知识结构及其在科学教学中的应用

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【摘要】本文介绍了知识结构的理论基础、掌握知识结构的重要意义,最后结合具体教学内容介绍了基于知识结构理论的科学教学策略。

【关键词】知识结构 理论基础 科学教学

在过去几十年中，科学教学反复强调学生应该理解概念，反对死记硬背。许多学校已经采取了多种教学方法促使学生成为一个高效的学习者。那么，如何促进学生进行有意义的学习，避免机械学习，结构性知识的理论能够对我们的教学有所启示。

一、知识结构的理论基础

1.图式理论

图式理论认为知识是储存在信息袋中的。有意义的信息以相互联系的事实或概念网络的形式储存在长时记忆中，这种网络即图式理论。个体由于经验的不同，对于相同的物体和事件拥有的图式也不完全相同。

我们怎样获得或改变图式，也就是我们怎样学习？图式理论最重要的原则是：如果新信息能够很恰当地嵌入到已有的图式中，则这种信息比无法嵌入的信息更容易理解、学习和保持。图式能够依据特殊任务的需要进行调整，以适合独特的知识领域或问题情境。调整可能涉及到对一个过程进行精练、补充参照物、或者调整图式到新的情境。当新的经验不能被现有的图式描述的时候，就需要重新建构图式。学习者开始重组自身的知识，增加图式，为现有的图式增加新的概念。而重组知识是学习活动中最重要的一点。

就科学学习而言，学习者不断地将新学习的知识联系到头脑中原有的知识图式之中，利用原有的图式对新知识进行组合，使其与原有图式发生联系，以便对新知识进行理解，把新知识与学习者原有图式进行联系的过程，就是学习者理解知识的过程。新知识一旦与学习者头脑中原有的知识联系起来，有意义学习就发生了，学习者理解了新的知识，包含新知识的图式更新了原有的图式。如果新的知识完全不能与原有的学习者头脑中的图式发生联系，那么学习者就要建立一个新知识的图式。

2.语义网络

图式理论的基本前提是人类记忆，是按照语义组织在一起的。图式是以相互联系的概念网络形式排列的。这些网络被称为语义网络。比较著名的语义网络模型有：层次网络模型（hierarchical network model），比如Novak提出的概念图（concept map）就是一个非常著名的层级语义网络模型；另一个著名的语义网络模型是激活扩散模型（spreading activation model），这一模型放弃了概念的层次结构，而以语义联系或语义相似性将概念组织起来。

上面提到的图式理论和语义网络实质都说明了人的记忆是有关知识相互联系的一个结构网络。

二、掌握知识结构的重要意义

语义网络描述知识结构。下面简短地阐述学习知识结构的重要意义。

1.结构是所有知识固有的

Mandler指出：“没有结构或组织，就没有意义可言”。没有结构，也就没有什么事情能被描述，心理结构也就不能形成。没有结构，抽象的知识更是无法描述。对一个领域理解得越深，结构一定是越抽象，抽象观念更加依赖于结构。

2.为了理解和回忆，知识结构是必须的

为了能够提取，我们很自然地把知觉到的事物组织成心理表象。在过去的一个世纪中，大量研究已经表明：与没有结构的多种观念相比，拥有某种结构的知识能够被更好地唤起；在观念之间有意义的关联越多，越容易唤起。这清晰地表明，知识结构促进唤起。在诸多观念间建立结构性联系对于理解新的观念是非常必要的。图式理论解释了个体是如何依据已有的经验图式，在新事物与原有图式间建立结构性的相互关系，个体以此建构新事物的意义。

3.学习者同化知识结构

学习包括建立新的知识结构，依靠建立新的节点，并使新的节点与原有的节点间产生相互的联系。如果在现有的知识和新的知识之间连接被形成，新的知识能被更好地整合和理解。图式理论表明：学习是学习者认知结构的重新组合。研究已经显示：在学习过程中，学习者的认知结构逐渐改变到与内容结构更相近。也就是说，与教学开始时相比，教学之后学习者的知识结构与教师的知识结构更相似。在学习过程中，学生获得了陈述性知识，同时获得了知识结构，发展了程序性知识。

4.记忆结构反映客观世界

“人类记忆是客观世界中存在的知识结构的一面镜子”。人们按照自身需要，习得了不同的知识，建立了不同领域的知识结构。"

5.知识结构是问题解决的基础

大量研究已经表明，知识结构在问题解决中是非常重要的。几个研究已经直接评估认知结构对问题解决的影响。Roberson应用出声思维来评估认知结构，他发现学习者知识结构的掌握程度强烈预示着他们解决问题的水平；他主张，学习者对基础知识中公式和重要概念间关系的掌握比能力更重要。Gordon & Gill研究表明：学习者对知识的图示（反映了潜在的认知结构）与 ☹教学者对知识的图示之间的相似程度能够高度预测学习者总的问题解决成绩。研究还支持，知识结构是程序性知识获得的中介。专业领域的问题解决依靠足够的专业知识结构。

