小学生归纳推理能力的发展研究及培养策略

孙红梅，孙小越， 阴国恩

一、引言

归纳推理是指从样例中作出推断的能力，该能力的获得是儿童智力功能的核心，也是认知发展的驱动力，它是儿童通过抽象规则理解周围世界的主要手段之一。研究表明这种能力在人类早期就已经发展了，3个月的婴儿就能够推断出一个新事物是否可以与以前看到的事物归为一类，[1]学龄前儿童能够对不明显的物体特征作出推理。[2，3]许多研究者都认为儿童的归纳推理是从基于知觉信息的推理向基于概念信息的推理逐渐发展的，[4]知觉信息指的是仅仅通过观察物体的外观而获得的信息，而概念信息指的是个体通过对物体间内部关系的理解而获得的信息。以概念为基础的推理是人类获得和拓展知识的基本过程，这种推理方式让人们能够忽略表面差异而集中于潜在的规则，从而促使人们能够有效率地学习。例如人们如果认为一只狗喜欢被宠爱，那么会推理其他的狗也会喜欢被宠爱，而不管颜色和大小是否相同。因此，探讨归纳推理能力的发展也许是回答人类认知发展的中心问题，尤其要探讨在知识获得情境下归纳推理能力的发展是连续的还是非连续的。

归纳推理的认知机制研究一直是研究者关注的领域，研究发现归纳推理与人类的许多认知活动相关，包括分类、相似性判断、概率判断和决策等活动。许多归纳推理的研究是以类别为基础的，例如推断你的邻居会睡觉是基于你的邻居是人，即使你从来没有看到过邻居睡觉的样子。此外，相似性与推理之间的关系也是非常密切的，已有研究发现对事物之间相似性的认知是归纳推理的基础，[5]掌握相似性和进行相似性判断的能力在人类思维中是普遍存在的。[6,7,8]人类的许多认知活动都离不开相似性的参与，如相似性是进行分类及类别推理的核心，人们会把相似的客体归为一类或根据与目标客体相似性进行推理。此外，相似性还有助于学习，那些与已经学会的知识相似的任务会更容易学会。因此，本研究将以相似性为基础探讨归纳推理的认知发展。

相似性研究中的一个关键问题就是知觉相似和概念相似之间是如何相互作用的。知觉相似观认为两个物体之间的相似性主要是基于表面的物理特征，[9,10]概念相似观认为相似性主要取决于物体之间共同的关系。[11,12]已有研究表明，成人的归纳推理是基于概念相似。[13,14]但对儿童归纳推理的研究还没有一致的结论，如Gelman等认为儿童的归纳推理是由概念知识驱使的，甚至3岁的儿童都能根据概念信息进行推理。如果告诉儿童一只狗有一个明确的生物学属性(例如，有一种特殊的心脏)，然后要求其回答“谁更有可能拥有同样的心脏？另一只狗还是一只猫？”儿童会认为另一只狗具有同样的心脏，因为两只狗属于同种类别。而Sloutsky等认为儿童的归纳推理是基于物理特征的知觉相似，他们在面临知觉相似与概念相似相冲突的情况下，会受到两个刺激之间的物理特征相似性程度的影响，从而忽略概念特征。但随着年龄的增长，注意力、工作记忆水平的不断提高，儿童会逐渐以概念知识进行归纳推理。

也许决定个体是依据事物的外观进行推理还是依据概念信息进行推理的一个重要因素是对于事物的先前知识的理解。如果个体已经具有足够的先前知识，他们很可能会忽略事物的外表而使用先前知识进行相似性推理。大多数研究都是通过理论知识建立事物之间的深层联系，使事物具有相同的概念信息。理论知识是指样例之间、特征之间或概念之间的关系，[13]研究中较多使用的理论知识是语言标签，[15,16]设置外观相似的比较刺激与靶刺激所具有的语言标签是不同的，而外观不相似的比较刺激与靶刺激具有相同的语言标签，从而探讨个体认为具有相同的语言标签的事物更相似还是具有相似的外表特征的事物更相似。[17,18,19]结果表明儿童能够根据语言标签进行相似性判断。但是我们认为，即使语言标签能够激发概念信息，由于个体的经验不同，标签对不同个体激发的程度也可能有所差异。正如Sloutsky等所发现的，对于年幼的儿童来说，语言标签是作为物理特征增加了知觉相似性，从而贡献于相似性判断，而成人将语言标签作为概念信息贡献于整体相似性，Gelman等认为儿童也将语言标签充当了概念信息的角色。[9]因此，鉴于目前学界对几乎没语言标签作用的儿童认知思维机制尚无定论，本研究没有采用语言标签建立事物之间的概念关系，而是通过虚构的理论知识，让被试在学会理论知识后再进行相似性任务，从而探究不同年龄阶段的小学生是概念优先还是外观优先加工。

