概念图的理论基础以及如何构建和使用它们

介绍

概念图是用于组织和表示知识的图形工具。它们包括通常包含在某种类型的圆圈或方框中的概念，以及由连接两个概念的连接线指示的概念之间的关系。线上的单词称为连接词或连接短语，指定两个概念之间的关系。我们将概念定义为事件或对象的感知规律，或者事件或对象的记录，由标签指定。大多数概念的标签是一个单词，尽管有时我们使用 + 或 % 等符号，有时使用多个单词。提议是关于宇宙中某些物体或事件的陈述，无论是自然发生的还是人造的。命题包含两个或多个概念，使用连接词或短语连接起来形成有意义的陈述。有时这些被称为语义单元或意义单元。图1显示了概念图的示例，描述了概念图的结构并说明了上述特征。

概念图的另一个特征是，概念以分层方式表示，最具包容性、最一般性的概念位于图的顶部，而更具体、不太一般性的概念按层次结构排列在下面。特定知识领域的层次结构还取决于应用或考虑该知识的上下文。因此，最好参考我们寻求回答的某个特定问题（我们称之为焦点问题）来构建概念图。概念图可能涉及我们试图通过概念图形式的知识组织来理解的某些情况或事件，从而为概念图提供上下文。

概念图的另一个重要特征是包含交叉链接。这些是概念图的不同部分或领域中的概念之间的关系或链接。交叉链接帮助我们了解地图上表示的一个知识领域中的概念如何与地图上显示的另一个知识领域中的概念相关。在新知识的创造中，交叉链接往往代表着知识生产者的创造性飞跃。概念图有两个对于促进创造性思维非常重要的特征：良好的地图中所呈现的层次结构以及搜索和表征新交叉链接的能力。

可以添加到概念图中的最后一个功能是有助于阐明给定概念的含义的事件或对象的具体示例。通常这些不包含在椭圆形或方框中，因为它们是特定事件或对象并且不代表概念。

概念图是 1972 年诺瓦克在康奈尔大学的研究项目期间开发的，他试图跟踪和理解儿童科学知识的变化（Novak & Musonda，1991）。在这项研究过程中，研究人员采访了许多孩子，他们发现很难通过检查采访记录来识别孩子们对科学概念理解的具体变化。该计划基于 David Ausubel（1963；1968；Ausubel等人，1978）的学习心理学。奥苏贝尔认知心理学的基本思想是，学习是通过同化而发生的。将新概念和命题融入学习者现有的概念和命题框架中。学习者所拥有的这种知识结构也称为个体的认知结构。出于寻找更好的方式来表示儿童概念理解的需要，出现了以概念图的形式表示儿童知识的想法。因此诞生了一种新工具，不仅可用于研究，还可用于许多其他用途。

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。这些是儿童在出生到三岁期间获得的，此时他们认识到周围世界的规律性，并开始识别这些规律性的语言标签或符号（Macnamara，1982）。这种概念的早期学习主要是一个发现学习过程，在这个过程中，个人辨别事件或物体的模式或规律，并将这些规律识别为老年人用文字或符号标记的相同规律。这是一种非凡的能力，是所有正常人类进化遗产的一部分。3岁以后，新概念和命题学习在很大程度上是通过语言来调节的，并且主要通过接受学习来进行通过提出问题并澄清旧概念和命题与新概念和命题之间的关系来获得新含义的过程。当具体的经验或道具可用时，这种习得会以一种非常重要的方式进行调节；因此，“实践”活动对于幼儿的科学学习非常重要，但对于任何年龄和任何主题领域的学习者来说也是如此。

除了发现学习过程（概念的属性由学习者自主识别）和接收学习过程（概念的属性使用语言描述并传递给学习者）之间的区别之外，奥苏贝尔还做出了非常重要的区分：死记硬背学习和有意义的学习。有意义的学习需要三个条件：

1. 要学习的材料必须概念清晰，并使用与学习者先前知识相关的语言和示例。概念图有助于满足这种条件，既可以在指导更具体的概念之前识别学习者所持有的大的一般概念，也可以通过逐渐更明确的知识来帮助排序学习任务，这些知识可以锚定到开发概念框架中。

2. 学习者必须具备相关的先验知识。3 岁后，几乎任何主题领域都可以满足这一条件，但如果希望在后续课程中呈现任何领域的详细具体知识，则在构建概念框架时必须小心且明确。因此，我们看到条件（1）和（2）是相互关联的并且都很重要。

3. 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个条件是学生选择通过尝试将新含义融入其先前知识中来学习的动机，而不是简单地记住概念定义或命题陈述或计算过程。对这种选择的间接控制主要在于所使用的教学策略和所使用的评价策略。强调将新知识与学习者现有知识联系起来的教学策略可以促进有意义的学习。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需要比死记硬背更多的东西（Bloom，1956；Holden，1992）。事实上，最糟糕的客观测试形式，或简答测试，需要逐字回忆陈述，而这可能会受到有意义的学习的阻碍，因为新知识被吸收到现有框架中，使得很难回忆起具体的逐字定义或描述。几年前，霍夫曼 (Hoffman) (1962) 的《测试的暴政》就认识到了此类问题。

如上所述，重要的是要认识到，由于个人所拥有的相关知识的数量和质量以及他们寻求将新知识融入他们已经拥有的相关知识的方法的动机强度各不相同，因此死记硬背的意义区别不是简单的二分法，而是一个连续体。创造力可以被视为一种非常高水平的有意义的学习，我们将进一步讨论这一点。这些想法如图 2 所示。

