科学探究的认知机制研究述评

　　科学探究的认知机制研究述评

　　近年来世界各国加大了科学教育的力度，并对传统的教和学的方法进行了反思，在其新课程标准中都将探究视作是科学学习的核心。例如，美国全国科学教育标准与评价委员会1996推出的美国历史上第一部国家科学教育标准的一个突出特点就是对探究的强调；我国2001年新一轮基础教育课程改革中颁布的《全日制义务教育科学课程标准(实验稿)》中明确提出“探究既是科学学习的目标，又是科学学习的方式。亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习科学的主要途径”；英国、澳大利亚、韩国和日本等国也在教育纲领性文件中对探究的内容和进行探究的方法做了具体规定。科学学习中的探究是一个复杂的认知过程，涉及到表征问题，识别和操作性定义变量，形成假设，设计清晰完整的实验，评价实验结果等；而且在这个过程中，不同阶段需要相应的认知技能和认知策略。

　　1 对科学探究的认知过程的研究

　　在国外关于科学探究的认知过程的研究中，以下三种模型最为有名：

　　1.1 双重搜索模型

　　此模型又叫双重空间搜索的科学发现模型。是由Klahr和Dunbar(1988)提出的，简称SDDS(Scientific Discoveryas DualSearch)模型。此模型认为科学探究的认知过程，从一开始假设的形成、到实验评价、到作出决定即有足够的证据来接受假设，共有三个成分：搜索假设空间、检验假设、和评价证据。假设空间是由学习者在探究活动中所提出的各种不同假设构成的。当搜索假设空间时，个体可以用先前的知识来限制这种搜索，但有时在提出假设之前，需要先做一些观察或实验。

　　假设空间搜索的结果是得到充分说明的假设，它成为假设检验阶段的前提。要检验假设就需要设计一个适合当前假设的实验，预测实验结果，然后运行实验，对实验结果进行观察。假设检验的结果是产生能够证明或推翻当前假设的证据，这又成为证据评价阶段的输入。此阶段又包括三个亚成分：制定实验方案!作出预测和运行实验。

　　评价证据是指将从实验中得出的结论和从假设中作出的预测进行比较，决定积累的证据是否足以接受、拒绝或者继续现有假设。很可能证据不能得出确定的结论，这就需要回到检验假设阶段。此模型的特点是：(1)主要关注科学探究的阶段，并对各阶段作了非常详尽的分析，并且抓住了科学探究过程的复杂性和循环性的特征。(2)此模型深受西蒙及其同事的影响，西蒙认为科学探究就是问题解决活动，具有和问题解决相同的信息加工机制。Klahr和Dunbar也将科学探究看作是具有有指导的搜索和信息收集任务特征的问题解决，基本目标是发现一种假设或理论从而以最简洁的方式解释观察到的现象。(3)认为科学发现伴随着双重搜索过程，这种搜索发生在相联系的问题空间)假设空间和实验空间，搜索过程受以前的知识和实验结果的引导。但是此模型没有考虑影响探究过程的因素。

　　1.2 Kuhn的模型

　　Kuhn(2001)提出了一个探究活动中元水平和执行水平的关系模型。他认为科学探究在以上两个水平上展开：在执行水平上，探究过程包括很多阶段，从探究开始，随后是分析和推理，作出判断形成结论，其中认识策略是探究活动的中心；在元水平上，元知识对执行水平的认知策略具有促进作用，元水平的知识分为程序性的和陈述性的两种。程序性元知识包括有关任务和策略的知识，它操纵任务和策略，并控制知识获得策略的展开。陈述性元知识即认识论理解，它向智力价值报告关于每一知识获得阶段，认识论信念可能会影响智力价值(这里的智力价值反映了个体认为的智力投入的价值，智力投入是否值得？与个体从事智力活动的程度的概念是不同的)，接下来影响从事智力活动的倾向和智力表现。Kuhn认为元水平的知识与认知策略一起发展，二者互相促进，执行水平的策略练习反馈回来并提高元水平的知识，又指导随后策略的选择和执行。此模型更多的关注影响科学探究过程的因素，尤其对元知识在探究中的作用进行了详尽的分析，认为元水平的知识将从多个方向影响认知活动的多个执行阶段。但对执行水平的认知过程的分析不够。

