科学发现学习的认知模型建构.doc

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1、科学发现学习的认知模型建构　　摘要：当前，利用虚拟学习环境进行科学发现学习已经成为推进科学教育的一条重要途径。然而，由于科学发现学习的认知过程高度复杂，而现有的虚拟学习环境未能提供所需的学习支持，导致其应用效果难以令人满意。要解决这个问题，就必须建立科学发现学习的认知模型，进而以此为基础进行虚拟学习环境的设计开发。因此，该文在科学哲学、信息加工心理学和教育科学相关研究的基础上，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。科学发现学习是学生针对实际系统设计实验从而渐进地探究发现科学理论模型的过程。其中，科学理论模型包括局部模型与全局模型两

2、个层面，和数学模型与物理模型两种形式。学生可以采用假设驱动或实验驱动两种策略在假设空间和实验空间中进行双重搜索，其知识形成过程可以分为从假设空间到局部模型和从局部模型到全局模型两个阶段。科学发现学习需经历理解问题、提出假设、设计实验、检验假设和得出结论五个环节，应从领域知识、元策略和内部目标三个方面为学生提供支持。该认知模型结构化特征明显，易于通过计算机代码进行形式化表达，为面向科学发现学习的智能化虚拟学习环境的设计开发奠定了必要的理论基础。　　关键词：科学教育；科学发现学习；认知模型；虚拟学习环境　　中图分类号：G434此资料由网络收集而来，如有侵权请告知上传者立即删

3、除。资料共分享，我们负责传递知识。科学发现学习的认知模型建构　　摘要：当前，利用虚拟学习环境进行科学发现学习已经成为推进科学教育的一条重要途径。然而，由于科学发现学习的认知过程高度复杂，而现有的虚拟学习环境未能提供所需的学习支持，导致其应用效果难以令人满意。要解决这个问题，就必须建立科学发现学习的认知模型，进而以此为基础进行虚拟学习环境的设计开发。因此，该文在科学哲学、信息加工心理学和教育科学相关研究的基础上，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。科学发现学习是学生针对实际系统设计实验从而渐进地探究发现科学理论模型的过程。其中，科

4、学理论模型包括局部模型与全局模型两个层面，和数学模型与物理模型两种形式。学生可以采用假设驱动或实验驱动两种策略在假设空间和实验空间中进行双重搜索，其知识形成过程可以分为从假设空间到局部模型和从局部模型到全局模型两个阶段。科学发现学习需经历理解问题、提出假设、设计实验、检验假设和得出结论五个环节，应从领域知识、元策略和内部目标三个方面为学生提供支持。该认知模型结构化特征明显，易于通过计算机代码进行形式化表达，为面向科学发现学习的智能化虚拟学习环境的设计开发奠定了必要的理论基础。　　关键词：科学教育；科学发现学习；认知模型；虚拟学习环境　　中图分类号：G434此资料由网络收

5、集而来，如有侵权请告知上传者立即删除。资料共分享，我们负责传递知识。文献标识码：A　　科学发现学习最早由布鲁纳提出，是指学生像科学家一样，针对某个科学问题，通过提出假设、设计实验和检验假设的方法，探究、发现并建构其中的基本规律和原理的学习活动。由于现实世界中安全、操作等方面的局限，基于计算机的虚拟学习环境已经成为开展科学发现学习的重要平台[1]。　　目前已经出现了如SimQuest、Co-Lab等科学发现学习环境。但是实验研究表明，这些学习环境的实际应用效果难以令人满意[2][3]。原因在于，科学发现学习的认知过程兼具规范性和灵活性，对学生的学习形成诸多挑战，而现有的虚

6、拟学习环境尚且无法识别、诊断和支持学生的学习过程。我们认为，要解决这一问题，必须首先建立一个相对完备的科学发现学习认知模型，并且这个认知模型应当适于计算机进行形式化表达，然后再以此为基础设计开发科学发现学习环境。　　因此，本文将在科学哲学、心理科学和教育科学等领域相关研究成果基础上，从领域知识的结构、发现机制和学习活动的设计三个侧面建立科学发现学习的认知模型，以期为科学发现学习环境的设计开发提供必要的理论依据。　　一、领域知识建模　　科学发现学习要求学生针对真实世界中的某个实际系统，通过设计实验，观察实际系统在不同实验条件下的实验现象，探究并发现其中蕴含的科学原理。因此

7、，建立领域知识模型就是要分析清楚实际系统、实验和科学理论模型的结构要素以及三者之间的逻辑关系。　　（一）实际系统　　所谓实际系统，是指科学发现学习所关注的现实世界的某个局部，或是科学发现学习环境对该局部进行的计算机模拟，它符合客观世界的运行规律，是相互联系又相互作用的对象的有机组合。例如，为了探究理想气体的温度、体积和压此资料由网络收集而来，如有侵权请告知上传者立即删除。资料共分享，我们负责传递知识。强三者之间的变化关系，科学发现学习环境可能提供给学生这样一个实际系统（如下页图1所示）：一个装有一定数量理想气体Q的密闭气缸C，气缸C的温度