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计算机模拟环境中的科学发现学习──过程、条件与学习支持
计算机模拟环境中的科学发现学习

──过程、条件与学习支持


张建伟 陈琦

摘 要 如何在计算机模拟情境中嵌入有效的学习支持是当前研究者关注的一个重要问题。科学发现学习活动中有三种基本活动线索:问题表征与假设生成、实验检验、自我监控与反思概括。这种学习活动可能主要受三个内在条件的制约:意义性、系统逻辑性和反思概括,据此,针对计算机模拟环境中的学习支持可以包括三个侧面:解释性支持、实验性支持和反省性支持。

关键词 发现学习 科学发现学习 计算机模拟学习支持

一、问题提出

近十多年来,发现学习的研究从布鲁纳的“概念发现”转向了更复杂、更有意义的“科学发现学习”(ScientificDiscoveryLearning),即通过科学实验来发现现象背后的基本关系。随着建构主义学习理论的发展,科学发现学习越来越受到研究者的重视,利用计算机模拟进行科学发现学习则是其中一个热点问题。在计算机模拟情境中,学习者可以针对要探索的问题形成假设,而后操作模拟情境中的某些因素,观察情境由此产生的变化,以此来检验自己的假设,直至发现其中的基本规律和原理,这种学习活动能更多地引发学习者的积极探究。然而,许多关于这一学习形式的对比研究却并未发现明确支持其效果的证据。究其原因,一种可能的解释是因为学习者在这种学习活动中遇到了很多难以克服的困难,这使他们无法有效地进行科学发现学习。DeJong&VanJoolingen从四个方面对这些困难做了综述:(1)难以提出假设和针对事实证据修改假设;(2)难以恰当地设计科学实验;(3)难以正确地理解、解释实验数据;(4)不能对发现学习进行有效的自我调节。[1]如何针对学习者的困难在计算机模拟情境中嵌入有效的学习支持成了一个重要问题。

在现有的关于这一问题的研究中,研究者主要关注各种具体支持策略的效果,比如,帮助学习者形成合适的假设,恰当地设计科学实验,提供或激活相关的背景知识,以及有效地对发现学习进行计划和调节,等等。这些学习支持基本上集中在对科学实验过程的帮助上。科学发现学习究竟受哪些内在条件的制约?针对这些内在条件应该从哪些侧面来提供学习支持?到目前为止,研究者尚未对这些问题做系统的、结构化的考察。

二、科学发现学习的活动结构

有关科学发现学习的认知研究强调,科学发现(科学推理)是理论假设与实验证据之间的相互协调过程。而科学发现学习则是以这种科学推理活动为基础而实现的知识建构,在这种学习中,学习者需要完成三种相互联系的活动,构成了相互交织的三条线索(图1)。

(一)问题表征与假设生成:科学发现学习开始于需要探索的问题,而这种问题往往与学习者原有的领域知识密切相关,学习者要基于有关的背景知识来形成对问题的理解,明确问题的结构,确定其中涉及的各个变量,澄清已知的某些变量关系,明确要探索的变量关系,也就是要形成对所探索问题的心理表征。在问题表征的基础上,学习者可以基于自己的背景知识经验,通过分析的或直觉的思维活动,确定所要探索的变量关系的各种可能性,即形成各个可能的假设。而后,学习者还可以基于自己原有的知识经验,对各个假设的合理性在观念中进行评价和权衡。

(二)实验检验:在形成假设之后,学习者要通过设计和实施科学实验来检验假设。科学实验的设计主要是一种假设-演绎推理活动,学习者根据自己的假设推论在何种条件下会有何种结果出现,而后,学习者就设法“制造”这样的条件,看情境中是否会有相应的结果出现。在实验中,学习者可以先对结果作出预测,在实验之后可以分析数据结果,对自己的预测进行对照,以此来对自己的假设作出相应的判断,得出结论。良好的实验设计有一些基本的标准,比如与假设相对应设计实验、成功的变量控制等,这些标准对于实验的正确设计以及实验结果的准确分析来说都是很关键的。基于实验得出结论,这实际上就是对假设的确证、调整,或者建立新的假设的过程,因而又开始了新的假设生成活动,而其中也可能需要对所探索的问题形成新的理解,建立新的问题表征方式。

