是说，只有当一种理论与另一种理论进行比较时，理论才会发生变化。为了使经验内容最大化，科学家会将理论与其他理论进行比较，而不是与经验、数据或事实进行比较。这种多元化的方法在过去经常被使用。例如，牛顿在实验证据之前并没有试图证明他在引力理论中所做的假设是公理化的或有效的。他的方法是将它们用作工作假设，只有当它们的结果能够准确、详细地揭示迄今为止尚未解释的现象时，这些假设才会被假设接受。因此，他进行了批评的实践理论是理论学生的目标是独自解决问题，他们很难看到这种方法的价值。对于牛顿发现惯性质量和引力质量是相同的，学生会怎么看？“它（质量）也可以从物体的重量中得知，因为我用钟摆做了非常精确的实验，我发现它与重量成正比……”(牛顿，1686，的开头段落普林西米亚).” 然后，应该设计教学来支持这种比较和对比理论的方法。

5.学生如何处理认知冲突或认知失调？

认知失调理论(Festinger，1957年)继续成为新研究的主题；有关评论，请参见库珀（2007）和Harmon-Jones和Harmon-Jones（2007）当相关和不一致的认知发生时，会产生心理不适或不和谐。Linenberger和Bretz（2012）发现访谈中出现的认知失调为学生理解酶-底物相互作用提供了重要信息。学生通过日常现象的经验确信，他们对自然界的直觉想法是正确的（例如，“运动意味着力”）。学生对认知失调的自然反应是将（皮亚杰意义上的）教科书或老师的科学知识吸收到预先存在的知识框架中。换言之，认知失调会导致学生误读教科书，误会老师。

我们自己的个人和联合工作有三种教学策略来解决这些问题引起的教学问题。我们在下面介绍这些。在每种情况下，都采用了多种方法的组合来满足混合学生认识论课堂的需求。这些主动学习策略使学习者参与到支架式任务中，并使他们完成上述确定的过程之一。

战略1。反思性写作与实验室

Madsen等人（2015）对24项研究进行了荟萃分析，发现在典型的物理课堂上，学生的信念在课程结束时不如开始时那么专业。卡尔曼等人（2015）考虑了以下假设，即学生的认识论信念可以通过适当的教学活动变得更加专业化：（a）课前阅读和元认知反思（反思性写作），（b）产生认知冲突/不和谐的课堂主动学习（实验室），以及（理想情况下）向更有成效的想法过渡。下面我们描述了反思写作和实验室，并简要报告了综合方法的影响。

反思性写作

多年来，Kalman等人设计了新的创新教学工具来应对这些教学挑战：反思写作（RW）工具(Kalman和Rohar，2010年;卡尔曼，2011年;Huang和Kalman，2012年;El-Helou和Kalman，2018年)是一种元认知活动，它促使学生在进入课堂或实验室之前以解释学循环的方式检查文本材料(伽达默尔，1975/1960). 学生开始检查带有预想（误解）的文本摘录。当学生被文本摘录打断时，关键的典型体验就会出现。“要么它没有任何意义，要么它的意义与我们的预期不符”(伽达默尔，1975/1960，第23页）。当他们质疑自己在整个“视界”内对文本的理解时，元认知反思就开始了(卡尔曼，2011年第163页）。伽达默尔（1975/1960）扩展了起源于“海德格尔（1962）”. 伽达默尔认为，“地平线”一词是人们所能看到的由你的预先理解所定义的一切。在阅读文本时，一个人会遇到文本的地平线，自我审视会产生一个新的地平线。

虽然反思性写作可以用作自我意识的工具，但它也被用作评估准则帮助下的作业评估(Khanam和Kalman，2017年). 这种教学策略已在11年级和许多中学后学科领域中使用。这种方法的一个缺点是，它不适合年轻学生(El-Helou和Kalman，2018年)；作者推测，这一结果是由于学生的智力发展阶段造成的。