人们经常将死记硬背的学习和有意义的学习与教学方法混淆，这些教学方法可以从直接呈现信息（概念上可能模糊或概念上明确）到自主发现方法（其中学习者感知规律并构建她/他自己的概念）。直接演示和发现教学方法都可以使学习者进行高度死记硬背或高度有意义的学习，具体取决于学习者的性格和教学材料的组织。这些区别如图 3 所示。人们错误地认为“探究性”研究将确保有意义的学习。现实情况是，除非学生至少具备基本的概念理解他们正在调查的现象，这项活动可能只会导致他们很少或根本没有获得相关知识，并且可能只不过是忙碌的工作。事实上，支持广泛推荐的探究性学习的研究基础基本上不存在（Mayer，2004；Kirschner等，2006；Sweller等，2007）。

概念图的强大用途之一不仅是作为一种学习工具，而且还是一种评估工具，从而鼓励学生使用有意义模式的学习模式（Mintzes et al ., 2000; Novak, 1990; Novak & Gowin, 1984） 。概念图还可以有效识别学生持有的有效和无效想法，这将在另一节中进一步讨论。它们可以像更耗时的临床访谈一样有效地确定学习者在教学之前或之后掌握的相关知识（Edwards＆Fraser，1983）。

我们对学习理解的另一个重要进展是，人类记忆不是一个需要填充的单一“容器”，而是一组复杂的相互关联的记忆系统。图 4 说明了人类思维的记忆系统，以及与情感和精神运动输入的交互。

虽然所有记忆系统都是相互依赖的（并且信息是双向的），但将知识纳入长期记忆的最关键的记忆系统是短期记忆和“工作记忆”。所有输入的信息都通过与长期记忆中的知识相互作用在工作记忆中组织和处理。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数量的心理单位（五到九个）（Miller，1956）。

这意味着两个或三个概念之间的关系大约是工作记忆处理能力的极限。例如，如果一个人需要在几秒钟内记住 10-12 个字母或数字的列表，那么大多数人只能记住其中的 5 到 9 个。然而，如果这些字母可以分组形成一个已知的单词或类似单词的单元，或者这些数字可以与电话号码或已知的东西相关，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住 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。如果单词不熟悉，例如第一次介绍的技术术语，学习者最好正确回忆其中两个或三个。反过来，

应该指出的是，通过死记硬背学到的信息仍然会发生在长期记忆中，就像有意义地学到的信息一样；不同之处在于，在死记硬背中，新知识很少或根本没有与现有知识相结合，从而导致两个负面后果。除非经过大量排练，否则通过死记硬背学到的第一知识往往很快就会被忘记。其次，学习者的知识结构或认知结构没有被增强或修改以清除错误的想法。因此，误解将持续存在，所学到的知识很少或没有潜力用于进一步学习和/或解决问题（Novak，2002）。

因此，构建大量知识需要在接收和处理新知识时在工作记忆和长期记忆之间进行有序的迭代（Anderson，1992）。我们相信概念图对于促进有意义的学习如此强大的原因之一是它充当了一种模板或支架帮助组织知识并构建知识结构，尽管该结构必须由相互作用的概念和命题框架的小单元一点一点地构建。许多学习者和教师惊讶地发现这个简单的工具如何促进有意义的学习和强大的知识框架的创建，该框架不仅允许在新的环境中利用知识，而且可以长时间保留知识（Novak，1990） ；诺瓦克和万德西，1991）。对于记忆过程以及知识如何最终融入我们的大脑，人们仍然知之甚少，等人。，1999；钱，2007）。

显然，我们的大脑存储的不仅仅是概念和命题。虽然后者是构成我们知识结构和大脑认知结构的主要元素，但我们暂时停下来讨论其他形式的学习。标志性学习涉及存储我们遇到的场景、我们遇到的人、照片和许多其他图像的图像。这些也被称为标志性记忆（Sperling，1960；1963）。虽然斯珀林在研究中使用的字母数字图像很快就被遗忘了，但其他类型的图像却保留了更长的时间。我们的大脑具有获取和保留人或照片的视觉图像的非凡能力。例如，在一项研究中（Shepard，1967）向受试者展示了 612 张常见场景的图片，然后询问所显示的两张相似图片中的哪一张是之前看到的 612 张图片中的一张？演示结束后，受试者对他们所看到的图片的识别正确率为 97%。三天后，他们的正确率仍然是 92%，三个月后，他们的正确率达到 58%。这项研究和许多其他研究表明，人类具有非凡的回忆图像的能力，尽管他们很快就会忘记图像中的许多细节。考虑到我们经常看便士，有趣的是，在 Nickerson 和 Adams（1979）的一项研究中，被要求画一便士的受试者省略了一半以上的特征或将它们放置在错误的位置。我们相信，使用 CmapTools（如下所述）等概念图软件将各种类型的图像集成到概念框架中可以增强图标记忆，我们希望对此进行研究。有趣的是，在尼克森和亚当斯（Nickerson and Adams，1979）的一项研究中，被要求画一分钱的受试者遗漏了一半以上的特征或将它们放置在错误的位置。我们相信，使用 CmapTools（如下所述）等概念图软件将各种类型的图像集成到概念框架中可以增强图标记忆，我们希望对此进行研究。有趣的是，在尼克森和亚当斯（Nickerson and Adams，1979）的一项研究中，被要求画一分钱的受试者遗漏了一半以上的特征或将它们放置在错误的位置。我们相信，使用 CmapTools（如下所述）等概念图软件将各种类型的图像集成到概念框架中可以增强图标记忆，我们希望对此进行研究。

人类回忆声音的能力也非常出色。声音的学习和回忆也称为原始记忆。想象一下一位音乐家，他无需阅读任何乐谱即可演奏数百首歌曲。我们再次处理的是没有被编码为概念或命题的记忆。Penfield 和 Perot (1963) 等人的研究表明，我们大脑中听到声音时激活的区域与我们回忆声音时激活的区域相同。虽然我们可以使用正电子发射断层扫描（PET）扫描来定位大脑中活跃学习或回忆信息的区域，但神经元存储这些信息的具体机制尚不清楚。对内存机制的全面讨论超出了本文档的范围。

