科学教学中建构学生认知结构的教学策略

科学教学中建构学生认知结构的教学策略

张仪成

科学教学中建构学生认知结构的教学策略

张仪成

摘要：科学认知结构的特征是：知识组块数量足够；产生方式稳定灵活；网络结构层次分明；一定数量的解决策略。建构良好科学认知结构的教学策略包括：熟悉原有认知结构；创设良好问题情境；突出科学思想方法；加强讨论与交流；强化合理整体教学。

关键词：科学；认知结构；特征；教学策略

作者简介：张仪成，任教于宁波市北仑长江中学。

认知心理学认为，在课堂教学过程中学生就是凭借自己已有的认知结构来完成对世界的知觉、理解和思考，且在对世界的知觉、理解和思考的认知活动过程中不断丰富或重建自己的认知结构。而教师在教学过程中一方面通过实验或在日常生活中发生的、与教学内容有关的典型事例等来有效地激活学生已有的认知结构，或通过提供认知冲突即提供与学生已有的认知结构不同的新的科学知识促使学生将其顺应，从而重建自己的认知结构。因此，我们科学教学的根本任务就是要造就学生良好的科学认知结构，以满足后继的学习需要，最终提高学生的问题解决能力。那么，在科学教学中如何帮助学生建构良好的科学认知结构呢？这是值得我们广大的科学教师和教育研究人员去探讨的问题。在此，本文先指出科学认知结构的四个特征，然后提出建构科学认知结构的四点教学策略。

一、科学认知结构的特征

科学认知结构是科学知识结构在学习者头脑里的反映，它是学生在学习过程中能回想出来的事实、概念、命题或规律、理论等构成的网络结构。笔者认为这些知识可分三种类型：一是基本知识和观念（言语信息或表象信息），它是学生通过学习一些科学概念、规律和原理之后形成的；二是过程和方法，它是学生在实验过程或运用基本知识来解决问题的过程中形成的；三是科学问题解决的策略。就一个具体的新知识的学习而言，根据奥苏贝尔的观点可知，良好的科学认知结构有三个特征：一是可利用性，即在学习者原有的科学认知结构中有适当的起同化作用的知识可以利用；二是可辨别性，即新知识与学习者原有的科学认知结构中的相关知识是可辨别的；三是稳定性，即同化新知识的原有知识是清晰和稳定的。

从科学问题解决的角度来思考，良好的科学认知结构的特征包括以下四个方面：

1.足够数量的知识组块

现代认知心理学关于“专家系统”的研究表明，在某个领域内善于解决问题的专家必须具备上万个知识组块，没有这些专门的知识，专家就不能解决该领域内的技术问题。在许多专门领域，如工程学、计算机程序、社会科学、阅读理解、物理学、数学和医疗诊断等，将“专家”和“新手”作比较，都证明了解决问题的能力取决于个人所获得的有关知识的多少及其组织结构。

绝大多数奥林匹克选手，除了具备一定的天赋之外，他们必需系统接受过各种专题知识的训练。在各类专家的辅导下，他们的认知结构中积累了丰富的专门知识。与“新手”相比，专家解决自己领域内的问题时较为出色；在不熟悉的领域，“专家”通常并不比“新手”好，因为他在那一领域内的知识和观念不够多。

2.稳定灵活的产生方式

足够多的知识和观念仅仅是问题解决的必要条件。也就是说，头脑中的知识越多，并不意味着你解决问题的能力越强。甚至问题解决者已具备了解决某一问题所需的全部知识，但却解决不了这个问题。例如，有的问题解决者在解决一个问题时，百思不得其解。但一经旁人指点，即刻恍然大悟。这说明他的认知结构中已具备了解决这个问题所必需的概念、性质、规律和定理等知识。一些新教师经常“诉苦”，自己备课十分认真，课也讲得头头是道，学生对知识的提问反应也不错，可一到作业和考试就不行。也就是说，恍然大悟的问题解决者与不能独立作业（尤其是非模仿的作业）的学生，他们失败的原因不是缺乏所需的具体知识和观念，而是缺乏与具体知识相对应的稳定的产生方式。

学习者在学习的过程中，其头脑里逐步贮存了一系列以“如果……，那么……”的形式表示的规则，这种规则称为产生式（Production）；产生式是一种“条件→活动”规则，简记为C→A。只要条件信息一出现，活动就会自动产生。这里所说的活动不仅是外显的行为反应，还包括内隐的心理活动或心理运算。

