小學科學高階認知能力的內涵和培養策略

張 懿，葉寶生

（1.清華大學附屬小學，北京 100080；2.首都師范大學 初等教育學院，北京 100048）

認知能力是支撐終身發展、適應時代要求的四種關鍵能力之一，認知能力的培養直接影響著學生獨立思考、邏輯推理、信息加工、學會學習等意識和能力的形成[1]，對其余三種關鍵能力（合作能力、創新能力、職業能力）的提高有重要的奠基作用。近年來，隨著教育改革的持續深化和認知能力研究不斷深入，培養學生高階認知能力成為教育高質量發展的必然趨勢。但現階段，小學科學教學領域中對高階認知能力的研究極少，尚無對小學科學高階認知能力進行專門的概念界定或內涵解釋，這導致與小學科學高階認知能力相關的教育實踐缺乏基于學科本位的理論指導，只能實現較淺層次的理論掛靠或行為效仿。為此，本文借鑒美國當代心理學家布盧姆（Bloom，B.S.）的教育目標分類學思想，結合小學科學課程的性質和內容，從認識論、方法論兩個方面闡釋小學科學高階認知能力的內涵和培養策略。

一、小學科學高階認知能力的概念界定

認知，是指人們識別外部事物的過程，特別是通過形成概念、感知、判斷、想象等心理活動獲取知識的過程。展開來說，就是當外部物體作用于人體感覺器官時，個體接收、檢測、轉換和簡化感覺信號，再將感覺信號進行綜合、編碼、存儲、提取、重建，形成判斷或解決問題的信息處理過程[2]86-88。認知能力是指人腦在掌握事物結構、建立事物聯系、理解事物規律的過程中對信息進行提取、加工和儲存的能力，一般包括感知能力、記憶能力、思維能力等。伴隨著認知理論的不斷發展，一些國外學者對認知能力進行了層級研究，皮亞杰（Piaget）、維果茨基（Vygotsky）都將人的認知發展水平劃分了從低到高的階段。布盧姆教育目標分類學將認知過程按照從簡單到復雜、從促進知識保持到促進知識遷移的順序，分成了六個類別，依次是：記憶（回憶）、理解、應用、分析、評價、創造[3]23-69。其中，記憶（回憶）、理解、應用均屬于知識本身層面，與知識的保持聯系更為緊密，多被界定為基本認知能力；分析、評價、創造涉及知識的遷移，要依靠更為復雜的學習活動或任務來實現，分析、評價、創造的過程能為學生解決問題提供必要的認知經歷，超越了知識本身，屬于發生在更高認知水平的高階認知能力。

“義務教育科學課程是一門體現科學本質的綜合性基礎課程，具有實踐性?！盵4]1《義務教育科學課程標準（2022 年版）》從學科性質上指明了科學課程的綜合性、實踐性特點，進一步強調了科學學習與人們生產生活方式變革之間的聯系。在教學中，科學學習與生產生活之間關系的建立，要以對真實問題或情境的科學探究及技術與工程實踐活動為橋梁。其中，引導學生對所學知識和方法進行分析、評價、創造，進而通過知識的遷移獲得科學學科所特有的思維方式和價值觀念，正是培養小學科學高階認知能力的過程。綜上，小學科學高階認知能力的概念可界定為：在小學科學學習中，以基本認知能力為前提，通過分析、評價、創造等促進知識遷移的認知過程，習得識別外部事物特點及科學規律的能力。

二、小學科學高階認知能力的具體內涵

從歷史背景來看，布盧姆教育目標分類學在創立之初是為緩解美國高考重知識記憶、輕綜合應用的問題，對美國中小學所有學科教育目標進行的系統分類研究。因此，在教學實踐中，分類學理論能為各個學科提供較為宏觀的普適性指導，但并不能直接與具體學科內容建立深度關聯。1985 年，布盧姆教育目標分類學思想引入我國，教育領域專家、學者、一線教師等進行了積極研究和嘗試，之后的幾十年里，教育目標分類理論與具體學科的關聯越發緊密，教育目標分類理論的實踐價值不斷被挖掘。對小學科學高階認知能力的研究，將使布盧姆教育目標分類學在不同學科的實踐轉化得到進一步完善。

