2159.科學教學中學生認知結構的建構策略

1、科學教學中學生認知結構的建構策略摘要：科學認知結構的特征是：知識組塊數量足夠；產生方式穩(wěn)定靈活；網絡結構層次分明；一定數量的解決策略。建構良好科學認知結構的教學策略包括：熟悉原有認知結構；創(chuàng)設良好問題情境；突出科學思想方法；加強討論與交流；強化合理整體教學。關鍵詞：科學，認知結構，特征，教學策略，問題解決。認知心理學認為,在課堂教學過程中學生就是憑借自己已有的認知結構來完成對世界的知覺、理解和思考，且在對世界的知覺、理解和思考的認知活動過程中，不斷豐富或重建自己的認知結構。而教師在教學過程中一方面通過實驗或在日常生活中發(fā)生的、與教學內容有關的典型事例等來有效地激活學生已有的認知結構，或通過提供

2、認知沖突即提供與學生已有的認知結構想左的新的科學知識促使學生將其順應，從而重建自己的認知結構。因此，我們科學教學的根本任務就是要造就學生良好的科學認知結構，以滿足后繼的學習需要，最終提高學生的問題解決能力。那么，在科學教學中如何幫助學生建構良好的科學認知結構呢？這是值得我們廣大的科學教師和教育研究人員去探討的問題。在此，本文先指出科學認知結構的四個特征，然后提出建構科學認知結構的四點教學策略。一、科學認知結構的特征科學認知結構是科學知識結構在學習者頭腦里的反映，它是學生在學習的過程中能回想出來的事實、概念、命題或規(guī)律、理論等構成的知識系統(tǒng)。這些知識筆者認為可分三種類型：一是基本知識和觀念（言語

3、信息或表象信息），它是學生通過學習一些科學概念、規(guī)律和原理之后形成的；二是過程和方法，它是學生在實驗過程或運用基本知識來解決問題的過程中形成的；三是科學問題解決的策略。就一個具體的新知識的學習而言，根據奧蘇貝爾的觀點可知，良好的科學認知結構有三個特征：一是可利用性，即在學習者原有的科學認知結構中有適當的起同化作用的知識可以利用；二是可辨別性，即新知識與學習者原有的科學認知結構中的相關知識是可辨別的；三是穩(wěn)定性，即同化新知識的原有知識是清晰和穩(wěn)定的。從科學問題解決的角度來思考，良好的科學認知結構的特征包括以下四個方面：1.足夠數量的知識組塊現代認知心理學關于“專家系統(tǒng)”的研究表明，在某個領域內善

4、于解決問題的專家必須具備上萬個知識組塊，沒有這些專門的知識，專家就不能解決該領域內的技術問題。在許多專門領域，如工程學、計算機程序、社會科學、閱讀理解、物理學、數學和醫(yī)療診斷等，將“專家”和“新手”作比較，都證明了解決問題能力取決于個人所獲得的有關知識的多少及其組織結構。絕大多數奧林匹克選手，除了具備一定的天賦之外，他們必需系統(tǒng)接受過各種專題知識的訓練。在各類專家的輔導下，他們的認知結構中積累了豐富的專門知識。與“新手”相比，專家解決自己領域內的問題時較為出色；在不熟悉的領域，“專家”通常并不比“新手”好，因為他在那一領域內的知識和觀念不夠多。2.穩(wěn)定靈活的產生方式足夠多的知識和觀念僅僅是問題

5、解決的必要條件。也就是說，頭腦中的知識越多，并不意味著你解決問題的能力越強。甚至問題解決者已具備了解決某一問題所需的全部知識，但卻解決不了這個問題。例如，有的問題解決者在解決一個問題時，百思不得其解。但一經旁人指點，即刻恍然大悟。這說明他的認知結構中已具備了解決這個問題所必需的概念、性質、規(guī)律和定理等知識。一些新教師經?！霸V苦”，自己備課十分認真，課也講得頭頭是道，學生對知識的提問反應也不錯，可一到作業(yè)和考試就不行。也就是說，恍然大悟的問題解決者與不能獨立作業(yè)（尤其是非模仿的作業(yè)）的學生，他們失敗的原因不是缺乏所需的具體知識和觀念，而是缺乏與具體知識相對應的穩(wěn)定的產生方式。學習者在學習的過程中

