经验心智模型 概念模型 科学模型

摘 要：人会基于个人的经验系统建立起一个属于自己的“经验心智模型”，借助特定的方式和方法来传播自己意思或意图的概念就是一个特殊的“概念模型”，“概念模型”通过科学检验和论证后转化成“科学模型”.本文首先通过案例阐释了认知过程中的三个梯阶的图式：“经验心智模型”“概念模型”“科学模型”，提出了概念学习的“三级图式进阶”教学方式，然后指出了图式进阶教学的意义、策略、程序、步骤和关键，最后讨论了它适用性的几个问题并给出了对策和建议.

关键词：进阶学习;经验心智模型;概念模型;科学模型;图式进阶教学;教学策略

文章编号：1008-4134（2020）02-0006 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：孙伟何（1983-），男，黑龙江人，本科，中学一级教师，研究方向：图式教学研究、实验教学研究、科学方法教育以及科技创新教育.

人会基于个人的经验系统建立起一个属于自己的“经验心智模型”，用它来跟客观世界进行交互;当人们把自己的经验拿来跟他人交流的时候，用来表示自己意思或意图，并且能够经过他人再次传播出去的东西，就变成了概念.这些概念借助特定的“语言、符号、图像等方式或方法”表征出来，就形成了“概念模型”;“概念模型”通过科学地实验检验、推理论证等转化成“科学模型”.“科学模型”既是教学的结果，也是教学的目标.

图式是人在认知某事物或者规律时的认知状态和认知结构.研究图式的意义在于：了解图式在学生大脑中的建构状态和建构水平，就可以知道学生对学习素材是如何认识、如何理解的.人对事物的认知是阶梯性地发展变化着的.图式的“三级进阶”，旨在把学习者的思维状态表征出来，使其思维状态外显化、阶段化以及阶梯化.基于物理图式观的教学，须尊重概念学习的三个梯阶的图式变化规律：首先诊断学生的学情处于“经验心智模型—概念模型—科学模型”的哪一个梯阶上，然后教师对学生“诊脉抓方”，对学生施加相应的教学策略，促进学生经历“经验心智模型”“概念模型”，最终达到“科学模型”，完成图式的进阶转换，促使学生对物理概念形成正确而科学的认识.

基于图式理论的“三级进阶”概念教学，意义重大.“经验心智模型—概念模型—科学模型”三级进阶是图式形成的必经路径，也是图式教学的基本路径.围绕学生的“疑点”“弱点”“盲点”“错点”展开教学，教师的教学获得了抓手，提高了教学的针对性和有效性，有力地促进教师的教学行为由“经验教学”向“精准教学”发生转变.

1 概念学习的三级图式进阶

1.1 概念学习的第一个梯阶——“经验心智模型”

不同的人对同一个客观对象建立起认知后，形成了特定的初始状态的认知图式，我们称之为“经验心智模型”.人无法对客观存在进行系统、完整的感知，对客观事物的认识并非真实的客观对象本身，是一个基于自身观測方法和观测结果建立起的一个属于自己的“经验心智模型”.因此，“经验心智模型”阶段的认知图式是一种片面的、“科学”“不科学”混杂着的认识状态.它是一种可以用来对客观事物进行甄别的依据，具备方法属性.简言之，“经验心智模型”就是我们的经验到底是什么，有什么用，用它能干什么.

“经验心智模型”的建立一般分为四个阶段：“观察阶段——求证阶段——应用阶段——形成认知”.学习者证明了某个论题之后，产生“信任”，形成认知.

【案例1】凸透镜与凸透镜成像

在学习凸透镜成像的时候，教师一边展示凸透镜，一边说：用凸透镜可以看到一个更大的物体，这个看到的“变大了的物体”就是像.一块可以透光的玻璃、塑料，甚至是一个水杯，只要是中间更厚、边缘薄的，都可以视为一个凸透镜.你知道凸透镜还有哪些作用吗？除了能得到放大的像，利用凸透镜，还能成什么样的像呢？

个别同学由于预习了课本，或者有摄影经验的同学，就会提出“形成缩小的像”，但大多数的同学认为，这些是“迎合教师的话”，显得并不可信.他们认为“凸透镜就只具有放大镜的功能”.

这是由他们的经验决定的，在漫长生活阅历中积累、沉淀得来的.他们不求必须通过实验才得出结论，他们会直接告诉你他的经验，证明自己的经验，并把经验“当成观点”，这是处于“经验心智模型”阶段的典型行为特征.