布盧姆在教育目標分類學中呈現了認知過程與知識相結合的二維分類框架，其中認知過程維度包括記憶（回憶）、理解、應用、分析、評價、創造六大類[3]23-69。在基本認知能力中，記憶（回憶）表現為長時記憶信息的辨別、識別和提取，包括科學知識中的概念、變化規律、操作順序和步驟等，是各種知識存在和運用的基礎；理解表現為在新知識和已有知識之間建立起聯系，更為具體地說，理解是新獲得知識與現有心理圖式和認知框架的整合[3]54，包括含義解釋、舉例說明、比較分類、模型構建，科學知識中的概念是組成這些圖式和框架的基本模塊；應用是使用程序去完成練習或解決問題，與程序性知識有著緊密的聯系，包括劃分類別、推斷預測、技術設計、技術實現。這三個維度屬于科學知識學習的不同層次，可以理解為知識記憶、知識理解、知識應用，以強調這三個維度均屬于知識本身層面。高階認知能力中的分析、評價、創造三個認知過程遷移應用到小學科學教學中，內涵與表現形式也更加豐富，本文根據其過程特點概括為意義建構、審辯判斷及轉化創造。

（一）意義建構

“意義建構”由教育目標分類學中的“分析”發展而來，原指將材料分解成它的組成部分，并確定各部分之間的相互關系以及各部分與總體結構之間的關系，包括區別、組織、歸因三個具體的認知過程[3]60。研究發現，此處的“分析”與普通心理學上的“分析與綜合”用詞有重合，與邏輯學上“分析是從整體到部分、從具體到抽象、從特殊到普遍的認識活動，是對事物各部分的普遍性做出抽象的邏輯規定[5]87-90”這樣的說法相類似。本文在小學科學高階認知能力研究過程中，借鑒皮亞杰認知建構主義的觀點，凸顯知識或知識之間意義的建構過程，使用“意義建構”一詞能更精準表述“分析”過程。意義建構的本質是建構科學知識間的聯系、理解科學知識存在的意義，將事實性知識、概念性知識分解成更小的組成部分，在解構和組織中以整體的、更系統的視角確定各部分之間的相互聯系和各部分與總體結構之間的關系，理解系統蘊含的意義或揭示系統運轉的原因，具體表現為：理解科學知識的產生過程和具有的意義；理解觀察實驗方法的意義和作用；理解技術系統是由結構實現功能，進而滿足人的某種需求。

如學習“水在自然界的循環”，要學習海水蒸發、云層移動、陸地降水、地表徑流各個組成部分，理解各個部分組成整體，形成海陸循環。其中，海水蒸發獲得淡水是陸地生物生存的根本意義，地表徑流孕育各種各樣的生命，就是這個系統蘊含的意義，理解“水在自然界的循環是地球生命存在和繁衍的重要原因”的過程就是意義建構的認知過程。再如學習被子植物時，要學習根、莖、葉、花、果實、種子六大器官，掌握各個器官的結構和功能，理解各個器官協同幫助植物體維持自身的生長發育。其中，器官即植物的組成部分，理解各個器官的外部形態和內部結構相互支持協調、構成植物體的各個組成部分雙向供給并互為存在條件，就是意義建構的認知過程。

（二）審辯判斷

“審辯判斷”由教育目標分類學中的“評價”發展而來，原指基于準則或標準作出判斷[3]62，落實到小學科學中，審辯判斷在“評價”原有內涵的基礎上增加了自我反思部分，指以事實和認識的統一性為準則做出反思和評價?！皩忁q判斷”相比于“評價”更加講究證據和邏輯，在教學中，“審辯判斷”不僅包括審辯判斷的結果，還包括作出審辯判斷的理由闡述，旨在培養學生的批判性思維。這里需要說明，批判性思維不僅包括合理質疑這一個方面，還包括合理置信，即憑什么質疑或憑什么認可。此前，有學者在比較國內外相關論述時，就建議把“critical thinking”翻譯為“審辯式思維”，避免漢語交際中“批判”一詞的日常用法造成其偏向負面質疑、忽視正向建構的錯解[6]59-63，123[7]5-9，本文采用“審辯判斷”，即借鑒了這一觀點。

