国际科学推理研究进展及其启示

左成光 吴开贵 任永力

摘   要：本文运用CiteSpace軟件，以Web of Science核心合集收录的“科学推理”主题的文献为分析对象，结果表明，科学推理领域的研究学者、机构及成果主要以美国为主;科学推理的研究是一个多学科的交叉研究领域;科学推理领域研究的热点主要集中在促进学生科学推理能力发展的教学研究、科学推理的评估和科学推理的基础理论等方面。研究建议：坚持本土行动与国际合作研究相结合;多学科协同研究;以科学推理评估研究为突破，夯实科学推理的基础研究，探索促进学生科学推理能力发展的教学研究。

关键词：科学推理;物理学科核心素养;文献计量学;CiteSpace

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0065-4

在中国学生发展核心素养的理念下，我国启动了高中课程标准的修订工作，教育部于2017年12月29日颁布了普通高中课程方案及各学科课程标准，此次课程标准突出的特点是凝练了学科核心素养。其中，物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任，并在科学思维部分首次提出了对推理论证能力的要求。然而，我国对其研究还比较薄弱。本文通过对Web of Science核心合集收录的“科学推理”主题的文献从文献计量学的视角进行分析，以期为国内学者在科学推理研究中开展国际合作研究、提炼研究主题等方面提供参考。

1    科学推理研究的科研机构、作者及学科分析

1.1    科学推理研究的科研机构分析

对科研机构的分析可以了解关于科学推理研究的地理空间分布，为开展合作交流提供帮助。在481篇文献中，共有511家研究机构参与，其中有381家研究机构仅发表过1篇文献。这说明关于科学推理的研究还没有核心研究机构的形成，但也有部分研究机构的发文量相对较大。根据发文量高和被引前十的研究机构统计结果可以看出，在科学推理研究发文量排在前十的机构中，有7家来自美国，其余的国家只有德国的慕尼黑大学、加拿大的阿尔伯塔大学及荷兰的特温特大学进入前十，其中，德国的慕尼黑大学和美国的俄亥俄州立大学的发文量最大。从发表文献的最大引用频次来看，匹兹堡大学所发表的文献被引量遥遥领先，说明该大学在科学推理领域的研究成果得到了学界的公认。此外，加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学、阿尔伯塔大学、康奈尔大学等研究机构的研究成果被引频次较高。

1.2    核心作者分析

在文献计量学中评定某学科领域核心作者的标准是发文量和被引量。根据普赖斯理论，核心作者发文量至少要达到N篇，N=0.749*（nmax）1/2（nmax为发文量最大作者的发文量）[1]。运用WOS数据库的“作者”分析功能对作者的发文量进行分析，单个作者最大发文量为7篇，通过公式计算，N近似等于1.98，因此，科学推理研究领域的核心作者发文量应该至少为2篇。发文量至少2篇的作者为核心作者，共有156位作者。利用CiteSpace软件对作者发文量和最大被引频次进行分析，根据被引频次和发文量前十作者的统计结果可以看出，哥伦比亚大学的Kuhn D教授、伊利诺伊州立大学的Zimmerman C教授以及亚利桑那州立大学的Lawson AE教授不仅发文量较多，而且被引量也较高，可以认为是科学推理领域的核心作者。

1.3    主要学科分布

为了了解对科学推理研究起着重要作用的学科情况，根据Web of Science的学科分类划分，统计了发文量前五的学科，并统计了这些学科的中心性（见表1）。从表中可以看出，科学推理研究主要分布在教育与教育研究、心理学、科学学科教育、科学史与科学哲学、发展心理学等多个学科。

2    科学推理研究热点领域分析

关键词揭示了文献的研究主题，是文献的核心，中心性和频次高的关键词代表着一段时间内研究者共同关注的问题，即研究热点。运用CiteSpace软件，得到了科学推理研究领域的高频关键词的频次和中心性。综合关键词的频次和中心性，科学推理（scientific reasoning）、知识（knowledge）、科学（science）、思维（thinking）、科学教育（science education）、能力（ability）等关键词相对靠前，可以认为是国际科学推理研究领域关注的热点。

为了进一步提炼科学推理研究的热点主题，运用CiteSpace软件的关键词共现聚类功能得到了关键词共现聚类情况，最终根据高频关键词聚类结果提炼出科学推理研究的热点主题如下。

2.1    促进学生科学推理能力发展的教学研究

关于探究性学习促进科学推理能力发展的研究。Leuchter， Miriam（2014）等人的研究表明，在小学第一年，采用探究学习的科学推理的课程促进了学生的概念转变;Lazonder， Ard W（2014）等人的研究揭示了直接指导型教学能促进学生控制变量的应用以及得出更广的论断;Lazonder， Ard W（2012）等人的研究还表明将多变量的探究任务分割成一系列的单因素子任务进行控制变量，可以促进推理能力和概念理解;Yvonne G（2010）等人的研究表明在探究学习环境中，可以促进学生的研究假设和已有知识之间的连接。

此外，校外科学教育及合作学习促进科学推理能力的发展也受到了关注。Kisiel J， Rowe S（2012）等人通过家庭参与互动动物馆展览的研究表明，这种非正式科学教育促进了儿童应用先验知识来制定和检验预测及假设，并构建论证。

