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基于神经网络理论的认知发展模型的构建及其在教师专业发展中的应用
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摘要：
本文尝试构建一个基于人工神经网络等多种学科理论的认知发展模型。该模型涵盖了皮亚杰的儿童认知发展阶段，同时也适用于对成年人的认知发展阶段进行划分，起到对皮亚杰的认知发展理论进行补充和扩展的作用。按照所建立的模型，本文将成年人的认知发展过程划分为四个阶段。这四个阶段分别是成熟期、深度发展期、衰减期、稳定期。将该模型应用到教师专业发展理论中，可以将教师的专业成长过程划分成专业准备、专业成长、专业成熟、专业稳定等四个阶段。
关键词： 教育心理; 认知发展; 神经网络; 教师专业发展
中图分类号：G43
0 引言
同认知理论一样，认知发展的研究涉及到非常广泛而复杂的课题，吸引了不同学科和专业的作者对此类课题进行深入的研究和探讨。认知发展理论在近几十年的发展速度也非常快，出现了不少的新理论和新观点[1-6]。其中最重要的一项工作是瑞士的认知发展心理学家皮亚杰对儿童认知发展阶段的划分[2, 7, 8]。皮亚杰的工作奠定了认知发展理论的基础。另外随着对认知发展课题研究的逐步深入，很多的作者关注到认知发展与社会文化背景之间的关系[9]。一些作者也开始注意到从一种自组织、动态系统的观点来分析认知成长的问题[10]。
同时认知发展的理论也被应用到了各种不同的领域，如技能的形成、问题解决、语言学习等[11-15]。还有一些文献探讨了不同的心理因素对于认知发展的影响[16, 17]、儿童对友谊特性的认知发展[18]、幼儿合作认知发展[19, 20]、儿童对物体运动速度的认知发展[21]。另外认知发展的研究也延伸到了其他的一些领域，形成了新的分支，比如社会认知发展[22-25]、儿童元认知发展[26-30]、儿童心理理论[31-35]等。
在认知发展的理论基础方面，很多作者也从不同的角度对此进行了探讨。比如从生理基础方面来探讨认知发展课题[36]。以大脑的结构和功能的发展为基础来探讨认知发展[37]。
另外一些作者也开始尝试从人工神经网络的角度建立认知发展的计算模型[38, 39]，一些人士将其归类到“神经建构主义”（Neuroconstructivism）或“认知神经心理学”理论之中[40-42]，这与本文所做的工作有些类似。
皮亚杰理论所研究的是一般性的儿童认知发展问题，将其应用到智力超常儿童以及研究新的教学环境中儿童认知成长规律中，显示出了一定的局限性[43]。至于如何将其延伸到成年人的认知发展课题中，也有作者涉及到[44, 45]。当然到了成年人以后，认知发展的问题所涉及到的因素就比较多了，其他的一些理论对此课题的深入研讨也是有启发性的。比如卡特尔等人提出的流体智力和晶体智力的理论等[46, 47]。还有一些作者也尝试探讨了一般流体智力（gF）的神经生理机制[48]。表明可以在更加基础的层次上来对认知发展方面的课题进行深入的研究。
认知成长研究的复杂性还表现在实验操作的困难上，尽管现在有很多先进的技术能够帮助研究者对人的心理进行研究，但要做到像物理学那样的非常精确的定量分析还是有一定困难的。这也是有多种不同的新皮亚杰主义观点存在的一个原因。
随着计算机技术的发展，一些作者也尝试着使用计算机仿真的方式来建立认知发展的模型。通过设计相应的计算机程序来仿真皮亚杰理论中的儿童认知发展过程，目前已经取得了一定的成果[49-53]。而通过人工神经网络理论来探讨认知发展的问题也逐渐受到重视[38,39, 54-64]。其中，这一研究方向所依赖的一种重要神经网络模型被称作级联相关神经网络（cascade-correlation network）[65-68]。这种神经网络的神经元会随着时间而不断生长，并获得比误差反向传播算法更快的学习速度。目前一些作者利用神经网络模型探讨了认知发展和个别差异等方面的问题[69]，另一些作者则建立了神经网络模型来仿真认知发展的阶段性特征[70]。除此之外，在各种有关认知成长的细分课题方面，也建立了很多模型来进行深入研究。这些模型包括成人脑损伤的神经网络模型[71]、婴儿认知发展的一般模型[72]、早期婴儿的归类学习模型[73-76]、有关守恒的计算分析模型[55]、儿童感知发展的神经网络模型[77]、婴儿获得距离时间和速度概念的神经网络模型[78]、早期记忆发展模型[79]、认知发展障碍的神经网络模型[80]等。总体来看这一类的文献主要集中在如何利用计算模型来模拟仿真皮亚杰提出的儿童认知发展四阶段的理论方面。
