知識整合教學理論解讀：將碎片化知識轉化為連貫性想法

趙國慶　張丹慧　陳錢錢

摘要：過去30多年的學習科學研究發現，知識告知型教學的效果非常不理想。意義學習等體現建構主義學習理論的主流學習理論都認為，學生已有的想法（知識）應該成為他們學習新知識時的首要資源。知識整合教學理論是馬西婭·C·林教授基于科學教育與計算機教育研究中發現的共性問題發展出來的一套教學理論，其核心目標是幫助學習者形成連貫性的科學理解。知識整合教學理論認為，與主要聚焦于新想法相比，尊重學習者的已有想法并將新舊想法進行對比，學習者能夠取得更大的成功。知識整合教學正是通過誘出想法、添加想法、辨分想法、反思和整理想法等環節將學習者碎片化的知識轉化為連貫性想法的過程。實施與評價知識整合教學理論時，要按照讓科學觸手可及、讓思維看得見、幫助學生向他人學習和促進學習自主四大核心原則，關注學生是否形成了連貫的科學理解，以及能否應用證據在不同的想法間建立連接。

關鍵詞：馬西婭?C?林；知識整合教學理論；連貫性理解；科學教育；技術增強學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2018）01-0003-13 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2018.01.001

編者按：馬西婭·C·林（Marcia C. Linn）是國際科學教育領域的著名學者，現任美國加州大學伯克利分校教育學院教授，技術增強的科學學習中心（Technology Enhanced Learning in Science，簡稱TELS）主任。她系統提出了知識整合教學理論，并在知識整合教學理論的指導下，研發出WISE科學探究學習平臺和大量體現探究式學習特色的科學探究項目。林教授團隊的學術成果頗豐，在《科學（Science）》《科學研究雜志（Journal of Research in Science） 》《學習科學雜志（Journal of the Learning Science）》等頂級雜志或學術會議發表論文300余篇。她主持開發的WISE科學探究平臺吸引了來自全球超過15000名科學教師、研究者和課程開發人員，超過25萬名中、小學生通過在線方式體驗了科學探究活動。

馬西婭·C·林于1965年在斯坦福大學獲得心理與統計學學士學位，1967年和1970年在斯坦福大學分別獲得教育心理學碩士和博士學位。博士期間師從著名統計學家克隆巴赫（Lee J. Cronbach）和著名心理學家希爾加德（Ernest R. Hilgard），1967-1968年到瑞士日內瓦訪學一年，師從著名教育心理學家皮亞杰（Jean Piaget）。林于1996年入選美國科學促進會理事會（American Association for the Advancement of Science， Board of Directors），2003年入選國際學習科學學會理事會，2005年當選美國科學促進會教育分會主席（Chair of the Section on Education），2007年當選國際學習科學學會主席（President of International Society of the Learning Sciences），同年入選美國教育科學院院士（Member of the National Academy of Education）。

林是國際科學教育領域的著名學者，在學習科學領域，特別是在技術增強的科學學習領域有杰出貢獻。她的重要貢獻有：系統提出了知識整合教學理論，并在知識整合教學理論的指導下，研發出WISE科學探究學習平臺和大量體現探究式學習特色的科學探究項目。林教授團隊學術成果頗豐，在《科學（Science）》《科學研究雜志（Journal of Research in Science） 》《學習科學雜志（Journal of the Learning Science）》等頂級雜志或學術會議發表論文300余篇，代表性著作包括：《計算機、教師和同伴——科學學習的伙伴（Computers， Teachers， Peers： Science Learning Partners）》（2000年）、《科學教育的網絡環境（Internet Environments for Science Education）》（2004年）、《設計連貫的科學教育（Designing Coherent Science Education）》（2008年）、《學科學和教科學：利用技術促進知識整合（Science Teaching and Learning：Taking Advantage of Technology to Promote Knowledge Integration）》（2011年）。林教授團隊不僅在教育理論研究上成果頗豐，在教育實踐領域也有著強大的影響力。她主持開發的WISE科學探究平臺吸引了來自全球超過15000名科學教師、研究者和課程開發人員，超過25萬名中、小學生通過在線方式體驗了科學探究活動（Linn et al.，2010）。如今，以WISE為核心的科學探究學習研究與實踐共同體已經形成。研究團隊的這些成果不僅在科學教育領域，還在學習科學和教育技術等領域產生了重要影響。

一、 知識整合教學理論誕生的歷史背景

訪談者：尊敬的林教授，您好！非常榮幸能有機會采訪您。從您的簡歷來看，您在本科階段修讀的是心理與統計學，碩士和博士階段修讀的是教育心理學，但您的研究工作大都聚焦在科學教育領域，更確切地說是技術增強的科學學習領域。請問您為何選擇科學教育作為您的研究領域呢？這與您的個人成長或學習經歷有關系嗎？