結合小學科學課程的具體內容，審辯判斷一般表現為兩類，一類是對形成科學認識所涉及的證據與邏輯進行判斷——說明科學結論是依據什么證據、采用什么方法獲得的，能判斷科學事實與科學結論的一致性。如研究空氣的特征時，以塑料袋、注射器、氣球、玻璃杯中有空氣為證據，以求同歸納為推理邏輯，抽象概括出“空氣占據一定空間”這一特征的過程就是審辯判斷的過程，對科學探究中制定計劃、獲取證據等環節的反思過程也屬于審辯判斷。另一類是對技術活動的功能與意義進行判斷——能說明技術產品所具有的滿足人民需求的功能或特點，理解技術產品對社會發展的意義和對道德倫理的影響，同時判斷技術產品的負面影響。如學習不同時期的計時工具，要在了解不同計時工具所運用的科學原理的基礎上，對比它們的差異性、局限性、發展性，評價它們在保障人類生產生活、推動計時工具演變等方面的作用，就是審辯判斷的認知過程。再如學習蔡倫造紙，探討其在人類知識記載和傳承方面的作用，及其與現代造紙技術對比評價其歷史意義，都屬于審辯判斷的認知過程。

（三）轉化創造

“轉化創造”由教育目標分類學中的“創造”發展而來，原指要求學生在心理上將某些要素或部件重組為不明顯存在的模型或結構，從而生成一個新產品[3]64。這種“創造”常常被一線教師誤解為要制作一個實物產品或要在創造中體現出絕對的社會價值，這顯然與小學科學教育的創造性思維理念不符。這里需要明確，小學生進行創造的心理結構與科學家、成年人進行創造的心理結構基本相同，但表現內容和形式不同，其顯著區別就在于小學生的創造一般不具有或只具有較小的社會價值[8]44-48，如小學生在科學課上按照自己的想法折一個紙飛機，對于社會來說，并不是真正意義上的創造，但屬于小學生個人層面的創造。另一方面，關于“轉化”和“創造”的關系，竹內弘高（Hirotaka Takeuchi）、野中郁次郎（Ikujiro Nonaka）在SECI 模型理論的相關論述中將知識分為隱性知識和顯性知識，他們認為，未經正式化的知識屬于隱性知識，如個人經驗與技術等；直觀呈現的知識屬于顯性知識，如書籍、程序中所呈現的知識，并強調知識在組織中能夠形成橋梁以促進隱性知識和顯性知識的相互轉化，知識轉化的過程實際上就是知識創造的過程[9]45-80。因此，小學生由知識轉化而提出新穎的科學問題、將已有知識轉化到新情境中、對教學實驗進行改進等，都可視為知識創造的具體表現，所以，使用“轉化創造”的表述更加強調知識間的轉化，也屬于創造。

小學科學中，轉化創造是指將已知的知識或經驗要素組成內在一致的新整體或新的功能性整體。在轉化創造的過程中，學生必須使用多個來源的要素，把它們整合成為一個新穎的、與自己先前的知識相關的結構模型，創造一個新產品，或者生成比原來更為豐富的內容。轉化創造一般分兩個水平層次，一是指人的轉化創造對整個社會具有創造性意義；二是指人的轉化創造對創造者自身來說具有創造性意義。小學生個人層面的轉化創造，可為以后實現社會層面的轉化創造打下基礎。

轉化創造的表現大體可分為四類：其一，將已有知識聯結形成新知識——學生將所學知識基于一定邏輯進行重新組合，形成新知識。如學生學習某個單元或主題知識后，自己根據各概念的邏輯關系，構建出樹狀邏輯圖、泡狀概念圖、模塊結構圖等。其二，將形象特征抽象化，創造出新知識——對科學事物或變化過程進行科學觀察，將呈現的各種現象進行抽象概括，創造出新概念或新認識?？茖W探究過程就是從各種科學現象中獲得抽象認識，對抽象認識進行概括，獲得更抽象的結論，學生在教師指導下或獨立經歷科學探究獲得新知識的過程，就是集體或個體的知識創造過程。其三，科學方法在新情境中的應用——在解決實際問題時創造性地應用放大法、轉化法、對比法等實驗方法和歸納法、演繹法、類比法等思維方法。如研究固體的熱脹冷縮，可以用對比法，也可以用轉化法，還可以用放大法。其四，在技術設計中創造新形象——運用表象類比、表象改造等方法，結合具體需求、具體材料、具體工具，設計新的技術形象，一般經由“想法—方法—作品”的轉化過程，將自然之可能通過人之可能轉化為現實。小學科學中技術與工程領域的內容，如建造橋梁，學生根據對各種各樣真實橋梁的認識，根據具體需求，結合所提供的材料和加工工具，想象并構建出模型橋，就屬于此類情況。

