近20年科学推理研究的进展与趋势
——基于WOS数据库SSCI论文的可视化分析

秦晓阳，李建彬，胡象岭

(曲阜师范大学物理学系，山东 曲阜 273165)

作为创造力基础的科学思维，被视为科学学科核心素养的核心，它是从科学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。而科学推理作为一种高级思维形式，是科学思维的重要组成部分，它跟模型建构、科学论证、质疑创新等一起构成科学思维的要素[1]。学生科学推理能力的发展，对科学思维能力的发展乃至科学素养的形成均具有重要意义。对科学推理能力发展及其影响因素、培养策略、测评等问题的研究，无论于课程的编制、实施还是评价都具有重要参考价值，对旨在落实“立德树人”根本任务、发展学生核心素养的教学实践及其变革具有重要启示意义。

自20世纪60年代以来，科学推理已成为国外心理学、教育学研究的一个重要研究领域。近些年来，科学推理能力的研究受到国际科学教育领域的广泛关注，心理学研究与科学教育研究的交叉成为科学推理研究的一个新趋向。但在国内，对科学推理的研究尚未引起科学教育界的足够重视，尚缺乏系统、深入的探讨。研究拟从科学计量学的角度，借助可视化分析软件，分析近20年国际科学推理研究的进展与趋势，以期为我国科学推理研究提供参考，促进国内科学教育研究与国际接轨。

一 研究方法

科学计量学是采用数学方法计量科学研究的成果，描述科学体系的结构，分析科学系统的内在运行机制，揭示科学发展的时空特征，进而找出科学活动规律性的一门学科[2]。科学知识图谱为科学计量分析提供了可视化分析方法。科学知识图谱工具有很多，研究使用的是HistCite和CiteSpace两款分析软件。HistCite是由美国著名的情报学家和科学计量学家、SCI创始人加菲尔德(Garfield E)等开发的一款引文图谱分析软件[3]。它能够用直观的图示展示某一领域不同文献之间的关系，从而快速定位该领域的重要文献。但该软件存在如引文编年图颜色单一、不能呈现关键节点之间的共被引关系强度等不足。而由美国华裔学者陈超美开发的CiteSpace恰好弥补了上述不足[4]。该软件采用共现分析、引文分析等计量学方法，分析文献数据中的作者、机构、关键词、参考文献等关键信息，并可用图谱的方式显示分析结果，从而呈现科学知识的发展进程与结构关系。

在科学知识图谱可视化分析中，文献数据的质量直接影响分析结果的可靠性。因此，使用该方法最为关键的是获取高质量的文献数据。SSCI(Social Sciences Citation Index)即社会科学引文索引，由美国科学信息研究所创建，是国际公认的进行社会科学论文统计分析和评价的大型检索工具。研究选择Web of Science(WOS)核心合集中的SSCI数据库作为数据检索来源。检索时，采用主题检索，检索词为“Scientific Reasoning”，选定的时间范围是1996年至2017年，文章类型选择的是“article”，共检索得到SSCI期刊论文368篇(数据库更新时间为2018年3月9日)。剔除168篇与科学推理研究不相关的文献，使用WOS的文献导出功能将200篇文献的“全记录与引用的参考文献”数据导出，作为研究的分析数据。

二 发文量与学术期刊

(一)发文量

近20年科学推理研究的年度发文量的折线图如图1所示。观察发现，对于科学推理的研究整体上可分为两个阶段：1996—2008年的年度发文量较低，均未超过7篇；2008年后，对于科学推理的研究开始活跃，年度发文量都不低于10篇，其中2013年、2015年达到20余篇。2008年后发文量明显增多，经过分析有以下原因：一是由于2009年上海学生首次参加由经济合作与发展组织(OECD)主持进行的第四次国际学生评估项目(PISA)测试，并在阅读、数学和科学素养三项评价中均取得了首位的成绩，由此引发了国内外教育界的广泛关注；二是美国“国家教育进展评估”(National Assessment of Educational Progress, NAEP)及“国际教育成绩评估协会”(International Association for the Evaluation of Education Achievement, IEA)的报道中指出:几乎所有国家参与的学生在科学推理上的表现，都存在一致偏好男生的性别差异，这种差异在高分段表现得更为明显，且这种差异随学生年级的增长而增长[5]。以上原因均导致关于科学推理能力的国际比较研究显著增加。2013年也是一个重要节点，发文量也呈明显增加的趋势，2013年经合组织公布了全球65个国家和地区的2012年PISA测试结果，国际学生科学素养测评的数据分析结果成为各国科学教育改革的重要参考依据，也推动了各国研究者对科学推理发展的进一步研究。

