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心理模型概念模型科学建模科学教育心理表征概念变化物理教学

心理模型，概念模型和建模

2026年8月24日•约 26 分钟

Abstract / 摘要

“Greca 与 Moreira 区分个人、内部且以功能为导向的心理模型，以及外部、共享并符合科学知识的概念模型，指出科学学习不能靠复制成品模型，而应明确教授类比、心理模拟、理想化与抽象等建模过程。”

资料来源： Ileana Maria Greca & Marco Antonio Moreira (2000): Mental models, conceptual models, and modelling, International Journal of Science Education, 22:1, 1-11. DOI: 10.1080/095006900289976
根据近期科学教育领域主要期刊的发表内容，研究学生在与世界、其现象和人工制品的互动中建构的心理表征，构成了科学教育研究中的一个重要方向。本文回顾了心理模型、概念模型和建模的相关定义，并强调了这一理论方向对科学教育和研究可能带来的贡献。

引言

如今，认知心理学在理解学习和教学过程中的贡献，其重要性已毋庸置疑（Brown, 1995；Gardner, 1985）。这些贡献源于一个极为相关的研究主题，即知识的表征本质。Vosniadou（1996）指出，这些研究对教育具有革命性的意义。它们提供了理论元素，比以往任何心理学理论更为详尽地描述了心理表征，以及支持某一特定知识领域中专家表现的过程。如果这些过程和表征能够被理解，随之而来的问题便具有明确的教育意义：这些表征是先天的还是后天习得（建构）的？如果是后天习得，学生是如何习得的？是否可以设计方法来促进这种习得？这些理论元素，以及对错误概念研究和概念变化研究（至少从Posner等人，1982；Nussbaum，1989的观点来看）缺乏有效成果的日益不满（Duit, 1993；Moreira, 1994），促使科学教育研究者对认知心理学用于描述人们关于世界知识的内部表征的理论构建产生了浓厚兴趣。这种兴趣可以通过回顾去年出版的《欧洲科学教育研究》一书得以体现，该书中包含几篇重要文章，将心理模型、概念模型和建模等概念作为科学教育新趋势的理论轴线。此外，这三个术语也频繁出现在科学教育领域主要期刊的文章中（Krapas et al., 1997）。
这些概念究竟具有什么特殊特点，使其成为科学教育研究中的新焦点？首先，我们必须强调，与科学教育中常见的情况一样，这些术语的使用并不具有单一性；相反，在其模糊性背后也存在意义的多样化。尤其是在心理模型的情况下，这种多样化使我们不禁质疑，它们是否实际上是来源于认知心理学本身的“心理混乱”（Barquero, 1995），因为这些概念最初正是从认知心理学中引入的。
另一方面，"模型"和"建模"这两个词对于从事与科学相关领域的工作者具有特殊的吸引力。难道科学理论不是通过模型——如物理学或数学中的模型——来“表征”一系列现象的吗？我们难道不使用模型来更有效地教授学生吗？最后，我们难道不认为建模——在这里理解为在理论与现象或物体之间建立语义关系——是科学中的基础活动，特别是在物理学中吗？然而，假设概念模型——因为它们逻辑清晰，并且通常专门设计以促进理解和学习——应该被学生学习，学生不仅要在脑海中再现这些模型，还应该能够利用它们在理论与现象之间建立关系，这种假设并不一定正确。心理模型既不会成为专家和教师所生成的概念模型的完美复制品，也不一定能让我们的学生清晰地看到建模过程。
本文旨在概述当前对心理模型、概念模型以及建模的理解，即它们在科学教育研究中的使用方式。在此基础上，我们将尝试解释为什么——尽管上一段的推论并不一定正确——心理模型研究计划仍然显得前景可期。