　　1.3 双过程模型

　　双过程模型认为，决策和推理依赖两种信息加工系统——分析加工和启发式加工。分析加工是受意识控制的、费力的深思熟虑的、依赖于个体的科学推理能力的，通常认为经过这种加工一般能获得正确的决策。启发式加工是无意识的、快速的、不费力的，这种加工往往具有主观性，这种加工得出的判断往往与基于刻板印象的和理论的信念一致。尽管这两种加工是相互依赖的，但情境变量决定了谁占优势。在证据评价时，当个体遇到与已有信念有关的信息时，就会激活已有信念，如果此信息和已有信念一致，就会进行启发式加工，已有信念会同化现有的证据，这时的判断是基于已有信念的。但如果新信息和已有信念不一致，可能会激起两种加工，一种是分析加工，个体会搜寻策略，对证据的拒绝是有原则的、基于科学的推理；另一种也是启发式加工，会对证据不加思索地拒绝。此模型的特点是关注证据和理论的融合的内部加工机制，但它只针对证据评价阶段。

　　2 对科学探究过程的认知技能和策略的研究

　　在科学探究过程中，要使探究顺利进行下去，在不同认知环节需要探究者具有相应的技能和策略。正如Kuhn的模型中所提到的，认识策略是探究活动的中心。尽管研究者们认为科学探究包括多个认知环节，但对科学探究的技能和策略的研究主要集中在假设检验(实验设计)和对证据的评价两个方面。

　　2.1 检验假设的策略

　　尽管为了检验假设，可以采用多种实验设计的方法，但不管什么样的实验设计，都必须是无混淆的实验，只有这样才能根据结果作出有效的推论。其中CVS策略，即变量控制策略，是一种实验设计的通用策略，也是研究者探讨最多的一项技能。所谓CVS策略，从程序上来讲是指实验中在众多实验条件间作单一比较的方法，也就是在多变量设计中，要比较的两个处理中只有一个变量不同，其他变量都保持不变。如果两组处理中不具有可比性或者有两个或两个以上的变量不同都属于混淆设计。混淆设计产生的证据是非决定性的，它不能作出有效推论，同时也不可能获得相应的知识。因此CVS策略是设计无混淆实验的基本点，它保证实验的公正性，是作出有效的因果推论的前提，同时对于限制搜索空间来讲也是一种重要的策略。

　　在实验设计时，被试采取多种策略来操纵和分离变量，除了CVS策略外，被试使用的策略还有HOTAT(每次坚持一个条件)和CA(改变所有条件，即没有控制)策略，当然只有CVS或者VOTAT(一次只改变一个条件)是有效的，其它策略都是无效的。在Tschirgi(1980)以小学生为对象的研究中设计了一个烤蛋糕的实验情境，烤出的蛋糕好不好与三个因素有关：油(黄油还是人造黄油)、糖(白糖还是蜂蜜)和面粉(白粉还是全粉)。有一个人用人造黄油、蜂蜜和全粉来做蛋糕，但做出的蛋糕不好(或者做出的蛋糕非常好)，他认为这可能是由于使用了蜂蜜。他该用什么方法来检验他的这一想法呢？那就是再做一个蛋糕，关于怎样做有三种办法：a.还是用蜂蜜，但这回改用白粉和黄油；b.改用白糖，还用人造黄油和全粉；c.将所有的成分都换一下。结果发现有些被试选择a应用的是HOTA策略，即操纵变量时“每次坚持一个条件”；有的被试选择b，应用的是VOTAT策略，即“一次只改变一个条件”；还有被试选择c，即CV策略，没有任何控制。

　　2.2 证据评价的策略

　　科学探究中往往用感觉器官或借助工具、仪器，通过自然情境下的观察和测量以及在实验室中进行的实验和测量来收集证据资料，根据其逻辑关系和推理，找到事件的因果关系和其他解释，此推论过程就是证据评价。