三、小學科學高階認知能力的培養策略

一直以來，保障“教-學-評”一致性被視為教學目標有效達成的關鍵?！恫急R姆教育目標分類學：分類學視野下的學與教及其評價》中將目標、教學和評價彼此相符的程度即一致性表征作為一個重要的論題[3]8；2017 年版小學科學課程標準在“實施建議”中，明確將“評價建議”列為二級標題，指出教學和評價在課堂實施中要相輔相成，并以鑒定學生的學習質量水平為目的，說明學習評價的原則、內容和方式[10]59-70。歷經數年的探索和積淀，2022 年版課程標準著力加強了對教學實施的指導，針對內容要求提出了更加好用、科學的學業要求和教學提示，研制了學業質量標準，“教-學-評”一致性的提法更加旗幟鮮明[4]4。因此，“教-學-評”一致性理念對小學科學高階認知能力的培養具有借鑒意義。

（一）在教學目標中體現高階認知能力水平

教學是一種有明確目的的理性行為，教學目標能起到預設學生學習結果的作用，明確教學目標是實施有效教學的重要前提。在小學科學教學中培養高階認知能力，首先要在教學目標中體現高階認知目標。

一般來說，教學目標的確定要以課程標準為綱要，但課程標準是課程實施最基本的要求，對主要概念、學習內容和學習目標的描述比較簡練，對學習目標中認知過程的表述還不夠具體，其中最常見的就是“知道、了解、理解”等心理描述，而這樣的表述對學習內容所要達成的認知水平，表現出模糊性[11]30-35。如課程標準中“知道安全用電的常識”和“知道運動的物體具有能量”[10]30-32。這兩處學習目標的描述，行為描述均為“知道”，很容易讓教師以為是相同的基本認知過程。但實際上，結合高階認知能力的具體內涵進行分析，可以發現，“知道安全用電的常識”中的“知道”不僅包括基本認知能力中對概念性知識的知識記憶，還可以延伸發展為，在特定情境中或生活情境中對安全用電常識（知識）的應用；而“知道運動的物體具有能量”中的“知道”除了基本認知能力中的知識記憶，還可以遷移為利用求同歸納的方法分析撞擊實驗與交通事故之間的類比聯系，進而建立能量觀念，引導學生養成遵守交通規則的意識，這都屬于高階認知能力中的意義建構。上述示例可以說明，相同的行為描述，隱含的認知過程可能截然不同。在一線教師的教學目標陳述中，也常見不明確或顯得寬泛的目標，主要表現為目標陳述缺少與認知水平相匹配的具體行為反應描述。而教學目標中，心理描述恰恰是通過具體的行為反應呈現出來的。這說明，要落實高階認知能力的培養，就要將具體、可操作、可觀察的行為反應描述寫入教學目標中。

以“比較水的多少”一課為例，教學目標常常被表述為：

科學知識：知道水有一定的體積，體積是可以測量的。

科學探究：通過多種方法比較液體的多少，明確用標準單位測量的意義。

科學態度：通過對比較的方法進行分析，幫助學生確立科學標準。

顯然，僅通過“知道”“明確”“確立”等行為動詞并不能對認知過程進行準確界定，對知識本身表述過多會使教師忽略知識以外的教學目標，使部分高階認知過程“自動降級”、學生的認知能力發展受阻。

關注教學目標中與高階認知能力相關的心理描述，用具體的表述明確教學行為及預設的教學結果，能使教學目標對教學活動的指導更加有效。如，“比較水的多少”一課的教學目標可調整為：