6.专家的知识结构与新手不同

正如我们预料的那样，专家问题解决者的知识结构与新手不同，专家表征问题的方式与新手也不相同。对物理学专家和新手的研究表明，专家应用抽象的物理规则，而新手注意问题文字方面的特征。专家和新手问题解决者间的主要差异是，专家的知识包括丰富系列的模式索引的图式，来引导问题解释和解决。这些图式是专家在专业领域的结构性知识，专家形成了更精致的图式，并且把图式组块联系在一起。专家表征问题依据抽象原理，而新手依据问题的表面特征。

三、基于知识结构理论的初中科学教学策略

知识结构被看作是理解某门学科内容的重要组成部分，特别是科学课程。专家和成功学习者的知识结构呈现出相联系系列概念的精致的、高度整合的框架，这样的知识结构促进问题解决和其他的认知活动。 科学教学就是要通过各种教学活动，把专家的思维过程再现出来，引导学生像专家那样的思维，以形成专家似的知识结构，培养学生以联系的观念和方法学习科学知识，只有这样学生才能真正实现有意义的学习。

下面结合初中科学《物体的内能》一节课的教学谈谈具体实施策略。

1.利用先行组织者引导新课的教学

新课开始时，可以利用先行组织者，把这节课要学习的新知识与已经学习过的知识发生联系，以这种方式引入新知识。如在九年级讲解“物体的内能”一节课时，学生已经学习了机械能、动能和势能知识，上课首先引导学生思考：“自行车刹车时，原来的动能是消失了呢，还是转化成了其他的能？它称为什么能？”学生思考后回答出：动能转化为热能。教师说出今天要讲解的新内容——内能。教师再进一步联系上节课讲的单摆和滚摆，利用实物幻灯片投影展示出教师课前在白纸上画出的新旧知识联系的示意图，⌘展示给学生。

2.在♋讲解新课过程中利用知识结构图作为教学支架

接着教师与学 シ生一起回忆分子运动论的内容。然后教师利用计算机呈现分子在水中的扩散现象，说明是由于分子的无规则热运动而发生扩散现象，进一步引出：分子由于无规则热运动而具有的能量就是内能。然后利用幻灯片呈现出物体的内能跟物体温度直接相关的示意图形，让学生认真看示意图。

接下来教师定义热运动、内能，同时利用实物幻灯片投影展示出教师课前在白纸上画出的热运动、内能和温度关系知识结构图。教师做出新课知识的结构图，伴随着讲解，讲到哪里，就以幻灯片形式呈现该部分的知识结构，教师可采用手工在白纸上绘制，这样可以灵活地控制呈现知识结构图的部位。上课时，教师可以把概念的精确定义、原理等内容做成PPT课件，在电脑上呈现，教师伴随着讲解、提问学生、与学生互动讨论，相应地呈现电脑课件，用幻灯片实物展示知识间的关系，在电脑和实物幻灯机间做好切换。

3.下课时利用知识结构图做总结

讲解新课快下课时，利用知识结构图做好小结。这节课教师还准备了内能转化方式、做功和热传导的知识结构图。教师还可以利用相应的知识关系图初步引出下节课要讲的内容。

4.复习课充分利用知识结构图作为教学支架

复习课上知识点众多，最适宜利用知识结构图对知识进行梳理。教师事先做好所要复习内容范

围的知识结构图，复习到哪个内容就呈现相应的知识结构图。复习课知识结构图不一定按照课本的章节制作，可以按照有利于学生的思路逻辑、按照知识的内在关联重新组织。教师课前把知识结构图做好，可以提高上课的效率。

5.课下利用知识结构图作为学生预习、复习知识的工具

上新课之前，教师可以布置学生制作预习知识结构图；学习完某个章节后，可以布置学生制作复习知识结构图。根据建构主义理论，知识来源于学习者的主动建构。学生自己制作知识结构图，可以促进学生对知识的理解，做自我检查，使知识系统化、结构化，教师还能通过学生制作的知识结构图发现学生对知识的错误理解，进一步改进教学。

最后还应该指出，知识结构图的形式不是固定不变的，可以是表格式、线性图式、结构框图、概念图、左右排列的大括弧形式、上下排列的树状结构、环形分布图，不同的知识内容应该选择相适合的形式，只要能够清晰地、简洁地呈现知识，体现知识的内在联系、促进思维，就是好的知识结构图。以知识结构图引领教学，使学生形成相互联系地看待科学概念、科学原理，避免了孤立地、机械地背诵概念定义、记忆原理。结构性知识的形成必将提高学生分析解决科学问题的能力。

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