个体的能力之间存在明显的差异，Gardner（1983）已经探讨了其中一些差异。他提出了多元智能理论。他的工作在教育领域受到广泛关注，并引起人们对人类各种学习和表现能力的广泛差异的关注。值得庆幸的是，学校认识到，除了特定认知信息的回忆之外，人类还有其他重要的能力，而特定的认知信息往往是学校和企业常用的多项选择测试中所代表的唯一学习形式。我们鼓励整合新教育模式中所代表的广泛活动的原因之一是为这些其他能力的表现和表达提供机会。尽管如此，我们认为将各种活动与明确的知识结构相关联所提供的组织机会非常有益。

虽然有些学生确实在构建概念图和使用这些概念图方面存在困难，至少在他们的经验早期是这样，但这似乎主要是由于在学校环境中多年的死记硬背学习实践造成的，而不是大脑结构本身差异的结果。所谓的“学习风格”差异在很大程度上源于学生所采用的学习模式的差异，从高度投入到持续死记硬背模式学习到几乎完全致力于有意义的模式学习。帮助处于前一种情况的学生转向后一种学习模式并不容易。虽然概念图可以提供帮助，但学生还需要学习一些有关大脑机制和知识组织的知识，并且这种指导应该伴随着概念图的使用。上述段落中的信息应成为熟练使用概念图的教学计划的一部分。本文档中提供的信息可能是本说明的一部分。等人。，1998）。

为了说明个人改变自己的想法是多么困难，特别是如果他们主要通过死记硬背来学习，我们引用哈佛大学私人宇宙项目（PUP）进行的采访的例子（Schneps，1989）。PUP 的工作人员采访了 23 名哈佛毕业生、校友和教职人员，向他们询问“为什么我们有季节？” 只需要正确组织的 11 个概念就可以理解为什么我们有季节，这些概念的一种排列如图 5 所示。PUP 采访者发现，23 名受访者中有 21 人无法解释为什么我们有季节，这是一个教授的主题在学校反复。该小组中包括一名最近修读行星运动物理学课程的毕业生，他们还错误地认为季节是由于地球在夏天离太阳更近而在冬天离太阳更远造成的。事实上，马萨诸塞州冬季时地球比夏季更接近太阳。我们在远离赤道的纬度上有季节的主要原因是由于夏季地球轴向太阳倾斜，导致白天更长，直接辐射更多，从而产生更大的热量。在冬季，地轴远离太阳，因此白天较短，辐射强度较低。困扰这 21 名哈佛人的，是他们对一种普遍经验的困惑：当我们靠近火或灯时，热量会比远离火或灯时更强烈。因此，这些人没有认识到，同样的现象并不能决定地球上的季节。他们将知识从一种环境转移到另一种环境，但这是错误的。这在每个研究领域的许多“误解”例子中都很常见。克服误解问题的唯一解决方案是帮助学习者有意义地学习，而使用概念图会非常有帮助。（有关科学和数学方面的误解的更多信息，请参阅 Novak (2002)，以及：www.mlrg.org）。

概念图的认识论基础

如前所述，我们将概念定义为事件或对象或事件或对象的记录中感知的规律性（或模式），由标签指定。现在人们普遍认识到，上述有意义的学习过程与科学家和数学家或任何学科的专家用来构建新知识的过程相同。事实上，诺瓦克认为，新知识创造只不过是在特定知识领域拥有良好组织的知识结构的个人所完成的相对高水平的有意义的学习，以及坚持寻找新意义的强烈情感承诺。 （诺瓦克，1977、1993、1998）。认识论是处理知识本质和新知识创造的哲学分支。正如我们今天所理解的，学习心理学与哲学家和认识论者日益达成的共识之间存在着重要的关系，即新知识的创造是一个涉及我们的知识和情感的建设性过程，或者是创造新意义和新方式的动力来表示这些意义。努力创建良好概念图的学习者本身就参与了一个创造性的过程，这可能具有挑战性，特别是对于那些一生大部分时间都在死记硬背学习的学习者来说。死记硬背的学习对我们的知识结构的贡献微乎其微，因此不能成为创造性思维或新问题解决的基础。

如上所述，概念和命题是任何领域知识的构建模块。我们可以打个比方，概念就像物质的原子，命题就像物质的分子。大约只有 100 种不同种类的原子，而这些原子又组成了无数种不同种类的分子。现在英语大约有46万个单词（其中大部分是概念标签），这些单词可以组合起来形成无限多个命题。尽管大多数单词组合可能是无意义的，但仍然有可能创建无数有效且有意义的命题。诗人和小说家永远不会用尽新的想法来以新的方式表达。我们永远不会失去创造新知识的机会！当人们创造和观察新的或现有的物体或事件时，富有创造力的人们将不断创造新的思想和新的知识。创建观察或记录事件的新方法通常会为新知识的创造带来新的机会。例如，用于记录主体理解的概念图方法的创建为研究学习过程和新知识创造带来了新的机会。

虽然更广泛地研究人类学习和人类知识创造的过程很有价值，但这超出了本文件的范围。请读者仔细阅读所引用的一些参考文献。下面将进一步讨论构建更好的概念图和促进学习的一些重要考虑因素。

构建良好的概念图

在学习构建概念图时，重要的是从构建概念图的人非常熟悉的知识领域开始。由于概念图结构取决于使用它们的上下文，因此最好识别文本片段、实验室或现场活动，或者人们试图理解的特定问题或问题。这将创建一个上下文，有助于确定概念图的层次结构。为第一个概念图选择有限的知识领域也很有帮助。

