科学概念的形成和转变是科学教育最基本和最关键的环节。科学概念的学习所利用的发散、汇聚、联想、迁移等一系列思维形式都涉及对科学隐喻的认知加工。利用科学隐喻进行认知操作是科学概念形成和转变的一个基本机制,是科学教育活动的一个本质性的微观过程。在长期的科学教育实践中,古今中外许多杰出的科学家、教育家高超、灵活地运用科学隐喻和日常隐喻,已经积累了大量成功的教育教学范例。在科学教育学科的理论与实践借助现代科技成果向应用广、技术新、基础深等维度快速发展的背景中,借鉴心理学、认知神经学、语言学等学科领域的研究工具和手段,对科学隐喻的认知神经加工机制的深入探讨,已经成为国际科学教育研究领域中的学科交叉的前沿,其成果对于科学教育实践具有重要的认识论和方法论意义。事件相关电位(event-relatedpotential,ERP)的毫秒级的时间分辨率以及多维度的成分分析使其成为隐喻认知加工这个内隐的、连续的、复杂心理过程的理想研究工具。本研究借鉴以日常语言和文学语言为语料的隐喻ERP研究范式,设计了三个ERP实验,逐步深入地对比分析了科学隐喻与日常隐喻、科学隐喻与文学隐喻、科学语言(隐喻和直义)与日常直义认知加工大脑激活程度和区域的异同,从而从隐喻的视角探讨了科学概念的认知神经加工机制。科学隐喻是在自然科学语境使用的隐喻,这使得它同日常隐喻和文学隐喻在语境和功能上存在差异。这种差异主要表现在以下几个方面:首先,科学隐喻往往跨越科学和日常两种语境,因此具有更加复杂的语境结构,ERP的N400成分对此非常敏感;其次,科学隐喻认知加工晚期必然涉及一个从具体到抽象的科学推理过程,从而达到其特有的知识顿悟的功能,ERP的晚期成分对此非常敏感。遵照循序渐进的原则,本研究设计了三个ERP实验,以便逐步深入地考察科学隐喻的认知神经加工机制。实验一是科学隐喻与日常隐喻的对比研究,其主要目的是验证由于科学隐喻特有的隐喻度、熟悉度和抽象度,其认知神经加工机制是否表现出与日常隐喻与直义表达不同的特性,从而为随后的实验奠定重要的基础。该实验采用尾词范式,选取叠加宾语呈现前200 ms到呈现后1000 ms的脑电。实验刺激分为三种类型:科学隐喻句、日常隐喻句和日常直义句。通过前测问卷,研究者对实验语料的意义度、隐喻度和熟悉度进行了评定。研究结果表明,隐喻句比直义句诱发了更负的N400;科学隐喻句的波幅最高,而且存在右半球优势效应。继N400之后,科学隐喻句和日常隐喻句都诱发了另外一个晚负成分,且科学隐喻句的波幅显著高于日常隐喻句的波幅;左右脑都参与了科学隐喻认知较晚期阶段的加工。由于LPC时间窗重叠了一个晚负成分,这导致隐喻句诱发的LPC波幅明显降低,尤其科学隐喻句的波幅。实验一结果说明,隐喻句的语义加工难度大于日常直义句的加工难度;相比较而言,科学隐喻句的加工难度更大。此外,由于科学隐喻特有的知识顿悟功能,加工晚期涉及从具体到抽象的推理过程,因此语义再次融合难度依然很大。在实验一的研究基础以上,实验二进一步将科学隐喻和文学隐喻进行了对比研究。从熟悉度的角度来看,科学隐喻和文学隐喻都属于新奇隐喻。但是与文学隐喻相比,科学隐喻具有其独特语境复杂性和知识顿悟功能。因此,实验二的研究结果能够更加清楚地表明科学性在隐喻认知神经加工中的独特作用。实验二实验范式和数据分析方法同实验一。实验刺激分为四种类型:科学隐喻句、文学隐喻句、日常隐喻句和日常直义句,也就是说,实验刺激在实验一语料的基础上加入了文学隐喻句。前测问卷除了实验一的三个环节以外,增加了对实验刺激尾词具体度的评估。实验结果表明,由于都是新奇隐喻,科学隐喻句和文学隐喻句诱发的N400无明显差异。继N400之后,隐喻句都诱发了晚负成分,科学隐喻句的波幅最高,且左右脑的激活程度无明显差异。更加重要的是,为了清楚地观察在后期加工过程中两种新奇隐喻句之间的差异随时间的变化情况,本研究将LPC时间窗进一步分成了三个子时间窗。研究结果表明,随着时间的推移,科学隐喻和文学隐喻的波幅差异越来越大;与文学隐喻相比,科学隐喻激活的脑区范围也越来越大。可见,与更加抽象的科学隐喻相比,在较晚期加工过程中,文学隐喻变得越来越常规化了,其加工难度逐渐降低,从而去接近日常隐喻的加工难度。最后,在实验一和实验二的基础上,实验三是关于科学语言(隐喻和直义)与日常直义的对比研究。实验范式和数据分析方法同实验一和实验二。实验刺激分为三种类型:科学隐喻句、科学直义句和日常直义句。前测过程与实验一类似。实验三的目的是从以下两个层面更加细致地探讨科学隐喻的认知神经加工机制:首先,从科学隐喻和科学直义的共性层面,研究者更加本源地考察了科学语言的加工机制。其次,从科学隐喻和科学直义不同之处,研究者进一步考察了科学概念的抽象度对其脑加工机制的影响。实验结果表明,科学语言句(隐喻和直义)比日常直义句诱发了更负的N400,且科学隐喻比直义句(科学和日常)诱发了更负的N400。左右半球都参与了科学语言的认知加工,右脑顶叶区的激活程度尤其明显。继N400之后,科学语言句(隐喻和直义)都诱发了晚负成分,科学隐喻句的波幅最高,且左右脑的激活程度无明显差异。科学语言特有的复杂性和抽象性降低了其语义显性度,这造成了语义加工难度的提高。本研究选取概念隐喻的理论视角,结合认知神经科学和语言学研究方法,通过对比分析科学隐喻与文学隐喻和日常隐喻以及科学语言(隐喻和直义)与日常直义神经机制的异同,探讨了科学隐喻特有的认知神经加工机制,研究发现:1.跨越科学和日常的更加复杂的语境结构导致科学隐喻源域和目标域间距离更长,建立语义映射所需的认知负载也随之增大;2.从具体源域到抽象目标域的更加细致的推理过程导致科学隐喻不同语域之间再度融合难度进一步增大,其加工过程涉及难度更大且更加费时的比较过程;3.左右半球都参与了科学隐喻的认知加工,相比较而言,右脑,尤其是右脑顶叶区,在科学思维中的作用是不容忽视的。这些研究结果,初步揭示了科学概念形成和转变过程中学习者进行科学认知的脑加工过程。更加有意义的是,基于科学隐喻脑加工机制的科学发现,本研究尝试对科学概念教学提出一些建议,如从日常隐喻到科学隐喻的顺序教学、分阶段的科学思维培养和科学课堂中阅读能力的培养,以期能够对深化和优化科学概念学习予以重要的启示,对于设计和运用更为现实有效的科学教育教学方法提供一定的脑加工机制的理论依据。