第二节 生物学学习的信息加工过程
美国心理学家阿特金森（Atkinson）和谢夫林（Shiffrin）在1968年首先提出了记忆的信息三级加工模型。他们将记忆分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆三级，相应地提出感觉记忆贮存器、短时记忆贮存器和长时记忆贮存器三种保持记忆的结构。在此基础上，他们在1969年又对该模型进行了完善，主要是对记忆的控制过程作了补充，并新增加了反应器。图2-1是对阿特金森-谢夫林（Atkinson-Shiffrin）记忆系统模型的简式表达，该模型得到了绝大多数记忆心理学家的认同。[14]这是目前最有代表性的信息加工模型。
图2-1 记忆的一般信息加工过程
一、生物学学习的信息加工模式
（一）感觉记忆阶段
记忆系统的第一个成分是感觉登记。生物学记忆的内容包括概念、术语、原理、图表符号、模型标本、实验操作及生物学的方法与过程等，这些生物学信息首先通过各种感觉器官进入学生的感觉记忆贮存器。当这些生物学信息作用于人的感觉器官而形成感觉像后，虽然外界的刺激作用停止了，但感觉像仍会维持一个极短的时间。这种感觉的滞留表明生物学信息的瞬间贮存，这就是感觉记忆。
感觉记忆与短时记忆的不同之处在于，感觉记忆是原始的感觉形式，是分类前的信息保持。所以，感觉记忆有时也称为分类前的储存。也就是说在感觉记忆中，生物学信息还没有完全被认识，还没有归入到已有的生物学知识的相应类别中。
感觉记忆保持的时间虽然极其短暂（不超过几秒钟），但它对生物学的学习具有非常重要的意义。这个重要的意义主要表现在，它为进一步的信息加工提供了时间和可能性。这种信息加工的策略就是，注意那些大量涌入我们感觉记忆的生物学信息，在极短的时间内被意识注意到的（初级加工），就会转入记忆系统的第二部分（短时记忆系统）中，未被注意到的就立即消失。人的注意具有选择的功能，它能将学生在学习中的心理活动指向那些有意义的、符合需要的、与当前活动相一致的生物学信息，而避开或抑制那些无意义的、干扰当前活动的信息。这个过程可以图示为图2-2。同时，感觉记忆的信息滞留使得生物学教学中那些处于间断状态的语言或观察对象，在知觉中具有连续性。变静态为动态、变间断为连续在生物学学习中非常重要。细胞有丝分裂的间期、前期、中期、后期、末期在教材中是以五幅静止的分裂相特征模式图表示的，教学中就是利用感觉记忆来获得对细胞有丝分裂动态过程的认知。即使将这些生理过程制作成动画课件或电影录像片，但它仍是由一个个静止的画面组成，但我们在观看时能够保持知觉的连续且不受眨眼等影响，同样得益于感觉记忆中的信息滞留。
图2-2 感觉记忆对信息的处理过程
生物学信息可以通过听觉、视觉、嗅觉、触觉等不同的感觉器官进入记忆系统，所以感觉记忆有来自不同的感觉道。视觉的感觉记忆称为图像记忆，听觉的感觉记忆称为声像记忆。这两种感觉记忆在生物学学习中都非常重要，尤其是图像记忆，因为与其他学科相比，生物学科拥有更多的视觉信息如标本、模型、图片和实物等作为学习对象。记忆心理学的研究表明，图像记忆容量相当大，且具有鲜明的形象性，视觉信息的贮存时间一般为几百毫秒。声像记忆贮存时间则要长得多，至少可达4秒钟。有关的研究还表明，图像记忆和声像记忆的信息很可能是按这些信息的原有形式加以暂时贮存的，但也不排除有一定编码和组织的可能性。
（二）短时记忆阶段
短时记忆是个储存系统。有关的生物学信息经过注意的选取后进入短时记忆，短时记忆对信息保持的时间不超过1分钟，是信息从感觉记忆通往长时记忆的一个中间环节和过渡阶段。它对信息的贮存具有暂时性、动态性和操作性等特点，对信息的贮存形式除听觉编码外，还有视觉编码和语义编码（过去认为只有听觉编码）。