(二)学术期刊

以发文数量和全球引用次数(Total Global Citation Score,简称“TGCS”)为指标，通过HistCite得到科学推理研究产量和被引次数前10名的期刊，见表1。两个榜单中，教育类的期刊均占大多数，并且主要集中在科学教育领域，心理学等领域也对科学推理的研究有所涉及。

图1 1996年至2017年科学推理研究年度发文量

高产期刊高被引期刊序号期刊数量TGCS序号期刊数量TGCS1INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION《国际科学教育》121051CHILD DEVELOPMENT《儿童发展》43972JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING《科学教学研究杂志》122092DEVELOPMENTAL PSYCHOLOGY《发展心理学》53423RESEARCH IN SCIENCE EDUCATION《科学教育研究》7493JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING《科学教学研究杂志》122094PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-PHYSICS EDUCATION RESEARCH《物理评论特刊———物理教育研究》6694COGNITION AND INSTRUCTION《认知与教育》31125DEVELOPMENTAL PSYCHOLOGY《发展心理学》53425COGNITIVE SCIENCE《认知科学》21066INSTRUCTIONAL SCIENCE《教育科学》5436INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION《国际科学教育》121057INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENCE AND MATHEMATICS EDUCATION《国际科学与数学教育》5107COGNITIVE DEVELOPMENT《认知发展》41048JOURNAL OF SCIENCE EDUCATION AND TECHNOLOGY《科学教育与技术》5188SCIENCE EDUCATION《科学教育》5849SCIENCE EDUCATION《科学教育》5849JOURNAL OF PERSONALITY AND SOCIAL PSYCHOLOGY《人格与社会心理学》37510SYNTHESE(综合)54610PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-PHYSICS EDUCATION RESEARCH《物理评论特刊———物理教育研究》669

三 代表性学术共同体与学者影响力

(一)研究机构

利用HistCite对科学推理研究的高产和高被引机构进行统计，得到高产和高被引前10名的机构，见表2。

表2左侧列出的前10位高产机构中有7个位于美国，另外2个位于中国台湾地区，1个位于荷兰。右侧列出的全球引用次数前10位的高产机构，皆地处美国。排在高产和高被引机构榜单第一位的都是美国卡耐基梅隆大学。同时排在高产和高被引机构榜单前10位的，还有美国的哥伦比亚大学、威斯康星大学、亚利桑那州立大学。中国台湾地区两所大学虽然在高产机构中占有一席之地，但是在文献的被引情况方面，与美国高校的差距还是很大。

表2 科学推理研究高产和高被引机构

(二)研究者

利用CiteSpace绘制作者共被引网络(见图2)，并基于分析数据列出前10位的高被引和高中介中心性作者(见图2、表3)，以确定在科学推理研究中的重要研究者。

图2 作者共被引网络

高被引作者高中介中心性作者序号被引频次作者序号中介中心性作者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

被引频次是衡量作者重要性和影响力的重要指标，在图2中用节点的大小来表征。在科学推理研究中，被引频次居于前10位的研究者分别是Kuhn D、Klahr D、Schauble L、Zimmerman C、Lawson A E、Koslowski B、Piaget J、Carey S、Sodian B、Chinn C A。

如果某位研究者是将不同研究领域连接起来的关键人物，那么我们就称该研究者具有中介中心性，这也是反应作者重要性的一项指标，在作者共被引网络中用节点边缘的紫色圆圈来表示。利用CiteSpace提取WOS数据库中作者被引频次、中介中心性等信息，发现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，是科学推理研究中整合不同研究内容的关键研究者。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，是科学推理研究领域的核心研究者。

