人工智能时代批判性思维能力的提升策略*——思维图示的应用对小学生批判性思维能力提升的实证研究

黄 蔚，曹 榕，齐 媛，张 生①

(1.中国教育报刊社，北京 100082；2.北京师范大学 中国基础教育质量监测协同创新中心，北京 100875；3.中国教育科学研究院德育与心理特教研究所，北京 100088)

一、引言

随着科技的发展，“互联网+”“人工智能+”作为全新的生产力推动着社会的变革。社会的变革对新时代人才的需求发生了变化，新时代需要培养具有创新意识、批判意识等高阶思维能力的人。随着《21世纪技能框架》《中国学生发展核心素养基本框架》正式发布，许多国家和组织将批判性思维能力定为学生培养的关键能力之一，在学校中进行批判性思维能力教学也成为21世纪技能探讨的重要议题之一[1]。批判性思维能力对于个体生存以及有效参与社会活动十分重要[2]。批判性思维能力是思考者对事物或问题的解释、分析、评价、推理、综合等能力的体现[3]，可以帮助个体有效利用不同的信息做出最优化的决策，并根据不同的情景和可能性对计划进行调整[4]。在当前信息爆炸的时代，个体可以不断运用批判性思维能力对网络平台上的信息进行识别、评估、判断和选择[5]。

由于受我国应试教育、传统文化、传统教学方式、传统教学评价以及缺乏批判性思维能力的教师的影响，我国实际与理想的课堂教学相差较大，教学过程对确定性知识的过分追求导致对学生批判性思维能力的培养不够。2009年和2015年我国PISA测试结果显示：相比学生测试的总体水平，我国中小学生在批判性思维能力方面发展较弱[6]。整体来看，我国学生的批判性思维能力水平不容乐观，因此迫切需要探索提升学生批判性思维能力的有效途径。

小学阶段是人一生中接受学校系统教育的开始，小学教育的成败对人的发展非常重要。小学生正处于思想和人格发展的关键时期，如果能在课堂中对学生施加影响将十分有利于批判性思维能力的形成。Ennis提出小学是培养批判性思维能力的最佳时间[7]，这个提出和其他研究的结果也是一致的，他们都表示在小学阶段培养和评估批判性思维能力对学生而言是有利的[8-10]。从已有研究可以看出小学是个体批判性思维能力发展的关键期，如何抓住这一关键期对学生批判性思维能力进行有效干预是当前研究的重点。尽管已有许多研究提出了能够有效提升小学生批判性思维能力的方法。Fung的团队合作策略需额外增设两节课的时间并且需要专业人员协助[11]；Maričić的内容选择法需要教师投入大量时间备课[12]。已有的这些方法普遍存在费时费力的问题，且对教师的专业能力要求较高，导致这些方法难以被广泛使用。

David Hyerle博士在1988年根据人的思维特点提出了一套简单易操作的思维可视化工具，并将其命名为思维图示，它包括八种具体的思维图示，每种思维图示代表一种基本思维过程，并以一种具体的图示特点命名。八种图示分别为括号图(Brace Map)、桥形图(Bridge Map)、气泡图(Bubble Map)、圆圈图(Circle Map)、双气泡图(Double Bubble Map)、流程图(Flow Map)、复流程图(Multi-Flow Map)和树形图(Tree Map)[13]。思维图示在2005年被赵国庆等人首次引进国内，他们介绍了八种图示的具体用途和特征，并认为八种图示类似于木匠使用的一套工具，学生在建构知识时可以使用八种图示来提高其阅读理解能力、写作过程中的问题解决能力和高级思维能力[14]。其后，赵国庆也编写了《八大思维图示法》《思维导图》等一系列书籍，系统讲解了不同可视化工具的具体用途和使用情境。思维图示自引进以来，在我国学术研究和教学实践领域都引起了越来越多的关注。思维图示支持了视觉学习策略的使用。已有研究表明，相比于听觉、触觉，我们视觉学习能力比其他感官都要强大，进入我们大脑的80%的信息是视觉的。Downey在研究中也发现学生基本上都是通过可视化的工具和资源进行学习的，尤其对于小学儿童[15]。而思维图示作为一种知识可视化工具也可以优化学生的学习方法，有效促进学生学习[16]。思维图示的应用也支持了最近发展区的理论，它能够给学生提供一整套思考问题的框架，即可以作为有效促进学生思维的脚手架。思维图示的八种图示涉及培养学生描述事物、对比分析事物、分类整理事物、识别事物的因果关系、对事物进行排序、分析事物整体和部分的关系以及类比推理事物间关系的能力，而批判性思维能力涉及对事物或问题的解释、分析、评价、推理、综合等能力，两者涉及的能力非常契合。因此经过不断搭建思维图示的“脚手架”可以使学生在思考和解决问题时形成特定的认知途径和思维方式。加利福尼亚的圣卢西亚月联合学区从2012至2013年连续两年实施思维图示教学法来促进学生的批判性思维能力和写作能力，但他们未报告使用的效果。Minnie通过非等组实验设计发现思维图示的应用促进了职前生命科学教师(师范生)批判性思维能力的发展[17]。但目前尚缺乏实证研究验证思维图示的应用对小学生批判性思维能力的提升效果。