馬西婭·C·林教授：選擇科學教育這一研究領域對我來說是一條自然而然的路。我對科學學習的濃厚興趣源自于我出生在一個熱衷科學學習的家庭，這也使得我成為了一名終身的科學學習者。

我是家中的長女，我的父親（George Cyrog）堅信每個人都可以學習科學和工程的方方面面，而且他本人就是這一信念的踐行者。他對科學學習的熱愛無處不在。他收集巖石和礦石，在西南地區的沙漠中勘探以尋找木化石（Petrified Wood）或綠瑪瑙（Green Agate），他還把我們收集到的材料加工成寶石并制作成珠寶。我們全家定期去美國西部的沙漠收集巖石和礦石并勘探新的地點。我跟父親走在旱溪上，尋找著瑪瑙、黃金（我時刻期待著能找到）、木化石或黑曜石（Obsidian）存在的蛛絲馬跡。我常常能夠準確地識別這些標志并找到我要收集的巖石。幸運的是，我的父親非常愿意收集那些我認為有趣的東西。我學會了如何切割一些石頭并把他們做成寶石或書鎮。在這個過程中，我學會了維修損壞的東西，理解了機器工作的原理以及如何在花園里種植植物。這些經歷讓我相信自己能夠隨時學習新的科學知識（Linn，2000）。

父親激發了我對科學本身的濃厚興趣，母親則幫助我成為終身的閱讀愛好者。我的母親（Frances Cyrog）是一名小學校長。在從小學教師成長為校長的過程中，她在個別化閱讀教學方面形成了自己的哲學。另外，母親還幫我形成了我對學習和教學的信念。在我什么都不懂的時候，她就開始熱情洋溢地給我讀書。在我高中生病的時候，她常常坐在我的床邊給我讀我最喜歡的小說。她認為讓學生自己選擇要讀的書非常重要，老師應該給學生提供必要的幫助。母親甚至精細地計算出學生在選擇他們能夠理解的書以及理解他們當時并不能立即理解的內容時需要老師多大程度的幫助（Linn，2000）。

非常慶幸，我有這么偉大的“學習伙伴”。我的父親是一個偉大的引領者和導師，他堅信我能學習任何知識，并鼓勵我去探索而非直接告訴我答案。他為我提供探索巖石和礦石、勘探旱溪時需要的必要工具，如鎬、收納包和地圖。母親則激發了我對書籍的熱愛，培養了我對所讀書籍和所經歷的事情進行反思的品質。在后來的生活中，我的孩子們也讓我懂得學習者在求知的過程中需要采用不同的方法和途徑?；仡櫷拢艺J為，我在學習礦石、修理舊機器以及幫助孩子們學習閱讀等方面的經歷為我在多個領域中建構新的理解打下了堅實的基礎。這些經歷也讓我相信，學生可以學習新的復雜知識，只要這些知識和他們的生活密切相關，并在學習過程中得到合適的支撐和指導（Linn， 2000）。

訪談者：您的經歷正是“父母是孩子最好的老師”這句話的最佳印證！可以看得出，正是您的父母激發了您對科學和學習研究的強烈興趣，并最終走上了科學教育的研究道路。但我依然好奇的是，又是什么原因讓您選擇了從計算機或技術的視角來研究科學學習的呢？

馬西婭·C·林教授：在我開始科學教育與計算機的相關研究之前，早期在計算機編程教學、學生學習以及課程變革上的研究深深地影響了我。選擇從技術增強學習的角度來做科學學習研究的主要原因有兩個：一是20世紀70年代初到80年代中期我在勞倫斯科技館（Larence Hall of Science）的工作經歷，二是90年代在計算機編程教學方面的研究經歷（Linn， 2000）。

