秦曉陽，李建彬，胡象嶺

(曲阜師范大學(xué)物理學(xué)系，山東 曲阜 273165)

作為創(chuàng)造力基礎(chǔ)的科學(xué)思維，被視為科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心，它是從科學(xué)視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式。而科學(xué)推理作為一種高級思維形式，是科學(xué)思維的重要組成部分，它跟模型建構(gòu)、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等一起構(gòu)成科學(xué)思維的要素[1]。學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展，對科學(xué)思維能力的發(fā)展乃至科學(xué)素養(yǎng)的形成均具有重要意義。對科學(xué)推理能力發(fā)展及其影響因素、培養(yǎng)策略、測評等問題的研究，無論于課程的編制、實施還是評價都具有重要參考價值，對旨在落實“立德樹人”根本任務(wù)、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)實踐及其變革具有重要啟示意義。

自20世紀(jì)60年代以來，科學(xué)推理已成為國外心理學(xué)、教育學(xué)研究的一個重要研究領(lǐng)域。近些年來，科學(xué)推理能力的研究受到國際科學(xué)教育領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，心理學(xué)研究與科學(xué)教育研究的交叉成為科學(xué)推理研究的一個新趨向。但在國內(nèi)，對科學(xué)推理的研究尚未引起科學(xué)教育界的足夠重視，尚缺乏系統(tǒng)、深入的探討。研究擬從科學(xué)計量學(xué)的角度，借助可視化分析軟件，分析近20年國際科學(xué)推理研究的進展與趨勢，以期為我國科學(xué)推理研究提供參考，促進國內(nèi)科學(xué)教育研究與國際接軌。

一 研究方法

科學(xué)計量學(xué)是采用數(shù)學(xué)方法計量科學(xué)研究的成果，描述科學(xué)體系的結(jié)構(gòu)，分析科學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在運行機制，揭示科學(xué)發(fā)展的時空特征，進而找出科學(xué)活動規(guī)律性的一門學(xué)科[2]。科學(xué)知識圖譜為科學(xué)計量分析提供了可視化分析方法?？茖W(xué)知識圖譜工具有很多，研究使用的是HistCite和CiteSpace兩款分析軟件。HistCite是由美國著名的情報學(xué)家和科學(xué)計量學(xué)家、SCI創(chuàng)始人加菲爾德(Garfield E)等開發(fā)的一款引文圖譜分析軟件[3]。它能夠用直觀的圖示展示某一領(lǐng)域不同文獻之間的關(guān)系，從而快速定位該領(lǐng)域的重要文獻。但該軟件存在如引文編年圖顏色單一、不能呈現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點之間的共被引關(guān)系強度等不足。而由美國華裔學(xué)者陳超美開發(fā)的CiteSpace恰好彌補了上述不足[4]。該軟件采用共現(xiàn)分析、引文分析等計量學(xué)方法，分析文獻數(shù)據(jù)中的作者、機構(gòu)、關(guān)鍵詞、參考文獻等關(guān)鍵信息，并可用圖譜的方式顯示分析結(jié)果，從而呈現(xiàn)科學(xué)知識的發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系。

在科學(xué)知識圖譜可視化分析中，文獻數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的可靠性。因此，使用該方法最為關(guān)鍵的是獲取高質(zhì)量的文獻數(shù)據(jù)。SSCI(Social Sciences Citation Index)即社會科學(xué)引文索引，由美國科學(xué)信息研究所創(chuàng)建，是國際公認(rèn)的進行社會科學(xué)論文統(tǒng)計分析和評價的大型檢索工具。研究選擇Web of Science(WOS)核心合集中的SSCI數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)檢索來源。檢索時，采用主題檢索，檢索詞為“Scientific Reasoning”，選定的時間范圍是1996年至2017年，文章類型選擇的是“article”，共檢索得到SSCI期刊論文368篇(數(shù)據(jù)庫更新時間為2018年3月9日)。剔除168篇與科學(xué)推理研究不相關(guān)的文獻，使用WOS的文獻導(dǎo)出功能將200篇文獻的“全記錄與引用的參考文獻”數(shù)據(jù)導(dǎo)出，作為研究的分析數(shù)據(jù)。

二 發(fā)文量與學(xué)術(shù)期刊

(一)發(fā)文量

近20年科學(xué)推理研究的年度發(fā)文量的折線圖如圖1所示。觀察發(fā)現(xiàn)，對于科學(xué)推理的研究整體上可分為兩個階段：1996—2008年的年度發(fā)文量較低，均未超過7篇；2008年后，對于科學(xué)推理的研究開始活躍，年度發(fā)文量都不低于10篇，其中2013年、2015年達到20余篇。2008年后發(fā)文量明顯增多，經(jīng)過分析有以下原因：一是由于2009年上海學(xué)生首次參加由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)主持進行的第四次國際學(xué)生評估項目(PISA)測試，并在閱讀、數(shù)學(xué)和科學(xué)素養(yǎng)三項評價中均取得了首位的成績，由此引發(fā)了國內(nèi)外教育界的廣泛關(guān)注；二是美國“國家教育進展評估”(National Assessment of Educational Progress, NAEP)及“國際教育成績評估協(xié)會”(International Association for the Evaluation of Education Achievement, IEA)的報道中指出:幾乎所有國家參與的學(xué)生在科學(xué)推理上的表現(xiàn)，都存在一致偏好男生的性別差異，這種差異在高分段表現(xiàn)得更為明顯，且這種差異隨學(xué)生年級的增長而增長[5]。以上原因均導(dǎo)致關(guān)于科學(xué)推理能力的國際比較研究顯著增加。2013年也是一個重要節(jié)點，發(fā)文量也呈明顯增加的趨勢，2013年經(jīng)合組織公布了全球65個國家和地區(qū)的2012年P(guān)ISA測試結(jié)果，國際學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)測評的數(shù)據(jù)分析結(jié)果成為各國科學(xué)教育改革的重要參考依據(jù)，也推動了各國研究者對科學(xué)推理發(fā)展的進一步研究。

