國際科學(xué)推理研究進展及其啟示

左成光 吳開貴 任永力

摘? ?要：本文運用CiteSpace軟件，以Web of Science核心合集收錄的“科學(xué)推理”主題的文獻為分析對象，結(jié)果表明，科學(xué)推理領(lǐng)域的研究學(xué)者、機構(gòu)及成果主要以美國為主;科學(xué)推理的研究是一個多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域;科學(xué)推理領(lǐng)域研究的熱點主要集中在促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究、科學(xué)推理的評估和科學(xué)推理的基礎(chǔ)理論等方面。研究建議：堅持本土行動與國際合作研究相結(jié)合;多學(xué)科協(xié)同研究;以科學(xué)推理評估研究為突破，夯實科學(xué)推理的基礎(chǔ)研究，探索促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：科學(xué)推理;物理學(xué)科核心素養(yǎng);文獻計量學(xué);CiteSpace

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）3-0065-4

在中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的理念下，我國啟動了高中課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，教育部于2017年12月29日頒布了普通高中課程方案及各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，此次課程標(biāo)準(zhǔn)突出的特點是凝練了學(xué)科核心素養(yǎng)。其中，物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，并在科學(xué)思維部分首次提出了對推理論證能力的要求。然而，我國對其研究還比較薄弱。本文通過對Web of Science核心合集收錄的“科學(xué)推理”主題的文獻從文獻計量學(xué)的視角進行分析，以期為國內(nèi)學(xué)者在科學(xué)推理研究中開展國際合作研究、提煉研究主題等方面提供參考。

1? ? 科學(xué)推理研究的科研機構(gòu)、作者及學(xué)科分析

1.1? ? 科學(xué)推理研究的科研機構(gòu)分析

對科研機構(gòu)的分析可以了解關(guān)于科學(xué)推理研究的地理空間分布，為開展合作交流提供幫助。在481篇文獻中，共有511家研究機構(gòu)參與，其中有381家研究機構(gòu)僅發(fā)表過1篇文獻。這說明關(guān)于科學(xué)推理的研究還沒有核心研究機構(gòu)的形成，但也有部分研究機構(gòu)的發(fā)文量相對較大。根據(jù)發(fā)文量高和被引前十的研究機構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在科學(xué)推理研究發(fā)文量排在前十的機構(gòu)中，有7家來自美國，其余的國家只有德國的慕尼黑大學(xué)、加拿大的阿爾伯塔大學(xué)及荷蘭的特溫特大學(xué)進入前十，其中，德國的慕尼黑大學(xué)和美國的俄亥俄州立大學(xué)的發(fā)文量最大。從發(fā)表文獻的最大引用頻次來看，匹茲堡大學(xué)所發(fā)表的文獻被引量遙遙領(lǐng)先，說明該大學(xué)在科學(xué)推理領(lǐng)域的研究成果得到了學(xué)界的公認(rèn)。此外，加州大學(xué)洛杉磯分校、斯坦福大學(xué)、阿爾伯塔大學(xué)、康奈爾大學(xué)等研究機構(gòu)的研究成果被引頻次較高。

1.2? ? 核心作者分析

在文獻計量學(xué)中評定某學(xué)科領(lǐng)域核心作者的標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)文量和被引量。根據(jù)普賴斯理論，核心作者發(fā)文量至少要達到N篇，N=0.749*（nmax）1/2（nmax為發(fā)文量最大作者的發(fā)文量）[1]。運用WOS數(shù)據(jù)庫的“作者”分析功能對作者的發(fā)文量進行分析，單個作者最大發(fā)文量為7篇，通過公式計算，N近似等于1.98，因此，科學(xué)推理研究領(lǐng)域的核心作者發(fā)文量應(yīng)該至少為2篇。發(fā)文量至少2篇的作者為核心作者，共有156位作者。利用CiteSpace軟件對作者發(fā)文量和最大被引頻次進行分析，根據(jù)被引頻次和發(fā)文量前十作者的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，哥倫比亞大學(xué)的Kuhn D教授、伊利諾伊州立大學(xué)的Zimmerman C教授以及亞利桑那州立大學(xué)的Lawson AE教授不僅發(fā)文量較多，而且被引量也較高，可以認(rèn)為是科學(xué)推理領(lǐng)域的核心作者。

1.3? ? 主要學(xué)科分布

為了了解對科學(xué)推理研究起著重要作用的學(xué)科情況，根據(jù)Web of Science的學(xué)科分類劃分，統(tǒng)計了發(fā)文量前五的學(xué)科，并統(tǒng)計了這些學(xué)科的中心性（見表1）。從表中可以看出，科學(xué)推理研究主要分布在教育與教育研究、心理學(xué)、科學(xué)學(xué)科教育、科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)、發(fā)展心理學(xué)等多個學(xué)科。