实验室（实验室+辅导）

卡尔加里大学实验室的发展(Ahrensmeier，2013年)受到华盛顿大学使用的入门物理辅导系统的激励(McDermott和Shaffer，2001年). 学生们会得到一张包含实验、计算问题、计算机模拟和概念问题说明的工作表。一开始，学生被分配到3或4人一组，并被提供概念问题，并被要求做出预测。每个实验课最多分配16名学生一名实验教师。每组完成一个实验室工作表，该工作表通常包含3-6个检查点。完成每个检查点后，小组与实验室讲师一起审查答案。如果问题的答案不正确，实验教师将帮助学生通过探索和讨论其他想法来找到正确的答案。工作表的编制方式确保准时到达并专注于材料的学生可以在分配的时间内完成所有检查点。证据表明实验室对教师和学生都有用(Sobhanzadeh等人，2017年). 学生确定自己的优缺点，并确定需要加强的理解领域。同时，讲师可以立即识别并解决问题。

综合方法

Kalman等人（2015）表明学生的认识论信念变得更加专业化，（a）课前元认知反思（反思性写作）和（b）产生认知失调的课堂主动学习（实验室）相结合。本研究考察了：一个由8个部分（110名学生）组成的实验组和一个由7个部分（102名学生）构成的控制组。两组都进行了实验，但实验组进行了反思性写作，而对照组进行了总结性写作。

为了评估学生认识论信念的变化，本研究使用了霍弗的以学科为中心的认识论信念问卷（DFEBQ）(霍弗，2000). 秋季进行预测试，两个学期后进行后测试。所有学生都参加了实验课。在第一学期学习反思写作的学生在下一学期继续学习反思写作；在第一学期做过总结写作的学生也同样采用这种方式。结果表明，与对照组相比，实验组（反思写作）学生的认识论信念在思维上变得更加专业化。

这种综合方法的优势在于它强调通过写作和元认知发展概念知识。学生/同龄人还需要将自己的想法与公认的科学观点进行比较。反思写作由学生在家完成，不需要额外的课堂时间。事实上，由于学生在上课前已经阅读了文本材料，教师应该减少所提供的材料，并将节省的课堂时间用于“翻转课堂”活动，如下面策略2中所述的活动。

战略1概述

Sobhanzadeh等人（2017年）发现策略1有助于帮助学生探索各种物理概念之间的关系。学生们在实验室中提高了对概念、解决问题技能、参与度和表现的理解。然而，这种方法并不是为了产生深刻和持续的学习，这需要对先前和目标想法进行彻底的以同伴为中心的讨论。

我们目前正在高中物理课堂上测试策略1。初步结果表明，它在这种环境下工作良好。实施这种方法的主要挑战是，战略1需要对传统实验室进行全面的重新设计，如Sobhanzadeh等人（2017年）.

战略2。概念冲突协作小组和批评练习

Kalman和Lattery都认为，除非学生有机会与同龄人一起整理自己的想法，并考虑其他或竞争性的想法，否则在科学课堂上进行深入的科学学习通常是不可能的。下面我们描述了三种方法，它们有望产生这些深层次的反省、比较和对立理论的对抗。其中包括概念冲突协作小组、批判练习和最后的综合方法；每一个都是当前作者之一研究的主题。

概念冲突协作小组

在大学课程中(Kalman和Aulls，2003年)学生们考虑了两个可供选择的框架：前伽利略物理学和牛顿物理学。课程设计的理念是让学生们首先几乎以戏剧的形式来看待科学史上演员（亚里士多德、伽利略、牛顿等）之间的冲突。研究表明，一些学生逐渐认同替代框架支持者的概念立场，并成为行动的一部分。

在课程中，学生们逐渐意识到演员捍卫的立场与课程不同部分的概念有关。有了这些知识，学生们通过概念冲突协作小组（CG）练习评估两个相互竞争的备选框架(Kalman等人，1999年)通过一篇议论文(评论文章) (Kalman等人，2004年). 三到四名学生被分配到一个协作小组。在每个小组中，学生扮演着抄写员、记者、评论员或计时员等角色。尽管学生在整个学期都处于同一组，但学生可以选择在每项活动中变换角色。

