Theoretical Model and Quantitative Assessment of Scientific Thinking and Reasoning
科学思维的理论模型与量化评估
E. 思维和知识形成的发展进程
构建科学思维评估框架的挑战之一是理解基于该框架所描述的学生思维能力应该包括哪些具体内容。本节为在学生思维中观察到的一些困难提供了可能的解释（主要针对人群是高中生和大学生），同时也为科学思维评估中应该包括哪些思维任务提供了依据。
根据发展心理学[39]的研究，在发展的早期阶段，孩子们观察周围的环境，并形成了对世界的理解。这些知识主要是以观测数据的形式，以及对物体和事件的协变模式的简单概括。因此，在这个发展阶段，知识和关联的思维大多是基于数据协变的因果关系（DCR）的形式出现，用于描述日常生活事件和现象。随着儿童语言的发展，基于机制解释的因果关系（MCR）的语言描述和解释开始发展，这种形式可以让他们无需自己进行观察和概括而进行直接交流和传授。因此，MCR的出现可以大大提高学习已有知识的效率，尤其是那些不方便亲自体验或观察的事情上。在这个阶段，知识和思维的发展主要涉及学习MCR。特定领域知识的变量和关系网络通常被通过记忆方式学习并被认为是已知事实，而儿童的思维训练主要针对处理和验证知识构建中用到的关系、逻辑和计算等等。其中一些思维功能是跨领域的，可以应用于其他领域，以形成不同的领域特定知识集。
随着孩子们从生活环境中获积累经验，以及正式和非正式的学习经历，他们也会构建自己版本的MCR来理解这个世界。例如，大多数学生在物理方面会形成自己的认知概念，比如认为需要施加一个力来维持运动。这些素朴的概念是从学生们对物理世界的观察（DCR）和对观察的直觉解释（MCR）中发展出来的。例如，关于力与运动的一个常见误解是认为施加的力是物体运动的原因。这个观点是可以直观解释在有摩擦的世界中通常观察到的运动方式，而摩擦力本身则往往是大多数人没有明确或正确理解的潜在中介因素。如果不明确包括摩擦力，力与运动的关系就很难推广到牛顿力学的理解中。这个例子表明，学习者在生活经历中会自然而然地构建DCR和MCR作为其知识系统的一部分，并且这样的认知过程会自动地归纳MCR，成为他们理解现实世界运作机制的一种有意义的解释。随着学习的发展，这些DCR和MCR可以进一步整合，形成更复杂的因果理解网络（DMCR-Net）。
图7.知识和思维在特定内容领域内正式和非正式教育环境中的发展。特定年龄段的学习者（有一些差异）可能处于不同内容领域的不同阶段，而不同年龄段的学习者也可能处于相同或不同内容领域的类似或不同的阶段。
同时，在目前的教育体系中，学生很大部分科学知识是在正式教育中获得的，其教与学的重点是传授已确立的科学知识（即经过科学验证的MCR）。通过多年接受学校教育，许多学生学会了主要依靠记忆获得知识，而思维技能主要是针对传授的MCR中所包含的计算和逻辑关系而训练学生的整合、操作和评估技能。因此，大部分学生很少经历探究式学习，而探究学习要求学生能通过数据进行观察从而构建DCR，然后进一步归纳DCR形成假设（MCR），并综合分析DCR和MCR进而评估测试假设的可信性。重视记忆性学习而缺乏探究的训练可能导致学生在基于探究的学习任务中不恰当地使用先前的知识或形成思维定势，而不是从数据中得出基于证据的结论。这样长期以往，可以表现为学生擅长死记硬背，但缺乏科学思维或批判性思维以及创造力等高阶思维能力。在某种程度上说，虽然每个孩子天生是具备自然的科学探究潜力并且在早期的自我学习中也是这么做的，类似一个小小科学家。但是传统的教育中的训练往往使学生习惯于被动地接受和记忆信息。这会使他们逐渐失去天生的好奇心，进而忘记怎样从自己的视角去观察周围世界，并建构基于观察的概念理解。如果不从根本上改变传统的灌输式的教育模式，学生则会因经历长期这样的训练而逐渐失去他们本就具有的探究和思考能力。
图7所示的流程图，描述了正规和非正规教育环境中知识和思维发展路径的典型特征。这个过程起始于年幼时期的观察和感知世界并形成DCR，从而进一步概括归纳形成直觉性的概念和理解（MCR、DMCR和DMCR网络的素朴版本）。随着语言的发展和交流的增加，尤其是在正式教育环境中的大部分时间里，学习和思维通常会过渡到学习MCR类型的知识。与此对应，学生构建DCR并将其与科学概念相结合的思维能力因为缺乏持续的训练将会逐渐缺失。因此，许多学生在提出可研究的问题、设计对照实验、处理和分析数据以及得出基于证据的结论方面的能力非常薄弱，而这些都是科学探究所需的关键技能。许多学习者一直处于这个阶段，直到成年。接受进一步研究培训的高级学术领域的学生最终可能会发展获得所需的科学思维能力，并在他们的知识构建中实现深度整合的因果理解网络（DMCR-Net）。具备这样能力的学习者能够在全新的领域通过探究的学习和研究方法构建新的创造性科学的知识。然而，有研究表明，相当一部分大学生仍然缺乏进行有效科学探究以及将DCR与MCR结合起来构建科学概念的必要技能[29,33,70,71]。针对学生思维能力不发达的问题，科学思维评估应重点关注构建和协调DCR和MCR方面的技能，这将在下一步讨论。