　　证据评价的类型主要有：包含性的推论(inclusion)(原因推论)，排除性的推论(exclusion)(非原因推论)，不确定的推论(uncertainty)(不确定推论)。虽然被试的推论中可能以上几种类型都有，但不一定是正确的，所以每一种推论又有有效推论和无效推论之分。推论是有效的还是无效的，一是因为在对结果作出判断时是根据实验结果即证据，还是根据自己已有的观念，前者是基于证据的推论，后者是基于理论的推论；二是与学习者的策略水平有关。

　　基于理论是指根据先前的观念来回答，而不管证据如何；基于证据的是指像科学家一样根据呈现的共变模式或数据资料来回答。Kuhn等人认为科学思维的最核心、本质和一般的能力是融合证据和理论(即已有观念)的能力。他们以幼儿园的孩子为被试，运用非常简单的日常生活中的内容为实验材料，如吃哪种食物容易得感冒，先通过访谈了解被试已有的观念，并确定了四类变量，其中水果类型和谷物类型两类变量被试认为与感冒有关；而西红柿类型和调味品的类型被试认为与感冒无关。在此基础上给被试提供一些实证资料，有一些与被试已有的观念是一致的，有的不一致，当然由于被试已有的观念各不相同，提供给他们的资料也不同。然后要求被试根据实证资料来判断感冒的原因。结果发现被试融合理论与证据的策略有两种：一是基于理论的，二是基于证据的。

　　基于理论的推论又有四种类型：一是凭直觉的推论，如“西红柿就是西红柿，没有什么不同”；二是依从权威的推论，如“我妈妈说过……”；三是凭个人经验的推论，如“我吃过这种西红柿，就没有感冒”；四是描述因果关系机制的推论，如“桔子汁含有很多维生素，所以能使人身体健康”。当被试不相信某些证据时，他们就会努力寻找他们的缺陷，对威胁自己信念的证据常常干脆忽视、歪曲或者选择与自己偏爱的理论一样的证据；如果相信这些证据，则可能会改变自己的观念。即使是基于证据的，由于学习者采用的策略不同，也会产生无效推论，如有效的包含推论指的是至少比较两个事件，要研究的变量变化，结果也跟着变化，其他所有变量保持不变，通过变量的某一特征和结果的共变来判断包含。有效的排除推论指的是至少比较两个事件，要研究的变量变化，但结果不变，其他所有变量保持不变，通过变量的某一特征和结果之间缺少共变来判断排除。无效推论是指以下三种情况：(1)仅仅根据一个观察，即要研究的变量在几个比较的案例中没有变化时；(2)两个或更多的变量发生变化，即没有实验控制的情况下得出的结论(包含性的或排除性的)；(3)当知道支持有效推论的证据(有关某一变量的)还没有产生时，这时为不确定性推论，但如果实际已有这一证据，这时的推论也为无效推论。

　　3 对影响科学探究的因素的研究

　　在影响科学探究的因素中，研究者重点探讨了任务特征(如熟悉性!是社会问题还是自然问题)!个体变量等对科学探究的影响，这些因素不仅影响探究的结果，也影响探究的过程，即对探究的认知策略的使用有影响。

　　3.1 知识

　　影响科学探究的知识经验可以分为两类：一是领域性知识，即已有观念，二是方法性知识。与探究的问题相关的领域性知识即已有观念，如概念、原理、日常经验等，都会“映射”到当前的问题情境中。其中学生的日常经验会对科学探究有重要的影响，因为科学是与学生的日常经验有密切联系的领域，学生在日常生活中获得了大量的日常概念，这些概念有的与科学概念是一致的，有的是不一致的，不一致的概念可能会干扰学生的科学探究过程。已有观念首先会影响假设空间的搜索，学习者根据已有观念决定哪些假设是值得检验的，哪些假设是不必去尝试的。其次在假设检验时，已有观念决定先检验哪个假设，一般最貌似合理的可能被最先检验，而且对貌似合理的假设给予更多的注意和时间。再次在证据评价时，通常有些被试不考虑实验所得出的证据，只根据已有的知识即先前的观念来推论，这也就是如前所述的基于理论的评价。方法性知识是指关于科学探究方法的概念性知识，这些概念主要包括对实验证据的功能、探究的目的、可靠性、实验控制和共变的评价等。这方面的知识影响科学探究的过程和结果。Greenhoot(2004)以大学生为被试，探讨以上方法概念知识对证据评价的影响，同样的证据资料，要求被试在两种情境中进行评价，一种是根据这些证据你自己会做出什么结论，结果发现被试有关探究目的的知识对被试自己的结论具有预测作用。另一种情境是根据这些证据，想象一下实验者会做出什么结论，结果表明被试的实验证据和实验控制的知识对虚构实验者的推理具有预测作用。

