構(gòu)建有機(jī)知識(shí)體系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力發(fā)展

曹怡然 薛貴

以ChatGPT、Sora為代表的新一代人工智能正在加速改變世界，并深刻影響未來的學(xué)習(xí)方式。一方面，知識(shí)生產(chǎn)呈爆炸式增長(zhǎng)，但知識(shí)的碎片化程度也日益加??；另一方面，雖然知識(shí)獲取速度和效率大幅增加，隨之而來的卻是個(gè)體知識(shí)焦慮水平不斷加深，難以持續(xù)聚焦深度學(xué)習(xí)。但教育領(lǐng)域的變革似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能跟上時(shí)代的步伐，傳統(tǒng)教育方法仍然習(xí)慣于機(jī)械重復(fù)和題海戰(zhàn)術(shù)，而忽視了引導(dǎo)學(xué)生自主深度學(xué)習(xí)和系統(tǒng)思考。許多號(hào)稱“人工智能+教育”的學(xué)習(xí)，不過是拆分知識(shí)點(diǎn)和“精準(zhǔn)”推送習(xí)題。這些碎片化、機(jī)械化和“填鴨式”的教學(xué)方法導(dǎo)致學(xué)生陷入死記硬背的困境，看似學(xué)得快，但忘得更快，而且無法真正理解知識(shí)的內(nèi)涵和知識(shí)之間的關(guān)系，難以舉一反三和實(shí)際應(yīng)用。另外，雖然AI技術(shù)可以幫助學(xué)生快速獲取組織后的知識(shí)，但有時(shí)也會(huì)犯常識(shí)性的錯(cuò)誤，這對(duì)學(xué)生的批判性思維能力和獨(dú)立思考能力提出了新的挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對(duì)以上困境，教育應(yīng)當(dāng)創(chuàng)新傳授知識(shí)的方式，遵循知識(shí)組織的規(guī)律，加強(qiáng)知識(shí)體系建構(gòu)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生形成有機(jī)的知識(shí)體系，從而能夠在復(fù)雜多變的情境中準(zhǔn)確靈活遷移應(yīng)用。那么有機(jī)的知識(shí)體系是什么？有機(jī)知識(shí)體系的建立又會(huì)如何促進(jìn)學(xué)生的能力發(fā)展呢？本文將從腦科學(xué)的視角，揭示人腦知識(shí)體系的組織原則和方式，解密其功能和優(yōu)勢(shì)，并為教學(xué)實(shí)踐中如何促進(jìn)有機(jī)知識(shí)體系的構(gòu)建提供一些可操作的建議和方法。

有機(jī)知識(shí)體系的特征：來自腦科學(xué)的啟示

什么是有機(jī)的知識(shí)體系，它具備哪些特征？我們可以從人腦的知識(shí)組織原則中得到一些啟發(fā)。

有機(jī)知識(shí)體系具備模塊化的特征。我們的大腦以分布的方式進(jìn)行知識(shí)存儲(chǔ)。例如，在學(xué)習(xí)化學(xué)元素“鈉”時(shí)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)名字的腦區(qū)，會(huì)讓我們知道它的化學(xué)式是“Na”；負(fù)責(zé)存儲(chǔ)形狀和顏色的腦區(qū)，會(huì)讓我們想起它是銀白色金屬狀的固體；而做鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，相關(guān)的運(yùn)動(dòng)信息和聲音信息會(huì)分別存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的腦區(qū)。

這種分布式存儲(chǔ)其實(shí)體現(xiàn)了大腦的一個(gè)基本信息組織原則，就是成分化表征。所謂的成分化表征，就是把一個(gè)復(fù)雜的信息分解成不同的基本構(gòu)成元素，然后根據(jù)不同的需要進(jìn)行組合。這有點(diǎn)像化學(xué)，所有的物質(zhì)由不同的化學(xué)元素組合而成。這樣做的好處，一是可以用一些基本的元素來表征不同的事物，更加經(jīng)濟(jì)和高效；二是這樣的表征可以很好地反映不同事物之間的相似性，實(shí)現(xiàn)類比和遷移；三是雖然建立信息連接的過程需要大量的重復(fù)，但是一旦建立起來，就比較牢固，也容易遷移。

