基于物聯網技術的4—6歲兒童類比推理能力認知成分研究

【摘要】本研究基于物聯網技術和已有類比推理認知心理學研究及心理測量研究成果，通過文獻分析和微觀發(fā)生法探究4—6歲兒童類比推理能力的認知成分，發(fā)現其類比推理能力包括類比規(guī)則理解、關系推斷與應用、兩維問題解決和多維問題解決4項主要認知成分。研究結果為進一步了解4—6歲兒童類比推理能力的認知特點及認知診斷評價與教育支持提供了依據。

【關鍵詞】4—6歲兒童；類比推理；認知成分；物聯網；微觀發(fā)生法

【中圖分類號】G61０ 【文獻標識碼】A" "【文章編號】1004-4604（2024）0６-0008-07

隨著教育信息化技術與手段以及教育評價方式的變革，教育領域的研究越來越趨向生態(tài)化和交叉融合。當前，物聯網技術應用于學前兒童教育教學、學習與發(fā)展評價的實證研究亟待開展?！?〕已有研究發(fā)現，物聯網的電子標簽和傳感技術能夠在避免兒童過多接觸電子屏幕的情況下，在后臺收集其操作信息，從而實現數據的自動化采集和傳輸，為兒童學習和游戲過程的記錄和即時反饋提供技術支持?！?〕

類比推理對于個體獲取和整合新的知識和技能至關重要，〔3〕被認為是語言發(fā)展和概念轉變的基礎，〔4〕是兒童學習效能的預測因子?！?〕研究發(fā)現，兒童早期已經能夠進行類比推理，如在自由游戲中使用類比推理解決問題，〔６〕且4—6歲是兒童類比推理能力的快速發(fā)展期?！玻贰骋虼?，在早期教育階段，應當重視并支持兒童類比推理能力的發(fā)展。教育學、心理學工作者積極探索兒童類比推理能力的發(fā)展特點、認知過程及相關影響因素，但因對4—6歲兒童群體和個體層面類比推理能力背后的認知優(yōu)勢和不足的認識尚不清晰，因而對其類比推理能力的教育與干預支持仍缺乏針對性。

作為新一代測量工具，認知診斷的出現為了解兒童學習結果背后的認知過程和特點提供了重要支持。不同于傳統(tǒng)的心理與教育測驗給出測驗分數，認知診斷評價能夠有效結合個體認知過程、認知技能或策略等元素，對其認知優(yōu)勢和不足進行更為詳細的診斷，從而為教育教學提供更具針對性的參考，助力教師教育教學和兒童學習與發(fā)展。認知模型的確立是認知診斷的關鍵，是后期認知診斷測驗編制和認知診斷評價開展的重要前提和基礎。當前針對兒童早期的類比推理認知診斷研究較鮮見，關鍵問題在于缺少適宜的類比推理認知模型。雖然關于兒童類比推理認知過程或成分的相關研究已有一定成果，但這些成果在理論基礎方面不一致，且鮮有研究在認知診斷框架下思考兒童類比推理能力的認知成分。由此，本研究嘗試基于物聯網技術，在認知診斷評價框架下，結合文獻分析和微觀發(fā)生法，探究4—6歲兒童類比推理能力的認知成分，以期為后續(xù)兒童類比推理能力的認知診斷與教育支持提供依據。

一、類比推理能力認知成分析出

本研究首先通過梳理文獻析出與類比推理能力相關的認知成分，為4—6歲兒童類比推理能力認知模型建構提供參考。其次，結合已有的類比推理能力認知診斷研究確定的認知模型，析出可能用于4—6歲兒童類比推理能力認知診斷的認知成分。最后，通過類比推理試測預研究，初步析出4—6歲兒童類比推理能力認知成分。