(二)學(xué)術(shù)期刊

以發(fā)文數(shù)量和全球引用次數(shù)(Total Global Citation Score,簡稱“TGCS”)為指標(biāo)，通過HistCite得到科學(xué)推理研究產(chǎn)量和被引次數(shù)前10名的期刊，見表1。兩個榜單中，教育類的期刊均占大多數(shù)，并且主要集中在科學(xué)教育領(lǐng)域，心理學(xué)等領(lǐng)域也對科學(xué)推理的研究有所涉及。

圖1 1996年至2017年科學(xué)推理研究年度發(fā)文量

高產(chǎn)期刊高被引期刊序號期刊數(shù)量TGCS序號期刊數(shù)量TGCS1INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION《國際科學(xué)教育》121051CHILD DEVELOPMENT《兒童發(fā)展》43972JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING《科學(xué)教學(xué)研究雜志》122092DEVELOPMENTAL PSYCHOLOGY《發(fā)展心理學(xué)》53423RESEARCH IN SCIENCE EDUCATION《科學(xué)教育研究》7493JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING《科學(xué)教學(xué)研究雜志》122094PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-PHYSICS EDUCATION RESEARCH《物理評論特刊———物理教育研究》6694COGNITION AND INSTRUCTION《認(rèn)知與教育》31125DEVELOPMENTAL PSYCHOLOGY《發(fā)展心理學(xué)》53425COGNITIVE SCIENCE《認(rèn)知科學(xué)》21066INSTRUCTIONAL SCIENCE《教育科學(xué)》5436INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION《國際科學(xué)教育》121057INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENCE AND MATHEMATICS EDUCATION《國際科學(xué)與數(shù)學(xué)教育》5107COGNITIVE DEVELOPMENT《認(rèn)知發(fā)展》41048JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION AND TECHNOLOGY《科學(xué)教育與技術(shù)》5188SCIENCE EDUCATION《科學(xué)教育》5849SCIENCE EDUCATION《科學(xué)教育》5849JOURNAL OF PERSONALITY AND SOCIAL PSYCHOLOGY《人格與社會心理學(xué)》37510SYNTHESE(綜合)54610PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-PHYSICS EDUCATION RESEARCH《物理評論特刊———物理教育研究》669

三 代表性學(xué)術(shù)共同體與學(xué)者影響力

(一)研究機構(gòu)

利用HistCite對科學(xué)推理研究的高產(chǎn)和高被引機構(gòu)進行統(tǒng)計，得到高產(chǎn)和高被引前10名的機構(gòu)，見表2。

表2左側(cè)列出的前10位高產(chǎn)機構(gòu)中有7個位于美國，另外2個位于中國臺灣地區(qū)，1個位于荷蘭。右側(cè)列出的全球引用次數(shù)前10位的高產(chǎn)機構(gòu)，皆地處美國。排在高產(chǎn)和高被引機構(gòu)榜單第一位的都是美國卡耐基梅隆大學(xué)。同時排在高產(chǎn)和高被引機構(gòu)榜單前10位的，還有美國的哥倫比亞大學(xué)、威斯康星大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)。中國臺灣地區(qū)兩所大學(xué)雖然在高產(chǎn)機構(gòu)中占有一席之地，但是在文獻的被引情況方面，與美國高校的差距還是很大。

表2 科學(xué)推理研究高產(chǎn)和高被引機構(gòu)

(二)研究者

利用CiteSpace繪制作者共被引網(wǎng)絡(luò)(見圖2)，并基于分析數(shù)據(jù)列出前10位的高被引和高中介中心性作者(見圖2、表3)，以確定在科學(xué)推理研究中的重要研究者。

圖2 作者共被引網(wǎng)絡(luò)

高被引作者高中介中心性作者序號被引頻次作者序號中介中心性作者197Kuhn D10.20Klaczynski P A256Klahr D20.18Klahr D353Schauble L30.16Duschl R A446Zimmerman C40.14Kuhn D545Lawson A E50.14Inhlder B632Koslowski B60.12Lawson A E729Piaget J70.12Stanovich K E828Carey S80.09Zohar A927Sodian B90.08Brown A L1026Chinn C A100.06Siegler R S

被引頻次是衡量作者重要性和影響力的重要指標(biāo)，在圖2中用節(jié)點的大小來表征。在科學(xué)推理研究中，被引頻次居于前10位的研究者分別是Kuhn D、Klahr D、Schauble L、Zimmerman C、Lawson A E、Koslowski B、Piaget J、Carey S、Sodian B、Chinn C A。

如果某位研究者是將不同研究領(lǐng)域連接起來的關(guān)鍵人物，那么我們就稱該研究者具有中介中心性，這也是反應(yīng)作者重要性的一項指標(biāo)，在作者共被引網(wǎng)絡(luò)中用節(jié)點邊緣的紫色圓圈來表示。利用CiteSpace提取WOS數(shù)據(jù)庫中作者被引頻次、中介中心性等信息，發(fā)現(xiàn)Klaczynski P A、Klahr D、Duschl R A、Kuhn D、Inhlder B、Lawson A E、Stanovich K E、Zohar A、Brown A L、Siegler R S等具有高中介中心性，是科學(xué)推理研究中整合不同研究內(nèi)容的關(guān)鍵研究者。上述研究者中，Kuhn D、Klahr D、Lawson A E等既是高被引作者，又具有高中介中心性，是科學(xué)推理研究領(lǐng)域的核心研究者。

