中学生科学概念心智模型的理论研究综述

张丙香+毕华林

摘要：中学生科学概念心智模型的类型对概念理解有着重要意义。心智模型既是个体对外在事物内在表征后形成的概念框架，又是一种动态的内在运作机制。中学生科学概念的心智模型多是不完善、不断发展的，具有阶段性，它影响着个体对外在事物进行描述、解释和预测的行为与方式。

关键词：中学生；科学概念；心智模型；文献研究

文章编号：1005–6629（2017）10–0006–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

个体对环境的理解历来是科学家感兴趣的课题，由此发展出来很多概念，比如分类、图示、信念结构等，心智模型也是这样一个概念。虽然学生科学概念的研究已有上百年的历史，但是这一领域的研究在国际上依然焕发着强烈的生命力，其中一个重要的研究内容主要涉及到学生概念在头脑中的存在方式，学生科学概念心智模型就属于这一研究领域。

心智模型理论认为，学生对科学概念的理解和后续学习会受到学生原有的科学概念心智模型的明显影响，因此了解学生的科学概念心智模型对概念教学具有重要意义。鉴于国内对科学概念心智模型的研究还处于起步阶段，因此有必要梳理一下相关的概念和理论。

1 中学生科学概念心智模型的界定

1.1 模型的含义

在科学教育中，人们会经常提到和用到模型（也称为科学模型）进行交流，如化学中的原子分子模型、理想气体的运动模型等。孙可平进行了系统总结：（1）模型用来描述一个物体、现象、事件、过程、系统或者某种观念。或者说，模型是所研究的目标事物的一种呈现方式。（2）模型是与某种物质现象或者系统相匹配的概念化系统。具体说，模型是表达某现象或者系统的结构和功能所呈现的特定图景（pattern），它可能是一种描述、解释或者预测。（3）模型也是一种心智存在形式，它是人们依据特定的科学理论所形成的心理图式（schema）。它是人们根据有关世界的知识以及他们建构模型的能力建构出来的。（4）模型是科学探究过程中的一种有效的研究工具。它是可以产生预测和解释的一个具有呈现方式、规则和推理结构的系统[1]。

可见，科学教育中的模型不单单是实物模型，也不是仅仅指向类似原子结构那样的思想观念，更多的是作为一种科学研究方法，强调了人们的心智活动与客观世界关联，或者是科学理论与个人的经验世界的关联。对科学教育者而言，模型可以帮助学习者将宏观现象和微观本质及相关的知识联系起来，通过模型的使用进一步完善个体的心智发展。

模型的类别有很多种，其中吉尔伯特等人根据模型的本体地位，对模型进行了划分，以说明模型的功能[2]。

（1）心智模型（mental model）：心智模型是私人且个人化的认知表征，它是由个人所形成的。对其他人而言，它是无法接触的。

（2）表达模型（expressed model）：为了使个人的心智模型能够与他人沟通，模型需要置于个人或群体的公众领域，并且在与他人的互动过程中，予以表征和使用。

（3）共识模型（consensus model）：在讨论与实验之后，不同的群体均同意“表达模型”是有用的，因此，原有的表达模型就成为共识模型。若群体是个体特定领域的科学社群，并且是科学中最为重要的一部分，则可称为科学模型（scientific model）。

（4）历史模型（historical model）：这些共识模型是在特殊的历史情境中产生，并且随后可被取代。换句话说，若是模型发生取代的过程，则被取代的模型可称为历史模型，历史模型仍然能被使用，因为它仍可以作为特定目的的解释。

（5）课程模型（curricular model）：若是将历史或是科学模型予以简化包含入正式的课程，即为课程模型。

（6）教学模型（teaching model）：通常共识模型、历史模型和课程模型是非常难产生的，而教学模型则是可藉由教师或学生来发展以促进理解这些模型发展的历程。

（7）混合模型（hybrid model）：藉由合并每个不同模型的特征，而用于课程与课堂的教学，犹如它是一个具有一致性的整体。

（8）教育学模型（model of pedagogy）：教师在课堂中使用的模型，其考量科学的本质、科学教学的本质和科学学习的本质。

邱美虹认为，模型是用来表征现象、概念、过程、事件或物件等，它可以以不同的表征形式来呈现（如图像、文字、符號、肢体动作等多元方式），以达到不同的功能与目的（如解释性、描述性、沟通、模拟、抽象化、预测性、推理性、问题解决等）。尽管对于模型有很多不同的解释，但在这些不同之中有个公认的核心意义，那就是模型代表现象、概念、过程、事件等在某种情况下所呈现的表征。一般来说，模型常被视为一个物体、事件、想法或者现象的表征。