定义概念图上下文的一个好方法是构建一个焦点问题，即明确指定概念图应帮助解决的问题或议题的问题。每个概念图都会回答一个焦点问题，一个好的焦点问题可以带来更丰富的概念图。在学习构建概念图时，学习者往往会偏离焦点问题，构建可能与领域相关但无法回答问题的概念图。人们常说，学习某件事的第一步是提出正确的问题。

给定选定的领域和该领域中定义的问题，下一步是确定适用于该领域的关键概念。通常 15 到 25 个概念就足够了。可以列出这些概念，然后从该列表中建立一个排序列表，从针对该特定问题或情况的最一般、最具包容性的概念到列表顶部的最具体、最不一般的概念。列表底部。尽管这个排名顺序可能只是近似的，但它有助于开始地图构建过程。我们将概念列表称为停车场，因为当我们确定这些概念适合的位置时，我们会将这些概念移至概念图中。如果地图制作者认为某些概念与地图中的其他概念没有良好的联系，那么在地图完成后，某些概念可能会保留在停车场中。

下一步是构建初步概念图。这可以通过在 Post-its(TM) 上写下所有概念来完成，或者最好使用 IHMC CmapTools（Cañas等人，2004b，http://cmap.ihmc.us ））计算机软件程序如下所述。便利贴允许团队在白板或屠夫纸上工作并轻松地转移概念。当一个人开始努力建立一个良好的等级组织的过程时，这是必要的。计算机软件程序甚至更好，因为它们允许将概念与链接语句一起移动以及移动概念组和链接以重构地图。当 CmapTools 与计算机投影仪结合使用时，两个或更多人可以轻松协作构建概念图，并随着工作进展看到变化。CmapTools 还允许同一房间或世界任何地方的个人之间进行协作，并且可以根据地图制作者的时间表同步或异步构建地图。

重要的是要认识到概念图永远不会完成。初步地图绘制完成后，总是需要对该地图进行修改。可以添加其他概念。好的地图通常经过三到多次修改。这就是使用计算机软件有帮助的原因之一。

一旦建立了初步地图，就应该寻找交叉链接。这些是地图上不同知识领域或知识领域的概念之间的链接，有助于说明这些领域如何相互关联。为了表明学习者理解地图中子域之间的关系，交叉链接很重要。

构建初步地图后，应寻找交叉链接。这些是地图上不同知识领域或知识领域的概念之间的链接，有助于说明这些领域如何相互关联。交叉链接是表明学习者理解地图中子域之间关系的关键。

帮助学生认识到所有概念都以某种方式相互关联非常重要。因此，在识别交叉链接时必须有选择性，并且在识别连接概念的链接词时要尽可能精确。此外，应该避免“方框中的句子”，即使用完整的句子作为概念，因为这通常表明可以从方框中的陈述构建地图的整个小节。“字符串地图”要么说明了对材料的理解不足，要么说明了地图的重组不充分。图 6 显示了字符串映射的示例。

学生经常评论说很难在概念图的“线条”上添加连接词。这是因为他们不太理解概念之间的关系，或者概念的含义，而指定这种关系的是连接词。一旦学生开始关注良好的链接词，并识别良好的交叉链接，他们就会发现每个概念都可以与其他概念相关。这也产生了一些挫败感，他们必须选择识别最突出和最有用的交叉链接。这个过程涉及布鲁姆（Bloom，1956）所认为的高水平认知表现，即知识的评估和综合。如果流程做得好，概念图是一种鼓励极高水平认知表现的简单方法。

最后，应该修改地图，以更加清晰和更好的整体结构的方式重新定位概念，并准备“最终”地图。当使用计算机软件时，人们可以返回，改变大小和字体样式，并添加颜色来“装扮”概念图。

因此，我们看到概念图不仅是捕获、表示和归档个人知识的强大工具，而且也是创造新知识的强大工具。

CmapTools 软件工具包

人类和机器认知研究所开发的CmapTools（Cañas等人，2004b）软件（可从以下网址下载： http: //cmap.ihmc.us）将概念图的优势与技术的力量结合在一起，特别是互联网和万维网 (WWW)。该软件不仅使所有年龄段的用户都可以轻松地构建和修改概念图，就像文字处理器可以轻松编写文本一样，它还允许用户在构建地图时进行远程协作，发布他们的概念图。概念图，以便互联网上的任何人都可以访问它们，将资源链接到其地图以进一步解释其内容，并在 WWW 上搜索与地图相关的信息。

该软件允许用户将互联网上或个人文件中任何位置的资源（照片、图像、图表、视频、图表、表格、文本、WWW页面或其他概念图）链接到概念或通过概念图链接单词。简单的拖放操作。这些资源的链接在概念下方显示为图标，如图 7 所示。单击这些图标之一将显示链接列表，用户可以从中选择打开链接的资源。使用 CmapTools，可以使用概念图访问任何可以数字方式呈现的材料，包括地图制作者准备的材料。通过这种方式，概念图可以作为复杂知识领域的索引和导航工具，稍后将通过 NASA 在火星上的材料进行说明（Briggs等人）.，2004）。通过促进概念图之间的链接，学习者可以构建知识模型（Cañas等人，2003b；Cañas等人，2005），这是概念图的集合，其中包含有关特定主题的链接资源，表明他们对某个领域的理解不限于单个概念图。