四 研究热点分析

利用CiteSpace进行关键词共现分析，做出关键词共现时区图(见图3)。时区的网络结构按照关键词首次出现的时间排布，位置越靠左表明该关键词首次出现的时间越早。图3中，关键词节点的大小表示某一关键词与其他关键词共现次数的多少，反应了对该关键词的研究热度。节点色调的冷暖对应着关键词在文献中出现的时间。与作者中介中心性相似，具有中介中心性的关键词亦由节点边缘的紫色圆圈标出。从网络结构看，具有中介中心性的关键词在网络中起着连接不同关键词的桥梁作用，同样能表征该关键词的重要性。由于加入了时间尺度，科学推理研究热点关键词的演进脉络就在图中展现出来。

图3 关键词共现时区图

从图3可以看出，近20年科学推理研究中，共现次数最多的关键词是此次研究的主题词scientific reasoning(科学推理)，但“科学推理”作为关键词首次出现的时间是2000年。查阅原始文献数据发现，2000年前的文章虽然没有将“科学推理”列为关键词，但“科学推理”出现在文章的标题或摘要中，都是有关科学推理的文献。由图3可见，目前已经形成的出现频次较高的10个关键词分别是knowledge(知识)、science(科学)、skill(技能)、thinking(思维)、student(学生)、inquiry(探究)、biology(生物学科)、education(教育)、children(儿童)、instruction(教学)等，且这些关键词都具有中介中心性。

将10个高频关键词大致分为五类，能够反映近二十年科学推理研究主要集中在五大研究热点领域。结合对二次检索的关键性文献的分析，五大研究热点领域的具体表现如下：

1.对学科中科学推理的研究，包括科学、生 物学科等关键词，涉及对与科学有关的学科中学生科学推理能力的研究、理科学生科学推理能力的发展研究，以及学生的科学推理与生物学中的概念理解、知识应用的联系等方面。如Rivet A E等以164名八年级和九年级学生为被试，借助被试围绕地球科学物理模型进行的类比推理活动，评估他们的科学推理能力[6]。Zeineddin A等考察大学理科学生的认识论信念(EC)与科学推理能力之间的关系，同时将先验知识作为一个干预变量，结果表明：大学理科学生的先验知识和认识论信念之间没有相互作用；认识论信念越高，科学推理的质量就越高；当认识论信念较弱时，先验知识对科学推理的影响更强[7]。再如Treagust D根据学生对遗传学的理解情况开发了评估工具，并利用其对三所西澳中学的学生在遗传学中进行的科学推理进行了评估[8]。Mil M H W V等的研究中提出了分子建模机制——为细胞行为构建分子水平解释的科学推理框架，以益于学生将分子知识与细胞、器官和生物体的现象联系起来[9]。

2.对以学生为主体的科学推理能力测量的研究，包括学生、儿童等关键词，涉及对各个年龄段学生、儿童科学推理能力水平的测试、科学推理能力存在个体差异的原因等。如Moore J C等利用Lawson科学推理能力测试卷(LCTSR)，对比STEM(科学，技术，工程和数学)专业和非STEM专业的学生的科学推理能力，发现非STEM专业的学生LCTSR得分平均低于STEM专业的学生，基于测试情况对非STEM专业的学生在物理基础课程中展现的科学推理能力进行了研究[10]。Mayer D等为对小学生的科学推理能力进行评估和建模，研究了55名四年级学生在科学推理的四个方面(理解科学的本质、理解理论、设计实验和解释数据)的表现，研究结果也有助于解释小学生的科学推理能力存在个体差异的原因[11]。如Legare C H在其研究中阐述了儿童的解释和探索能力与科学推理能力的发展之间的关系，为儿童的科学教育提供了有价值的参考[12]。Piekny J等于2013年研究了223名儿童(4岁到13岁)的科学推理能力中生成假设、实验和证据评估能力的发展，并讨论了研究结果对设计幼儿科学教育概念的意义[13]。