心理模型

1983年，出版了两本关于心理模型的书籍，一本由Johnson-Laird编写，另一本由Genter和Stevens编写。根据Barquero（1995）的说法，前者代表了我们可以称之为心理模型理论方法的内容，而后者所呈现的论文集则可以称为教学方法。之所以做出这种区分，是因为在Johnson-Laird的作品中，主要目标是提供一个统一的、解释性的理论，来说明诸如演绎推理和话语理解等独特的认知现象；而其他作者则将注意力集中在关于物理现象的知识上，特别是人们对机械和技术设备的认知，但并未尝试提出任何统一的理论。
正如Barquero（1995年，第12页）所指出的，支撑教学方法的心理模型概念是一种知识表征类型，它是隐性的、不完整的、不精确的，与各领域的规范知识不一致，但它是有用的，因为它能够成为一个强大的解释性和预测性工具，用于解释主体与世界的互动，并且它是一个可靠的知识来源，因为它来源于主体与世界的感知和操作经验。
Norman（1983年）、Gentner和Stevens（1983年，第8页）曾指出，心理模型是不完整的；不稳定的（人们会忘记模型的细节或舍弃它们）；没有明确的边界；不科学的（它们反映了人们对所表征系统的信念）；是简约的（人们常常选择需要更多能量的额外物理操作，以换取更少的心理复杂性）。心理模型的唯一承诺与它们对主体的功能性有关。心理模型的主要作用是允许其构建者解释并预测由其表征的物理系统。它必须对构建它的人是有功能性的。
在Gentner和Stevens编著的书中，几篇论文假设，要研究机制模型的有效性（这些模型被认为是人们头脑中的模型），它们必须是可计算机模拟的。因此，书中出现了像蜂鸣器（de Kleer和Brown 1983）、流体流动系统（Forbus 1983）和电路系统（Gentner和Gentner 1983）这样的模型。要求这些模型可以通过计算程序实现的相关观点在于，心理模型可以被视为对问题的实际情境的“心理模拟”，作为它们所表征的系统或机制的“可行”因果模型。特别是，de Kleer和Brown（1983年）假设，这些模拟，无论是心理模拟还是计算机实现的模拟，都包括两个步骤：（a）设想系统，包括系统组件的拓扑表示、每个组件的可能状态以及这些组件之间的结构关系；（b）根据基本的操作规则和一般科学原理执行或运行因果模型。组件之间的结构关系由状态变化的关系定义。这些关系属于“如果……那么”类型的生成规则，指的是一个组件状态的变化与另一个组件状态变化之间的关系（Vosniadou和Ortony 1989）。例如，从这个角度看，为了生成自行车运作的心理模型，我们必须在第一阶段（设想）区分系统组件及其关系（车轮、踏板、链条、车轮大小与链条的关系、车轮的可能状态等），在第二阶段（运行）我们必须建立这样的关系，使这些组件开始运动，从而使我们能够骑自行车而不摔倒（静态和动态平衡条件的建立，施加在踏板上的力与获得的速度之间的关系等）。只有这样，主体才能基于因果规则“运行”该模型。
Johnson-Laird理论的最显著特点是，心理模型是现实的类比表示。在面对特定情境时，选择用来解释该情境的模型，以及它们之间的感知或想象的关系，决定了一个内在表示，这个表示将作为该情境的“替代品”。当这些“替代品”被内部操作时，系统或情境的某些属性，包括其组件之间不明显的关系，可以直接被“读取”。因此，在前面举的自行车例子中，我们在脑海中想象出一个“替代品”来代表自行车，通过它我们能够预测链条断裂时可能发生的情况。我们在这里无需明确链条、车轮和踏板之间的任何关系。如果它们不是类比的表示，我们就必须明确地确定这些规则，才能进行必要的推理。