科學知識：知道比較質量和體積可以判斷水的多少（1.用水槽、透明塑料杯、塑料小方盒、注射器等材料可以比較水的體積；2.用掂量或用天平稱等方法可以比較水的質量）。

科學探究：計劃用不同方法和材料，按照科學認識的規律，經歷從掂量這一非標準化感知覺判斷發展到借助材料進行標準化測量（1.將水倒入相同的瓶子里比較水位；2.將水倒入相同的瓶子里用天平稱重量；3.將水倒入相同的小容器里比較能盛多少杯；4.將水倒入相同的漏斗比較水流過的時間等）的科學認識過程；經歷從單因素比較（1.相同底面積時比水位高度；2.相同水位高度時比底面積）到雙因素比較（制作并使用刻度杯）的思維構建過程。

科學態度：通過將刻度杯與原實驗方案的優劣進行對比，理解統一標準是進行比較的前提，意識到建立統一標準是滿足日常測量需要、服務生產生活的必然選擇。

調整后，教學目標中對知識內容、行為表現及其憑借條件的描述更加詳盡，能將教學目標中的認知能力，尤其是高階認知能力在字面上直觀體現出來。對于一些未能在字面上直接體現的高階認知能力，也很容易通過分析理解得知。如，案例中“意識到建立統一標準是滿足日常測量需要、服務生產生活的必然選擇”屬于高階認知中的意義建構；“制作并使用刻度杯”的過程是對新知的轉化創造；“將刻度杯與原實驗方案的優劣進行對比”屬于高階認知中的審辨判斷。由此不難看出，通過具體的行為反應描述體現高階認知水平，將使教學目標更加清晰，具有可操作性。

（二）在教學過程中落實高階認知能力培養

根據教育目標分類學的觀點，目標和教學的一致性不可忽視。分類表中以知識維度和認知過程維度的橫縱交織形成了二維的24 格教育目標分類示意圖（表1），這樣就區分出了不同類別（對應格子中的不同坐標）的教學目標。不同類別的教學目標要求采用不同的教學方式，要求設置不同的學習活動、不同的師生角色和課程設計，無論教學目標中的差別如何，相同類別的教學目標一般可采用類似的教學方式。

表1 小學科學教育目標分類示意圖

要落實高階認知能力的培養，就要設計能與相應教學目標坐標相適切的教學過程。例如，在“熱傳遞”一課的教學中，若教學目標的類別只定位在概念性知識的記憶，那么，僅通過重復書寫或復述的教學過程就可以實現；若教學目標的類別定位在概念性知識的理解和應用，就要引導學生應用熱傳遞的規律來解釋水加熱溫度升高、熱水中的勺柄變熱、冰筒中的勺柄涼手等熱傳遞現象。涉及含有高階認知能力的教學目標時，教學過程需要更加綜合、多元，例如，要在“熱傳遞”一課實現意義建構，就要引導學生對得出熱傳遞規律的過程進行回顧，理解證據與推理對科學認識的作用，認識到科學實驗是揭示自然界客觀規律的重要方法；若要實現審辯判斷能力的培養，可以設計學生討論環節，討論課上探究的金屬桿傳熱實驗、金屬片傳熱實驗、冷熱水熱傳遞實驗在熱傳遞的研究中具有代表性嗎？為什么要選擇這些材料做實驗？若要在本課中實現轉化創造，教師可在教學過程的拓展部分引導學生結合熱的良導體、不良導體的相關知識設計一個保溫裝置等等。

因此，各維度高階認知能力的培養在教學過程中是有規律可循的。比如，事實性知識的記憶可通過指稱和分類的教學過程來達成，為確保知識記憶和書寫的準確，可適當輔以記錄和復述，如認識土壤、昆蟲等；概念性知識的理解和應用一般可通過探究實驗來實現，如通過對多組實驗現象的求同歸納，理解聲音是由振動產生的、擺的運動具有等時性等；在意義建構這一高階認知能力的培養中，教學語言要格外注重啟發性，材料的出示要適時且注重層次性，小組討論或個人分享后一般可用科普視頻、資料卡、組圖等形式為學生的觀點作補充；審辯判斷能力可以通過小組討論、交流表達等教學過程來實現，可設計在科學探究、技術與工程領域的反思評價中，教學中教師要關注課堂的生成和師生交互中的信息；為達成程序性知識（如科學探究流程）的轉化創造，教師可引導學生轉化已有經驗為新問題或新情境制定實驗方案，技術與工程領域的轉化創造可以將科學史實中相關事物的發展作為主線，在歷史重演中進行模仿制作，在模仿后有目的地進行改進或再創造。

