張丙香+畢華林

摘要：中學生科學概念心智模型的類型對概念理解有著重要意義。心智模型既是個體對外在事物內(nèi)在表征后形成的概念框架，又是一種動態(tài)的內(nèi)在運作機制。中學生科學概念的心智模型多是不完善、不斷發(fā)展的，具有階段性，它影響著個體對外在事物進行描述、解釋和預測的行為與方式。

關鍵詞：中學生；科學概念；心智模型；文獻研究

文章編號：1005–6629（2017）10–0006–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

個體對環(huán)境的理解歷來是科學家感興趣的課題，由此發(fā)展出來很多概念，比如分類、圖示、信念結構等，心智模型也是這樣一個概念。雖然學生科學概念的研究已有上百年的歷史，但是這一領域的研究在國際上依然煥發(fā)著強烈的生命力，其中一個重要的研究內(nèi)容主要涉及到學生概念在頭腦中的存在方式，學生科學概念心智模型就屬于這一研究領域。

心智模型理論認為，學生對科學概念的理解和后續(xù)學習會受到學生原有的科學概念心智模型的明顯影響，因此了解學生的科學概念心智模型對概念教學具有重要意義。鑒于國內(nèi)對科學概念心智模型的研究還處于起步階段，因此有必要梳理一下相關的概念和理論。

1 中學生科學概念心智模型的界定

1.1 模型的含義

在科學教育中，人們會經(jīng)常提到和用到模型（也稱為科學模型）進行交流，如化學中的原子分子模型、理想氣體的運動模型等。孫可平進行了系統(tǒng)總結：（1）模型用來描述一個物體、現(xiàn)象、事件、過程、系統(tǒng)或者某種觀念?；蛘哒f，模型是所研究的目標事物的一種呈現(xiàn)方式。（2）模型是與某種物質(zhì)現(xiàn)象或者系統(tǒng)相匹配的概念化系統(tǒng)。具體說，模型是表達某現(xiàn)象或者系統(tǒng)的結構和功能所呈現(xiàn)的特定圖景（pattern），它可能是一種描述、解釋或者預測。（3）模型也是一種心智存在形式，它是人們依據(jù)特定的科學理論所形成的心理圖式（schema）。它是人們根據(jù)有關世界的知識以及他們建構模型的能力建構出來的。（4）模型是科學探究過程中的一種有效的研究工具。它是可以產(chǎn)生預測和解釋的一個具有呈現(xiàn)方式、規(guī)則和推理結構的系統(tǒng)[1]。

可見，科學教育中的模型不單單是實物模型，也不是僅僅指向類似原子結構那樣的思想觀念，更多的是作為一種科學研究方法，強調(diào)了人們的心智活動與客觀世界關聯(lián)，或者是科學理論與個人的經(jīng)驗世界的關聯(lián)。對科學教育者而言，模型可以幫助學習者將宏觀現(xiàn)象和微觀本質(zhì)及相關的知識聯(lián)系起來，通過模型的使用進一步完善個體的心智發(fā)展。

模型的類別有很多種，其中吉爾伯特等人根據(jù)模型的本體地位，對模型進行了劃分，以說明模型的功能[2]。

（1）心智模型（mental model）：心智模型是私人且個人化的認知表征，它是由個人所形成的。對其他人而言，它是無法接觸的。

（2）表達模型（expressed model）：為了使個人的心智模型能夠與他人溝通，模型需要置于個人或群體的公眾領域，并且在與他人的互動過程中，予以表征和使用。

（3）共識模型（consensus model）：在討論與實驗之后，不同的群體均同意“表達模型”是有用的，因此，原有的表達模型就成為共識模型。若群體是個體特定領域的科學社群，并且是科學中最為重要的一部分，則可稱為科學模型（scientific model）。

（4）歷史模型（historical model）：這些共識模型是在特殊的歷史情境中產(chǎn)生，并且隨后可被取代。換句話說，若是模型發(fā)生取代的過程，則被取代的模型可稱為歷史模型，歷史模型仍然能被使用，因為它仍可以作為特定目的的解釋。

（5）課程模型（curricular model）：若是將歷史或是科學模型予以簡化包含入正式的課程，即為課程模型。

（6）教學模型（teaching model）：通常共識模型、歷史模型和課程模型是非常難產(chǎn)生的，而教學模型則是可藉由教師或學生來發(fā)展以促進理解這些模型發(fā)展的歷程。