短时记忆的最大特点就是容量有限，虽然人们在记忆能力方面存在个体差异，但就短时记忆的容量而言，几乎所有的正常成人都约为7个单位，并在5～9之间波动。这一点已获得比较一致的认同，但对相关机理却存在不同的解释。沃（Waugh）和诺尔曼（Norman，1965）及阿特金森（Atkinson）和谢夫林（Shiffrin，1968）认为，短时记忆的信息贮存在槽道里，当槽道被信息占据后，新输入的信息就极有可能挤掉最先进入槽道的信息。米勒（Miller）则进一步认为，每个记忆槽道只能贮存一个信息单位（组块的信息），组块数只能与槽道数相吻合。但不论其生理机制到底如何，短时记忆容量的有限性的实际意义是不容置疑的。短时记忆就像计算机中的缓冲寄存器，如果缓冲寄存器中的信息来得过多过猛，就会导致信息溢出（遗忘），所以它只能在一定的信息处理容量范围内加工信息并转入内存外存中。
我们能够意识的生物学信息都是储存在短时记忆中，所以短时记忆是一种工作记忆。短时记忆中的生物学信息经过复述（主要是整合性复述）就转入记忆系统的第三部分（长时记忆系统），未能及时复述的信息在约30秒后自动消失（遗忘）。
（三）长时记忆阶段
长时记忆系统中的生物学信息绝大部分来自短时记忆，也有极少部分直接来自感觉记忆。长时记忆对信息的保持时间长，且容量非常大，有人推估可以与美国国会图书馆的信息储量相比。长时记忆中的信息不仅能较长时间地保存，而且有可能重新被提取出来再转入短时记忆，在那里与新的信息发生联系。长时记忆中的信息也可能因消退、干扰和强度丧失而不易被提取出来。目前有一种共识，进入长时记忆系统的信息永远不会遗忘，所谓的遗忘只是暂时提取不出来而已。
佩维沃（Paivio，1975）的双重编码理论从信息编码的角度将长时记忆分为两个系统，即表象系统和语言系统。表象系统以表象代码来贮存关于具体的客体和文件的信息，它构成了非言语思维的表征方式；语言系统以言语代码来贮存言语信息，具有“听觉-运动”性质。当然，表象代码在长时记忆中是否存在，学术界目前尚无结论，目前得到公认的是语义代码在长时记忆中占有特别重要的地位。也有研究发现，长时记忆包括情景记忆、语义记忆和程序记忆三部分，且前两部分的脑中枢位于大脑皮层，后者的脑中枢位于小脑。[15]情境记忆是关于个体经历各种事件的记忆，其中包括生物学学习活动的时间、地点和场景；语义记忆是关于已知事实和概括性信息的记忆，其中包括生物学的事实、概念、规则和原理等；程序记忆是关于操作程序的记忆，主要是生物学的动作技能。
生物学知识记忆的信息加工模式可以简单地表示为图2-3。
图2-3 生物学学习记忆的信息加工模式
按加工水平说，这里的复述A是一种诸如机械地反复重现之类的简单复述，其作用是延长生物学信息在短时记忆中的保持时间；复述B为精细复述或称整合性复述，是对生物学信息的一种深度加工，其作用是使生物学信息转入长时记忆系统中。关于短时记忆与长时记忆的关系，这里需要作些补充说明。短时记忆是一个当前工作区，具有加工器和缓冲器的作用。当我们明确地意识到记住了某生物学信息时，那么这些信息就正处在我们的短时存储器中，它或者是从感觉存储器中刚刚转过来的，或者是从长时存储存器中新提取出来的。长时记忆则是生物学信息的后备库，其中的信息只有被提取并调入短时记忆中时才能被意识到它的存在，才能发挥作用（信息整合和问题解决）。
二、生物学知识记忆的信息加工成分
生物学学习中经常会出现识记错误、保持不能或回忆错误等问题。记忆失败的原因通常有三种可能：一是信息输入不畅，造成识记困难；二是信息编码不当，造成信息贮存困难；三是信息强度不够或缺少提取线索，造成回忆失败。
（一）生物学信息输入
三个不同阶段的记忆存储器都存在一个信息输入的问题，信息输入是一个相对的概念。这里着重讨论生物学信息输入感觉记忆后如何转入短时记忆的问题。
生物学信息首先通过不同的感觉通道包括视觉、听觉、触觉、嗅觉等感觉器官，进行感觉登记。信息在这里进行分类前的短暂保存，如要转入短时存储器，就必须进行模式识别。模式识别有多种理论解释，其中最主要的是模板匹配和特征分析学说。
模板是指记忆系统内的一种内部表征结构，当进入感觉登记的信息与它匹配时就能被识别出来而加以注意。也就是说，学生学习过的生物学内容和经历过的生活经验都会在学生的记忆系统中创建大量模板，当新的生物学信息进行感觉登记并与原有模板形成匹配时，学生就能将新信息识别并输入短时存储器中。这就是模板匹配的基本含义。但是，模板匹配强调新信息与模板之间必须1:1匹配才能被识别。这显然存在很大的局限性，因为这样的话，学生的记忆系统中只有存在无数的模板时，才能对大量的新信息及其各种变式分别加以识别。
