儿童是知识的建构者

    认知科学是一门包含多个研究领域的综合科学。本章的目的不是全面地探讨或叙述这个综合领域的发展过程,我们的目标在于说明认知心理学、脑科学及科学教育研究的最新成果是如何支持在小学阶段进行以探究、研讨为中心的科学教学法的。

第一节儿童是知识的建构者

一、人脑是如何工作的?

    我国教育界有个传统的说法,叫做“要给学生一碗水,教师自己必须有一桶水”。这可能反映了人们对教师的一般看法或期待,即为师者必须比学生的知识丰富得多。有人因此而进一步推论,认为学生的大脑好比接水的容器,知识好比流水.它从教师的大脑通过一定的管道流入学生的大脑,单位时间里的知识流量越大,教学的效率越高。这大概便是所谓“填鸭式”教学的理论基础吧。

    然而,近几十年来认知科学的研究成果却给我们描绘了另一幅完全不同的人脑学习流程图:人脑的内部不像一只空洞的暗箱,它的活动并非像往空瓶里注水那么简单,也不像照相机将外界事物直接摄入镜头并存储在胶片上。众所周知,人脑是由神经细胞组成的,神经元包含细胞体(轴突和树突),由突触互相连接,形成神经网络。据估计,人脑大约有1000亿个神经元,每个神经元通常与100010000个其他神经元互相连接,也许更多。多数动物出生时脑内神经元及其神经元之间的联系犹如事先编好程序的计算机,从而使这些动物知道如何获得食物,繁衍后代。但人类的新生婴儿却有所不同——除了很少数的反射性机能(如吸吮母乳等),绝大多数知识或技能都是通过后天学习而获得的,这使人类几乎能够在任何一种环境下生存发展,并始终适应周围环境的变化。人脑在刚出生时重量只有成人脑重量的三分之一。现在我们知道人的大脑在出生后的前几年一直在成长,但这种成长并不是生成新的细胞,而是脑细胞本身及其与其他细胞之间的新联结的生成。

    外界刺激通过人的感觉器官(眼、耳、鼻、舌、身)传向中枢神经系统,并形成某种神经元联系模式,因信息的种类不同,被触发的神经元在脑内的部位以及神经元之间的联系模式也不同。例如:由对物体的形状、气味而产生的感觉及对语言的感觉将分别被储存于不同区域(参见图21),即使在语言区内,语言信息的含义、结构则又进一步决定该区内的哪部分神经元或何种神经元联系的形成。所以说,一个人学习新知识的过程,也就是某种对应的神经网络模式建立的过程,如果这种模式由于某种刺激而重新被激发,便是我们通常所说的回忆,对某事物的成功回忆表明学习者“记住了”或“学会了”某种新知识。有的科学家认

为凡存人长期记忆库的信息是不会遗失(即通常所说的遗忘)的,决定信息能否被成功回忆的关键是找到激活某一神经元网络联系模式的合适“通道”——对某一事物记录下的信息(如声音、气味、颜色、构造等)越丰富,激发原神经元网络联系模式的通道就越多,回忆的过程也就越顺利。

    人脑的分布式记忆的模式说明,人们“回忆”往事或“学会”新知识的过程是一个将记录下的信息重新组装的过程,而不是将原信息简单“拷贝”。这就有力地支持了目前较流行的建构主义学说,即“儿童是知识的建构者”。将这种认知模式运用于教学,最大的变化就是将传统单一的以教师讲授为主的形式改变为丰富多彩的学生主动学习、建构的模式,包括强调动手、动脑以探究为中心的教学方法。例如,受美国国家科学基金会支持的几套最新的中小学(K~8)科学教材都是以动手做和科学探究为主要特色的,如《小学科学与技术》(Science and Technology for Children),《科学教材精库》(Full Option Science System)和《运用你的洞察力》(Insights)等。很多教研结果已经或正在展示这种改革的成果。
  二、建构主义对儿童学习科学过程的解释
    所谓建构主义学说,并非近年来才发展起来的一种全新理论,探讨其历史渊源,人们可追溯到18世纪一位意大利哲学家维科(Giambattista vico)的鲜为人知的论文,其中阐述了这样一个观点,即一个人只能知道或了解他/她自己建构的知识结构,
换句话说,每个人总是试图从感觉器官感受到的混乱信号中寻求模式或顺序,从而建构他/她自身对世界的认识和理解,由于个人经历、背景及其他生理结构的差异,各自建构的知识或对世界的理解也就不同。目前所讲的建构主义,通常是对几种认知流派(如皮亚杰、维果茨基、布鲁纳、杜威等)的综合,同时也得到了最新脑科学研究结果的支持。因此,把建构主义看成一种单一的理论是不合适的。例如:维果茨基注重学习的社会性,而一些激进的建构主义学说支持者(如Ernst Von Glaserfeld)因过分强调学习者自身对知识的建构而不承认真实世界的可知性,同时相对保守一些的建构主义者则倡导运用建构主义学说的原理帮助学生建立更精确、更深刻、更合理的概念。图2—2显示了建构主义与传统认知学说的对立统一关系。