（7）混合模型（hybrid model）：藉由合并每個不同模型的特征，而用于課程與課堂的教學，猶如它是一個具有一致性的整體。

（8）教育學模型（model of pedagogy）：教師在課堂中使用的模型，其考量科學的本質(zhì)、科學教學的本質(zhì)和科學學習的本質(zhì)。

邱美虹認為，模型是用來表征現(xiàn)象、概念、過程、事件或物件等，它可以以不同的表征形式來呈現(xiàn)（如圖像、文字、符號、肢體動作等多元方式），以達到不同的功能與目的（如解釋性、描述性、溝通、模擬、抽象化、預測性、推理性、問題解決等）。盡管對于模型有很多不同的解釋，但在這些不同之中有個公認的核心意義，那就是模型代表現(xiàn)象、概念、過程、事件等在某種情況下所呈現(xiàn)的表征。一般來說，模型常被視為一個物體、事件、想法或者現(xiàn)象的表征。

1.2 心智模型界定

心智模型（mental model），有時也稱之為心智模式，最早由蘇格蘭心理學家克雷克提出。他認為個體心智構建現(xiàn)實的“小型模型”，以預測事件、進行推理或者把它作為解釋的基礎。就像是一個工程師為了建造一個建筑物，通常會先制造一個和實物建筑比例相同的縮小模型一樣，這樣可以預測所面臨的問題[3]?？死卓说男闹悄Ｐ涂梢钥醋魇峭庠谑澜缭谛闹侵薪?jīng)過簡化的縮影，是為了預測及推論而產(chǎn)生的?？死卓苏J為心智模型是一種動態(tài)的表征或對世界的模擬[4]。

雷德認為心智模型是人們體會、了解某個特定知識領域的管道或方式，也是認知過程中不可或缺的心像元素，因此心智模型扮演著一個直接表征或類比的角色，其結構反映出事物的相關狀態(tài)[5]。雷德強調(diào)心智模型是特別的表征而非一般的命題，并且會產(chǎn)生心像。諾曼也指出，心智模型是個人與事物互動所產(chǎn)生的內(nèi)在表征[6]。

沃斯尼亞杜和布魯爾認為心智模型是為了回答、解決問題或處理某種狀況所產(chǎn)生的動態(tài)結構，其源自于概念結構并受其限制，故認知心理學家與科學教育者常使用心智模型探討抽象的概念內(nèi)容[7]。沃斯尼亞杜認為，心智模型是指心智表征的特別形式，是個人在認知過程中產(chǎn)生的類比表征，且其可以保存提供表征之事物的結構[8]。因此，心智模型可能是不正確的，而且它因人而異。endprint

瑞凱等認為心智模型是在自然或者人為認知的體系中，對外在事物的一種動態(tài)符號的表征[9]。不論是在問題上還是在方法上的知識在心智模型之下都可做預測與推理。

邱美虹認為，心智模型是長時記憶中的元素與外界環(huán)境或刺激物交互作用所產(chǎn)生的內(nèi)在表征，因此它會隨外在人、事、物等異動而改變，因此具有動態(tài)變化特質(zhì)[10]。呂曉俊認為，心智模型是一個相對持久的動力系統(tǒng)，在對社會事件進行描述、歸因和預測活動中體現(xiàn)出來的有關社會事件的知識和信念，以此作為啟發(fā)式的行為決策的基礎。其主要內(nèi)容體現(xiàn)為結構化的知識和信念[11]。

圣吉在《第五項修煉》中也使用了心智模型這一概念。圣吉認為，心智模型是一個深植于我們心靈之中，關于我們自己、別人、組織以及世界每一個層面的形象、假設和故事。就好像一塊玻璃微妙地扭曲了我們的視野一樣，心智模型也決定了我們對世界的看法。心智模型可能是簡單的概括性看法，如“人是不可信的”；也可能是復雜的理論，如“有關人與人之間互動方式的假設”。他還認為，對一個人的學習而言，最重要的是心智模型的改變，并提出了行動學習的MBP模型，即心智模型決定行為，行為決定業(yè)績[12]。圣吉的這一觀點引起了很多研究者的關注，引發(fā)了很多關于在教育中如何完善心智模型的研究。

1.3 分析討論

要對心智模型下一個嚴謹?shù)谋桓鞣N觀點都認可的界定是比較困難的，比較重要的是借助于心智模型的理論，更加清楚地了解學生的想法，在此基礎上，更好地改進教學，這才是我們應該關注的。