從20世紀70年代初到80年代中期，我在勞倫斯科技館工作。我在那里親身體驗了如何基于學生自身想法來設計課程以幫助他們重構知識。在勞倫斯科技館和卡普拉斯（Bob Karplus）的緊密合作中，我看到了創造性的課程觀是如何被運用到科學學習項目當中的。這種運用使原本枯燥的科學課程變得引人入勝，改變了學生對科學的看法并讓學生對科學知識形成了深刻的理解。卡普拉斯是一位對小學科學教育有著濃厚興趣的物理學家。他在勞倫斯科技館開展了一項長達10年的“科學課程提升研究（Science Curriculum Improvement Study）”。在我去勞倫斯科技館之前，研究正處于最后的試驗和改進階段。我的任務是為特定人群（包括聾人學生和盲人學生）定制課程材料，并設計能夠幫助教師發掘學生已有想法的課堂評價體系。卡普拉斯有一套完善的課程開發和課程材料提煉程序：（1）研究小組通過頭腦風暴產生想法；（2）小組成員（都曾做過教師）在各種各樣的情境中試驗這些想法；（3）通過訪談學生了解他們的理解水平并獲取他們的反饋；（4）研究組再次會面，討論課程材料取得了多大的成功以及下一步如何改進；（5）再次測試修改后的材料，形成最終版本（Linn， 2000）。隨著“科學課程提升研究”在越來越多的學校中開展，成本也逐漸降低。盡管在后來的商業化過程中遇到了困難，但那不是因為學生學習科學方面失敗了，而是因為在全美小學中使用復雜材料進行科學課程教學是極為困難的。盡管如此，“科學課程提升研究”的很多創造性活動被進一步提煉、修改和應用到更多的新項目中，卡普拉斯開辟的活動設計流程被很多其他項目采用。實際上，我們的“計算機作為學習伙伴”（Computer as Learning Partner，簡稱CLP）項目的課程設計就深受卡普拉斯的啟發。

在開始CLP項目之前的1983年，我正在進行一個美國國家教育學院（National Institute of Education）項目的總結收尾工作。那個項目研究使用聚焦于計算機編程教學的教學技術對學生認知的影響。我在總結時發現，當時的教學模型和實踐并沒有充分挖掘計算機這一新興工具的潛力。為了開展計算機編程教學研究，我和計算機科學家、認知研究者、本科生、中小學程序課教師、學習編程的中小學學生等建立了伙伴關系。在當時，每個人都是編程教學方面的新手，所有人都渴望找到更好的解決方案。這種伙伴關系的好處顯而易見。例如，一些中小學教師設計出的教學技術也很適用于大學的教學，大學教師也極好地實施了這些創造性想法。作為一個模型，伙伴式的課程開發方法顯得非常有前途（Linn， 2000）。

作為編程教學研究的一部分，我也非常關注科學課程的材料，特別是那些為中學生開發的科學課程材料。我發現中學里使用的科學課程材料和我上大學時的大學課本差不多，難度和復雜性都非常高（例如，中學教材里關于熱和溫度的章節非常難以理解），為此我感到非常沮喪。教師和學生都不是科學家，我想知道他們在使用這些材料時會遇到哪些困難。所以，我想開發一門可以讓更廣泛的學生群體使用的課程?；诰幊探虒W研究的經驗，我知道我需要和科學家、任課教師以及技術人員組建一個團隊，這個團隊中的每個人都要做出一些重要的貢獻。對計算機技術的強烈興趣驅使著我去尋找相關的技術。同時，我們也需要和學生合作，清晰理解他們的真實想法。只有這樣我們才不會因自身對要講授的知識越來越熟練而變得自滿（Linn， 2000）。

訪談者：在您的諸多著述中，知識整合可以說是出現頻率最高的詞了。根據我的理解，知識整合應該是您開展科學教育研究的最重要的理論基礎。在中國，大多數學者對知識整合教學理論都還不太了解。您能對知識整合教學理論做個簡要介紹嗎？

馬西婭·C·林教授：過去30多年的學習科學研究發現，知識告知（Knowledge Telling）型教學的效果非常不理想。在這種教學中，學生遭遇的是來自教材和課堂的一連串信息的轟炸。這些信息顯然與他們的已有想法相距甚遠，最終的結果是大多數人都把它們遺忘了（Vygotsky，1977；Bransford et al.，2000）。實際上，每個學生都不是一張白紙，他們都是帶著自身的想法來到課堂的，這些想法源自于他們的大量經驗以及日常的學習和思考。意義學習等體現建構主義學習理論的主流學習理論都認為，學生已有的想法（知識）應該成為他們學習新知識時的首要資源（Ausubel & Fitzgerald，1961）。

知識整合教學理論可用于指導學習和教學，知識整合型教學旨在提升學生科學理解的連貫性和精確性（Coherence and Accuracy of Scientific Understanding）。每個人都渴望去理解與自身密切相關的科學難題（Dilemmas），如：如何做出節能的選擇，如何選擇符合自身需要的保健方案等。知識整合式教學充分利用每個人的這種渴望，以及每個人收集和解釋與科學現象有關的證據的能力。知識整合教學理論認為，學習者在個體經驗、觀察自然世界、文化信仰、社會情境和教學的基礎上構建了一組不連貫的、碎片化的想法，知識整合教學正是通過誘出已有想法（Elicit Ideas）、增加新想法（Add Ideas）、辨分想法（Distinguish Ideas）、反思和整理想法（Reflect and Sort out Ideas）等環節將這些碎片化的想法轉化為連貫性想法的過程（Linn，2012）。

