地球科学家如何思考和学习
编者按：
2009年，美国地球物理学会刊物Eos刊登了一篇研究短文，题为：“How Geoscientists Think and Learn”，系由美国的一个研究小组（由地球科学家、地学教育家、科学哲学家、人类学家、发展心理学家、认知心理学家组成）共同完成的一项研究报告。该报告认为，地球科学家在思考与学习方面有四个重要特征：（1）在地质尺度上思考时间；（2）将地球视为一个复杂的系统；（3）基于野外的学习与实践；（4）应用于地球科学的空间思维。尽管过去了10多年，这篇文章对于地球科学教育、跨学科交流与合作仍然具有重要的参考价值。为此，《沉积之声》编辑部组织进行全文翻译，以飨读者。
几十年前，石油地质学先驱Wallace Pratt (1885-1981)指出，石油首先在人的思维中被发现（Where oil is first found is, in the final analysis, in the minds of men.）。这一独特见解在今天看来仍然是正确的。在所有的地球科学领域中，人类的思维可以说是地球科学家最重要的工具，正是人类的思维将泥土的颜色和质地、卫星图像上的斑点和地震图上的波动，转换解释为石油的形成与迁移、山脉的起伏和海洋的开合。提高对人类关于地球是如何思考和学习可以帮助地球科学家和地球科学教育工作者更好地完成他们的工作，同时可以突出地球科学专业知识在解决跨学科问题方面的优势。
为阐明地球科学中思考和学习过程中的本质，需要地球科学专家与研究思维和学习的专家的合作。由地球科学家、地学教育家、科学哲学家、人类学家、发展心理学家和认知心理学家组成的协作小组，综合已有研究，阐明了该领域的四个特征：（1）在地质尺度上思考时间问题；（2）将地球作为一个复杂的系统；（3）基于野外的学习与实践；（4）应用于地球科学的空间思维（图1）。本研究中使用的参考文献、资料来源和方法等文档可在本期Eos杂志的在线附录中找到（http://www.agu.org/eos_elec/http://www.agu.org/eos_elec/）。
综上所述，这项工作表明，尽管地球科学家们使用广泛的工具来研究各式各样的问题，但他们自有一套独特的方法和思维，特别适合研究像地球系统那样庞大、古老而复杂的对象。
关于时间的思考
地球科学家对于时间的思考方式有两个关键特征，使他们与普通大众不同：他们对时间的看法宏观且长远，同时他们关注低频率但影响重大的事件。地球科学家已经深刻理解了地球年龄的漫长和人类历史的短暂。他们可以想象地球的状态与他们亲身经历的截然不同：一个没有人类的地球，一个没有任何生命的地球，一个温室地球，亦或是一个雪球地球。站在时间长河的角度来看地球的整个历史，地表侵蚀和生物演化等极其缓慢的过程可以产生巨大的变化，比如移走一座山或创造一个新物种，而洪水、火山喷发、山体滑坡或小行星撞击这类不常发生但影响巨大的事件反而是惯例而不是异常。
这种“长期时间观”是不寻常的。在现今的社会，短至几天或几年的时间框架驱动着商业、政治和新闻周期中大多数的重要决策。如果被广泛采用，地球科学家的长期时间观可以在几十年到几个世纪的时间跨度内提供重要的平衡和支持决策。一个普遍具有长期时间观的社会可以更有效地为突发事件制定计划，比如飓风和地震，并可能更严肃地对待那些微小却不断积累的作用力，因为它们在漫长的时间里可以引起极其深刻的变化。
然而，拥有长期时间观不应仅仅被视为决策者的一种实用工具。在哲学上，它也是人类自我审视的一个基本方面。正如哥白尼在16世纪发现的“日心说”改变了人类对自身在宇宙空间中地位的看法一样，詹姆斯-哈顿（James Hutton）在18世纪发现的“深时（deep time）”也改变了人们对自身在地球历史中的地位的看法。然而，在西方文明中，地球并不位于宇宙中心这一事实比起人类历史只跨越了地质时期的一小部分更容易被人们广泛理解和接受。
人类社会对地质时间的广泛理解方面仍存在巨大障碍。地质时间中所涉及的事件及其规模远超出人类的现实经验。因此，在地质时间尺度上设想那些极其缓慢的或不常发生的事件的累积影响对于人类来说是不直观的。地球科学家的计时工具依赖于指数、比率和比例推理，这对许多学生来说在理解上是困难的。况且，一些宗教的教义也反对存在古老地球。
大多数关于地质时间的教育研究都集中在学生对地球历史模型的理解和记忆的准确程度上，以及哪些干预措施可以提高这些理解。一个有望取得较好效果的技巧是让学生依靠图像展示和文字叙述的方式来建立事件的先后顺序，而后将其附加数值年龄。学生可以利用他们基于经验的时间推理将地球历史上的事件作为一个序列来思考。例如，他们会理解较早发生的事件可能影响或导致较晚发生的事件，反之则不成立。教师们可以利用这些技巧来提高学生对地质时间的掌握。