四 研究熱點分析

利用CiteSpace進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，做出關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖(見圖3)。時區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按照關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的時間排布，位置越靠左表明該關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的時間越早。圖3中，關(guān)鍵詞節(jié)點的大小表示某一關(guān)鍵詞與其他關(guān)鍵詞共現(xiàn)次數(shù)的多少，反應(yīng)了對該關(guān)鍵詞的研究熱度。節(jié)點色調(diào)的冷暖對應(yīng)著關(guān)鍵詞在文獻中出現(xiàn)的時間。與作者中介中心性相似，具有中介中心性的關(guān)鍵詞亦由節(jié)點邊緣的紫色圓圈標(biāo)出。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看，具有中介中心性的關(guān)鍵詞在網(wǎng)絡(luò)中起著連接不同關(guān)鍵詞的橋梁作用，同樣能表征該關(guān)鍵詞的重要性。由于加入了時間尺度，科學(xué)推理研究熱點關(guān)鍵詞的演進脈絡(luò)就在圖中展現(xiàn)出來。

圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖

從圖3可以看出，近20年科學(xué)推理研究中，共現(xiàn)次數(shù)最多的關(guān)鍵詞是此次研究的主題詞scientific reasoning(科學(xué)推理)，但“科學(xué)推理”作為關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的時間是2000年。查閱原始文獻數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2000年前的文章雖然沒有將“科學(xué)推理”列為關(guān)鍵詞，但“科學(xué)推理”出現(xiàn)在文章的標(biāo)題或摘要中，都是有關(guān)科學(xué)推理的文獻。由圖3可見，目前已經(jīng)形成的出現(xiàn)頻次較高的10個關(guān)鍵詞分別是knowledge(知識)、science(科學(xué))、skill(技能)、thinking(思維)、student(學(xué)生)、inquiry(探究)、biology(生物學(xué)科)、education(教育)、children(兒童)、instruction(教學(xué))等，且這些關(guān)鍵詞都具有中介中心性。

將10個高頻關(guān)鍵詞大致分為五類，能夠反映近二十年科學(xué)推理研究主要集中在五大研究熱點領(lǐng)域。結(jié)合對二次檢索的關(guān)鍵性文獻的分析，五大研究熱點領(lǐng)域的具體表現(xiàn)如下：

1.對學(xué)科中科學(xué)推理的研究，包括科學(xué)、生 物學(xué)科等關(guān)鍵詞，涉及對與科學(xué)有關(guān)的學(xué)科中學(xué)生科學(xué)推理能力的研究、理科學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展研究，以及學(xué)生的科學(xué)推理與生物學(xué)中的概念理解、知識應(yīng)用的聯(lián)系等方面。如Rivet A E等以164名八年級和九年級學(xué)生為被試，借助被試圍繞地球科學(xué)物理模型進行的類比推理活動，評估他們的科學(xué)推理能力[6]。Zeineddin A等考察大學(xué)理科學(xué)生的認(rèn)識論信念(EC)與科學(xué)推理能力之間的關(guān)系，同時將先驗知識作為一個干預(yù)變量，結(jié)果表明：大學(xué)理科學(xué)生的先驗知識和認(rèn)識論信念之間沒有相互作用；認(rèn)識論信念越高，科學(xué)推理的質(zhì)量就越高；當(dāng)認(rèn)識論信念較弱時，先驗知識對科學(xué)推理的影響更強[7]。再如Treagust D根據(jù)學(xué)生對遺傳學(xué)的理解情況開發(fā)了評估工具，并利用其對三所西澳中學(xué)的學(xué)生在遺傳學(xué)中進行的科學(xué)推理進行了評估[8]。Mil M H W V等的研究中提出了分子建模機制——為細(xì)胞行為構(gòu)建分子水平解釋的科學(xué)推理框架，以益于學(xué)生將分子知識與細(xì)胞、器官和生物體的現(xiàn)象聯(lián)系起來[9]。

2.對以學(xué)生為主體的科學(xué)推理能力測量的研究，包括學(xué)生、兒童等關(guān)鍵詞，涉及對各個年齡段學(xué)生、兒童科學(xué)推理能力水平的測試、科學(xué)推理能力存在個體差異的原因等。如Moore J C等利用Lawson科學(xué)推理能力測試卷(LCTSR)，對比STEM(科學(xué)，技術(shù)，工程和數(shù)學(xué))專業(yè)和非STEM專業(yè)的學(xué)生的科學(xué)推理能力，發(fā)現(xiàn)非STEM專業(yè)的學(xué)生LCTSR得分平均低于STEM專業(yè)的學(xué)生，基于測試情況對非STEM專業(yè)的學(xué)生在物理基礎(chǔ)課程中展現(xiàn)的科學(xué)推理能力進行了研究[10]。Mayer D等為對小學(xué)生的科學(xué)推理能力進行評估和建模，研究了55名四年級學(xué)生在科學(xué)推理的四個方面(理解科學(xué)的本質(zhì)、理解理論、設(shè)計實驗和解釋數(shù)據(jù))的表現(xiàn)，研究結(jié)果也有助于解釋小學(xué)生的科學(xué)推理能力存在個體差異的原因[11]。如Legare C H在其研究中闡述了兒童的解釋和探索能力與科學(xué)推理能力的發(fā)展之間的關(guān)系，為兒童的科學(xué)教育提供了有價值的參考[12]。Piekny J等于2013年研究了223名兒童(4歲到13歲)的科學(xué)推理能力中生成假設(shè)、實驗和證據(jù)評估能力的發(fā)展，并討論了研究結(jié)果對設(shè)計幼兒科學(xué)教育概念的意義[13]。