Johnson-Laird指出，至少有三种不同的心理表征类型：命题表征，定义为符号串，类似于自然语言，因为它们需要句法规则（形式逻辑关系或生成规则）来组合，尽管它们不能与自然语言混淆；心理模型，作为世界的结构类比；以及图像，定义为模型的视图。在进一步阐明这三种表征之前，重要的是要强调，对于Johnson-Laird来说，心理模型是情境和事件在世界中的工作模型，通过它们的心理操作，我们能够理解和解释现象，并能够根据由此产生的预测采取相应的行动。
当我们在物理学中说一个现象已经被理解时，这意味着我们知道它的原因、影响、如何开始、如何影响它或如何避免它。根据Johnson-Laird的说法，这意味着我们拥有该现象的工作模型。也就是说，尽管物理现象通过口头陈述或数学公式进行命题编码，理解应当涉及为它们所代表的实体或过程构建心理模型（Nerssesian 1992）。
如果我们听到句子“猫在屋顶上”，它的内部表征（心理表征）作为命题表征是未确定的。事实上，为了理解“猫在屋顶上”的含义，并同时能够预测接下来可能发生的事情，我们需要在生成的心理模型中表征其中一种可能的具象化（例如，拥有一个代表猫的实体，另一个代表屋顶的实体）。这是心理模型的一个特征，它源于它们的类比特性：内容的具体性。如果在形成模型的基础上，我们具体地想象一只黑猫坐在一个红色铁皮屋顶上，我们就构建了一个图像，它不同于心理模型，因为它通常包含更多的视觉-空间信息，因为它是具有更高类比近似于现实的内部表征。
这三种表征不仅在结构上有所不同，在功能上也各具特点。Johnson-Laird通过将心理表征（内部表征）与计算机编程语言作类比来进行说明。现代计算机使用机器语言（由0和1组成的字符串）来运作，响应特定的语法（布尔代数），而程序员则使用高级语言以便更简单地生成和测试新程序。心理模型和图像对应于这些高级语言，而命题表征则对应于机器语言。
Johnson-Laird定义的心理模型的另一个重要特征是递归性，它使得心理模型成为动态表征。一个心理模型从不完备，而是在新信息被纳入其中时不断扩展和改进。这正是话语理解中发生的情况。当我们进行对话时，新元素不断加入到原有的想法中，进而修改它。这一递归过程取决于主体的知识、能力以及构建模型的目的。当我们想解释为何不需要了解麦克斯韦方程来修理电视机时，这一区别尤为重要。
总而言之，关于心理模型的研究项目的两个来源之间的根本区别在于支持它们的内部表征类型。那些源自于所谓“教学”来源的假设认为，心理模型是由命题表征组成的集合，也就是说，是一系列命题和因果操作规则，这些规则必须被明确表达出来。而理论来源则强调模型的类比特征。这赋予了Johnson-Laird方法一个差异化的特征。由于不需要确定规则，Johnson-Laird的模型隐性地表征了属性。心理模型与它们所代表的系统之间的类比，使得系统的某些属性和它们之间的某些关系能够直接被读取或推断出来，而无需假设人们大脑中存在生产规则或内建的逻辑来提供这些规则。
如前所述，近年来许多与物理学中的心理模型相关的论文相继发表，例如Mayer（1992）、Gutierrez和Ogborn（1992）的研究，它们可以纳入de Kleer和Brown的研究框架。另一方面，Vosniadou和Brewer（1994）、Nersessian（1992, 1996）、Halloun（1996）以及Greca和Moreira（1996, 1997a, 1997b）的研究则采用了Johnson-Laird的理论基础（关于这些研究的综述，见Moreira 1997）。