（一）基于類比推理認知心理學研究結果的分析

眾多研究者對類比推理能力的認知加工過程進行了研究。如伊萬斯通過人工智能程序（ANALOGY）呈現經典類比推理問題，指出類比推理包括模式特征編碼、規(guī)則產生和規(guī)則對比3個過程?！?〕斯騰伯格從信息加工的視角，提出經典類比推理任務的認知屬性包括編碼、推斷、映射、應用、調整和反應6個方面?！?-11〕馬爾赫蘭等人以此為基礎，研究幾何類比推理任務涉及的信息加工技能的本質，發(fā)現反應時間是類比項中A的數量及由A到B的變換數量的函數，并提出了3項認知加工成分：模式合成與分解、規(guī)則生成加工和規(guī)則比較。〔12〕上述研究闡明了類比推理測量的實質，但惠特利和施耐德認為他們沒有明確將個體參數包括在加工模型內，也沒有分析不同認知加工成分的貢獻?；萏乩麑到B的變換分為移置和變形兩類，移置指1個或多個元素的方向發(fā)生旋轉、翻轉和位置置換等變化，這類操作涉及視覺或心理想象。變形指元素經過數量、大小、顏色、形狀等變化成為其他狀態(tài)，這類操作不涉及心理想象。安貝特森等人提出，所有不同類型的類比推理項目的作答都有規(guī)則構建和規(guī)則應用這2項認知加工成分的參與，可以用構建子測驗的方法測量不同的成分?！玻保场?/p>

由此可見，關于類比推理能力認知加工的研究在不斷推進和加深，但對于類比推理能力認知加工過程和機制尚未完全闡明。認知心理學的研究發(fā)現確實為類比推理能力認知診斷奠定了基礎，但這些研究中類比推理能力的認知成分并不統(tǒng)一。這一方面與研究設計和研究工具有關，另一方面與研究者探索和解釋的角度有關。斯騰伯格的描述最為細致，但這些認知加工成分是否在每一次類比推理任務中均有體現，以及這些成分之間的順序和關系如何，尚未有定論。安貝特森等人的研究結論雖然只涉及類比推理能力的2項認知成分，但明確清晰，抓住了類比推理能力背后關鍵的認知成分，且能夠進行有效測量?？梢?，雖然研究者們對于類比推理能力的認知加工機制和過程尚未得出一致結論，但均認同類比推理關系的推斷與應用是其中的關鍵因素。

（二）基于類比推理能力認知診斷研究的分析

目前鮮有針對學前兒童類比推理能力認知診斷的研究，但針對中小學生的相關研究可提供一定的啟發(fā)。劉聲濤探究了幾何類比推理測驗用于認知診斷的可行性，發(fā)現項目中的元素數量是影響類比推理認知策略的關鍵因素，數量越多，兒童越傾向于使用規(guī)則構建策略?！玻?〕置換、翻轉、數量和顏色4類規(guī)則影響規(guī)則構建成分的難度，而項目中元素本身的數量以及置換、翻轉、數量等變換影響規(guī)則應用成分的難度。趙頂位等人在此基礎上采用兩種認知診斷模型（HO？鄄sRUM和HO？鄄DINA）對中小學生幾何類比推理能力進行認知診斷，發(fā)現幾何類比推理問題的解決主要涉及變換的知識，包括空間移置和空間變形兩類變化，具體包括7種認知屬性。〔１５〕相較而言，前者更為綜合和概括，關注類比推理能力背后的認知加工成分，后者更為具體和細致，關注類比推理能力背后的變化知識?？紤]到認知模型的建立要基于研究目的及后期的教育指導意義，最終確定納入認知模型的認知屬性類型，因此本研究中的類比推理能力認知診斷更為關注類比推理能力背后的認知加工成分或過程。

此外，馬爾赫蘭等人基于對工作記憶水平的考量探究類比推理任務中元素的數量對類比推理的影響。綜上，本研究認為，在4—6歲兒童類比推理認知模型中可考慮規(guī)則建構（關系推斷）、規(guī)則應用（關系應用）和工作記憶負荷等認知加工成分，具體還要結合類比推理能力的測查形式及4—6歲兒童的年齡特點，通過試測來確定這些認知成分能否作為認知屬性納入認知模型。

