理科大学生在专业学习中的认知规律及相应教学策略

戚 鹏 程

(1.南阳师范学院 地理科学与旅游学院，河南 南阳 473061；2.南阳师范学院 环境资源与地理信息省级实验教学示范中心，河南 南阳 473061)

认知是人类获得知识和应用知识的过程[1]，包括从初级到高级的五个层级，即神经层级、心理层级、语言层级、思维层级和文化层级[2].认知规律是特定人群在认知方面相对稳定性的共同特点.认知能力是学生发展核心素养体系的基础.研究和掌握学生的认知能力水平和认知规律对教育和教学有着两方面意义:其一，可以利用受教育者的既有认知规律更好地开展教学[3]；其二，可以科学地改善受教育者认知模式和提升认知能力[4]，从而提升学生发展核心素养.

近年来，学者们就各阶段学生的认知规律进行了若干研究，为教育教学改革提供了重要依据[5-7].但是，以往研究大多只针对认知的单一方面(例如观察、记忆、思维等)，缺少对特定学生类群认知特点的系统全面的研究.

理科是指理学学科门类，包括物理学、化学、天文学、地理学、大气学、海洋学、生物学等，是高等教育学科体系的重要组成部分，肩负着揭示物质世界基本规律和支撑应用型科技发展的双重责任.理科人才质量的高低关系到国家的基础研究水平和源头创新能力.基于学生认知规律开展专业教学并有目的地提升其认知能力对于理科人才培养具有重大意义.

1 理科大学生的主要认知规律

1.1 神经与心理层级的认知规律

当代大学生大致处于18～21岁年龄阶段，其神经系统已经基本成熟，并且正处于敏锐和活跃的时期.他们经过了基础教育阶段的学习并通过了中考、高考的筛选，其神经层级的认知能力总体上是合格甚至是优秀的，表现出较为敏感和准确的感知觉，这是他们学习理科专业知识和未来从事相关工作的重要基础.

心理层级的认知主要包括观察和记忆.观察是有目的和计划的高级感知.理科大学生普遍具有较强的观察力，但是面对复杂观察对象时需要教师给出明确的目标和重点.另外，理科专业人员应具有专业特质的感知觉和观察力，例如化学专业对化学反应的观察,生物专业对生物外形和解剖结构的观察，地理专业对土壤、岩石的观察及其对遥感图像、专题地图的判读等，这些能力皆有赖于大学阶段的培养.

记忆是任何学习活动必不可少的认知形式.大学生的记忆能力普遍处于较强的水平.然而，正是这种记忆力强的优势，加之对学习本质的误解和一些错误考核制度的误导，致使不少学生在学习中过分地倚重记忆，常见具体表现是：对于某一段内容，学生会读一遍，背一遍，继而又读一遍，然后再背一遍，如此往复.越临近期末，对这一认知模式的倚重越为明显.

“注意”并不是一种认知活动，但它的确是一个心理层级的概念——它是人的感知活动指向和集中于某种事物的能力，是感知的品质.课堂上学生“注意”的高低对教学效果有明显影响.多数大学生具备自主调控注意力的能力.但是，大学生在课堂上能否持久保持高度注意与教学方法和手段有明显关系.实践经验表明，在理论课中，若单纯采用讲授法，在40分钟内大约有三分之一的学生不能持续地保持注意力；若根据学生状态实时调整教学方法，加强师生之间的互动，适时地采取教学激励，则可以明显增加学生注意力的稳定性.另外，理论课的开始几分钟和最后几分钟往往是学生注意力普遍较差的时段.在实验课中，学生的注意力往往比在理论课中更高一些，实验课的体验性和交互性较强，相对于理论课，不容易引起神经系统的疲劳；就实验项目的类型来比较，学生在探索型和创新型项目中的注意力要强于验证型和基础型项目.在实验课的最后时段，多数学生仍能保持较强的注意力.

1.2 语言层级的认知规律

语言认知主要包括语言理解和语言表达两个方面.前者包括“听”和“读”，后者包括“说”和“写”.

学生的学习效果与其语言理解能力密切相关，因为大多数理科学习活动必须以读懂书面材料或听懂教师话语为起点.教学中发现，各级学生的语言理解能力可以满足其学习的基本需要.大学生就业后必然面对复杂的专业化书面材料，要读懂这些材料需要较强的专业语言理解能力.大学阶段需要强化这种能力.