3.對科學(xué)推理能力與知識水平、批判性思維等之間關(guān)系的研究，包括知識、思維等關(guān)鍵詞，主要涉及概念性知識、科學(xué)知識等與學(xué)生的科學(xué)推理能力之間的關(guān)系，以及科學(xué)推理與科學(xué)思維能力的培養(yǎng)與提高問題等。Keys C W通過研究探索科學(xué)推理、概念性知識與模型建構(gòu)之間的關(guān)系，研究表明，對于需要大量概念性知識支持的活動來說，科學(xué)推理對于構(gòu)建精確的科學(xué)模型而言非常重要[14]。Thull S等研究了67名6-8年級小學(xué)生的科學(xué)知識和科學(xué)推理成績之間的關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識和科學(xué)推理成績之間存在高度相關(guān)，科學(xué)知識是三個年級階段的學(xué)生在科學(xué)推理方面存在差異的一個重要因素[15]。再如Halpern D F等研究了“ARA行動”——一種可以用來培養(yǎng)批判性思維和科學(xué)推理能力的電腦學(xué)習(xí)游戲，主要探討學(xué)生如何通過這款有價值的“學(xué)習(xí)工具”來學(xué)習(xí)科學(xué)推理的技巧，以提高批判性思維能力和科學(xué)推理能力[16]。Russ R S等以一節(jié)二年級科學(xué)課為例，研究如何使課堂評價更有利于提高學(xué)生的科學(xué)推理能力，結(jié)果表明教師在教學(xué)中注重對自然現(xiàn)象的因果機制進行解釋，而不僅是基于教科書對學(xué)生的課堂表現(xiàn)進行評價，將會有益于學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)能力的發(fā)展[17]。

4.對科學(xué)教育和教學(xué)中科學(xué)推理的研究，包括教育、教學(xué)等關(guān)鍵詞，涉及科學(xué)推理能力的發(fā)展在科學(xué)教育中的重要性、教學(xué)對學(xué)生科學(xué)推理能力水平的影響等問題。如Osborne J在其研究中指出，學(xué)生缺乏科學(xué)推理的良好模型和評估這種高級認(rèn)知能力的專業(yè)知識，是21世紀(jì)科學(xué)教育所面臨的挑戰(zhàn)之一，研究中提出了一個科學(xué)推理的模型以促進科學(xué)教育的發(fā)展[18]。Gropen J等通過對學(xué)齡前兒童科學(xué)推理能力中假設(shè)檢驗等能力的研究，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行功能(EF)對其發(fā)展起著重要的作用[19]。再如Garcia-Mila M研究了課堂中任務(wù)目標(biāo)對學(xué)生討論質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)教學(xué)中并非所有的課堂討論任務(wù)都能夠促進學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展[20]。Lazonder A W等研究了直接教學(xué)和間接教學(xué)兩種教學(xué)方法對兒童科學(xué)推理能力中變量控制能力的影響，研究發(fā)現(xiàn)直接教學(xué)和將任務(wù)進行細(xì)分都有助于兒童對變量控制策略(CVS)的學(xué)習(xí)和運用[21]。

5.對有關(guān)提高學(xué)生科學(xué)推理能力的研究，包括技能、探究等關(guān)鍵詞，涉及教師技能水平對學(xué)生科學(xué)推理技能的影響的研究，以及關(guān)注探究活動對學(xué)生科學(xué)推理能力的影響等問題。Laius A等研究了科學(xué)教師的合作能力以及專業(yè)水平對學(xué)生的推理技能和科學(xué)創(chuàng)造技能等的影響，研究表明教師合作能力和專業(yè)水平的提高，將有助于學(xué)生科學(xué)推理能力的提高[22]。再如Beck C W等通過研究發(fā)現(xiàn)，基于探究的生態(tài)學(xué)實驗室課程有助于學(xué)生自信心和科學(xué)推理能力的提高，但自信心的增加與科學(xué)推理能力的提高并沒有顯著的相關(guān)關(guān)系[23]。Lombard F E等[24]對探究式學(xué)習(xí)中有利于學(xué)生科學(xué)推理能力發(fā)展的“好問題”的設(shè)計進行了研究，給教師提出了幾點建議：如問題要由簡單到復(fù)雜，探究過程和師生互動要充分等。

隨著研究的深入，科學(xué)推理研究不斷涌現(xiàn)新的熱點關(guān)鍵詞。從關(guān)鍵詞共現(xiàn)時區(qū)圖可以得到各個熱點關(guān)鍵詞的演進脈絡(luò)。由圖3發(fā)現(xiàn)1996—1999年科學(xué)推理研究的熱點關(guān)鍵詞主要有知識、科學(xué)、兒童、課堂、方法、實驗等；2000—2002年間的熱點關(guān)鍵詞主要集中在成績、先驗知識等方面；2003—2004年間的熱點關(guān)鍵詞變?yōu)楦拍钷D(zhuǎn)變、科學(xué)教育、學(xué)生觀念等；2005年的熱點關(guān)鍵詞有科學(xué)思維、認(rèn)知發(fā)展、學(xué)齡前兒童、信息、類比推理、任務(wù)、搜集、具體操作階段、組織等；2007年的熱點關(guān)鍵詞有物理學(xué)科等。與近十年的科學(xué)推理研究發(fā)文量明顯增多相對應(yīng)，2008年左右起分化出大量熱點關(guān)鍵詞。2008—2009年間的熱點關(guān)鍵詞主要聚集在思維、學(xué)生、青少年、表示、個體差異、因果推理、設(shè)計等；2010年間的熱點關(guān)鍵詞主要有技能、教學(xué)、探究性學(xué)習(xí)、框架、模擬等；2011—2012年的熱點關(guān)鍵詞有探究、教育、習(xí)得等；2013—2014年熱點關(guān)鍵詞主要有討論、能力、表現(xiàn)、小學(xué)、學(xué)校、發(fā)現(xiàn)、語境、推斷、解釋等；從2015—2017年的關(guān)鍵詞共現(xiàn)來看，科學(xué)推理研究熱點關(guān)鍵詞有進一步分化的趨勢，較新的熱點關(guān)鍵詞有話語、課程、共變、社會性科學(xué)問題、決策、模型等。