（三）4—6歲兒童類比推理認知模型預研究

根據認知診斷理論，本研究開展預研究，對類比推理能力測查任務及相應認知屬性的操作與測量進行可行性及可操作性研究。本研究參照皮亞杰和西格勒等人的圖片矩陣類比推理任務，〔１６〕設計類比推理任務。任務中呈現的是兒童熟悉的馬和大象圖形，圖形涉及大小、顏色（紅黃藍）、朝向（朝左、朝右）和種類4個維度。本研究中，類比推理的操作性定義為“根據圖片A項和圖片B項的關系，為圖片C項尋找一個合適的圖片D項”。預研究中，在上海市1所公辦幼兒園1個大班隨機抽取20名兒童（男11名，女9名），平均月齡67（SD=3.95）。

關于規(guī)則建構和規(guī)則應用，中小學階段多采用紙筆測試的方式，通過分測驗分別考察個體的2種認知屬性。〔１７〕而學前兒童的測查一般是一對一進行的，規(guī)則建構任務需要被試口頭作答，規(guī)則應用任務則需要主試口頭告知被試類比推理任務的具體規(guī)則。兩項任務費時低效，且對被試的語言理解能力要求較高。預研究發(fā)現，兒童在規(guī)則建構任務中常出現表述不全的情況，即使其能夠正確完成任務，口語表征結果與實際操作結果也可能不完全一致。規(guī)則應用任務中常出現兒童在主試事先告知規(guī)則的情況下仍自行構建規(guī)則并應用其解決任務的情形。這說明，這兩種任務無法單獨而準確地考察4—6歲兒童的規(guī)則建構和規(guī)則應用能力。因此，本研究將關系推斷與應用作為一項認知加工成分和一種整體認知屬性，兒童僅需通過操作完成關系推斷與應用任務，而無須口頭作答。

對于工作記憶負荷認知成分的考察，考慮到在預研究中發(fā)現，在圖片類比推理任務中，A和B之間變化的維度及變化維度的數量均會影響學前兒童的問題解決，尤其是當A和B變換維度為2項及以上時，其工作記憶負荷量高于A和B之間的1項變換。因此，本研究將學前兒童同時處理2個及以上變化維度的問題分為兩維問題解決和多維問題解決（3個及以上維度）兩種認知屬性，作為工作記憶負荷的認知子成分。為區(qū)分工作記憶負荷的影響，前文的關系推斷與應用指在A和B僅存在大小、方向、種類或朝向中的一種變化的推斷和應用。綜上，本研究初步構建的4—6歲兒童類比推理能力認知模型包括關系推斷與應用、兩維問題解決和多維問題解決3種認知屬性。

二、4—6歲兒童類比推理能力的微觀發(fā)生法研究

（一）研究方法

微觀發(fā)生法是對兒童心理發(fā)展進行縱向研究的方法。研究者可以根據具體的研究目的、研究設計和研究對象的不同獲得某些特定信息，〔１８〕用以考察個體知識、能力和策略等的微觀建構。本研究通過微觀發(fā)生法對4—6歲兒童類比推理能力的認知變化進行研究，了解其類比推理能力變化的特點及來源，考察其類比推理能力的微觀建構過程，以期為認知模型的建立提供依據。

（二）被試選取

本研究采用方便抽樣方法，在上海市1所公辦幼兒園隨機抽取中大班兒童24名（中班14名，大班10名），平均月齡60.54（SD=7.64）。抽取大班兒童時避開了預研究所選班級。將被試隨機分配為實驗組和控制組，實驗組13人，控制組11人，實驗組2名被試因病未參加完所有階段任務，故最終實驗組被試為11人。