理科学生必须具备较强的语言表达能力，以满足将来工作中对语言表达的基本需要.教学中发现，理科生中有不少学生存在语言表达能力不足的问题，尤其是书面表达方面.语言表达能力低下在他们的毕业论文撰写过程中表现得尤为突出.毕业论文初稿中常见语言问题有表述含糊、成分缺失、语序混乱和误用别字等.

导致大学生语言能力低下的原因有很多，其中互联网和新媒体的影响不容忽视，这包括部分互联网网页上的不规范语言给学生做出了错误的示范，有些学生在网络社交中养成了随意表达的习惯.

1.3 思维层级的认知规律

思维是人类特有的高级认知层级.思维的品质和水平是影响学生在校期间学习效率和效果的重要因素.

思维的分类甚为复杂，其中最常见的分类法是将思维分为形象思维、逻辑思维和直觉思维.形象思维和逻辑思维是理科学习中最基本的两种思维形式:前者具有直观性、穿越性、发散性与超越性等非线性特征；后者具有严密性、条理性、收敛性等线性特征[8].一方面，大学理科内容往往涉及复杂的结构和过程或学生未曾感知过的事物，学习这些内容时，形象思维显得十分重要,学生很难越过形象思维直接地进行逻辑思维,演示一个图片、一段视频、一个模型或一个实物，其教学效果远胜几十分钟的语言描述;另一方面，理科是关于物质世界的实质和规律的学科，要透过表象看实质、找规律，所以理科工作者必须具有较强的分析、综合、抽象、判断、推理和演绎的能力，这些都属于逻辑思维的范畴.经过中学阶段的学习，大学新生的逻辑思维能力已得到一定发展,但在大学阶段中理科学生的逻辑思维能力还需被进一步地训练，以提升思维的深刻性、全面性、敏捷性、灵活性、独立性、批判性和创造性，这样才能满足大学学习和未来工作的需要.直觉思维是指对一个问题未经逐步分析，仅依据内因的感知迅速地对问题的答案作出判断或猜想[9]，常与“灵感”“顿悟”“预感”等词语相关联，通常被认为是文学和艺术中的重要思维形式,而对于理科学习和工作来说，这种思维在特定条件下也有着重要作用.

认知主体对各个层级和形式的认知有不同的偏好程度，将这些偏好程度的组合称为该主体的认知模式，例如“重记忆轻思维”模式和“重思维轻记忆”模式等.许多理科学生在不同程度上有“重记忆轻思维”的倾向，他们希望教师提供已整理好的知识点、上课所用幻灯片以及题库，然后通过反复的阅读以图记住其中的“考点”.即便是开展思维，也是以“记住”为终极目标,其学习范围也往往局限于教材.另有一部分学生，他们不喜欢机械式记忆，但勤于思考、敢于设疑，阅读面较大，积极参加实践和科研项目,至毕业时，他们的高阶思维已得到了较好的发展.若干事实表明，后一类学生常常能在后来的人生道路上取得更高的成就.

1.4 认知动机对认知模式的影响

认知动机明显影响学习者的认知模式.近景、利己的学习动机常使学习者的认知模式局限于机械性记忆和低阶思维,而远景、利他的动机更容易激发高阶思维，帮助学习者获得真正有用的知识和能力.

理科主要研究物质世界的基本规律，这样的学科性质决定了其教学内容以基础理论为主.一个国家发展理科(或者说自然科学)的目的：一是满足人类的基本认知需求；二是为实用型科学技术提供基础支撑和原始动力；三是为公共事业提供理论依据；四是展示国家实力.若站在国家、社会和人民的角度看，这样的学习和工作充满了价值和意义,而若完全站在个人利益角度看，会认为理科很不实用，若仅是为了得到一纸文凭而努力，终难真正步入科学的殿堂.在一些人看来，自然科学工作是艰苦的：要么是踏冰卧雪、风吹日晒的野外观测，要么是终日在实验室中与药品和仪器为伴.我国科学家们十年如一日的坚守和付出的支撑力是什么？应该是为人民服务的初心和振兴祖国科学事业的情结.这些高尚动机不但支持他们克服了无数的艰辛和困难，也推动他们采用学以致用的认知模式，激发出巨大的科技创新能力，使他们在学术研究和服务社会方面取得了巨大成就.这一实例证明高尚认知动机对改善认知模式的积极作用.

2 对认知规律的运用

2.1 对注意规律的运用

根据学生的注意规律，理科教师在教学中应注重以下方面：(1)做好课前组织和课程导入，从开始就抓住学生的注意；(2)教学过程中要根据教学内容的特点变换教学方法和手段，教学语言的语调、语气和节奏也不能一成不变，这样做可以有效避免单一化带来的沉闷和枯燥；(3)教师的一切教学行为要根据学生的反馈及时调节.一节成功的课，不是一个既定教案的机械化展开，而是一场与学生共同完成的认知活动，贯彻这种原则开展教学，才能使学生注意保持持续的集中.