学生在学习过程中的一些表现，呈现如下：

（1）观察阶段

①放大镜可以聚光;②我的塑料直尺上有一个“放大镜”，他有一个“缩小镜”，我的是“鼓起来的”，他的是“凹进去的”;③我爷爷的老花镜，玻璃片就是中间鼓起来的;④度数大的镜子，能放得更大.

来自生活的经验成为他们认识“凸透镜”和“凸透镜所能形成的像”的“标准”.

（2）求证阶段

①我爷爷也有一个老花镜，而且是一半一半的，用下面的那部分，就可以把字放大;②“凸透镜可以把物体变大，所以是放大镜”“凹透镜可以把物体缩小，所以是缩小镜”;③是这样的！小学科学课上，我们用一块凸透镜聚光，点燃了一根火柴;④他的近视眼镜就是凹透镜，因为玻璃片是凹进去的，但是他的眼镜不能聚光;⑤能不能聚光，跟成像是两回事，你们跑题了！⑥“能聚光的，就能把物体缩小”“不对！凸透镜把物体放大了！”⑦“我们没玩过老花镜”“我们没有老花镜，不能做实验”.

（3）应用阶段

“山上禁止乱丢矿泉水瓶，否则容易进水，形成凸透镜，然后产生聚光，点燃森林”.

“去银行的时候，爷爷看不见小字，银行的叔叔就拿了放大镜给了爷爷”.

其心理认知的过程为：你看嘛，到处都是这样的，别人也是这样说的，也是这样做的，那一定是真的.

（4）形成认知

观点一：对于什么是凸透镜，除了形貌上可以判断外，能聚光的是凸透镜.

观点二：凸透镜是放大镜，凹透镜是缩小镜.

观点三：凸透镜对光线的会聚或者发散，跟成像是两回事.

学习者对一个对象产生“信任”，其“被论证的程序”的强度胜过“如何论证”.尽管我们知道案例1中，学习者的想法不一定正确，但他有自己朴素的唯物观点，用自己朴素的方法一遍又一遍地论证了这一观点，然后形成了一种认识.这种认知，来源于经验和一定的事实，虽然不完整或有偏颇、错误，但相似的事件在日常生活中不断被观察到，认识不断被认知程序反复强化，往往又忽略了对其“是真是假”的深入探索，于是形成了稳定的“不全对”的认识，这个认知的结果就是“经验心智模型”.

当然，教学的起点——新知识和能力的生长点，也正是围绕上述三个“经验心智模型”观点展开的.典型的引导语如“是不是”“行不行”“能不能”“好不好”“够不够”等.

1.2 概念学习的第二个梯阶——“概念模型”

1.2.1 由经验抽象成“概念模型”

概念是用来分享自己的经验和经历的特殊表达.这些概念借助特定的“语言、符号、图像”以一定的方式和方法，把自己的经验、经历，意思或意图表征出来，拿来跟他人交流.概念具备传播属性.人们能够交流或者分享的图式总是不能表征、表达出所有“自己的经验”，在表达和传播时，就形成了“概念模型”.“概念模型”是一种传播工具，也是一种对客观对象或者规律的表征知识.因此，“经验心智模型”是构成“概念模型”的认知基础，“概念模型”是比“经验心智模型”更抽象更高级的认知结果，它包含对经验的总结概括，蕴含着方法和观念，是一种可以传播和复制的知识;它具备了可以记录、存储、修正和再次提取的特征.“概念模型”是经验的表征结果，是能够不被别人误会、错误识别的统一的认识.人们利用“概念模型”进行交流.

“概念模型”与“经验心智模型”存在边界：“经验心智模型”是基于自身的认知提出的概念，不是交流自他人的概念;“概念模型”可以源自自身，可以是交流自他人的概念，也可以是自己和他人交流某对象后融合、调和而成的新的认识结果.关键是可以借助他人的“概念模型”传达出对方的意图.

认知处于这个阶段时，交流的双方不仅可以传播和证明自己的经验，也可以传播和证明别人的经验.从这个意义上讲，研究“概念模型”的意义就在于：我需要了解我的经验到底别人有没有，自己的经验和别人的经验是否相同，我的经验是否得到了丰富发展，我是否需要修正我原来的认识.

“概念模型”的建立一般也分四个阶段：“表征经验心智模型阶段—传播概念阶段—交换信息阶段—基于被集体认可的“修正错误后”的新的认知阶段”.其核心特征是“表征客观对象或者规律”和“比较自己的表征和别人的表征”.具体阐释如案例2.

【案例2】是“实像”还是“虚像”？

学习光现象时，学生一个特别大的困扰就是不能区分“实像”“虚像”，下面表格是两个同学在学习过程中的小结.