因此本研究旨在真实的教育环境下构建一套利用思维图示提升学生思维能力的模式，利用该模式对小学生进行干预，从而检验思维图示对于小学生批判性思维能力的干预效果。

二、思维图示提升学生思维能力的教育模式

本研究以思维图示为基础构建了一套提升批判性思维能力的教学模式。已有研究提出提升学生批判性思维能力的环境应满足四个因素，分别是学生的兴趣被激发、呈现其他人的观点和看法、创造有意义的问题和信任的、支持的、愉悦的氛围[18]。因此该模式的教学环节主要有四个环节，分别是情境导入、内容讲解、学生创作和展示与评价环节。(1)情境导入。思维训练课程通过创设问题情景引入课程主题，可以激发学生的学习兴趣、动机和积极思维，例如在课程中引入问题“诺诺想养一只陪伴他成长的宠物，你能给诺诺提出一些建议吗？”“老师不能很好地区分熊大和熊二，你能帮助老师正确区分吗？”。(2)内容讲解。内容讲解主要是讲解思维图示的绘制方法、评价标准和作用范围。教师每节课讲解内容的时间较少，约占1课时(45分钟)的9.4%。学生对思维图示有了基本的认识之后，教师引导学生分析评价已有的案例，增加学生对图示的熟悉程度和强烈兴趣，师生活动时间约占27.9%。(3)学生创作。案例分析之后，教师给学生布置练习任务，让学生在生成作品的过程中掌握图示的用法。为增强学生的学习兴趣，鼓励学生用自己喜欢的颜色创作作品。教师把课程时间最大程度地留给了学生，让学生在生成作品的过程中消费学习到的知识与技能，在生成作品的过程中进行创造和批判，让学生在真实问题解决的过程中对图示的掌握效果达到最大化。本次实验干预中，学生活动时间约占1课时的62.7%，这也是本课程在教学理念上与传统课程不一样的地方，课程的教学理念由传统的知识技能的消费观过渡到利用知识技能进行创造生成的观念。(4)展示与评价。在学生完成作品之后，教师引导学生对作品进行展示和评价。学生在展示与评价的过程中，可以看到彼此之间的差异和不同，知道对于同一个主题，从不同角度分析会有不同的观点和想法，这样学生不仅能从同学的观点中受益，而且这种观点的不同会打开学生的创新思维，达到深层次学习的目标。该教育模式特别重视师生和生生之间的合作学习，作品分享展示环节增加了学生之间、师生之间的交流频率，教师对学生的问题能及时反馈，且把课程的时间最大限度地留给学生进行创作，发挥了学生学习的自主性，在一定程度上构建了建构主义学习环境。

三、研究方法

(一)实验对象

本研究的研究对象采用方便抽样的抽样策略，从较近的合作实验校海淀区某小学三年级展开的研究。从三年级三个班中随机抽取44人作为实验样本。然后组织该44名同学参加实验前测。实验前测结束后，由各班班主任和研究者按照学生的批判性思维能力得分情况，同时考虑学生的时间安排和家长是否同意的情况，依据好中差的比例基本相等的标准，从一班抽取10人，二班抽取6人，三班抽取6人，共22名学生组成实验组，参加思维训练社团。另外22人作为实验控制对象，参加话剧、音乐、足球等其他不同的社团。实验组有男生9人，女生13人；对照组有男生10人，女生12人(如表1所示)，对实验组和对照组的男女生人数进行卡方检验发现结果差异不显著，两组学生的性别比例相近。

表1 实验组和对照组人数

(二)实验设计

实验采取前—后测对照组实验设计，实验组和对照组均接受前测和后测。实验组开展思维图示教学干预社团，对照组在这一时间内参加话剧、音乐、足球等其他不同的社团。实验组总共进行了为期8周的干预，每周一次，每次1.5小时。