促进协作和远程学习

越来越多的研究表明，当学生以小组形式合作并努力学习主题时，就会产生积极的认知和情感结果（Johnson等，2017）。，1981；伯克和温斯勒，1995）。Vygotsky（1978）提出了语言和社会对话可以支持学习的观点，特别是当社会群体的成员处于大致相同的最近发展区（ZPD）时。他将 ZPD 描述为学习者对特定主题的理解水平，在这种水平下，学习者可以在导师的最少帮助下自行进步。当学生以小组形式合作并使用概念图来指导他们的学习时，学习效果会显着提高（Preszler，2004）。在我们与教师和学生的合作中，事实证明，小组合作构建概念图在许多情况下都是有用的。20世纪90年代初，拉丁美洲，等人，2001）。在我们自己的课堂和研讨会上，以及在我们的学生和同事教授的课堂上，小组学生共同构建概念图可以制作出一些非常好的地图。

CmapTools 为概念图构建期间的协作工作提供广泛的支持。使用 CmapTools 构建的概念图可以存储在服务器上（CmapServers，参见：Cañas等人，2003a），互联网上的任何人都可以访问它们。许多 CmapServer 都是“公开的”，允许任何人（无需授权）发布他们的概念图和资源集合（Cañas等，2017）。，2004a）。通过 CmapServers，各个年龄段、从事多个学科工作的用户已经发布了数千张涉及所有主题和领域的地图。虽然这些公共服务器上的概念图只是使用 CmapTools 的人提交的概念图的示例，并且有些不符合我们良好概念图的标准，但它们仍然可以说明不同的应用程序。当概念图保存到CmapServer时，还存储了该图的“网页”版本，因此WWW浏览器足以浏览所有已发布的概念图。

通过在 CmapServers 中存储概念图，CmapTools 鼓励构建地图的用户之间的协作。当地图存储在互联网上的服务器中时，具有适当权限的用户（Cañas等人，2017）。，2003c）可以同时（同步）或在方便时（异步）编辑共享概念图。电子“便利贴”形式的“讨论线索”和“注释”可用于在概念图上或在地图构建过程中进行轶事评论。概念图的高度明确性使其成为交流思想或协作构建新知识的理想工具。我们还发现，由于个人不安全感和害怕尴尬而产生的障碍在很大程度上被规避了，因为批评意见是针对概念图的，而不是针对构建地图的人。让学习者对彼此的概念图进行评论，无论他们是在同一个教室还是在不同的学校，都是同行评审和协作的有效形式。

CmapTools 为小组协作构建概念图提供了广泛的支持，无论他们位于同一位置还是相距较远的位置，这都鼓励了在地图构建过程中越来越多地使用协作。在各种教育环境中，小组概念图在各种任务中都为我们提供了很好的帮助，从理解同化学习理论中的思想到澄清工作冲突以解决营利性和非营利性公司的冲突（例如，Beirute & Mayorga，2004） 。概念图现在开始在企业中使用，以帮助团队澄清和阐明解决从新产品设计到营销再到管理问题解决等问题所需的知识。

教育新模式

以概念图为中心的学习环境

CmapTools 提供了多种功能，使教师能够使用概念图来完成学生执行的各种任务（Cañas & Novak，2005）。除了促进协作和构建知识模型的可能性的网络环境之外，该软件还允许用户（a）基于概念图搜索信息（Carvalho 等，2017）。，2001），学生可以使用 Cmap 研究信息以了解有关该主题的更多信息，从而生成具有链接资源的改进地图，并迭代地进行另一次搜索；(b) 记录构建 Cmap 的过程以供以后回放，为教师提供被认为是概念图的关键方面的支持：构建图的过程；(c) 全屏分段显示概念图和相关资源以供口头演示；(d) 以图形方式比较两个 Cmap，允许教师将学生的图与他/她的图进行比较以进行初步评估。因此，概念图可以成为一个工件，学习过程的各种活动都可以围绕它进行，如图 8 所示。

基于CmapTools提供的功能，学生可以使用作为预测试准备的概念图作为学习他/她需要更好理解的知识的第一步，并作为进行以下研究的基础导致这种理解，作为组织学生构建这种理解的各种来源的一种方式，作为与同伴合作的工件，以及作为在单元结束时展示他/她的发现的手段。此外，学生构建的概念图可以成为他/她表现的组合评估的基础（参见 Vitale & Romance，2000）。

焦点问题、停车场和专家骨架图

以概念图为中心的学习环境意味着在学习单元或模块的整个开发过程中都使用概念图。在介绍主题之前，这种环境中的概念图可能会用作确定学生对正在研究的主题的理解程度的机制。然后，当学生开展有关该主题的其他活动并增加他们的理解时，这些地图就会被开发、扩展和完善，可能会得出链接资源、结果、实验等的复杂知识模型，如果需要，可以将其用作最终结果。学生们的演讲。

正如概念图在课堂活动中有多种可能的用途一样，学生构建初始概念图也有多种“起点”。

每个学生都可以单独构建初始概念图，向老师反馈每个学生的理解水平。在单独构建地图的选项中，可以允许学生通过知识汤进行协作（Cañas等人，1995 年；Cañas等人，2001 年），学生可以分享命题，但不能看到彼此的地图（见图 9）。概念图可以由学生以情侣或小组的形式构建，教师必须注意每个学生的参与程度。CmapTools 具有记录器功能，可以记录和回放地图构建的步骤，包括识别每个贡献者。

概念图也可以是课堂上的工作，使用投影仪，所有学生发表意见并参与地图的构建。教师必须警惕评估每个学生的个人参与情况。

同样，构建地图的起点可能会有所不同，具体取决于学生之前预期的理解、主题的难度和新颖性以及教师掌握主题的信心。

焦点问题

构建概念图的起点可以仅包含焦点问题。例如，“我们如何测量时间？” 可以通过构建概念图作为问题提供给学生回答。焦点问题的类型会影响学生构建的概念图的类型。像“什么是植物？”这样的问题 与“我们为什么需要植物？”的问题相比，将产生一个声明性的、更具分类性的概念图。实验表明，不仅焦点问题，概念图的根概念也对最终概念图的质量有很大影响（Derbentseva等，2017）。，2004 年，2006 年）。重要的是提出一个问题而不仅仅是一个主题（例如“制作关于植物的概念图”），因为回答问题可以帮助学生专注于他们的地图。每当使用 CmapTools 制作概念图并保存时，制作者都会被要求提供一个焦点问题，以及该概念图的关键概念。