3.对科学推理能力与知识水平、批判性思维等之间关系的研究，包括知识、思维等关键词，主要涉及概念性知识、科学知识等与学生的科学推理能力之间的关系，以及科学推理与科学思维能力的培养与提高问题等。Keys C W通过研究探索科学推理、概念性知识与模型建构之间的关系，研究表明，对于需要大量概念性知识支持的活动来说，科学推理对于构建精确的科学模型而言非常重要[14]。Thull S等研究了67名6-8年级小学生的科学知识和科学推理成绩之间的关系，研究结果发现科学知识和科学推理成绩之间存在高度相关，科学知识是三个年级阶段的学生在科学推理方面存在差异的一个重要因素[15]。再如Halpern D F等研究了“ARA行动”——一种可以用来培养批判性思维和科学推理能力的电脑学习游戏，主要探讨学生如何通过这款有价值的“学习工具”来学习科学推理的技巧，以提高批判性思维能力和科学推理能力[16]。Russ R S等以一节二年级科学课为例，研究如何使课堂评价更有利于提高学生的科学推理能力，结果表明教师在教学中注重对自然现象的因果机制进行解释，而不仅是基于教科书对学生的课堂表现进行评价，将会有益于学生科学思维和科学能力的发展[17]。

4.对科学教育和教学中科学推理的研究，包括教育、教学等关键词，涉及科学推理能力的发展在科学教育中的重要性、教学对学生科学推理能力水平的影响等问题。如Osborne J在其研究中指出，学生缺乏科学推理的良好模型和评估这种高级认知能力的专业知识，是21世纪科学教育所面临的挑战之一，研究中提出了一个科学推理的模型以促进科学教育的发展[18]。Gropen J等通过对学龄前儿童科学推理能力中假设检验等能力的研究，发现执行功能(EF)对其发展起着重要的作用[19]。再如Garcia-Mila M研究了课堂中任务目标对学生讨论质量的影响，发现教学中并非所有的课堂讨论任务都能够促进学生科学推理能力的发展[20]。Lazonder A W等研究了直接教学和间接教学两种教学方法对儿童科学推理能力中变量控制能力的影响，研究发现直接教学和将任务进行细分都有助于儿童对变量控制策略(CVS)的学习和运用[21]。

5.对有关提高学生科学推理能力的研究，包括技能、探究等关键词，涉及教师技能水平对学生科学推理技能的影响的研究，以及关注探究活动对学生科学推理能力的影响等问题。Laius A等研究了科学教师的合作能力以及专业水平对学生的推理技能和科学创造技能等的影响，研究表明教师合作能力和专业水平的提高，将有助于学生科学推理能力的提高[22]。再如Beck C W等通过研究发现，基于探究的生态学实验室课程有助于学生自信心和科学推理能力的提高，但自信心的增加与科学推理能力的提高并没有显著的相关关系[23]。Lombard F E等[24]对探究式学习中有利于学生科学推理能力发展的“好问题”的设计进行了研究，给教师提出了几点建议：如问题要由简单到复杂，探究过程和师生互动要充分等。

随着研究的深入，科学推理研究不断涌现新的热点关键词。从关键词共现时区图可以得到各个热点关键词的演进脉络。由图3发现1996—1999年科学推理研究的热点关键词主要有知识、科学、儿童、课堂、方法、实验等；2000—2002年间的热点关键词主要集中在成绩、先验知识等方面；2003—2004年间的热点关键词变为概念转变、科学教育、学生观念等；2005年的热点关键词有科学思维、认知发展、学龄前儿童、信息、类比推理、任务、搜集、具体操作阶段、组织等；2007年的热点关键词有物理学科等。与近十年的科学推理研究发文量明显增多相对应，2008年左右起分化出大量热点关键词。2008—2009年间的热点关键词主要聚集在思维、学生、青少年、表示、个体差异、因果推理、设计等；2010年间的热点关键词主要有技能、教学、探究性学习、框架、模拟等；2011—2012年的热点关键词有探究、教育、习得等；2013—2014年热点关键词主要有讨论、能力、表现、小学、学校、发现、语境、推断、解释等；从2015—2017年的关键词共现来看，科学推理研究热点关键词有进一步分化的趋势，较新的热点关键词有话语、课程、共变、社会性科学问题、决策、模型等。

五 研究进展与前沿分析

如果两篇文献同时被多篇文献引用，那么这两篇文献之间就存在着共被引关系。共被引文献的主题具有一定的相似性，因此我们可以通过对文献的共被引分析来探析文献内容的相关程度。利用CiteSpace绘制文献时间线视图共被引网络，从文献的关键词中来提取名词性术语对聚类进行命名，得到默认的聚类命名为使用LLR算法得到的命名结果，共得到39个聚类。由于聚类数目过多，CiteSpace只呈现了最大的4个聚类，如图4所示。图中一条水平线表示一个聚类，显示了聚类的文献数量与时间跨度，文献节点的大小表示文献的共被引次数的多少。但4个聚类又不是完全独立的，会通过某些文献建立起联系，这些文献具有中介中心性，图中用紫色外圈标识。借助这些信息，就可以探索科学推理研究的主要研究内容及其发展进程与演进趋势。