每个练习都要求学生在固定的时限内讨论演示或定性问题。设定了时间限制，这样就没有一个小组需要等待其他小组完成任务。这节课给学生留下的印象是，至少有两种方法可以解决这个问题。让两个具有不同概念的小组向班级报告会产生所需的概念冲突。然后，每个小组的代表之间就这个问题进行辩论。然后，邀请班上其他人向这些代表提出问题。（“专家”使用个人科学概念似乎没有负面含义，这是通过在期末考试中提出定性论文问题来检验的问题）。

为了强调已经提出了两个相互冲突的概念，要求全班就解决演示或定性问题的概念进行投票。投票是至关重要的，因为学生由于认知失调而经常误解他们听到或读到的内容。由于投票结果，学生们急于找出哪一种观点是正确的。教授通过演示解决了冲突。

要评估这种方法，Kalman等人（1999）学习了同一位讲师所教的基于微积分的力学课程的两个部分。研究了四个概念。在一个部分中，概念A和C使用协作小组方法进行检查，而概念B和D则使用传统方法进行教学。在另一节中，程序颠倒过来：概念B和D使用协作小组方法进行检查，而概念A和C则使用传统方法进行教学。基于增强版部队概念清单（FCI；Hestenes等人，1992年)，表明使用协作小组方法的小组比使用传统方法的小组更成功地进行概念转变(Kalman等人，1999年)。

卡尔曼等人（2010）还将上述方法与同伴教学（PI）进行了比较(Mazur，1997年;克劳奇和马祖，2001年;Lasry等人，2008年). 这项实验使用了两位同样经验丰富的教师，在一所大型公立大学为理科专业的一年级学生教授物理入门课程。学生被随机分配到课程的两个部分。这两位老师经常使用PI和点击器来涵盖本文所涵盖的概念以外的其他概念。部队概念清单（FCI）被用作前后测试，以比较这两个类别。

两个班级和三个任务的CG和PI比较如下：对于第一个任务，协作组（CG）方法产生了统计上显著的更高分数(第页= 0.017). 第二项任务的方法之间没有统计上的显著差异，尽管CG方法产生的结果稍高。在第三个任务中，使用CG的班级得到了更高的分数，统计误差几乎没有重叠。总的来说，CG方法似乎比PI方法更有效。

批判性练习

引入批评活动是为了促进对协作小组练习中产生的备选方案进行批判性审查。从本质上讲，批评活动是一篇议论文。学生必须提出尽可能多的论据，支持课堂上提出的所有概念概念，然后指出哪个观点符合实验证据。这些评论旨在鼓励学生进行“批判性讨论，以决定哪些自然解释可以保留，哪些必须替换”(纳尔逊，1994年). 为了撰写评论，学生们必须清楚地对比两种对物理原理的理解，特别是学生们必须提供令人信服的论据，以支持牛顿观点的解释和另一种解释。此外，他们必须根据实验结果清楚地说明哪个观点是“正确的”。

综合方法

概念冲突协作小组练习与批评练习结合使用Kalman等人（2004）向学生展示了从早期概念冲突协作小组活动中提取的两个场景。一个场景对应于没有实验有效性的解释，另一个场景则对应于伽利略-牛顿框架。这两个场景都是由学生在课堂上生成的。总之，三个冲突练习与批评活动一起使用。与前一年单独使用CG练习的学生进行了比较。只对第二年参加了前测和后测的学生进行了分析，这些学生参加了所有三次冲突练习，另外还写了所有三篇评论。与那些单独接触协作组的学生相比，添加评论对那些接触概念冲突协作组练习和评论练习的学生产生了统计上显著的改善。