6、，其頭腦里逐步貯存了一系列以“如果，那么”的形式表示的規(guī)則，這種規(guī)則稱為產生式（production）；產生式是一種“條件活動”規(guī)則，簡記為ca。只要條件信息一出現，活動就會自動產生。這里所說的活動不僅是外顯的行為反應，還包括內隱的心理活動或心理運算。例如，如果學生一識別出“某人的血型是a型”，他就能作出反應：“這個人的血液中的紅細胞上有a凝集原，血清中有抗b凝集素”，那么，我們就說該學生已習得了這個產生式。假如被試是在被主試問到“什么是凝集反應”的情形下復述出凝集反應的概念，我們不能肯定被試已習得這個產生式，因為他可能僅僅是從長時記憶中檢索出“凝集反應”的言語信息，并沒有學會將其應用于實際情

7、境。學生是否習得產生式，關鍵是看他在問題情境中識別出條件信息后能否作出活動。尚未習得“凝集反應”產生式的學生當然不能解決與“凝集反應”相關的問題,盡管他腦中貯存有“凝集反應”的言語信息?！皸l件活動”式的產生式對解決一些簡單的由已知到結論的問題是有效的，但對一些復雜的問題則不然。因為，有許多產生式的條件信息是完全一樣的，換句話說，由問題情境中的同一條件信息可以引發(fā)許多活動。這樣，如果解決一個問題需要好幾個產生式，而每一個產生式的條件信息又可以引發(fā)幾個活動，那么，問題解決者將面對過多的解題思路而不知如何選擇。因此，除了“條件活動”這樣的產生式之外，問題解決者的認知結構中還應該具備以“要，就要”的形

8、式表示的產生式，即“活動條件”式，我們把這種產生式稱為逆向產生式，而把“條件活動”式稱為正向產生式。逆向產生式的含義是，在當前情境之下，要使目標得以實現，就要具備什么條件。例如，在不同背景下確認“物體處于平衡狀態(tài)（或f合0）”的逆向產生式可能有：“要f合0，就要f1f2”、“要f合0，就要f1f2 ，f3f4”、“要f合0，就要”等等。除正向產生式和逆向產生式之外，良好的科學認知結構中還應該有一些與正向產生式的模式對應的變形產生式。所謂變形產生式是這樣一種雙反應產生式，即：學習者事先已習得某一產生式ca，只要一出現與產生式ca相關的信息，學習者立刻檢索出與產生式ca對應的模式，然后根據目標信息

9、對這一模式進行變形。例如，某學習者習得了有關歐姆定律的產生式“知道某段導體兩端的電壓u和導體的電阻r通過導體的電流i導體兩端的電壓u導體的電阻r”，他還可以得出變形產生式“出現電流i、電壓u、電阻r這些部分信息檢索出模式：i=ur變形（uir、rui）”。3.層次分明的網絡結構解決問題的思路探索過程實質上由一連串的產生式構成。在問題解決者具備相關穩(wěn)定的產生式的前提下，如何從問題情境中識別出相關信息并與眾多的產生式中的條件信息相匹配是成功解決問題的關鍵。我們在前面已經指出，某一領域內善于解決問題的專家的認知結構中有上萬個知識組塊。這些知識組塊不僅是具體知識的觀念，而且大多數是產生式。因此，如果這

10、些數以萬計的產生式組織得不好，那么問題解決者是很難從中檢索出與問題情境相匹配的條件信息。就好比一座圖書館，如果里面的書籍雜亂無章，亂堆亂放，那么，要找一本書時就會困難重重。反之，如果里面的書籍存放有序，類別分明，那么查找就很容易。所以，除了具備足夠數量的知識觀念和穩(wěn)定靈活的產生方式之外，要建構良好的科學認知結構，學習者還必須對所習得的知識信息進行加工整理，使之形成一個個的知識組塊，并對這些知識組塊再進行組織、分類和概括，使之形成一個有層次有條理的知識網絡結構。如在學習初中科學的全部知識點之后，可以將某一些知識串成一條線，如“電子原子分子細胞組織器官系統(tǒng)生物體種群群落生態(tài)系統(tǒng)生物圈地月系太陽系銀

11、河系宇宙，”然后在每一個點上作一些相關的鏈接，如“細胞”上有“細胞結構”和“細胞分類”等等。這樣，就可以提高信息的檢索效率。4.一定數量的解決策略某一問題領域內的“專家”解決問題的能力之所以比“新手”強，主要的原因之一是“專家”的認知結構中有著比“新手”多得多的問題解決策略。因此，良好的科學認知結構必須包括一定的問題解決策略。如表征問題的策略、波利亞的策略（弄清問題、擬定計劃、實現計劃和回顧）、奧加涅相的策略（具體思維、抽象思維、直覺思維、函數思維）、舍費爾德的策略（問題解決的策略）、化陌生為熟悉的策略、化繁為簡的策略、特殊與一般的互化的策略、正難則反的策略、順推與逆推之結合的策略、動靜之轉化

