初中科学学习认知模型的内涵、价值和实践

摘    要：认知模型是一种科学方法的集合，常常充当科学现象和科学知识之间的纽带。教师可结合心理学对认知的界定和相关研究，聚焦认知的理论原点探究认知模型的内涵，将其分为“知识结构”和“方法过程”两种类型，然后厘清认知模型在科学学习中的价值，即具有“结构化知识”“方法引导和促进思维发展”“学习监视、调节和评价”等功能。具体教学中，教师需要明确这两种认知模型下还有众多形式各异的子模型，从建构、存储、应用三个角度出发，对诸如“知识建构类：归纳—类比—演绎模型”“知识存储类：知识结构化模型”“知识应用类：问题解决模型”等典型子模型进行模型建构和应用。

关键词：认知模型；知识结构；方法过程；初中科学

初中科学教育的目标是让学生在科学知识的习得中培养思维、发展能力、形成素养。但传统教学囿于对科学知识的机械授受，使学生在长期被动灌输之下，逐步丧失了对科学知识主动建构的意识和应用的能力。而一切学习，本质上都是认知的，故认知模型常常充当了科学现象和科学知识之间的纽带。从科学方法论的视角来看，认知模型可以被认为是一种科学方法的集合。因此，探讨认知模型的内涵、价值及其在科学教学中的应用，可以帮助教师准确把握学生学习过程中的思维机制，为促进学生思维发展、能力提升提供理论支撑和实践指引。

一、认知模型的内涵

要理解认知模型，我们首先需要了解何谓认知。就心理学的视角而言，认知是学习者获取知识并对其应用的过程，它是人类最基本的信息加工方式。它主要包含感知觉、记忆、思维、想象和语言等主要形式［1］。而认知模型就是学习者获取知识、应用知识的过程模型。科学学习认知模型作为认知模型下的一个子概念，其主要是指用于帮助学生进行科学知识获取、组织和应用的一种结构化思维模式，在学生“分析问题、解决问题”等方面提供策略性指导和方法论支持［2］。如在科学探究类的教学中，教师常常利用“提出问题，建立假设—设计方案，获取证据—处理数据，得出结论—检验评价，交流分享”的探究流程来引导学生开展科学探究活动。该流程给出了关键环节和探究顺序，对学生的探究学习起到了方法指引的作用，由此可将类似于这一流程的思维模式看作是一种提供方法引导的认知模型。

当然，就认知模型的分型来看，当前理论界还未有一个明确的标准，故有必要对其作出进一步的分析。这是因为，只有将“是什么”的问题搞清楚了，才能为后续教学实践的开展提供理论指引。因此，笔者将视线重新聚焦于认知的理论原点，对认知模型的分型进行探究。由于认知能力主要包括静态的内容结构（知识和经验）以及动态的信息加工过程（思维），笔者结合初中科学教学实际，将认知模型分为静态的知识结构认知模型和动态的方法过程认知模型两大类。知识结构认知模型源于知识间的内在逻辑，指对具有一定内在逻辑关系的知识进行组织后形成的具有系统性和结构性的知识结构框架，如酸碱盐知识结构图等。方法过程认知模型则源于对知识的建构和问题的解决，指在既有知识和经验的基础上，将一定的方法和策略作用于一定的任务问题时所形成的一整套流程，如物质的分离和提纯流程、气体制备和净化流程、物质推断流程等。

二、认知模型的价值

要对科学学习中的典型认知模型进行梳理，需要先对其在科学学习中所体现出来的价值进行厘清。具体来看，其价值主要反映在以下三个方面。

一是认知模型具有结构化知识的功能。知识的结构化是指学生按照知识间的逻辑关系，对一众知识进行结构化组织和系统性呈现的过程。从某种意义上来说，学生能否对知识进行有效组织和结构化决定了其对学科的理解深度［3］。如在用图的形式对“酸”的知识进行结构化描述时：绩优生不但能从多个维度对“酸”的知识进行总结，而且能将多个知识组块进行有序的逻辑关联；学困生则不能准确呈现“酸”的完整知识结构，或者呈现的知识组块间表现出彼此孤立和零散的状态。由此可见，知识结构化水平的高低常常决定了学习品质的优劣。一个头脑中装着优质知识结构的学生，能更好地实现对知识的记忆、选择、提取、应用、迁移和创新。