“条件→活动”式的产生式对解决一些简单的由已知到结论的问题是有效的，但对一些复杂的问题则不然。因为，有许多产生式的条件信息是完全一样的，换句话说，由问题情境中的同一条件信息可以引发许多活动。这样，如果解决一个问题需要好几个产生式，而每一个产生式的条件信息又可以引发几个活动，那么，问题解决者将面对过多的解题思路而不知如何选择。因此，除了“条件→活动”这样的产生式之外，问题解决者的认知结构中还应该具备以“要……，就要……”的形式表示的产生式，即“活动→条件”式，我们把这种产生式称为逆向产生式，而把“条件→活动”式称为正向产生式。逆向产生式的含义是，在当前情境之下，要使目标得以实现，就要具备什么条件。

除正向产生式和逆向产生式之外，良好的科学认知结构中还应该有一些与正向产生式的模式对应的变形产生式。所谓变形产生式是这样一种双反应产生式，即：学习者事先已习得某一产生式C→A，只要一出现与产生式C→A相关的信息，学习者立刻检索出与产生式C→A对应的模式，然后根据目标信息对这一模式进行变形。例如，某学习者习得了有关欧姆定律的产生式“知道某段导体两端的电压U和导体的电阻R→通过导体的电流I＝导体两端的电压U／导体的电阻R”，他还可以得出变形产生式“出现电流I、电压U、电阻R这些部分信息→检索出模式：I=U／R→变形（U＝IR，R＝U／I）”。

3.层次分明的网络结构

解决问题的思路探索过程实质上由一连串的产生式构成。在问题解决者具备相关稳定的产生式的前提下，如何从问题情境中识别出相关信息并与众多的产生式中的条件信息相匹配是成功解决问题的关键。我们在前面已经指出，某一领域内善于解决问题的专家的认知结构中有上万个知识组块。这些知识组块不仅是具体知识的观念，而且大多数是产生式。因此，如果这些数以万计的产生式组织得不好，那么问题解决者是很难从中检索出与问题情境相匹配的条件信息。就好比一座图书馆，如果里面的书籍杂乱无章，乱堆乱放，那么，要找一本书时就会困难重重。反之，如果里面的书籍存放有序，类别分明，那么查找就很容易。所以，除了具备足够数量的知识观念和稳定灵活的产生方式之外，要建构良好的科学认知结构，学习者还必须对所习得的知识信息进行加工整理，使之形成一个个的知识组块，并对这些知识组块再进行组织、分类和概括，使之形成一个有层次、有条理的知识网络结构。

如在学习初中科学的全部知识点之后，可以将某一些知识串成一条线，如“电子—原子—分子—细胞—组织—器官—系统—生物体—种群—群落—生态系统—生物圈—地月系—太阳系—银河系—宇宙，”然后在每一个点上作一些相关的链接，如“细胞”上有“细胞结构”和“细胞分类”等等。这样，就可以提高信息的检索效率。

4.一定数量的解决策略

某一问题领域内的“专家”解决问题的能力之所以比“新手”强，主要的原因之一是“专家”的认知结构中有着比“新手”多得多的问题解决策略。因此，良好的科学认知结构必须包括一定的问题解决策略。如表征问题的策略、波利亚的策略（弄清问题、拟定计划、实现计划和回顾）、奥加涅相的策略（具体思维、抽象思维、直觉思维、函数思维）、舍费尔德的策略（问题解决的策略）、化陌生为熟悉的策略、化繁为简的策略、特殊与一般的互化策略、正难则反的策略、顺推与逆推之结合的策略、动静之转化的策略等等。这种策略的形成不是一蹴而就的，要靠长期的学习、反思和总结。

二、建构学生认知结构的教学策略

1.熟悉原有的认知结构

要使学生有效地接纳新知识，学习者认知结构中必须具备适当的观念。因此，要发展学生良好的科学认知结构，教师首先必须熟悉学生原有的科学认知结构，这样才能知道选择教什么和怎样教。

例如，在进行《酸的通性》的教学时，教师可以通过提问、作业、测验、个别谈话等方式去了解学生是否已经具备相关的知识和观念，比如他们是“如何理解硫酸和盐酸的性质的”、“是否真正领悟了硫酸和盐酸化学性质的本质”、“硫酸和盐酸的化学性质掌握得如何”等等。

当教师对学生的认知结构有了全面而又细致的认识之后，就可以通过适当的教学手段帮助学生建构那些缺少的观念，明晰那些模糊的观念，强化其稳定性。

2.创设良好的问题情境

某个问题有两个或两个以上的可能性可供选择时即形成情境，如情境与学生已经获得的知识不一致而发生冲突,就产生问题情境,也就是矛盾是产生问题情境的条件。因此,问题情境是一种特殊的学习情境,情境中的问题既适合已有的知识水平、能力，又需经一翻努力才能解决，从而使学生形成对未知事物探究的倾向。目前科学教育领域有观点认为：创设学生认为值得思考的问题情境是最符合建构主义认知过程和科学推理特征的教学策略。为此，我们教师就要创设良好的问题情境。笔者认为良好的问题情境应具备以下条件：