为了证明儿童的归纳推理是基于知觉相似还是基于概念相似，大多数研究采用的经典实验范式为“三刺激组任务”(the triad task)：每组刺激由一个靶刺激(呈现在下端)和两个比较刺激组成，设计目的是将外观相似度与概念相似度进行比较，其中一个比较刺激和靶刺激外观相似但概念上不相似，而另一个比较刺激和靶刺激概念相似但外观不相似。以往有关儿童归纳推理能力发展的大多数研究都集中于熟悉的自然种类或人工材料，[20,21,22,23]如动物、昆虫和植物等。本研究采用的是不熟悉的自然材料植物孢子，目的是自然材料比人工材料在知觉上会更有同质感，与人们的认知加工过程更一致，选择不熟悉的材料是为了更好运用虚构的理论知识。[24,25]

综上，研究采用三刺激组任务范式，通过虚构的理论知识建立不熟悉的刺激之间的概念关系，利用相似性判断任务探讨小学生进行归纳推理的发展特点。

二、研究方法

(一)被试

随机选取89名小学生参加了实验，其中一年级37人(年龄范围在6～7岁)，男生17人，女生20人。三年级26人(年龄范围在8～9岁)，男生12人，女生14人。五年级26人(年龄范围在10～11岁)，男生13人，女生13人。所有被试都没有参加过类似实验，不熟悉实验材料。实验后给被试发放一个小礼物。

(二)实验材料

本实验选取120张植物孢子图片，包括穴状纹饰、刺状纹饰、瘤状纹饰各40张(分别如图1中的A、B、C)。采取经典的“三刺激组任务”范式，将这些图片分成40组，每组三张图片，包括三种纹饰的孢子图片各一张，如图1所示，每组包括一个靶刺激(位于界面中心)和两个比较刺激。在两个比较刺激中，其中一个比较刺激与靶刺激在外观上比较相似但概念联系较低(图1中的穴状孢子A与瘤状孢子C)，而另一个比较刺激与靶刺激在概念联系程度上较高但外观上不相似(图1中的刺状孢子B与瘤状孢子C)。理论知识是虚构的关于孢子生长过程的知识，以此来建立刺激之间的概念关系。当理论知识引入后，原来外观不相似的两个刺激(如B和C)加强了内部联系，外观相似的两个刺激(如A和C)降低了内部联系。

图1 实验材料举例

(三)实验程序

实验在静音实验室进行，采用个别施测的形式，整个实验在笔记本电脑上进行。首先让被试学习虚构的理论知识：“植物学家最新发现了多种蕨类植物的孢子，这些孢子中如果在生长初期表面呈瘤状突起的孢子，生长一周后会变为刺状突起，外形也会随之变化；如果生长初期表面呈穴状纹饰的孢子生长一周后穴状纹饰趋于平滑，但外形则基本不变。”不限定理论知识的学习时间，被试认为已经掌握后便进行“知识掌握测验”，测验全部正确后再进行相似性判断任务，否则再重新学习，直到全部掌握为止。

然后通过E-prime2.0程序将40组相似性判断图片随机呈现在计算机屏幕上。首先在屏幕中间呈现一个红色的“十”字注视点，呈现时间为1000ms；注视点消失后呈现相似性判断界面，屏幕上方左右分别呈现两个比较刺激A和B，屏幕中央注视点位置呈现靶刺激C。要求被试分别判断两个比较刺激与靶刺激的相似性，相似性分为7个等级，数字越大代表相似程度越高，被试用优势手的食指按键盘上相应的数字键进行反应，需要做80次判断，实验中主试不给予被试任何反馈。呈现刺激的顺序是随机的，计算机记录被试的反应。为了避免空间误差，比较刺激A在屏幕左上方和右上方呈现的概率相等，整个实验持续20分钟。在正式实验之前，被试首先要做练习，练习与正式实验完全相同，没有反馈。在整个实验中，被试的反应时间不限。