利用學生的已有想法是知識整合型教學的最本質特征（Slotta & Linn，2009）。與知識告知型教學形成鮮明對比的是，知識整合型教學尊重和鼓勵學生的已有想法，幫助學生發現他們知識間的空隙（Gap），支持學生使用新想法去解決復雜問題。通過尊重學生帶入課堂的各式各樣的想法，并將其置入教學的中心位置，我們可以確保學生能夠形成對任何學習材料的連貫性理解（Clark & Sampson， 2008）。使用知識整合型教學，而非提供被動吸收的信息，學生可以成為學習的主人，主導他們自身的學習。

訪談者：請問您是什么時候提出知識整合教學理論的？又是什么因素促使您建構這一理論呢？

馬西婭·C·林教授：知識整合框架（Knowledge Integration Framework）是在20世紀80年代應運而生的（Linn，1995）。當時我正在研究學生如何學習計算機科學，同時也在研究學生如何學習熱動力學（Thermodynamics）領域的科學概念（Bell et al.，2016）。通過比較和對比這兩種情境中的成功教學方案，我發現了一些共性的東西，這直接促使了知識整合框架的誕生。在這兩個領域的學習中，我都發現當鼓勵學生尊重他們自己的已有想法并將新舊想法進行比較時，學生會比主要聚焦于新想法時取得更大的成功（Songer & Linn，1991）。此外，在努力加工（Grapple with）那些與已有想法相關聯的新想法時，學生學習效果要遠遠好于加工那些抽象的想法，即使這些抽象想法更為精確和完整。例如，在講授熱動力學時，使用熱量流模型會比使用分子動力學模型讓中學生①取得更大的進步。類似地，在計算機科學領域，用類比的方法（譬如迷宮中的“一直往右搜索”算法）來解釋遞歸也要比聚焦于基礎案例和重復相同規則更為有效。知識整合型教學通過這樣的方式讓學生參與到辨分新舊想法中，這個過程依賴于新想法的呈現方式。2011年，我們對知識整合方面的研究進行了綜合整理，描述了知識整合的指導原則，出版了《學科學和教科學：利用技術促進知識整合》一書（Linn & Eylon，2011）。該書中文版也已于2016年出版。

我們將知識整合描述為“學習者基于對科學現象持有的眾多不完整、相互沖突和混淆的想法建構和整理知識時遵循的過程”（Linn & Eylon，2011）。人們常常認為學生會全盤吸收課堂或教材中呈現的精確信息并拋棄他們的已有想法，但這種方法幾乎從未成功過（King，1992）。學生通常在觀察和會話交談中發展自身的想法，但這個過程會持續很長一段時間。例如，基于經驗，學生通常認為“運動的物體會慢慢停下來”。在科學課上，學生會被告知運動的物體會永遠保持運動狀態，他們又會總結出“運動的物體在科學課上會永遠運動下去，但在操場上會停下來”這一錯誤結論。積極的學生會記住這些新信息以應對下一次考試，但更多的學生不會這么做，絕大多數學生甚至在課程一結束就忘記了這些知識，很多物理課程教學研究都報告了這一點（Bell et al.，2016）。知識整合框架利用學生在某一科學主題上產生的各種想法，鼓勵他們使用新的證據去讓他們的想法更連貫。

訪談者：您曾經到瑞士日內瓦訪學一年，師從20世紀最偉大的教育心理學家皮亞杰先生。請問皮亞杰的學術思想都給您帶來了哪些影響？知識整合教學理論與皮亞杰的認知發展理論都有哪些聯系呢？

馬西婭·C·林教授：1967-1968年，我有幸到瑞士日內瓦的盧梭研究所（Institute Jean Jacques Rousseau）訪學，從而獲得了與皮亞杰以及其他研究者們共事的機會。在與皮亞杰共事的過程中，我收獲了觀察學生學習的全新視角，這與我終身的科學學習者身份產生了共鳴。在那里，我把大量的時間花在學習皮亞杰的臨床訪談法并去學校訪談學生。這些訪談與1967-1984年間我自己研究中的訪談一起構成了知識整合教學理論的重要基礎。在日內瓦，聆聽研究者們如何探查學生想法（Probe StudentsIdeas）的過程激發了我想要近距離傾聽學生帶到學習場景中的已有想法的興趣。我認識到學生對科學主題有著各式各樣的想法，這些想法往往還有著很好的關聯性（Linn，2000）。