(1)明确学习目标

明确学习目标就是让学生明白自己将要学到什么或将要具备什么能力。这是使学生自觉参与学习的最好“诱惑”。

例如，在“种子萌发的条件”的教学时，教师可以这样来创设问题情境：

“大家知道，种子成熟后，生理活动基本停止进入休眠期，这种现象是对不良环境的一种适应，那么当外界环境发生怎样的变化之后，种子才能恢复其生理活动开始萌发呢？”

面对这样一个新问题的初中学生，自然而然地会遇到疑难，迫切地想知道为什么？然后教师补充这样一句“学了今天的知识，就可以揭开这个谜底。”如此来创设问题情境，就使学生产生了“我也要知道……”的渴望。

(2)造成认知冲突

造成认知冲突的目的在于让学生主动参与教学活动，使学习不再是沉重的负担；它不但可以打破学生的心理平衡，同时也是激发学生弥补“心理缺口”的动力。

例如，在“生态平衡”的教学中，教师可以这样创设问题情境：

“在美国凯巴高原上，生活着一种以草为食的鹿，它们的数量一直变化不大。可是，鹿群常常受到美洲狮和狼的袭击。当地人为了保护鹿，大量捕杀美洲狮和狼。不久，美洲狮和狼几乎被全部消灭。后来，鹿的数量反而大量地减少了。“既然美洲狮和狼是鹿的天敌，为什么还会发生这种情况呢？然后教师让学生用已经学习过的知识尝试地来解释这个问题，使学生体会到，单靠前面所学的知识解释还是不准确的。最后，教师再指出：“只要我们掌握生态平衡的知识，这个问题就易如反掌。”

这时，学生已产生了心理缺口——如何准确地解释这种现象呢？这样，学生就会积极地进入新知识的建构学习。

(3)贴近生活实际、关注热点

从学生熟悉的生活情境、生产实际、生活经验和社会热点这些角度去创设问题情境，这样才能保证学生有相关的知识来理解问题，也才有可能使学生主动积极地建构他们的认知结构。例如，在液体压强教学后引入今年海啸中的怪现象，在太平洋所罗门群岛发生地震和海啸之前，一群天真可爱的孩子在海边戏耍，这时有几种深海鱼突然出现在面前，模样怪怪的，孩子们很惊奇，他们哪里知道,海啸的魔爪正步步逼近。为什么深海鱼突然出现就意味海啸就要来了，应引起高度关注，并迅速离开现场。

(4)控制问题难度

问题的难度直接地、极大地影响着学生解决问题的积极性和成功率。问题过难，学生没法入手，望而却步；问题太容易，学生学不到新东西，他们没有兴趣。当然，提出问题的方式也影响着学生解决问题的积极性和成功率。

3.突出科学的思想方法

学校教学的目的就是要使学生能把习得的内容迁移到新情境中去。知识越具体，应用的范围越狭窄，只能用于非常具体的情境，也容易遗忘；概括性越高，其应用的范围就越广，随时可用于任何情境中的类似问题，也有利于保持。科学思想方法是科学中的一般性的原理，它有高度的概括性，有助于学习的迁移。

因此，要发展学生良好的科学认知结构，就必须要突出科学思想方法的教学，帮助学生建构思想方法层次上的科学观念。例如，像观察、实验、调查这一类基本方法；像非逻辑思维（联想、想象、直觉）、逻辑思维（猜想、假设、类比、分析、综合、抽象、概括、分类、归纳、演绎）、发散思维（逆向思维、侧向思维、多向思维）这一类思维方法；以及像数学思想方法（方程的思想、函数的思想、极限的思想）、转化思想（化陌生为熟悉的思想、化繁为简的思想、特殊与一般的互化的思想、正难则反的思想、顺推与逆推之结合的思想、动静之转化的思想）、分类讨论思想和整体思想这一类高层次的思想方法。

4.加强讨论和交流

讨论和交流教学活动的重要环节，教师应根据不同的教学目标、内容，创造各种条件和形式，开展学生之间的讨论和交流。尤其是以合作小组形式展开讨论和交流，使学生认识到小组成员在探究过程中各有所长，其知识和技能可以互补；培养了学生搜集证据、回答质疑的能力。