模板匹配只能看作模式识别中的一种形式，而更多的情况下是特征分析在起作用。特征分析理论认为，模式识别首先是对信息刺激特征进行分析，并与记忆系统中原有模式的特征进行比较，一旦获得最佳匹配（不要求完全匹配），外部刺激就被识别。比如构成生物体的细胞，结构相同但形态各异，如果按特征分析理论，学生只需在记忆系统中建立一个包括细胞膜、细胞质、细胞核的细胞结构模式图（模板），就能对那些结构相同但形态千差万别的细胞进行识别了；但如果按模板匹配理论，则学生在记忆系统中必须建立许许多多个不同形态的细胞信息模板，才有可能对不同形态细胞（外部刺激）形成匹配。所以，特征分析说已被认知心理学家普遍认同。
（二）生物学信息的贮存
生物学信息是以某种编码的形式在记忆系统中加以贮存的。编码就是将信息转变成某种代码的加工过程。如前所述，感觉记忆基本上是以信息的原有形式加以短暂保持，短时记忆主要以听觉编码的形式贮存，长时记忆则主要以语义的形式贮存。
信息的编码方式往往取决于学习任务的性质。比如，学生明确了生物学学习的任务和要求，他们就能以适应这一要求的方式对生物学知识进行信息编码。最典型的例子，比如教师先告诉学生本次考试的题型全部为选择题、填空题和正误判断题，那么有经验的学生就会以便于再认和再现的方式进行信息编码，而不是以有助于问题解决的方式进行信息编码。其实，影响学生进行信息编码的因素有很多。美国心理学家库尔·哈维（K.Harvey）等人的理论认为，影响学生编码的主要因素有学生的特征、刺激的特征、学生已有知识和教学期望、教材的内容和结构，以及教学辅助手段。该理论可图示如图2-4。
图2-4 影响学生信息编码的主要因素
学生特征与刺激特征之间的相互作用，是选择适合于某种信息的任务图式和知识图式的基本依据。学生在学习中所做的，是要使刺激材料与教学期望靠近，教学期望指明学生应学习和记住些什么，它至少部分地决定了选择什么样的编码策略或任务图式。任务图式是一套有目的的定向程序，它控制学生将用什么方式编码以实现教学目标，是作为与特定教学活动相关的教学期望的结果而被选择出来的。另外，教材的内容与结构也起着激活某种特定知识图式的作用，知识图式是指学生在试图获取新信息时将使用什么样的框架来解释新信息，是由于教学内容与学生已有知识的某些部分吻合而被激活的。此外，教学辅助手段虽不是教学内容的一部分，但通过提供线索、指示和问题等，也会影响到学生怎么学和学什么。
“图式”（schema）是现代认知心理学研究中经常使用的一个重要概念，是指人脑中已经组织好了的整体性的信息结构或知识单元。在一般情况下，“图式”与“认知结构”“同化范式”等含义相同，本书对这几个概念也不加区分。图式是学生借以获得和贮存生物学知识的一个主要工具，正如学习心理学家斯根普（R.Skemp）所说：“个别的概念一定要融入与其他概念合成的概念结构中才有效用。除了所谓最基本的初级概念之外，每一个概念都是由若干较低阶层的概念合并发展得来的，而这个概念其后又与其他概念结合发展出了更高阶的概念。因此每个概念都是发展过程中的一个阶段。”有关生物学科认知图式的问题，我们将在第三章第二节作进一步说明。
（三）生物学信息的提取
能否顺利地从长时记忆中提取被贮存的生物学信息，主要取决于两个因素：一是该信息的记忆痕迹强度，二是提示线索与该信息的联系状态。在生物学知识的复习、运用和考试中，那些记得牢（记忆痕迹强度大）的内容能够自动地被提取出来。但那些记得不太牢固的内容则回忆时常常出现困难，比如出现“欲言难吐现象”（Top状态）。这时如果教师能给予一定提示线索的刺激，学生又会很快比较清晰地回想起来。一般来说，信息贮存时的编码方式对信息的提取有重要影响，提取的线索与信息贮存时的编码方式越接近，信息的提取就越容易。关于长时记忆的信息提取，目前有重新激活说和线索提取中的状态依存性回忆两种理论。前者认为，长时记忆的信息通常处于不活动状态，当相关刺激出现时，记忆中的相应部分被激活，我们就可能意识到或重新出现记忆所表征的这些信息；后者是指在一定场合或身心状态下学习过的材料，在同样或相似的场合或身心状态下较容易被回忆出来。这种状态依存性回忆是比较容易被理解的，比如我们上初中时曾在某山间溪流中观察和采集水螅，十几年后当我们偶然再一次来到那条溪流旁时，被深埋的记忆很容易会浮现出来，有关水螅的一些信息很快会被提取。