有機(jī)知識(shí)體系具備層級(jí)性的特征。我們大腦的信息表征和存儲(chǔ)具有高度的層級(jí)性，包含了從具體到抽象、從局部到整體的層級(jí)加工。比如看到一張人臉時(shí)，我們大腦的視覺系統(tǒng)會(huì)逐步加工：初級(jí)視覺皮層只是加工簡(jiǎn)單、具體的線條和邊緣輪廓，到了高一級(jí)的皮層，會(huì)以這些信息為基礎(chǔ)抽象出形狀和三維深度，構(gòu)成臉型、眼睛、嘴巴和鼻子，這些信息匯總到顳葉下部，最終識(shí)別成一張“臉”。這種同時(shí)包含了具體和抽象信息的記憶存儲(chǔ)是人腦的一個(gè)重要特征，使得我們能夠?qū)崿F(xiàn)具體和抽象的整合。具體的信息使我們產(chǎn)生具身的、感官化的、深刻的體驗(yàn)，并和真實(shí)世界連接；而抽象的知識(shí)又使我們把握現(xiàn)象背后的本質(zhì)和知識(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而有所創(chuàng)新。

有機(jī)知識(shí)體系具備結(jié)構(gòu)化的特征。人腦中這些包含了具體和抽象信息且分布式存儲(chǔ)的知識(shí)并不是雜亂無章的，而是有結(jié)構(gòu)的。這種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)也叫“認(rèn)知地圖”，或者“圖式”。結(jié)構(gòu)化知識(shí)或認(rèn)知地圖概念非常復(fù)雜，還存在不同的爭(zhēng)議。

1948年，認(rèn)知心理學(xué)家愛德華·托爾曼（Edward Chase Tolman）做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，小鼠需要從一個(gè)起點(diǎn)出發(fā)，沿著特定路線尋找出口。經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，小鼠找到出口的速度越來越快。更加重要的是，如果我們把某個(gè)路口堵住，小鼠可以找到另外一條很近的路。這說明，小鼠并不是簡(jiǎn)單記住了這條特定的路線，而是學(xué)會(huì)了迷宮的整體空間布局，這就是小鼠腦中的“認(rèn)知地圖”。其實(shí)人也是一樣，即使沒有地圖和導(dǎo)航，在新的城市生活幾天后，人也能在頭腦中形成不同地點(diǎn)之間的位置關(guān)系，也就是“認(rèn)知地圖”。

除了這種空間關(guān)系的“認(rèn)知地圖”，人們還會(huì)形成多種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)。比如，有經(jīng)驗(yàn)的棋手記棋譜的速度很快，說明他們掌握了圍棋的規(guī)律，這是一種“認(rèn)知地圖”。頂尖的足球和籃球運(yùn)動(dòng)員可以快速判斷球場(chǎng)的形勢(shì)，并做出最佳的傳球，這也是形成了比賽的“認(rèn)知地圖”。語言專家能輕松判斷句子的語法是否準(zhǔn)確，是由于形成了語言的“認(rèn)知地圖”?？茖W(xué)、醫(yī)療、刑偵等各領(lǐng)域的專家形成的某些直覺，也源于他們的“認(rèn)知地圖”。

可以看到，與碎片化的知識(shí)不同，有機(jī)的知識(shí)體系指的是將知識(shí)拆分成一些基本單元，并按照需求重新組合，從而形成一個(gè)層次分明、緊密聯(lián)系、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的知識(shí)體系。

有機(jī)知識(shí)體系的好處

有機(jī)知識(shí)體系幫助快速掌握知識(shí)。有機(jī)知識(shí)體系能夠通過理解記憶幫助我們更好地學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)。學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，人們總是嘗試將之嵌入已有的知識(shí)體系，從而提升記憶效率。研究表明，如果將新知識(shí)與已有的時(shí)序結(jié)構(gòu)結(jié)合起來學(xué)習(xí)，個(gè)體的序列記憶表現(xiàn)將顯著提升，這實(shí)際上也是記憶術(shù)的原理。因?yàn)橛袡C(jī)知識(shí)體系內(nèi)部存在一個(gè)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展和豐富知識(shí)，這也像修建高樓搭建的主體框架一樣。沒有這個(gè)結(jié)構(gòu)，知識(shí)就是雜亂無章的，不容易提取。很多教師和校長(zhǎng)都有這樣的體會(huì)：在自己熟悉的領(lǐng)域，記憶效果往往非常好。這是因?yàn)椋覀兿惹暗闹R(shí)經(jīng)驗(yàn)在頭腦中形成了知識(shí)體系，當(dāng)新知識(shí)能很好地與這個(gè)知識(shí)體系融合時(shí)，我們就更容易記住這些知識(shí)。