尽管这项研究很有价值，但仍需验证对时间的长远考虑是否有助于形成更加有远见、更加对环境负责的决策。检验这一论断需要结合包括地学教育、环境教育、概念变化和人类决策等多方面的专业知识。
把地球作为一个复杂的系统来理解
地球科学家将地球作为一个系统来理解，其特点是系统的各过程之间和各组成部分之间的反馈。他们深刻意识到这种反馈机制是重要的，同时也是难以完全理解的，因为它们可能导致在预料之外的地方产生强烈的影响。在技术意义上，地球系统是“复杂”的：表现出非线性相互作用、多重稳定状态、分形和混沌行为、自组织的临界状态和非高斯分布输出。在一般意义上，地球系统也是“复杂”的：多个物理、化学、生物和人为过程可能在同一时空范围内活跃且相互作用。例如，一个广泛用于教育的“水循环”概念就包括了16个组成概念，而这些概念之间又有多重联系。虽然地球科学家并不是唯一与复杂、复合系统打交道的科学家，但他们应用系统方法论来理解地球的能力和倾向给跨学科合作带来重要的启示。
为了理解地球这个复杂的系统，“反馈环”的概念是重中之重。负向（趋向稳定的）反馈使地球系统保持足够的稳定，让包括人类在内的复杂生命形式得以存在。正向（趋向加强的）反馈是许多环境问题的根源，包括生物多样性丧失、全球气候变化和农业土壤退化。在教育方面，反馈环是一个“阈值概念”，即一种难以学习但一旦掌握就能获得显著改变的概念。由于反馈环是稳定地球系统的基础，因此在人类决策层中培养对这一概念的有效理解可以提高人类文明应对21世纪挑战的能力。尽管非常重要，反馈环的概念却可以说是整个地球科学思维和学习领域中研究最不充分的课题。
有充分的证据表明，在关于地球的教学和学习的系统方法中，中学生可以对水圈、大气圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈之间的相互联系进行定性推理，而本科生可以创建和操作这些相互作用的定量计算机模型。现在需要的是制定合适的教学计划，利用学生们从小学到中学再到大学期间日益成熟的思维模式，有目的地将这一概念的教育纳入到他们不断增长的化学、数学、物理、生物和社会科学知识中去。
基于野外的学习与实践
地球科学的一个特点是，理论上的进步通常是建立在对地球、海洋、大气或行星的直接观察基础之上的。虽然把地球科学描述为单纯的观测科学是不准确的，但观测在地球科学家形成和检验新的想法和新的理论方面起着核心作用。
许多地球科学家在反观自身的学习轨迹时提到，无论是在野外营地，大洋考察船上，或是在大气科学野外实验中，野外工作都是一种核心的、启蒙性的经历。地球科学家和地学教育者经常热情洋溢地宣称，基于野外实地的学习有助于培养学生对地球作用过程及其规模的切身感知，进一步加强他们整合零散信息、在空间和时间上进行推理、以及对观测数据的质量进行评价的能力。但是关于这些强有力的说法或主张却一直缺乏定量证据和令人信服的机制，而有两种推理也许可以阐明为什么野外实地工作经验如此重要。
首先，野外实地工作提供了一个集中的时间来帮助学生发展人类学家所谓的“专业视野”，即发现对专业实践来说很重要的一些特征的能力。就像犯罪现场的刑事调查员一样，在同一个野外现场，有经验的地球科学家与新手所看到的东西是不同的。作为一种能力，专业视野可以通过指导学徒的方式来实现，专家会观察并纠正新手的各种反复努力与尝试，将他们观察到的世界分成有意义的类别（如云的类型或岩石单位），并在复杂的视觉信号中识别他们应该感兴趣的特征（如潮汐记录或断层）。这种指导不仅仅是培养观察技能，还包括使用原始观测数据来检验科学假设的指导。实地观察和测试科学假设之间的相互作用是地球科学家开展推理过程的核心特征，而野外考察经验在培养这种思维习惯方面可以发挥着关键作用。
第二，野外实地工作提供了一种信息转化实践，即将自然界的原始材料转化为地球科学家常用的、用于记录和交流的文字、标记和符号。人种志学者提到了科学家所做的“级联记录”，其中“记录”一词包括文字、图形、表格、地图、方程式等各种有效形式，在“级联”中的第一个记录，是将自然界的一个方面转化为人类产生并可理解的加工品；例如，岩石地层的坡度可以被准确转化为标注在地图上的倾角和走向符号，或者海洋的寒冷程度可以被准确转化为以摄氏度为单位的数值。然后，相同或不同的科学家将最初的记录转化为后续的加工品（例如，地质图或温度/盐度图），并以此类推，逐渐发展成为更加抽象、可交流、富含概括和综合意义的加工品。