(四)数据处理

数据采用SPSS16.0进行统计与分析。

三、结果与分析

将各年龄组被试在基于知识和基于外观进行相似性判断的次数分别除以总反应次数，所得的相似性判断的比率见表1。对数据进行配对样本t检验，结果表明：一年级和三年级学生在基于知识和基于外观的相似性推理之间不存在显著性差异，t(36)=0.336，t(25)=1.789，p>0.05，而五年级学生和大学生在基于知识和基于外观的相似性推理之间存在显著性差异，t(25)=6.169，p<0.05；t(27)=8.704，p<0.05，且基于知识的推理次数比率显著高于基于外观的推理次数比率。为了考察不同年龄段的被试在基于知识的推理上是否存在差异，对基于知识的推理成绩进行一元方差分析，结果表明不同年龄段的被试在基于知识的推理成绩上存在显著差异F(3,113)=8.375，p<0.001，进一步多重比较分析发现，五年级小学生和大学生在基于知识的推理上没有显著差异，但要显著高于一年级和三年级；一年级和三年级学生不存在显著性差异，一年级和三年级学生有50%以上的次数作出了基于概念的推理，五年级学生和成人有80%以上作出了基于概念的推理(见图2)。

表1 各年级小学生以及成人在不同相似性推理的t检验

注：**表示p<0.05,**表示p<0.01,***表示p<0.001。

图2 各年龄组基于理论知识进行相似性判断的概率

四、讨论

(一)小学生基于相似性判断的归纳推理能力的发展机制

本研究探讨了在知觉信息(外观)与概念信息(理论知识)相冲突的情况下不同年级小学生的相似性判断。结果发现，一年级学生和三年级学生基于知识和基于外观的推理之间不存在显著性差异，而且一年级学生刚刚超过了一半的次数是基于概念的推理，这与Thompson和 Heys 的研究结果相一致。这表明理论知识和知觉特征都参与了儿童的相似性判断，他们既能基于概念进行推理，又能基于知觉进行推理，儿童的归纳推理是由基于知觉信息向基于概念信息逐渐发展的，这些结果暗示了6～9岁儿童可能处于从基于知觉推理到基于概念推理的过渡时期。

但Gelman和Markman认为，即使4岁儿童也能依据类别信息进行推理。他们曾使用“三刺激组任务范式”对4岁儿童进行了研究，呈现给儿童一个具有某种新性能的基础图和两个目标图。例如基础图是一个具有新性能的热带鱼图片，具有“fish”标签，两个目标图中的其中之一与基础图外观上很相似但具有不同的标签“dolphin”，另一张目标图与基础图外观不相似但具有相同的标签“fish”，要求儿童选择哪一张目标图更可能具有基础图具有的新性能？结果表明大部分儿童能根据类别信息而不是外观信息进行反应。本研究与以往研究不一致的原因可能有两个：一是研究范式不同，Gelman和Markman的研究采用的是语言标签作为理论知识，而本研究是采用虚构的自然物种之间的生长过程变化作为理论知识。而且Sloutsky认为对于年龄较小的儿童来说，类别标签所扮演的角色是作为物理特征而不是类别标记。因此标签在儿童归纳推理中所起的作用还需进一步研究。二是采用的实验材料不同，Gelman等选用儿童比较熟悉的自然种类，儿童可以充分地利用类别信息进行反应，但本研究中采用的是不熟悉的实验材料，年龄小的儿童缺乏对陌生材料的知识运用能力，容易借助于外观相似性进行推理。

结果表明五年级学生基于知识的推理次数显著高于基于外观的推理次数，而且与成人基于知识的推理次数没有显著性差异。我们认为在使用儿童不熟悉的自然材料和虚构的理论知识时，五年级学生才能够表现出更倾向于基于概念进行推理，他们在进行相似性判断时能够克服物体之间的知觉信息而按照概念信息进行反应。而且本研究中五年级学生基于概念信息的归纳推理能力已经达到成人的水平。这与以往研究结果基本相同。[13]以往研究采用语言标签范式来激发深层的类别经验，Sloutsky和Fisher等发现11～12岁的儿童以及成人在决定动物是否共享本质特征时完全能够忽视知觉相似性。[20]

以往研究表明，在个体进行相似性判断时是依据知觉信息还是概念信息的一个关键因素就是对先前知识的掌握程度，如果个体具备了足够的概念知识，他们很可能就会忽视事物的物理特征而使用知识作相似性判断，甚至忽略语言标签的作用，[24]如果没有足够的概念知识，即使是成人也会根据知觉信息进行推理。在本研究中，不同年龄阶段的学生和成人在进行相似性判断之前都进行了理论知识的学习，而且在掌握知识测验中都达到了100%，但相似性判断的结果却存在差异，这表明个体对理论知识的信息激活程度是至关重要的。年龄小的儿童虽然获得了概念知识，但是信息激活程度低，因此在突显的物理特征下可能会忽视概念知识而按照物理特征进行推理。Sloutsky和Fisher等也发现虽然儿童会将具有共同语言标签的事物看作更加相似，但此时语言标签不是作为类别信息被应用，而是作为物理特征增加了事物之间的相似性。[9]Diesendruck 和 Peretz提出儿童在进行归纳推理时对不同种类信息的应用(如语言标签、事实关系等)要依赖于他们随着年龄的增长而对特定领域信息的理解。[25]