2? ? 科學(xué)推理研究熱點領(lǐng)域分析

關(guān)鍵詞揭示了文獻的研究主題，是文獻的核心，中心性和頻次高的關(guān)鍵詞代表著一段時間內(nèi)研究者共同關(guān)注的問題，即研究熱點。運用CiteSpace軟件，得到了科學(xué)推理研究領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞的頻次和中心性。綜合關(guān)鍵詞的頻次和中心性，科學(xué)推理（scientific reasoning）、知識（knowledge）、科學(xué)（science）、思維（thinking）、科學(xué)教育（science education）、能力（ability）等關(guān)鍵詞相對靠前，可以認(rèn)為是國際科學(xué)推理研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

為了進一步提煉科學(xué)推理研究的熱點主題，運用CiteSpace軟件的關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類功能得到了關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類情況，最終根據(jù)高頻關(guān)鍵詞聚類結(jié)果提煉出科學(xué)推理研究的熱點主題如下。

2.1? ? 促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究

關(guān)于探究性學(xué)習(xí)促進科學(xué)推理能力發(fā)展的研究。Leuchter， Miriam（2014）等人的研究表明，在小學(xué)第一年，采用探究學(xué)習(xí)的科學(xué)推理的課程促進了學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變;Lazonder， Ard W（2014）等人的研究揭示了直接指導(dǎo)型教學(xué)能促進學(xué)生控制變量的應(yīng)用以及得出更廣的論斷;Lazonder， Ard W（2012）等人的研究還表明將多變量的探究任務(wù)分割成一系列的單因素子任務(wù)進行控制變量，可以促進推理能力和概念理解;Yvonne G（2010）等人的研究表明在探究學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以促進學(xué)生的研究假設(shè)和已有知識之間的連接。

此外，校外科學(xué)教育及合作學(xué)習(xí)促進科學(xué)推理能力的發(fā)展也受到了關(guān)注。Kisiel J， Rowe S（2012）等人通過家庭參與互動動物館展覽的研究表明，這種非正式科學(xué)教育促進了兒童應(yīng)用先驗知識來制定和檢驗預(yù)測及假設(shè)，并構(gòu)建論證。

2.2? ? 科學(xué)推理能力的評估研究

關(guān)于科學(xué)推理能力測評模型的研究。如 Osborne， Jonathan（2013）兩位教授指出，從21世紀(jì)需求來看，科學(xué)教育的失敗之處是缺乏好的科學(xué)推理模型和關(guān)于如何評估這種高階認(rèn)知能力的專業(yè)知識; Nathaniel J. S. Brown（2010）等人提出了一個運用于書面評價的科學(xué)推理模型：循證科學(xué)推理模型。

關(guān)于學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的研究。幼兒園兒童、小學(xué)生、中學(xué)生和本科生等各階段推理能力發(fā)展及性別差異也是科學(xué)推理能力測評的研究熱點。To C， Tenenbaum H R（2017）等研究了高中生在進化內(nèi)容中的科學(xué)推理發(fā)展。Zimmerman C（2007）對小學(xué)生及初中生科學(xué)推理能力的發(fā)展進行了深入的研究。

各階段人群在控制變量、因果關(guān)系、概率推理、類比推論、證偽等科學(xué)推理能力發(fā)展方面的研究。Segers， Eliane（2015）對4～6歲兒童控制變量方面的推理能力進行了測評研究;Lazonder， Ard W（2014）等人從顯性與隱性教學(xué)指導(dǎo)對兒童控制變量策略的獲得與使用的影響進行了研究。

2.3? ? 科學(xué)推理的基礎(chǔ)理論研究

科學(xué)推理的基礎(chǔ)理論研究主要包括認(rèn)知哲學(xué)、解釋學(xué)、系統(tǒng)論等。如Lawson A E.（2010）從溯因推理、演繹和歸納方面介紹了一個關(guān)于科學(xué)推理、論證和發(fā)現(xiàn)的模型。Zeineddin A， Abd-El-Khalick F（2010）等人認(rèn)為認(rèn)識論（Epistemological commitments，ECs）是推理的基礎(chǔ)，可以很好地描述科學(xué)推理的復(fù)雜本質(zhì)，研究結(jié)果表明ECS越高，推理的質(zhì)量越高。

3? ? 科學(xué)推理研究的知識基礎(chǔ)分析

通過高頻被引文獻的分析，可以了解到研究領(lǐng)域的經(jīng)典文獻，這些經(jīng)典文獻可以看作是科學(xué)推理領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)，為后續(xù)的研究提供參考。表2列出了科學(xué)推理研究領(lǐng)域高被引前十文獻的信息。被引頻次最高的是《中小學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展》，這篇文章由美國伊利諾伊州立大學(xué)心理學(xué)系的Corinne Zimmerman教授于2007年發(fā)表在國際著名心理學(xué)期刊《發(fā)展綜述》。另外，該教授于2000年發(fā)表的《科學(xué)推理能力發(fā)展》也被學(xué)者大量引用。這一方面說明Corinne Zimmerman教授在科學(xué)推理研究方面的研究成果取得了學(xué)界公認(rèn)，另一方面說明了這兩篇文章在科學(xué)推理研究方面起到了重要的基礎(chǔ)作用。