　　3.2 科学认识论信念

　　认识论一直是哲学中的一个核心问题，主要是关于知识的本质和形式!知识的证实与判断等问题。教育心理学家从心理学角度研究个体的认识论时称为认识论信念。在科学学习与教学研究领域，研究者开始重视学习者的科学认识论信念与科学探究的密切关系，科学认识论信念是指学习者对于科学!科学知识及其学习所持的信念和态度。科学认识论信念构成了学习的内在背景，影响学生对科学探究的投入程度，影响其探究技能的发展。Dunbar和Klahr!以及Kuhn(1988)的研究中都发现青少年前期和青少年期在实验设计和从实验证据中得出结论方面存在的缺陷与青少年的知识无问题认识论是一致的。我国学者孙燕青、张建伟(2003)曾对初二学生的科学认识论信念与实验设计技能的关系进行考察，发现学生对科学探索中的客观事实证据的强调以及对科学的积极态度与实验设计质量具有明显的相关。

　　3.3 推理能力

　　系统的、逻辑的推理活动是科学探究活动的基础。在科学实验过程中，学习者要按照一定的逻辑关系来设计实验，检验假设，要系统的考察检验各个自变量，同时控制其他变量的干扰，已有知识与实验证据之间的融合等都高度依赖于学习者的推理能力。张建伟、陈琦(2002)考察了学习者的推理能力对实验控制策略的影响，表明推理能力对实验设计质量具有显著的影响，推理能力高的学习者，更易对变量做集中的考察。因为科学实验和探索活动高度依赖于学习者的推理能力，依赖于他们的形式运算能力。

　　3.4 任务特征

　　科学探究的领域非常广阔、内容异常丰富，任务类型多种多样，不同的任务类型会影响被试科学探究的效果。表现在以下几个方面：(1)实验结果的类型。如前所述的Tschirgi设计的一个烤蛋糕的实验中，实验结果的类型(积极的结果还是消极结果，即做出的蛋糕是好还是坏)影响实验策略，当结果是积极的时，大多数被试往往应用HOTA策略，即操纵变量时“每次坚持一个条件”；当结果是消极的时，大多数往往应用VOTAT策略，即“一次只改变一个条件”。即策略的选择与实验结果有关，而与逻辑无关。(2)任务的熟悉性。Zimmerman(2003)的研究发现当被试对探究任务比较熟悉、且有较多背景知识时(如用水浇花)，他们可以更好的运用变量控制策略。但对于不熟悉的任务(如用咖啡浇花)，则较少运用这一策略。(3)任务的性质。如果是自然科学的任务，被试则较易完成任务，如果是社会科学任务，完成起来要难。

　　4 评价和展望

　　4.1 已有研究

　　大多是一种“各个击破“式的研究对科学探究技能的研究往往只关注某一个方面，某一种技能，有的关注提出假设的技能；有的关注实验设计的技能；有的关注证据和理论的融合的技能。尽管这种研究也取得了大量的成果，但是科学探究是一个完整的过程，未来的研究中应该将整个探究过程作为研究对象，只有在一个完整的科学探究过程中的研究才能更准确的描述学生的探究技能发展的状况，在此基础上提出一个完整的科学探究教学的模式，提高科学教育教学的效果。

　　4.2 以往关于影响因素的研究

　　没有探讨不同因素对不同认知阶段的影响及其相对重要性已有研究探讨了不同的认知阶段所需要的认知策略，以及不同因素对科学探究的不同认知阶段的影响，但是，我们认为这些因素对科学探究的不同认知阶段的影响作用是不相同的而且对同一个认知阶段来讲，各因素的作用大小也是不同的但就我们目前掌握的资料来看，还没有相关的实证研究。