探索图式谈学习者理科实验图式建构设计

摘要： 基于心理学相关研究得知，理科实验中学习者形成的知识表征有静态表象、动态表象、情感体验、命题表征和产生式，它们分别组成学习者脑海中关于实验的物理空间、情感空间与认知空间，这三个空间进一步融合成具体实验的仿真器，成功的学习者基于若干个仿真器提取出理科实验的认知图式。此理论成功地解释了理科教育实践中的若干问题。
关键词：理科实验图式； 知识表象； 仿真器； 认知图式
1002-0845（2012）11-0040-04
自十九世纪后期英美等国率先开设中等学校理科课程以来，实验教学就成为中等学校理科课程的一个主要特征并有其重要意义。然而，已有研究却不断揭示出世界范围内理科实验教学不容乐观的现状，并发现它们受制于教育政策、教师、学生和实验教材等多方面的因素。此外，理科实验认知研究的匮乏阻碍了人们对实验教学理论的认识，同时影响到实践中实验教学的有效性，并引发师生对理科实验的普遍轻视。理科实验有怎样的认知建构历程，学习者在理科实验中建构的实验图式受哪些主要因素影响？本文借助于心理学的相关研究初步厘清理科实验图式的建构历程，为中学阶段的实验教学提供参考。

一、理科实验中学习者形成的知识表征形式

知识表征是在头脑中标志有关知识内容与结构的方式1682。人类的认知系统是极其复杂与灵活的，大脑中知识表征的形式也不是单一的，多元表征的观点更贴近人类的认知实情。知识表征的传统理论是命题符号理论（proposition symbol systems），该理论假设认知的基本构成材料是命题，若干个命题彼此联系组成命题网络。命题是思维活动的基本意义单位，命题表征是关于抽象的、无感觉通道的、特异性的和类语言的符号的内在表征方式，是对材料的意义表征831。在关于知识表征的各种观点中双编码理论强调表象在长时记忆中的重要性。表象是基于知觉在头脑内形成的感性形象73，根据表象的形式可以将其分为静态表象和动态表象。一定数量的静态表象配合以空间位置上的各种分布与组合来模拟问题的结构，而基于动态表象的表征则通过包含表象运动状态和形式在内的整个表象系统来模拟问题的结构[3]。此外，认知心理学中的产生式成功地解释了脑海中各种智力作业是怎样完成的。产生式是为解决某一问题或完成某一作业按一定层次联结组成的认知规则，是关于条件和行动的一种程序表征[4]116。命题表征、表象和产生式是大脑表征知识的基本形式。
表征最终以记忆的形式存储于长时记忆。图尔文（1972年）提出，长时记忆中的信息内容分为情景记忆（episodic memory）和语义记忆（semantic memory）。前者是个人亲身经历过的各种事情的记忆，存储个体在特定时间内经历的情景或事件以及与之相联系的各种时空关系信息；后者是对词语及其语义永久性知识的记忆和关于世界知识的记忆[4]943。显然，主体关于事件的情景记忆中包含自身内心感受、态度体验等情感方面的记忆，这表明，探讨知识表征还需要考虑主体的认知建构历程。第二代认知科学基于认知建构的具身性与情境性对知识表征给出新的解释。知觉符号理论（perceptual symbol systems）是第二代认知科学中的代表理论。该理论认为，认知的构成材料是知觉符号，知觉符号是以知觉为基础的神经表征，是对知觉引起的神经冲动的一次记录[5]。知觉符号理论强调认知过程中身体的体验性、关注认知时的情境和认可认知表征的发展与变动[6]。这一理论告诉我们，学习过程中主体的内心感受、态度体验等非认知因素也形成知觉符号，成为知识表征的一部分，我们以情感体验统称之。情感体验是个体对自己情感状态的意识，沙克特认为情感体验是认知因素、生理因素和刺激因素三个来源信息输入的整合，其中认知因素起决定作用[7]。情感体验的结果可形成各种性格特征如态度、价值观和意志品质等，这些结果也属于情感体验。情感体验与命题表征、表象和产生式共同表征知识。