概念模型

Nersessian（1992）认为，心理模型是介于现象与最终结果数学模型之间的中介分析层次。这个数学模型是一个概念模型。一般来说，概念模型是由研究人员、教师、工程师等创造的外部表征，它有助于理解或教授世界中的系统或状态。根据Norman（1983，引用自Moreira 1997）的观点，概念模型是精确且完整的表征，与科学公认的知识一致。也就是说，心理模型是内部的、个人的、特有的、不完整的、不稳定的，并且本质上是功能性的；而概念模型则是外部表征，由特定社区共享，并与该社区的科学知识保持一致。这些外部表征可以表现为数学公式、类比或实物工艺品。例如，表示水泵工作原理的工艺品、卢瑟福原子模型与太阳系的类比、或者核物理学中的壳模型数学公式都是概念模型的例子。概念模型是现实物体、现象或情境的简化表征。
在教学中，我们常常假设学生已经获得或构建了与他们所接收到的概念模型相对应的心理模型。这种混淆在使用类比作为教学辅助工具的研究中也会出现。例如，在Gentner和Gentner（1983）中，他们从一个假设出发，认为如果让被试学习使用类比来解释电流（例如水流或人群），他们将构建出与这些概念模型一致的心理模型，并在某些问题情境中与这些模型相一致地作出反应。然而，事实并非如此。Duit和Glynn（1996）也假设，学生在课堂上将他们带来的心理模型向所教授的概念模型演化的过程中会产生有意义的学习，因为他们似乎在最终阶段将概念模型和心理模型等同起来。Norman（1983，第12页）强调，“理想情况下，概念模型与心理模型之间应该有一个简单直接的关系。但事实似乎并非如此。” 在这里需要指出的是，学生不一定将这些概念模型视为概念模型。首先，因为他们缺乏必要的领域知识，无法将它们解读为概念模型。这就像我们第一次看到毕加索的《格尔尼卡》，却不知道西班牙内战是什么。我们能够看到眼睛、爪子、头部、刀具，但这幅画对于我们来说是没有意义的。其次，因为学生往往没有理解概念模型是对现象或情境的简化和理想化表征，而没有被告知实际的现象或情境是什么。
根据我们迄今所说的，人们在理解一个概念模型时，可能会从中提取他们认为相关的元素，然后将其与他们已经知道的内容联系起来——如果可能的话——从而生成或不生成与他们所呈现的概念模型不一定相似的心理模型。一个典型的例子是Vosniadou和Brewer（1994）描述的关于地球形状的混合心理模型：一些受访者认为地球是空心的，内部有一个平坦的表面，尽管他们已经接受过相关的教育。这种心理模型与概念模型不一致的例子不仅仅发生在非专家身上。在Greca和Moreira（1996）对活跃的物理学家进行的研究中发现，当他们试图理解与电磁场相关的现象时，他们使用不同的心理模型，将其看作几何变形、看作“带有小箭头的气体”，或者从其生成元素（电荷和磁偶极子）出发来思考。对他们来说，这些模型是理解这些现象的启发式有效方式，尽管在后续他们会使用科学上共享的概念模型（麦克斯韦方程）来正式化并展示他们的发现。在这些情况下，分析受益于心理模型的类比特性。正如Nersessian（1992）所指出的，当科学家们传达他们的发现时，他们通过其数学公式的逻辑和他们创建的概念模型来呈现这些发现，而几乎没有提到曾作为分析中间层级帮助他们理解所研究物理现象的心理模型。
不幸的是，这种假设完成模型与人们在头脑中拥有或构建的内容之间存在同构关系的混淆，在教科书中可以被察觉到，其中科学模型和理论呈现为已经完成的结构，逻辑上组织良好，却没有考虑到这并不意味着科学家用来思考理论的表示方式主要是这种格式，也并不意味着他们在应对一个新的问题情境时会使用相同的逻辑规则。事实上，似乎人们认为学生学习概念模型的方式，就像拉加多学院的数学家们所宣称的那样，吉拉弗访问过的那个学院：如果学生们恰当地消化了一个薄薄的饼干，上面用某种神经墨水写下了定理及其证明，这种墨水就会升入他们的大脑，适当的命题会在他们的头脑中固定下来。

建模

尽管拉加多（Lagado）学院的数学家们做出了最大的努力，他们并未成功让学生学到他们想要的东西。科学教育中也发生了类似的情况。无论教师投入多大努力，他们往往无法让学生构建出与课堂上所呈现的概念模型和共享理论一致的心理模型，从而使学生能够根据这些理论理解物理现象。然而，学生们通常仅仅背诵长长的公式和定义，却并不理解它们，因为这些公式所描述的现象并没有根据学生应该构建的心理模型进行解读。
如果希望学生构建与科学公认的知识一致的内在表征，该如何处理呢？魔法般的关键词似乎是建模。建模是科学家，特别是物理学家的主要活动，用于生成和应用科学理论；因此，正如Halloun（Moreira 1997）所指出的，学习物理意味着学习“建模游戏”。然而，这个游戏似乎是隐性地学习的，往往只有那些走上成为物理学家道路的学生，甚至是物理学家自己，才会以较高的代价学会这个游戏。
建模过程被理解为学习一系列步骤，旨在识别一个系统中仅有的显著元素，并根据不同的规则评估所选择的模型（Halloun 1996）；也被视为“学习一种新语言”，这种语言能够提供对现象描述的另一种感知（Sutton 1996）；或者作为一种综合推理过程，使用类比和视觉建模，以及思想实验，在问题的非正式表征的创造与转化中发挥作用（Nersessian 1995, p. 204）。
无论这三种方法在分析和教学后果上有何不同，其作者都一致认为，建模过程是一个语义过程，因此所生成的模型是“应满足来自文本、方程式、图表以及外部媒介和解题者心理表征中的其他显著信息源的限制的解释”（Nersessian 1995, p. 209）。他们还一致强调，建模的学习过程应该是明确的，也就是说，学生应被明确教授构建心理模型的过程，这些心理模型反过来将使他们理解所教授的概念模型，而这些模型必须与前面提到的限制一致。
除了这些发展之外，还有一系列研究提出了从专门设计的计算程序开始学习建模（Devi et al. 1996，Raghavan and Glaser 1995），尽管这些研究的结果似乎尚未明确表述。