根据学生在实践教学中的注意规律，建议在教学管理方面，应给予实验课更多的时间自由度.例如，可以让实验课两节或三节连上(4～5小时)，因为如果一次实验课历时仅1～2小时，实验准备还要占去许多时间，学生的注意刚刚集中就已接近下课.如果延长单次实验的时间，则可以充分利用“学生一旦真正投入到实验当中就可以较长时间保持注意”的规律，从而大幅地提升教学效率.

2.2 对思维规律的运用

在大学教学中要注意形象思维在教学中的重要性，不能因为大学生已处于成人阶段而错误地认为他们不再依赖形象思维.钱学森先生曾经指出：“科学上的创新光靠严密的逻辑思维不行，创新的思想往往开始于形象思维，从大跨度的联想中得到启迪，然后再用严密的逻辑思维加以验证.”利用理科大学生观察力强、倚重形象思维的规律，对于涉及复杂结构或过程的教学内容，应加强直观教学，以图片、视频、动画、模型、实物、虚拟现实以及直观语言等直观手段帮助学生进行形象思维.大学理科教师在备课过程中通常较为重视直观教学材料的收集和组织,这是值得肯定的做法.另一方面，我们也应意识到，图片、视频在轻松传递大量信息的同时，它们强烈的感官刺激也给学生留下了关于认知对象的“标准照”式的印象，知识被标准化和模式化了，学生们关于该对象的认知可能会永远停留在对这个“标准照”的记忆中，思维的发散性和创造性被大大地限制.因此，直观教学并不是处处可用的金科玉律.大学教师应在充分分析教学内容的性质和难度以及学生的接受能力的前提下选定合理的教学方法,这正是备课的重要内容.教学过程中，还应注意对直观教学手段的使用时机，并要积极地引导学生从形象思维升华到逻辑思维，及时地将教学活动推向揭示事物本质和规律的层面，让学生能够将根据模式化的认知对象所建立的知识进行泛化和演绎.

3 对错误认知习惯的纠正

理科大学生最为常见的错误认知习惯是“重记忆轻思维”.这种错误倾向主要归因于以下方面：(1)中学时代应试学习思想的“惯性”；(2)部分学生急功近利和放松自我要求；(3)大学阶段的成绩考核制度不尽合理，这又包括“重期末，轻平时”和“成绩评判标准单一”两种情况.为了改变这一现状，建议采取以下三种举措.

首先，要引导学生树立高尚的认知动机，从而引发正确的认知模式.良好的大学教育应该在社会主义核心价值观的引领下，基于国家和社会需求的学科内涵，建立和传承具体的专业价值观念[10]，帮助学生正确认识作为一个理科人的个人价值、个人需求与对国家和社会的责任三者间的关系.引导学生摒弃唯分数、唯升学、唯文凭的传统思想，为实现中华民族伟大复兴的中国梦而学习，以“为国家和人民服务”的认知动机促成“学以致用”的认知习惯.

其次，引导学生通过认识学习的本质实现认知习惯的转变.应让学生意识到学习是人的基本需要，是主动获取知识的过程；进入大学以后，学生们可以抛却“分数至上”的桎梏，在科学世界里自由翱翔，而思维正是飞翔的翅膀；理科学习的目标不仅是记住多少条概念和原理，更应学会分解复杂系统、寻找科学证据和建立科学逻辑的方法，并引导学生体验蕴藏在知识之中和获取知识的过程之中的乐趣.

再次，要改革学习考核制度.针对学生在临近期末时搞突击式记忆的现象，要降低期末成绩在最终成绩中的比重，增加平时成绩的比重.无论期末考核还是平时考核，其内容都应该以学生对知识理解程度及其思维能力水平为重点.考核中应适量地增加论述题、材料题等主观题型的比重，降低填空题、名词解释题等客观题型的比重.

4 对认知能力的培养

在大学教学中，不但要遵循学生认知规律开展教学，而且要将培养学生的认知能力纳入培养目标体系.在认知能力培养过程中应注重以下原则.

4.1 综合化培养原则

认知能力的培养通常是综合的，也就是说在一个教学活动中往往可以同时培养学生的多种认知能力.即便有时可以单独强化某项能力，也应关注多种能力之间的相互关系.

