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關(guān)注公眾號「進(jìn)步黑客」，讓關(guān)鍵的事情容易做。
學(xué)問的開端，最好是這一學(xué)問的思想史。這兩小節(jié)簡述了建模教學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展歷史。
下面是正文。2.建模教學(xué)的發(fā)展我是在本科學(xué)哲學(xué)時，對科學(xué)和數(shù)學(xué)中的認(rèn)知和認(rèn)識論產(chǎn)生了持久興趣。1956年，我讀研究生時轉(zhuǎn)向了物理學(xué)，希望能找到一些答案。到1976年，我已經(jīng)在理論物理和數(shù)學(xué)方面創(chuàng)建了一個卓有成效的研究項目，我很高興的說，這個項目今天仍然在茁壯成長。大約在那個時候，我看到了同事理查德·斯通納、比爾·蒂勒里和安東·勞森做的事情，這引起了我對學(xué)生學(xué)習(xí)問題的興趣。這就誕生了我的第一篇文章，主題就是提倡物理教育研究。很快，為了對自己的建議負(fù)責(zé)，我親自指導(dǎo)兩位優(yōu)秀研究生哈隆和威爾斯的 PER（物理教育研究） 博士論文。哈隆比威爾斯早一年畢業(yè)。在我與他們的共同工作中，開展了兩個重要研究主題：第一，模型和建模的組織教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響；第二，學(xué)校教育如何受學(xué)生先入之見的物理觀念影響。第一個關(guān)于建模教學(xué)的主題很快見到了成效。我已經(jīng)確信建模在物理教育中的效果，我也完成了一本擴(kuò)展專著——以建模為核心的經(jīng)典力學(xué)教科書。在哈隆的幫助下，我在物理導(dǎo)論課上做了幾年建模試驗。第二個主題涉及的問題比較大。我和理查德·斯通納經(jīng)過無數(shù)次討論，討論學(xué)生在物理導(dǎo)論課上的考試結(jié)果，關(guān)注學(xué)生的思維模式。斯通納的考試只要求給出定性答案，因為他相信定性理解原理要比定量解決問題更好。盡管他在課程的各方面都做出了巨大的努力——從實驗設(shè)計到課程設(shè)計，從問題解決活動到學(xué)生個人的互動——但測驗的班級平均分一直低于40%。在我們長時間探討學(xué)生回答問題過程中，我被學(xué)生們展示的思考方式，以及他們學(xué)習(xí)物理而不斷出現(xiàn)的各種狀況而震驚。因此，我決定設(shè)計一個測驗來系統(tǒng)地評估這種差異。當(dāng)哈隆來的時候，我把這個項目交給他來完成，包括設(shè)計測試項目、驗證測試結(jié)果和分析學(xué)生的大量測試結(jié)果等艱苦工作。結(jié)果[3,4]讓人驚喜！連我都感到驚訝！編輯也加快了出版速度！隨著后續(xù)改進(jìn)，這個測試現(xiàn)在被稱為力概念量表（Force Concept Inventory）(FCI)，他只是在最初的成果上的鞏固和增強(qiáng)。下面結(jié)合最近的發(fā)展來討論教學(xué)意義。目前，你只要知道 FCI 被認(rèn)為是評估高中和大學(xué)物理導(dǎo)論教學(xué)效果的可靠工具就足夠了。關(guān)于建模理論及其在教學(xué)中的應(yīng)用，我已經(jīng)發(fā)表了五篇主要論文[6-10]。這些論文為建模指導(dǎo)項目[11]提供了理論支柱，可以說是美國高中物理改革中最成功的項目（如果不是全世界的話）。由于這些內(nèi)容很少在項目外提及，所以介紹幾句其中的內(nèi)容是有必要的。第一篇論文[6]為建模理論及其與認(rèn)知科學(xué)的關(guān)系提供了初步的理論基礎(chǔ)。近年來，建模已經(jīng)成為科學(xué)教育中的一個熱門話題，現(xiàn)在很難理解我在 1985 年第一次提交論文時遇到的阻力。這篇論文推遲出版了兩年，因為評審強(qiáng)烈反對，編輯多次否決。