本研究的自变量为是否开展思维图示教学干预社团，因变量为批判性思维能力及其子维度。正式实验研究于2018年10月—12月在海淀区某小学开展，实验步骤分为前测、实施干预和后测三个阶段。在前测阶段，研究团队组织三年级实验对象44人参加《小学生批判性思维能力》测验和学生背景信息调查问卷；在实验干预阶段，实验组接受以思维图示为载体的教学干预，每周进行1次思维图示训练，前四周每周训练两种思维图示，后四周进行综合复习和练习；在后测阶段，采用与前测相同的《小学生批判性思维能力》测验工具对实验组和对照组学生再次进行调查。

(三)测量工具

采用台湾版《小学生批判性思维能力测验》工具对学生进行前测和后测[19]。笔者仅将测验工具的繁体字转为简体字，将需要学生口头回答的题目改为书面回答的形式。该工具是由两个著名的民间故事“三只小猪”和“龟兔赛跑”组成的开放式和封闭式的情境式测验，共26道题目，采用0-1点计分。采用Mplus 7.0进行验证性因素分析，拟合指数为：χ2/df=6.97，RMSEA=0.08，CFI=0.90，TLI=0.91，题目载荷在0.474-0.953之间。题目的难度在0.2-0.8之间，题目的区分度均大于0.3。本次测验的整体信度为0.856/0.884(前测/后测)。经检验，该工具具有良好的信度和效度。其中，分析能力共有6道题目，评价能力共有3道题目，解释能力共有6道题目，推断能力共有5道题目，阐述能力共有6道题目。

(四)数据处理与分析

本研究采集的数据均采用SPSS18.0进行处理。采用独立样本T检验方法分析实验组对照组家庭社会经济地位、语文成绩、阅读时间和阅读偏好的差异性；用重复测量方差分析方法分析实验组对照组前后测变化趋势和实验干预对不同类别学生的影响。

(五)前测相关变量比较

在干预实施之前，首先要保证实验组与对照组学生与批判性思维能力相关的变量没有显著差异，否则即使实验干预取得了效果，也不能得出实验效果是因为实验干预导致的结论，很有可能是样本的差异对结果造成了影响。已有研究发现学生学习成绩、家庭社会经济地位、父母陪伴阅读故事书的时间、喜欢故事书和漫画书的程度、阅读故事书和漫画书的时间会影响学生的批判性思维能力[20][21]。因此对这些相关变量进行独立样本T检验，从表2可知，实验组和对照组学生的语文成绩、家庭社会经济地位得分和阅读相关变量均不存在显著差异。说明分组合理，两组学生情况相当。

表2 实验组和对照组影响批判性思维能力的相关变量的独立样本t检验

四、结果与分析

(一)实验组与对照组学生批判性思维能力的变化

对学生的批判性思维能力及各维度进行重复测量方差分析，结果如表3所示，从表3可知，批判性思维能力的时间和组别的交互作用显著，F(1，42)=11.135，p=0.002；分析能力的时间和组别的交互作用边缘性显著，F(1，42)=3.642，p=0.063；评价能力的时间和组别的交互作用边缘性显著(当p值大于0.05，且小于0.1时，被认为是边缘显著)[22]，F(1，42)=3.709，p=0.061；解释能力的时间和组别的交互作用显著，F(1，42)=5.140，p=0.029；推断能力的时间和组别的交互作用显著，F(1，42)=13.429，p=0.001。说明实验组和对照组的批判性思维能力及各子维度在前后测的变化趋势具有显著性的差异。

表3 学生批判性思维能力的重复测量方差分析

且在各组中，实验组学生的批判性思维能力分数从18.45上升到23.32，升高了4.86分，而对照组的分数从18.64上升到18.77，升高了0.14分；实验组学生分析能力的分数从4.82上升到5.64，升高了0.82分，而对照组的分数从4.68上升到4.77，升高了0.09分；实验组学生评价能力的分数从1.68上升到2.27，升高了0.59分，而对照组的分数从2.00上升到2.09，升高了0.09分；实验组解释能力分数从4.00上升到5.14，升高了1.14分，而对照组的分数从3.64下降到3.59，下降了0.05分；实验组阐述能力的分数从4.64上升到5.64，升高了1.0分，而对照组的分数从4.73下降到4.68，下降了0.05分；实验组推断能力的分数从3.32上升到4.64，升高了1.32分，而对照组的分数从3.59上升到3.64，上升了0.05分。在批判性思维能力及各子维度方面，实验组的变化明显高于对照组。这也就说明在控制了无关变量之后，用思维图示方法对实验组学生进行思维训练干预提高了学生的批判性思维能力。