五 研究進展與前沿分析

如果兩篇文獻同時被多篇文獻引用，那么這兩篇文獻之間就存在著共被引關(guān)系。共被引文獻的主題具有一定的相似性，因此我們可以通過對文獻的共被引分析來探析文獻內(nèi)容的相關(guān)程度。利用CiteSpace繪制文獻時間線視圖共被引網(wǎng)絡(luò)，從文獻的關(guān)鍵詞中來提取名詞性術(shù)語對聚類進行命名，得到默認(rèn)的聚類命名為使用LLR算法得到的命名結(jié)果，共得到39個聚類。由于聚類數(shù)目過多，CiteSpace只呈現(xiàn)了最大的4個聚類，如圖4所示。圖中一條水平線表示一個聚類，顯示了聚類的文獻數(shù)量與時間跨度，文獻節(jié)點的大小表示文獻的共被引次數(shù)的多少。但4個聚類又不是完全獨立的，會通過某些文獻建立起聯(lián)系，這些文獻具有中介中心性，圖中用紫色外圈標(biāo)識。借助這些信息，就可以探索科學(xué)推理研究的主要研究內(nèi)容及其發(fā)展進程與演進趨勢。

由圖4可見，近段時間以來，科學(xué)推理研究有4個主要的文獻共被引聚類主題，分別是Causal reasoning(因果推理)、Biology(生物學(xué)科)、Lower achieving classroom(低年級課堂)和Prior knowledge(先驗知識)。為進一步探索四個聚類的具體含義，提取了四個聚類的標(biāo)簽信息，見表4、圖4。

圖4 文獻共被引網(wǎng)絡(luò)時間線視圖

聚類序號大小平均年份標(biāo)簽值Label (LLR)0282007causal reasoning(因果推理),cognitive development(認(rèn)知發(fā)展),physics(物理學(xué)科),biology(生物學(xué)科),content learning(內(nèi)容學(xué)習(xí))1192009biology(生物學(xué)科),content learning(內(nèi)容學(xué)習(xí)),score(成績),infor-mation(信息),higher education(高等教育)6102012lower achieving classroom(低年級課堂),experimentation(實驗),school children(學(xué)齡兒童),mokken scale analysis(Mokken規(guī)模分析),dynamic assessment(動態(tài)評估)1142004prior knowledge(先驗知識),design(設(shè)計),framework(框架),inquiry learning(探究性學(xué)習(xí)),computer simulation(計算機模擬)

結(jié)合圖4和表4，這4個聚類主題的具體表現(xiàn)如下：

1.Causal reasoning(因果推理)。這4類研究中，因果推理的研究文獻數(shù)量最多、持續(xù)時間最長，影響力最大。與該領(lǐng)域相關(guān)的關(guān)鍵詞有認(rèn)知發(fā)展、物理學(xué)科、生物學(xué)科、內(nèi)容學(xué)習(xí)等。因果推理能力的測量和其對科學(xué)推理能力的影響一直是該方面的重要內(nèi)容。如Zimmerman C對關(guān)于兒童科學(xué)推理能力發(fā)展的已有研究進行了回顧和綜述，其中對有關(guān)科學(xué)推理能力因果機制的文獻進行了論證分析，強調(diào)了因果推理能力對中小學(xué)學(xué)生科學(xué)思維的影響和在科學(xué)推理能力發(fā)展過程中的重要性[25]；Kuhn D對《需要提高什么才能達到熟練的科學(xué)思維》的研究表明，具有較強的因果推理能力，是成熟的科學(xué)思維的重要表現(xiàn)[26]；Croker S等研究了真實的任務(wù)環(huán)境中兒童的科學(xué)推理能力，討論了證據(jù)、參與者的信念和因果機制的知識對檢驗假設(shè)策略產(chǎn)生的影響[27]。結(jié)果表明，語境和先驗知識在兒童的科學(xué)推理中起著重要的作用。因果推理能力的提高措施也是這方面研究的重要內(nèi)容，如2012年Legare C H的研究表明，對矛盾沖突的解釋是驅(qū)動兒童因果認(rèn)知的重要機制[28]。

2.Biology(生物學(xué)科)?？茖W(xué)推理與生物學(xué)科聯(lián)系非常緊密，研究熱度和影響力僅次于因果推理的研究。科學(xué)推理在生物學(xué)科中涉及到的有內(nèi)容學(xué)習(xí)、成績、信息、高等教育等。如Duncan R G等研究了學(xué)生在學(xué)習(xí)分子遺傳學(xué)的概念方面的知識時，如何消除錯誤理解概念對科學(xué)推理能力培養(yǎng)產(chǎn)生的阻礙[29]；Mil M H W V等提出為細(xì)胞行為構(gòu)建分子水平解釋的科學(xué)推理框架，這種分子建模機制有助于學(xué)生將分子知識與細(xì)胞、器官和生物體的現(xiàn)象聯(lián)系起來[9]。Thompson E D等測試了學(xué)生的ACT數(shù)學(xué)考試(ACT-M)成績和Lawson科學(xué)推理能力課堂測試(SR)成績，評估了用兩項成績預(yù)測學(xué)生的一門生物學(xué)入門專業(yè)課程學(xué)習(xí)成果的有效性，邏輯回歸分析結(jié)果表明，可以用兩項成績來有效地預(yù)測學(xué)生在這門課中的學(xué)習(xí)成果，研究結(jié)果將有助于這門課程的開展[30]。