停车场

我们将等待添加到概念图中的概念列表称为停车场的概念。构建概念图的起点可以是教师希望确保所有学生都包含在概念图中的概念列表。上面的图 6 给出了一个例子。图 10 展示了焦点问题和焦点问题“宇宙的结构是什么？”的停车场。学生、学生小组或班级应该构建一个概念图来回答问题并至少包括列表中的概念。经验丰富的概念图绘制者同意研究人员的观点，即构建概念图最具挑战性和最困难的方面是构建命题；也就是说，确定哪些连接短语能够清楚地描述概念之间的关系。因此，向学生提供一些概念并不能消除地图构建的难度，尽管它可能会在一定程度上限制学生在选择要包含的概念时的创造力。它确实使教师能够深入了解学生在将哪些概念融入概念图中遇到困难，这表明他们对这些概念了解很少或根本不了解。

专家骨架图

对于困难的主题——无论是由于教师以前的经验而对学生来说困难，还是由于他/她的背景而对教师来说困难——使用“专家骨架”概念图是一种替代方案。“专家骨架”概念图已由该主题的专家预先准备好，使学生和教师能够在坚实的基础上建立自己的知识。“专家骨架”概念图作为学习的指南、脚手架或辅助工具，类似于在建造或翻新建筑物时使用脚手架。

图 11 是一个“专家骨架”概念图，与图 10 中的“停车场”对应相同的主题。观察到，在这个例子中，一些概念被留在“停车场”中，供学生添加到概念图。

图 10 中停车场的情况。停车场中留下了一些概念，供学生添加到 Cmap 中。

“专家骨架”概念图的使用是我们正在追求的一个研究课题，对此我们没有像焦点问题和停车场起点那样丰富的经验。O'Donnell、Dansereau 和 Hall (2002) 表明“知识图”可以充当促进学习的支架。

值得注意的是，“专家骨架”概念图应由该主题的专家构建。目的是使专家能够更好地选择对理解主题至关重要的少量概念，并准确表达这些概念之间的关系。一般来说，用少量概念（例如，四个或五个）构建关于主题的良好、准确的概念图比用十五到二十个概念要困难得多。

“专家骨架”概念图没有预定的尺寸。但图中预期的最终概念数量是“骨架”中概念数量的函数。例如，由 5 个概念组成的“骨架图”应由学生扩展为包含 15 至 20 个概念的地图。如果“骨架”地图包含 20 个概念，这使其更像是一个完整的地图，则最终地图预计将包含大约 50 到 60 个概念。在这种情况下，我们可能指的是使用一个相对完整的（不是骨架）地图作为脚手架，期望学生通过创建几个链接到起点地图的子地图来更深入地了解该主题。

我们预见到一个使用“专家骨架”图来支架学习的计划，从开发一门学科中的一系列概念图开始，从最普遍、最具包容性的想法开始，然后逐渐转向更具体的概念图，以指导学习者。例如，图 11 显示了科学的“专家骨架”概念图，其中包含理解科学所需的关键主要概念。学习者可以从这样的地图开始，添加停车场的概念，链接数字资源，还可以构建更具体的子地图。还可以提供更具体的专家概念图，如图 12 所示。在这里，我们还看到可能由一组学习者创建的子图，以及可以通过子图上的图标访问的两个资源的示例。

使用 CmapTools 进行支架式学习的优点之一是上面提到的搜索功能，它允许访问 WWW 资源，这些资源经过筛选以适合概念图定义的含义上下文（Carvalho 等，2001；Leake等，2001）。，2004）。因此，如果单击图 12 中的“电能”等概念并选择“搜索”菜单选项之一，CmapTools 将检索不仅涉及电力而且还与地图中其他概念相关的 WWW 资源。该程序试图弄清楚 Cmap 的内容，并为 Web 搜索引擎准备一个查询，该查询将生成与概念图中正在开发的想法相关的结果。当然，学习者仍然需要从材料中选择新概念，并在概念图上构造新命题，从而为图添加意义和清晰度。因此，学习者或学习者团队非常积极地参与意义构建过程，这是有意义学习发生的基本要求。

学习者还可以参与实验室或实地研究，这将增加发展概念更完整含义所需的重要具体经验，有时还会增加发现新想法或关系所带来的兴奋感。

使用“专家骨架”概念图、CmapTools 和 WWW 资源构建知识结构的材料和想法的范围远远超过任何教科书或任何教师可以提供的。事实上，指导此类学习的教师很可能会像学生一样学到很多新东西。此外，从“专家骨架”图开始作为起点，可以减少学习者或教师持有的误解或错误想法得到加强的机会，并最大限度地提高他们建立及时消除或减少误解的知识结构的机会（Novak，2002） ）。

科学世界项目

1966年，鲍布斯-美林出版了基础科学教科书系列《科学世界》，主要由诺瓦克编写，旨在向小学生和教师介绍基本科学概念。与大多数基础科学教科书不同，该系列对各个年级的基本概念进行了深入的指导，包括有关科学本质、物质本质、能量和能量转换的概念的指导。这些书已被扫描，并且所有六本书的 DVD 均已提供。我们的计划是利用科学世界书籍作为“新教育模式”示范项目的起点。首先，我们为《科学世界》二年级课本的部分章节和四年级课本的全部内容准备了“专家骨架”概念图，题为《扩展的科学世界》。所有这些概念图均可在 CmapTools 网络上公开获取[2]。“专家骨架”概念图将作为学生和教师书中插图各部分的起点，然后学生将使用这些 Cmap 与 CmapTools 一起在 WWW 中搜索相关资源和想法。图 13 展示了一个“专家骨架”概念图，可用作构建知识模型的起点，最好是学生团队合作并分享想法。