我的研究涉及到對大量學生的訪談，訪談的問題要比皮亞杰的研究更為豐富，不僅更加貼近實際，也與學生本人更為密切。我注意到，學生在想法間建構連接時用到的情境似乎要比皮亞杰想象的單調得多。他們對一個主題（如光）可能有4～5個想法，每個想法都和一個不同的情境相聯系（如墨鏡、影劇院的燈光或望遠鏡）。我看到了學生獲取這些聯系的價值，但我也認識到他們需要幫助才能更好地整合和組織這些想法。例如，讓學生帶著一系列關于熱和溫度的想法來到課堂，他們可能認為，既然金屬摸起來比木頭涼，那么金屬就能更好地讓物體保持低溫，因為金屬能夠傳遞寒冷。在不同的教學方法中，這個想法可能被當作知識建構的基礎，也可能會成為冷嘲熱諷的對象。教學能夠幫助學生學會辨分物體給人的感覺（“它摸起來很冷”）和物體本身的隔熱性能（“它能保持低溫”）。

在研究的基礎上，皮亞杰總結出：在用一種抽象或形式化的方式形成理解之前，學生要先用某種具體方式形成結構良好且深刻的理解（A Well Integrated，Robust Understanding）。皮亞杰力圖去證明這是一個普遍現象，甚至還指出這一現象可能發生于某個特定年齡階段（Piaget，1930）。我對皮亞杰的觀點進行了拓展，目的是在各式各樣想法的基礎上建構和辨分想法，從而幫助學生發展出更為穩固和連貫的想法。同樣，其他研究者也從皮亞杰的觀點出發開展各自的研究，有些研究者尋求識別出學生誤解的種類，如認為金屬幫助保冷的錯誤想法；還有些研究者尋求從學生的想法庫中消除這些錯誤的想法（Reiner et al.，2000）。通過研究觀察以及和學生的討論，我認為更為有效的方法是鼓勵學生在已有想法的基礎上拓展想法，讓他們生成更廣闊、更連貫的情境。教師可以用這種方法催生（Promote）預測性想法和有價值的想法。

在日內瓦以及在美國對學生進行的訪談讓我確信，鼓勵學生就任何給定主題中的眾多不同想法進行探究都是非常有益的。這種探究能夠幫助他們整合和重構這些想法，使得他們可以對這些問題形成連貫、綜合的想法。支持這種建立猜想、獲得新想法和重構想法的過程正是“計算機作為學習伙伴”項目的目標。

二、 知識整合教學理論的實施與評價

訪談者：在您的著作中，您提出了知識整合的四大原則：讓科學觸手可及（Making Science Accessible），讓思維看得見（Making Thinking Visible），幫助學生向他人學習（Helping Students to Learn From Others）和促進學習自主（Promoting Autonomy）。請您給我們簡要說說這四大原則的具體涵義。

馬西婭·C·林教授：我們從CLP項目和計算機科學課程中確定了有效教學材料的共同要素，進一步整理形成知識整合的四大原則?！白尶茖W觸手可及”就是使科學通俗易懂。這一原則基于我們對學生帶入課堂的已有想法庫的研究，要求通過給學生介紹更為豐富的、相關的、熟悉的場景來拓寬學生的科學視野。為了實現這一原則，教師需要對科學課程內容進行設計，包括選定教學內容的范圍、分析視角（宏觀或微觀）、范例等，并考慮課程資料與先前教學以及學生已有想法之間的聯系（Linn et al.，2010）。把教學材料嵌入到學生熟悉的場景是實現這一目標的有效手段?！白尶茖W觸手可及”的原則從多方面引導我們的課程開發：一是引導我們設計出連接科學原則和相關科學問題的探究活動；二是提醒學生用科學原則去解釋他們遇到的科學問題；三是給學生提供理解科學探究過程的機會（Linn，2012）?！白尶茖W觸手可及”的原則可以貫穿整個探究過程，包括讓學生做出預測，開展一個簡單實驗，基于預測解釋實驗結果等。

“讓思維看得見”是指在課堂中任何可能的地方實現思維的可視化。學生思維的可視化是讓教師看到學生的想法。在傳統課堂中，學生只在家庭作業或考試中可視化他們的想法，在課堂上這么做的機會并不多；技術增強的學習環境為學生思維的可視化提供了更多機會和多樣化的方式。同時，思維可視化也幫助學生更好地理解他們自己的想法并加以反思。促進學生思維可視化的方法有：對研究結果進行預測、對研究寫反思論文、記日記、使用在線討論區等。另一種重要的思維可視化的方法是通過使用模擬仿真、虛擬實驗、交互可視化技術讓科學現象可視化。有些可視化可能是令人困惑的或者容易誤導別人的。但WISE和CLP中使用的可視化取得了成功，主要是由于可視化允許學生分析控制的試驗，幫助學生建立起與熟悉場景之間的聯系，允許學生對研究結果進行敘述。可視化把學生的注意力指向關鍵和實質的信息（Linn et al.， 2010）。

