科普教育

儿童是小小科学家:类比的应用


儿童认知研究中心 作者|Stella Christie教授    翻译|邵率

  你是否听常听人夸赞儿童是小小科学家?如果你认为这仅仅是因为他们总有“十万个为什么”那就大错特错了。发展心理学之父让·皮亚杰(Jean Piaget)首先提出了“小小科学家”的观点,自此之后发展科学家对婴幼儿与儿童的心智做了许多令人惊奇的探索与研究。在这个系列文章中,我想向大家介绍发展科学的有趣世界:像我这样的科学家如何研究儿童的推理与思维。

  我们先从一个简单的问题开始:真正的科学家是如何思考的? 著名生物学家康莱德·洛伦兹(Konrad Lorenz)在1974年诺贝尔颁奖典礼上发表了名为“类比——知识的一种来源”的主题演讲。洛伦兹表示他的科学探索与发现都是类比推理的结果。所以,类比推理是科学家思考的一种重要方式。的确,许多重要的科学发现都源于类比,比如约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)通过类比推理发现了天体运动的定律(详见Gentner et al.,1997)。又如,著名的数学家乔治·波利亚如是写道:“类比似乎存在于所有的探索发现中,而在其中一些发挥着举足轻重的作用。”(Pólya, 1954)波利亚认为类比推理如此重要,于是他撰写了《数学中的归纳与类比》一书。

  类比推理是什么?为什么类比推理能启迪科学探究?类比推理是指运用一个领域内的关系结构来推知另一领域内的关系结构。在类比中,你关注的是相同或相似的关系,而非不同领域之间的相似性。一个简单的类比:人生就像一场赛跑。你能理解这个类比是因为你能把“比赛”这个概念的结构映射到“人生”这个概念上——跑的最快的人赢得胜利,跑的最慢的人输掉比赛。具体来说,在工作(生活)中效率最高的人最能获得晋升而效率低下的人被远远甩在后面。你的办公室看上去并不像一个赛道,工作效率看上去也不像是赛跑。但是当你把赛跑的关系结构运用到人生中,你就能对人生做出有用的推理和预测,这是你在进行类比推理前或许并不能做到的。这就是为什么类比能够启迪科学探索——发现关系结构的相通之处能促进新的推理。

  小朋友能进行类比推理吗?是的!当四岁的孩子被问到“如果一棵树能长出膝盖,那么会长在哪里?“他们能够正确指出一棵树的“膝盖位置”(Gentner, 1977)。这表明儿童能把身体的关系结构映射到一棵树上,这是表明儿童具有类比推理能力的重要证据之一。如果他们不能正确地进行类比推理,那么参与实验的孩子们就会指向树的任意位置,有的会指向树的顶端有的会指向树的底端。

  此时,你可能会想为什么你的孩子不会像达尔文那样做出科学探究呢?通过一系列实验我们会知道对于小朋友们来说类比推理很难。在研究中,我们给4岁的孩子展示了图一中的材料。他们的任务是选择底部的两张图片之一(A或者B)与上面的图片进行匹配。你可以很容易地进行类比:图片A与上面的示例图片都具有对称关系。然而,大多数的孩子会选择图片B。这是为什么呢?他们倾向于把一只猪与另一只猪进行匹配而非匹配事物之间的(对称)关系,也就是说他们的推理基于外表的相似性而不是(空间)关系。

gc-1.jpg

  令人振奋的是,在下一个实验中我们让另一组四岁儿童来比较图二中的上面两张图片(比较猪-猪和鱼-鱼的配对)。接下来他们要像先前的任务那样选择A或者B进行匹配。然而在这个实验中大多数小朋友会选择A,也就是说他们成功地运用了类比推理!他们或许会像之前那样选择图片B中的猪和鱼,但是这次他们忽视了外表的相似性而选择关注关系的相似性,这背后的原因在于外显的比较(这个系列研究被授予《认知与发展》杂志年度最具影响力文章大奖)。

gc-2.jpg

  孩子会像科学家一样思考吗?是的!就像洛伦兹、开普勒和波利亚,即使4岁的孩子也具有类比推理的能力。但是他们不总是运用类比推理,很多时候他们只看到了颜色、形状等外观特征的相似性,而不是结构和关系的相似性。当然,关注颜色、形状的相似性本身并没什么错,但是如果你仅仅以这种方式认识世界,你会错失很多具有创造力的发现。作为家长你能做些什么呢?我们实验室的研究显示,你可以鼓励孩子去比较那些表面上并不相关,但是有着相同潜在结构的事物。这种方式能激励孩子们运用类比推理!

参考文献:

  Christie, S., & Gentner, D. (2010). Where hypotheses come from: Learning new relations by structural alignment. Journal of Cognition and Development, 11(3), 356-373.

  Gentner, D. (1977). If a tree had a knee, where would it be? Children's performance on simple spatial metaphors. Papers and Reports on Child Language Development, 13, 157-164.

  Gentner, D., Brem, S., Ferguson, R. W., Markman, A. B., Levidow, B. B., Wolff, P., & Forbus, K. D. (1997). Analogical reasoning and conceptual change: A case study of Johannes Kepler. The journal of the learning sciences, 6(1), 3-40.

  Lorenz, K. Z. (1974). Analogy as a source of knowledge. Science, 185(4147), 229-234.

  Pólya, G. (1963). Induction and analogy in mathematics. Princeton University Press.