1.2 心智模型界定

心智模型（mental model），有时也称之为心智模式，最早由苏格兰心理学家克雷克提出。他认为个体心智构建现实的“小型模型”，以预测事件、进行推理或者把它作为解释的基础。就像是一个工程师为了建造一个建筑物，通常会先制造一个和实物建筑比例相同的缩小模型一样，这样可以预测所面临的问题[3]。克雷克的心智模型可以看作是外在世界在心智中经过简化的缩影，是为了预测及推论而产生的。克雷克认为心智模型是一种动态的表征或对世界的模拟[4]。

雷德认为心智模型是人们体会、了解某个特定知识领域的管道或方式，也是认知过程中不可或缺的心像元素，因此心智模型扮演着一个直接表征或类比的角色，其结构反映出事物的相关状态[5]。雷德强调心智模型是特别的表征而非一般的命题，并且会产生心像。诺曼也指出，心智模型是个人与事物互动所产生的内在表征[6]。

沃斯尼亚杜和布鲁尔认为心智模型是为了回答、解决问题或处理某种状况所产生的动态结构，其源自于概念结构并受其限制，故认知心理学家与科学教育者常使用心智模型探讨抽象的概念内容[7]。沃斯尼亚杜认为，心智模型是指心智表征的特别形式，是个人在认知过程中产生的类比表征，且其可以保存提供表征之事物的结构[8]。因此，心智模型可能是不正确的，而且它因人而异。endprint

瑞凯等认为心智模型是在自然或者人为认知的体系中，对外在事物的一种动态符号的表征[9]。不论是在问题上还是在方法上的知识在心智模型之下都可做预测与推理。

邱美虹认为，心智模型是长时记忆中的元素与外界环境或刺激物交互作用所产生的内在表征，因此它会随外在人、事、物等异动而改变，因此具有动态变化特质[10]。吕晓俊认为，心智模型是一个相对持久的动力系统，在对社会事件进行描述、归因和预测活动中体现出来的有关社会事件的知识和信念，以此作为启发式的行为决策的基础。其主要内容体现为结构化的知识和信念[11]。

圣吉在《第五项修炼》中也使用了心智模型这一概念。圣吉认为，心智模型是一个深植于我们心灵之中，关于我们自己、别人、组织以及世界每一个层面的形象、假设和故事。就好像一块玻璃微妙地扭曲了我们的视野一样，心智模型也决定了我们对世界的看法。心智模型可能是简单的概括性看法，如“人是不可信的”；也可能是复杂的理论，如“有关人与人之间互动方式的假设”。他还认为，对一个人的学习而言，最重要的是心智模型的改变，并提出了行动学习的MBP模型，即心智模型决定行为，行为决定业绩[12]。圣吉的这一观点引起了很多研究者的关注，引发了很多关于在教育中如何完善心智模型的研究。

1.3 分析讨论

要对心智模型下一个严谨的被各种观点都认可的界定是比较困难的，比较重要的是借助于心智模型的理论，更加清楚地了解学生的想法，在此基础上，更好地改进教学，这才是我们应该关注的。

鉴于此，我们从各种观点中，寻求研究者们对心智模型的一些共识：心智模型是一种由各种内在表征形成的复杂的概念架构，能产生心像，具有动态结构，可以作为一种解释性与预测性的工具；相对于专家的心智模型，学生的心智模型通常是不完善的并且不断发展的，这种发展和学校教育具有密切的关系。正如有的学者所认为的，个体的心智模型是一个不稳定的不断修正的动态系统，个体必须经由不断的修正逐渐逼近或达到理想中的心智模型[13]。心智模型如符合需要，就会不断被强化而变成一种稳定而能被快速提取使用的技能，反之，如果不符合需要，也会被修改为别的心智模型。因此，心智模型是一个新旧知识综合作用的产物，是一个动态的结构，反映了对外在世界的理解。

基于以上认识，我们认为，心智模型不仅是个体对外在事物内在表征后形成的概念框架，同时也是一种动态的内在运作机制，影响着个体对外在事物进行描述、解释和预测的行为与方式。概念框架是指对概念相关因素或概念构成因素的关系的认识与建构，由于个体的知识经验的限制，心智模型多是不完善的，但随着知识的增加，心智模型也会不断完善，因此具有发展的阶段性。心智模型既有静态的含义也有动态的含义。从静态角度上分析，它是内隐地存在于长时记忆中的概念框架，个体对外在事物的理解都与此密切相关，既是已有学习的结果，也是学习新知识的基础。从动态角度分析，它是一种内在运作机制，影响着个体对知识的提取和使用，决定了个体以何种方式对外在进行描述、解释和预测，会产生什么样的认知行为。

