知識結構及其在科學教學中的應用

【摘要】本文介紹了知識結構的理論基礎、掌握知識結構的重要意義，最后結合具體教學內容介紹了基于知識結構理論的科學教學策略。

【關鍵詞】知識結構 理論基礎 科學教學

在過去幾十年中，科學教學反復強調學生應該理解概念，反對死記硬背。許多學校已經采取了多種教學方法促使學生成為一個高效的學習者。那么，如何促進學生進行有意義的學習，避免機械學習，結構性知識的理論能夠對我們的教學有所啟示。

一、知識結構的理論基礎

1.圖式理論

圖式理論認為知識是儲存在信息袋中的。有意義的信息以相互聯系的事實或概念網絡的形式儲存在長時記憶中，這種網絡即圖式理論。個體由于經驗的不同，對于相同的物體和事件擁有的圖式也不完全相同。

我們怎樣獲得或改變圖式，也就是我們怎樣學習？圖式理論最重要的原則是：如果新信息能夠很恰當地嵌入到已有的圖式中，則這種信息比無法嵌入的信息更容易理解、學習和保持。圖式能夠依據特殊任務的需要進行調整，以適合獨特的知識領域或問題情境。調整可能涉及到對一個過程進行精練、補充參照物、或者調整圖式到新的情境。當新的經驗不能被現有的圖式描述的時候，就需要重新建構圖式。學習者開始重組自身的知識，增加圖式，為現有的圖式增加新的概念。而重組知識是學習活動中最重要的一點。

就科學學習而言，學習者不斷地將新學習的知識聯系到頭腦中原有的知識圖式之中，利用原有的圖式對新知識進行組合，使其與原有圖式發生聯系，以便對新知識進行理解，把新知識與學習者原有圖式進行聯系的過程，就是學習者理解知識的過程。新知識一旦與學習者頭腦中原有的知識聯系起來，有意義學習就發生了，學習者理解了新的知識，包含新知識的圖式更新了原有的圖式。如果新的知識完全不能與原有的學習者頭腦中的圖式發生聯系，那么學習者就要建立一個新知識的圖式。

2.語義網絡

圖式理論的基本前提是人類記憶，是按照語義組織在一起的。圖式是以相互聯系的概念網絡形式排列的。這些網絡被稱為語義網絡。比較著名的語義網絡模型有：層次網絡模型（hierarchical network model），比如Novak提出的概念圖（concept map）就是一個非常著名的層級語義網絡模型；另一個著名的語義網絡模型是激活擴散模型（spreading activation model），這一模型放棄了概念的層次結構，而以語義聯系或語義相似性將概念組織起來。

上面提到的圖式理論和語義網絡實質都說明了人的記憶是有關知識相互聯系的一個結構網絡。

二、掌握知識結構的重要意義

語義網絡描述知識結構。下面簡短地闡述學習知識結構的重要意義。

1.結構是所有知識固有的

Mandler指出：“沒有結構或組織，就沒有意義可言”。沒有結構，也就沒有什么事情能被描述，心理結構也就不能形成。沒有結構，抽象的知識更是無法描述。對一個領域理解得越深，結構一定是越抽象，抽象觀念更加依賴于結構。

2.為了理解和回憶，知識結構是必須的

為了能夠提取，我們很自然地把知覺到的事物組織成心理表象。在過去的一個世紀中，大量研究已經表明：與沒有結構的多種觀念相比，擁有某種結構的知識能夠被更好地喚起；在觀念之間有意義的關聯越多，越容易喚起。這清晰地表明，知識結構促進喚起。在諸多觀念間建立結構性聯系對于理解新的觀念是非常必要的。圖式理論解釋了個體是如何依據已有的經驗圖式，在新事物與原有圖式間建立結構性的相互關系，個體以此建構新事物的意義。

3.學習者同化知識結構

學習包括建立新的知識結構，依靠建立新的節點，并使新的節點與原有的節點間產生相互的聯系。如果在現有的知識和新的知識之間連接被形成，新的知識能被更好地整合和理解。圖式理論表明：學習是學習者認知結構的重新組合。研究已經顯示：在學習過程中，學習者的認知結構逐漸改變到與內容結構更相近。也就是說，與教學開始時相比，教學之后學習者的知識結構與教師的知識結構更相似。在學習過程中，學生獲得了陳述性知識，同時獲得了知識結構，發展了程序性知識。

4.記憶結構反映客觀世界

“人類記憶是客觀世界中存在的知識結構的一面鏡子”。人們按照自身需要，習得了不同的知識，建立了不同領域的知識結構。

5.知識結構是問題解決的基礎

大量研究已經表明，知識結構在問題解決中是非常重要的。幾個研究已經直接評估認知結構對問題解決的影響。Roberson應用出聲思維來評估認知結構，他發現學習者知識結構的掌握程度強烈預示著他們解決問題的水平；他主張，學習者對基礎知識中公式和重要概念間關系的掌握比能力更重要。Gordon Gill研究表明：學習者對知識的圖示（反映了潛在的認知結構）與教學者對知識的圖示之間的相似程度能夠高度預測學習者總的問題解決成績。研究還支持，知識結構是程序性知識獲得的中介。專業領域的問題解決依靠足夠的專業知識結構。

