儿童类比推理的影响因素及干预促进

/儿童类比推理的影响因素及干预促进【摘要】类比推理这一重要认知能力能够帮助儿童在未经历过的复杂情况下进行推断和学习。近年来研究者主要从行为研究、计算机模型和眼动技术的角度探究了儿童抑制控制和工作记忆在类比推理中的交互作用模式及类比推理策略对类比推理的影响。在此基础上，研究者围绕语言标签和物理表征两方面对儿童类比推理进行了干预研究。儿童类比推理的未来研究应着眼于改进研究方法、关注类比推理各加工阶段影响因素及加强儿童类比推理策略的干预应用研究。【关键词】类比推理；儿童；影响因素；干预；语言标签；物理表征 1引言 作为抽象逻辑思维的一种重要形式，类比推理是指从两个对象的某些相似性和一个对象的一个已知特性推出另一个对象也具有这种特性的推理过程(Gentner，1983)。儿童推理能力的发展能够帮助儿童从一个熟悉任务的心理表征快速转移到另一个不熟悉(或较为复杂的)任务中，实现在未经历过的复杂情况下的推断和学习(Chuderska&Chuderski，2009)。根据已有的儿童类比推理相关研究，本文将首先梳理近年来儿童类比推理影响因素的相关研究，再通过对相关干预研究的分析总结，探索类比推理对儿童发展和教育的作用。 2儿童类比推理的影响因素 以往研究者们从不同角度提出类比推理的发展理论，如Piaget和Sternberg的“能力限制说”(Goswami，1991；Sternberg&Rifkin，1979)、Goswami和Brown的“知识限制说”(Goswami&Brown，1990)、Gentner和Rattermann的“关系转换理论”(Gentner&Rattermann，1991)等。研究者发现，儿童在进行类比推理时常常无法抑制知觉干扰的影响(Starr，Vendetti，&Bunge，2018)，且难以处理有多重关系的类比推理问题(Richland，Morrison，&Holyoak，2006；Simms，Frausel，&Richland，2018)。由此引发研究者对儿童类比推理影响因素的关注。行为研究表明，工作记忆和抑制控制在类比推理中的交互作用仍存在争议(Cho，Holyoak，&Cannon，2007；Richlandetal.，2006)。计算机模型的相关研究为工作记忆和抑制控制之间的交互以及知识经验和个人能力在类比推理中的作用探讨提供了新思路(Doumas，Morrison，&Richland，2010)。此外，研究者发现除了抑制控制、工作记忆等认知能力外，个人如何选择并使用特定策略也是解决类比问题的关键因素(Starretal.，2018)。以下将对这些影响因素进行具体的阐述分析。 2.1抑制控制与工作记忆影响儿童类比推理的行为研究 抑制控制指的是在追随认知表征目标时抑制对无关刺激的反应的能力(Rothbart&Posner，1985)，在行为层面上包括转移注意力、不进行某项心理活动或克服一个虽为优势但与目标无关的知觉特征干扰(Choetal.，2007)，是影响儿童类比推理发展的重要因素(Loewenstein&Gentner，2005；Richlandetal.，2006)。马晓清、冯廷勇、李宇和李红(2008)让4、5、6岁儿童分别在有无知觉分心刺激的条件下进行场景类比推理任务，发现儿童在分心刺激条件下的成绩显著低于无分心刺激条件，且在有知觉分心的类比推理任务中，每个年龄组儿童所犯的错误大多都是知觉分心错误。结果表明抑制知觉分心对儿童类比推理的重要性。 工作记忆是指在执行推理、理解和学习等复杂任务时，将必要的信息进行暂时储存和处理的系统(Baddeley，1992)。儿童构造类比过程时，需要对源类比物和目标类比物进行表征，并基于对应关系构建源目标与目标元素的映射(Gentner，1983)，这个过程依赖于工作记忆(Richlandetal.，2006)。李红和冯廷勇(2002)采用体现因果关系的图片类比推理材料对4、4.5、5、5.5岁组的儿童进行测试，发现随着儿童年龄增长，工作记忆容量增加，儿童能处理更多维度、更复杂的类比关系。 针对这两种影响因素，研究者同时考察抑制控制和工作记忆对儿童类比推理发展的作用机制，但研究结果存在分歧。例如，Richland等(2006)同时设置类比情景中的分心刺激(有无知觉干扰)作为儿童抑制控制能力的测查(Begollietal.，2018；Richland&Burchinal，2013)，设置类比任务不同的关系复杂性(一元或二元)作为儿童工作记忆中需要同时整合关系的变量，发现知觉干扰和关系复杂性的交互作用显著，尤其是3～4岁儿童完成一元知觉干扰条件与一元无知觉干扰条件的差值大于二元知觉干扰条件与二元无知觉干扰条件的差值。