兒童類比推理的影響因素及干預促進

/兒童類比推理的影響因素及干預促進【摘要】類比推理這一重要認知能力能夠幫助兒童在未經歷過的復雜情況下進行推斷和學習。近年來研究者主要從行為研究、計算機模型和眼動技術的角度探究了兒童抑制控制和工作記憶在類比推理中的交互作用模式及類比推理策略對類比推理的影響。在此基礎上，研究者圍繞語言標簽和物理表征兩方面對兒童類比推理進行了干預研究。兒童類比推理的未來研究應著眼于改進研究方法、關注類比推理各加工階段影響因素及加強兒童類比推理策略的干預應用研究?！娟P鍵詞】類比推理；兒童；影響因素；干預；語言標簽；物理表征 1引言 作為抽象邏輯思維的一種重要形式，類比推理是指從兩個對象的某些相似性和一個對象的一個已知特性推出另一個對象也具有這種特性的推理過程(Gentner，1983)。兒童推理能力的發展能夠幫助兒童從一個熟悉任務的心理表征快速轉移到另一個不熟悉(或較為復雜的)任務中，實現在未經歷過的復雜情況下的推斷和學習(Chuderska&Chuderski，2009)。根據已有的兒童類比推理相關研究，本文將首先梳理近年來兒童類比推理影響因素的相關研究，再通過對相關干預研究的分析總結，探索類比推理對兒童發展和教育的作用。 2兒童類比推理的影響因素 以往研究者們從不同角度提出類比推理的發展理論，如Piaget和Sternberg的“能力限制說”(Goswami，1991；Sternberg&Rifkin，1979)、Goswami和Brown的“知識限制說”(Goswami&Brown，1990)、Gentner和Rattermann的“關系轉換理論”(Gentner&Rattermann，1991)等。研究者發現，兒童在進行類比推理時常常無法抑制知覺干擾的影響(Starr，Vendetti，&Bunge，2018)，且難以處理有多重關系的類比推理問題(Richland，Morrison，&Holyoak，2006；Simms，Frausel，&Richland，2018)。由此引發研究者對兒童類比推理影響因素的關注。行為研究表明，工作記憶和抑制控制在類比推理中的交互作用仍存在爭議(Cho，Holyoak，&Cannon，2007；Richlandetal.，2006)。計算機模型的相關研究為工作記憶和抑制控制之間的交互以及知識經驗和個人能力在類比推理中的作用探討提供了新思路(Doumas，Morrison，&Richland，2010)。此外，研究者發現除了抑制控制、工作記憶等認知能力外，個人如何選擇并使用特定策略也是解決類比問題的關鍵因素(Starretal.，2018)。以下將對這些影響因素進行具體的闡述分析。 2.1抑制控制與工作記憶影響兒童類比推理的行為研究 抑制控制指的是在追隨認知表征目標時抑制對無關刺激的反應的能力(Rothbart&Posner，1985)，在行為層面上包括轉移注意力、不進行某項心理活動或克服一個雖為優勢但與目標無關的知覺特征干擾(Choetal.，2007)，是影響兒童類比推理發展的重要因素(Loewenstein&Gentner，2005；Richlandetal.，2006)。馬曉清、馮廷勇、李宇和李紅(2008)讓4、5、6歲兒童分別在有無知覺分心刺激的條件下進行場景類比推理任務，發現兒童在分心刺激條件下的成績顯著低于無分心刺激條件，且在有知覺分心的類比推理任務中，每個年齡組兒童所犯的錯誤大多都是知覺分心錯誤。結果表明抑制知覺分心對兒童類比推理的重要性。 工作記憶是指在執行推理、理解和學習等復雜任務時，將必要的信息進行暫時儲存和處理的系統(Baddeley，1992)。兒童構造類比過程時，需要對源類比物和目標類比物進行表征，并基于對應關系構建源目標與目標元素的映射(Gentner，1983)，這個過程依賴于工作記憶(Richlandetal.，2006)。李紅和馮廷勇(2002)采用體現因果關系的圖片類比推理材料對4、4.5、5、5.5歲組的兒童進行測試，發現隨著兒童年齡增長，工作記憶容量增加，兒童能處理更多維度、更復雜的類比關系。 針對這兩種影響因素，研究者同時考察抑制控制和工作記憶對兒童類比推理發展的作用機制，但研究結果存在分歧。例如，Richland等(2006)同時設置類比情景中的分心刺激(有無知覺干擾)作為兒童抑制控制能力的測查(Begollietal.，2018；Richland&Burchinal，2013)，設置類比任務不同的關系復雜性(一元或二元)作為兒童工作記憶中需要同時整合關系的變量，發現知覺干擾和關系復雜性的交互作用顯著，尤其是3～4歲兒童完成一元知覺干擾條件與一元無知覺干擾條件的差值大于二元知覺干擾條件與二元無知覺干擾條件的差值。