鑒于此，我們從各種觀點中，尋求研究者們對心智模型的一些共識：心智模型是一種由各種內(nèi)在表征形成的復雜的概念架構，能產(chǎn)生心像，具有動態(tài)結構，可以作為一種解釋性與預測性的工具；相對于專家的心智模型，學生的心智模型通常是不完善的并且不斷發(fā)展的，這種發(fā)展和學校教育具有密切的關系。正如有的學者所認為的，個體的心智模型是一個不穩(wěn)定的不斷修正的動態(tài)系統(tǒng)，個體必須經(jīng)由不斷的修正逐漸逼近或達到理想中的心智模型[13]。心智模型如符合需要，就會不斷被強化而變成一種穩(wěn)定而能被快速提取使用的技能，反之，如果不符合需要，也會被修改為別的心智模型。因此，心智模型是一個新舊知識綜合作用的產(chǎn)物，是一個動態(tài)的結構，反映了對外在世界的理解。

基于以上認識，我們認為，心智模型不僅是個體對外在事物內(nèi)在表征后形成的概念框架，同時也是一種動態(tài)的內(nèi)在運作機制，影響著個體對外在事物進行描述、解釋和預測的行為與方式。概念框架是指對概念相關因素或概念構成因素的關系的認識與建構，由于個體的知識經(jīng)驗的限制，心智模型多是不完善的，但隨著知識的增加，心智模型也會不斷完善，因此具有發(fā)展的階段性。心智模型既有靜態(tài)的含義也有動態(tài)的含義。從靜態(tài)角度上分析，它是內(nèi)隱地存在于長時記憶中的概念框架，個體對外在事物的理解都與此密切相關，既是已有學習的結果，也是學習新知識的基礎。從動態(tài)角度分析，它是一種內(nèi)在運作機制，影響著個體對知識的提取和使用，決定了個體以何種方式對外在進行描述、解釋和預測，會產(chǎn)生什么樣的認知行為。

2 中學生科學概念心智模型的形成機制

2.1 科學概念心智模型形成機制的綜述

諾曼認為個體的心智模型是不準確的、不一致的、持續(xù)修改的、功能受限的[14]?？茖W家心智模型的概念化就是將科學家心智模型中的科學概念通過普適化的規(guī)則、符號轉換為外界存在的概念模型，因此概念模型是經(jīng)由科學家、設計師或者教師等創(chuàng)造出來的。而這個概念模型具備準確性、一致性和完整性，因而可以通過分析專家的心智模型，提煉出其概念模型，成為學習者的指標體系。個體經(jīng)過學習，將指標體系轉化為內(nèi)在表征，從而形成心智模型。個體的心智模型相對于專家的心智模型而言，往往是不準確、不一致的，個體的學習過程就是心智模型不斷持續(xù)修改，逐漸完善逼近科學家的心智模型的過程。因此諾曼認為在探討心智模型時，必須要注意如下圖所示的四項事物：指標系統(tǒng)；外在世界的概念模型；個體本身的心智模型；科學家的心智模型。

雷德認為通過知覺、想象等形成概念，不同概念間的相互作用形成一種復雜的概念架構即心智模型[15]。概念和信息來源之間存在一個中間狀態(tài)——次概念單元。因此心智模型由很多概念組成，并受到外在信息或表征的影響，并具有層次性。

克萊門特認為，學生的已有概念和推理技能會對學生科學心智模型的形成有一定影響 ，經(jīng)過科學學習后，學生的心智模型會不斷改善，最終形成與專家一致的心智模型[16]。那么目標模型是否就是專家一致模型呢？按照克萊門特的觀點，目標模型是教師設計的結果，因此由于教師觀點的影響，目標模型或許會有異于專家一致模型，于是克萊門特特意做了區(qū)分?？巳R門特對心智模型形成的理解既考慮了學生已有知識和推理的影響，又考慮了教師已有知識的影響，并且注重心智發(fā)展的階段性。