(二)实验组干预次数与批判性思维能力的提高之间的关系

在整个实验的干预过程中，每节课都会有部分学生因为身体原因或其他安排而不能正常参加思维训练社团，导致实验组不同的学生的干预次数是不同的，那么干预次数对批判性思维能力的提高是否存在显著的预测作用呢？为了解决这一问题，以“实验组学生干预次数”作为自变量，以“批判性思维能力得分的提高”为因变量进行了回归分析。

从表4的结果显示：F(1，21)=3.529，p=0.075，说明该回归方程边缘显著。学生批判性思维能力的提高与干预次数具有显著的线性关系，对学生的干预次数影响学生的批判性思维能力。

表4 干预次数与批判性思维能力提高的回归模型检验(N=22)

五、讨论

实验研究数据结果显示思维图示训练显著提升了三年级学生的批判性思维能力。思维图示开发者Hyerle认为思维图示可以发展和培养批判性思维过程倾向、行为特征和智力特征，而实验结果与Hyerle的观点是一致的。此外，与Minnie的研究结果也一致，Minnie在研究中发现圆圈图、树形图和复流程图的应用促进了师范生分析、综合和评价能力的发展。本研究的研究结果在一定程度上提高了Minnie研究的外部效度，即思维图示的应用不仅适用于大学生，而且可以推广到小学群体。同时，从实验组干预次数与批判性思维能力提高之间的关系上看，干预次数和批判性思维能力提高之间具有显著的线性关系。说明思维图示的应用效果是在一定干预次数的情况下有效，增加干预次数可以增加对学生批判性思维能力提高的幅度。那么思维图示的应用为什么能够促进小学生批判性思维能力的提高呢？

(一)从最近发展区看思维图示的有效性

前苏联著名心理学家维果斯基对幼儿智力发展提出的“最近发展区理论”认为学生有两个发展水平，第一个水平是学生现有的发展水平，第二个水平是可能达到的发展水平，两者之间的差距就是最近发展区。而教学最重要的就是要着眼于学生的最近发展区，可以通过提供合适的支持框架(脚手架)让学生更容易进入下一阶段。由于实验干预的核心是利用思维图示工具，思维图示可以为学生搭建出思维发展方式的可视化路径，当有了初步的思维路径之后，学生可以凭借该路径做出适当的决策。即思维图示的应用恰好作为有效促进学生思维的脚手架，又因为三年级学生正好处于“具体运算阶段(具体形象思维)”向“形式运算阶段(抽象逻辑思维)”过渡的关键期，在这一阶段，通过思维图示干预有目的地对学生增加系统性地训练，可以使学生更快地从具体运算阶段过渡到形式运算阶段，不断促进学生批判性思维能力的发展。经过不断搭建这样的“脚手架”使学生在思考和解决问题时形成特定的认知途径和思维方式。

(二)从建构主义学习环境看思维图示的有效性

Kwan和Wong发现建构主义学习环境(讨论、合作学习、以学生为中心的学习、真实性评价方法)对学生的批判性思维能力具有显著正向预测作用，且学生已有的动机(内部动机和外部动机)可以完全中介建构主义学习环境与学生的批判性思维能力的关系[23]。本次思维图示教学干预课程特别重视教师和学生、学生和学生之间的合作学习，通过作品分享展示环节增加了学生之间、师生之间的交流频率，教师对学生的问题能及时反馈，且把课程的时间最大限度地留给学生进行创作，发挥了学生学习的自主性，在一定程度上构建了建构主义学习环境。且已有研究发现思维图示的应用可以促进学生学习动机的提高，有效提高学生的自主学习能力，增加学生的学习兴趣[24]。这些因素的共同作用在一定程度上促进了学生批判性思维能力的提升。

(三)从可视化工具看思维图示的有效性

已有研究也发现，我们的视觉感官要比其他感官都要强大，进入我们大脑的80%的信息是视觉信息，小学儿童基本上都是通过可视化的工具和资源进行学习。而思维图示作为一种可视化工具，通过八种具有特定形式和具体用途的可视化工具帮助学生将隐性思维显性化，增加了学生思维的深度和广度，让学生思考变得更加条理化。比如，通过双气泡图的应用可以帮助小学生清晰地分析和对比不同事物之间的相同点和不同点，通过复流程图使学生更容易推理出事件发生的原因以及导致的结果。由于这八种图示是基于普通认知能力，再加上其独特的视觉本质，学生的认知能力会被调动起来，通过反复建立大脑图像模式和思维过程之间的关系，学生能快速地提高其高阶思维能力。