（1）表征阶段

（2）传播阶段

甲：“水中的倒影是虚像”，像是倒着的，算实像还是虚像呢？

乙：凸透镜有时候成正立的像，有时候成倒立的像，凸透镜对光产生会聚作用，但却能够成虚像，对这一点我很困惑.

（表征经验、传播经验）

（3）交互阶段

乙：水中的倒影只有上下相反，没有左右相反，因此，它不属于“倒立”属于“正立”.

甲：倒着的还算正立？不信.

乙：你说的也不对，你拿着凸透镜看远方的高楼时，可以看见天空在下，高楼在上方，从上向下倒着悬挂的样子，没有借助光屏，你也看见这个现象了.

乙：用光屏取代你的眼睛，在光屏上呈现倒立缩小的像，因此这个是实像，你可以看见;所以，实像可以直接用肉眼看，也可以用光屏承接来观察.再比如平面镜成像，成正立的像，我们每天照镜子，不用光屏也能看见像，光屏不起作用.因此，虚像可以直接用肉眼观察.

甲：有道理！你的说法能够证明你的观点.的确，实像可以直接用肉眼观察，虚像也能！（产生认知冲突，认可他人的经验并可以用他人的概念模型传播他人的认识）

甲：测量凸透镜焦距时，纸上的小亮点，这个是实像吗？

乙：这个我也不清楚.

甲：透过玻璃窗看见教师，这是看见了老师本人、老师的实像，还是老师的虚像呢？

乙：平面玻璃砖，对光既不产生会聚作用，也不产生发散作用，应该是看到老师本人吧？

（4）形成新知

①像的样子跟物体差不多，像不同于影子，像有轮廓、有内容，像的大小跟物体大小相比有三种可能：比物体大、小或者相等;②实像、虚像都可以直接用肉眼看见.③光学元件对光会聚或发散，导致成实像还是成虚像，这一点不确定.

由上述案例我们知道：形成“概念模型”是对特定对象描述、表征的抽象过程，形成“概念模型”的过程又是去模糊、去错误的内省过程.这里面有对自己原有认知的“同化、顺应和平衡”的过程.当然，这种对话不一定发生在两个人的身上，也可能是自己和书籍、自己和媒体、自己和网络之间的信息交互过程.

當学生的认知处于“概念模型”阶段时，教师对于学生的教学就是要做出这些回应：“是否如你们所想的这样”“你们想知道的这件事是这样子的”.典型的引导语如“也是吗”“也行吗”“也能吗”“有更……吗”“会更……吗”等.

1.2.2 概念模型未必等同于真实的概念

“概念模型”来源于客观对象，是人对客观对象产生的特殊的认知结果，却因为既往经验、认知方法以及认知态度等方面的差异而产生认知差异.每个学习者既往经验中“全面”“片面”的程度，“科学”“不科学”的程度，认知方法“科学”“不科学”的程度，“良好”“不良好”的程度，学习意志力“坚忍”“不坚忍”的程度，认知态度“唯物”“唯心”的角度，认知方法和处理现象和数据的能力差异等，都决定了个体头脑中的概念必定是“同中存异”或“异中存同”的.

“概念模型”可以复制、记录、修正并传播，就必定可以表征.表征必定包含了人对客观对象的必要特征的认知.借助特定的方法，从表征某个或者某类别事物的一系列表征中抽取出必要特征，这些构成群——“必要特征群”，然后把它定义成为概念.而“必要特征群”的“群”的要求是：必要特征不足、多余或者错误，就不能准确地表征被表征的对象.

每个人对客观对象所建构出的特征群，往往跟“必要特征群”不完全吻合，可能未必科学.此时，“概念模型”是一定程度和层面上的概念.“概念模型”，它具有群体思维的特征，受经验、技术、观念、方法制约，它可能区别于真实概念本身.

【案例3】辨别凸透镜还是凹透镜

如图1所示，我们可以从透镜截面的外形上辨认出“中间厚、边缘薄”的透镜为凸透镜，“中间薄、边缘厚”的透镜为凹透镜.“中间厚、边缘薄”“中间薄、边缘厚”这样的表述，就是“下定义”表征透镜类型概念的方法.

但是，当给出图2这样一个透镜，同学就懵了，这是什么东西？

其实，这是菲涅尔透镜，也属于凸透镜的一种.光垂直穿过透镜的平面部分，光的传播方向并不发生改变，对折射或者说对光的偏折不起作用，那么，我们就可以去掉光沿直线传播的部分，即图3中虚线框所包围的部分，只保留发生折射的曲面部分，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果.然后，把透镜剩余带曲面的部分“坍陷”到一个平面上，就形成了图2所示的菲涅尔透镜.当光线从一侧平行进入，穿过菲涅尔透镜，会在另一侧出来会聚，聚焦成一点，形成焦点.根据光路可逆的特点，你还可以反着用得到一束平行光.从对光线的作用上，菲涅尔透镜就是一个凸透镜.

