科学发现学习的认知机制与学习环境建模

摘要

针对当前科学发现学习环境普遍存在的领域依赖和学习支持不足等问题，本文试图建立一个独立于特定领域的，更一般意义上的通用科学发现学习环境。为此，我们将这一问题分解为三个子问题加以解决：(1)科学发现学习的认知机制如何?(2)如何依据科学发现学习的认知机制，建构科学发现学习环境的内部数据模型?(3)在数据模型的基础上，应该如何设计科学发现学习环境的各种功能和数据视图，以帮助学习者顺利地完成科学发现学习? 首先，根据信息加工理论关于问题解决的研究框架，本文认为：科学发现学习属于特定领域内且定义良好的问题解决活动，本质上属于归纳推理；科学发现学习的任务环境由实验模型和科学理论模型两部分构成，归纳逻辑就体现在其构成要素概念和关系两个方面；在信息加工的层面上，科学发现学习可以看作是学习者在假设空间和实验空间进行的双重搜索活动，可以采取“理论驱动的归纳”和“数据驱动的归纳”两种策略，包括搜索假设空间、搜索实验空间和证据评估三个核心子过程；为了顺利完成科学发现学习，学习者需要在领域知识和元知识两个方面得到支持；此外，监控与反思也是科学发现学习的重要环节。 其次，科学发现学习环境属于典型的建构主义式学习环境，其系统模型可以分解为领域知识模型、学习者模型和活动模型。其中，领域知识模型又分为仿真模型和解释模型，前者可以利用知识表示框架结合仿真引擎的方法实现，而后者则可以采用类似于知识库的建模方法；学习者模型记录了学习者的认知过程，映射着学习者问题空间中的假设空间和实验空间；活动模型根据科学发现学习的基本过程为学习者配置规范化的交互空间，包括问题交互空间、假设交互空间、实验交互空间和结论交互空间。 接着，在科学发现学习环境的界面设计上，本文总结了现有的研究成果，指出科学发现学习环境的界面设计应将重点放在知识呈现、假设形成、实验设计、数据处理和自我监控五个方面。 最后，在上述研究的基础上，本文设计开发了关于连续系统的通用科学发现学习环境的原型系统GSDLE。

目录

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声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1科学教育与科学发现学习的盛行

1.1.2科学发现学习环境的兴起

1.2研究问题

1.2.1问题的界定

1.2.2研究价值与意义

1.3研究现状

1.3.1科学发现

1.3.2智能学习环境

1.4研究思路

1.5研究方法

1.5.1系统科学方法

1.5.2文献分析法

1.5.3设计与开发研究

第二章科学发现学习的概念与内涵

2.1发现学习的提出

2.2布鲁纳的发现学习理论

2.2.1学科基木结构

2.2.2发现学习

2.3从概念发现学习到科学发现学习

2.4科学发现学习实例：摆锤

第三章科学发现学习的认知机制

3.1问题解决的基本理论

3.1.1问题解决的基本概念

3.1.2问题解决的分类

3.1.3信息加工理论关于问题解决的研究范式

3.2科学发现学习是特定领域内定义良好的问题解决

3.3科学发现学习的认知机制

3.3.1科学发现学习的任务环境

3.3.2科学发现学习的解决机制

3.3.3科学发现学习的支持

3.3.4自我监控与反思

3.3.5知识形成过程的表征

第四章科学发现学习环境建模

4.1智能学习环境的研究回顾

4.1.1什么是智能学习环境

4.1.2智能学习环境的系统模型

4.2科学发现学习环境的三元模型

4.3领域知识模型

4.3.1建模思路

4.3.2仿真模型

4.3.3解释模型

4.4学习者模型

4.4.1学习者模型概述

4.4.2建模思路

4.4.3学习者模型的建立

4.5活动模型

4.5.1建模思路

4.5.2活动模型的建立

第五章科学发现学习环境界面设计

5.1背景知识

5.2形成假设

5.3设计实验

5.4数据处理

5.5自我监控

第六章原型系统GSDLE

6.1开发目标

6.2体系结构

6.3开发环境

6.4系统功能

6.4.1知识编辑子系统

6.4.2科学探究子系统

6.5 GSDLE的评价

第七章总结与展望

7.1研究结论

7.2研究创新

7.3研究展望

参考文献

致谢