“幫助學生向他人學習”指要讓學生之間相互學習。學生在與同伴進行討論交流的過程中可以拓展自己的想法，為科學現象提供來自不同角度的、更加全面的例子，從而加深對復雜科學知識的理解。傳統課堂上，有很多鼓勵學生之間進行交互的活動，但能促進相互學習的并不多。課堂討論總是遵循著一個陳舊的模式，一部分學生已經知曉老師問題的答案，另一部分學生卻跟不上討論從而無法受益。在這種常規的課堂討論中，學生和同伴間的信息交換很少，那些持有不規范想法的同學也難有機會建立起他們想法之間的聯系。為了促進同伴學習，我們組織學生開展調查，進行在線討論，他們可以通過考慮同伴的想法而拓展自身的想法庫，進而通過建立一定的標準辨分出好的想法。

“促進學習自主”即培養學生終身學習科學的意識，掌握自主學習的能力，使他們在遇到新的科學工程問題時能夠根據已有知識和經驗做出響應并解決問題。為了實現這條原則，應該設計能夠促進學生自主地整合和評估自己觀點的教學活動，促進學生的自我反思。自我反思不僅可以培養學生對科學主題的連貫理解，還可以鍛煉學生對科學的自主推理能力。WISE項目通過探究地圖、提示、線索和數據分析工具等來支持學生的自主學習。其中探究地圖可以給學生提供科學探究的概況，學生再次遇到類似的問題，可以采用這樣的形式開展探究活動。學生根據提示所做的筆記反映了他們對科學問題的理解，可以此來判斷他們的知識整合情況。在設計WISE項目時，選擇那些學生在生活中會遇到的事例和現象，以便他們再次遇到時能夠回憶起已學的知識，并解決問題。另外，WISE學習環境支持學生自定步調地學習，參考新的信息，批判性地看待論據以及構建知識，這種環境能幫助學生掌握終身學習的技巧（Petra et al.，2016）。因此，WISE項目中的活動可以促進學生學習的自主性。

訪談者：“思維可視化”是WISE科學探究的特色之一。在中國，也有很多學者和教師關注思維的可視化，他們大多采用概念圖或思維導圖來可視化他們的思考。但在WISE項目中，概念圖或思維導圖并不常見。請問您的“可視化”指的是什么？

馬西婭·C·林教授：在我們的研究情境中，思維可視化分為三種不同的類型：學生思維可視化、教師思維可視化和科學思維可視化。學生思維可視化旨在讓學生清晰地表達出自己的想法，便于教師了解學生的想法，從而針對學生存在的問題更好地改善課堂教學，同時對學生的學習情況和進步情況給出客觀全面的評價。教師思維可視化即展現出教師的想法，目的之一是幫助學生理解教師是如何解決科學問題的。例如，Linn和Clancy （1992）通過案例教學給學生提供專家解決問題的過程從而讓學生學習專家是如何設計程序解決問題的?？茖W思維可視化是指通過創建模型、仿真、數據圖形等方式使科學現象可視化。概念圖或思維導圖只是學生或教師思維可視化的一種圖形化工具，并不是唯一的形式，在WISE中有很多功能可以實現上述三種類型的思維可視化。技術的運用使思維可視化變得更加方便快捷。

為了使學生思維可視化，WISE項目中運用多種不同的提示語引導學生表達他們的想法，這些提示語通常出現在“筆記”（Note Window）、“討論”（Discussion Tools）和“展示與表達”（Show and Tell）模塊中。通過對25個WISE項目中450條提示語的分析，我們發現可分成三類：認識論提示、元認知提示和促進知識整合的提示（Linn et al.，2010）。認識論提示讓學生思考科學本質問題。元認知提示一方面提醒學生對他們在活動中的表現進行檢測和評價，另一方面提醒學生在參與學習活動前做出預測或回憶已有知識。促進知識整合的提示則用于引導學生在不同想法間建立聯系，讓學生運用一定的標準對學習內容進行批判或比較，讓學生對和新想法相關的證據進行具體說明，或讓學生收集數據對結論進行解釋等。以上不同類型的提示語幫助學生從不同方面將其思維可視化，幫助課程開發者完善課程項目，為教師對學生的學習情況給予全面客觀的評價提供依據。

教師對學生筆記和學習活動的反饋能夠讓學生了解自己的知識理解程度以及學習的表現，對于促進學生完成知識整合和改進學習十分重要。在WISE中，教師思維的可視化主要是指為教師提供對學生想法做出反饋和對學生作品進行打分的平臺，讓學生了解教師的觀點。教師可以看到學生的筆記并給出具有針對性的評價，以幫助學生完善自己的想法。