(三)自我监控与反思概括:正如研究者们所强调的,科学发现学习是一种更为自我引导(self-directed)的学习活动,在这样的学习活动中,学习者的自我监控显得尤为重要,这包括学习者对发现过程的计划、监视和调节等。这种自我监控融汇、贯穿于问题表征与假设生成以及实验检验活动中,它对于合理的问题表征与假设生成来说是很必要的,对于成功的实验活动而言也是很关键的。另外,学习者为了从探索活动中建构起相应的概念、原理,发展更高水平的认知技能,针对探索活动的反思概括将成为一种具有重要意义的活动。反思概括包括两个最基本的含义:(1)反省性抽象(reflectiveabstraction):在基于问题解决的探索活动中,所形成的新意义往往隐含于探索过程之中,为了达成有效的知识建构,学习者需要监察、回顾问题的结构特征及其解决过程,再现、抽象出其中的意义要点,从过程中概括出原理性知识或认知策略。(2)反省性整合(reflectiveintegration):学习者需要按照探索活动中意义推论的逻辑路线,依据它们之间的逻辑联系,将所涉及到的各种意义要点联系起来,并将它们与作为其基础的原理概念联系起来,与相关的背景经验联系起来,与探索中的各种事实资料(data)联系起来,形成良好的知识结构。反思概括的内容既包括原理性知识(conceptualknowledge),也包括有关探索活动的程序性知识和策略性知识。

值得注意的是,在建立问题表征以及形成假设的过程中,学习者原有的知识经验具有重要作用。影响科学发现学习的知识经验可以分为两类:(1)领域性知识(domainknowledge):即与探索问题直接相关的相应领域的概念、原理、具体经验等。首先,在理解问题、建立问题表征时,学习者实际上需要把原有的领域性知识“映射”到当前的问题情境中,从而把握其中的变量及变量关系,形成对问题结构的基本理解。其次,在生成和调整假设时,原有的领域知识构成了假设活动的重要基础。学习者需要基于自己的领域知识来对所探索的变量关系作出假想性的推断,并基于背景知识经验来权衡假设的合理性和可能性。Klahr&Dunbar发现,学习者在提出假设时表现出了两种类型的策略:“理论家型”和“实验员型”,理论家型的学习者主要从自己现有的理论(模型)出发来提出假设,而实验员型的学习者则主要靠实验尝试,从数据中来提出假设,研究表明,理论家型的学习者更能提出正确的假设。另外,在发现了所探索的规律、规则之后,学习者需要以原有的领域知识为基础来对规律、规则作出解释,即从基本原理或相关经验出发,理解、说明为什么会有这样的规律性关系。领域性知识与发现学习中新经验之间的相互作用是双向的。原有的领域性知识构成了发现学习的基础和背景,而发现学习中的新事实、新信息又会导致原有知识的充实、修正或重组。在这种相互作用中,学习者的自我监控与反思概括可能具有非常重要的作用。(2)元知识(meta-knowledge):是指关于发现学习过程本身的知识,比如发现过程包括那些重要的环节,其顺序是怎样的,什么是变量,什么是假设,什么是好的实验设计,怎样从数据中看出规律,等等。这种知识可能是现实的、外显的,也可能是内隐的,其中涉及到陈述性知识,但更重要的是程序性知识。这些元知识是学习者对发现过程进行自我监控的重要基础,同时,学习者又可以通过实际进行的发现活动,通过自己的反思概括不断地丰富自己关于发现学习的元知识。

应该说,以上分析综合了现有的理论观点,但与以往的理论相比,它突出强调以下观点:(1)问题表征是假设生成的基础,而在问题表征与假设生成过程中,学习者基于先前知识的意义理解和解释活动具有非常重要作用。对问题的理解表征是假设搜索的前提。假设空间不是一个预先存在的、客观的结构,而是学习者基于原有知识通过积极的分析推理活动建构起来的,是学习者对问题结构及可能存在的关系所生成的理解。因此,假设的生成不只是一个搜索过程,更是一个建构理解的过程。在建构问题表征与假设的过程中,学习者需要充分调动原有的背景知识,进行积极的意义生成(meaning-making)活动。(2)在科学发现学习这种探索性学习活动中,反思概括可能是一个非常重要的环节。以往的研究者强调自我监控在科学发现学习中的作用,但自我监控的含义基本局限在学习过程的计划和监视上。除了这些用以维持、调节发现学习过程的自我监控活动以外,学习者基于发现学习活动的反思概括可能是很重要的一个环节,它一方面要通过反省性抽象来提炼出所获得的意义和技能,同时又要通过反省性整合将所获得的新经验与更广的知识结构整合起来。

三、科学发现学习的基本内在制约条件

基于以上对科学发现学习的基本活动结构的分析,我们认为,有效的科学发现学习活动可能主要受以下三个内在条件的制约。

(一)发现学习活动的意义性(meaningfulness)