隨后，這篇論文被 PER 社區(qū)的經(jīng)驗主義者斥為純粹的推測，事實上它還附有一份文件，記錄了在教學(xué)中成功應(yīng)用的情況。盡管如此，這篇論文還是為后續(xù)建模教學(xué)開發(fā)提供了初步的概念框架。必須承認(rèn)，這篇論文很難讀，更適合研究人員而不是教師。論文[7]是我個人最喜歡的，因為它消除了牛頓物理學(xué)積累的實證主義污染，支持以模型為中心的認(rèn)知解釋。這是第一次打破傳統(tǒng)，公式化了所有六個牛頓定律。這在教學(xué)上很重要，因為在設(shè)計 FCI 時，需要所有六個定律來完全涵蓋“力的概念”[5]。此外，第零定律(關(guān)于空間和時間)的明確表述應(yīng)該引起所有物理學(xué)家的興趣，因為這是牛頓物理學(xué)中被相對論改變的部分。除此外，這篇論文還表明，牛頓有意識地運(yùn)用了基本的建模技巧，他具有高超的洞察力和建模技能。事實上，牛頓制定了第一套建模游戲規(guī)則，自他以后，科學(xué)家們一直在玩這個游戲。論文[11]將建模理論應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計，尤其是方便建模活動的軟件設(shè)計。不幸的是，開發(fā)軟件所需研發(fā)費(fèi)用非常高，現(xiàn)有資金來源不足以支持。與前面的關(guān)注理論相反，論文[8,9]是針對教師實踐的。論文[8]描述了威爾斯博士論文成果，以及他和我共同研究的教學(xué)設(shè)計，還有他在建模講述管理方面的杰出創(chuàng)新。他發(fā)明了便攜式白板來組織學(xué)生的演講，這一發(fā)明正在世界各地的教室中傳播。不幸的是，絕癥阻止他繼續(xù)為這項工作做出貢獻(xiàn)。威爾斯博士研究值得肯定，是有史以來最成功和最重要的教學(xué)實驗之一。我認(rèn)為他是一位頗有造詣的老師，在30年的教學(xué)經(jīng)驗中，他探索了每一個可用的教學(xué)資源。他創(chuàng)建了一個完整的活動體系來支持以學(xué)生為中心的研究，這個體系完全符合國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的每一項建議。但他仍然不滿足。他的學(xué)生們在 FCI 的表現(xiàn)震驚了他，他決定把哈隆和我在大學(xué)里的模型教學(xué)理念應(yīng)用于高中。他的控制實驗是特殊的。作為一個控制實驗，他擁有完整的數(shù)據(jù)：學(xué)生自己學(xué)習(xí)，不做示范。課堂活動的實驗組和對照組完全相同。唯一不同的是，實驗組的交流和活動側(cè)重于模型，注重引導(dǎo)和評價學(xué)生自己的想法。實驗組的后測結(jié)果與對照組進(jìn)行比較，對照組在同一時間段內(nèi)使用傳統(tǒng)方法教授。實驗組學(xué)生成績的提高是前所未有的。而我對其有效性持絕對信心，因為已經(jīng)重復(fù)了很多次，不僅僅是威爾斯，還有后來的其他人。威爾斯的研究成果給我留下了深刻印象，我在 1989 年，從美國國家科學(xué)基金會獲得了一筆撥款，用于幫助他開發(fā)建模工作室，以激勵和幫助其他老師復(fù)制他的成果。由此開始了建模教學(xué)項目，該項目在 NSF 的持續(xù)支持下，經(jīng)歷了幾個階段，對整個美國的科學(xué)教育改革產(chǎn)生了廣泛影響。有關(guān)詳情可瀏覽計劃網(wǎng)頁[11]。如果沒有馬爾科姆· 威爾斯的開創(chuàng)性影響，這一切，包括我自己的參與，都不會發(fā)生。3.認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展認(rèn)知科學(xué)與 PER 和建模理論并行發(fā)展。為了把它們聯(lián)系起來，讓我以從一開始就關(guān)注其發(fā)展的角度來描述認(rèn)知科學(xué)的出現(xiàn)。當(dāng)然，人類思想的奧秘自古以來都是哲學(xué)反省的主題，但直到最近才有足夠的經(jīng)驗和理論資源來支持它成為一門真正的心理科學(xué)。