科学书籍提供相关阅读材料和建议的活动。对于教师来说，帮助学生进行这些活动以及类似的相关活动非常重要，其中一些活动可能会在 WWW 资源中建议。学习者还可以将自己的概念以及在阅读和互联网上找到的资源添加到“专家骨架”概念图中。图 14 说明了此过程中的一个阶段[3]。

显然，这将是一个非常有缺陷的科学项目，它只不过是让学生复制并在为二年级或任何其他年级提供的“专家骨架”概念图的基础上进行一些构建。学生需要对真实事物进行具体的实践经验，并观察真实现象，以便将意义放入概念图和其他资源中提供的概念标签中。

意大利的一项试点计划已经在进行中，朱塞佩·瓦利图蒂 (Giuseppe Valittuti，2004) 和他的同事现在正在努力将《科学世界》书籍翻译成意大利语。Valituti 和他的同事获得了意大利教育部的教师培训资金，一些小学团队在 2005-2006 年间开始使用科学世界概念图和其他资源。该计划是让四组学校专注于《科学世界》系列的不同方面，并制作学生做项目的照片和视频，以说明和利用各种科学概念。课堂上将会提供大量反馈，帮助团队完善他们的工作，并使用 CmapTools 共享“电子作品集”。这种反馈应该有助于我们快速完善概念图，改进新教育模式实践的技术和方法。CmapTools 网络可以通过其在意大利和其他国家的公共服务器作为其中一些工作的交换所。我们预计几年内这些努力将会产生大量的轶事和经验数据。基于现有的扎实理论和相关研究成果，我们有充分理由乐观地认为这些创新努力将会取得成功。该项目的进展情况可通过以下网址查看：www.leparoledellascienza.it。我们预计几年内这些努力将会产生大量的轶事和经验数据。基于现有的扎实理论和相关研究成果，我们有充分理由乐观地认为这些创新努力将会取得成功。该项目的进展情况可通过以下网址查看：www.leparoledellascienza.it。我们预计几年内这些努力将会产生大量的轶事和经验数据。基于现有的扎实理论和相关研究成果，我们有充分理由乐观地认为这些创新努力将会取得成功。该项目的进展情况可通过以下网址查看：www.leparoledellascienza.it。

实施中的问题

我们所期望的最大挑战是改变学校情境因素，从教师作为信息传播者的普遍模式转向教师作为教练和学习者的方向。我们知道，我们需要让教师和管理人员参与能够模拟新教育方法的培训计划，并且我们需要就如何改进新教育模式寻求他们的建议。改变现在主要依靠多项选择测试（主要衡量信息的死记硬背）的评估实践也面临挑战，转变为基于表现的测试，要求学生证明他们理解基本概念并可以使用这些概念来解决新问题，并且他们可以使用互联网资源来发展和修改他们的概念并学习新概念。新模型中仍然有足够的空间来获取特定的事实和程序，但现在这些应该在强大的概念框架的背景下学习。研究（布兰斯福德等人，1999）表明，在有意义的学习背景下获得的事实信息不仅可以保留更长时间，而且可以更成功地使用这些信息来解决新问题。

我们可能会遇到一些反对实施新教育模式的人，他们认为“探究性”学习是改善教育的唯一途径。事实上，研究绝大多数支持“引导学习”的价值，例如新教育模式中涉及的内容（Mayer，2004；Kirschner等，2006；Sweller等，2007）。

在学校实施新模式之前，需要完成大量的教师教育工作。教师需要熟悉CmapTools软件的使用及其包含的各种工具。他们还需要了解概念图背后的理论，包括本文中的想法。教师教育计划应该对我们推荐的学习类型进行建模，并且我们可以使用 Novak (1998) 书中提供的一些概念图作为“专家骨架”概念图，这些概念图可在“IHMC Public Cmaps (2)”CmapServer 上访问，可访问通过 CmapTools Places，在“World of Science”文件夹下。教师应该协同工作，以一些处理教育理念的更简单的概念图为基础，并可能为一些更复杂的概念图添加资源。

评估概念图

我们现在开始在许多科学教科书中看到概念图作为总结学生学习单元或章节后所获得的理解的一种方式。学校实践的变化总是缓慢的，但在未来一两年内，概念图在学校教学中的使用可能会大幅增加。还可以使用其他评估学生对主题理解的创新实践（Mintzes等人）.，2000）。当概念图用于教学时，它们也可以用于评估。没有什么是一成不变的规定从小学到大学都必须使用多项选择测试，也许有一天，甚至国家成绩考试也会利用概念图作为强大的评估工具。这是一个先有鸡还是先有蛋的问题，因为如果大多数学生没有机会学习使用这种知识表示工具，那么国家成绩测试就不需要概念图。另一方面，如果州、地区和国家考试开始将概念图作为考试的一部分，那么教师就会有很大的动力教学生如何使用这一工具。希望在接下来的二十年里，这将会成为现实。目前，美国和其他地方有许多项目正在进行研究，看看是否可以开发出更好的评估工具，包括使用概念图。未来几年我们应该会开始看到这一领域的重大进展。最新版本的 CmapTools 的一些功能还方便使用概念图进行评估。例如，“比较概念图”工具允许将某个主题的“专家”概念图与学生构建的概念图进行比较，所有相似或不同的概念和命题都以颜色显示。最新版本的 CmapTools 的一些功能还方便使用概念图进行评估。例如，“比较概念图”工具允许将某个主题的“专家”概念图与学生构建的概念图进行比较，所有相似或不同的概念和命题都以颜色显示。最新版本的 CmapTools 的一些功能还方便使用概念图进行评估。例如，“比较概念图”工具允许将某个主题的“专家”概念图与学生构建的概念图进行比较，所有相似或不同的概念和命题都以颜色显示。