2 中学生科学概念心智模型的形成机制

2.1 科学概念心智模型形成机制的综述

诺曼认为个体的心智模型是不准确的、不一致的、持续修改的、功能受限的[14]。科学家心智模型的概念化就是将科学家心智模型中的科学概念通过普适化的规则、符号转换为外界存在的概念模型，因此概念模型是经由科学家、设计师或者教师等创造出来的。而这个概念模型具备准确性、一致性和完整性，因而可以通过分析专家的心智模型，提炼出其概念模型，成为学习者的指标体系。个体经过学习，将指标体系转化为内在表征，从而形成心智模型。个体的心智模型相对于专家的心智模型而言，往往是不准确、不一致的，个体的学习过程就是心智模型不断持续修改，逐渐完善逼近科学家的心智模型的过程。因此诺曼认为在探讨心智模型时，必须要注意如下图所示的四项事物：指标系统；外在世界的概念模型；个体本身的心智模型；科学家的心智模型。

雷德认为通过知觉、想象等形成概念，不同概念间的相互作用形成一种复杂的概念架构即心智模型[15]。概念和信息来源之间存在一个中间状态——次概念单元。因此心智模型由很多概念组成，并受到外在信息或表征的影响，并具有层次性。

克萊门特认为，学生的已有概念和推理技能会对学生科学心智模型的形成有一定影响 ，经过科学学习后，学生的心智模型会不断改善，最终形成与专家一致的心智模型[16]。那么目标模型是否就是专家一致模型呢？按照克莱门特的观点，目标模型是教师设计的结果，因此由于教师观点的影响，目标模型或许会有异于专家一致模型，于是克莱门特特意做了区分。克莱门特对心智模型形成的理解既考虑了学生已有知识和推理的影响，又考虑了教师已有知识的影响，并且注重心智发展的阶段性。

加斯特和吉尔伯特指出，心智模型的架构是一个非线性的过程，由多个步骤组成[17]。第一步，明确建构心智模型的目的。第二步，根据目的产生心智模型，这受到可用的信息资源和已有知识经验的影响。第三步，建构心智模型的外在表达模型，即包括选择合适的表征方式，产生要表达的模型。表达模型的表征方式可以是物质的、视觉的、口语的或是数学的，表达模型的外显过程可以看作是心智模型周期性的发展过程，因为对心智模型的外部表达会造成心智模型的持续修改。第四步，实施思想实验：在心理上对心理模型和表达模型进行测试，故称为思想实验。第五步，进行实证测试，论证心智模型的有效性，并且是适合存在的资源。第六步，完成目的，如果模型被证明是成功的（就确定的目的来说），就要考虑它的范围和局限。第七步，如果第四步或者是第五步不成功，就是说模型不能解释给定现象的某一方面，也不能做出预测，那就必须修改模型或者是提出一个新的模型。从他们的观点来看，心智模型的建构是一个曲折反复的过程，并且会受到外在信息资源和自身元认知能力的影响，并且认同表达模型对心智模型的影响。endprint

巴克雷认为，心智模型的建构是一个动态循环的过程，包含形成、强化、修正和废除四方面。之后，又增加了“上位模型”和“现象”[18]。

巴克雷认为，当人们面对一定的问题情境时，先在工作记忆中形成一个心智模型用来解决问题，若能成功，心智模型得到强化，若不能成功，人们就会修改或废除这一心智模型，从而用其他心智模型来解释。人们的心智模型就是在不断循环运作下得以精致化的。她认为，评估对心智模型的形成具有重要的作用，而上位概念是指人們形成心智模型的软环境。这和加斯特和吉尔伯特提出的思想实验和建立心智模型的资源具有异曲同工之妙。

2.2 分析讨论

对于心智模型的形成，如果从教学的角度来看，克莱门特的心智模型图能较好地体现心智模型发展的阶段性。如果从心理机制角度看，巴克雷的心智模型图能较好地解释心智模型是怎样不断完善的，而诺曼的心智模型图则更好地说明了学生心智模型的特点，雷德的心智模型图则注重心智模型与概念关系的说明。对于心智模型的形成机制，尽管从不同的视角有不同的观点，但从这些论述中可以看出一个共同点，即科学概念心智模型的形成是动态的，是不断完善的过程，具有发展的阶段性，这就合理地解释了为何学生的概念学习会出现相异构想，也为科学概念学习进阶的研究提供了理论依据。