（三）以教學評價保障高階認知能力培養的有效性

評價（這里指終結性評價）的主要目的是診斷學生在學習中達到的程度。根據高階認知能力的培養目標來進行評價，將能有效改善現階段小學科學教學評價中的一些問題，諸如小學科學教學大多局限在基本認知能力層面、與教學目標的關聯較弱、以教師主觀經驗為主導等。

在教學評價中，一方面，可通過同一學習主題下的不同題目或題型來考查學生所達到的不同認知能力水平。以“水在自然界的循環”一節為例，學生能通過回憶復述或寫出水在自然界循環的基本過程，對應的是知識記憶層次，可設計填空題、排序題、識圖連線等；用自己的語言描述水在自然界的循環過程或根據海陸水循環圖解釋水循環過程，對應的是知識理解層次，可設計簡答題、讀圖題；用“水在自然界的循環”解釋“地表徑流源源不斷”的現象，對應的是知識應用層次，可設計選擇題、簡答題；通過海水蒸發為淡水的實驗，理解淡水是陸地生物生存的重要保證，是屬于意義構建，可通過主觀題來考查，如：“地球陸地生物依賴淡水生存，請說明淡水是怎樣來的？”結合降水、海水蒸發、云團移動、地表徑流等水在自然界中的循環過程，判斷海陸水循環模型的合理性，是審辯判斷思維，評價內容可通過主觀題呈現，如：“你看到過整個海陸水循環嗎？你認為海陸水循環合理嗎？”學生根據自己的理解和想象重新畫出“水在自然界的循環”模型，是轉化創造的表現，可通過畫圖題考查。

另一方面，對于不同教學內容而言，相同類別的教學目標也可以采用類似的評價方式，也就是說，可以針對不同的教學目標類型來設計不同的評價題型和題目。如對基本認知能力的評價，尤其是對基本認知能力中知識記憶、知識應用與事實性知識或概念性知識交叉部分的評價，一般可設置客觀題型，即通過選擇、填空、判斷等題型讓學生回憶、識別正確的科學知識或應用案例，如從示例中選出運用了杠桿原理的工具、填寫螞蟻的身體結構名稱等；知識理解，以簡答題呈現更為合適，尤其是對一些示意圖的理解，如解釋光合作用示意圖、看圖解釋地震的成因等。對于教學目標中高階認知能力水平達成情況的評價，則要更多關注題型的開放性、綜合性、多元性和創造性，可設計為主觀題，通過設計閱讀科普文章并回答科學問題考查學生的意義建構能力，如根據部分動物、植物有保護色的特征來構建生物對環境的適應性這一意義；考查學生的審辯判斷能力，可以通過組圖呈現關鍵信息并引導學生進行評價、闡明緣由，如談談閱讀科學史“伽利略與擺的故事”后的啟示，介紹科學家精神，或者對一組實驗操作的做法進行辨析，說明操作中的合理與不合理之處，如“圖中關于溫度計的使用操作規范嗎？請說明理由”；評價學生的轉化創造能力，可以制訂根據已有材料設計實驗和自選材料設計實驗的活動，如自選材料探究橫梁跨度和承重能力的關系，也可以設計結合學習內容繪制一項發明的草圖或制作實物等。

最后需要特別說明，第一，小學科學高階認知能力是對認知結果的區分，意義建構、審辯判斷、轉化創造是高階認知能力的不同維度，不具有絕對的時間先后關系，即轉化創造不要求以審辯判斷為基礎，審辯判斷不要求以意義建構為基礎，在學習過程中，這些高階認知能力目標可以分別達成，但高階認知能力的培養一定是建立在具有基本認知能力的基礎上。第二，并非所有教學內容都涉及高階認知能力，有些學習內容在小學階段無需達到高階認知能力水平，因此，教師在教學中應結合具體教學內容和學情，盡可能注意設計與實施的合理性與可行性，從培養高階認知能力的視角指導教學、改進教學，以期使學生不僅能獲得知識，更能獲得超越知識本身的高階認知能力的發展。