所谓意义性,是指当前的发现学习活动能够与学习者已有的领域性知识建立适当的联系,从而带着理解去进行发现活动。科学发现学习是一种典型的建构性学习,这种学习是通过新旧知识经验之间的充分的相互作用而实现的。为引发当前发现活动与原有知识经验间的相互作用,学习者首先要激活原有的与此有关的背景知识,将这些背景知识映射到当前的问题情境中,以理解所要探索的问题,建立适当的表征,进而,学习者要基于原有知识进行分析、综合和推理,从而对所探索的变量关系形成自己的假设,而这些假设又会在实验检验活动中得到支持和调整。发现学习活动的意义性集中体现在问题表征和假设生成环节上,在实验检验(如作出实验结论并予以解释)活动中也有一定的反映。

奥苏贝尔等在评价发现学习时曾提到,问题解决本身并不能保证有意义的发现,问题解决可以象最坏的言语讲述法那样呆板、形式化、机械、被动和死记硬背,出现什么样的学习结果主要是看所提供的问题解决经验的结构、组织和意义而定,这是发现法的提倡者们也接受的教训。奥苏贝尔强调“有意义地解决问题”,即真正领会了基本原理,而不是用尝试错误的办法,或只懂得了如何做的实用规则。如果只是机械地去“做”,就不需要理解,也不能促进理解。

为了有意义地进行发现学习,要探索的问题本身应该能潜在地体现与学习者原有知识经验的联系,同时它又蕴含着新的关系和规律,是通向新理解的桥梁。这种问题应该是知识丰富领域的问题,而不是不依赖于领域知识的问题。问题本身的潜在意义性只是一个前提条件,在此基础上,学习者需要主动地去生成和建立联系,看自己有哪些与此有关的知识经验,包括有关的概念、原理、以及其它背景性经验等。而且,这种联系不只是针对问题的表面特征,更主要的是针对问题中的深层关系和结构,这样才能成功地解决问题,也才能有效地建构深层理解。当然,联系的生成本身也依赖于学习者主动的分析和判断活动,学习者的推理、思维活动左右着他们对相关信息的搜索。

(二)发现学习活动的系统逻辑性(systematicyandlogicality)

在科学发现学习中,学习者所形成的假设需要在科学实验中进行检验,即通过科学实验来得到用以检验假设的事实证据,根据事实证据对假设作出评价和调整。科学发现学习的系统逻辑性集中体现在科学实验和推理活动中,即学习者要按照科学实验的思路和标准系统地对各种假设作出检验,逻辑地操纵自变量,控制干扰变量,准确地观测因变量的变化,并基于实验结果作出合乎逻辑的推论。为保证发现学习活动的系统逻辑性,学习者需要积极地进行科学推理活动,而这些推理又是有根据、有逻辑依据的,而不是胡乱猜测。另外,系统逻辑的实验推理活动是与学习者对实验推理活动的自我监控密切相关的(融为一体的),学习者需要对发现学习活动做系统的设计、监察和调节,使探索活动成为严密的、有序的。当然,假设生成过程也在一定程度上体现了系统逻辑性,如各种变量条件间的逻辑组合等。

杜威在提出“做中学”的同时非常强调“反省性思维”,没有思维就不可能有有意义的经验。“对于任何信念或假设性的知识,按照其所依据的基础和进一步导出的结论,去进行主动的、持续的和周密的思考,就形成了反省思维”,学习者所形成的判断要建立在证据的基础上。反省思维作为科学的思维,它意味着思维活动不是墨守陈规的,不是任性的,也不同于寄希望于偶然发现的尝试错误。“做中学”要有反省思维做基础,否则就可能成为玩闹和盲目尝试。

当然,这里强调思维活动的系统逻辑性并不是排斥直觉思维,直觉思维在问题解决中具有重要作用,然而,直觉思维所得出的判断也应该进一步经受推敲和检验,看它是否合理、是否站得住脚,这种推敲和确证活动对于深层理解的生成来说是很必要的。

(三)基于发现活动的反思概括(reflectivegeneralization)

发现学习活动的意义性、系统逻辑性都与学习者的自我监控密切相关,都依赖于学习者的自我计划和监视。除此之外,基于发现学习活动的反思概括具有非常独特的意义。学习者需要以发现学习活动为基础,有意识地进行反省性抽象和反省性整合。反思概括包括三个基本环节(水平),首先,学习者要明确发现学习过程中的观念联想和实验推理过程,包括对当前问题的条件和目标的确认、所联想起的相关知识经验、以及在此基础上所进行的推理、假设和实验检验等,学习者要有明确的自我意识、自我觉察。其次,学习者要从这一过程中提炼出其中所包含的新理解或新策略,在适当水平上概括出其一般意义,考虑它在其它情境中的适当性。最后,学习者还要按照问题解决中的推论路线逻辑地将新理解与基本原理及相关知识联系起来,与事实资料联系起来,将新策略与问题特征联系起来,对发现的结论作出整体性解释,实现知识经验的整合。皮亚杰曾强调,抽象,特别是反省性抽象是知识建构过程的重要机制。在这里,我们强调反省性抽象的重要性,并同时强调知识的整合。