由图4可见，近段时间以来，科学推理研究有4个主要的文献共被引聚类主题，分别是Causal reasoning(因果推理)、Biology(生物学科)、Lower achieving classroom(低年级课堂)和Prior knowledge(先验知识)。为进一步探索四个聚类的具体含义，提取了四个聚类的标签信息，见表4、图4。

图4 文献共被引网络时间线视图

聚类序号大小平均年份标签值Label (LLR)0282007causal reasoning(因果推理),cognitive development(认知发展),physics(物理学科),biology(生物学科),content learning(内容学习)1192009biology(生物学科),content learning(内容学习),score(成绩),infor-mation(信息),higher education(高等教育)6102012lower achieving classroom(低年级课堂),experimentation(实验),school children(学龄儿童),mokken scale analysis(Mokken规模分析),dynamic assessment(动态评估)1142004prior knowledge(先验知识),design(设计),framework(框架),inquiry learning(探究性学习),computer simulation(计算机模拟)

结合图4和表4，这4个聚类主题的具体表现如下：

1.Causal reasoning(因果推理)。这4类研究中，因果推理的研究文献数量最多、持续时间最长，影响力最大。与该领域相关的关键词有认知发展、物理学科、生物学科、内容学习等。因果推理能力的测量和其对科学推理能力的影响一直是该方面的重要内容。如Zimmerman C对关于儿童科学推理能力发展的已有研究进行了回顾和综述，其中对有关科学推理能力因果机制的文献进行了论证分析，强调了因果推理能力对中小学学生科学思维的影响和在科学推理能力发展过程中的重要性[25]；Kuhn D对《需要提高什么才能达到熟练的科学思维》的研究表明，具有较强的因果推理能力，是成熟的科学思维的重要表现[26]；Croker S等研究了真实的任务环境中儿童的科学推理能力，讨论了证据、参与者的信念和因果机制的知识对检验假设策略产生的影响[27]。结果表明，语境和先验知识在儿童的科学推理中起着重要的作用。因果推理能力的提高措施也是这方面研究的重要内容，如2012年Legare C H的研究表明，对矛盾冲突的解释是驱动儿童因果认知的重要机制[28]。

2.Biology(生物学科)。科学推理与生物学科联系非常紧密，研究热度和影响力仅次于因果推理的研究。科学推理在生物学科中涉及到的有内容学习、成绩、信息、高等教育等。如Duncan R G等研究了学生在学习分子遗传学的概念方面的知识时，如何消除错误理解概念对科学推理能力培养产生的阻碍[29]；Mil M H W V等提出为细胞行为构建分子水平解释的科学推理框架，这种分子建模机制有助于学生将分子知识与细胞、器官和生物体的现象联系起来[9]。Thompson E D等测试了学生的ACT数学考试(ACT-M)成绩和Lawson科学推理能力课堂测试(SR)成绩，评估了用两项成绩预测学生的一门生物学入门专业课程学习成果的有效性，逻辑回归分析结果表明，可以用两项成绩来有效地预测学生在这门课中的学习成果，研究结果将有助于这门课程的开展[30]。

3.Lower achieving classroom(低年级课堂)。相比于“因果推理”和“生物学科”，“低年级课堂”是一个新兴的聚类主题并延续至今，近年来对低年级课堂中学生科学推理能力的研究引起了广泛的关注，成为科学推理研究的前沿主题。该领域的热点关键词有实验、学龄儿童、Mokken规模分析、动态评估等。相关研究有：Mayer D等对55名四年级学生在科学推理的四个方面(理解科学的本质、理解理论、设计实验和解释数据)的表现进行了研究，并对这些学生的科学推理能力进行了评估和建模，研究结果将有助于解释小学生的科学推理能力存在个体差异的原因[11]。Piekny J等对共223名4岁到13岁的儿童的科学推理能力进行了研究，主要研究了生成假设能力、实验能力和证据评估能力的发展，并讨论了研究结果对设计幼儿科学教育概念的意义[13]。Kuhn J T等对性别、科学推理能力和学习成绩(科学和语言成绩)之间的关系进行了多层次分析，分析结果表明，女孩在语言方面的表现优于男孩，男孩在科学和推理方面表现出色[31]；且科学推理能力的测量结果可以用来预测科学成绩，而语言成绩则更多得受性别等因素的影响。