4.2 因材施教培养原则

应充分重视学生在认知能力和习惯方面的个体差异，进行因材施教，即分别施以不同的培养路径和方法.最理想的教学是基于每个学生的认知特点和水平设计不同的学习活动和教学方法，使每个学生按各自的方式去理解和接受知识.在传统工作中，这种差异化教学由于工作量巨大而难以真正开展.不过，近年来出现的线下线上混合式教学为开展差异化教学提供了若干有利条件，让这种教育理想有可能成为现实.

实施因材施教时，还应避免 “只扬其长，不补其短”的误区.社会生产对劳动者的各项认知能力是有底线要求的，一个人的某种认知能力存在短板，即便其他认知能力很强，其短板最终会影响其事业发展.所以，不仅要引导个体发挥认知能力方面既有的长处，还应察觉个体的认知能力短板并助其补足这些短板.

4.3 以用促能培养原则

专业知识学习是提升认知能力的载体和途径.学习的过程就是高级的认知过程，就是使用认知能力的过程，能力在使用中得以增强.引导学生在学习中合理使用各种认知能力即是对认知能力的培养.

4.4 认知能力培养的相关案例

结合一个案例来阐释这三个原则.植物种类鉴定是生物、地理、生态等专业的重要实践教学内容.其过程一般是：①整体感知植物标本，判断它属于什么门和纲；②对其根、茎、叶、花、果实的显著特征进行观察，对这些特征进行抽象，把抽象结果与记忆中各科的主要特征进行对比，综合判断它属于哪一科；③根据属种检索表确定它是何属何种.上述三个原则在该教学中的体现如下.首先，该过程体现了认知的综合性——步骤①中使用了直觉思维，步骤②涉及抽象、分析、综合和记忆，步骤③涉及抽象、比较和综合.所以，这个教学中要注重对多种认知能力的综合训练.其次，在教学中发现，学生的表现差别很大，例如，在步骤③中，部分学生喜欢将标本与图鉴上的植物图片进行比对，而另外的学生则喜欢使用文字化的检索表,这些差别的背后是学生认知习惯的差异.所以，在这种教学中要特别注重因材施教.再次，这种实训的根本目的不仅是让学生记住哪个植物属于什么类群，也不仅是让其巩固对植物科属特征的记忆，而是让其通过使用系列认知能力来提升这些认知能力，这即为以用促能的思想.然而，近年来，出现了若干种基于智能手机的植物识别软件，通过对植株拍摄照片就可得到貌似正确的植物名称.有些学生在实训中十分依赖这种技术，看起来轻松快捷，事实上他们错失了提升认知能力的机会.

5 认知能力培养的代表性模式

认知能力培养最为有效的模式是以学生为主体的教学.例如，可以将具有“科学背景深厚、学术观点纷杂”特点的教学内容设计为“导读-研讨”的教学模式，其教学案例如表1所示.

表1 “导读-研讨”教学模式典型教学案例

在这种教学模式中，学生成为求知路上的探索者，而教师则走出“真理代言人”的角色成为学习向导，既要带路又要与学生共同面对求知路上的难题.提倡生生平等和同学间的帮助和激励，每个成员既能发挥自己的能力长项又能积极地带动团队其他成员的能力发展.

在这种教学模式中，学习是一个内外因共同驱动的认知过程.在上课的开始阶段，学生的认知活动在某种程度上是外部驱动的，即服从于教师的要求和调度，而在中后阶段，发现问题和解答问题(自己的和别人的)成为认知的动机，在其牵引下主动获取和处理各种信息，不断对既有知识进行重构、细化和扩张.在围坐研讨的情景中，交流、质疑、解答和辩论及其衍生的相应情绪和情感，自我效能感、成功带来的满足感、对团队的责任感、同伴的激励、对手的竞争等，这些都成为推动学生认知并提升其认知品质的力量.

“导读-研讨”教学模式让知识学习回归知识产生的源头.在这样的教学中，学生对知识的认知被放回到知识产生的学术背景，联系具体问题来理解知识，让其了解人类如何在科学实践中通过反复观察、实验和思辨而不断地逼近真理.更深远地看，这是培养学生学会用辩证思维来看待和解决今后生活和工作中遇到的各种复杂问题的方法.

6 结束语

本文从神经层级、心理层级、语言层级和思维层级系统分析了理科大学生的认知规律，提出了运用学生注意规律和思维规律的教学改革策略以及对错误认知习惯的纠正方法.认为高尚的认知动机有助于理科大学生改善认知模式.在认知能力培养中应该注重综合化、因材施教和以用促能三个原则.“导读-研讨”式教学是培养学生认知能力的有效模式.