二是认知模型具有方法引导和促进思维发展的功能。就方法论的层面而言，认知模型犹如一幅认识和解决科学问题的思维导图，为学生创设了一个认知进阶和思维发展的支持性结构。这一结构还能为学生的深度思考进一步提供线索和方向。例如，在“气体制备”的教学中，教师往往会利用如图1所示的流程来引导学生分析和解决气体制备中的相关问题。

在这里，图1就是一个简单的方法过程认知模型。它只给学生点出了气体制备过程中思考的方向和需要注意的关键，而未传达更多的内容细节。这其实也是认知模型的一大特征，即凸显方法在知识形成、能力发展中的核心作用，让学生通过对认知模型的使用，将方法和知识输入整合，以此来促进素养的发展。邢红军的研究也表明，在中小学生对科学知识的学习中，通过科学方法这一中介变量来联结科学知识和科学思维，是促进学生思维发展的一条重要路径，即科学知识—科学方法—科学思维［4］。

三是认知模型具有学习监视、调节和评价的功能。认知模型包含认知视角、认知思路、解决方法等成分，这些都为学生实现对学习的自我监控提供了可能。可以这样理解，学生通过对认知模型的建构和应用，将外显的科学方法转化为内在的元认知，进而实现对自身学习过程和行为的监视、调节和评价。如对“氧气制备”这一实验，学生可以根据相关认知框架，从“选择何种实验仪器”和“如何进行实验操作”两个维度来进行实验。而随着实验的推进，学生还可以随时根据“仪器选择是否准确”“仪器组装是否合理”“实验操作是否规范”“实验过程是否安全”等维度，对实验的每一个环节进行适时的评价和反思，并根据反馈情况及时对实验行为作出调整和改进。

三、几种典型的认知模型及其教学实践

如前所述，认知模型主要分为“知识结构”和“方法过程”两种类型，且每一类型下还有众多形式各异的子模型，那我们如何从中选取最具代表性的认知子模型来进行研究呢？众所周知，知识的学习总是要经历建构、存储、应用三个阶段，而认知模型必定要全程参与和指导知识的生产和实践。因此，笔者将从以上三个角度出发，进一步探讨初中科学教学中三种典型的认知子模型，即“知识建构类：归纳—类比—演绎模型”“知识存储类：知识结构化模型”“知识应用类：问题解决模型”。其中，“知识存储类：知识结构化模型”属于知识结构认知模型，另二者属于方法过程认知模型。

（一）知识建构中的认知模型

1.模型建构

纵观科学发展的历史，不难发现，科学理论的形成都源于人类对自然现象的观察，然后经历实验、数据收集和分析，最后通过逻辑推理，逐步建构起能解释和预测客观自然的科学理论。显然，逻辑推理在科学理论最终的成形阶段发挥了临门一脚的关键作用。这也是笔者将逻辑推理作为主要研究对象的原因之一。而逻辑推理又可分为三种类型，即归纳推理、类比推理和演绎推理（其汇总如表1所示）。

以上三种推理类型在科学知识形成中所体现出来的作用是不同的，归纳推理适用于从众多事实中提炼化学规律，类比推理适用于在新情境下作出科学合情推断和建立假设，而演绎推理更适用于严密的逻辑推导和论证。所以，这三种推理在实际应用中是互补的，归纳推理和类比推理常用来产生新的科学理论和科学假说，而演绎推理则用来验证科学理论。基于此，笔者在借鉴既有成果［5］的基础上，最终建构了集三种推理形式于一体的“归纳—类比—演绎”认知模型（如图2所示）。

这里需要指出的是，该模型虽代表了科学研究和学习中的主要认知路径，但考虑到科学知识本身的复杂性以及思维的多变性，它不可能将所有的认知模式穷尽。如科学假说可以由归纳、类比来产生，但有时也可以经由想象、直觉、灵感等方式来形成。牛顿受下落苹果的启发，突然想到使重物下落的力和天体运动的力是同一个力［6］，便是直觉形成科学假说的经典案例。

2.实践案例

接下来，笔者以杭州市丁信中学斯莉莎执教的“表示元素的符号——元素周期表”一课（已取得斯莉莎老师授权）的片段为例，来阐述“归纳—演绎”认知模型在化学相关知识学习中的应用。

