生物学教学中促进学生认知结构形成途径刍议

羊垂功

摘 要 对生物学教学中促进学生认知结构形成的心理机制和途径进行探讨。

关键词 生物学教学 认知结构 教学途径

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

认知结构是指学科知识结构通过个体的内化在头脑中所形成的全部知识或观念的内容和组织。认知心理学研究表明，有时学生头脑中即使具备解决某个问题所需的全部知识，也不能保证问题得到解决，这是因为学生头脑中存储的知识表征不当，致使应用时无法提取。以上问题出现的重要原因之一是教师在教学中未能把握生物学科知识内在的逻辑关联，未能帮助学生构建起良好组织的认知结构。

1 认知结构形成的心理机制

认知结构的形成包括图式、同化、顺应和平衡等4个基本要素。图式是个体经过组织而形成的思维以及行为的方式，以帮助人们适应环境中新的刺激。个体的认知发展就是利用原有图式，通过同化和顺应日益复杂的环境，达到平衡的过程。通过同化，学习者的认知结构得到了丰富；通过顺应，认知结构得到了改造。而具有自我调节作用的平衡化过程在认知发展中起到关键作用——当个体已有的认知结构能同化环境中新的信息时，则其心理上处于暂时的平衡状态；但如果个体已有的认知结构不能同化环境中新的信息时，则其心理上处于失衡的状态，这种失衡会使个体产生一种自我调节的内驱力，推动个体调整或者建构新认知结构，直到能同化环境中新的信息为止。此时，个体的认知结构得到发展，智慧水平得到提高。

2 促进学生认知结构形成的教学途径

2.1 创设问题情境，促使学生产生认知需要

认知需要是人类的需要动机之一，泛指个体对事物的追寻、认知、了解的内在动力，如求知欲、好奇心等。人本主义心理学家马斯洛的需要模式中，有一个心理需要或成长需要的高级层次，指个体在基本需要满足后产生的认知需要，即人具有解决疑难和理解问题的欲望，探索各种事物的需求。在生物学教学过程中，教师可通过创设问题情境，激发学生解决问题的愿望，促使学生产生认知需要。

例如在“DNA是主要遗传物质”一节教学中，教师可通过创设以下螺旋式问题情境，促使学生在解决每一个问题的过程中，自然而然地产生认知需要：

① 在格里菲斯肺炎双球菌转化实验中，第一组实验与第二组实验相互对照，可得出什么实验结论？（老鼠是否死亡与其体内是否存在毒性S型细菌密切相关）

② 依据第一、二组实验结论，通过比较第三、四组实验结果，第四组老鼠死亡的原因是什么？（第四组老鼠死亡说明其体内存在着毒性S型细菌，其原因只能是R型细菌中存在某种转化因子，且该种转化因子能将无毒性的R型转化为有毒性的S型细菌，只有这样才会出现毒性S型细菌“死而复生”的现象）

③ 要确定肺炎双球菌中的“转化因子”是何种物质，实验中关键的设计思路是什么？（设法将肺炎双球菌各种组成成分分离开来，再分别与R型细菌混合培养，观察哪一种组成成分可以将无毒性的R型细菌转化为有毒性的S型细菌）

④ 艾弗里实验中提取的DNA，纯度最高时，也还有0.02%的蛋白质，如何解决人工难以将DNA与蛋白质彻底分离的问题？（寻找DNA与蛋白质外壳能在自然状态下自我分离的实验材料）

⑤ 如何利用噬菌体侵染特性，将其蛋白质外壳、DNA分别做上标记？（用含有32P、35S的培养基分别培养大肠杆菌，使大肠杆菌分别做上32P、35S标记，再用做上32P、35S标记的大肠杆菌分别培养噬菌体）

⑥ 实验出现什么现象，即可证明DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质？（32P标记一组的子代噬菌体像亲代一样出现放射性，而35S标记一组的噬菌体其子代不出现放射性）

2.2 激活已有认知，激发学生产生认知冲突

认知冲突指认知发展过程中，原有概念或认知结构与现实情境不相符时，在心理上所产生的矛盾或冲突。当个体不能用头脑中已有的知识解释一个新问题或发现新知识与头脑中已有知识相悖时，就会产生认知冲突。在认知发展过程中，认知冲突起到了关键性作用，引发认知冲突是促使学生实现知识建构的契机和动力。在生物学教学中，教师要注意引起学生心理的失衡状态，从而激发认知冲突。