基于以上知识表征的新旧观点，我们剖析学习者在理科实验中发生有意义学习所形成的知识表征形式。对于学习者而言，理科实验具有感知性和体验性的特征，还间接传达抽象层面的科学概念和科学理论等科学知识。面对实验中丰富的感性刺激，在选择性注意的引导下学习者形成大量知觉符号，不同感觉通道形成的知觉符号存储于大脑中的不同部位。这些知觉符号包括实验中静态可感知信息引发的静态表象和动态可感知信息引发的动态表象。前者如学习者对实验仪器、实验装置的静态表象表征，后者如学习者关于实验操作、变动的实验现象的动态表象表征。体验性的知觉符号记录学习者伴随在实验历程中的情感体验，包括其内心感受、态度体验以及有待形成的价值观和意志品质等。实验中所涉及到的科学概念和科学原理等抽象科学知识，学习者从意义层面形成命题表征，或者形成以产生式编码其认知规则。可以说，理科实验中学习者形成的知识表征形式有静态表象、动态表象、情感体验、命题表征和产生式。
我们借助中学化学课程中的蒸发结晶实验来分析以上知识表征形式。在实验中学习者形成的静态表象有对蒸发皿的触觉表象，对玻璃棒等具体仪器的视觉表象，对整个实验装置的综合视觉表象；形成的动态表象有关于晶体析出的视觉表象，对教师、同伴或自己实验操作行为的系列视觉表象；在整个实验过程中伴随学生的期待、好奇、疑虑、兴奋或实事求是的实验态度等情感体验。对实验中使用的概念如“液态”、“气态”、“浓度”和“沸点”等，学习者从长时记忆中提取对这些概念意义的命题表征来理解当前实验，同时，成功的学习者对“结晶”概念形成命题表征。学习者将蒸发结晶实验原理以“如果分离溶解度随温度变化不大的溶液系统中的溶质与溶剂，那么蒸发溶剂使溶液变为饱和，并继续蒸发溶剂，溶质就以晶体析出”这一产生式来编码。
按照图尔文对情景记忆的界定，我们可以从以上知识表征形式中区别出情景记忆的主要构成要素。静态表象、动态表象与情感体验有机融合成关于某实验事件的表征体系，这一表征体系代表了学习者对经历过的该实验事件的摘自：毕业论文范例www.618jyw.com
记忆，在长时记忆中存储为该实验的情景记忆。情景记忆包括主体对实验物理空间与自身情感空间的记录，其中情感体验记录主体在理科实验事件中内心感受和态度体验这一维度的心理历程。随着实验的进行，主体的内心感受、态度体验也发生变化，这些变化着的情感体验组成主体的情感空间，形成主体对某实验较为稳定的情感记忆。比如学生对爆炸和解剖这一类实验有着明显的情感记忆。实验装置组成理科实验的物理空间，相应的，学习者脑海中关于具体实验仪器的视觉表象和关于实验装置的综合表象等各种静态表象勾勒出与外界物理空间相似的静态内部空间。在实验过程中实验者在现实世界的实验装置中进行系列实验操作，产生相应实验现象，相应的，在大脑中关于实验操作和变动的实验现象对应的动态表象按照实验中真实的时间顺序和因果关系有机融合成对实验事件的表征系统。动态表象是在静态表象的基础上产生的，它们共同形成脑海中对真实实验事件的较为客观的记录，即建构成脑海中关于实验事件的物理空间。理科实验为学习者提供感知性和体验性的学习方式，无论学习者是否具备相关科学知识，他在亲历实验的过程中都会形成情景记忆。但是不同学习者在同一实验事件中建构起来的实验物理空间的清晰程度、细微程度乃至准确程度等方面存在差异，这受制于学习者的知识领域，也与学习者实验中的情感体验紧密相关。在理科实验中用到学习者已经拥有的科学概念和理论等抽象知识时，需要学习者从长时记忆中提取相关命题表征和产生式。借助于理科实验的有意义的学习，学习者也能够建构成新的命题表征和产生式存储于长时记忆中，以此完善认知结构。命题表征和产生式形成了学习者关于理科实验的认知空间，认知空间与学习者的学科知识紧密相关，代表学习者从学科领域视角对实验事件的解读。物理空间决定认知空间的存在，认知空间影响物理空间的精细程度，他们又都与情感空间紧密相关，三者相互联系、相互影响、相互激活及相互转换、相辅相成，共同组建成学习者脑海中对具体理科实验事件的表征系统。举例来说，在蒸发结晶化学实验中，学习者只要亲历化学实验则脑海中静态表象与动态表象就能共同形成关于蒸发结晶实验的物理空间，情感空间记录主体实验历程中的情感变化，物理空间和情感空间共同融合成情景记忆存储于长时记忆中。学习者的已有化学知识决定了学习者从化学科学视角对蒸发结晶实验的解读，学习者所形成的认知空间、情感空间、物理空间与认知空间共同表征学习者所亲历过的该化学实验。