6.專家的知識結構與新手不同

正如我們預料的那樣，專家問題解決者的知識結構與新手不同，專家表征問題的方式與新手也不相同。對物理學專家和新手的研究表明，專家應用抽象的物理規則，而新手注意問題文字方面的特征。專家和新手問題解決者間的主要差異是，專家的知識包括豐富系列的模式索引的圖式，來引導問題解釋和解決。這些圖式是專家在專業領域的結構性知識，專家形成了更精致的圖式，并且把圖式組塊聯系在一起。專家表征問題依據抽象原理，而新手依據問題的表面特征。

三、基于知識結構理論的初中科學教學策略

知識結構被看作是理解某門學科內容的重要組成部分，特別是科學課程。專家和成功學習者的知識結構呈現出相聯系系列概念的精致的、高度整合的框架，這樣的知識結構促進問題解決和其他的認知活動。 科學教學就是要通過各種教學活動，把專家的思維過程再現出來，引導學生像專家那樣的思維，以形成專家似的知識結構，培養學生以聯系的觀念和方法學習科學知識，只有這樣學生才能真正實現有意義的學習。

下面結合初中科學《物體的內能》一節課的教學談談具體實施策略。

1.利用先行組織者引導新課的教學

新課開始時，可以利用先行組織者，把這節課要學習的新知識與已經學習過的知識發生聯系，以這種方式引入新知識。如在九年級講解“物體的內能”一節課時，學生已經學習了機械能、動能和勢能知識，上課首先引導學生思考：“自行車剎車時，原來的動能是消失了呢，還是轉化成了其他的能？它稱為什么能？”學生思考后回答出：動能轉化為熱能。教師說出今天要講解的新內容——內能。教師再進一步聯系上節課講的單擺和滾擺，利用實物幻燈片投影展示出教師課前在白紙上畫出的新舊知識聯系的示意圖，展示給學生。

2.在講解新課過程中利用知識結構圖作為教學支架

接著教師與學生一起回憶分子運動論的內容。然后教師利用計算機呈現分子在水中的擴散現象，說明是由于分子的無規則熱運動而發生擴散現象，進一步引出：分子由于無規則熱運動而具有的能量就是內能。然后利用幻燈片呈現出物體的內能跟物體溫度直接相關的示意圖形，讓學生認真看示意圖。

接下來教師定義熱運動、內能，同時利用實物幻燈片投影展示出教師課前在白紙上畫出的熱運動、內能和溫度關系知識結構圖。教師做出新課知識的結構圖，伴隨著講解，講到哪里，就以幻燈片形式呈現該部分的知識結構，教師可采用手工在白紙上繪制，這樣可以靈活地控制呈現知識結構圖的部位。上課時，教師可以把概念的精確定義、原理等內容做成PPT課件，在電腦上呈現，教師伴隨著講解、提問學生、與學生互動討論，相應地呈現電腦課件，用幻燈片實物展示知識間的關系，在電腦和實物幻燈機間做好切換。

3.下課時利用知識結構圖做總結

講解新課快下課時，利用知識結構圖做好小結。這節課教師還準備了內能轉化方式、做功和熱傳導的知識結構圖。教師還可以利用相應的知識關系圖初步引出下節課要講的內容。

4.復習課充分利用知識結構圖作為教學支架

復習課上知識點眾多，最適宜利用知識結構圖對知識進行梳理。教師事先做好所要復習內容范

圍的知識結構圖，復習到哪個內容就呈現相應的知識結構圖。復習課知識結構圖不一定按照課本的章節制作，可以按照有利于學生的思路邏輯、按照知識的內在關聯重新組織。教師課前把知識結構圖做好，可以提高上課的效率。

5.課下利用知識結構圖作為學生預習、復習知識的工具

上新課之前，教師可以布置學生制作預習知識結構圖；學習完某個章節后，可以布置學生制作復習知識結構圖。根據建構主義理論，知識來源于學習者的主動建構。學生自己制作知識結構圖，可以促進學生對知識的理解，做自我檢查，使知識系統化、結構化，教師還能通過學生制作的知識結構圖發現學生對知識的錯誤理解，進一步改進教學。

最后還應該指出，知識結構圖的形式不是固定不變的，可以是表格式、線性圖式、結構框圖、概念圖、左右排列的大括弧形式、上下排列的樹狀結構、環形分布圖，不同的知識內容應該選擇相適合的形式，只要能夠清晰地、簡潔地呈現知識，體現知識的內在聯系、促進思維，就是好的知識結構圖。以知識結構圖引領教學，使學生形成相互聯系地看待科學概念、科學原理，避免了孤立地、機械地背誦概念定義、記憶原理。結構性知識的形成必將提高學生分析解決科學問題的能力。

參考文獻:

[1] Slavin， R.E. ．Educational psychology．7th Edition. Pearson Education， Inc. 2003: 147．

[2] Novak， J.D．Concept mapping．A useful tool for science education．Journal of Research in Science Teaching．1990; 27(9): 937-949．

[3] Shavelson，R.J．Some aspects of the correspondence between content structure and cognitive structure in physics instruction．Journal of Educational Psychology．1972， 63: 225-234．

[4] Robertson，W.C．Detection of cognitive structure with protocol data: Predicting performance on physics transfer problems． Cognitive Science．1990， 14: 253-280．

[5] 朱清時．義務教育課程標準實驗教科書[M]．科學（九年級上），杭州：浙江教育出版社，2006（第2版）：90-97．

(作者單位：浙江蘭溪市實驗中學)