3 中学生科学概念心智模型的特点与功能

雷德的心智模型理论认为心智模型是容易有缺陷的，或许包含着对立甚至错误和不必要的概念。学习者建构知识的过程中由于自身认知的限制，会建立一些和科学理论不相同的想法，会综合感官信息和过去经验，来理解外在世界。

诺曼观察了许多人从事不同作业时所持有的心智模型，归纳出心智模型具有六个互相联系的特点：（1）不完整性（Incomplete）：人们对于现象所持有的心智模型大多都是不完整；（2）局限性（Limited）：人们执行心智模型的能力是有局限性的；（3）不稳定（Unstable）：人们经常会忘记所使用的心智模式细节，尤其经过一段时间没有使用它们；（4）没有明确的边界（Boundaries）：类似的机制经常会相互混淆；（5）不科学（Unscientific）：人们常采取迷信的模型，即使他们知道这些模型并非必要的；（6）简约（Parsimonious）：人们可以透过心智模型而省去一些行动。

弗朗克等对心智模型的研究进行了综述后，认为心智模型的关键属性是：（1）心智模型具有衍生性：是指利用心智模型产生预测及新想法；（2）心智模型牵涉到默会知识：是指心智模型的拥有者并不能觉察到他的心智模型的每个建构面向，不能觉察到它的使用；（3）心智模型是综合的：心智模型是以一个对目标系统或事件简化过后的表征组成的，表征并不是完全复制，需要有意识或无意识地去选择什么样的表征观点要被呈现，什么需要被省略[19]。为了发展目标表征，一些观念或部分被隔离和抽象化，也就是被简化。综合的特征指的是整体形式的表征；（4）心智模型被个人的世界观所限制：受到先前知识经验的限制。

瑞凯等对于心智模型功能有近乎完美的综述，他们认为心智模型具有三大功能：（1）对一个系统产生何种目的及系统的结构内容做详细的描述；（2）提供一个系统具备何种功能及处于何种状态的解释；（3）对于某种系统的未来状态作出预测[20]。即目前比较公认的心智模型的三大功能：描述、解释和预测。

以上论述表明，个人的心智模型是内隐的，多是不完善的，但不论个人是否意识到心智模型的存在，不论个人的心智模型是否完善，它都具有一定的功能性，会影响个人对外界的描述、解释和预测，从而做出一定的判断和选择。

4 研究总结

中学生科学概念的心智模型与概念理解水平密切相关，随着概念理解的逐渐深入，心智模型也会逐渐完善。如果个体的概念理解越深刻，那么在进行问题解决时，就会基于问题的核心特征而不是表面特征，那么他们就会使用特定的心智模型解决问题。如果个体对概念的理解是肤浅的，那么他们在进行问题解决时，心智模型的使用就会基于问题的表面特征和已有的知识经验，已有经验的不完善性和问题表面特征的变化会使得学生使用不同的心智模型解决问题，就会出现心智模型的不稳定性。因此我们认为，心智模型和概念理解、问题情境等相关，如果概念理解越深刻，那么心智模型越稳定，在遇到相似的问题情境时，使用相同心智模型的几率就越高。

科学概念心智模型的发展具有阶段性，是一个不断完善的过程，不论科学概念心智模型类型有多少，总的来讲，都可以划分为三大类。第一类是初始模型。这是一种基于日常生活经验产生的心智模型，不受科学模型的影响。第二类是混合模型。这是初始模型和科学模型的中间模型，既有日常经验的影子，也有科学解释的影响。第三类是科学模型。个体具备与科学观点一致的心智模型，但这并不意味着个体具备了科学概念，其他的心智模型就会消失，他会根据情境的不同而自动选择使用某种心智模型。科学概念心智模型的阶段性也为我们的教学带来了启示，让我们有意识地去了解学生概念理解的阶段性，并据此进行教学设计以更好地帮助学生。

由于科学概念心智模型对中学生的科学概念学习具有重要意义，所以现代认知心理学主张从心智模型视角来描述理解的本质：“理解意味着拥有关于概念、任务或现象的一个内在心智表征或心智模型。[21]”科学概念心智模型的类型会深刻地影响学生问题解决的方式，影响到他们获得新知识的方式，因此与其分辨学生是否理解概念，还不如去详细分析说明他们所具有的概念表征，后者应该更加有效。由此可见，概念心智模型的研究逐渐引发了科学教育界的重视，而对此的研究还有待于进一步的深化。

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