例如在能量流动计算（食物比例调整类型）教学中，教师可以展示以下问题：若图1食物网中C的能量不变，将B的食物比例由C∶E=1∶1调整为2∶1，能量传递效率按10%计算，该生态系统传递给B的能量是原来的多少倍。在学生计算后，教师将学生的不同算法进行展示，其中有“逆着算”和“顺着算”的算法。“逆着算”是即B的食物比例为1∶1时，设B中的能量为X，则需要C的能量为（1/2X）/0.1+（1/2X）/（0.1×0.1）=55X；B的食物比例为2∶1时，设B中的能量为Y，则需要C的能量为（2/3Y）/0.1+（1/3Y）/（0.1×0.1）=40Y；依据题意C中的能量不变，所以55X=40Y，Y/X=55/40=1.375。“顺着算”是B的食物比例为1∶1时，设C中的能量为W，则B获得的能量为1/2W×0.1+1/2W×0.1×0.1=5.5×10-2W；B的食物比例为2∶1时，C中的能量依然为W，这时B获得的能量为2/3W×0.1+1/3W×0.1×0.1=7×10-2W，所以，后来是原来的7×10-2W/5.5×10-2W=1.272倍。这两种算法的结果不同。

这时，教师再抓住该契机进一步追问：既然两种算法“都有道理”，那么“顺着算”为什么与“逆着算”的结果不同？“顺着算”的漏洞到底出现在什么地方？以引发学生的认知冲突。

再如，学生学完“基因指导蛋白质的合成”中的“转录和翻译”过程后，教师可以追问：既然转录是以DNA的一条链作为模板，那么，翻译时个体为什么仅表现出“某一”形状，而不是“一半”性状？这样可以引发学生的认知冲突。

值得指出的是，任何一个新知的出现总是和已有知识发生联系，新知不是被已有认知结构所吸收（同化），就是引起已有认知结构的改造（顺应），以产生新的认知结构。学生的认知结构就是在同化和顺应机制的交互作用下逐步形成的。这一形成过程不是自发的，必须在教学活动中通过新旧知识的相互作用，通过对已有认知结构的组织和再组织才能实现。

2.3 进行联系整合，促使学生原有认知结构完善优化

生物认知结构是一个不断发展变化的动态结构，其建立要经历一个逐步发展的过程。生物知识虽然纷繁复杂，但有其内在的联系。揭示生物知识间的内在联系和本质规律是生物知识结构化的关键所在，不仅有助于学生整合知识、形成良好的认知结构，而且有助于依据规律解决问题、发展思维。学习初期，学生通过已有认知结构和新知识的相互作用，形成生物认知结构的雏形，随着学习的不断深入，认知结构在横向逐步变广、纵向逐步加深，并且纵横贯通。与此同时，随着新知识的同化，学生已有的认知结构会因为新知识的纳入，而发生—定的调整和改组，此即“顺应”。当新知识与原有知识之间可以融洽相处时，新知识的进入可以丰富、充实原有知识。所以学生完成相关知识的学习后，教师可引导、启发学生提炼、整合知识，以完善、优化其认知结构。

例如，通过第一章“人体的内环境与稳态”学习，学生已经明确内环境稳态是神经—体液—免疫调节网络共同调节的结果；通过第二章“通过神经系统的调节”“通过激素的调节”的学习，学生已经明确神经调节、体液调节与内环境稳态之间的关系，那么内环境稳态维持与免疫调节又有怎样的关系；通过初中学习，学生也具备免疫调节基本知识。源于学生以上认知结构，当学习完“免疫调节”后，教师可以引导、启发学生就“免疫系统的组成、免疫系统系统的防卫功能及免疫调节的基本程序、免疫系统的监控和清除功能、免疫系统结构与功能之间的关系、免疫调节与内环境稳态之间的关系”进行知识建构（图2），以使学生初中学习的免疫调节基本知识、日常生活中对人体免疫的感性认识等认知结构得以充实和丰富，并逐步认识到免疫调节与内环境稳态之间内隐的逻辑关系，进而使原有认知结构得以完善、优化。教师在教学过程中要引导学生关注单元知识之间的因果逻辑关系和纵横关系。每经一个阶段，教师都要引导、启发学生对所学过的知识、思想与方法作归纳小结，让学生建立起知识间的有机联系，提炼出关键性的和核心的知识，以使知识由“点”成“线”，再成“网”，分层次组成一个知识系统，从而改进和完善原有的认知结构，以便进一步学习和利用。在此过程中，教师要善于指导学生学会用表格、概念图或思维导图等方式，自己绘制出知识结构图。因为，从认知的角度来看，学生绘制出的知识结构图就是学生头脑中的认知结构，那就是一个生物认知结构的自我建构过程。教师通过展示知识结构化的具体模型，如表格、概念图、网络图等，演示分类归纳知识的程序和方法，使学生明确怎样使知识结构化。

总之，认知结构是影响学生学习是否成功的一个关键因素，因为它会直接参与和新知识的相互作用，以及学生解决新问题的过程。把握学生认知发展的规律，促进学生良好认知结构的形成是教师教学设计的重要任务。

参考文献：

[1] 吴庆麟.教育心理学——献给教师的书[M].上海：华东师范大学出版社，2003：30-33.

[2] 王晓东，许振国，认知需要研究述评[J].长春理工大学学报，2011，（6）：12.