3.Lower achieving classroom(低年級課堂)。相比于“因果推理”和“生物學(xué)科”，“低年級課堂”是一個新興的聚類主題并延續(xù)至今，近年來對低年級課堂中學(xué)生科學(xué)推理能力的研究引起了廣泛的關(guān)注，成為科學(xué)推理研究的前沿主題。該領(lǐng)域的熱點關(guān)鍵詞有實驗、學(xué)齡兒童、Mokken規(guī)模分析、動態(tài)評估等。相關(guān)研究有：Mayer D等對55名四年級學(xué)生在科學(xué)推理的四個方面(理解科學(xué)的本質(zhì)、理解理論、設(shè)計實驗和解釋數(shù)據(jù))的表現(xiàn)進行了研究，并對這些學(xué)生的科學(xué)推理能力進行了評估和建模，研究結(jié)果將有助于解釋小學(xué)生的科學(xué)推理能力存在個體差異的原因[11]。Piekny J等對共223名4歲到13歲的兒童的科學(xué)推理能力進行了研究，主要研究了生成假設(shè)能力、實驗?zāi)芰妥C據(jù)評估能力的發(fā)展，并討論了研究結(jié)果對設(shè)計幼兒科學(xué)教育概念的意義[13]。Kuhn J T等對性別、科學(xué)推理能力和學(xué)習(xí)成績(科學(xué)和語言成績)之間的關(guān)系進行了多層次分析，分析結(jié)果表明，女孩在語言方面的表現(xiàn)優(yōu)于男孩，男孩在科學(xué)和推理方面表現(xiàn)出色[31]；且科學(xué)推理能力的測量結(jié)果可以用來預(yù)測科學(xué)成績，而語言成績則更多得受性別等因素的影響。

4.Prior knowledge(先驗知識)。關(guān)于“先驗知識”的研究主要集中在2004—2008年之間，近期的研究熱度有所減弱。該領(lǐng)域涉及到的有設(shè)計、框架、探究性學(xué)習(xí)、計算機模擬等。Zeineddin A等對大學(xué)理科學(xué)生的認(rèn)識論信念(EC)與科學(xué)推理能力之間的關(guān)系進行了研究，過程中將先驗知識作為了一個干預(yù)變量，研究結(jié)果顯示：大學(xué)理科學(xué)生的先驗知識和認(rèn)識論信念之間沒有相互作用；認(rèn)識論信念越高，科學(xué)推理的質(zhì)量就越高；當(dāng)認(rèn)識論信念較弱時，先驗知識對科學(xué)推理的影響更強[7]。Croker S等在對真實任務(wù)環(huán)境中兒童的科學(xué)推理能力進行研究時，發(fā)現(xiàn)先驗知識在兒童的科學(xué)推理中起著重要的作用[27](見表5)。

表5 科學(xué)推理研究領(lǐng)域突現(xiàn)文獻

對共被引文獻進行突發(fā)主題檢測，在一段時間內(nèi)受到重視的文獻用具備高突現(xiàn)性的節(jié)點表示，通過顯示這些節(jié)點的共被引歷史，可以查詢這些文獻的被引年度分布以及突發(fā)性出現(xiàn)的年份。從文獻被引突現(xiàn)的時間、趨勢以及突現(xiàn)值高低的角度，來深度剖析科學(xué)推理研究領(lǐng)域的前沿文獻，將研究前沿劃分為增強型研究前沿、漸微型研究前沿和最新型研究前沿三種不同類型。

圖5 增強型研究前沿節(jié)點文獻被引歷史

(1)增強型研究前沿。所謂增強型研究前沿，是指具備高突現(xiàn)性且被引頻次整體處于上升趨勢的節(jié)點文獻所反映的研究主題。通過對增強型研究前沿節(jié)點文獻的被引歷史折線圖(如圖5)進行分析，發(fā)現(xiàn)第一個增強型研究前沿節(jié)點文獻是位于突現(xiàn)值第一位、“因果推理”聚類主題下的Zimmerman C發(fā)表的《中小學(xué)科學(xué)思維能力的發(fā)展》一文[25]。文章對關(guān)于實驗技能、證據(jù)評估、因果推理和自我指導(dǎo)實驗(SDE)的兒童科學(xué)推理發(fā)展進行研究的大量文獻進行綜述，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這些研究特別關(guān)注有關(guān)自然和社會世界的概念和理論的思維形成和兒童的推理技巧等問題，最后研究者在分析的基礎(chǔ)上對“孩子們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)科學(xué)”和“認(rèn)知發(fā)展研究如何為科學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)提供信息”闡述了觀點。這篇綜述性文獻是科學(xué)推理研究領(lǐng)域的重要知識基礎(chǔ)文獻。

第二個增強型研究前沿的文獻是Strand-cary M于2008年發(fā)表的《發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)技能：教學(xué)有效性與途徑獨立性》，這篇文章位于突現(xiàn)值的第四位。變量控制策略(Control of Variables Strategy)，簡稱CVS策略，是科學(xué)推理中的一項重要的學(xué)習(xí)策略[32]。Klahr和Nigam在早期的研究中考察了CVS的直接教學(xué)和發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)在直接教學(xué)條件下的學(xué)生更可能掌握CVS策略，而且在設(shè)計實驗和做出有效推斷方面成績更佳[33]。在發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)條件下，只有百分之二十三的學(xué)生能夠掌握CVS策略，且所有掌握這一策略的學(xué)生，無論學(xué)習(xí)條件如何，在遷移任務(wù)中的得分都較高。Strand-cary M探討了不同教學(xué)類型對中學(xué)科學(xué)中“變量控制策略”(CVS)的掌握的影響，研究得出了兩個主要結(jié)果，這兩個結(jié)果都復(fù)制和部分?jǐn)U展了Klahr和Nigam在早期的研究工作。首先在這三個年級的水平上，在顯性條件下學(xué)習(xí)CVS的孩子掌握的水平比在探索性條件下要高。其次，同樣重要的是，掌握了CVS策略的學(xué)生在遷移任務(wù)中的表現(xiàn)要更好。

突現(xiàn)值位于第七位、在“先驗知識”聚類主題下的《真實世界中的科學(xué)推理：先驗信念的影響》是第三個增強型研究前沿節(jié)點文獻，其于2011年由Croker S等發(fā)表[34]。文章在現(xiàn)實世界的口腔健康背景下研究了先驗知識等對科學(xué)推理信念的影響。研究中，給予參與者假設(shè)檢驗任務(wù)并要求他們解釋自己的答案，研究者向參與者提供的信息與他們自己的信念一致或不一致。最后通過考慮因果變量的合理性來解釋參與者在這些任務(wù)上的表現(xiàn)。變量控制策略用于檢驗證據(jù)與參與者的信念和因果機制知識一致的情況下的假設(shè)。相反，當(dāng)證據(jù)與參與者的信念不一致時，兒童選擇操縱可能導(dǎo)致積極健康結(jié)果的行為。研究結(jié)果表明，語境和先驗知識相互作用，在兒童的科學(xué)推理中發(fā)揮著重要作用。