 

 

 

 

    按照建构主义理论,学生是整个教学过程中的“主角”和“中心”,教师是教学活动的组织者和引导者,为学生建造自己的“知识结构”而架桥铺路。这就像学生要建造一座房子,一个好的教师应该是一个建材超市的经理,为学生提供各种建筑材料,帮助他们设计草图,开办训练班,然后让学生自己动手去“建造”自己的房子。而不应该是一个房地产的经济人,先让工人把房子盖好,然后再卖(教)给学生。
    ⒈皮亚杰的贡献
    在美国教育界流传着这样一段我国名言:“耳闻易忘,目睹为实,躬亲则明。”从英文字面直译为:“我听过的信息易于忘记,我见过的事物便于牢记,惟有我亲自动手或亲身经历过的事件才是我真正理解的东西”。在认知科学领域任何关于儿童学习的讨论都要首先提及皮亚杰(1896—1980)的研究。从1920年至1980年,皮亚杰在近60年的时间里,观察、面谈和测试了不同年龄段的儿童,发表了40多部长篇著作及100多篇关于儿童思维研究的论文。皮亚杰基于他早期对软体动物的深入研究,从生物学的角度提出了如图2—3所示的描绘一般学习过程的模式:
    作为主动学习者的儿童,其学习过程可理解为不断同化和顺应的过程。同化包含着对输入的信息进行识别、处理,使它最大限度地与个体已有的认知结构相适应。其结果是把从环境中得来的信息经过重组,结合到已有的认知结构中去。每个人由于背景知识及经历的不同,对同一信息的处理或理解也不同。比如:一块石头在儿童看来可能是一个玩具,在泥瓦工看来可能是一座房屋的奠基石,在雕刻家看来则可能是一件有潜力的雕刻品等。
    当输入信息与个体现有的认知结构不相符合,从而造成不平衡,这时个体必须修改原认知结构以便建立一个新的平衡状态,这种过程称为顺应。皮亚杰认为顺应、同化的过程包含知觉、学习和动机(或兴趣)的成分。当感官输入和现有认知结构之间具有中等程度的不符合时,个体兴趣最大。当个体对某个事件已完全了解,便失去了学习的动力。一个崭新的事件,当与一个人的认知结构毫无关联因而对这个人毫无意义时,也同样是不被感兴趣或不被同化的。从这种意义上说成功的教育,关键之一是营造一个使学生保持“好奇”和兴趣的环境,以驱动他们去探究、发现周围世界,从而不断地组织、建立和发展认知结构。
    与皮亚杰的儿童学习模式相类似,图2—4描述了一种目前较流行的解释儿童学习过程的流程图。
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    例如:课堂上,一群学生正在分组讨论教室里事先布置好的几个不同物体的温度差问题:当他们用手分别触摸桌椅的金属部位、木质表面、泡沫塑料块表面及一只棉手套的内部时,明显感觉到一些冷热程度的差异。由此导致的问题变成为:为什么会有这种感觉差异?(这是流程图2—4的第1步)这时学生们可能会立即给出该问题的答案——因为这几个物体表面(或内部)的温度各不相同。这个答案直接来自学生的日常生活经验,比如,冷天的温度低于热天的温度,冷水的温度低于热水的温度等。(这是流程图2—4的第2步)教师为每组学生提供了几只温度计,让他们同时测量这几个物体的温度,但在测量之前必须先对他们的温度高低作出