加斯特和吉爾伯特指出，心智模型的架構是一個非線性的過程，由多個步驟組成[17]。第一步，明確建構心智模型的目的。第二步，根據(jù)目的產(chǎn)生心智模型，這受到可用的信息資源和已有知識經(jīng)驗的影響。第三步，建構心智模型的外在表達模型，即包括選擇合適的表征方式，產(chǎn)生要表達的模型。表達模型的表征方式可以是物質(zhì)的、視覺的、口語的或是數(shù)學的，表達模型的外顯過程可以看作是心智模型周期性的發(fā)展過程，因為對心智模型的外部表達會造成心智模型的持續(xù)修改。第四步，實施思想實驗：在心理上對心理模型和表達模型進行測試，故稱為思想實驗。第五步，進行實證測試，論證心智模型的有效性，并且是適合存在的資源。第六步，完成目的，如果模型被證明是成功的（就確定的目的來說），就要考慮它的范圍和局限。第七步，如果第四步或者是第五步不成功，就是說模型不能解釋給定現(xiàn)象的某一方面，也不能做出預測，那就必須修改模型或者是提出一個新的模型。從他們的觀點來看，心智模型的建構是一個曲折反復的過程，并且會受到外在信息資源和自身元認知能力的影響，并且認同表達模型對心智模型的影響。endprint

巴克雷認為，心智模型的建構是一個動態(tài)循環(huán)的過程，包含形成、強化、修正和廢除四方面。之后，又增加了“上位模型”和“現(xiàn)象”[18]。

巴克雷認為，當人們面對一定的問題情境時，先在工作記憶中形成一個心智模型用來解決問題，若能成功，心智模型得到強化，若不能成功，人們就會修改或廢除這一心智模型，從而用其他心智模型來解釋。人們的心智模型就是在不斷循環(huán)運作下得以精致化的。她認為，評估對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軟環(huán)境。這和加斯特和吉爾伯特提出的思想實驗和建立心智模型的資源具有異曲同工之妙。

2.2 分析討論

對于心智模型的形成，如果從教學的角度來看，克萊門特的心智模型圖能較好地體現(xiàn)心智模型發(fā)展的階段性。如果從心理機制角度看，巴克雷的心智模型圖能較好地解釋心智模型是怎樣不斷完善的，而諾曼的心智模型圖則更好地說明了學生心智模型的特點，雷德的心智模型圖則注重心智模型與概念關系的說明。對于心智模型的形成機制，盡管從不同的視角有不同的觀點，但從這些論述中可以看出一個共同點，即科學概念心智模型的形成是動態(tài)的，是不斷完善的過程，具有發(fā)展的階段性，這就合理地解釋了為何學生的概念學習會出現(xiàn)相異構想，也為科學概念學習進階的研究提供了理論依據(jù)。

3 中學生科學概念心智模型的特點與功能

雷德的心智模型理論認為心智模型是容易有缺陷的，或許包含著對立甚至錯誤和不必要的概念。學習者建構知識的過程中由于自身認知的限制，會建立一些和科學理論不相同的想法，會綜合感官信息和過去經(jīng)驗，來理解外在世界。

諾曼觀察了許多人從事不同作業(yè)時所持有的心智模型，歸納出心智模型具有六個互相聯(lián)系的特點：（1）不完整性（Incomplete）：人們對于現(xiàn)象所持有的心智模型大多都是不完整；（2）局限性（Limited）：人們執(zhí)行心智模型的能力是有局限性的；（3）不穩(wěn)定（Unstable）：人們經(jīng)常會忘記所使用的心智模式細節(jié)，尤其經(jīng)過一段時間沒有使用它們；（4）沒有明確的邊界（Boundaries）：類似的機制經(jīng)常會相互混淆；（5）不科學（Unscientific）：人們常采取迷信的模型，即使他們知道這些模型并非必要的；（6）簡約（Parsimonious）：人們可以透過心智模型而省去一些行動。

弗朗克等對心智模型的研究進行了綜述后，認為心智模型的關鍵屬性是：（1）心智模型具有衍生性：是指利用心智模型產(chǎn)生預測及新想法；（2）心智模型牽涉到默會知識：是指心智模型的擁有者并不能覺察到他的心智模型的每個建構面向，不能覺察到它的使用；（3）心智模型是綜合的：心智模型是以一個對目標系統(tǒng)或事件簡化過后的表征組成的，表征并不是完全復制，需要有意識或無意識地去選擇什么樣的表征觀點要被呈現(xiàn)，什么需要被省略[19]。為了發(fā)展目標表征，一些觀念或部分被隔離和抽象化，也就是被簡化。綜合的特征指的是整體形式的表征；（4）心智模型被個人的世界觀所限制：受到先前知識經(jīng)驗的限制。