尽管级联中的所有步骤都在科学中发挥着重要作用，但第一个记录在形式上有所不同，因为它是由直接来自自然界的信息转化而来而不是来自另一个人为加工过的作品。此外，第一个记录确定了所有后续记录的质量。通过在野外使用自己的感官和简单的工具进行首次记录，学生可以体验到被观察的事物、人类观察者的行为和想法、野外记录的观察结果，以及在多代更综合的结果之后出现的最终解释之间的相互作用。地球科学教育者应该更加重视从原始观察到最终解释这一发展路径的研究，重视设计一些促使学生根据他们对地球的观察来检验其解释或假设的活动，进而帮助学生建立这些联系与思维模式。
空间思维
地球科学家在获取、展现、操作或推理空间中的物体、过程或现象时，广泛使用空间思维。空间思维能力的例子非常多，如阿尔弗雷德-魏格纳在1915年将地球各大陆的空间分布模式解释为大陆漂移的产物，以及英格-莱曼在1936年提出的地震P波和S波的全球分布表明了地球两层固体+液体核心的圈层结构。地球科学家设计了一系列专门的空间表征体系，不仅用它们来表达固有的空间数据（如地图和地层横截面），还用来阐明非空间变量之间的关系（如矿物成分的相图）。
许多学生在处理空间任务时都很困难，有众多因素造成了这些困难，空间思维技能的高低因人而异。一般的教育体系往往并不重视发展、评估或奖励学生的空间思维技能，而那些本身就有很强的空间思维能力的教师又往往不能意识到一些学生在空间想象方面遇到的困难。然而，最近的研究表明，通过特定的指导和练习，人们的抽象思考和空间思维能力的表现可以得到提高。此外，完成一个空间密集型的地球科学课程可以加强对非地理空间任务的表现。
地球科学/认知科学合作研究的一个积极方向是试图确定和加强认知的过程和概念，这些认知过程和概念是学习地球科学课程中那些对空间想象能力要求较高的内容的基础，像地图阅读能力建立在对投射性空间概念的掌握上，设想固体岩石内部的三维地质结构是建立在视觉穿透能力上的，等等。这一研究领域的前沿在于理解人们如何从空间信息中获得内在含义，如何从对物体的形状、大小、方向、配置或轨迹的观察中推论地球上发生的各种因果过程。
一个实践的共同体
反思地球科学思维和学习的本质可以发现，地球科学家不仅仅是对海洋、大气或固体地球有较多了解的个体，而是组成了一个“实践的共同体”，他们被一套独特的经验、方法、观点和价值观所塑造，同时也正在充分地体现着这套价值观。这些经验、方法、观点和价值观包括了长期时间观、运用时空推理来提出假设并回答问题、以相互交织的复杂系统而非单一独立变量为出发点来解释观察到的结果，以及从自然界的原材料开始并利用强大的可视化技术建立级联记录。
诸如长期世界观等这些属性，单独来看，没有一个是地球科学所独有的，也并非每一个地球科学家都拥有这些经验、认同每一种观点、并使用每一种方法。但毫无疑问，从整体上看，这些属性的组合对于回答和解决地球及其环境相关问题具有重要价值。
鸣谢
在编写这份综合分析报告时，作者参考了与几十位同事的谈话和几百位同事的文章，这些都记录在本期Eos杂志的在线附录中（http://www.agu.org/eos_elec/）。
作者信息
Kim A. Kastens, 拉蒙特-多尔蒂地球观测站，地球与环境科学系，哥伦比亚大学
Cathryn A. Manduca，科学教育资源中心，德卡尔顿学院
Minn.Cinzia Cervato，地质和大气科学系，爱荷华州立大学
Robert Frodeman，哲学和宗教研究系，北德克萨斯大学
Charles Goodwin，应用语言学系，加利福尼亚大学
Lynn S. Liben，公园分校心理学系，宾夕法尼亚州立大学
David W. Mogk，地球科学系，蒙大拿州立大学博兹曼分校
Timothy C. Spangler，博尔德市大学大气研究公司，科罗拉多州
Neil A. Stillings，认知科学学院，阿默斯特市汉普郡学院
Sarah Titus，地质学系，卡尔顿学院
文献出处
Kastens, K. A., C. A. Manduca, C. Cervato, R. Frodeman, C. Goodwin, L. S. Liben, D. W. Mogk, T. C. Spangler, N. A. Stillings, and S. Titus (2009), How geoscientists think and learn, Eos Trans. AGU, 90(31), 265-266, doi:10.1029/2009EO310001.