由此，Richland等(2006)认为，工作记忆是儿童完成类比推理任务的前提，如果关系复杂性超过儿童的记忆容量，那么知觉干扰也不会发挥显著的分心作用。但Cho等(2007)的实验设置了不同维度的知觉相似性，并通过变化目标相关特质的数量作为关系复杂性的测量指标，得出了不同的结论：当类比推理任务的关系复杂性越大，知觉干扰越强时，被试的类比成绩越差。Cho等(2007)进一步认为，抑制控制和工作记忆对类比推理独立起作用。 近年来研究者们也倾向于不独立考虑工作记忆、抑制控制等因素对类比推理影响，而是从更上位的执行功能角度探究儿童类比推理发展特点。执行功能指的是能够协助实现有目的定向行为的注意力和行为之间的协调，这一过程可以分化为三个相互关联的组成部分：工作记忆、抑制控制和认知灵活性(Diamond，2013)。这里的认知灵活性指的是在两个或多个可选择的刺激-响应映射之间切换的能力(Diamond，2013)，适应性地进行任务切换能够协助儿童处理更多更复杂的任务(Simmsetal.，2018)。但目前类比推理研究更多只是将认知灵活性作为执行功能的一个组成部分参与讨论，如Simms等(2018)直接测查5～11岁儿童的类比推理任务及三项执行功能任务(工作记忆容量分类任务、Flanker任务和DCCS任务)，发现只有工作记忆能显著预测儿童类比推理发展，抑制控制和认知灵活性都没有达到统计上显著性。但Richland和Burchinal(2013)通过对1000多名儿童大样本的长期追踪测查发现，儿童时期良好的执行功能，尤其是良好的抑制控制能力能较好地预测儿童15岁时的言语推理能力。因此，目前无论是操纵类比情景变量还是直接预测回归儿童类比推理能力的发展，关于抑制控制和工作记忆对儿童类比推理的影响都尚未得到一致结果。 2.2抑制控制和工作记忆交互影响儿童类比推理的计算机模型探索 近年来，儿童类比推理研究引入了计算机模型的思路。通过计算机建模，研究者可以对输入的变量进行控制，并将计算机模型得出的结果与现实中儿童类比推理的成绩拟合，以此研究一些现实中无法完全分离的变量的作用。计算机模型为探讨工作记忆和抑制控制之间的交互作用以及知识经验和个人能力在类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(结构映射工具，StructuremappingEngine)(Falkenhainer，Forbus，&Gentner，1989)对Gentner和Rattermann(1991)的关系转换数据进行建模，给模型提供不同水平的关系表征能够模拟不同年龄孩子的不同关系知识水平。结果发现，在关系知识有限的情况下，模型表现得像年幼的孩子，随着关系知识的增长，模型表现得像年长的孩子。由此证明知识经验不足会造成年幼儿童的类比推理能力逊色于年长儿童。 随后，Morrison，Doumas和Richland(2006)使用LISA模型(用图式和类比进行学习和推理，learningandinferencewithschemasandanalogies)(Hummel&Holyoak，1997，2003)证明了工作记忆和抑制控制对儿童类比推理能力的影响。LISA模型是一种模拟神经的符号联结型类比推理模型，使用同步触发的机制将关系角色分散的表征单元绑定到目标角色的分散表征单元上，再通过这些分散的单元锁定映射的目标；当模型单元间的抑制水平较低时，刚刚激活的单元就更可能再次被激活，触发更多受体单元的激活，从而更难找到源目标对应的映射目标，且更容易选择有知觉相似性的目标。Morrison等(2006)通过控制模型单元间的侧抑制水平高低来模拟工作记忆中相互竞争的关系表征元素，拟合出了3～4岁、6～7岁、13～14岁儿童在单双维和有无分心刺激任务下的类比推理趋势，且这个趋势在一定程度上符合Richland等(2006)在儿童身上观察到的关系复杂性和分心刺激的交互作用，证明工作记忆可能是儿童完成类比推理的前提(Richlandetal.，2006)。 然而，Morrison等(2006)和Gentner等(1995)的研究都相对孤立地考虑了知识经验或能力的作用。Doumas，Morrison和Richland(2009)引入DORA模型(通过类比发现关系，discoveryofrelationsbyanalogy)(Doumas，Hummel，&Sandhofer，2008)来描述如何从示例中学习LISA模型的结构化关系表征。通过对DORA模型学习次数的控制，可以得到不同的学习质量，模拟出不同的知识经验水平。该模型证明了知识经验水平是类比推理能力的基础(Doumasetal.