跨学科知识整合的认知研究

跨学科知识整合的认知研究

1学科知识整合的识别20世纪80年代以来，随着跨学科学习和研究的增多，跨学科知识的研究主题开始进入心理学的视野。从心理学视角,跨学科知识整合不仅连接着跨学科研究与跨学科问题解决,而且更为基础地连接着跨学科学习与跨学科教学。作为未来建构跨学科学习理论和跨学科教学论的基础,跨学科知识整合条件的识别则成为当前跨学科知识整合领域研究的关键。为了从知识基础与创造性思维视角探讨跨学科知识整合的条件,本研究将采用相关研究设计探讨学业成就与创造力对跨学科知识整合的影响。1.1建立有意义的学科作为工作记忆的概念构成规范跨学科知识整合指的是学习者从不同学科视角对主题相关知识进行建构,从而形成对主题属性多维度重构的心理过程。为了将跨学科知识整合的概念操作化,有研究者提出了跨学科概念图的概念。跨学科概念图是一种用来帮助学习者利用长时记忆系统中不同学科的相关知识就某一复杂主题进行外显表征和建构的心理工具;跨学科概念图源于学科领域的知识整合工具———概念图,是Ausubel认知同化有意义学习理论在跨学科知识整合领域的操作形式。它的基本成分包括概念、命题、层级、连接与交叉连接(见图1)。跨学科概念图的操作定义即跨学科概念图的创作方法,包括如下7步骤:(1)识别问题情境中的主题概念及其学科取向;(2)回忆每个主题概念在相应学科取向的核心概念并按照知识结构的相关性对其分组;(3)将每组概念按照概括性递减的原则至上而下进行排列(形成层级);(4)将各组中有关系的概念连接起来,并注明关系(连接形成命题);(5)考虑每组概念的定义与范例以及其相应学科取向的相关概念,对每组中的概念按照步骤(2)、(3)、(4)的方法进行全面扩展使其形成分枝;(6)在相应学科背景下搜索并建构主题概念下不同分支概念之间的交叉连接;(7)探索并建构所有主题概念不同学科取向概念之间的交叉连接。跨学科概念图创作需要学习者:第一,通过“感觉记忆”、“模式识别”、“工作记忆”与“长时记忆”中学科知识与跨学科知识的交互作用获得对问题情境的理解,进而对主题概念以及相应学科取向进行识别;第二,分别地在“工作记忆”系统中先后激活每个主题概念,接着在长时记忆中检索与主题概念相关的来自相应学科取向的信息,进而回忆出尽可能多的相关概念,然后在“工作记忆”中对检索获得的信息进行相关模式的探测与识别,并按照知识结构的相关性对所获得的概念进行分类或分组;第三,在“工作记忆”中按照抽象性递减的逻辑层级对不同组别概念进行排序;第四,在“工作记忆”中对不同组别的概念进行关系模式的探测与识别,并在概念之间建立合理的连接;第五,在每组中,以建构的概念为起点重复第二、三、四步骤的心理过程(迭代式运算)使形成分枝;第六,在“工作记忆”中对不同分枝的概念进行关系模式的探测与识别,并建立主题概念学科取向的交叉连接;第七,在“工作记忆”中对不同学科概念之间进行关系模式的探测与识别,并建立主题概念跨学科取向的交叉连接。需要指出的是,因为跨学科概念图是跨学科知识整合的概念操作形式,因此跨学科概念图的操作定义及心理过程也可以被作为跨学科知识整合的操作定义和信息加工过程。1.2概念图与学业成就的整合能力研究作用学业成就指的是学习者基于对已有知识的回忆和建构进而实现问题解决的能力表现。它是学习者知识基础的重要评估指标。创造力指的是根据一定的目的,运用一切已知信息,在产生某种独特性、新颖性且有价值的产品的过程中,个体所表现出智能品质或能力。从认知心理学的视角,创造性观点的产生不仅需要学习者具有良好的创造性思维能力,而且也依赖于学习者对创造性认知方法的掌握。跨学科概念图创作的心理过程不仅包含了知识基础,而且也包含了创造性思维和创造性认知的心理操作运算。