【环节1】基于归纳认知模型编写元素周期表

［教师活动］给每组学生发放一套含有相对原子量、化学性质、中文名称和元素符号的卡牌，并让学生根据自己设定的一个标准，对卡牌进行有序排列。

［学生活动］有的小组根据化学性质进行排列，有的小组根据原子序数进行排列。

师：有办法来兼顾两种排列吗？（即实现元素排列的“序类统整”）

（学生集体沉默，不知如何回答）

［教师活动］引导学生观看黑板上的两种排列，并再次追问学生有什么想法。

［学生活动］受到两种排列方式的启发，学生开始有意识地从“横”“纵”两个方向对元素进行重新排列，并在教师的引导下最终完成对元素周期表的建构。

【环节2】基于演绎认知模型预测新元素

［教师活动］呈现科学史：“当年门捷列夫建立元素周期表后，有好多元素并未被发现，故都空在了那里。其中铝下面就有一个空格，他认为这里应该有一种跟铝化学性质相似的新元素，他称之为‘类铝’元素。”然后，让学生猜测“类铝”会有哪些化学性质。

［学生活动］根据铝元素的卡片推测“类铝”的相关化学性质。

［教师活动］将后来被化学家找到的金属“类铝”元素镓带到课堂上，让学生设计实验验证其化学性质是否与其预测相吻合。

［学生活动］小组合作设计并进行实验，验证其预测。

教学评析：上述教学遵循元素周期表的发展历史，并按照归纳和演绎的认知路径进行了设计（如图3所示）。环节1的设计，旨在让学生通过对元素的反复比较和排列，发展从个性中提炼共性、从特殊中发现普遍的归纳能力。环节2的设计，则能让学生在演绎推理中感受元素周期表的科学和精妙，并体悟到归纳和演绎在科学知识形成过程中的重要价值。

（二）知识存储中的认知模型

1.模型建构

认知心理学理论认为，人们更易接受以文字和图示双通道所呈现的信息。图示优势效应也支持这一论点，即较之于以文字呈现的信息，以图示承载的信息更易于被人接受［7］。而图像组织工具——概念图便是双通道理论在实践中的一种典型表现形式。由于兼具图文的双重表征，并具有知识高度结构化的特征，因此，它可以更为有效地帮助学生利用多样性的认知通道来记忆和存储信息［8］。同时，建构主义理论认为，通过同伴教学或自我发声解释的形式，更有助于学生对知识的自主建构和内化［9］。据此，笔者建构了如图4所示的“知识结构认知模型”建构—提取路径。

它主要由三个环节构成：先确定待组织知识，明确有哪几种知识结构化的方法可供选择；再根据不同的知识类型，选择合适的知识结构化框架；最后让学生将结构化后的知识框架说给同伴或自己听，以使其内化存储便于提取。此外，图4中所包含的5种图形只是知识结构化的几种典型代表，在教学中，教师还可根据实际情况采用其他结构化图形，如鱼骨图、时间轴图、韦恩图、树状图等，促进学生对知识的深度加工，并推动其更加高效地存储和提取知识组块。

2.实践案例

接下来，笔者以酸碱知识的学习为例，对知识结构认知模型的建构作简要阐述。

【环节1】待结构化知识的分析

酸和碱化学性质的学习是初中科学学习的重要组成部分。一方面，就学习维度的视角来看，不管是学习酸还是学习碱，都要从定义、化学性质、典型代表物质等角度对其进行讨论。另一方面，从知识认知的逻辑出发，它也很好地反映了结构决定性质的科学观念。由于酸和碱在微粒构成上的不同，致使二者呈现出截然不同的化学性质。如：酸可以使紫色石蕊溶液变红，可溶性碱可以使紫色石蕊溶液变蓝；酸能和某些金属氧化物发生反应，可溶性碱能和某些非金属氧化物发生反应；酸能和盐（如碳酸盐）发生反应，可溶性碱能和某些可溶性盐发生反应。上述学习维度和知识认知上的相异性，使得对酸碱知识进行比较建构，成为一种促进知识存储、内化和提取的有效学习方法。

【环节2】知识结构化认知模型的选取

在环节1对知识进行分析的基础上，笔者引导学生选取“双气泡图知识认知模型”作为对酸碱知识进行比较学习的建构载体和框架。