由此，Richland等(2006)認為，工作記憶是兒童完成類比推理任務的前提，如果關系復雜性超過兒童的記憶容量，那么知覺干擾也不會發揮顯著的分心作用。但Cho等(2007)的實驗設置了不同維度的知覺相似性，并通過變化目標相關特質的數量作為關系復雜性的測量指標，得出了不同的結論：當類比推理任務的關系復雜性越大，知覺干擾越強時，被試的類比成績越差。Cho等(2007)進一步認為，抑制控制和工作記憶對類比推理獨立起作用。 近年來研究者們也傾向于不獨立考慮工作記憶、抑制控制等因素對類比推理影響，而是從更上位的執行功能角度探究兒童類比推理發展特點。執行功能指的是能夠協助實現有目的定向行為的注意力和行為之間的協調，這一過程可以分化為三個相互關聯的組成部分：工作記憶、抑制控制和認知靈活性(Diamond，2013)。這里的認知靈活性指的是在兩個或多個可選擇的刺激-響應映射之間切換的能力(Diamond，2013)，適應性地進行任務切換能夠協助兒童處理更多更復雜的任務(Simmsetal.，2018)。但目前類比推理研究更多只是將認知靈活性作為執行功能的一個組成部分參與討論，如Simms等(2018)直接測查5～11歲兒童的類比推理任務及三項執行功能任務(工作記憶容量分類任務、Flanker任務和DCCS任務)，發現只有工作記憶能顯著預測兒童類比推理發展，抑制控制和認知靈活性都沒有達到統計上顯著性。但Richland和Burchinal(2013)通過對1000多名兒童大樣本的長期追蹤測查發現，兒童時期良好的執行功能，尤其是良好的抑制控制能力能較好地預測兒童15歲時的言語推理能力。因此，目前無論是操縱類比情景變量還是直接預測回歸兒童類比推理能力的發展，關于抑制控制和工作記憶對兒童類比推理的影響都尚未得到一致結果。 2.2抑制控制和工作記憶交互影響兒童類比推理的計算機模型探索 近年來，兒童類比推理研究引入了計算機模型的思路。通過計算機建模，研究者可以對輸入的變量進行控制，并將計算機模型得出的結果與現實中兒童類比推理的成績擬合，以此研究一些現實中無法完全分離的變量的作用。計算機模型為探討工作記憶和抑制控制之間的交互作用以及知識經驗和個人能力在類比推理中的作用提供了新思路。 最早，Gentner，Rattermann，Markman和Kotovsky(1995)利用SME模型(結構映射工具，StructuremappingEngine)(Falkenhainer，Forbus，&Gentner，1989)對Gentner和Rattermann(1991)的關系轉換數據進行建模，給模型提供不同水平的關系表征能夠模擬不同年齡孩子的不同關系知識水平。結果發現，在關系知識有限的情況下，模型表現得像年幼的孩子，隨著關系知識的增長，模型表現得像年長的孩子。由此證明知識經驗不足會造成年幼兒童的類比推理能力遜色于年長兒童。 隨后，Morrison，Doumas和Richland(2006)使用LISA模型(用圖式和類比進行學習和推理，learningandinferencewithschemasandanalogies)(Hummel&Holyoak，1997，2003)證明了工作記憶和抑制控制對兒童類比推理能力的影響。LISA模型是一種模擬神經的符號聯結型類比推理模型，使用同步觸發的機制將關系角色分散的表征單元綁定到目標角色的分散表征單元上，再通過這些分散的單元鎖定映射的目標；當模型單元間的抑制水平較低時，剛剛激活的單元就更可能再次被激活，觸發更多受體單元的激活，從而更難找到源目標對應的映射目標，且更容易選擇有知覺相似性的目標。Morrison等(2006)通過控制模型單元間的側抑制水平高低來模擬工作記憶中相互競爭的關系表征元素，擬合出了3～4歲、6～7歲、13～14歲兒童在單雙維和有無分心刺激任務下的類比推理趨勢，且這個趨勢在一定程度上符合Richland等(2006)在兒童身上觀察到的關系復雜性和分心刺激的交互作用，證明工作記憶可能是兒童完成類比推理的前提(Richlandetal.，2006)。 然而，Morrison等(2006)和Gentner等(1995)的研究都相對孤立地考慮了知識經驗或能力的作用。Doumas，Morrison和Richland(2009)引入DORA模型(通過類比發現關系，discoveryofrelationsbyanalogy)(Doumas，Hummel，&Sandhofer，2008)來描述如何從示例中學習LISA模型的結構化關系表征。通過對DORA模型學習次數的控制，可以得到不同的學習質量，模擬出不同的知識經驗水平。