本科毕业设计（论文）

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具身认知和STEM学习:CR:PI中主题集合的概述

作者：Steven M. Weisberg^1,2* and Nora S. Newcombe²

国籍：美国

出处：Weisberg and Newcombe Cognitive Research: Principles and Implications

中文译文：

摘要

具身学习强调用具体的行为来支持教学目标。其中，一个特别的版本描述了一种从具体动作到抽象概念的转换过程，它是由手势、草图和类比映射这些方法支持的。并且这些方法看上去对于科学、技术、工程和数学（STEM）学科的学习有着特别的意义，这需要进一步的理论和经验来加以解释。Cognitive Research: Principles的论文集包括以STEM正式化和测试STEM中具身学习有效性为目的的文章。该论文集为此提供了指导，并标出了在进行大规模努力之前我们应该进行调查的领域。不仅如此，论文集还提供了一个更广泛的环境，其中包含了不仅能够支持具身学习而且非常适合STEM学科的机制。

关键词: 具身认知；STEM学习；手势；教育；类比法；行为

最近在“具身认知”这一总称下的认知理论，都强调了身体和环境在认知过程中所起的作用(如Barsalou, 1999; 2008; Clark, 1999; 2001; Shapiro, 2011)。虽然有体现一些认知理论的“味道”，但它们都把人类认知作为一种模态的、抽象的、脱离具体世界的概念。思考身体在人类认知中的作用，使我们对于认知科学中手势、动作和类比映射这些具体工具的作用有了最基本的见解。这些具体的工具可以通过多种途径来改善学习质量。同时，认知的具体框架也为STEM学科提供了一个机会让具体学习工具成为增强教育方式的一部分。STEM教育的积极性很大程度上受益于具身认知原则，因为STEM学科依赖于需要感知编码的表述系统(例如,可视化的数据和信息,包括地图、蓝图、曲线图、海图)和高度抽象的、正式的符号系统(例如,用于数学或化学)。这意味着学生需要一个连接感官表征和抽象概念的“入口”。

本专题集的目的是结合关于如何实施在STEM学科教育实践中提供信息的理论讨论与此类实践是否实际有效的经验检验。虽然还有许多研究工作要做，但我们希望这一集合能够提供一个理论和经验的框架，并且，以此为基础可以建立一个更具体的教育法。在这篇综述中，我们首先简要介绍了我们所认为的（和不认为）的具体化认知理论的含义，然后展开我们在这篇文献中看到的几个主题。

具身认知的简单入门

J.J. Gibson(1979)推测，感知是为了行动，所以认知科学不需要表征理论。相反，感知可以被理解为感官信息——视觉、动觉、嗅觉等等。许多理论来自Gibson的理论切入点(也就是说，这种认知可能包括非符号的、感觉运动的过程，甚至代替符号表征)。一般来说，在具象的观点中，提炼表征的认知过程不能与创造表征的感觉系统分离。并且，从这个定义出发，还有几种具体的认知方式(如克Clark, 1999, 2001; Shapiro, 2011; Varela, Thompson, amp; Rosch, 1991; Wilson, 2002)。

理论学家们已经将涉身认知与具身认知区分开来，前者结合了身体向认知系统提供感官输入方面的作用(这一定义与认知的计算性描述并不矛盾)，后者则将身体作为认知的组成部分(c.f. Kiverstein, 2012; Marshall, 2014)。Clark(1999)。Clark支持的认知观点认为，基于身体感觉的运动信息是认知的组成部分，发生在大脑之外；另一些人则支持激进的具身认知科学，认为它是反表征主义的(例如Chemero, 2009; Gibson, 1979; but see Clark, 1999; Fodor, 1983)。后一种体现认知的定义挑战了认知计算方法的基础。为了更深入地考察具身理论之间的差异，以及强和弱的体现的构成，需要参见DeSutter and Stieff (2017)¹和Abrahamson and Bakker (2016)²。