（三）測查工具

在圖形矩陣填充任務中，任務難度取決于A元素的數量以及A到B的變化（水平方向）及A到C的變化（豎直方向）?！?9〕變換數量考慮了水平和豎直方向，即A到B的變化和A到C的變化。本研究也參照了以往研究的變換維度和數量及試測結果。〔20，21〕

本研究采用物聯網技術中的光學圖像識別技術標定類比推理任務。光學圖像識別技術（Optical Identify，OID）是物聯網的一種實現方式，使用隱形碼對物體進行標記和識別。每個隱形碼的編碼圖形是由許多細微的點依特定規(guī)則組成的，對應著一組特定的數值。類比推理任務中使用的骰子每個面都標定了隱形碼，對應著相應的動物圖形。為識別和傳輸數據，本研究設計了放置骰子的類比推理盒子。盒子上部有4個格子，盒子底部是隱藏放置的傳感器、電池和微型計算機等元件。每個格子前面左下方均有類似點讀筆的讀頭，通過設定的運算程序識別讀取動物圖形骰子最上面的圖形元素，再經過傳感器將光信號轉化為電信號，傳輸到計算機中。

（四）研究程序

研究分為6個階段。從第1階段到第5階段，每階段間隔3—5天進行。第6階段在第5階段完成后的4—5周內進行。實驗組幼兒參加所有階段的任務，控制組幼兒僅參加第1和第6階段的任務。每一階段的任務均為15個，任務變化的維度一致，僅在顏色、動物類型方面有變化。每一階段任務時長約12—20分鐘。第1階段開始前，主試先通過4項練習任務（AB項目間動物類型、大小、顏色和方向單一維度的變化），給被試講解任務規(guī)則。無論其回答正確與否，均講解任務規(guī)則。第2階段至第4階段，在被試操作完成后給予反饋，請其對自己的正確答案或主試給出的正確答案做出解釋。第1、第5和第6階段，被試逐個完成15項任務即可，不給出反饋和解釋。

具體操作流程如下：主試根據測查題卡，將相應顏色、大小、朝向和種類的動物圖形擺放到黑色盒子中。以練習題第1題為例，主試邊放任務骰子到類比推理盒子中，邊陳述：“小藍馬和大藍馬是好朋友，現在又來了一匹小藍馬，請你根據前兩匹馬的關系，幫它（指第三匹小藍馬）找一個好朋友。”練習階段，無論被試回答正確與否，均告知正確答案，并解釋類比規(guī)則，即根據前兩個動物的關系幫第三個動物找朋友。

（五）研究結果與分析

1.4—6歲兒童類比推理能力變化的來源

本研究計算實驗組和控制組被試在第1階段和第6階段的類比推理正確率。獨立樣本t檢驗發(fā)現，實驗組和控制組在第1階段的正確率無顯著差異（t=-0.126，pgt;0.05），說明兩組的基線水平相同。實驗組第1階段的類比推理正確率為29.24%，第6階段的正確率上升至54.09%，配對樣本t檢驗發(fā)現實驗組被試的類比推理正確率有顯著提高（t=-2.59，plt;0.05），而控制組被試的類比推理正確率沒有顯著提高（t=-1.834，pgt;0.05）。這說明，主試的反饋和解釋促進了實驗組被試類比推理能力的發(fā)展。兩階段縱向比較表明，實驗組的類比推理能力有顯著提高。兩組被試在第6階段的橫向比較表明，實驗組和控制組的正確率無顯著差異（t=0.825，pgt;0.05），但實驗組的正確率比控制組高近12%。這可能是因為，任務難度較大，出現了地板效應。根據西格勒的劃分標準，實驗組經過4個階段的學習，類比推理正確率沒有達到80%及以上，即完全掌握的水平，因此后期類比推理認知診斷測驗宜適當降低任務難度。

2.4—6歲兒童各階段類比推理能力的變化特點和速率

第5階段考察反饋和解釋對被試類比推理學習的即時效果，但實驗組大班兒童2名被試因病未能完成任務，為保證每個階段被試一致，統(tǒng)計分析過程中，刪除了第5階段的數據，保留其他5個階段的數據。