結(jié)合對關(guān)鍵節(jié)點文獻內(nèi)容的分析，發(fā)現(xiàn)隨著對科學(xué)推理能力測驗的不斷發(fā)展、國際比較的不斷深入，對個體進行科學(xué)推理的任務(wù)情境、技巧及其影響因素的研究，逐漸成為科學(xué)推理研究領(lǐng)域的增強型研究前沿。

(2)漸弱型研究前沿。如圖6，一些具備高突現(xiàn)性的節(jié)點文獻被引頻次雖整體處于下降趨勢，但這些文獻所反映的研究主題仍具有較高的研究熱度，構(gòu)成了漸弱型研究前沿。

圖6 漸弱型研究前沿節(jié)點文獻被引歷史

第一個漸弱型研究前沿的節(jié)點文獻是1996年Schauble L發(fā)表的《知識豐富背景下科學(xué)推理的發(fā)展》，突現(xiàn)值位于第二位。在這項科學(xué)推理發(fā)展的研究中，10名5至6年級的兒童(5名男孩和5名女孩)和10名非大學(xué)生進行了6個半小時的實驗，以探索2個物理科學(xué)領(lǐng)域的因果結(jié)構(gòu)[35]。在每項任務(wù)完成2小時后，兩個年齡組都表現(xiàn)出對內(nèi)容的理解以及生成和解釋證據(jù)的策略的變化。一般來說，成年人的表現(xiàn)優(yōu)于孩子。單獨的有效策略和正確的信念都不足以保證成功，這表明無論是作為一般歸納領(lǐng)域還是作為特定領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，實驗都可能有所簡化。

漸弱型研究前沿的第二個節(jié)點是《理論與證據(jù)：科學(xué)推理的發(fā)展》，由Koslowski B于1996年發(fā)表，突現(xiàn)值位于第三位[36]。在這篇文章中，Koslowski B提供了一個新的研究項目的基礎(chǔ)，以便更完整地描述科學(xué)推理、問題解決和因果關(guān)系?？扑孤宸蛩够竽懙嘏u了許多目前經(jīng)典的研究，并提出了一系列令人信服的論點，并在過去十年里進行了一系列詳盡的實驗。文章描述了一項研究，該研究著眼于人們對科學(xué)推理中有價值的證據(jù)類型的信念，并研究這些信念是如何隨著年齡而改變的。主要關(guān)注的是實際科學(xué)實踐的基礎(chǔ)戰(zhàn)略。報告了兩種一般類型的研究，一種是關(guān)于假設(shè)檢驗，另一種是關(guān)于假設(shè)修正(人們?nèi)绾翁幚碜C據(jù)不符合給定解釋的證據(jù))。科斯洛夫斯基認(rèn)為，當(dāng)科學(xué)推理在運作上被定義為正確的表現(xiàn)包括關(guān)注協(xié)變和忽視理論或機制的考慮時，那么Ss通常被視為從事有缺陷的推理，而事實上，他們的推理在科學(xué)上是合法的。既不依靠協(xié)變也不依靠理論就不構(gòu)成成功的公式。既不依賴共同變異，也不依賴?yán)碚?，這就是成功的公式。

Kuhn D在1997年發(fā)表的《約束或控制指標(biāo)?發(fā)展心理學(xué)與科學(xué)教育》是漸弱型研究前沿的第三個節(jié)點文獻，突現(xiàn)值位于第六位，屬于“因果推理”聚類主題[37]。Metz于1995年發(fā)表的文獻中批評“以發(fā)展為基礎(chǔ)”的科學(xué)課程不恰當(dāng)?shù)叵拗屏丝茖W(xué)教學(xué)的活動，這些活動與真正的科學(xué)探究幾乎沒有相似之處，她認(rèn)為這是一種更有效的科學(xué)教育模式。Kuhn D在文章中反思了梅茨的建議，考慮發(fā)展心理學(xué)的研究和理論是否能夠為科學(xué)教育者追求梅茨所倡導(dǎo)的方向提供依據(jù)，并提出了一個“指南”而非“約束”的模型，來說明發(fā)展心理學(xué)如何為科學(xué)教育者的努力提供依據(jù)。

(3)最新型研究前沿。如圖7，2012年以來發(fā)表，且具有高突現(xiàn)性的節(jié)點文獻所反映的研究主題構(gòu)成了最新研究前沿。最新型研究前沿的第一個節(jié)點是《兒童早期和中期的科學(xué)推理:領(lǐng)域一般證據(jù)評價、實驗和假設(shè)生成技能的發(fā)展》，由Piekny J于2013年所作，突現(xiàn)值位于第五位。該研究的主要目的是對小學(xué)階段的科學(xué)推理進行廣泛的評估和建模[13]。155名四年級學(xué)生在最近開發(fā)的20種紙筆項目上進行了測試，這些項目涉及科學(xué)推理的四個不同組成部分(理解科學(xué)的本質(zhì)、理解理論、設(shè)計實驗和解釋數(shù)據(jù))。Rasch的研究證實了，科學(xué)推理項目形成了一個可靠的量表。數(shù)據(jù)分析表明，除了一般的認(rèn)知能力(智力、閱讀能力)、問題解決能力和空間能力之外，還可以預(yù)測科學(xué)推理項目的表現(xiàn)，從而有助于解釋小學(xué)生科學(xué)推理能力的個體差異。Piekny J的這項研究將有助于后人更好得進行科學(xué)推理測量、預(yù)測等研究，并有助于進一步解釋科學(xué)推理能力的個體差異等問題，有助于采取措施促進學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展。