在这里，我们在坚持具身认知定义的同时也强调身体在形成认知表征中的作用。在这种背景下解释认知，使学习者们能够较好的整合感觉运动信息。行为和知觉会以传统认知理论家没有考虑到的方式影响甚至限制他们的认知系统。因此，具身认知的学习方法预测：由于与认知系统的密切而独特的关系，讲授课程时应加强学习包括知觉和行动在内的感觉运动过程。这种强化是如何发生的？我们根据可能的机制来组织本介绍的其余部分：1）在感觉运动和抽象域之间建立类比；2）使用手势作为链接和抽象工具；3）提高认知的技能和能力；4）将认知过程和表征转移到身体或环境中；5）构建和解释视觉表征。

构建具身类比法

类比法是通过将一个不熟悉的领域映射到一个熟悉的领域来推进推理或得出新的结论，从而促进学习的方法(Gentner, 1983)。类比法并不需要具体的学习工具，而是通过将一个熟悉的领域映射到一个不熟悉的领域或者将动作转移到抽象的方式，来遵循类比学习的原则(Goldin-Meadow amp; Beilock, 2010)。具身学习可以让学习者扩展基于身体表征、熟悉和易于理解的感觉运动术语，并映射到更抽象(或更少具体化)的概念。动作和手势都可以用来促进类比推理，但言语类比和隐喻的子集要明确地运用在具体的概念上(Lakoff amp; Johnson, 1980)。正如Glenberg(1997)和Barsalou(1999)所描述的基础符号问题，抽象表征不能永远地被抽象表示，其最终必须以源自感觉运动系统的基础形式表示。基于感官或身体表征的抽象符号为学习者提供了一种将信息以可理解和使用的形式表达的方法。另外，利用类比法来支持STEM学科的学习在数学上已经得到了高度发展；具体参见Tran, Smith, and Buschkuehl(2017)³。

Nathan and Walkington(2017)⁴提出了一个理论，他们称之为基于数学认知的具身理论(GEMC)。他们的研究重点是将感觉运动转化为认知状态。通过这种方式，具体的感官表征可以建立类比，进而支持对抽象数学证明的思考。在他们的理论和试点研究中，Nathan和Walkington提供了一个证明，学生手势和定向动作中的特定信息内容有特定的意义——手势不仅仅是一种手势，它还必须将基础概念、教学语言和学生理解联系起来。

Dove (2011)和Chatterjee(2010)都提出了基于连续论的观点，认为具体的感官表征提供了具体的、基于感知的信息，而更抽象的、概念性的表征则提供了灵活性。在任何情况下，利用基于感觉模式的抽象符号的具身认知学习方法都可以通过创建类比来提高学习效果。也就是说，一个不熟悉的领域——抽象的、与感觉形态没有直接联系——被映射到一个熟悉的领域——具体的，能够被直接感知的领域(c.f., Jamrozik, McQuire, Cardillo, amp; Chatterjee, 2016)。

将这些思想应用到STEM学习中，Hayes和Kraemer(2017)⁵将认知神经科学中关于语义知识和基于身体感觉表征的理论联系起来，提出可以通过神经信号来检验STEM学习。在他们的综述中，鉴于抽象的领域更灵活却也更难以获得，而且更模糊，Hayes和Kraemer(2017)借鉴了包括赫布型学习和预测编码在内的神经处理理论，来证明感觉运动的意外事件会更直接地映射到神经目标上。虽然STEM学习和具身类比的作用之间的联系仍在探索中，但也为认知神经科学的未来工作提供了一个重要的框架。

手势的作用

类比法将抽象概念与具体的感官表征联系起来的一种方式是手势。手势是一种非语言表征性的动作，通常是手的动作，并常伴随着说话。手势在维持或回忆视觉图像、模拟动作和代表说话者的非语言思维方面起着重要作用。正如Alibali和Nathan(2011)所提出的，手势是教师在物理世界中呈现抽象结构信息的一种方式。手势作为一种表达感知的机制和一种空间、抽象或物理信息编码的方式被广泛研究(Tversky, 2009)。通过将语言和感觉运动表征联系起来，手势可以成为学习STEM的有力工具。Atit, Weisberg, Newcombe, 和Shipley(2016)⁶展示了地形图（一种重要而复杂的地球科学表征格式）学习背景下手势和语言之间的微妙关系。