為更直觀地呈現4—6歲兒童類比推理學習的特點和速率，本研究通過折線圖表示實驗組被試的總正確率和各維度正確率變化情況，見圖1。實驗組的類比推理正確率和各維度正確率在第1階段至第4階段基本呈上升趨勢，除了方向維度的正確率，總正確率和其他維度的正確率均在第4階段達到最高點，即最后一次的反饋與解釋階段。從第4階段到第6階段，總正確率和各維度正確率均有所下降，通過配對樣本t檢驗發(fā)現，第4階段和第6階段的總正確率和各維度正確率均無顯著差異（pgt;0.05）。

為進一步了解實驗組被試總正確率和各維度正確率在各個階段的差異性以及增長趨勢是否顯著，本研究分別對第1階段到第4階段的總正確率和各維度的正確率進行重復測量方差分析。第6階段考察類比推理學習效果的穩(wěn)定性，間隔時間較長，根據道倫斯等人提出的基于反饋的學習模型，〔22〕第6階段與其他階段相比不在同一個學習循環(huán)中，因此不納入各階段差異性以及增長趨勢的分析。由此，被試內變量分為4個水平（第1階段到第4階段），故先進行球形假設檢驗，即對同一組被試的多次測量結果之間是否存在相關性進行檢驗。如果pgt;0.05，那么數據滿足球形假設條件，一元方差分析結果采用假設球形度（Sphericity Assumed）方法；如果數據不滿足球形假設條件，那么通常采用格林豪斯-蓋斯勒（Greenhouse？鄄Geisser）方法。實驗組類比推理正確率及各維度正確率數據皆滿足球形假設條件。總正確率和各維度正確率的一元方差分析結果見表1。實驗組被試在不同階段的類比推理表現存在極其顯著差異，在不同階段的大小和方向維度正確率不存在顯著差異，顏色和種類的正確率存在顯著差異。

增長趨勢分析的結果表明，類比推理能力在4個階段中有顯著的線性增長趨勢（plt;0.01），二次和三次增長趨勢均不顯著（pgt;0.05）。其中，顏色維度有極其顯著的線性增長趨勢（plt;0.01），動物類型維度有顯著的線性增長趨勢（plt;0.05），二者的二次和三次增長趨勢均不顯著（pgt;0.05）。大小和方向維度均無顯著的增長趨勢（pgt;0.05）。相比而言，大小維度在4個階段始終保持較高的正確率，方向維度正確率始終在4個維度中處于末位，顏色和種類2個維度的正確率在前4個階段處于增長趨勢。

3.4—6歲兒童類比推理認知屬性的變化趨勢

分析實驗組被試在各階段中3種認知屬性的正確率變化，探究其類比推理的微觀認知變化，能夠為4—6歲兒童類比推理認知模型構建提供支撐。各階段類比推理認知屬性正確率的折線圖如圖2所示。在每個階段，被試關系推斷與應用的正確率高于兩維問題解決，兩維問題解決的正確率高于多維問題。3種認知屬性的正確率在前4個階段均呈上升趨勢，在第6階段（學習穩(wěn)定性考察階段），關系推斷與應用和兩維問題解決的正確率有回落，多維問題解決的正確率則進一步增長。

為進一步了解實驗組被試3種認知屬性的正確率在前4個階段的差異性以及增長趨勢是否顯著，分別對第1階段到第4階段的數據進行重復測量方差分析。球形檢驗結果顯示，關系推斷與應用的數據不滿足球形假設條件，因此采用格林豪斯-蓋斯勒方法，對兩維問題解決和多維問題解決則采用假設球形度方法。