二、理科实验图式的认知建构

在借助理科实验发生的有意义的学习中，学习者基于对科学知识的命题表征和产生式建构出对具体实验的认知空间，基于静态表象和动态表象建构出理科实验的物理空间，情感体验记录着学习者自身的情感空间，物理空间和情感空间共同形成主体长时记忆中关于该实验的情景记忆。认知空间、物理空间和情感空间共同形成学习者对具体理科实验的仿真器（我们标志为仿真器1）。类此，学习者还可以建构出仿真器2和仿真器3等。基于多个相关仿真器，学习者提取其共性建构关于该类实验的理科实验图式或框架，以此完成理科实验图式这一复杂认知结构的建构。这是我们基于对在理科实验中发生有意义学习这一前提下，学习者脑海中实验图式建构的理论假设（见图1）。
图1 中学理科实验图式的认知建构图
下面我们将对此图以及其中的具体概念加以解释，进一步阐述这一理论假设。

1.对仿真器的思考与界定

仿真器广泛用于军事领域，通过模拟战场状况实现技能训练和战术训练。在心理学研究中的仿真器往往是指学习者脑海中形成的与外界事件相似的认知系统。知觉符号理论认为，各种知觉符号依据与外在物体原型的相似性有序组合成对客体或事件的仿真器（simulators），并存储于长时记忆中。我们将仿真器界定为学习者脑海中关于具体理科实验的表征系统，这一表征系统包括学习者对所亲历实验事件的情景记忆以及从学科知识领域视角对这一事件的专业解读。完整的仿真器由认知空间、物理空间与情感空间融合而成。摘自：毕业论文提纲www.618jyw.com
认知空间更多地依赖于学习者的学科知识经验，物理空间更多地源自理科实验所提供的外界刺激信息，情感空间指的是该事件中学习者自身的情感体验。学习者建构的仿真器与被仿真的理科实验系统保持相似性，学习者对信息感知的细微程度决定了自身建构的仿真器与外界物理原型（理科实验）的相似程度，以命题表征、产生式存储于学习者脑海中的专业知识影响对感知信息的理解与判断，直接决定着学习者对理科实验认知空间的建构，也间接影响对物理空间的表征。学习者的情感体验影响学习者对外界信息的感知与对内部知识的提取，所以，情感空间直接影响认知空间与物理空间的建构，而后两者又反过来影响学习者的情感状态。仿真器是学习者建构的关于具体理科实验的情感空间、物理空间与认知空间的有机融合的表征系统。