概念图和课程规划

在课程规划中，概念图非常有用。他们以高度简洁的方式介绍了要教授的关键概念和原则。概念图的分层组织表明了教学材料的更优化排序。由于有意义学习的基本特征是新知识与学习者先前的概念和命题框架的整合，因此从更普遍、更包容的概念到更具体的信息通常有助于鼓励和增强有意义的学习。因此，在课程规划中，我们需要构建一个全局的“宏观地图”，展示我们计划在整个课程或整个课程中呈现的主要思想，也需要构建更具体的“微观地图”，展示一个课程的知识结构。教学计划的非常具体的部分。独立或协作工作的教师可以重新设计课程大纲或整个课程。例如，康奈尔大学的教师共同规划兽医学教学，构建了如图 15 所示的概念图。

在规划特定主题的课程或教学时使用概念图有助于使教学对学生“概念上透明”。许多学生很难识别文本、讲座或其他形式的演示中的重要概念。部分问题源于一种只需要记忆信息而不需要对信息进行评估的学习模式。这些学生无法构建强大的概念和命题框架，导致他们将学习视为需要记住的无数事实、日期、名称、方程式或程序规则的模糊。对于这些学生来说，大多数学科的主题，尤其是科学、数学和历史，都是需要记忆的杂乱信息，他们通常觉得这很无聊。许多人觉得他们无法掌握该领域的知识。

获取和归档专家知识

概念图快速增长的用途之一是利用概念图捕捉专家的“隐性”知识。专家知道许多他们常常无法向他人清楚表达的事情。这种隐性知识是通过多年的经验获得的，部分源自专家涉及思考、感觉和行动的活动。专家们经常谈到需要“感受一下你正在做的事情”。事实上，一位诺贝尔生物学奖得主（芭芭拉·麦克林托克）的传记的标题是“对有机体的感觉”（Keller，1983）。Nonaka和Takeuchi（1995）强调如果公司想成为“知识创造公司”，捕获和使用企业专家隐性知识的重要性。

在概念图之前使用的大多数方法包括对专家的各种形式的访谈和分析，包括专家如何取得一些非凡成就的案例研究（Hoffman等，2017）。，1995；克莱因和霍夫曼，1992）。事实上，这些方法仍然受到许多认知科学家的高度欢迎，他们中的大多数人不熟悉奥苏贝尔的工作以及概念图所基于的认识论思想。如上所述，我们在早期工作中也使用了“临床访谈”，但我们发现有必要发明一种更好的方法来表示学习者所知道的内容以及他们的知识如何随着时间的推移而变化。在 IHMC，我们开始通过访谈来确定解释机器计算机输出的计算机读数所需的专业知识，该机器旨在评估注射放射性溶液后的心脏功能问题，并诊断冠状动脉功能障碍（Ford 等，2017）。，1991；福特等人。，1996）。然而，当我们开始绘制一位心脏病专家的专业知识概念图时，这位心脏病专家确实就这项技术“写了本书”，很明显，图中缺少概念，并且我们专家的“隐性知识”没有得到充分表达在他的书中或我们的采访中。因此，概念图不仅使我们能够代表专家的知识，还能发现我们通过访谈获得的知识结构中的差距。

虽然我们期望访谈、案例研究分析、“关键事件”分析和类似技术在提取和表达专家知识方面具有价值，但这些研究的最终产品可能仍然以概念图的形式得到最好的表达，也许还有一些采访数据和通过地图上的图标呈现的其他信息。

在 IHMC，我们在获取和表达专家知识领域继续非常活跃（Coffey等，2002）。随着 CmapTools 软件的不断发展，它已成为这项工作中越来越有用的工具，NASA 艾姆斯火星探索中心准备的丰富的火星资源（Briggs等， 2004）就说明了这一点。图 16 显示了 Briggs 创建的知识组合的“主页”概念图，图 17 显示了他创建的众多子图之一。整套概念图可以查看： http: //cmex.ihmc.us。除了子图之外，还可以通过概念图访问各种数字资源。许多其他项目都在可通过 CmapTools 访问的 IHMC Public CmapServer 中呈现，包括处理天气预报的项目（Hoffman等人，2000，参见：http ://www.ihmc.us/research/projects/StormLK/ ）、电子技术人员（Coffey等，2003）和泰国织物工艺品。

结论

在本文中，我们试图介绍概念图的理论基础和起源。虽然乍一看概念图可能只是信息的另一种图形表示，但了解该工具的基础及其正确使用将使用户认识到这确实是一个深刻而强大的工具。乍一看，它可能看起来像是将单词简单地排列成层次结构，但是当仔细地组织单词所代表的概念，并且通过精心选择的连接词形成命题或想法时，人们就会开始看到一个好的概念图既简单，又优雅复杂，寓意深刻。概念图已被证明可以帮助学习者学习、研究人员创造新知识、管理员更好地构建和管理组织、作家写作以及评估者评估学习。与任何工具一样，它也可能被滥用，

我们还希望使用本文档作为有关该工具的使用的进一步实验、批评和对话的基础。CmapTools 网站为用户和研究人员之间的活跃交流提供了机会。该文档本身应该是一个“活的”文档，随着我们通过使用该工具获得新的知识和经验，会定期进行修订。我们邀请所有概念图和CmapTools的用户参与本次对话。