各成分主體內效應檢驗結果顯示，實驗組被試的關系推斷與應用和多維問題解決在不同階段均有顯著差異（plt;0.05），兩維問題解決在不同階段有極其顯著差異（plt;0.01）。增長趨勢分析結果顯示，關系推斷與應用和多維問題解決均有顯著的線性增長趨勢（plt;0.05），兩維問題解決有極其顯著的線性增長趨勢（plt;0.01），3種認知屬性的二次和三次增長趨勢均不顯著（pgt;0.05）。這說明，實驗組被試在前4個階段類比推理能力不斷提升的背后，是被試關系推斷與應用、兩維問題解決和多維問題解決這3種認知屬性正確率的提升。

三、結論與建議

本研究通過對已有類比推理的認知心理學研究成果的分析以及對24名4—6歲兒童的微觀發(fā)生法研究，發(fā)現其3種認知屬性相關的類比推理任務的正確率和變化速率均不同，說明這3種認知屬性是4—6歲兒童類比推理能力背后的認知因素。此外，以往研究指出類比推理任務目的不明晰會影響兒童的問題解決，〔23〕因此本研究在已經構建的類比推理認知模型中加入了類比規(guī)則理解這一認知屬性。類比推理微觀發(fā)生法研究中，在大小、顏色、種類和朝向4個維度上，被試對大小變化更為熟悉，因此選擇大小單一維度變換作為規(guī)則理解任務，測量被試規(guī)則理解這一認知屬性。

綜上，本研究通過文獻分析、預研究以及微觀發(fā)生研究，建構了4—6歲兒童類比推理認知模型，涵蓋了類比規(guī)則理解、關系推斷與應用、兩維問題解決和多維問題解決4項認知成分，即4種認知屬性。這4種屬性之間是線性關系，即規(guī)則理解是關系推斷與應用的前提，關系推斷與應用是兩維問題解決的前提，依此類推。本研究基于多種方法構建4—6歲兒童類比推理認知模型，在一定程度上豐富了類比推理理論研究，為了解學前兒童類比推理能力背后的認知機制提供了依據。

在早期教育過程中，成人應當基于類比推理的上述特點，有意識地引導兒童運用類比推理來學習知識、解決問題，將類比推理作為一種方法、思維習慣和學習內容，在幼兒園的教育實踐中推進，滲透在兒童的一日生活、各領域集體教學活動及區(qū)域游戲活動中。本研究中，物聯網技術助力的類比推理測量工具實現了數據的自動化采集和傳輸，提升了測量效率，未來可進一步探究新興信息技術支持的兒童發(fā)展與學習評價路徑。

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A Study on the Cognitive Components of Analogical Reasoning Ability of 46YearOld Children Based on Internet of Things Technology

Lv Xue 1， Li Li 1， Guo Liping 2

（1 College of Education， Jiangsu University of Technology， Changzhou， Jiangsu， 213001）

（2 Faculty of Education， East China Normal University， Shanghai， 200062）

【Abstract】This study is based on IoT technology and previous research in cognitive psychology and psychological measurement related to analogical reasoning. Through literature analysis and microgenetic research， the study explores the cognitive components of analogical reasoning in 46yearold children. The study reveals that analogical reasoning in children of this age group includes four main cognitive components： understanding of analogical rules， inference and application of relationships， solving twodimensional problems， and solving multidimensional problems. The research findings provide a basis for further understanding the cognitive characteristics of analogical reasoning in 46yearold children， as well as cognitive diagnosis evaluation and educational support.

【Keywords】children aged 4-6; analogical reasoning; cognitive components; IoT; microgenetic research

*本文為江蘇理工學院社會科學基金項目“基于物聯網技術的幼兒區(qū)域活動質量評價研究”（項目批準號：KYY21502）、江蘇省高校哲學社會科學一般課題“基于游戲的學前兒童類比推理研究”（課題編號：2021SJA1197）和江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃重點課題“基于物聯網技術的學前兒童區(qū)域活動質量研究”（課題編號：C-b/2021/01/37）的研究成果之一。

**通信作者：呂雪，江蘇理工學院校聘副教授，電子郵箱：lxecnu@126.com