首先,跨学科概念图创作的心理过程表明储存在长时记忆中的知识是跨学科知识整合的基础。因此,作为知识基础评估指标的学业成就应该能够预测学习者跨学科知识整合能力即跨学科概念图创作能力。目前,在跨学科知识整合领域,有关学业成就与跨学科概念图的相关研究非常罕见;但是在学科知识整合领域,有关概念图与学业成就的相关研究却很多。学科领域的大量研究表明,以概念图为工具的教学设计能够显著提高学习者的学业成就。通过对19篇来自不同学科(物理、化学、生物与数学)领域研究报告的元分析,Horton等人研究了概念图作为教学工具的有效性,结果发现概念图教学能够显著提高学习者的学业成就。为了探讨概念图对不同层次学习者的适应性差异,研究者考察了概念图对不同成就学习者的影响。研究结果表明,与低成就者相比,高成就者能够建构更好的概念图。这些结果表明,学业成就与概念图正相关,而且不同学业成就者的概念图创作表现存在差异。那么,对于跨学科概念图创作来讲,这些结论是否依然成立呢?本研究将探讨学业成就对跨学科概念图创作能力的影响。其次,跨学科概念图创作的心理过程表明跨学科概念图创作需要创造性思维与创造性认知的参与。第一,跨学科概念图创作鼓励学习者使用发散思维与批判性思维。发散思维强调思维的无意识性和弥散性,例如:基于主题想出尽可能多的相关概念。批判性思维则强调思维的合理性和逻辑性,例如:确认命题与推理的正确性与逻辑性。第二,跨学科概念图为创造性认知方法的使用提供了机会。根据创造性认知方法,创造性观点(新颖且有价值的概念或命题)的产生是通过将基本的心理操作应用于已有知识结构而实现的。与本研究相关的创造性认知方法有两种:概念性组合和类比。概念性组合的心理操作指的是当两个原先独立的概念被合并成一个新的概念单元时,将会产生它们独立存在时没有表现出来的新属性。在跨学科概念图创作过程中,不同学科知识之间的碰撞使这种心理操作成为可能。类比的心理操作是同一构念在不同情境的表征与迁移。跨学科概念图创作,通过整合来自不同学科的概念,为新构念的产生和不同学科认知结构的类比迁移创造了条件,从而使创造性观点的建构成为可能。从这个意义上讲,跨学科概念图对创造力的促进是通过鼓励学习者在一个更为宽广的跨学科概念空间中进行知识整合,从而为学习者概念性组合与类比的创造性认知方法的使用提供了机会。因此,创造力也是跨学科知识整合能力的重要预测源。为了采用实证方法考察学业成就、创造力对跨学科概念图创作能力的影响进而揭示知识基础和创造性思维及认知在跨学科知识整合过程中的重要作用,本研究将以中学生为被试,采用相关研究设计对学业成就、创造力与跨学科概念图创作能力的关系进行检验。本研究提出如下三点假设:(1)学业成就与跨学科概念图创作能力正相关;(2)创造力与跨学科概念图创作能力正相关;(3)学业成就与创造力一起能够预测被试的跨学科概念图创作能力。2学习方法2.1男女大学生生作为研究被试研究的基本情况分析选取一所普通高级中学125名高二理科班学生作为研究被试。其中,男生67(53.6%)名,女生58(46.4%)名。被试平均年龄M=17.25岁(SD=0.39岁)。2.2测量工具2.2.1学术成就收集被试参与本研究前的期中考试理科(包括物理、化学和生物)平均成绩作为对其学业成就的测量。2.2.2研究对象采用Hu和Adey编制的《青少年科学创造力测验》测量被试的创造力。该测验共有7个子测验:创造性的物体应用能力、问题提出能力、产品改进能力、想象能力、问题解决能力、实验设计能力和技术产品设计能力。Cronbachα系数为0.893。测量评分从被试反应的流畅性、灵活性和独创性三个维度来评估。