这种将同伴冲突和写作（议论文）结合使用的优势在于它所产生的批判性分析的深度。学生通过同伴互动（口头和书面）迅速投入到自己的岗位上；他们认为捍卫自己的想法和评估他人是利害攸关的。这种科学交流的身临其境的体验所产生的效果是稳定的学习成果。这种方法对于那些认为科学知识连贯且高度有序的学生来说是最有帮助的，这是教学策略的必要条件，因为教学策略重视实验和逻辑一致性，以诱导概念转变。这种方法的一个局限性是，学生考虑的竞争/思想（即亚里士多德、伽利略、牛顿和其他人的思想）是从一开始就提出的，而不是通过他们自己的实验工作和逻辑推理来揭示的。

如策略1末尾所述，RW由学生在家完成，不需要额外的课堂时间。事实上，由于学生在上课前已经阅读了文本材料，教师应该减少所提供的材料，并将节省的课堂时间用于“翻转课堂”活动，如策略2中所述的活动。通常为了实施策略2，我们让学生进行反思性写作，以便有时间进行概念冲突协作小组活动以及其他活动。

战略3。激发与挑战方法和桥接技术

第三个也是最后一个策略涉及使用激发和挑战方法以及桥接技术。这种方法从混合认识论的假设开始，并在“以模型为中心”的物理课堂中实施。学生建立需要解释的模型，而不是相互矛盾的解释。与反思性写作（RW）和概念冲突技巧以及实验室与RW联合干预一样，这些策略借鉴了科学的历史和哲学来启发和实施。

激发与挑战方法

启发与挑战方法从一系列实践活动开始，让学生接触到课程单元的一组常见概念、想法和技能。然后，将学生分成小组完成建模任务。制定共识模型并与全班共享。学生在同龄人和老师面前清楚地表达和捍卫自己的模型。

例如，在Lattery（2017年）要求学生根据他们对静力学、净力概念和大量运动检测器活动的理解，开发并展示扇形卡现象的动力学模型。考虑了两种主要情况：风扇推车的单向行程（垂直落球的机械模拟）和风扇推车双向行程（垂直抛球的机械仿真）。这些活动的最终目的是让学生通过一个扩展的、精心指导的建模过程来获得经典（牛顿）力概念。

当学生努力应对新信息（相反的实验证据、逻辑论点和相关物理系统的资源）时，就会产生新的模型。在充分考虑了多种竞争模型后，学生们就自己的想法写一篇论文，接受同行评审，并提供反驳。在上述示例中，观察到学生仅生成了风扇推车单向和双向行程的四个基本前牛顿模型；这些模型与古代哲学家和科学家针对垂直落球和抛球的类似情况所生成的模型相吻合。

作为一项累积活动，学生通过白板演示向他人“教授和维护”他们的模型，这是建模教学方法中使用的关键技术(Jackson等人，2008年). 这种启发与挑战方法的目的不一定是改变学生的另类概念或认识论，而是给学生空间探索其模型的局限性并用尽其辩护。这个经常重复的过程突出了学生先前想法的明显弱点，并要求学生评估他们的假设。简而言之，这个过程为他们的目标思想做好了准备。

在上述实施中，科学史以两种方式被纳入其中。首先，老师使用详细的论据支持/反对垂直落球和抛球的竞争模型，以探究学生对相关扇形卡现象的看法。这可以通过大范围的课堂讨论或匿名的同行评审来实现。第二，老师在单元结束时重新审视历史联系，以验证学生的建模努力（“智者所见略同”）并强调科学建模过程的本质（例如，模型是暂时性的，针对特定现象的模型提供了评估思想的关键手段，而多个竞争模型是前沿科学的规范）。

使用同行评审过程来解释和评估学生竞争模型与前面描述的评判练习非常相似。无论哪种情况，教学原则都是一样的：为了实现深度和持续的学习，学生必须有机会考虑多个竞争模型，无论是通过学生建模过程生成的(Lattery，2017年)或通过比较不同群体提出的理论(Kalman等人，2004年;Kalman和Rohar，2010年)。