5.强化合理的整体教学

我们在前面已经指出，层次分明的观念网络结构是良好的科学认知结构的特征之一。因此，要发展学生良好的科学认知结构，教师就必须注意整体性教学。整体性教学有两个方面的要求：

(1)注意知识组块的教学

孤立的知识教学不可能建立起层次分明和联系紧密的观念系统。因此，新知识的教学不能孤立进行，应把新知识纳入原有的观念系统中进行整体考虑，使新知识与原有的相关知识相联系，并把这些有联系的知识点重新组织为一个大的知识组块。这样，既有利于知识的保持又有利于知识的检索与应用。例如，学完初中自然科学的所有物质分类的概念（如纯净物、混合物、化合物、等有23个之多的概念）后，如果不作进一步的组织加工，那么这些孤立的知识是难以保持和运用的，同时也往往会造成概念的冲突和混淆。但如果教师引导学生把这些概念放在一起进行观察、比较、分析，最后概括为新的知识组块，那么学生的科学认知结构就得到优化。

在知识的巩固与应用中，集中且联系各个知识点的组块练习比分散、孤立的练习效果要好。例如下列的一组练习：

①在化学反应A2＋3B2＝2X中，X的化学式为___________；

②在化学反应A2＋3B2＝2AB3中，现有24克A2与组两B2反应生成48克AB3，则A与B的相对原子质量之比为__________；

③在化学反应A2＋3B2＝2AB3中，6克B2与足量的A2反应后得到34克AB3，则化合物AB3中A、B两种元素的质量比为__________；

④在化学反应A2＋3B2＝2AB3中，2克A2与足量B2反应生成10克AB3，则A2与B2的式量之比为____________；

⑤在化学反应A2＋3B2＝2AB3中，3克A2与足量B2反应生成7克AB3，若B2的式量为32，则AB3的式量为__________。

以上练习是在题中已知条件不变的情况下设计的，通过改变问题，不但使学生理解并巩固质量守恒定律及其应用，并且使这部分的知识系统化，同时又与相对原子质量、式量、化学方程式等化学计算知识点联系起来，提高了规律的应用功能。对学生来说，既提高了解题兴趣，又锻炼了思维的灵活性。

(2)实施整体部分的互动

科学知识结构是由一些理化生地知识构成的有机整体，它具有严密的逻辑性和完备的系统性。整体由部分构成，要把握整体，就要先揭示整体的结构和掌握部分。因此，教学应首先从整体到部分。在科学教学中，整体可以表现为一小节、一单元、一章和一门学科，部分则是一些具体的知识内容。教师可以就将要学习的整体知识中一些关键和重要的内容，提出相应的问题，造成学生认知上的冲突，接着从这一整体知识的研究对象、研究方法和用途等方面给学生一个全面的概述，使学生对这一知识单元有一个整体的认识，然后逐个学习每一部分的内容。

仅仅掌握部分是不够的。系统论告诉我们，任何系统的整体功能等于各个部分功能之和加上各个部分相互联系而形成的结构功能。在部分功能不变的情况下，整体功能的大小取决于各个部分的联系。因此，在掌握部分之后，要根据各个部分之间的关系（如从属关系、交叉关系、矛盾关系、对立关系、逻辑关系等等）把这些部分联系起来，形成一个层次分明、类别清楚和联系紧密的网络结构。

在学习了某一部分的知识后，如果教师引导学生将这些分散的知识重新整理、组织、提炼为网络结构，那么就可以帮助学生建构良好的自然科学认知结构。

又如，学习“氧气”、“氢气”、“水”等重要物质的某一单元后的网络结构：

制取性质用途

物质

组成结构

通过这样的重整、组合和提炼，就能够囊括所学的知识点，同时将它们用相互联系的视角建构成一些网络结构，帮助学生建构良好的认知结构。

参考文献：

[1]王萍.认知结构及教学及教学构建研究[M].北京：中国言实出版社，2008.

[2]刘斌.认知结构及其教学建构[J].中国教育学刊，1998(5).

作者单位：宁波市北仑长江中学

邮政编码：315800

TeachingStrategiesforConstructingCognitiveStructureinScienceTeaching

ZhangYicheng

Abstract:Thesciencecognitivestructureischaracterizedbyadequatequantityofknowledgechunking;steadyandflexibleproducingways;well-beddednetworkstructureandsomesolutionstrategy.Teachingstrategiesforconstructinggoodsciencecognitivestructureincludesfamiliarizingintrinsiccognitivestructure;creatinggoodquestionsituation;stressingsciencethinkingmethods;reinforcingdiscussionandcommunication;strengtheningthewholeinstruction.

Keywords:science;cognitivestructure;feature;teachingstrategies