由于各研究所采用的实验材料和研究范式不同，儿童依据概念进行推理的年龄不一致，大部分研究者都认为，随着年龄的增长，归纳推理是从以知觉为依据向以类别为依据、再到以因果关系为依据逐渐过渡的，儿童早期主要依赖于外观进行推理。Thompson和 Heys对5岁、9岁儿童和成人的归纳推理进行了研究，发现采用因果关系进行推理的比例随着年龄的增长而逐渐提高，这与本研究的结果一致。Sloutsky和Fisher认为儿童将语言标签作为物理特征到作为类别标记需要一个过渡期，但是，要更加清楚地厘清儿童归纳推理的发展，还需要将以概念为基础的归纳推理与其他的推理形式进行比较分析。例如类比推理，类比推理是根据两个对象在某些属性上相同或相似，通过比较而推断出它们在其他属性上也相同的推理过程。有研究证明，随着儿童年龄的增长，儿童在进行类比推理时从关注事物表面特征的相似性逐渐发展到对事物间的因果关系更敏感。

(二)小学生归纳推理能力的培养

本研究与以往研究一样都能够证实儿童的归纳推理是从基于相似性到基于类别的转变，那么在儿童的思维培养中要善于利用儿童归纳推理发展的特点，才能起到事半功倍的效果。例如，针对低年龄儿童的推理方式主要依靠事物表面的相似性，所以在对他们进行教学时最好呈现具体的实物，通过对直观的具体实物的比较分析来解决问题。此外，研究表明呈现具体实物能够使儿童对实物的记忆能力有很大提高。Sloutsky 和 Fisher在研究中发现，儿童的推理方式与再认成绩有很大的相关，再认测验是测量记忆的一种方式，就是将记忆过的内容与没有记忆过的内容混在一起，要求被试回答哪个是以前看到过的。[20]在再认测验之前先让儿童和成人完成推理任务，如给被试呈现一只猫的图片，并告知它有β细胞，然后再给被试呈现30张包括猫、熊、鸟等动物的图片，要求其回答哪种动物会有β细胞。被试完成推理任务后却出乎意料地让他们进行再认测验，指出哪些图片是在刚才的推理任务中出现过的。结果表明儿童和成人的推理成绩都非常好，但儿童在再认测验中的成绩要好于成人，这个结果好像与我们的认知是相违背的，但却更有力地表明儿童在做推理任务时不受类别信息的影响，他们特别关注图片的知觉信息，对图片中动物的外表都做了细致的分析比较，从而基于事物之间的相似性进行推理。而成人主要关注于类别，通过类别进行推理，从而忽视了对动物的细节进行分析，因此成绩不如儿童。基于此，对低龄儿童进行思维培养时呈现具体实物进行归纳推理有助于儿童对呈现材料的记忆。

从本研究的结果来看，随着儿童年龄的增长，逐渐学会了用事物间深层的类别关系进行归纳推理，因此对于儿童归纳推理能力的培养、规则的获得是非常重要的。概念的经典观认为，人们是按照一类事物的规则或关于特征的定义来分类的，每一个概念都具有自己明确的定义规则，只有具备所定义规则的事物，才能被归入这一概念。规则的明确意味着儿童的归纳推理能力提高了，能够依据事物间的深层关系进行决策。但是，本研究的结果表明，低年级儿童通过学习也掌握了植物孢子之间的虚构的理论知识，即生长的规则，但是还有一半左右的低年级学生不能应用规则，直接按照孢子之间的外观相似性进行推理。因此，我们认为只是单纯地告知儿童关于事物之间的规则是不够的，重要的是要使儿童能够真正理解规则并懂得如何运用。因此，在培养儿童归纳推理时，除了要告知规则以外，还要反复列举实例，让儿童懂得规则的适用性，厘清哪一类问题可以用该规则来解决，这样儿童归纳推理的能力才会提高。

五、结论

本研究通过严格控制被试对理论知识的掌握程度，探讨小学生对不熟悉的自然材料进行相似性判断时的发展机制，结果表明小学五年级学生在进行归纳推理时与成人的表现相一致，小学一年级和三年级学生在基于概念归纳推理方面还处于过渡期。在此研究基础上，我们提出了小学生归纳推理能力培养的策略，对低年级学生进行归纳推理时呈现具体实物有助于儿童对呈现材料的记忆，帮助学生理解规则并运用规则有助于儿童深层次的归纳推理能力的提高。