，2010)：在较高的知识经验条件下，所需工作记忆容量较小，也能达到同等类比推理水平。但知识经验的作用是有限度的，特别是对于年纪较小的儿童来说，假如类比推理任务所需的工作记忆超出了一定范围，即使是较高的知识经验水平也无法使之达到一定的类比推理水平(Morrison，Doumas，&Richland，2011)。 2.3类比推理策略影响儿童类比推理的眼动研究 除了工作记忆和抑制控制，研究者也开始关注类比推理策略对类比推理的影响。策略指的是一个或一系列获得高水平目标或任务的程序(Lemaire&Reder，1999)，随着个体发展，个体完成某种认知任务可能使用的策略种类会有所变化(策略库)，倾向使用何种策略的频率也会有所变化(策略分布)(Siegler&Lemaire，1997)。探究类比推理过程中的策略使用情况可以了解个体发展过程中对类比推理问题的认识和解决过程，也有助于发现有利于类比推理进行的策略及其适用条件。Thibaut，French，Missault，Gérard和Glady(2011)认为，解决A∶B∶C∶D类比推理问题的过程是对某一空间内特征和潜在关系进行搜索的过程，信息搜寻的内容及过程能够反映出个体解决问题的方案，且这一过程高度依赖视觉(Glady，Thibaut，&French，2013)，因此眼动轨迹能为探究类比推理策略提供大量的信息。由此，研究者借助眼动设备对儿童和成人进行类比推理时使用的策略进行了一系列探究。 Thibaut等(2011)利用眼动技术探究5岁、8岁儿童和成人之间的类比策略差异，发现成人在进行类比推理时，通常最先关注AB之间的关系，而儿童则最先关注C和选项之间的关系。之后，Vendetti，Starr，Johnson，Modavi和Bunge(2017)总结了类比推理过程中的三种类比策略：项目优先策略(project-firststrategy)、结构映射策略(structure-mappingstrategy)和语义约束(semantic-constraintstrategy)策略，并对每一种策略设计了分类算法，通过计算实验参与者注视每个区域的先后顺序以及在每个区域、区域间转换的注视时间，得出参与者的类比推理策略使用情况。项目优先策略意味着在解决A∶B∶C∶D式类比问题时，首先关注问题的A项和B项，在AB项之间进行注视过渡，然后在C项和待选项之间进行注视；结构映射策略则首先将注视点放在AC项之间，然后再进行B项和待选项之间的注视；语义约束策略的使用者则首先关注C项和待选项，注视点也会在各个选项之间转换(Vendettietal.，2017)。 Starr等在2018年的研究中使用了Vendetti等(2017)这一算法，在28名平均年龄6.31岁的儿童和27名平均年龄20.1岁的成人间进行测试，发现成人最常使用的是项目优先策略，儿童则部分使用项目优先策略、部分使用语义约束策略。其中，项目优先策略的使用和正确率成正相关，语义约束策略的使用和正确率呈负相关。在使用项目优先策略进行类比推理时，儿童更可能首先关注正确的选项，使用语义约束策略的儿童则更可能首先关注知觉干扰项。这一结果表明，当儿童使用项目优先策略时，能够成功地提取出AB项之间的关系，从而预测出与C项的匹配项；而当儿童使用语义约束策略时，会更容易受到知觉干扰(Starretal.，2018)。 3儿童类比推理的干预促进 类比推理是抽象逻辑思维的一种重要形式，可以帮助儿童在未经历过的复杂环境中进行推断和学习，在教育中起着重要的作用(Vendetti，Matlen，Richland，&Bunge，2015)。不能合理运用类比推理的学生可能会错过学习过程中一些使用类比的关键概念(Richey，Phillips，Schunn，&Schneider，2014)，影响学习的进行。研究表明，儿童类比推理的发展受到自身认知能力(如工作记忆、抑制控制能力)、类比推理策略限制，也与儿童的知识经验储备息息相关(Goswami&Brown，1990；Richlandetal.，2006；Starretal.，2018)，年幼的儿童往往无法自发进行合理的类比推理。因此，如何通过一些干预手段提高儿童的类比推理能力成了重要的研究方向(Richeyetal.，2014)。已有研究发现，对儿童类比推理的干预可以通过语言和物理表征两种形式下的多种方法进行(Mutafchieva&Kokinov，2007)，这些方法可以针对儿童类比推理过程中的类比关系表征以及抑制控制、工作记忆等影响因素进行干预，从而帮助儿童类比推理。 3.1语言提示的干预方法 儿童进行类比推理的过程中，首先需要对类比关系进行特定类型的表征，然后才能将类比关系应用到目标类比物的配对当中。