激发与挑战方法的主要挑战是教师培训；为了协商/挑战提出的各种学生模型，教师必须对主题内容有充分的理解和对学生在该领域如何思考和学习有很强的技术知识。此外，这种方法并不总是以“整洁”的解决方案结束，即达到预期的学习目标。在“探索极限并用尽防御”之后，学生可能无法在智力上跳跃到目标想法。这可能会让学生感到沮丧。下一节桥接技巧的目的是整理一组资源（在启发和挑战过程之前或与之并行），以便学生在老师的指导下发现目标想法。

桥接技术

在桥接技术中，“教师引导学生通过相关建模任务的链或网络，将学生的先前知识与目标知识桥接起来。”(Lattery，2017年第254页）。例如，在上述活动中，使用了一个涉及双风扇手推车的案例网络，将学生对单向旅行的直观理解与对双向旅行的经典理解联系起来。桥接技巧是在激发和挑战任务之后或与之并行实施的，尽管学生通常不认为桥接任务与这些任务相关。

与激励与挑战活动相比，桥接活动：

不要挑战学生的另类概念，但要培养学生的能力，使他们认识到从一个物理案例中获得的知识与另一个物理实例相关（字面上相似或类似），并扩大单一统一思想的适用范围（“事物回到最初的形状”）或“净力阶跃产生速度扭结”）。

桥接技术依赖于学生通过形式上的文字相似性和类比比较将先前知识（常识直觉、民间科学、锚定直觉、p-prims等）扩展到新领域的能力。应该注意的是，单独使用的桥接技术并不能带来可持续的学习成果，因为“它绕过了学生最初的高优先级想法”（第255页）。换言之，在上述示例中，学生可能能够遵循桥接序列的“牛顿议程”，但无法获得具体工具来理解为什么先前的常识性想法会失败。因此，这些低效的思维方式仍然是学生思维的核心，并且往往会在新的环境中重新出现。

综合方法

通过在介绍性物理课堂中的几个详细案例研究，记录了通过结合上述方法所取得的科学学习成果(Lattery，2017年). 综合方法反映了对学生知识问题的开放性。换言之，它接受了学生知识由“知识片段中的知识”组成的可能性，桥接技术适用于这两种知识片段；或者，更连贯的结构，激发和挑战方法适用于这种结构。这种方法的优势在于，学生们相互竞争的想法自然地来自他们自己的实验工作和科学推理；冲突的解决是由同侪和讲师提问指导的，后者是受科学史上对模型合理性的详细分析启发而来的。

策略3需要一个让学生沉浸在科学建模过程中的课堂学习环境，如教学建模方法(Jackson等人，2008年). 这一策略已成功应用于一门大学级物理课程，该课程面向寻求普通教育学分的非科学专业学生。未来的研究计划是在中学和高中教室（6-12年级）评估这种方法。

总结

当代科学教育改革必须解决“混合认识论”课堂的各种需求。在这篇文章中，我们提出了三种策略，这些策略有望解决这些复杂的问题：Kalman等人（2015）; 概念概念合作小组和评论文章Kalman和Rohar（2010年）; 以及Lattery（2017年）.

这些方法的共同点是强调科学的性质、学科内容以及科学史在科学教育中的作用。同样常见的是让学生与同龄人思考同一现象的多种相互竞争的观点的活动。通过对多种相互竞争的想法的优缺点进行分类，学生不仅能够理解为什么目标概念成功，而且能够理解为什么初始概念失败；这两种类型的理解对于科学的深度学习都至关重要(Lattery，2017年). 请注意，虽然上述三种双重或组合教学方法针对的是同一水平的学生，但这些干预措施是复杂的，并不是为了在一门课程中全部实施而设计的。有关教师在使用这些策略时应考虑的问题的完整讨论，请参阅其中的来源和参考资料。

作者贡献

列出的所有作者都对这部作品做出了实质性、直接和智力上的贡献，并批准出版。

利益冲突声明

作者声明，该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

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