通过计算机仿真技术来研究认知发展，其好处在于能够建立起比较清晰的模型，这种模型是可以进行验证的；同时随着计算机技术的发展，这种模型也可以随之而得到发展，解决更加复杂的问题。
本文尝试在神经网络理论的基础上建立一个全新的认知发展模型，该模型能够覆盖人的一生的认知成长过程，并期待有所突破。另外为了使本文所建立的模型能够更好地反映认知发展的本质，本文也尝试结合跨学科的理论和知识来研究分析这一问题，充分吸收不同学科所积累的知识，使得所建立的模型更具普遍性。
1 相关理论概述
1.1 皮亚杰的儿童认知发展阶段理论
皮亚杰的理论将儿童的认知发展分成了四个阶段，这四个阶段分别是：感知阶段、前运算阶段、具体运算阶段、形式运算阶段[81, 82]。皮亚杰的理论对于研究人类儿童和青少年认知成长过程有指导作用。
1.2 中国古代的儒家学说
除了现代的心理学、教育学研究方法以外。中国古代哲学家的思考也给了我们很多的启示。人的成长理论在儒家学说中占据了一个非常重要的地位。在儒家学说中，对于人的成长，很早就指出了其具备一种层次性、阶段性发展的特点。
儒学理论指出，人的发展过程应该按照一定的顺序来完成，即按照格物、意诚、心正、修身、齐家、治国、平天下（礼记·大学）这样的顺序来进行发展。这一发展过程表明，人的发展应该从内部做起，然后逐渐将自己的理想扩大，直至“平天下”，达到一种自我实现的状态。
而对于人的认知能力与人的生理成长之间的关系，孔子则总结出自己的成长经验是“三十而立、四十而不惑、五十而知天命、六十而耳顺、七十而从心所欲，不逾矩。”（论语·为政）。孔子的说法给我们表明了这样的一个道理，即在人的一生成长过程中，随着年龄的增长，生理系统会不断成熟。而随着生理系统的不断成熟和变化，人的认知发展也呈现一种阶段性的特征。在处于三十岁的壮年时期，人能够做到自立。到了四十岁的时候，就能够深入思考一些问题，明白事理。到了五十岁的时候，开始感觉到了人的能力有限，应该顺应自然的规律来做事。到了六七十岁以后，则开始做到与整个自然与社会的和谐相处。
当然在孔子的论述中，三十、四十岁之类数字只表示了一个大致的年龄范围，反映了随着年龄的增长，人的认知发展的一种阶段性特征。与皮亚杰的认知发展理论相比，孔子的这种认知发展阶段性划分方式针对的是成年人，起到相互补充的作用。不过孔子的这种总结更多的是一种个人经验的表达，并没有采用皮亚杰的那种系统的方法，本文提出的认知发展模型可以比较好地弥补这一缺陷。
1.3 耗散结构理论
耗散结构理论是比利时化学家普利高津提出的理论[83, 84]。该理论强调了一个系统在远离平衡态的时候，如果有持续的能量供应，则可以使系统的熵稳定地处于一个极小值。对于一个远离平衡态的非线性系统，存在多个“相”。当外界条件适合的时候，该系统将稳定地处于某一个“相”上面。而如果外界环境或系统内部的结构产生了变化，引起系统足够大的涨落，这时候系统将突变到另一个“相”上面，并在该“相”中稳定下来。比如当水龙头只拧开一点点，这时候水龙头中流出的自来水为稳定的涓流，这是一个“相”。将水龙头继续开大一些，到了一定程度的时候，水流将突然扩散开来，进入另一个“相”。这就是水流的相变。它是由水龙头阀门的大小变化而引起的。
“相”的稳定性反映了系统的自组织能力。这种系统的自组织过程与人的知识建构有密切的联系。系统的自组织过程是由于系统内部的结构变化而引起的，比如水分子之间的相互吸引力等。一个非线性系统会受到环境的影响，环境的影响作为系统的边界条件而存在。不同系统的边界条件的存在引起了系统的相变。而个人的知识建构，则是系统在环境的影响下，内部发生变化的过程。在个体处于一个稳定的“相”时，将不断“同化”外部的信息，这是一个量变的过程。当外部的信息与内部的认知结构不一致的时候，将改变内部的认知结构，个体会去“顺应”外界环境中的信息。这将导致整个认知结构上升到一个新的“相”或层次，这就引起了非平衡相变。这与皮亚杰的观点是一致的。
人的生理结构是一个复杂的系统，而耗散结构理论所研究的系统则属于相对来说要简单一些的物质系统。因此要完全用耗散结构的理论来说明诸如人的生理结构这样的复杂系统是有一定困难的。物质世界非线性的自组织过程只能被看作是复杂系统的一个特例，并非是复杂系统的简化。所以非平衡相变的理论只是对研究人的认知发展有一定的启发意义。这些启发性表现在：
1、熵代表的就是信息，熵减少的过程就是一个信息获取的过程。个体在建构知识的时候，就是从外界不断获取新的信息，然后消除这些信息带来的不确定性，最终使系统的“熵”不断达到新的极小值的一个过程。
2、非线性系统在运行的过程中，与外界不断交换能量和信息，当熵达到一个极小值的时候，说明该系统已经能够适应外界环境的变化。按照信息论的观点，即可以减少“熵”。
3、一个远离平衡态的系统，存在多个“相”。越复杂的系统，“相”越