2.2    科学推理能力的评估研究

关于科学推理能力测评模型的研究。如 Osborne， Jonathan（2013）两位教授指出，从21世纪需求来看，科学教育的失败之处是缺乏好的科学推理模型和关于如何评估这种高阶认知能力的专业知识; Nathaniel J. S. Brown（2010）等人提出了一个运用于书面评价的科学推理模型：循证科学推理模型。

关于学生科学推理能力发展的研究。幼儿园儿童、小学生、中学生和本科生等各阶段推理能力发展及性别差异也是科学推理能力测评的研究热点。To C， Tenenbaum H R（2017）等研究了高中生在进化内容中的科学推理发展。Zimmerman C（2007）对小学生及初中生科学推理能力的发展进行了深入的研究。

各阶段人群在控制变量、因果关系、概率推理、类比推论、证伪等科学推理能力发展方面的研究。Segers， Eliane（2015）对4～6岁儿童控制变量方面的推理能力进行了测评研究;Lazonder， Ard W（2014）等人从显性与隐性教学指导对儿童控制变量策略的获得与使用的影响进行了研究。

2.3    科学推理的基础理论研究

科学推理的基礎理论研究主要包括认知哲学、解释学、系统论等。如Lawson A E.（2010）从溯因推理、演绎和归纳方面介绍了一个关于科学推理、论证和发现的模型。Zeineddin A， Abd-El-Khalick F（2010）等人认为认识论（Epistemological commitments，ECs）是推理的基础，可以很好地描述科学推理的复杂本质，研究结果表明ECS越高，推理的质量越高。

3    科学推理研究的知识基础分析

通过高频被引文献的分析，可以了解到研究领域的经典文献，这些经典文献可以看作是科学推理领域的知识基础，为后续的研究提供参考。表2列出了科学推理研究领域高被引前十文献的信息。被引频次最高的是《中小学生科学思维能力的发展》，这篇文章由美国伊利诺伊州立大学心理学系的Corinne Zimmerman教授于2007年发表在国际著名心理学期刊《发展综述》。另外，该教授于2000年发表的《科学推理能力发展》也被学者大量引用。这一方面说明Corinne Zimmerman教授在科学推理研究方面的研究成果取得了学界公认，另一方面说明了这两篇文章在科学推理研究方面起到了重要的基础作用。

另一篇高被引文献是由俄亥俄州立大学的美籍华人包雷教授领衔的团队在国际知名期刊《科学》上发表的《物理学习和科学推理》。该研究以中国和美国大学生为研究对象，采用 LCTSR测试中美大学生的科学推理能力。以力学和电磁学知识为物理知识测试内容，结果显示，中国大学生的物理知识得分高于美国大学生，但是两个国家的大学生的科学推理能力得分基本一致[2]。

4    研究结论与启示

本研究对科学推理领域收集到的文献分别从研究现状、研究主题和热点、研究知识基础三个方面进行了分析，得到了如下结论：第一，科学推理的研究成果主要集中在美国的研究机构和学者;科学推理领域研究是一个跨学科领域，是以教育与教育研究、心理学、科学学科教育、科学史与哲学为核心的跨学科领域。第二，通过关键共现聚类表明，科学推理领域的研究热点主题主要集中在促进学生科学推理能力发展的教学研究、科学推理的评估和科学推理的基础理论方面。第三，在知识基础方面，高被引的10篇文献是科学推理领域的重要知识基础。

基于“核心素养”的学科教学的关键课题之一便是把握“学科核心素养”[3]。科学推理作为物理学科核心素养的内容之一，对其展开深入的研究对实现物理学科的目标具有重要的意义。

通过本研究，对我们有如下启示：

第一，坚持本土行动与国际合作相结合。通过本研究可知，关于科学推理的研究主要集中在美国，在开展科学推理的研究时，一方面要积极开展与这些核心机构、核心作者的合作交流，借鉴他们的研究方法及成果，同时要积极将最新的研究成果在国际刊物上发表，提高自身研究的影响力;另一方面，应该坚持立足我国学生的心理特点和文化场域，开展适合我国学生发展的科学推理方面的研究。

第二，多学科协同研究。通过本研究可知，科学推理的研究是一个跨学科的研究领域，涉及到教育学、心理学及科学学科教育、科学史与科学哲学等。如果没有教育学的研究，就会缺失科学推理教育的目标;如果没有心理科学的研究，对学生科学推理的研究将缺失学生认知发展的科学基础;如果没有科学学科教育的研究，关于推理的研究将缺失科学学科的特点;如果没有科学史与科学哲学的研究，关于科学推理的本质认识将不够深入。

第三，以科学推理评估研究为突破，夯实科学推理的基础研究，探索促进学生科学推理能力发展的教学研究。由本研究可知，促进学生科学推理能力发展的教学、科学推理评估以及科学推理的基础研究是当前国际科学推理研究的热点。在今后的科学推理研究中，如何找到突破口和归宿呢？科学推理的评估是连接科学推理基础研究和促进学生科学推理能力发展的教学研究的中介。通过科学推理评估的研究，一方面可以为促进学生科学推理能力发展的教学研究提供理论基础和教学效果评估标准，另一方面还将反过来对科学推理的基础研究提出更高的需求，从而夯实了科学推理的基础研究。

参考文献：

[1]闫伟东. 数字图书馆发展的可视化分析[J].公共图书馆，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]钟启泉.学科教学的发展及其课题：把握“学科素养”的一个视角[J].全球教育展望， 2017（1）：11-23.

（栏目编辑    张正严）