12、的策略等等。這種策略的形成不是一蹴而就的，要靠長期的學習、反思和總結。二、建構學生認知結構的教學策略1.熟悉原有的認知結構要使學生有效地接納新知識，學習者認知結構中必須具備適當的觀念。因此，要發(fā)展學生良好的科學認知結構，教師首先必須熟悉學生原有的科學認知結構，這樣才能知道選擇教什么和怎樣教。例如，在進行酸的通性的教學時，教師可以通過提問、作業(yè)、測驗、個別談話等方式去了解學生是否已經具備相關的知識和觀念，比如他們是“如何理解硫酸和鹽酸的性質的”、“是否真正領悟了硫酸和鹽酸化學性質的本質”、“硫酸和鹽酸的化學性質掌握得如何”等等。當教師對學生的認知結構有了全面而又細致的認識之后，就可以通過適當的教

13、學手段幫助學生建構那些缺少的觀念，明晰那些模糊的觀念，強化其穩(wěn)定性。2.創(chuàng)設良好的問題情境某個問題有兩個或兩個以上的可能性可供選擇時即形成情境，如情境與學生已經獲得的知識不一致而發(fā)生沖突,就產生問題情境,也就是矛盾是產生問題情境的條件.因此, 問題情境是一種特殊的學習情境, 情境中的問題既適合已有的知識水平、能力又需經一翻努力才能解決,從而使學生形成對未知事物探究的傾向。目前科學教育領域有觀點認為:創(chuàng)設學生認為值得思考的問題情境是最符合建構主義認知過程和科學推理特征的教學策略。為此,我們教師就要創(chuàng)設良好的問題情境。筆者認為良好的問題情境應具備以下條件：（1）明確學習目標明確學習目標就是讓學生明

14、白自己將要學到什么或將要具備什么能力。這是使學生自覺參與學習的最好“誘惑”。 例如，在“種子萌發(fā)的條件”的教學時，教師可以這樣來創(chuàng)設問題情境：“大家知道，種子成熟后，生理活動基本停止進入休眠期，這種現象是對不良環(huán)境的一種適應，那么當外界環(huán)境發(fā)生怎樣的變化之后，種子才能恢復其生理活動開始萌發(fā)呢？”面對這樣的一個新問題的初中學生，自然而然地會遇到疑難，迫切地想知道為什么？然后教師補充這樣一句“學了今天的知識，就可以揭開這個謎底?！比绱藖韯?chuàng)設問題情境，就使學生產生了“我也要知道”的渴望。（2）造成認知沖突。造成認知沖突的目的在于讓學生主動參與教學活動,使學習不再是沉重的負擔;它不但可以打破學生的心理

15、平衡，同時也是激發(fā)學生彌補“心理缺口”的動力。例如，在“生態(tài)平衡”的教學中，教師可以這樣創(chuàng)設問題情境：“在美國凱巴高原上，生活著一種以草為食的鹿，它們的數量一直變化不大?？墒牵谷撼３Ｊ艿矫乐蕺{和狼的襲擊。當地人為了保護鹿，大量捕殺美洲獅和狼。不久，美洲獅和狼幾乎被全部消滅。后來，鹿的數量反而大量地減少了。“既然美洲獅和狼是鹿的天敵，為什么還會發(fā)生這種情況呢？然后教師讓學生用已經學習過的知識嘗試地來解釋這個問題，使學生體會到，單靠前面所學的知識解釋還是不準確的。最后，教師再指出：“只要我們掌握生態(tài)平衡的知識，這個問題就易如反掌。”這時，學生已產生了心理缺口如何準確地解釋這種現象呢？這樣，學生就

16、會積極地進入新知識的建構學習。（3）貼近生活實際、關注熱點從學生熟悉的生活情境、生產實際、生活經驗和社會熱點這些角度去創(chuàng)設問題情境，這樣才能保證學生有相關的知識來理解問題，也才有可能使學生主動積極地建構他們的認知結構。 例如，在液體壓強教學后,引入今年海嘯中的怪現象,在太平洋所羅門群島發(fā)生地震和海嘯之前,一群天真可愛的孩子在海邊戲耍,這時有幾種深海魚突然出現在面前,模樣怪怪的, 孩子們很驚奇,他們哪里知道, 海嘯的魔爪正步步逼近。為什么深海魚突然出現就意味海嘯就要來了,應引起高度關注,并迅速離開現場.（4）控制問題難度問題的難度直接地、極大地影響著學生解決問題的積極性和成功率。問題過難，學生沒