該模型證明了知識經驗水平是類比推理能力的基礎(Doumasetal.，2010)：在較高的知識經驗條件下，所需工作記憶容量較小，也能達到同等類比推理水平。但知識經驗的作用是有限度的，特別是對于年紀較小的兒童來說，假如類比推理任務所需的工作記憶超出了一定范圍，即使是較高的知識經驗水平也無法使之達到一定的類比推理水平(Morrison，Doumas，&Richland，2011)。 2.3類比推理策略影響兒童類比推理的眼動研究 除了工作記憶和抑制控制，研究者也開始關注類比推理策略對類比推理的影響。策略指的是一個或一系列獲得高水平目標或任務的程序(Lemaire&Reder，1999)，隨著個體發展，個體完成某種認知任務可能使用的策略種類會有所變化(策略庫)，傾向使用何種策略的頻率也會有所變化(策略分布)(Siegler&Lemaire，1997)。探究類比推理過程中的策略使用情況可以了解個體發展過程中對類比推理問題的認識和解決過程，也有助于發現有利于類比推理進行的策略及其適用條件。Thibaut，French，Missault，Gérard和Glady(2011)認為，解決A∶B∶C∶D類比推理問題的過程是對某一空間內特征和潛在關系進行搜索的過程，信息搜尋的內容及過程能夠反映出個體解決問題的方案，且這一過程高度依賴視覺(Glady，Thibaut，&French，2013)，因此眼動軌跡能為探究類比推理策略提供大量的信息。由此，研究者借助眼動設備對兒童和成人進行類比推理時使用的策略進行了一系列探究。 Thibaut等(2011)利用眼動技術探究5歲、8歲兒童和成人之間的類比策略差異，發現成人在進行類比推理時，通常最先關注AB之間的關系，而兒童則最先關注C和選項之間的關系。之后，Vendetti，Starr，Johnson，Modavi和Bunge(2017)總結了類比推理過程中的三種類比策略：項目優先策略(project-firststrategy)、結構映射策略(structure-mappingstrategy)和語義約束(semantic-constraintstrategy)策略，并對每一種策略設計了分類算法，通過計算實驗參與者注視每個區域的先后順序以及在每個區域、區域間轉換的注視時間，得出參與者的類比推理策略使用情況。項目優先策略意味著在解決A∶B∶C∶D式類比問題時，首先關注問題的A項和B項，在AB項之間進行注視過渡，然后在C項和待選項之間進行注視；結構映射策略則首先將注視點放在AC項之間，然后再進行B項和待選項之間的注視；語義約束策略的使用者則首先關注C項和待選項，注視點也會在各個選項之間轉換(Vendettietal.，2017)。 Starr等在2018年的研究中使用了Vendetti等(2017)這一算法，在28名平均年齡6.31歲的兒童和27名平均年齡20.1歲的成人間進行測試，發現成人最常使用的是項目優先策略，兒童則部分使用項目優先策略、部分使用語義約束策略。其中，項目優先策略的使用和正確率成正相關，語義約束策略的使用和正確率呈負相關。在使用項目優先策略進行類比推理時，兒童更可能首先關注正確的選項，使用語義約束策略的兒童則更可能首先關注知覺干擾項。這一結果表明，當兒童使用項目優先策略時，能夠成功地提取出AB項之間的關系，從而預測出與C項的匹配項；而當兒童使用語義約束策略時，會更容易受到知覺干擾(Starretal.，2018)。 3兒童類比推理的干預促進 類比推理是抽象邏輯思維的一種重要形式，可以幫助兒童在未經歷過的復雜環境中進行推斷和學習，在教育中起著重要的作用(Vendetti，Matlen，Richland，&Bunge，2015)。不能合理運用類比推理的學生可能會錯過學習過程中一些使用類比的關鍵概念(Richey，Phillips，Schunn，&Schneider，2014)，影響學習的進行。研究表明，兒童類比推理的發展受到自身認知能力(如工作記憶、抑制控制能力)、類比推理策略限制，也與兒童的知識經驗儲備息息相關(Goswami&Brown，1990；Richlandetal.，2006；Starretal.，2018)，年幼的兒童往往無法自發進行合理的類比推理。因此，如何通過一些干預手段提高兒童的類比推理能力成了重要的研究方向(Richeyetal.，2014)。已有研究發現，對兒童類比推理的干預可以通過語言和物理表征兩種形式下的多種方法進行(Mutafchieva&Kokinov，2007)，這些方法可以針對兒童類比推理過程中的類比關系表征以及抑制控制、工作記憶等影響因素進行干預，從而幫助兒童類比推理。 