科学发现学习的认知模型建构39

发布时间：2016-10-17 11:48

本文关键词：计算机技术支持的中学科学探究式学习环境设计，由笔耕文化传播整理发布。

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2014.6?中国电化教育?总第329期

Theory of Educational Technology

理论与争鸣

性。最后，在得出结论环节，领域知识还可以帮助学生加深对结论的理解。在支持方式上，领域知识可以通过讲授或图文的形式直接呈现给学生[16]；并且有研究表明，在学生需要时提供所需的领域知识比预先提供相关的领域知识效果要好[17]。

(2)策略技能：是指关于如何进行科学发现学习的知识、技能、方法与策略。策略技能可以分为两类：

a.策略过程：专指假设驱动策略下，科学发现学习所经历的理解问题、提出假设、设计实验、检验假设和得出结论五个环节及其逻辑关系。

b.知识技能：是指每个学习环节中，学生应当具备的关于科学发现学习的知识、技能与方法。例如，在提出假设环节，学生应当了解假设的基本要求；在设计实验环节，学生必须采用变量控制法；在检验假设环节，应当将实验数据绘制成图表以帮助理解数据等。

元策略的支持可以通过导航图、指导语、认知工具、规定性的学习过程等方式实现[18][19]。

(3)内部目标：是指影响学习过程中行为目标的各种学生心理因素，包括学生的好奇心、好胜心、偏好等。内部目标直接影响学生对学习过程的调节能力。例如，有的学生固执己见，他们在实验已经证否某条假设的情况下，仍然坚持设计新的实验以证明该假设[20]。为此，可以通过指导语、教师激励等方式帮助学生调整内部目标。

(三)监控与反思

虽然具有规范的学习过程并且需要为学生提供多方面的学习支持，但是科学发现学习仍然具有明显的学生自我导向(Self-directed)特征，学生需要自己规划和调节进行科学发现学习的方案，如提出哪些假设，设计怎样的实验等。在这种自主、灵活、试错的进程之中，学生的自我监控和反思对于学习的成败具有重要意义。一方面，监控与反思能够帮助学生提取出分布于各学习环节与步骤中有价值的领域知识与策略技能，皮亚杰称之为反省抽象；另一方面，监控与反思必将激活学生脑海中之前已经掌握的领域知识和策略技能，并将之与当前科学发现学习过程中的领域知识和元策略相关联，从而促进认知同化，形成意义建构，皮亚杰称之为反省整合。

由此可见，监控和反思贯穿于整个学习过程之中。监控和反思的具体内容包括领域知识和策略技能两个方面：

(1)领域知识：包括学生提出了哪些假设，实验是否支持这些假设，最后得出怎样的结论，以及在

过程之中激活了哪些先前已经掌握的领域知识。这些内容反映了学生的知识状态变化过程，以及新旧知识是如何关联的。

(2)策略技能：分为策略过程和技能方法两个方面。前者包括科学发现学习经历了怎样的过程，学生提出假设采用了何种策略等；后者包括学生如何针对假设设计实验，如何控制变量，怎样处理实验数据等。这些内容反映了学生进行科学发现的思路过程。

综上所述，科学发现学习的活动模型如图5所示。

监控反思

理解问题1.寻找信息

2.整体分析系统

提出假设1.选择变量

2.分析关系

设计实验1.设置条件2.预测数据3.收集数据

检测假设1.处理数据

2.验证假设

得出结论1.总结假设整体理解2.反思评价

领域知识支持策略过程支持

技能方法支持

内部目标支持

图5?科学发现学习的活动模型

四、结束语

科学发现学习是一种高度复杂的问题解决式学习活动。本文尝试从领域知识的结构、发现机制和学习活动的设计三个方面建立科学发现学习的认知模型。可以看出，，该认知模型具有明显的结构化特征，易于通过计算机代码进行形式化表达，这就为设计开发基于计算机的科学发现学习环境奠定了必要的理论基础。在未来的工作中，我们将以此为依据深入讨论科学发现学习环境中的领域知识建模、学生建模、活动建模、脚手架设计等问题。

参考文献：

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理论与争鸣

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作者简介：

陈刚：博士，副教授，硕士生导师，研究方向为智能教学系统、科学教育(chengangyzu@163.com)。

石晋阳：在读博士，讲师，研究方向为教学设计，媒体心理学(sjy8008@163.com)。

高强：硕士，助教，研究方向为科学教育(tony2849671@163.com)。

Cognitive Modeling of Scientific Discovery Learning

Chen Gang, Shi Jinyang, Gao Qiang

(School of Journalism and Communication, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225002)

Abstract:Presently, the use of virtual learning environment for scientific discovery learning has become an important way to implement science education. However, because of the highly complex cognitive process of scientific discovery learning and the lack of necessary learning support, the existing virtual learning environment failed to achieve satisfactory effect. To solve this problem, it is necessary to establish a cognitive model of scientific discovery learning as the basis for the design and development of virtual learning environment. Therefore, based on the philosophy of science, information processing psychology and education sciences research, this paper has built the cognitive model of scientific discovery learning from the structure of domain knowledge, the information process mechanism of discovery and the design of learning activity aspects. In scientific discovery learning, students gradually design experiment to explore scientific theory model of actual system. The scientific theory model includes partial model and complete model which may be described in mathematical or physical way. Scientific discovery learning is a dual search in learner's hypothesis space and experiment space guided by hypothesis-driven strategy or experiment-driven strategy. The knowledge construction of learner can be divided into two phases, one is from hypothesis space to partial models and the other is from partial models to complete model. Scientific discovery learning includes five steps: analyzing problem, raising hypothesis, designing experiment, testing hypothesis and drawing conclusion. Learning supports should be provided in domain knowledge, meta-strategy and internal target aspects.The structural characteristic of the cognitive model is obvious and easy to be formalized through computer code. Therefore, the cognitive model lays the theoretical foundation for the design and development of intelligent scientific discovery learning-oriented virtual learning environment.

Keywords:Science Education; Scientific Discovery Learning; Cognitive Model; Virtual Learning Environment

收稿日期：2014年3月17日责任编辑：李馨?赵云建

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