另一篇高被引文獻是由俄亥俄州立大學(xué)的美籍華人包雷教授領(lǐng)銜的團隊在國際知名期刊《科學(xué)》上發(fā)表的《物理學(xué)習(xí)和科學(xué)推理》。該研究以中國和美國大學(xué)生為研究對象，采用 LCTSR測試中美大學(xué)生的科學(xué)推理能力。以力學(xué)和電磁學(xué)知識為物理知識測試內(nèi)容，結(jié)果顯示，中國大學(xué)生的物理知識得分高于美國大學(xué)生，但是兩個國家的大學(xué)生的科學(xué)推理能力得分基本一致[2]。

4? ? 研究結(jié)論與啟示

本研究對科學(xué)推理領(lǐng)域收集到的文獻分別從研究現(xiàn)狀、研究主題和熱點、研究知識基礎(chǔ)三個方面進行了分析，得到了如下結(jié)論：第一，科學(xué)推理的研究成果主要集中在美國的研究機構(gòu)和學(xué)者;科學(xué)推理領(lǐng)域研究是一個跨學(xué)科領(lǐng)域，是以教育與教育研究、心理學(xué)、科學(xué)學(xué)科教育、科學(xué)史與哲學(xué)為核心的跨學(xué)科領(lǐng)域。第二，通過關(guān)鍵共現(xiàn)聚類表明，科學(xué)推理領(lǐng)域的研究熱點主題主要集中在促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究、科學(xué)推理的評估和科學(xué)推理的基礎(chǔ)理論方面。第三，在知識基礎(chǔ)方面，高被引的10篇文獻是科學(xué)推理領(lǐng)域的重要知識基礎(chǔ)。

基于“核心素養(yǎng)”的學(xué)科教學(xué)的關(guān)鍵課題之一便是把握“學(xué)科核心素養(yǎng)”[3]。科學(xué)推理作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)容之一，對其展開深入的研究對實現(xiàn)物理學(xué)科的目標(biāo)具有重要的意義。

通過本研究，對我們有如下啟示：

第一，堅持本土行動與國際合作相結(jié)合。通過本研究可知，關(guān)于科學(xué)推理的研究主要集中在美國，在開展科學(xué)推理的研究時，一方面要積極開展與這些核心機構(gòu)、核心作者的合作交流，借鑒他們的研究方法及成果，同時要積極將最新的研究成果在國際刊物上發(fā)表，提高自身研究的影響力;另一方面，應(yīng)該堅持立足我國學(xué)生的心理特點和文化場域，開展適合我國學(xué)生發(fā)展的科學(xué)推理方面的研究。

第二，多學(xué)科協(xié)同研究。通過本研究可知，科學(xué)推理的研究是一個跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，涉及到教育學(xué)、心理學(xué)及科學(xué)學(xué)科教育、科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)等。如果沒有教育學(xué)的研究，就會缺失科學(xué)推理教育的目標(biāo);如果沒有心理科學(xué)的研究，對學(xué)生科學(xué)推理的研究將缺失學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ);如果沒有科學(xué)學(xué)科教育的研究，關(guān)于推理的研究將缺失科學(xué)學(xué)科的特點;如果沒有科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)的研究，關(guān)于科學(xué)推理的本質(zhì)認(rèn)識將不夠深入。

第三，以科學(xué)推理評估研究為突破，夯實科學(xué)推理的基礎(chǔ)研究，探索促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究。由本研究可知，促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)、科學(xué)推理評估以及科學(xué)推理的基礎(chǔ)研究是當(dāng)前國際科學(xué)推理研究的熱點。在今后的科學(xué)推理研究中，如何找到突破口和歸宿呢？科學(xué)推理的評估是連接科學(xué)推理基礎(chǔ)研究和促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究的中介。通過科學(xué)推理評估的研究，一方面可以為促進學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的教學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)和教學(xué)效果評估標(biāo)準(zhǔn)，另一方面還將反過來對科學(xué)推理的基礎(chǔ)研究提出更高的需求，從而夯實了科學(xué)推理的基礎(chǔ)研究。

參考文獻：

[1]閆偉東. 數(shù)字圖書館發(fā)展的可視化分析[J].公共圖書館，2012（1）：30-34.

[2]Bao L， Cai T， Koenig K， et al. Physics Learning and scientific reasoning[J]. Science， 2009，323（5914）：586-587.

[3]鐘啟泉.學(xué)科教學(xué)的發(fā)展及其課題：把握“學(xué)科素養(yǎng)”的一個視角[J].全球教育展望， 2017（1）：11-23.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）