投影仪中的凸透镜就是用的“菲涅尔透镜”，它还具有普通凸透镜不具备的优越性能，如：消除部分球形像差、成像亮度均匀等.

显然，从形态上辨别凸透镜还是凹透镜的方法得出的概念和真实的概念本身是存在着差异的.

1.3 概念学习的第三个梯阶——“科学模型”

通过案例3可以知道，如果学习者总结出的“必要特征群”能够符合概念本身，“概念模型”经得起检验，经得起推敲，它才具备科学性，它才能成为“科学模型”.

获得知识是为了应用知识.利用多个“科学模型”构成“概念生态圈”，这样，“物理实验”“物理现象”“物理规律”之间的联结结构才稳定、正确，“物理量”和“物理量”之间的关系才清晰、明确，运用“物理知识”解决实际问题，才可以科学、严谨、可靠.

学生对物理知识的掌握是在理解的基础上进行的，认知的路径则是从“获得知识”到“应用知识”.在概念的进阶过程中，学习者必须时刻跟新的认知材料进行反复互动，经历“信息识别、信息提取、对信息进行论证和归类归纳、信息存储、信息修改和合并”等的一系列复杂认知活动的过程.

比如，我们可以通过“实验现象”回应“观点一”，给学生建立起“会聚”的证据，让学生知道凹面镜也会对光产生会聚作用（如图4所示）.对光产生会聚作用的不一定是凸透镜，还可能是一块凹面镜.这是一个“充分条件”和“必要条件”的关系，正着说对，反过来说不见得对.

2 概念学习的三级图式进阶教学的策略

2.1 营造“积极关注自我认知”的学习环境，让学习发生

认知冲突是图式进阶的前提，学习动机是教学取得成功的保障.教学策略能否成功实施，依赖于学习者认识冲突和解决问题的意愿和能力.教学伙伴在课堂上提出的不同观点并非能够构成每一个学习者的认知冲突.如果不同的观点并没有“引起注意”“激活、唤起已有认识”，这些观点最终成为这个学习者的“可多可少的一个知识碎片”，因未跟已有的知识、方法体系相内化、顺应、平衡而遭到抛弃、遗忘.

那么，教师欲取得图式进阶教学成功，首要的工夫就是选取恰当的教学素材对学生的既往认知产生有效的作用.这个“恰当”就包含了“三个是否”：是否能够对接学生的既往认知、对学生所预见的结果产生相异的结果，构成认知冲突;是否能够激起学生的兴趣、激活学习动机;是否尊重了学生既往认知的水平和发展需求.

2.2 充分暴露学生既有图式的问题，探寻教学的作用点

认知冲突是概念进阶转变的起点.当下信息技术与学科教学高度融合的今天，教学素材极大地丰富起来，获取优质的教学资源并非难事，选取什么素材才能促使学生完成图式的进阶呢？这必须是教师针对学生的已有图式，然后经过遴选，再做出二次开发的教学素材.在认知冲突的情境下，暴露并获取学生的既有图式.

暴露并获取学生既有图式的具体的方法一般有两种形式，即调查和讨论.

（1）调查：①直接式的调查.调查可以是访谈、问卷的形式，也可以是针对原始物理问题的作答、针对物理问题的回答的追问;通过对物理现象进行描述或补充实验步骤、细节等手段，诱导学生暴露现有的认知状态;②间接式的调查.将教学内容的上下位知识、同位知识进行条件限定后，设置问题进行调查.基于调查，探究成因，寻找对策.

（2）讨論：讨论可以是师生对话，也可以是学生之间的讨论.

当然，调查和讨论两种方式通常并用.

在充分暴露出学生既有图式的问题后，积极地分析问题，寻找教学的作用点，将教学智慧的主动权抓在教师的手中，在课堂教学的预设和生成中解决问题.当然，在这个过程中，教师的教学图式也随之生成了诸多应对的“套路”.教师在“模套路”“学套路”“创套路”的实践中，通过主动探索，优化了其教学经验系统，促使教师成长、成熟、卓越，也促使学生学习的质量得到不断地提升.

2.3 图式进阶教学的一般程序和步骤

“教的序”需要瞄准“学的序”.图式进阶教学也必须遵循一定的程序，产生效能.一般分为四个步骤构成一般的教学程序，四个步骤的导语构成“图式进阶教学问题串”.

