文档介绍：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。越来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“提高学生科学素养”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,教学效果明显。
1 认知计算建模技术
近几十年来心理学家纷纷从“认知”的角度揭示人类是如何获得知识和能力的。由于认知过程不能直接观测,心理学家通过各种计算模型的建构与实证,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。

语义网络基于知识常以联想形式存在的观点而提出。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生而变得相互联系;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与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采表征知识。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、溴的性质相似,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、联结效应等。
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生过程展开,可以用产生式系统进行模拟。它实际上是一系列“条件—行动”的规则,由若干个“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,当学生面对“加碘精制盐”包装袋时,可能经历类如图2的心理操作。其结果必产生‘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→面→网”的认识产生关系。
如果工作记忆中的内容有多个可匹配的规则,系统则采用一种“冲突解决策略”,选择一个最优的规则加以执行。例如“如果从化学成分考虑,那么精制盐中加的‘碘’是化合物,还是单质?”,学忆中选择碘单质颜色、受热时升华的现象或碘使淀粉试液变蓝的性质与之相匹配,进一步用实验方法求证;若不出现有碘单质存在的现象,则可作出盐中加的“碘”是化合物而不是单质碘的正确判断;接下来“如果是化合物,那么加的是碘化物,还是碘酸盐?”,学忆内容中提取多个可匹配的规则:碘离子(I—)和碘酸根离子(IO3—)性质不同,并设计实验求证。这些正是科