WISE中創建了很多模型、仿真，并利用可視化技術實現科學思維可視化，使學生能夠直觀地看到諸如化學反應、細胞分裂等難以直接觀察到的科學現象；同時這些模型、仿真等也可以幫助學生展現他們的想法。例如，通過“熱棒”模型呈現熱在不同材料中的流動速度，幫助學生就熱現象進行推理（Lewis et al.，1993）。在“海底大捕撈”（Ocean Bottom Trawling，What A Drag?。╉椖恐校ㄟ^5個“小魚游泳比賽”的仿真實驗幫助學生直觀地理解棲息地破壞的影響以及與生物進化間的關系（Donnelly et al.，2016）。

訪談者：您還提出了知識整合的四大過程：誘出想法（知識）、添加想法（知識）、辨分想法（知識）、反思與整理想法（知識）。請問它們的具體含義是什么？具體實現起來，又都有哪些具體的策略？

馬西婭·C·林教授：知識整合教學理論尊重學生關于科學現象的已有想法并將它們置于科學教學的中心位置，學生帶到科學課堂中的想法是知識整合的開始。為了指導科學課程設計，實現學生對知識的深層次理解，我們提出了知識整合的四個過程（如下圖所示）。

圖 知識整合過程

誘出想法（知識）即讓學生充分呈現他們的已有想法（知識），將學生思維可視化。學生在進入科學課堂之前，就已經有很多對于某個科學現象的想法，這些想法是有用的、多樣化的，并受所處文化環境的影響（Eylon & Linn，1988）。相對于不考慮學生已有想法的材料而言，基于學生已有想法設計開發的教學材料更能促進學生的學習（Vosniadou，2008）。想法只有被清晰地表達出來，才能被重新考量和評價，因此知識整合的第一個過程要盡可能地引導學生清晰地表達出他們對某一科學現象已有的所有想法，這樣才可以確保學生有機會在他們的已有想法和教學主題之間建立聯系，才能更好地對比、比較和區分這些想法，促進知識的整合。學生的想法具有豐富的情境性，因此為了成功誘出學生的已有想法，教學設計者應設計涵蓋某個科學主題的廣泛情境供學生參考。在WISE中，引導學生表達已有想法即將學生思維可視化。讓學生對觀察或實驗結果做出預測、頭腦風暴法、畫圖法、借助模擬仿真進行虛擬實驗等都可以幫助學生表達已有想法。了解學生對某個科學話題已有的想法，并以此為基礎展開教學，能夠取得較好的學習效果（White & Gunstone，1992；Zhang & Linn，2008；Ben-Zvi et al.，2010）。

添加想法（知識）即增加規范的科學概念（知識），且新增知識能夠與學生已有想法或相關經驗建立聯系，促進學生形成對某科學概念的連貫理解。科學課程中，教師善于給學生提供大量的科學概念，卻忽略了學生能否真正地理解和建構這些科學概念。很多科學概念是抽象的、難以理解的（Driver，2015），教師不能孤立地給學生提供這些抽象觀點，而應思考如何將新的科學概念與學生已有想法建立聯系，以怎樣的形式呈現這些科學概念才能幫助學生理解。在WISE項目中，增加規范科學概念的方式主要有三種（Linn et al.，2010）：第一種是使用交互可視化技術將科學思維可視化，這豐富了科學概念的表征形式，使學生能夠觀察小到化學反應、大到太陽系等難以觀察到的科學現象。例如，在“板塊構造”項目中，將難以觀察的板塊邊界、巖漿對流和地質特征以圖片、動畫等可視化形式展現出來，方便學生理解性地增加新的科學概念（Gerard et al.，2010）。第二種是使用敘述性關鍵案例，讓學生在熟悉的情境中學習新的科學概念。例如在理解熱平衡和熱流動時，讓學生比較在寒冷的冬天和炎熱的夏天，操場上的金屬和木頭摸起來的感覺如何，學生可以準確地預測出結果。第三種是引導學生開展關于某一科學現象新觀點的實驗。例如在“海底捕撈”項目中通過虛擬實驗讓學生理解相關科學概念。

