奥苏贝尔曾说，“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约为一条原理的话，我会说：影响学习的最重要的因素是学生已经知道了什么。”大道至简，奥苏贝尔对于教和学之关系的把握已经逐渐转化为许多教师心中的教育信条。对于“学生知道了什么”的探究和认识将成为学生学习评价的主要问题之一，它内在地影响着教师教的行为与学生学的方式，决定着教育教学的实践效果；不仅如此，对于“学生知道了什么”及其相关问题的合理关照和深刻追问还必然催生教与学研究新范式的萌芽与发展。
如果说纸笔测试是过去教师了解学生“知道了什么”的基本途径，那么，对于学生认知结构的测查和评价则将会成为未来教师探索学生“知道了什么”“何以知道”“如何知道”的必然方向。长期以来，纸笔测试被认为是评价学习者学业水平高低的核心手段，但其有效性在很大程度上受限于测验试题的编制质量和教师经验的丰富程度，更为关键的是它难以系统、直接地反映学习者头脑中的知识结构和知识建构情况，而要回答这一问题，开展学生认知结构的测查与评价是一种可能的方式。当前科学教育领域对学习者认知结构的有效测查成为学习评价多元化的重要突破口。认知心理学从学习者认知发展的角度提出了学习者构建合理认知结构的意义，认为这是形成学习能力的基本前提，是实现终身学习与全面发展的核心基础。基于对学生认知结构的诊断，教师能更有针对性地组织学习材料、设计教学活动、实施教育测量、完善教育评价，最终促进学生认知结构的良性“生长”，帮助学生实现有意义学习，开发学习的潜能。
当前，关于学生认知结构的测查与评价研究已不在少数，但聚焦具体学科内容领域的认知结构测查与评价研究却较为少见。将教育心理学领域的研究成果应用于学科教学研究，不仅能够为学科教学研究注入新的活力，为学科教学研究共同体提供发现知识的新途径，还有助于彰显实证研究的魅力和优势，为教育研究的科学化发展积累宝贵的素材和支撑。为此，2012年3月教育部、财政部联合颁发了《关于实施高等学校创新能力提升计划的意见》，启动实施“高等学校创新能力提升计划”（简称“2011计划”）。为了进一步深化我国基础教育改革，由北京师范大学牵头，华东师范大学、华中师范大学、东北师范大学、西南大学、陕西师范大学、中国教育科学研究院、教育部考试中心和科大讯飞信息科技股份有限公司8家机构作为核心单位，建立了中国基础教育质量监测协同创新中心。该中心于2014年10月通过教育部以定，是我国教育学和心理学领域唯一的国家级协同创新中心。为了推动我国基础教育质量水平不断提升，陕西师范大学分中心致力于监测基础教育阶段学生的学业水平，以期促进亿万学生的全面、个性发展。
在中国基础教育质量监测协同创新中心的研究战略布局下，本书所呈现的研究是试图在化学学科内容领域中测查和评价学生关于化学核心概念的认知结构，根据教育学与心理学的理论基础，采用学习评价的新方法——流程图法，对我国高中生学习特定化学主题的认知结构进行测量，以此探查学生对具体学科内容的学习结果，揭示学生认知结构与其纸笔测试成绩之间的关系，探究学生存在的学习困难及其可能的成因，为化学学科教学的实践与研究提供参考。全书共九章，其中第一章、第二章为理论部分，主要讲解认知结构的相关概念、理论和测量方法；第三章至第九章为实证研究部分，呈现原子结构和元素周期律、分子结构和化学键、化学反应速率和化学平衡、溶液中的离子平衡、氧化还原反应和电化学、元素及其化合物、有机化学等专题认知结构测查与评价的研究成果。
因作者学识所限，书中存在疏漏和不足在所难免，诚恳地希望广大读者批评指正！
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二、认知结构的类型与特征
简单来说，认知结构就是学生头脑中的知识结构，即知识结构通过内化在学生头脑中所形成的观念的内容和组织。根据认知结构的产生与发展状态不同，可以把学生具有的认知结构分为三种形式：一般认知结构、原始认知结构和良好认知结构。
（一）一般认知结构
根据皮亚杰关于结构具有整体性、转化性和特异性的学说，学生具有的一般认知结构也有这三个特点。