语言就是这一表征过程成功构建的基础(Loewenstein&Gentner，2005)，因此语言在类比推理过程中起着不可或缺的作用。在类比推理领域，关系语言的提示可以促进儿童关注类比关系、促进对类比关系的编码，帮助儿童提取类比推理中的关系信息、抑制无关刺激的干扰，进而提高儿童类比推理成绩(Loewenstein&Gentner，2005)。Rattermann，Gentner和DeLoache(1990)以大小类比映射任务为实验材料：儿童和主试各有三个不同大小的物体(大、中、小)，主试把贴纸藏在一个物体下面，要求儿童在对应相对大小的物体下面找到贴纸。这样的情况下儿童完成任务的情况并不理想。后来，主试为儿童提供了语言标签，如，分别用爸爸、妈妈和宝宝来命名大、中、小三种大小的物体。借助语言标签，3岁儿童的类比推理正确率达到了87%～89%。 进一步研究发现，系统性、空间性的语言提示对儿童类比推理的促进作用要大于其他种类语言提示(Christie&Gentner，2012)，原因可能是语言自身存在的系统语义结构可以引发相应的系统概念结构(Gentner，2010)，从而更加有效地抑制住无关分心刺激的干扰，促进儿童对目标间关系的关注。Loewenstein和Gentner(2005)对平均3.7岁和4.2岁的儿童进行空间映射类比任务，在两个三层高的架子上放彩色的画，并且有两副完全一样的画被放在两个架子上不同的位置(设置知觉干扰)，要求儿童根据两个架子上的相对位置来寻找贴纸。主试对其中一组儿童采用空间提示语言(top，middle，under)，另一组则使用系统性较弱的提示(on，in，under)。结果表明，使用空间提示语言组的儿童成绩显著优于使用非空间提示语言组。如果给予儿童具有系统性但不具有空间性的语言提示(如1，2，3)，儿童依旧能够在空间映射任务上表现出优势(Christie&Gentner，2012)，证实了系统性、空间性的语言在类比推理方面的强大作用。 3.2物理表征的干预方法 为了降低儿童在类比推理过程中工作记忆的负担、帮助儿童克服无关知觉或分心刺激的干扰，还可以通过物理表征的方式进行干预促进。例如，将源图像与目标图像同时呈现就是一种有效的物理表征方法。儿童可以对同时呈现的源图像和目标图像进行比较，发现关键的关系信息，且能有效降低处理类比信息时工作记忆的负担，促进类比推理的进行(Christie&Gentner，2010；Rittle-Johnson&Star，2007)。Richland和McDonough(2010)探究打手势的提示方法对儿童数学类比成绩的影响，发现儿童得到的提示越多，越能识别问题的结构，并能对误导性的相似问题使用合适的解决策略；得到最少提示的儿童最有可能在误导性相似问题上依赖表面相似性，无法抑制分心刺激的干扰，出现交叉映射(表面相似性和结构相似性冲突的现象)效应。 另一方面，也有研究者(Mutafchieva&Kokinov，2007)认为物理符号本身和语言符号一样，可以作为构建类比推理过程中关系表征的基础，成为促进儿童类比推理的关键因素。Mutafchieva和Kokinov(2007)采用Rattermann等(1990)使用的大小类比映射范式(即在大中小三种物体下找贴纸)进行实验，但采用连接杆将三种大小的物体连成一列，作为物体间关系的物理表征。发现关系的物理表征对4～5儿童类比推理能力的促进作用与语言标签的作用几乎是等同的，证实了物理表征对儿童类比推理的有效干预促进作用。 4研究展望 本文从不同角度梳理了儿童类比推理的影响因素，并探究了“语言标签”和“物理表征”对儿童类比推理的干预促进作用。未来研究还可以从以下角度进行探索： 首先，采用更适宜的研究方法和实验材料深入探究儿童类比推理的影响因素。目前有关儿童类比推理影响因素的相关结果仍比较分散、不够系统，尤其是关于工作记忆和抑制控制对儿童类比推理的作用模式仍存在分歧。这可能与不同的研究者对抑制控制的操作定义不同有关。有些研究任务测查的是狭义的抑制控制，即工作记忆中央执行成分中的抑制控制。如Richland等(2006)在类比情景任务中操纵知觉分心以及Chuderska和Chuderski(2014)操纵语义分心的研究均表明，类比推理的抑制控制发生在个体的工作记忆中；即工作记忆是前提，工作记忆限制了分心或干扰对类比推理的作用。但有些研究任务中的抑制控制是广义的抑制控制，即抑制控制与工作记忆是同属一个层级的认知能力。如Cho等(2007)提出抑制控制和工作记忆同属一个“认知资源库”，抑制控制和工作记忆对类比推理独立发挥作用，个体的抑