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

预测(这是流程图2—4的第3步),学生对前述的几个物体进行实际温度测量并与预测结果相比较(这是流程图2—4的第4步),但测量结果大大出乎学生的预料之外,即上述不同物体的温度几乎完全相同,学生不愿轻易相信这一结果,他们继续对教室内外不同地点的不同物体进行温度测量,仍然发现没有差别。这时便达到了流程图2—4的第5步:学生认识到人体对物体的冷热感觉不同除了与被接触物体的表面温度有关之外,一定还有其他的因素。教师要求学生继续回忆一些让手感觉到“冷”的其他场合。其中某学生回想起将玩过雪球后的手插入室温下的水盆里时的感受,当用手直接接触室温下的水时,通常情况下手会感觉到“凉”,为什么玩过雪球后的手却感到室温下的水是“热”的?(这就回到了流程图2—4的第2步),这时教师开始引导学生从新的角度来解释先前的现象:即人手接触雪球后总感到“冷”是因为热能从人手传入雪球(人体温度高于雪球温度),而玩过雪球后的手置于室温下的水中感到“热”是因为热能从水传入人手(水温高于刚玩过雪球的手的温度),如果事实果真如此,那么与泡沫塑料块相比,手与金属接触后是否有更多的热能传人金属?手与金属接触后的温度是否低于手与泡沫塑料块接触后的温度?如此探究、讨论不断深化,以帮助学生建立科学概念。
    2.维果茨基的“最近发展区”概念
    维果茨基的认知理论的建立在很大程度上受皮亚杰的建构主义及马克思哲学的影响。一方面,维果茨基赞同皮亚杰关于儿童是知识的建构者以及儿童的智力、思维发展具有阶段性等思想;同时,他特别强调学习的社会性,即人的思维的内容和过程都不可避免地受社会、文化的影响。在维果茨基看来,儿童学习的过程是一个不断地将人类社会知识内化的过程,因而教师、家长及社会因素对儿童的成长至关重要。
    维果茨基对建构主义理论的重要贡献之一是他提出的“最近发展区”概念,即儿童的独立思维和操作能力与在他人(如教师、家长)协助下能达到的水平之间的差距。儿童学习的过程,也就是其“最近发展区”不断上移的过程。教师的任务在于思考如何在儿童的“最近发展区”内对儿童的学习给予恰到好处的帮助与支持。
    3.科学教育中的概念转变模型(CCM)
    与皮亚杰和维果茨基的理论相一致,帕斯纳(Posner)和他的同事从认识论的角度,提出了一种基于建构主义理论的帮助人们认识儿童的概念发展与转变过程的概念转变模型(conceptualchange model,简称CCM)。帕斯纳将学生头脑中概念的建构及其联系比作一个动态的生态体系,概念的转变过程必须在这个概念生态系中进行。根据CCM模型,儿童学习科学的过程可看作是一个由新概念替换旧概念的过程,与科学史中科学概念和理论体系的建立发展过程相类似。为了帮助学生较成功地实现新旧概念的转换,必须满足以下几个条件:
    (1)学生必须对原有概念首先产生不满,由不满而产生“思变”的欲望。
    (2)新的概念必须在学生看来是明白的、可理解的。
    (3)学生能够运用新的概念解决问题,并以此解释学生原有概念所能解释的所有现象。
    (4)学生能够运用新的概念解决更多的问题,并以此解释其他更多的、学生原有概念不能解释的现象或事件。
    以CCM为理论基础的教学模式大致遵从以下顺序:首先,运用不同诊断方式(参见第4章)获得尽可能多的关于学生的已有知识水平以及各种可能的错误概念方面的信息;然后运用该信息设计具体教学过程,比如通过“差异性”活动让学生观察与自己预想完全不同的某试验的结果,从而导致学生有受好奇心驱使进一步探究的欲望,同时帮助学生意识到科学的概念比他们自己原有的概念更合理,并能解释更广泛的事实或现象;最后,通过学生自我评估和教师评价相结合的方式检测学生是否实现了从非科学概念到科学概念的转变。这一教学程式与第3章讲到的“学习循环”模式是一致的。
    帕斯纳的CCM模型在科学教育界引起很大反响,并由此激起了一大批理论研究和教学研究活动。多项有关CCM教学模式的研究结果表明它在增进学生对科学概念的理解及提高学生对科学的兴趣等方面有显著成效.但同时也有研究论文报告了运用该模式教学时遇到的困难。比如:在课堂中很难用某个“差异性:活动让全班所有同学都达到一种“认知冲突”(即活动或实验结果与学生原有知识相矛盾),而学生对“认知冲突”的态度也不尽相同.并不是所有的学生都愿意正视这种冲突,进而努力寻求解决“冲突”的有效途径。对CCM模型的主要批评者认为,CCM理论对学生学习科学的过程的解释过于简单化和理性化,对学生的学习动机等因素缺乏考虑。比如,学生学习的目标与动机不同.对学习材料的处理方式也不同,以应付考试为目的学生往往会花大力气记忆书本上正确的科学概念,考试后仍然回到自的日常思维(误解)王国中。后来,CCM理论的创始人在1992年发表了修改后的模型,强调了学生学习过程中情感因寨、学习态度等的重要性。另外,还有人认为将学生学习和建立新概念的过程比作科学家建立、发展科学概念和理论体系的过程似乎欠妥。因为现代认知科学的有关研究表明,学生(或“新手”)与科学家(或“专家”)之间至少存在以下重要区别:
    ·专家与新手相比不仅具有更丰富的专业知识,而且在深刻理解的基础上,可以将大量的知识通过一定的组织方式联系起来。新手的概念、知识则相对零散、浅薄。
    ·专家较新手更易于注意到细节,具有较强的观察和模式识别能力。
    ·专家具备较完备的元认知策略(metacognitive skills),即对自身的能力及学习对象具备较准确、深入的判断(所谓“知己知彼”也)。
    上述研究成果包括批评意见将在后续章节中进一步讨论,并成为教学理论和实践的指导。