教学和研究的启示

现在我们应根据到目前为止讨论的内容来审视所呈现的局面：学生为了理解他们周围的世界及其现象，构建内在表征——心理模型——这些模型将帮助他们学习、解释和/或预测这些现象。这些模型是个人化的、不完整的和定性的。也就是说，这些物理现象的模型——这些模型既不与科学上公认的模型一致，也不需要相互一致，其唯一的必要条件是有用（功能性），能让学生在日常生活中运用它们——构成了学生带到课堂的先验知识。正是在课堂上，概念模型被引入给学生。当学生接收到这些信息时，他们有不同的选择。第一种可能是尝试根据他们已经掌握的知识来解释这些信息，从而生成混合模型。第二种可能是通过内部命题表征将这些信息记忆成不相关的列表——为了通过评估。第三种可能，也许是最不切实际的，是构建与学生所获得信息一致的心理模型。然而，能够促进这些心理模型构建的建模过程，以及从而帮助理解所呈现的概念模型的过程，并没有被明确强调。可以肯定的是，物理课堂上典型的活动和评估方式——问题列表——以及课本中的呈现方式——公式和定义列表——并未有助于这一过程的推进。
因此，在这一理论框架下，教师和研究者的任务都不是一件容易的事。对教师来说，这尤其困难，因为建模过程极为复杂，此外，我们对其的了解仍然相当有限。到目前为止，我们既不知道如何识别学生在某一领域中拥有的心理模型，也不知道他们具体构建了哪些心理模型。对研究者来说，主要的困难似乎是方法论上的：如何捕捉这些不完整、不稳定且个人化的表征？（关于这一主题的更详细讨论，请参见Moreira 1997）。然而，这一概念框架似乎引发了许多有趣的讨论方向。
  1. 心理模型将帮助我们理解为什么所谓的误解如此难以改变。它们不会是孤立的观念，因为这些模型能够帮助人们解释一组被视为相似的现象。然而，它们也不会构成一个理论，正如那些认为学生是现代亚里士多德主义者的观点所主张的，因为它们既不明确也不一致。此外，这些模型是个人化的，也就是说，尽管它们受限于认知系统的能力、感知偏差，尤其是在经典力学的情况下，我们很难建立一个封闭的“目录”，列出这些初步模型及其可能的变化。
  2. 如果这些初步模型是实用的，那么它们的修改——在这里理解为一种观念的完全替代——将不是一项简单的任务。如果这是正确的，那么概念变化应当被理解为，如Vosniadou（1994）所指出的，主要是对先前模型的丰富过程，只有在极端情况下，才会出现对这些模型的完全审视。也有可能，人们会为困难模型的应用建立“时空”区域的划分。
  3. 因为心理模型是个人构建的，所以看起来，有意义的科学学习最合适的路径可能更多地与这些表征的构建过程——建模——的教学相关，这些过程可能比教学概念模型本身更为常见，而后者往往会导致特有的结果。
  4. 尽管如前所述，初学者没有足够的领域知识去将呈现给他们的模型解读为概念模型，或在建模过程中施加必要的约束，但他们确实具备生成心理模型的基本工具，这正是他们用来解释世界的方式：进行类比；创建心理模拟；做理想化和一般化的抽象。学习科学不需要任何神奇的技能，只需要明确学习如何使用他们已经拥有的这些机制。
  5. 心理模型还为研究图像和心理模拟在科学理论创作和理解过程中的启发性提供了一个有趣的路径，至少在Johnson-Laird（1983）的版本中是如此。类比表征（心理模型和图像）的教学潜力尚未深入研究，这些表征在物理学伟大成就的历史中频繁出现，比如法拉第的场线图像，或爱因斯坦的思想实验。
  6. 关于内部表征的发展可能为重新审视类比研究提供了一个机会，探讨为什么有时它们不起作用。
总而言之，基于其基础和相关问题，这种理论框架有可能在未来几年中在科学思想与推理研究以及科学教学方面提供重要支持。

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