2.对理科实验图式（或实验框架）的思考与界定

知觉符号理论认为，在仿真的过程中认知系统需要使用一个整合的知觉符号系统——框架（frames）来引导仿真器的建构。框架是人脑中表征知识的结构，在心理学中和图式具有相同的含义。明斯基对框架的特征做了进一步的描述，他认为框架包括框架名称、槽（slot）以及槽的值三部分。框架名称就是所表征事物的名称；槽表示事物的诸特征，槽的名称就是该特征的名称；槽的值是对特征的具体描述，可以是预设的，也可以是空的[8]。以中学化学中的过滤实验为例，框架（或图式）名称是“过滤实验”，槽有“实验装置特征”、“滤液特征”和“实验操作程序”等，“滤液特征”这一槽的值为“液体和不溶于该液体的固体”。图式对于仿真器的建构具有引导作用，我们假设图式是基于对多个具体仿真器的共性的提取建构起来的。比如，粗盐过滤、沉淀过滤和泥沙过滤等多次具体过滤实验中学习者基于对多个相关仿真器的加工提取出过滤实验的图式。图式作为一种知识结构用来表示某种固定的情境。当一个人碰到某种情境时就从记忆中选取相应的图式，并依据图式理解当前的情境，并做出某种预期或反应。“图式”和“仿真器”是一般与特殊的关系，前者体现后者的一般性，后者是前者的具体化。图1中以双向箭头代表它们之间的关系。所以在关于粗盐过滤的仿真器中有粗盐溶于水的知觉表征，而在过滤实验的图式中这一知觉表征对应的槽是“滤液特征”，其值为“液体和不溶于该液体的固体”。

3.解读理科实验图式的建构

图中椭圆形代表学习者建构的基本表征形式，它们相互融合进一步建构成复杂的表征系统（图中的方框）。邓铸提出，问题解决是问题表征状态不断变化的过程，表征态就是在特定问题情境中，内部知识经验和外部刺激信息相互作用而形成的问题表征的相对稳定态[9]。表征态的思想同样适于认知建构。上图中按照箭头从左向右的走向所形成的表征越来越复杂，方框中展示的相对稳定的表征即为各表征态。理科实验图式是相对复杂的、最高的表征态。但是，并非所有的学习者都能建构出完善的实验图式，学习者脑海中对理科实验的表征可以停留在图1 中的任意表征态中，所以个体长时记忆中关于实验的认知各不相同。与邓铸提出的表征态变化主要受知识经验影响的观点有所不同，我们基于图1分析发现，理科实验图式的建构不但受制于学习者学科知识形成的认知空间，而且与实验中学习者建构的物理空间、情感空间紧密相关。学习者亲历若干个具体实验建构多个仿真器，从中抽取出代表该类实验特征的若干个槽以及对各个槽的描述和限制值，并有效地建构成理科实验图式。图1展现了由3个仿真器建构的实验图式，笔者认为，仿真器的数目可以更多或者更少，它取决于有待建构的实验图式的复杂性，同时也与仿真器的质量等因素有关。

三、对实践中相关问题的解释

基于对理科实验图式认知建构历程的理论假设，我们尝试解释实践中与理科实验相关的若干问题，视为对该理论假设的初步检验。
当前理科教学中普遍存在将“做实验”改为“讲实验”，或“黑板实验”的做法，与真实的实验过程相比，这样的理科教学带来学习者认知结构中情景记忆的缺失，即关于实验的物理空间与情感空间的缺失。情感空间的缺失源于学习者并未真实经历随实验进展而变化的内心感受及态度体验等心理历程，这必然造成理科实验教学培养学习者情感态度价值观维度课程目标的失落。而情感态度价值观课程目标的达成是培养公民科学素养的重要保障之