4.Prior knowledge(先验知识)。关于“先验知识”的研究主要集中在2004—2008年之间，近期的研究热度有所减弱。该领域涉及到的有设计、框架、探究性学习、计算机模拟等。Zeineddin A等对大学理科学生的认识论信念(EC)与科学推理能力之间的关系进行了研究，过程中将先验知识作为了一个干预变量，研究结果显示：大学理科学生的先验知识和认识论信念之间没有相互作用；认识论信念越高，科学推理的质量就越高；当认识论信念较弱时，先验知识对科学推理的影响更强[7]。Croker S等在对真实任务环境中儿童的科学推理能力进行研究时，发现先验知识在儿童的科学推理中起着重要的作用[27](见表5)。

表5 科学推理研究领域突现文献

对共被引文献进行突发主题检测，在一段时间内受到重视的文献用具备高突现性的节点表示，通过显示这些节点的共被引历史，可以查询这些文献的被引年度分布以及突发性出现的年份。从文献被引突现的时间、趋势以及突现值高低的角度，来深度剖析科学推理研究领域的前沿文献，将研究前沿划分为增强型研究前沿、渐微型研究前沿和最新型研究前沿三种不同类型。

图5 增强型研究前沿节点文献被引历史

(1)增强型研究前沿。所谓增强型研究前沿，是指具备高突现性且被引频次整体处于上升趋势的节点文献所反映的研究主题。通过对增强型研究前沿节点文献的被引历史折线图(如图5)进行分析，发现第一个增强型研究前沿节点文献是位于突现值第一位、“因果推理”聚类主题下的Zimmerman C发表的《中小学科学思维能力的发展》一文[25]。文章对关于实验技能、证据评估、因果推理和自我指导实验(SDE)的儿童科学推理发展进行研究的大量文献进行综述，经过分析发现，这些研究特别关注有关自然和社会世界的概念和理论的思维形成和儿童的推理技巧等问题，最后研究者在分析的基础上对“孩子们如何学习科学”和“认知发展研究如何为科学教学和学习提供信息”阐述了观点。这篇综述性文献是科学推理研究领域的重要知识基础文献。

第二个增强型研究前沿的文献是Strand-cary M于2008年发表的《发展基础科学技能：教学有效性与途径独立性》，这篇文章位于突现值的第四位。变量控制策略(Control of Variables Strategy)，简称CVS策略，是科学推理中的一项重要的学习策略[32]。Klahr和Nigam在早期的研究中考察了CVS的直接教学和发现学习的结果，研究发现在直接教学条件下的学生更可能掌握CVS策略，而且在设计实验和做出有效推断方面成绩更佳[33]。在发现学习条件下，只有百分之二十三的学生能够掌握CVS策略，且所有掌握这一策略的学生，无论学习条件如何，在迁移任务中的得分都较高。Strand-cary M探讨了不同教学类型对中学科学中“变量控制策略”(CVS)的掌握的影响，研究得出了两个主要结果，这两个结果都复制和部分扩展了Klahr和Nigam在早期的研究工作。首先在这三个年级的水平上，在显性条件下学习CVS的孩子掌握的水平比在探索性条件下要高。其次，同样重要的是，掌握了CVS策略的学生在迁移任务中的表现要更好。

突现值位于第七位、在“先验知识”聚类主题下的《真实世界中的科学推理：先验信念的影响》是第三个增强型研究前沿节点文献，其于2011年由Croker S等发表[34]。文章在现实世界的口腔健康背景下研究了先验知识等对科学推理信念的影响。研究中，给予参与者假设检验任务并要求他们解释自己的答案，研究者向参与者提供的信息与他们自己的信念一致或不一致。最后通过考虑因果变量的合理性来解释参与者在这些任务上的表现。变量控制策略用于检验证据与参与者的信念和因果机制知识一致的情况下的假设。相反，当证据与参与者的信念不一致时，儿童选择操纵可能导致积极健康结果的行为。研究结果表明，语境和先验知识相互作用，在儿童的科学推理中发挥着重要作用。