本研究只关注在整个测验上被试的流畅性、灵活性和独创性的得分,而不考虑在各个子测验上被试的得分。2.2.3学科或称“学科”本研究设计了科学领域的三个跨学科概念图创作任务用来评估被试的跨学科概念图创作能力。任务一:溶液的导电性(物理和化学);任务二:CO2的性质、用途及自然界中的碳循环(物理、化学和生物);任务三:能量的相互转化与化学变化(物理、化学和生物)。这三个任务之所以被认为是跨学科取向的任务是因为被试至少需要整合来自两个或者两个以上学科的知识才能够完成对这些任务的全面理解。跨学科概念图的计分采用陈英和与张淳俊的方法。图1是本研究中对跨学科概念图评分的范例。跨学科概念图的评分分别由两个接受过训练的研究生独立完成,评分者一致性信度为0.96。跨学科概念图创作能力的评分项目包括命题、层级、交叉连接、举例和总分五个维度。被试在跨学科概念图创作能力五个维度的得分是其在三个任务各个维度上得分的算术平均值。2.3加强知识教学,促进概念的掌握在接受创造力和跨学科概念图能力测验之前,首先收集了被试期中考试理科(包括物理、化学和生物)平均成绩。接着,本研究对两个实验班进行了有关创造力和跨学科概念图的背景知识教学,目标旨在帮助学生理解什么是创造力和跨学科概念图以及如何创作跨学科概念图。期间,采用了先行组织者策略辅助跨学科概念图概念及其创作步骤的教学;在跨学科概念图创作步骤的教学中,我们指导被试通过概括抽取每个步骤的关键词编成一个有意义的句子以帮助学生记忆概念图的创作步骤;此外,跨学科概念图创作练习阶段采用小组合作学习与讨论的方式。图2显示了本研究所涉及的教学活动、实验数据采集流程以及时间分配。3研究结果3.1对各变量间关系的分析男女被试学业成就、创造力和跨学科概念图创作能力的得分见表1。采用单因素方差分析考察了被试在学业成就、创造力和跨学科概念图创作能力的性别差异,结果发现在三个主要变量的所有维度上均无显著性别差异。分别地,在学业成就变量上,F(1,123)=0.29,p>0.05;在跨学科概念图命题维度上,F(1,123)=0.05,p>0.05;在跨学科概念图层级维度上,F(1123)=0.35,p>0.05;在跨学科概念图交叉维度上,F(1,123)=0.02,p>0.05;在跨学科概念图范例维度上,F(1,123)=0.44,p>0.05;跨学科概念图总得分,F(1,123)=0.27,p>0.05;创造力测验的流畅性,F(1,123)=0.80,p>0.05;创造力测验的灵活性,F(1,123)=0.001,p>0.05;创造力测验的独创性,F(1,123)=2.87,p>0.05;创造力总得分,F(1,123)=0.013,p>0.05。这表明男与女生被试在内部表征外显化的能力上没有差异。此外,由表1可以看出,不同性别被试的跨学科概念图创作能力得分呈现一种趋势:命题、层级上的得分较高,在交叉与范例维度上的得分则相对较低。这说明被试建立不同学科知识之间连接的能力以及建立抽象知识与具体生活经验之间联系的能力比较薄弱。学业成就、创造力和跨学科概念图创作能力三个主要变量的Pearson积差相关分析结果见表2。由表2可知,学业成就与跨学科概念图创作的命题、层级、交叉、范例及总分显著相关。创造力的流畅性和独创性与跨学科概念图创作的四个维度及总分均显著相关;灵活性与概念图创作的命题、交叉、范例和总分显著相关。3.2单因素方差分析不同学业成就组(高、中、低)被试的跨学科概念图创作能力得分的平均值与标准差见表3。不同学业成就组的划分程序如下:(1)将学业成就标准化(Z分数);(2)在Z值分布框架下,依次按照Z≥0.5,-0.5<Z<0.5,Z≤-0.5把所有被试划分为高、中、低三个不同学业成就组。