手势天生具有空间特性，因此有助于建立与非空间域的可靠的空间类比。Cooperrider, Gentner和Goldin-Meadow(2016)7研究了学生在解释抽象概念时自发的手势。学生们接触并接受跨领域因果系统(如正反馈和负反馈循环)的指导，然后要求他们解释它们之间的差异。有趣的是，尽管没有被要求做手势，学生们也很可能用空间语言和空间手势来描述抽象的因果概念(即使所有的空间语言都被从教学中去除)。这些发现揭示了抽象概念的空间类比的力量，并提升了手势在突出和强调类比中的重要性。

提高认知技能和能力

具身学习具有通过支持和提高学习者的技能来普遍提高学习的潜力。在STEM学习中融入包含具身认知的框架也可以通过增强认知技能或者提供额外的或替代性的策略来提高学习。通过对具体表现的分析——通过行为或手势——教育者可以更有效地权衡学生的策略选择。

具身工具增强STEM学习的主要方法之一是提高空间认知能力(Clifton, Chang ...Mazalek, 2016; DeSutter和Stieff 2017)^1,8。空间认知包括一系列涉及空间问题推理的认知过程。空间认知与通往STEM学科的入口密切相关，也与这些学科的状况相关(Wai, Lubinski, amp; Benbow, 2009)。许多STEM学科,包括数学(Battista, 1990),物理学(Pallrand amp; Seeber, 1984),化学(Ping, Decatur, Larson, Zinchenko, amp; Goldin-Meadow,2012),工程学(Hsi, Linn, amp; Bell,1997),和地球科学(Ishikawa amp; Kastens,2005)已被证明包含了大量的空间推理技能(概述见国家研究委员会,2006年)。

重要的是，空间技能已经被证明是具有跨年龄层、性别和社会经济学地位的可塑性(Uttal 等人, 2013)。提高空间能力的具体方法在对成年人更具有吸引力(Burte, Gardony, Hutton, amp; Taylor, 2017; Chu amp; Kita, 2011)⁹。越来越多的证据表明，在幼儿和婴儿的成长中，对物体的积极探索促进了心智旋转的发展(Möhring amp; Frick,,2013)。在那项研究中，蹒跚学步的孩子对同一物体的注视时间减少了，但对镜像物体的注视时间却变长了(令人惊讶的是这不是同一个物体)。实验还表明，为14个月大的婴儿提供物体的运动体验可以改善他们的心智旋转(Frick amp; Wang,2014)。

基于这些发现，Burte等人(2017)⁹报告了一项大规模的空间技能培训导入工作。他们在小学布置了具体的任务，并调查了这些任务对数学学习的益处。空间训练Think3D!使用折纸和折纸任务来强调和改善空间思维。通过互动，小学生在特定的、有针对性的数学问题上得到了提高，这些问题需要形象化而且最好是在真实的环境中。然而与具体化学习构建类比的情况不同，在本研究中，改进并没有推广到抽象概念或问题。

嵌入式教学会更容易地吸引学习者并转移他们的注意力。与具身学习不同，嵌入式教学将脱离语境的信息置于有意义的情境中。在geosciences中，Jaeger, Wiley和Moher(2016)¹⁰设计了一种嵌入式的方法，向小学生教授地震知识。在嵌入式条件下，学生在学习过程中经历了模拟地震——播放隆隆的声音，计算机成为了在模拟地震活动中必须读取的地震仪。控制条件使学习内容和时间相同，但是只研究了地震地图而没有进行了地震模拟。结果显示了一个显著的交互作用——嵌入条件下的学生比非嵌入条件下的学生从测试前到测试后学习得更多。在一个没有任何意义和抽象的环境中创造一个丰富的感官体验，并让学习者融入其中，这样可以使得学习者加深参与，集中注意力，并产生兴奋感(c.f.,Johnson,Glenberg amp; Romanowicz, 2017)¹¹

负载转移认知

负载转移是指允许学习者存储信息而不需要耗费大量的脑力资源来模拟运动、视觉信息或任何可以表示为运动信息的东西(例如概念和空间信息)。通过负载转移，学习者可以使用额外的认知资源来集中精力解决问题，进行推理或向他人解释。长期以来，具身行为被认为是将认知过程转移到世界或身体上的行为。Margaret Wilson(2002)的sy

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