有機(jī)知識(shí)體系促進(jìn)知識(shí)靈活應(yīng)用。學(xué)習(xí)的目的不單單是為了記住知識(shí)，更關(guān)鍵的是要運(yùn)用知識(shí)去解決問題。孤立的記憶或知識(shí)即便被勉強(qiáng)記住，我們也只是能“默寫”出來，根本不知道它們能解決什么問題。如果建立的知識(shí)體系非常豐富，包含了更多層級(jí)以及雙向鏈接，那么我們也能夠組合和提出更多有創(chuàng)意的解決思路。在學(xué)習(xí)中，如果我們建立了某個(gè)學(xué)科的有機(jī)知識(shí)體系，那我們就可以解決很多全新的題目。現(xiàn)在中高考強(qiáng)調(diào)知識(shí)的靈活應(yīng)用，跨學(xué)科知識(shí)增多，死記硬背不再適用。另外，前面提到的一流棋手因面臨不斷變化的比賽形勢(shì)，不能單靠硬背棋譜和戰(zhàn)術(shù)，而是依賴有機(jī)的知識(shí)體系，從而游刃有余地應(yīng)對(duì)。科學(xué)、醫(yī)療和法律等領(lǐng)域的專家也需要靈活應(yīng)用知識(shí)，以做出更準(zhǔn)確的決策、找到更有效的方法，并實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的結(jié)果。

如何在教育實(shí)踐中建立和運(yùn)用有機(jī)知識(shí)體系

大腦的建構(gòu)模式使得每個(gè)人天生都有在一定程度上整合知識(shí)的能力。通過科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，能夠更加系統(tǒng)和高效地幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)有序、聯(lián)系緊密的有機(jī)知識(shí)體系。綜合現(xiàn)有研究成果，我們?yōu)榻逃咛峁┤缦聨讉€(gè)建議：

合理拆分，形成組塊。教師可以讓學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，把復(fù)雜的新知識(shí)拆分成和舊知識(shí)密切相關(guān)的小組塊，幫助學(xué)生建立新知識(shí)與舊知識(shí)之間的聯(lián)系。例如，在英語教學(xué)中，教師可以教給學(xué)生單詞的詞根和詞綴，這樣在學(xué)習(xí)新單詞時(shí)，學(xué)生便能很自然地把單詞分成幾個(gè)組塊，并且找到新單詞和已學(xué)過的詞根、詞綴之間的聯(lián)系，不僅能快速記住單詞的拼寫，也能理解和學(xué)會(huì)單詞的含義。

依據(jù)語義規(guī)律組織學(xué)習(xí)材料。人腦中的語義規(guī)律處于一種自動(dòng)激活擴(kuò)散的狀態(tài)，比如學(xué)生剛學(xué)會(huì)上衣的表達(dá)方式，自然想知道褲子是哪個(gè)單詞。教師在準(zhǔn)備學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，可以遵循這一規(guī)律，把語義聯(lián)系緊密的知識(shí)組織在一起。比如，按照主題類別來學(xué)習(xí)單詞，分成“文具類”“水果類”“衣物類”等；學(xué)習(xí)口語對(duì)話時(shí)，按照使用場(chǎng)景分為“超市購物”“交通出行”“醫(yī)院看病”等。每一類內(nèi)容放到一起學(xué)習(xí)，這樣語義上聯(lián)系本就緊密的單詞和短語，記起來更快更牢，在真實(shí)場(chǎng)景中更容易運(yùn)用上。使用某一個(gè)單詞時(shí)，自然地想起與之相關(guān)的一類單詞，也就再次鞏固了對(duì)知識(shí)的掌握。

運(yùn)用思維導(dǎo)圖法構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。思維導(dǎo)圖是一種將思維可視化的工具，它可以幫助學(xué)生在零散的知識(shí)點(diǎn)之間建立各種各樣的聯(lián)系，整合在一起，形成一個(gè)系統(tǒng)化、層次化的知識(shí)結(jié)構(gòu)。比如，在期末考試前，將本學(xué)期學(xué)過的化學(xué)物質(zhì)、方程式等整理在樹狀圖或括號(hào)圖上，還可以引導(dǎo)學(xué)生使用雙氣泡圖對(duì)比分析物質(zhì)屬性間的相同和不同，進(jìn)一步對(duì)知識(shí)間的聯(lián)系有更清晰的把握。這樣，學(xué)生在記憶和回憶時(shí)，就不容易混淆了。

從教師“輸入”到學(xué)生“輸出”的轉(zhuǎn)變。對(duì)相同的知識(shí)，每個(gè)人理解各異。這是因?yàn)槊總€(gè)人大腦都有獨(dú)特的連接模式。雖然教師會(huì)盡量考慮學(xué)生的知識(shí)背景和思維模式，但也難以讓學(xué)生完全理解自己的思路。很多教師選擇將知識(shí)碎片化，甚至鼓勵(lì)學(xué)生直接記憶而非理解。這種方式顯然不利于知識(shí)的掌握和有機(jī)知識(shí)體系的形成。