（1）整体性：是指在认知结构中各成分之间呈现有机性联系，而不是各独立成分的混合。这种整体性在学习活动中表现为新的知识与原有知识不断沟通、同化，形成具有一定整体性和相对独立性的“知识块”。在这种“知识块”中，各知识点的联系与组织方式呈交错型网状结构，占据网的“节点”的是基本事实、基本概念和原理。这种“知识块”能充分揭示知识的内在联系，是学生形成系统化、整体化的认知结构的基石。
（2）转化性：是指认知结构不是静止的，而是处于不断的发展变化之中。随着时间的推移，学生认知结构总是处于不断的运动和变化之中，新旧知识结构不断交替转换。当新的知识与学习者原有认知结构发生作用时，通过同化或顺应，原有认知结构得以扩展、改组或重建，从而使原有认知结构向新的更加完善的认知结构不断转化。一般来说，随着学习者学龄的增加，以及学习内容的不断丰富与深化，学习者的认知结构不断地由原有认知结构向新的认知结构转换。
（3）特异性：是指认知结构存在个体差异性。由于每个学生的认知方式存在着差异，对同一事物的认知不可能完全相同，这就表现出学生认知结构的多样性或特异性。一般来说，根据学生思维方式的倾向性，可以把学生的认知结构分为两大类：表征性认知结构和功能性认知结构。表征性认知结构占优势的人擅长抓住事物的关系进行思考，喜爱对事物的特征进行判断，功能性认知结构占优势的人则注重行动次序与事物作用的原理。这两种不同的认知结构在不同的个体上占有不同的优势，从而形成不同的认知结构，表现出认知结构的个体差异性。
（二）原始认知结构
20世纪70年代以来，西方国家一些从事科学教学研究的学者先后对学生的前科学知识进行了大量调查研究，取得了丰富的第一手资料和研究成果。这些研究成果表明，早在学生正式学习科学课程以前，他们就通过对日常生活中一些现象的观察和体验，在头脑中反复构建形成一些非科学的概念和儿童阶段特有的思维方式。例如，把植物的地下部分都称为根，把茎一概视为地上部分，把复叶的小叶当成叶，把植物学上的花冠部分称为花，把肉质可食的果皮称为果实，等等。一般将学生在学习科学课程以前形成的有关概念称为“前概念”，而把学生围绕“前概念”建立起来的特有的认知结构称为“原认知结构”或“原始认知结构”。
一般来说，学生通过前概念学习建立的这种原始认知结构具有如下特征。
（1）自发性。学生头脑中的原始认知结构是自发形成的。过去，教师在教学中常误认为学生学习知识之前头脑如同一张“白纸”，教师可以在上面任意涂画，但事实并非如此。学生在多年的生活实践中，通过个体与环境的接触，逐步形成了对各种现象和规律的独特看法，并逐步内化为自己的思维模式和行为规则。
（2）特异性。由于每个学生的生活环境、活动范围、认知方式等的差异，对同一事物的认识、感受也不完全相同，这就表现出学生原始认知结构的多样性或特异性。例如，一些初中学生在解释“为什么根有向地性”时，他们回答：“是地球的吸引力作用的结果”，“根要吸收土壤深层的水和无机盐”，“根要扎得更牢些”，等等。
（3）表象性。由于儿童认知事物的能力有限及认知过程的自发性，他们的前概念往往比较肤浅、直观，一般还停留在表象的概括水平上，不能脱离具体表象而形成抽象的概念，自然也无法摆脱局部事物的片面性而把握事物的本质。例如，学生对遗传的认识只能停留在“龙生龙，风生凤，老鼠生子会打洞”，“种瓜得瓜，种豆得豆”等表象概括水平上。但是，这种前概念无疑又是学生自己的精神财富，因为这些前概念是儿童在现实生活中认识特殊事物的一种有价值的工具。因此，不应把建立在前概念基础上的原始认知结构看成一种思维垃圾加以排斥，而应该把它们作为学生认识事物必可不少的一个阶段，作为一种低级的认知结构，并有待于向高级的、科学的认知结构转换。
（4）迁移性。学生的前概念含有自己对自然界的先人为主的印象，又是自己“切身体验”到的东西，同时，儿童又要凭借这种原始认知结构来认识世界，并也能成功地解释某些特殊现象。因此，学生往往对自己的这些前概念深信不疑，并试图将这些原始认知结构迁移到对新环境、新现象的解释中。因而，这种原始认知结构有很强的顽强性，不可能通过教学将科学概念硬性灌输给学生，就能一劳永逸地形成新的认知结构。
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