3.1語言提示的干預方法 兒童進行類比推理的過程中，首先需要對類比關系進行特定類型的表征，然后才能將類比關系應用到目標類比物的配對當中。語言就是這一表征過程成功構建的基礎(Loewenstein&Gentner，2005)，因此語言在類比推理過程中起著不可或缺的作用。在類比推理領域，關系語言的提示可以促進兒童關注類比關系、促進對類比關系的編碼，幫助兒童提取類比推理中的關系信息、抑制無關刺激的干擾，進而提高兒童類比推理成績(Loewenstein&Gentner，2005)。Rattermann，Gentner和DeLoache(1990)以大小類比映射任務為實驗材料：兒童和主試各有三個不同大小的物體(大、中、小)，主試把貼紙藏在一個物體下面，要求兒童在對應相對大小的物體下面找到貼紙。這樣的情況下兒童完成任務的情況并不理想。后來，主試為兒童提供了語言標簽，如，分別用爸爸、媽媽和寶寶來命名大、中、小三種大小的物體。借助語言標簽，3歲兒童的類比推理正確率達到了87%～89%。 進一步研究發現，系統性、空間性的語言提示對兒童類比推理的促進作用要大于其他種類語言提示(Christie&Gentner，2012)，原因可能是語言自身存在的系統語義結構可以引發相應的系統概念結構(Gentner，2010)，從而更加有效地抑制住無關分心刺激的干擾，促進兒童對目標間關系的關注。Loewenstein和Gentner(2005)對平均3.7歲和4.2歲的兒童進行空間映射類比任務，在兩個三層高的架子上放彩色的畫，并且有兩副完全一樣的畫被放在兩個架子上不同的位置(設置知覺干擾)，要求兒童根據兩個架子上的相對位置來尋找貼紙。主試對其中一組兒童采用空間提示語言(top，middle，under)，另一組則使用系統性較弱的提示(on，in，under)。結果表明，使用空間提示語言組的兒童成績顯著優于使用非空間提示語言組。如果給予兒童具有系統性但不具有空間性的語言提示(如1，2，3)，兒童依舊能夠在空間映射任務上表現出優勢(Christie&Gentner，2012)，證實了系統性、空間性的語言在類比推理方面的強大作用。 3.2物理表征的干預方法 為了降低兒童在類比推理過程中工作記憶的負擔、幫助兒童克服無關知覺或分心刺激的干擾，還可以通過物理表征的方式進行干預促進。例如，將源圖像與目標圖像同時呈現就是一種有效的物理表征方法。兒童可以對同時呈現的源圖像和目標圖像進行比較，發現關鍵的關系信息，且能有效降低處理類比信息時工作記憶的負擔，促進類比推理的進行(Christie&Gentner，2010；Rittle-Johnson&Star，2007)。Richland和McDonough(2010)探究打手勢的提示方法對兒童數學類比成績的影響，發現兒童得到的提示越多，越能識別問題的結構，并能對誤導性的相似問題使用合適的解決策略；得到最少提示的兒童最有可能在誤導性相似問題上依賴表面相似性，無法抑制分心刺激的干擾，出現交叉映射(表面相似性和結構相似性沖突的現象)效應。 另一方面，也有研究者(Mutafchieva&Kokinov，2007)認為物理符號本身和語言符號一樣，可以作為構建類比推理過程中關系表征的基礎，成為促進兒童類比推理的關鍵因素。Mutafchieva和Kokinov(2007)采用Rattermann等(1990)使用的大小類比映射范式(即在大中小三種物體下找貼紙)進行實驗，但采用連接桿將三種大小的物體連成一列，作為物體間關系的物理表征。發現關系的物理表征對4～5兒童類比推理能力的促進作用與語言標簽的作用幾乎是等同的，證實了物理表征對兒童類比推理的有效干預促進作用。 4研究展望 本文從不同角度梳理了兒童類比推理的影響因素，并探究了“語言標簽”和“物理表征”對兒童類比推理的干預促進作用。未來研究還可以從以下角度進行探索： 首先，采用更適宜的研究方法和實驗材料深入探究兒童類比推理的影響因素。目前有關兒童類比推理影響因素的相關結果仍比較分散、不夠系統，尤其是關于工作記憶和抑制控制對兒童類比推理的作用模式仍存在分歧。這可能與不同的研究者對抑制控制的操作定義不同有關。有些研究任務測查的是狹義的抑制控制，即工作記憶中央執行成分中的抑制控制。如Richland等(2006)在類比情景任務中操縱知覺分心以及Chuderska和Chuderski(2014)操縱語義分心的研究均表明，類比推理的抑制控制發生在個體的工作記憶中；即工作記憶是前提，工作記憶限制了分心或干擾對類比推理的作用。但有些研究任務中的抑制控制是廣義的抑制控制，即抑制控制與工作記憶是同屬一個層級的認知能力。如Cho等(2007)提出抑制控制和工作記憶同屬一個“認知資源庫”，抑制控制和工作記憶對類比推理獨立發揮作用，個體的抑