為了解決這一困境，一個(gè)有效的方式就是從“教師教”到“學(xué)生學(xué)”、從輸入到輸出的轉(zhuǎn)變。這也是受到著名的“費(fèi)曼學(xué)習(xí)法”的啟發(fā)。在輸出的過程中，學(xué)生需要主動(dòng)發(fā)現(xiàn)知識(shí)間的關(guān)系、組織知識(shí)，并構(gòu)建符合自己知識(shí)背景的知識(shí)體系。

在教學(xué)實(shí)踐中，要全面了解每個(gè)學(xué)生的輸出，可能會(huì)占用較多的教學(xué)時(shí)間。一方面，教師需要轉(zhuǎn)變觀念，認(rèn)識(shí)到這里的慢是一種快，因?yàn)檫@樣記憶更牢固，不需要花費(fèi)太多的時(shí)間復(fù)習(xí)。另一方面，教師也可以通過一些策略來提高效率，下面介紹兩種有代表性的方式：

一是布置綜合性作業(yè)。常見的作業(yè)包含抄寫、背誦、填空題等，但由于每個(gè)題目所涉及的知識(shí)點(diǎn)非常少，這不利于建立知識(shí)體系。而作文、畫報(bào)、讀后感、調(diào)查報(bào)告、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等綜合性作業(yè)，則需要綜合應(yīng)用到很多知識(shí)。在這個(gè)過程中，學(xué)生可以消化和梳理所學(xué)知識(shí)，形成持久的、獨(dú)屬于自己的有機(jī)知識(shí)體系，并且在未來真正運(yùn)用起來。

二是開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要自主確定項(xiàng)目目標(biāo)、制訂計(jì)劃、收集信息、解決問題、展示成果等，這就鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。例如“校園里該如何放置垃圾桶？”這一課題就綜合了多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。首先，垃圾桶的數(shù)量和位置怎樣設(shè)計(jì)最方便使用，需要用到空間幾何、計(jì)算等數(shù)學(xué)知識(shí)；其次，垃圾桶采用什么材料更環(huán)保，需要用到化學(xué)、生物的知識(shí)；再次，垃圾桶的外觀設(shè)計(jì)需要審美藝術(shù)的知識(shí)；最后，組織語言分享自己的設(shè)計(jì)理念需要語文相關(guān)的知識(shí)。在這個(gè)過程中，學(xué)生能及時(shí)查漏補(bǔ)缺，將知識(shí)體系補(bǔ)充得更完善、更全面。另外，學(xué)生能在不同學(xué)科知識(shí)之間建立新的聯(lián)系，進(jìn)一步擴(kuò)大和整合自己腦中的知識(shí)體系，也能更高效地解決實(shí)際問題。

此外，積極利用睡眠并提高睡眠質(zhì)量，也有助于知識(shí)體系的建構(gòu)。人們一直認(rèn)為睡覺時(shí)大腦在休息。實(shí)際上，睡眠時(shí)大腦也在積極工作，重新組織和梳理學(xué)習(xí)內(nèi)容。約克大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，如果學(xué)習(xí)后睡上一覺，成績(jī)會(huì)有顯著提高。這表明在睡眠中，記憶得到了鞏固。大腦研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在慢波睡眠（SWS）過程中，與新學(xué)知識(shí)有關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)被自發(fā)地激活（即“睡眠重放”），學(xué)習(xí)內(nèi)容被重新組織，從而促進(jìn)知識(shí)體系的建構(gòu)和應(yīng)用。

“纖纖不絕林薄成，涓涓不止江河生?！睙o論是有機(jī)知識(shí)體系的搭建，還是學(xué)生認(rèn)知能力的提升，成效并非在第一天就能顯現(xiàn)出來。就像樹苗剛剛種下時(shí)，它需要不斷吸收養(yǎng)分，將樹根向土壤深處延伸，逐步建立起強(qiáng)大堅(jiān)固的根系，而正是這看似沒有短期回報(bào)的過程，才造就了之后突飛猛進(jìn)的高速生長(zhǎng)，使之成為一棵茂盛的參天大樹。因此，我們需要以耐心和毅力去陪伴學(xué)生在知識(shí)的土地上“深深扎根”，幫助學(xué)生形成知識(shí)體系的“參天大樹”。

【致謝：本文得到“國(guó)家科技創(chuàng)新2030—‘腦科學(xué)與類腦研究重大項(xiàng)目——中國(guó)學(xué)齡兒童腦智發(fā)育隊(duì)列研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2021ZD0200500）的資助】