步骤一：使引入问题“情境化”（如：人越靠近镜头所成的像越大，成虚像也符合这个规律吗？凸透镜周围，可以使物体无限放大的位置在哪？）

步骤二：质疑原认知的合理性，探究思维成因，获取学生思维图式的论据（如：为什么这样认为？什么素材支持你的观点？）

步骤三：质疑原认知的科学性，获取学生“经验心智模型”的内容和结构（如：有什么让你感到不确定的反例吗？到底是……还是……？）

步骤四：引导学生将新建立的图式通过“预测——证实”环节内化、顺应或者平衡.（如：仿照探究凸透镜成像规律的过程，评估得到的结论，对光同样产生会聚作用的凹面镜，是否也可以“移植”这个规律？你的预测是……？关键的要点是……，首先……，然后……？）

从心理学的角度看，凡经过否定质疑的知识，在头脑中才有较高的确信度[1].当原有“概念模型”与“科学模型”之间发生了“冲突”，原有的概念模型无力解决“冲突”，且新的概念模型可以对逻辑预测产生不可替代的证实作用时，学生才会甘愿放弃原有的观念.

显然，概念学习的“三级进阶图式”教学，它的关键特征就是在教学中突出强调，通过经历“冲突—重建—预测—证实”的教学环节，来提升教学的效度.

3 图式进阶教学的适用性

3.1 局限性

建构主义认为，学习是观念（概念）的发展或改变、重建，而不是新信息的简单积累[2].实际的学生在上课时并不一定做好充分的准备，学生群体可以存在“积极的脑袋”“消极的脑袋”，“积极的脑袋”中又分成“空的脑袋”“良性建构的脑袋”“错的脑袋”“乱的脑袋”几种类型，这对任何一种学习方式都构成挑战，图式教学方式也不例外.

对学生图式的不良建构也分成连续、不连续两种类型.图式进阶教学适用于学生图式建立处于连续的、良性待建的状态;对于图式建立松散错乱的不连续类型，宜采用“重建”的方式实施教学.若学习群体有“普遍消极”的情形，在教学的前期，宜着力激发学生学习的兴趣，然后在教学过程中，逐渐积累模块化的知识，强化“语言图式”“内容图式”“形式图式”的教学[3]，强化学生学习的意志力，转变学生的认知状态和认知类型，为之后的图式进阶教学能够顺利实施打下基础.

3.2 阶段性

教师在设置了能引起学生认知冲突的教学情境后，应充分诱导学生暴露其“经验心智模型”“概念模型”的内容和结构，然后通过实验现象、效应转换、理论预测等方式、方法使其外显和外化，进一步探究成因.

显然，图式进阶教学是一种跟教师的教学经验和教学智慧高度相关的教学方式.对于新教师、新领域，可采用延迟评价的原则进行组织教学，以弥补差异或不足.实践中，教师组织学生讨论，甚至可以是争论的形式，待所有的观点都充分展示后，教师再通过“预测—演绎—求证”的环节来揭示矛盾，以避免原有认知图式中的问题暴露得不完全，问题解决得不彻底.

若学生群体不善于表达、表现，那么教师的教学经验就成为了替代品，成为教学能否取得成功的关键.

3.3 区域性

相似环境中成长的学生，学生的经历、经验就有相似性，其思维品質也具备群体性的特征、区域性相似的特征，其图式的建立也就存在着广泛的共性，这给我们实施图式进阶教学提供了关键性的可能.在特定区域的教师，对于特定的学生图式也产生特定的教学图式.这就意味着，教师的经验可以传递、复制，但也意味着教师的教学图式需要更多地“因地制宜”式的开发和创造.

综上，探究学生图式的建立、发展和变革的过程，从中发现教学的智慧，既是一种教学的方式，也是一种教学的策略，更是一种“法中有人”的教育教学的观念和情怀.

参考文献：

[1]韩正彪，韩正芝.文献数据库用户心智模型演进驱动因素结构测量研究[J].图书情报工作，2017，61（15）：111-119.

[2]杜军义. 高中学生学习物理的相异构想初探[J]. 物理教师， 2002（6）：1-3.

[3]孙伟河.以“物理图式”为线索的科学方法教育教学研究[J].中学物理教学参考，2016，45（18）：17-19.

[4]胡卫平，王新.中学科学教学心理学的研究进展[J].学科教育，2001（03）：14-18，22.

[5]孙伟河， 冯云山. 基于学科素养培养的初中物理实验探究课中的教师角色定位[J]. 中学物理， 2018， 36（20）：40-44.

（收稿日期：2019-08-21）