圖7 最新型研究前沿節(jié)點文獻被引歷史

Mayer D等于2014年發(fā)表的《小學(xué)生科學(xué)推理:評價與認(rèn)知能力的關(guān)系》，位于突現(xiàn)值第八位，是最新型研究前沿的第二個節(jié)點文獻[11]。文章以Klahr的科學(xué)發(fā)現(xiàn)作為雙重搜索模型，調(diào)查過程包括三個認(rèn)知組成部分：假設(shè)生成，實驗和證據(jù)評估。主要研究了：“何時出現(xiàn)評估完美共變、不完全共變和非共變證據(jù)的能力”“實驗何時出現(xiàn)”“假設(shè)生成技能何時出現(xiàn)”和“這些能力是否在童年時期同步發(fā)展”幾個問題，對共有223名五個年齡組的兒童(從4.0歲到13.5歲)展開了調(diào)查。研究結(jié)果表明，科學(xué)推理的三個認(rèn)知成分是異步出現(xiàn)的?？茖W(xué)推理的發(fā)展始于能夠處理明確的數(shù)據(jù)，進展到對模糊數(shù)據(jù)的解釋，并導(dǎo)致根據(jù)證據(jù)的充分性靈活地進行假設(shè)。當(dāng)兒童理解了證據(jù)的模糊程度與假設(shè)的置信水平之間的關(guān)系時，區(qū)分確定性和不確定性實驗的能力將隨之提高。最后簡要討論了這些結(jié)果對幼兒科學(xué)教育概念設(shè)計的影響。

六 研究結(jié)論與啟示

近20年來，被SSCI收錄的科學(xué)推理研究文章有200篇。從文章的時間分布來看，2008年以來科學(xué)推理的研究整體來看比較活躍。從期刊分布看，高產(chǎn)和高被引期刊主要集中在科學(xué)教育領(lǐng)域，其次涉及的還有心理學(xué)等領(lǐng)域。

高產(chǎn)和高被引機構(gòu)大多位于美國。Kuhn D、Klahr D、Lawson A E等是該研究領(lǐng)域的核心作者，對科學(xué)推理的研究做出了很大的貢獻。中國大陸的機構(gòu)與作者無論是發(fā)文量還是被引次數(shù)均未進入榜單前十名，與美國相比差距仍然非常大。

基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，發(fā)現(xiàn)科學(xué)推理能力研究具有較強中心性和較高出現(xiàn)頻次的熱點關(guān)鍵詞為知識、科學(xué)、技能、思維、學(xué)生、探究、生物學(xué)科、教育、兒童、教學(xué)等，近年來科學(xué)推理研究呈現(xiàn)出熱點關(guān)鍵詞不斷分化的特點，分化出話語、課程、共變、社會性科學(xué)問題、決策、模型等新的熱點關(guān)鍵詞。

基于文獻共被引分析，發(fā)現(xiàn)因果推理、生物學(xué)科、低年級課堂和先驗知識是科學(xué)推理研究的4個主要文獻共被引聚類主題，其中因果推理和生物學(xué)科兩個方面的文獻數(shù)量較多、持續(xù)時間較長，低年級課堂是當(dāng)前的研究前沿。關(guān)于先驗知識的研究主要集中在2004—2008年之間，近期的研究熱度有所減弱。

綜合分析以上所得的研究結(jié)果，對我國接下來的科學(xué)推理研究有幾點啟示：

(一)加強對科學(xué)推理的有關(guān)理論和發(fā)展的研究

正如前文分析，對科學(xué)推理能力及其發(fā)展中的影響因素等的研究，依舊是當(dāng)前國際研究的熱點與前沿問題。目前我國國內(nèi)對科學(xué)推理的研究還未形成一定規(guī)模，在這其中較多的是關(guān)于科學(xué)推理能力測評以及關(guān)于科學(xué)推理研究綜述的文章。接下來應(yīng)加強對科學(xué)推理有關(guān)理論和發(fā)展的研究，這將有助于從根本出發(fā)，提高我國中小學(xué)生的科學(xué)推理水平和科學(xué)素養(yǎng)。

(二)促進科學(xué)推理研究跨學(xué)科探索

經(jīng)過前面的分析發(fā)現(xiàn)，除在心理學(xué)領(lǐng)域有關(guān)科學(xué)推理的研究受到廣泛關(guān)注之外，生物、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科中學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展等問題也是目前該領(lǐng)域的研究的熱點。我國目前對這方面的研究還不夠深入，如何在多學(xué)科的綜合探究與實踐過程中總結(jié)經(jīng)驗、更全面地促進學(xué)生科學(xué)推理能力的提高，需要進行更多得探索。

(三)推進STS教育理念背景下關(guān)于科學(xué)推理能力的研究

通過對近年來發(fā)表且具有高突現(xiàn)性的文獻的內(nèi)容分析發(fā)現(xiàn)，對科學(xué)推理能力發(fā)展的特點進行研究，并進行總結(jié)從中得到啟示，將其應(yīng)用于科學(xué)教育，使其有助于科學(xué)教育的發(fā)展，成為當(dāng)前最新的科學(xué)研究前沿。在全球化的背景下，在這個科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的時代，正確認(rèn)識科學(xué)教育的目標(biāo)、內(nèi)容、方法以及與之相關(guān)的教育政策和資源等問題，將關(guān)乎到一個國家的發(fā)展。美國歷來重視科學(xué)教育，隨著對科學(xué)教育的不斷探索，取得了一些豐碩的成果。我國自20世紀(jì)80年代中期引進了有關(guān)STS教育的理論，并對大學(xué)、中學(xué)和小學(xué)的STS教育進行了理論和實踐的研究。南京大學(xué)于2012年舉辦了國際科學(xué)教育研討會。目前，我國在積極借鑒科學(xué)教育經(jīng)驗的同時，也需結(jié)合本國實際進行科學(xué)推理的研究，以期對我國教育的改革積累經(jīng)驗，促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。