一、所以“黑板实验”与“讲实验”的理科教学必然最终导致公民科学素养的缺失。

而物理空间的缺失会带来的问题是：在讲实验的理科教学中，学习者往往集中于对教师语言所传达的语义进行编码，这就将原本丰富的表征形式（静态表象、动态表象和产生式等）简化为单一的命题表征。表征方式的单一化直接导致学生学习兴趣的消失，同时，单一的表征并不符合人类认知的特点，这又引发学习负担的加重和学习效率的降低。在实践中，常见在“讲实验”的理科教学之后，学生面对实验操作步骤排序问题无从下手的问题，这就是源于学习者脑海中动态表象表征的缺失以及命题表征传达实验操作步骤的低效。当学生亲自做实验或认真观察教师演示实验后，脑海中存储了相关动态表象，那么实验操作步骤排序问题就相对容易了。此外，在学习者脑海中实验物理空间的缺失意味着学习者并未将静态表象与动态表象有机地融合起来，这源于学习者没有亲历实验操作与实验现象之间的因果关系与时间顺序关系，仅仅借助于命题表征来实现对这些关系的理解不但要付出更多的认知努力，而且学习效果也会大打折扣。这就不难理解为何在“黑板实验”与“讲实验”的教学后，学生往往在实验现象与实验操作之间的匹配问题上犯张冠李戴型错误了。与真实实验所提供的视觉刺激相比较，“黑板实验”的理科教学会带来学习者对具体仪器表象表征的模糊以及对实验装置综合表象建构的混乱，这源于黑板这一二维平面所提供信息的局限性以及语言描述的片面性。表象编码的模糊、混乱乃至缺失必然导致相关实验中的错误。在理科实验问题解决中，学生常犯以下错误：不能给出某些物质的典型特征（如化学物质的颜色和状态等），错误描述实验现象（如生物中菲林试剂检验还原性糖的实验现象等），不能将仪器名称与仪器本身相联系，不能区分长颈漏斗、分液漏斗等相似仪器，不能有序组装已经学习过的实验装置，等等，这些行为都与学习者脑海中没有建构起清晰和有序的表象有关。
理科实验图式认知建构历程对实验问题解决心理机制提出新的尝试。我们可以将学习者面对的理科实验问题分为两大类：亲历过的理科实验的相关问题与陌生理科实验的相关问题。面对亲历过的实验，学习者脑海中存储的关于此实验的认知空间、物理空间与情感空间建构起的仿真器，仿真器的质量直接影响问题解决的速度与正确性，而仿真器的存在通常也降低了该类问题的难度。面对陌生的理科实验，学习者有选择地接受外部刺激（实验装置图和文字描述等），借助已有的实验图式形成对当前信息的预期，这种预期将指导学习者进一步感知具体信息并填入实验图式中的各个槽，实验图式可以弥补和完善部分槽值，帮助主体完成对问题的表征和问题空间的建构，并以此来解决问题。相比较而言，陌生实验问题解决需要学习者脑海中储备相关实验图式。可见，学习者只有建构起实验图式，才能灵活解决各种变式实验问题，才能体现出思维的创造性和灵活性。
理科实验图式认知建构历程的理论假设同时能够解释在理科实验学习中，学习者之间存在的广泛差异。人们通常认为，个体的学科知识影响其对具体实验的理解与操作，但是这种影响如何发生却没有被细致描述过。笔者认为，基于理科实验图式认知建构历程，理科实验学习中个体之间的各种差异源自个体在实验中建构起的各不相同的认知空间、物理空间与情感空间，三个空间的任何差异都将造成学习结果的不同。同时，由于三个空间的相互制约以及彼此独立，也带来实践中学生实验心理（情感空间）、理科成绩（主要受认知空间影响）、观察能力（影响物理空间建构）之间的彼此相关性与相互独立性。
总之，基于认知科学的已有研究成果澄清了理科实验中学习者所形成的知识表征形式，并尝试解释了理科实验图式的构摘自：毕业论文结论范文www.618jyw.com
成及其建构历程。理科实验图式认知建构的这一理论假设能够比较合理地解释当前实践中与理科实验教学和实验学习相关的一些问题。
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〔责任编辑：赵 滨〕