最终形成的高、中、低三个不同水平成就组被试的分布及占样本百分数(%)依次为32(25.6%),46(36.8%),37(29.6%)。采用单因素方差分析对不同成就组被试跨学科概念图创作能力的差异进行了检验,结果发现,除层级(F(2,122)=0.38,p>0.05)、范例(F(2,122)=1.50,p>0.05)外,不同成就组跨学科概念图创作的命题(F(2,122)=7.66,p<0.01)、交叉(F(2,122)=4.89,p<0.05)及总分(F(2,122)=10.66,p<0.001)差异显著。事后分析(LSD)表明,在命题维度上,低成就组分别与高成就组(p<0.001)、中成就组(p<0.001)差异显著,而高、中成就组之间差异不显著(p>0.05);在交叉维度上,低成就组与高成就组差异显著(p<0.05),而低、中成就组间(p>0.05)与高、中成就组间(p>0.05)差异不显著;在总分维度上,低成就组分别与高成就组(p<0.001)、中成就组(p<0.05)差异显著,而高、中成就组差异不显著(p>0.05)。概括地,高成就组被试在跨学科概念图创作能力的命题、交叉和总分维度上的表现均优于低成就组;中成就组被试则在跨学科概念图创作能力的命题和总分维度上的表现优于低成就组。但是高成就组与低成就组之间在跨学科概念图创作能力上的表现无显著差异。3.3创造力与概念图创作能力本研究采用典型相关分析方法,考察了创造力(W)与跨学科概念图创作能力(V)这两组变量之间的关系。典型相关分析获得了两组典型变量,但是只有第一组典型变量(W1,V1)达到统计显著性水平,Wilks检验的Λ=0.62,p<0.001。该组典型变量的典型相关系数为0.65,代表了典型变量组(W1,V1)42.25%的重叠方差。两组变量的典型分析摘要表见表4。典型变量组在创造力的所有维度上都有较高的因素负荷量。典型变量V1在流畅性、独创性、灵活性三个维度上的因素负荷分别为0.97,0.75,0.63。对于概念图创作能力,典型变量W1在命题创作维度上的因素负荷最高(0.96),其次是交叉连接维度(0.52),而在范例和层级则达到中等水平的因素负荷(0.43和0.38)。这表明创造力与概念图创作能力,特别是命题、交叉的创作有很强的相关。此外,典型相关变量组解释了创造力典型变量V1的59.23%,解释了概念图创作能力典型变量W1的25.14%。创造力典型变量V1通过典型变量组可以解释概念图创作方差的26.19%,而概念图创作能力典型变量W1通过典型变量组可以解释创造力方差的48.75%。这表明创造力与跨学科概念图创作能力之间共享某些相同的心理成分(因为二者至少有42.25%的重叠方差)。3.4能力结构因子分析结果采用判别分析的方法,本研究考察了学业成就与创造力对跨学科概念图创作不同能力组被试分布情况的预测能力。跨学科概念图创作能力组的划分程序如下:(1)将跨学科概念图创作能力的得分标准化(Z分数);具体地,总分由相应维度的标准Z分数合成:其中Zcmap(i)(i-1,2,3,4)代表概念图创作能力四个维度命题、层级、交叉、范例的标准Z分数值;(2)考虑Z值分布特征,依次按照Z≥0.2,-0.5<Z<0.2,Z≤-0.5将所有被试划分为低、中、高三个能力组。最终获得的低、中、高三个能力组被试的分布以及其占样本总体百分数(%)依次为38(30.4%)名,42(33.6%)名,35(28.0%)名。判别分析结果得到两组判别函数,但是只有第一组达到统计显著水平,Λ=0.610,χ2(df=8)=51.099,p<0.001。