基于认知计算建模技术的科学探究活动模型构建研究

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1、基于认知计算建模技术的科学探究活动模型构建研究韦斯林贾远娥唐力“以科学探究为核心”已经成为当今国际科学教育改革的共识。越來越多国家的科学课程改革的成功经验表明，积极开展科学探究活动是实现“提高学生科啓索养”的课程目标的关键。因而，如何有效实施科学探究教学一直是科学教育工作者关注的热点。多年来，笔者一直被这一引人入胜的领域所吸引，并致力于寻求当下盛行的认知理论与科学探究理论的内在交联点，以此为突破口探索实施探究教学的有效方法与策略。经过长达5年多的深入研究,建构了基于认知计算建模技术的科学主题探究活动模型。大量实践表明，该模型操作性强,教学效果明

2、显。1认知计算建模技术近儿I•年来心理学家纷纷从“认知”的和度揭示人类是如何获得知识和能力的。由于认知过程不能宜接观测，心理学家通过各种计算模型的建构为实证,帮助人们认识学习的过程。一个理想的计算模型能引导人们去规范一个理论并预测个体在新情景中的行为。近年来广为流行的认知过程计算模型主要有语义网络、产生式系统、联结主义网络四。它们与探究过程、要素具有一致性，因而其建模思想与技术对建构科学探究活动模型具有重要的理论指导意义。1.1语义网络语义网络基丁•知识常以联想形式存在的观点而捉出。它遵循三个基本原则:①相邻原则,两件事物因时空上同时发牛而变得

3、相互联系;②相似原则，两件事物因相似而变得相互联系;③对比原则，两件事物因对立而变得相互联系。这些原则在科学学习为探索过程中是必不可少的。基于这些原则，心理学家进一步提出，语义网络通常由相连接的结点釆表征知识。结点间的连线表示“与……有关”、“与……相似”、“像是……”、“不是……”等。如碘的性质与碘原子结构有关，与氯、淑的性质相似，外观上像是金属，，有光泽，然而它不是金属而是一种非金属，如图1。这样，学习意味着在知识网络中增加新的结点和连线，或者改变原有结点间的连接强度；也意味着大脑的兴奋在神经网络上传播而产生各种效应，如记忆效应、想象敢应、

4、联结效应等。1.2产生式系统认知心理学家认为，认知常以逻辑运演或认识发牛过程展开，可以用产牛式系统进行模拟。它实际上是一•系列“条件一行动”的规则，山若干个“如果一那么”语句相互关联形成。这些规则促使主体运用一个不受感觉影响的中枢执行系统，即工作记忆单元(Baddeley,Hitch,1974)。它将其内容与规则中的“如果”部分相匹配，进而执行“那么”部分；例如,当学牛面对“加碘精制盐”包装袋时，可能经历类如图2的心理操作。其结果必产牛'系列的认识知识的方式和方法，从而使求解问题的思维更深化、概念更精确，建构起知识的“点-线->血->网”的认识

5、产牛关系。如果工作记忆中的内容有多个nJ匹配的规则，系统则釆用一种“冲突解决策略”，选择一个最优的规则加以执行。例如“如杲从化学成分考虑，那么精制盐中加的'碘’是化合物,还是单质?”，学习者必需在工作记忆屮选择碘单质颜色、受热时升华的现象或碘使淀粉试液变蓝的性质与Z相匹配，进一步用实验方法求证；若不出现有碘单质存在的现彖，则可作出盐中加的“碘”是化合物而不是单质碘的止确判断：接下来“如果是化合物，那么加的是碘化物，还是碘酸盐?”，学习者必需从工作记忆内容中提取多个可匹配的规则：碘离子(I—)和碘酸根离子(103-)性质不同，并设计实验求证。这些

6、止是科学探究的猜想、假设、求证等要素。1.3联结主义网络联结主义的观点是，关于个体或事件的信息是似结点或单元间人量联结的形式贮存的。联结主义网络也称神经网络。典型的联结主义模型利川多个层次（输入层、内隐表征层、输出层）來处理复杂行为。其网络山元素或类神经元或结点交织连接而成（如图5中间部分）。每个单元口J以同许多单元发生联系，且通过兴奋或抑制的方式影响其他单元。当单元累加的信息量超过某一阀值吋，就输出一个单元的结果到另一单元。网络的总体性质受各单元特征、单元I'可连接方式和连接强度的各项规则所制约。这些就是我们常说的认识事物的特定学习规则。如提

7、供“加碘精制盐”物质及其包装袋，就是一个具体事件，跟这个事件相联系的单元有：它是混合物述是纯净物?加碘的目的是为了什么?加的是什么形式的碘?怎样证明碘的存在形式?碘的存在形式与性质和其他卤族元素的性质有何联系等等。其间“连接方式和连接强度”受认知的H标、联结单元的内在联系和学习的各项规则所制约。学习者就是沿着这个:“类神经元网络”进行言语的和非言语的认知信息贮存、加工与提取，从而建构自己的知识经验的。2科学主题探究活动模型的建构依照上述计算建模的观念所展开的信息加工，我们可以把认知分解为一系列阶段。每个阶段可以假定为山多种元素纽成一个单元，对输

8、入的信息进行某些操作。这一系列的阶段和操作的产物就是反应。信息加工各个组成部分以语义网络、联结主义网络、产生式系统等方式与其他部分相联系。图3是一个简