(四)从培养模式看思维图示的有效性

目前，关于学生批判性思维培养模式有两种不同的看法，第一种是直接思维训练，认为可以直接教会学生逻辑论证技能，这种技能会迁移到不同学科的知识学习中。第二种看法认为人们总是在特定的知识经验上思考问题，批判性思维能力的培养应与具体的学科教学相结合，以特定领域的知识为基础能更好地促进学生批判性思维能力的发展。针对两种不同的看法，Nathan Kuncel和Eric Anderman在21世纪技能评价论坛上指出一般认知技能和特定领域的认知技能同等重要，但特定领域的认知技能比一般认知技能更能预测学生的未来成就。Facione建议应该把培养和测评批判性思维能力当成在K-12课程里每个年级的目标，即应把培养批判性思维能力融入到常规的课堂活动中[25]。而胡卫平在研究中指出，如果只用专门的直接思维训练，不利于学生思维能力的迁移；如果只在特定学科中培养思维能力，又不利于学生掌握系统的思维方法[26]。因此，他提出并编制了将两者结合起来的“学思维”活动课程，该活动课程先基于日常问题引导学生进行基础的能力(比如发散思维、想象、观察等)训练，然后再拓展到不同的学科中去，该实验对学生创造性思维能力的提升取得了良好的效果。而本研究是通过开设专门的思维图示训练课程(“直接思维训练”)，采用教师讲授、学生巩固练习相结合的方式进行干预，旨在提高小学生的批判性思维能力。干预内容与学生生活方式联系较为紧密，虽然会涉及到相关的语文知识、数学知识和科学知识，但并没有进行深入的拓展。本研究所提高的批判性思维能力更偏向于一般认知能力，虽然说一般认知能力对学生未来成就的预测力度没有基于学科的认知能力大，但在当前“互联网+”蓬勃发展的信息时代，一般认知技能更有利于我们去识别、筛选、判断信息的真伪，对于个人和社会的发展具有重要作用。

综上所述，研究发现实验干预能够提升三年级学生的批判性思维能力。

六、结论与建议

(一)结论

本研究采用前—后测对照组实验设计，对实验组的学生采取为期8周的思维图示教学干预，深入探索实验干预对学生批判性思维能力的效果。研究结果表明：思维图示的应用是提升小学生批判性思维能力的有效途径。实验组在干预前后批判性思维能力及分析能力、评价能力、阐述能力、解释能力和推断能力等子维度能力变化显著高于对照组。

(二)建议

本研究在验证了思维图示有效性的基础之上，结合当前信息技术在教育领域中的高效应用，对学生批判性思维能力的培养有以下几点建议：

(1)基础教育课程教材建设应重视可视化呈现形式。政府在课程开发和教材编写时应有意识融入图片、思维导图、概念图、思维图示等可视化资料，增加有关可视化学习的网站和网址，引导教师和学生利用互联网拓宽可视化学习渠道。在教材中穿插可视化资料不仅可以激发学生学习兴趣，降低教材难度，减轻学生记忆负担，而且有利于培养学生的思维能力，使教材真正成为学生学习的重要资源。在有必要的情况下，更需要购买社会中优质的第三方可视化学习资源和服务。多方齐力共同为学生思维能力的发展提供更多的机会。

(2)教育实践者应将思维图示融入到具体的课程教学中去。未来教师在课堂教学中可以充分利用信息技术的优势，结合不同年龄段学生的思维发展水平和特点，将直接思维训练和间接思维训练相结合，有意识、有目的地开展可视化教学，将抽象的学习内容转化为可视化的图示，鼓励学生独立思考、敢于提问、敢于挑战，对学生的提问持积极态度，灵活地抓住不同知识点渗透和迁移，引导学生多角度地思考问题。从而提高教学效率和教学质量，为学生提供更多发展思维能力的机会。

(3)教师在教学过程中重视师生互动和生生互动。信息技术融入课堂可为高效的师生互动、生生互动提供可能性和便利性。需要强调的是，利用信息技术不能仅局限于基本的、常用的情感和行为的互动，而应重视思维的互动，思维互动才是教学的核心。思维互动可以体现在小组合作探讨问题中，也可以体现在分享展示、互评的过程中。在互评的过程中，要特别去强调展示学生思维之间的差异、不同和独创性，因为差异的形成才是思维碰撞的源泉。