这表明学业成就与创造力可以显著地预测和识别跨学科概念图创作不同能力组被试的分布情况。就相对贡献而言,独创性有最高的预测能力,结构负荷为0.76,其次是流畅性与学业成就,它们的结构负载分别为0.66和0.64。灵活性的预测能力较低,结构负荷为0.57。分组预测结果显示,原来分组的63.2%被正确分组。具体地(见表5),68.6%的被试被正确地划分进入原始的高高水平能力组,71.1%的被试被正确地划分进入原始的低水平能力组,50.0%的被试被正确地划分进入原始的中等水平能力组。这表明学业成就与创造力能够中等程度地(63.2%)预测跨学科概念图创作的不同能力组被试分布。4知识水平对学科概念图创作表现的影响采用相关研究设计,本研究探讨了学业成就与创造力对跨学科概念图创作能力的影响,结果发现:(1)学业成就与跨学科概念图创作的命题、层级、交叉、范例及总分显著相关;高成就组被试在跨学科概念图创作能力的命题、交叉和总分维度上的表现均优于低成就组;中成就组被试则在跨学科概念图创作能力的命题和总分维度上的表现优于低成就组。但是高成就组与低成就组之间在跨学科概念图创作能力上的表现无显著差异。(2)创造力与跨学科概念图创作能力之间共享某些相同的心理成分;具体地,创造力的流畅性和独创性与跨学科概念图创作的四个维度及总分均显著相关;灵活性与概念图创作的命题、交叉、范例和总分显著相关。(3)学业成就与创造力能够中等程度地(63.2%)预测跨学科概念图创作不同能力组被试的分布。三个研究假设均得到了相关研究数据的支持。学科成就是跨学科概念图创作能力的基础。从跨学科知识整合的视角,学业成就可以看做为学科知识,跨学科概念图创作能力可以看做为一种跨学科知识整合能力,跨学科知识整合能力的发展是以学科知识为基础。学业成就与跨学科概念图创作的命题、层级、交叉、范例及总分的相关以及不同学业成就水平被试在跨学概念图创作能力上呈现出个体差异的证据可以支持这一论断。从信息加工视角,跨学科概念图创作本质上是在监控系统的合理组织与调节下,以跨学科概念图的一整套系统化、结构化的“心理操作”为脚本,“工作记忆”操作空间中的心理运算通过“动作程序”与“外部介质”(概念图的外部表征)空间的交互作用将长时记忆中的知识进行外部表征而实现的。在这个信息加工过程中,长时记忆中所储备的知识的丰富程度以及其结构的优劣则是影响其心理操作结果的重要因素。具体地,与低成就者相比,高成就者之所以被称作是高水平学业成就者是因为他们在长时记忆中储备了丰富且结构良好的知识基础,而良好的知识结构则为良好的学科知识表征和不同学科知识之间的交叉连接的建构提供了保证。因此,与低成就者相比,高成就组和中等成就组被试在跨学科概念图的命题创作上表现更加优秀,而且高成就组被试创作了更多的跨学科交叉连接。这些结论类似与已有学业成就与概念图的相关研究结果。但是,储存在长时记忆中的知识与跨学科概念图创作表现之间并不是简单线性关系。也就是说,并不是知识水平越高其跨学科概念图创作的能力也就越高。高成就组与低成就组之间在跨学科概念图创作能力上的表现无显著差异的证据正说明了这一现象。这种现象的背后可能潜在地包含了另外一个变量即创造性思维能力的影响。因为创造力与跨学科概念图能力有42.25%的重叠方差,二者共享了某些相同的心理过程。而二者所共享的心理过程就包含在跨学科概念图的创作过程之中。尽管从概念结构上存在差异,但本结论与Yeh的研究结果一致。从思维方法的视角,创造力包含了两种主要的思维方式:发散思维和批判性思维。具体地,在跨学科概念图创作过程中,回忆与创作主题相关的来自不同学科的核心概念就更多地需要发散性思维的参与;而建立合理的关系连接与交叉连接则需要批判性思维进而确保其正确性,建立合理的关系