Box 1：認(rèn)知科學(xué)產(chǎn)生我認(rèn)為數(shù)學(xué)中的形式主義運(yùn)動是數(shù)學(xué)進(jìn)化的一個重要組成部分，數(shù)學(xué)是結(jié)構(gòu)的科學(xué)，這是我們在下一節(jié)建模理論的中心主題。公理常常被認(rèn)為是數(shù)學(xué)上的細(xì)枝末節(jié)，對科學(xué)無關(guān)緊要。但是我們應(yīng)該認(rèn)識到，公理對于歐幾里得幾何是必不可少的，而沒有幾何學(xué)就沒有科學(xué)。我相信形式主義運(yùn)動的核心人物，大衛(wèi)· 希爾伯特，是第一個認(rèn)識到公理實際上就是定義的人！公理定義了數(shù)學(xué)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)使合理的推理成為可能！ 對科學(xué)來說同樣重要的是科學(xué)測量的操作結(jié)構(gòu)，因為要將理論結(jié)構(gòu)與物理世界的經(jīng)驗結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，它是必不可少的。物理學(xué)家珀西· 布里奇曼(Percy Bridgeman)強(qiáng)調(diào)了這一點，他提出了物理量的運(yùn)算定義概念(請參閱[7])。然而我認(rèn)為，亨利· 龐加萊對科學(xué)測量做了最深入的分析，他解釋了測量慣例是如何深刻影響理論概念的。他聲稱物理空間的曲率不是一個獨(dú)立于定義如何測量的自然事實。這個說法在哲學(xué)界長期以來一直爭論而沒有結(jié)論，最近它得到了驚人的證實。遵循理性主義哲學(xué)的悠久傳統(tǒng)，數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)中的形式主義運(yùn)動被廣泛地解釋為心理理論的基礎(chǔ)，尤其是在英美分析哲學(xué)。這是一個極其嚴(yán)重的錯誤，已經(jīng)受到了喬治· 萊考夫和馬克· 約翰遜的嚴(yán)厲批評。即便如此，正如已經(jīng)指出的那樣，形式主義的概念在認(rèn)知的結(jié)構(gòu)特征中起著重要作用。串行計算機(jī)的創(chuàng)造可以理解為是形式主義傳統(tǒng)發(fā)展的操作結(jié)構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)。它很快刺激并產(chǎn)生了信息處理心理學(xué)，信息處理認(rèn)為認(rèn)知是關(guān)于符號處理。我把這個錯誤應(yīng)用到物理教學(xué)中卻是正確的。即便如此，我提出的大多數(shù)重要研究結(jié)果和見解，在認(rèn)知和符號處理之間的混亂被理清之后，仍然延續(xù)了 20 年。符號處理仍然是計算機(jī)科學(xué)和人工智能(AI)的中心思想，但只有相關(guān)知識缺乏的人才會將其與認(rèn)知過程混為一談。我試圖將 Box 1 中的日期與每個類別中的重要事件聯(lián)系起來。我選擇 1983 年作為第二代認(rèn)知科學(xué)的開始日期，是因為我有幸參與組織了第一次專門討論認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的會議。但我們?nèi)匀恍枰獛啄陼r間來克服沉重的經(jīng)驗主義偏見，很期待神經(jīng)科學(xué)和為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模能做出貢獻(xiàn)（大輝注：這篇論文發(fā)表于2006年，十多年過去了，神經(jīng)科學(xué)不負(fù)眾望，對此有巨大貢獻(xiàn)）。這些研究成果是一場揭露我們思考什么的思維革命。
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