应该说,在有关基于模拟的科学发现学习的研究中,研究者已经对其中的自我调节、自我监控问题做了不少研究,但这些冠以“反思”(reflection)或“监控”(regulation)的研究所针对的主要是发现学习活动的计划性、系统性,主要是学习者的自我计划和自我监视,而计划、监视的内容又基本局限在实验设计和结果观察上。这种自我计划和监视是与实际的实验推理活动和意义解释与理解活动融为一体的,其目的在于提高这些活动本身的水平。而本研究所强调的对发现活动的反思概括(反省性抽象和反省性整合)是自我监控活动中的另一重要侧面,这是在实验推理活动和意义理解、解释活动的基础之上进行的,其目的指向于领域性知识和元知识的建构。

综上所述,有效的科学发现学习活动可能主要受三个内在条件的制约:发现活动的意义性、系统逻辑性以及基于发现活动的反思概括。发现学习活动的意义性所反映的是学习活动的内容特性,它是新、旧知识经验相互作用的前提。系统逻辑性所反映的是学习活动的形式特性,它使新、旧知识经验的相互作用得以积极、有序地进行。在此基础上,反思概括帮助学习者对所生成的新意义形成明确的意识,并依据思维的路线将有关的知识经验整合起来。上述这三个条件是相互制约的,知识的激活及深层联系的生成往往依赖于主动、系统的实验推理活动,而理解又会对实验推理活动起到引导定向作用,意义性和系统逻辑性是有效的反思概括的基础。

四、计算机模拟环境中的学习支持设计

在利用计算机模拟促进学习者的科学发现学习时,我们需要同时考虑如何为学习者提供必要的、有力的学习支持。如上所说,有效的科学发现学习可能主要受三个内在条件的制约:发现学习活动的意义性、系统逻辑性和基于发现活动的反思概括。若此,为科学发现学习提供的学习支持也应该从这三个侧面来综合考虑,可以设计三种相应的学习支持:(1)解释性支持(interpretativesupport):通过促进学习者的意义理解和解释活动来提高发现学习的意义性。具体来说,帮助学习者激活与问题情境有关的背景知识,基于背景知识分析、理解问题,形成假设,并结合有关概念原理对得到支持的假设作出解释。(2)实验性支持(experimentalsupport):通过促进学习者的科学实验与推理活动来提高发现学习的系统逻辑性。具体来说,要帮助学习者了解科学实验的设计思路和基本策略,引导他们明确实验目的,作出预测,并在实验之后对预测作出对照检验,明确实验结果,合乎逻辑地发现所探索的规则。(3)反省性支持(reflectivesupport):帮助学习者对意义理解和实验推理的活动过程形成更明确的自我意识,从中提炼、抽象出所获得的新理解以及与发现活动有关的规则策略,并与原有的概念原理结合起来,促进学习者的反思概括。

从有关文献来看,现有的研究对这三种学习支持都已经有不同程度的涉及,这三种学习支持的作用得到了在不同程度的验证。但是,现有研究主要集中在用以提高发现活动的系统逻辑性的实验性支持上,比如对实验设计的引导提示、做预测、对实验过程的计划等等,在假设生成环节上所提供的学习支持也主要是着眼于假设的形式规则,旨在提高假设活动系统逻辑性,而非促进学生的意义性理解和解释活动。针对发现学习的意义性所设计的学习支持主要是提供背景知识,而没有进一步考虑学生对问题情境的理解,以及基于背景知识形成假设、解释结果等。现有研究对于发现学习的自我监控做了不少研究,但这些着眼于自我监控的学习支持基本局限于对假设和实验活动的计划和监视,其目的仍是提高发现学习活动的系统逻辑性。Linn&Lehman在一定程度上涉及到了本研究所强调的反思概括,但没有从领域知识获得的角度对学习效果做考察,而只是研究了变量控制技能的发展。

为了从意义性、系统逻辑性和反思概括三个侧面对基于模拟的科学发现学习进行更全面、更结构化的考察,我们结合中学物理的教学内容设计开发了模拟软件,并通过三个实验对上述学习支持的影响作了研究,实验结果基本支持了上述理论假设,即意义性、系统逻辑性和反思概括在科学发现学习中具有重要的制约作用,在利用计算机模拟促进科学发现学习时,应该根据学习者的具体特征,从这三个侧面来综合考虑学习支持的设计。当然,这些假设仍有待于在不同年龄段、不同学科内容中作更进一步的检验,从而为计算机模拟学习环境的设计提供一个更有效的指导模型。

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