结合对关键节点文献内容的分析，发现随着对科学推理能力测验的不断发展、国际比较的不断深入，对个体进行科学推理的任务情境、技巧及其影响因素的研究，逐渐成为科学推理研究领域的增强型研究前沿。

(2)渐弱型研究前沿。如图6，一些具备高突现性的节点文献被引频次虽整体处于下降趋势，但这些文献所反映的研究主题仍具有较高的研究热度，构成了渐弱型研究前沿。

图6 渐弱型研究前沿节点文献被引历史

第一个渐弱型研究前沿的节点文献是1996年Schauble L发表的《知识丰富背景下科学推理的发展》，突现值位于第二位。在这项科学推理发展的研究中，10名5至6年级的儿童(5名男孩和5名女孩)和10名非大学生进行了6个半小时的实验，以探索2个物理科学领域的因果结构[35]。在每项任务完成2小时后，两个年龄组都表现出对内容的理解以及生成和解释证据的策略的变化。一般来说，成年人的表现优于孩子。单独的有效策略和正确的信念都不足以保证成功，这表明无论是作为一般归纳领域还是作为特定领域的学习，实验都可能有所简化。

渐弱型研究前沿的第二个节点是《理论与证据：科学推理的发展》，由Koslowski B于1996年发表，突现值位于第三位[36]。在这篇文章中，Koslowski B提供了一个新的研究项目的基础，以便更完整地描述科学推理、问题解决和因果关系。科斯洛夫斯基大胆地批评了许多目前经典的研究，并提出了一系列令人信服的论点，并在过去十年里进行了一系列详尽的实验。文章描述了一项研究，该研究着眼于人们对科学推理中有价值的证据类型的信念，并研究这些信念是如何随着年龄而改变的。主要关注的是实际科学实践的基础战略。报告了两种一般类型的研究，一种是关于假设检验，另一种是关于假设修正(人们如何处理证据不符合给定解释的证据)。科斯洛夫斯基认为，当科学推理在运作上被定义为正确的表现包括关注协变和忽视理论或机制的考虑时，那么Ss通常被视为从事有缺陷的推理，而事实上，他们的推理在科学上是合法的。既不依靠协变也不依靠理论就不构成成功的公式。既不依赖共同变异，也不依赖理论，这就是成功的公式。

Kuhn D在1997年发表的《约束或控制指标?发展心理学与科学教育》是渐弱型研究前沿的第三个节点文献，突现值位于第六位，属于“因果推理”聚类主题[37]。Metz于1995年发表的文献中批评“以发展为基础”的科学课程不恰当地限制了科学教学的活动，这些活动与真正的科学探究几乎没有相似之处，她认为这是一种更有效的科学教育模式。Kuhn D在文章中反思了梅茨的建议，考虑发展心理学的研究和理论是否能够为科学教育者追求梅茨所倡导的方向提供依据，并提出了一个“指南”而非“约束”的模型，来说明发展心理学如何为科学教育者的努力提供依据。

(3)最新型研究前沿。如图7，2012年以来发表，且具有高突现性的节点文献所反映的研究主题构成了最新研究前沿。最新型研究前沿的第一个节点是《儿童早期和中期的科学推理:领域一般证据评价、实验和假设生成技能的发展》，由Piekny J于2013年所作，突现值位于第五位。该研究的主要目的是对小学阶段的科学推理进行广泛的评估和建模[13]。155名四年级学生在最近开发的20种纸笔项目上进行了测试，这些项目涉及科学推理的四个不同组成部分(理解科学的本质、理解理论、设计实验和解释数据)。Rasch的研究证实了，科学推理项目形成了一个可靠的量表。数据分析表明，除了一般的认知能力(智力、阅读能力)、问题解决能力和空间能力之外，还可以预测科学推理项目的表现，从而有助于解释小学生科学推理能力的个体差异。Piekny J的这项研究将有助于后人更好得进行科学推理测量、预测等研究，并有助于进一步解释科学推理能力的个体差异等问题，有助于采取措施促进学生科学推理能力的发展。