短时记忆的容量虽然只有7±2个信息单位，但其信息的提取却是一个复杂的过程。对短时记忆提取的研究目前大大落后于长时记忆提取的研究。
三、生物学语义记忆的网络理论
托尔文（Tulving）在1972年提出了信息在长时记忆中储存的两种形式，即情节记忆与语义记忆。情节记忆中的信息是关于人的生活经历，与特定的时间、地点相联系；语义记忆是运用语言时必须用到的，其中的信息是各种知识，与时间、地点无关。比如上课前后班上发生的事情可能被保存在情节记忆中，而课堂上学习的生物学知识就可能被保存在语义记忆中。在语义记忆研究中，网络理论、集合理论和特征比较理论备受瞩目，而且这三个理论都是以生物学知识为研究对象提出来的。
这里仅对其中最著名的网络理论作一介绍。[16]语义记忆网络理论认为，语义记忆是由词与词之间的联系交织而成的一个巨大的网络，知识的提取就是这个网络作用的结果。早在1969年柯林斯（Collins）和奎连（Quillian）就提出一个颇有影响的网络理论，认为在长时记忆中概念是被分层次地组织成有逻辑性的种属关系，每一类事物的特征总是储存在对应于该类别的层次上。比如“动物”“鸟类”和“金丝鸟”便构成了由大到小的概念层次关系，而且“有翅膀”这一特征只储存在上位概念“鸟类”中，而不储存在下位概念“金丝鸟”等下位概念中，尽管下位概念也具备这一特征。
为了研究如何从语义网络提取信息，柯林斯和奎连做了如下的实验：他们向被试呈现一些简单的句子（如“金丝鸟会唱”），让被试判断句子对不对，并测试反应时间。所有的句子都按语义水平加以分类，比如“金丝鸟会饮食”这句话中，“会饮食”这一信息储存在“动物”这一层次，与“金丝鸟”差两个层次；而“会飞”这一信息与“金丝鸟”只差一个层次；“会唱”则与“金丝鸟”处于同一层次。实验的结果发现，相差的层次越多，被试的反应时就越长。柯林斯等人对此的解释是这是由于跨层次搜索所造成的，因为跨越的层次越多，搜索所花的时间就越多。
上述研究得到了许多心理学家的认同，并对后来的研究产生了极大影响。但是随着研究的不断深入，该理论受到冲击。康拉德（Conrad，1972）用“鲨鱼会动”“鱼会动”“动物会动”三个命题进行类似的实验，结果反应时几乎没有什么差别。这说明“会动”这一信息在“鱼”和“鲨鱼”层次中可能都有储存。此外，该理论不能很好地解释否定反应的情况。所以，后来又有一些新的网络理论被提出，比如安德森（Anderson，1976）提出的ACT模型。该网络模型将知识划分为两类，即描述性知识和程序性知识。认为长时记忆的提取是一种“扩散性激活过程”，也就是当一个概念被激活后，这种激活会沿着网络扩散开去，同时与被激活的那些概念有关的信息也比较容易获得。
四、信息加工论对生物学教学的启示
前面比较系统地阐释了生物学学习记忆信息加工模式的基本内容。这些内容虽然比较抽象，但是对生物学教学有着直接的或潜在的指导作用。这需要我们在理论与实践的结合上不断地进行探索。
（一）重视唤起学生的“注意”
在感觉记忆中，只有那些被“注意”的信息才能在这里作瞬间停留并有可能被转入短时记忆系统。因此，凡是能够促进知觉和注意的方法，都能促进学生的学习记忆。
注意的能量是有限的，感觉记忆中摄入的大量的生物学信息不可能同时全都被注意到，这就需要进行有选择性的注意。教师在教学过程中，应注意使学生明确本章的学习目标，留心教学的重点和难点，使这些重要的生物学信息在感觉记忆消失之前就受到“注意”。比如，教师在示范显微镜的使用方法时，一要排除多余的操作，二要提醒学生注意操作的关键点。
学生注意的发生与保持，是以良好的情绪状态和兴趣为条件的。有趣的生物学故事（如把细胞膜主动运输比喻为河上艄公摆渡）、生动形象的直观（如活动模型、多媒体动画）等，都能唤起学生的直接兴趣和情绪反应。当然，有经验的教师更注意培养学生对生物学的间接兴趣，注意让学生明白学习生物学的意义和重要性，真实地看到或体验到生物科学在解决生产、生活实际问题中的作用和价值。