17、法入手，望而卻步；問題太容易，學生學不到新東西，他們沒有興趣。當然，提出問題的方式也影響著學生解決問題的積極性和成功率。3.突出科學的思想方法學校教學的目的就是要使學生能把習得的內容遷移到新情境中去。知識越具體，應用的范圍越狹窄，只能用于非常具體的情境，也容易遺忘；概括性越高，其應用的范圍就越廣，隨時可用于任何情境中的類似問題，也有利于保持?？茖W思想方法是科學中的一般性的原理，它有高度的概括性，有助于學習的遷移。因此，要發(fā)展學生良好的科學認知結構，就必須要突出科學思想方法的教學，幫助學生建構思想方法層次上的科學觀念。例如，像觀察、實驗、調查這一類基本方法；像非邏輯思維（聯想、想象、直覺）、邏輯

18、思維（猜想、假設、類比、分析、綜合、抽象、概括、分類、歸納、演繹）、發(fā)散思維（逆向思維、側向思維、多向思維）這一類思維方法；以及像數學思想方法（方程的思想、函數的思想、極限的思想）、轉化思想（化陌生為熟悉的思想、化繁為簡的思想、特殊與一般的互化的思想、正難則反的思想、順推與逆推之結合的思想、動靜之轉化的思想）、分類討論思想和整體思想這一類高層次的思想方法。科學思想方法的教學可以結合在科學史及當代科學成果的教育中，通過科學史話及當代科學成果的展開托現科學思想方法；也可以結合在具體知識的教學中，如在歐姆定律的教學中結合控制變量方法的教學；還可以結合在學生的作業(yè)和練習中進行教學。4加強討論和交流討論

19、和交流教學活動的重要環(huán)節(jié)，教師應根據不同的教學目標、內容，創(chuàng)造各種條件和形式，開展學生之間的討論和交流。尤其是以合作小組形式展開討論和交流，使學生認識到小組成員在探究過程中各有所長，其知識和技能可以互補；培養(yǎng)了學生搜集證據、回答質疑的能力。例如，探究浮力大小與哪些因素有關？引入：給各組同樣規(guī)格的一張牛皮紙，要求折一只小船看誰的承載量大。小組討論：什么情況下承載量大？浮力大小可能與哪些因素有關？交流：列出最有可能影響浮力大小的因素。小組討論，設計實驗（各組選一個因素）；記錄現象和數據。交流與評價。總結：浮力大小與哪些因素有關。上述案例中如何有效地組織小組討論和全班交流是教學成功的關鍵，而有效地組

20、織小組討論交流的策略主要有：分組策略；成員分工策略；內容分割策略；組織交流策略；評價策略等。5強化合理的整體教學我們在前面已經指出，層次分明的觀念網絡結構是良好的科學認知結構的特征之一。因此，要發(fā)展學生良好的科學認知結構，教師就必須注意整體性教學。整體性教學有兩個方面的要求：（1）注意知識組塊的教學孤立的知識教學不可能建立起層次分明和聯系緊密的觀念系統(tǒng)。因此，新知識的教學不能孤立進行,應把新知識納入原有的觀念系統(tǒng)中進行整體考慮，使新知識與原有的相關知識相聯系，并把這些有聯系的知識點重新組織為一個大的知識組塊。這樣，既有利于知識的保持又有利于知識的檢索與應用。例如，學完初中自然科學的所有物質分類

21、的概念（如純凈物、混合物、化合物、等有23個之多的概念）后，如果不作進一步的組織加工，那么這些孤立的知識是難以保持和應用的，同時也往往會造成概念的沖突和混淆。但如果教師引導學生把這些概念放在一起進行觀察、比較、分析，最后概括為新的知識組塊，那么學生的科學認知結構就得到優(yōu)化。在知識的鞏固與應用中，集中且聯系各個知識點的組塊練習比分散、孤立的練習效果要好。例如下列的一組練習：在化學反應a23b22x中，x的化學式為_；在化學反應a23b22ab3中，現有24克a2與組兩b2反應生成48克ab3，則a與b的相對原子質量之比為_；在化學反應a23b22ab3中，6克b2與足量的a2反應后得到34克ab3，則化合物ab3中a、b兩種元素的質量比為_；在化學反應a23b22ab3中，2克a2與足量b2反應生成10克ab3，則a2與b2的式量之比為_；在化學反應a23b22ab3中，3克a2與足量b2反應生成7克ab3，若b2的式量為32，則ab3的式量為_。以上練習是在題中已知條件不變的情況下設計的，通過改變問題，不但使學生理解并鞏固質量守恒定律及其應用，并且使這部分的知識系統(tǒng)化，同時又與相對原子質量、式量、化學方程式等化學計算知識點聯系起來，提高了規(guī)律的應用功能。對學生來說，既提高了解題興趣，又鍛煉了思維的靈活性。（2）