图7 最新型研究前沿节点文献被引历史

Mayer D等于2014年发表的《小学生科学推理:评价与认知能力的关系》，位于突现值第八位，是最新型研究前沿的第二个节点文献[11]。文章以Klahr的科学发现作为双重搜索模型，调查过程包括三个认知组成部分：假设生成，实验和证据评估。主要研究了：“何时出现评估完美共变、不完全共变和非共变证据的能力”“实验何时出现”“假设生成技能何时出现”和“这些能力是否在童年时期同步发展”几个问题，对共有223名五个年龄组的儿童(从4.0岁到13.5岁)展开了调查。研究结果表明，科学推理的三个认知成分是异步出现的。科学推理的发展始于能够处理明确的数据，进展到对模糊数据的解释，并导致根据证据的充分性灵活地进行假设。当儿童理解了证据的模糊程度与假设的置信水平之间的关系时，区分确定性和不确定性实验的能力将随之提高。最后简要讨论了这些结果对幼儿科学教育概念设计的影响。

六 研究结论与启示

近20年来，被SSCI收录的科学推理研究文章有200篇。从文章的时间分布来看，2008年以来科学推理的研究整体来看比较活跃。从期刊分布看，高产和高被引期刊主要集中在科学教育领域，其次涉及的还有心理学等领域。

高产和高被引机构大多位于美国。Kuhn D、Klahr D、Lawson A E等是该研究领域的核心作者，对科学推理的研究做出了很大的贡献。中国大陆的机构与作者无论是发文量还是被引次数均未进入榜单前十名，与美国相比差距仍然非常大。

基于关键词共现分析，发现科学推理能力研究具有较强中心性和较高出现频次的热点关键词为知识、科学、技能、思维、学生、探究、生物学科、教育、儿童、教学等，近年来科学推理研究呈现出热点关键词不断分化的特点，分化出话语、课程、共变、社会性科学问题、决策、模型等新的热点关键词。

基于文献共被引分析，发现因果推理、生物学科、低年级课堂和先验知识是科学推理研究的4个主要文献共被引聚类主题，其中因果推理和生物学科两个方面的文献数量较多、持续时间较长，低年级课堂是当前的研究前沿。关于先验知识的研究主要集中在2004—2008年之间，近期的研究热度有所减弱。

综合分析以上所得的研究结果，对我国接下来的科学推理研究有几点启示：

(一)加强对科学推理的有关理论和发展的研究

正如前文分析，对科学推理能力及其发展中的影响因素等的研究，依旧是当前国际研究的热点与前沿问题。目前我国国内对科学推理的研究还未形成一定规模，在这其中较多的是关于科学推理能力测评以及关于科学推理研究综述的文章。接下来应加强对科学推理有关理论和发展的研究，这将有助于从根本出发，提高我国中小学生的科学推理水平和科学素养。

(二)促进科学推理研究跨学科探索

经过前面的分析发现，除在心理学领域有关科学推理的研究受到广泛关注之外，生物、物理、数学等学科中学生科学推理能力的发展等问题也是目前该领域的研究的热点。我国目前对这方面的研究还不够深入，如何在多学科的综合探究与实践过程中总结经验、更全面地促进学生科学推理能力的提高，需要进行更多得探索。

(三)推进STS教育理念背景下关于科学推理能力的研究

通过对近年来发表且具有高突现性的文献的内容分析发现，对科学推理能力发展的特点进行研究，并进行总结从中得到启示，将其应用于科学教育，使其有助于科学教育的发展，成为当前最新的科学研究前沿。在全球化的背景下，在这个科学技术蓬勃发展的时代，正确认识科学教育的目标、内容、方法以及与之相关的教育政策和资源等问题，将关乎到一个国家的发展。美国历来重视科学教育，随着对科学教育的不断探索，取得了一些丰硕的成果。我国自20世纪80年代中期引进了有关STS教育的理论，并对大学、中学和小学的STS教育进行了理论和实践的研究。南京大学于2012年举办了国际科学教育研讨会。目前，我国在积极借鉴科学教育经验的同时，也需结合本国实际进行科学推理的研究，以期对我国教育的改革积累经验，促进学生科学素养的提高。