瑞凱等對于心智模型功能有近乎完美的綜述，他們認為心智模型具有三大功能：（1）對一個系統(tǒng)產(chǎn)生何種目的及系統(tǒng)的結構內(nèi)容做詳細的描述；（2）提供一個系統(tǒng)具備何種功能及處于何種狀態(tài)的解釋；（3）對于某種系統(tǒng)的未來狀態(tài)作出預測[20]。即目前比較公認的心智模型的三大功能：描述、解釋和預測。

以上論述表明，個人的心智模型是內(nèi)隱的，多是不完善的，但不論個人是否意識到心智模型的存在，不論個人的心智模型是否完善，它都具有一定的功能性，會影響個人對外界的描述、解釋和預測，從而做出一定的判斷和選擇。

4 研究總結

中學生科學概念的心智模型與概念理解水平密切相關，隨著概念理解的逐漸深入，心智模型也會逐漸完善。如果個體的概念理解越深刻，那么在進行問題解決時，就會基于問題的核心特征而不是表面特征，那么他們就會使用特定的心智模型解決問題。如果個體對概念的理解是膚淺的，那么他們在進行問題解決時，心智模型的使用就會基于問題的表面特征和已有的知識經(jīng)驗，已有經(jīng)驗的不完善性和問題表面特征的變化會使得學生使用不同的心智模型解決問題，就會出現(xiàn)心智模型的不穩(wěn)定性。因此我們認為，心智模型和概念理解、問題情境等相關，如果概念理解越深刻，那么心智模型越穩(wěn)定，在遇到相似的問題情境時，使用相同心智模型的幾率就越高。

科學概念心智模型的發(fā)展具有階段性，是一個不斷完善的過程，不論科學概念心智模型類型有多少，總的來講，都可以劃分為三大類。第一類是初始模型。這是一種基于日常生活經(jīng)驗產(chǎn)生的心智模型，不受科學模型的影響。第二類是混合模型。這是初始模型和科學模型的中間模型，既有日常經(jīng)驗的影子，也有科學解釋的影響。第三類是科學模型。個體具備與科學觀點一致的心智模型，但這并不意味著個體具備了科學概念，其他的心智模型就會消失，他會根據(jù)情境的不同而自動選擇使用某種心智模型。科學概念心智模型的階段性也為我們的教學帶來了啟示，讓我們有意識地去了解學生概念理解的階段性，并據(jù)此進行教學設計以更好地幫助學生。

由于科學概念心智模型對中學生的科學概念學習具有重要意義，所以現(xiàn)代認知心理學主張從心智模型視角來描述理解的本質(zhì)：“理解意味著擁有關于概念、任務或現(xiàn)象的一個內(nèi)在心智表征或心智模型。[21]”科學概念心智模型的類型會深刻地影響學生問題解決的方式，影響到他們獲得新知識的方式，因此與其分辨學生是否理解概念，還不如去詳細分析說明他們所具有的概念表征，后者應該更加有效。由此可見，概念心智模型的研究逐漸引發(fā)了科學教育界的重視，而對此的研究還有待于進一步的深化。

參考文獻：

[1][16]孫可平.科學教學中模型/模型化方法的認知功能探究[J].全球教育展望，2010，39（6）：76～81.

[2][10][18]邱美虹.從科學學習的觀點探討模型與建模能力[J].科學教育月刊，2008，314（11）：2～20.

[3][11]呂曉俊.心智模型的闡釋：結構、過程和影響[M].上海：上海人民出版社，2007：6～7.

[4][7][20]陳婉茹.探討動態(tài)類比對于化學平衡概念學習之研究——八年級學生概念本體及心智模式之變化[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2003.

[5][6][15]張志康.從概念改變理論探究建模教學對學生力學心智模型與建模能力之影響[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2009.

[8][19]吳怡.跨年級學生氣體心智模型演變歷程之探究與分析[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2007.

[9][14]鐘曉蘭.以多重表征的模型教學探究高二學生理想氣體心智模式的類型及演變的途徑[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2007.

[12]賀雯.了解學習——學業(yè)心智模型的構建和測評[M].北京：北京大學出版社，2011，80～81.

[13]廖國志.以心智模型理論分析科學實習教師的專業(yè)表征[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2001.

[17] Gilbert， J. K.， & Treagust， D. Introduction： Macro， Submicro and Symbolic Representations and the Relationship Between Them： Key Models in Chemical Education. In J. K. Gilbert & D. Treagust （Eds.）， Multiple Representations in Chemical Education. the Netherlands：SPringer， 2009：1～8.

[21]呂林海.數(shù)學理解性學習與教學研究[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2005.endprint