根据学生已有的认知水平，创设问题情境，引导学生发现矛盾、产生适度的疑虑和困惑以激发探究心理，比较容易唤起学生的有意注意。家鸽的输氧能力强，产生热量多，加上飞行中的剧烈运动和体表有羽毛保温，那么飞行中的家鸽体温岂不是会升得很高吗？植物通过根系吸收的水分，99%又通过叶面的蒸腾作用散失掉，植物何必多此一举呢？在这些矛盾面前，学生会产生一种非弄清不可的期待心理，并在此过程中学生的注意一直指向这些学习的内容。
强度、大小、颜色、音量的变化是能引起学生无意注意的刺激特征。挂图、模型等对生物体结构的放大，板书中字体和颜色的变化，以及教师声调的升降、语速的快慢等，都能引起学生的定向注意，教学中应加以充分利用。
（二）增大短时记忆的信息含量
短时记忆是当前工作区，且信息容量有限和信息保持时间短，因此提高短时记忆质量对提高整个记忆的质量和效率至关重要。根据短时记忆的功能性特点，生物学教学应注意下列两个方面。
要使短时记忆的信息得以保持并转入长时记忆系统，就必须引导学生运用复述策略。如前所述，复述有保持性复述和整合性复述两种。让学生反复观察某生物结构挂图，或重复操作某个实验步骤，或用语言复述某个生物学概念，这些都是一种保持性复述（简单复述），对生物学信息在短时记忆中延长保持时间比较有效。整合性复述（精细复述）是对短时记忆中的信息进行深度的组织加工，比如学习“减数分裂”时需要从长时记忆系统中将有关“有丝分裂”的信息提取出来，使两者在短时记忆这个当前工作区中发生联系（组织加工），组织后形成的新的知识结构就会顺利地转入长时记忆并得到有效的贮存。这就要求教学应保持适当的速度，因为太快时原来的信息还未及复述就被新的信息给“排挤掉”。
如前已述，人们的记忆能力虽然个体差异明显，但几乎每个正常人的短时记忆容量都是“7±2”个组块。所以，提高组块水平，优化组块方式，是提高短时记忆质量的首要条件。植物必需的16种元素，如果每一种元素都作为一个组块，就有16个组块，但如果按谐音将每三种元素作为一个组块，则仅有5～6个组块。组块化有两种操作方式，一类是时空组块，即将那些在时间或空间上接近的单个项目组合成一组，这主要表现在教具的运用和板书的设计上，比如叶芽将来发育成枝条，板书时可以分别画出叶芽、枝条的结构图，然后用连线表示两者之间的发育关系。另一类是意义组块，即在意义上将若干项目连接起来，比如生物学中众多的名词概念，可以按意义相近或相关组成概念组，图2-5就是有关细胞器的概念组块化记忆。
图2-5 细胞器相关概念的组块化（概念组）
（三）结构化和经常巩固运用
长时记忆是生物学信息的仓库，容量非常大。但是，生物学知识必须经过深度加工才能被长时记忆接纳，而且被接纳的信息只有在需要时能被顺利提取才是有效的。
生物学知识要长时地得以贮存，仅靠简单复述是不够的，必须进行精细加工。这种精细加工，一是靠双重编码，二是靠建立知识结构与知识网络。
双重编码就是对某生物学知识（信息）同时赋予语义和形象编码。比如水螅的神经网，一方面可以从逻辑意义上让学生理解网状神经扩散性传递信号的道理（语义编码），另一方面还可以让学生亲手用探针刺激水螅身体任何一个部位来观察全身性收缩反应（形象编码），那么这一知识就以语义和表象相互联系的编码形式贮存在学生的记忆中。此外，生物学知识结构化网络化，也可视为一种编码形式上的深度加工。
记忆的关键不在于贮存了多少信息，而在于能提取出多少信息。储存在长时记忆中的生物学知识，必须提取并转入短时记忆中才能参与到新知识的组块化过程，才能促进新的学习和用以解决实际问题。一般说来，长时记忆中的相关信息越丰富，面对新信息的学习时组块化的方式就越多；同时，原有知识被调用越多，它从长时记忆转入短时记忆的通道就越顺畅，学生对知识的运用就越灵活、越便捷。当我们记忆痕迹的强度较小时，信息的提取就需要一定线索支持。生物学科的这种线索主要是生物体形态结构和生命特征形成的表象、生物学概念建立起的知识网络结构以及记忆的状态依存性，比如提问和暗示、挂图和模型、板书提纲和某种情境等，都能为提取信息提供一定线索。