辨分想法（知識）即辨別區分不同的想法（知識）。學生在互聯網、教科書、實驗、個人經歷、家庭等不同情境中都能產生一定的科學想法，但這些想法并非都是正確的，有些錯誤想法并不利于學生建構連貫的科學理解，因此學生需要辨別和區分哪些想法是更有價值、更有效和更合理的（Linn & Eylon，2011）。辨別區分想法的好壞需要學生建立區分標準，而建立標準的方法是使用科學證據，這就要求學生理解科學證據是什么，懂得如何收集和評價證據，并且能夠基于證據進行合理的論證。學生通過科學實驗和其他方式收集證據，參與和同伴的辯論活動，建立區分不同想法的標準。在WISE中，諸如感覺生成器（Sense Maker）、科學模型、仿真、虛擬實驗和“寫一封倡議信”等活動都可以幫助學生收集相關科學證據。

反思和整理想法（知識）即鼓勵學生通過反思對想法（知識）進行整理。在某個科學主題的課程結束后，學生將擁有三類想法（課程學習前已有想法、課程中提供的規范科學概念、課程學習中自動生成的新想法），而學生傾向于保持原有的不規范想法，這些想法并不能自動和科學課堂中獲得的想法相整合，因此科學教學應該提供活動和時間引導學生將這三類想法進行整合，即整理想法。學生通過對比、思考和重新評估先前已有想法，找到各想法間的聯系并解決自相矛盾的想法，形成對某個科學現象連貫的理解（Slotta & Linn，2009）。在WISE項目中，寫反思筆記、總結論據、參與辯論和以圖表的形式展現想法間的結構是引導學生反思和整理想法的常用方法。例如，在“有絲分裂”項目中要求學生反思他們的想法與科學家想法間的差異，在“板塊構造”項目中讓學生構建科學模型解釋地貌形成的過程及原因并通過同伴評價不斷修改和完善模型。

訪談者：建構主義學習理論為人類學習提供了很好的理論指導。但在如何評價學習效果方面總是面臨著重大挑戰。請問您是如何評價學生的知識整合效果呢？

馬西婭·C·林教授：我們非常注重課程和評價的一致性，因此課程和評價的設計與開發都依據知識整合框架。學習評價應依據學習目標，知識整合的目標是學生能夠運用多方面的證據解釋科學概念，形成連貫的科學理解，因此知識整合的評價應關注學生是否形成了連貫的科學理解，能否應用證據聯結不同的觀點。過程性評價主要用于了解學生學習情況，根據學生實際情況不斷完善課程項目；總結性評價用于了解學生的進步情況。在設計測試題時，我們并不采用學生通過死記硬背就可以回答的題目，而是采用一些讓學生利用證據做出論證的題目。在回答這些題目時，學生需要辨分很多相關的概念，并通過模擬、仿真、交互可視化技術、虛擬實驗等獲得證據，然后進行論證。這些題目可以考察學生對科學知識理解的廣度和深度。知識整合的題目可以用在課堂教學過程中作為過程性評價，通過將他們的想法呈現給教師，他們可以了解自己的觀點哪些是不正確或片面的，從而建構起對科學知識的連貫性理解；也可以用在總結性評價中，了解學生累積式理解的情況（Fulgham & Shaughnessy， 2014）?？偠灾?，我們課程和評價的設計都旨在幫助學生辨分各種想法，在一些有用的想法基礎上幫助學生形成對科學的連貫的、準確的理解。這個過程也幫助學生學會如何處理遇到的新信息，并運用這種方法不斷完善他們的想法。

具體操作上，我們常常采用二階問題來對學生進行評價。二階問題由一道選擇題和一道問答題構成，問答題讓學生對在前面選擇題中所做的選擇做出進一步解釋（表1就是一個二階問題的例子）。對于問答題，我們采用知識整合量規進行評分，表2是針對表1中的問答題設計的知識整合量規。

三、 知識整合教學理論的發展展望

訪談者：知識整合理論已經誕生很長一段時間了，相信您和您的團隊也在不斷通過研究刷新對它的認識。您覺得您對知識整合理論的認識都經歷了哪些階段？現在的認識和您最初提出時都有哪些最大的不同呢？

馬西婭·C·林教授：1995年，為了捕捉知識整合如何為學習者提供支持，我們提出了支架式知識整合（Scaffolded Knowledge Integration，簡稱SKI）。SKI中提出了前文說到的讓科學觸手可及、讓思維可視化、讓學生向他人學習和促進學習自主四大指導原則。2000年，在對CLP課程持續改進10多年后，我們對指導原則進行了細化（Linn & Hsi， 2000）。2004年，我們總結出符合這些指導原則的設計原則（Linn et al.，2004）。2006年，卡里（Kali）創造了一個以SKI指導原則為基礎的設計原則庫 （Kali，2006）。同年，我與埃?。‥ylon）合作，開展了聚焦學生知識整合時學習軌跡的案例研究。這些工作讓我們識別出了知識整合的模式和過程（Linn， 2006；Linn & Eylon，2006）。

隨后的研究不斷對知識整合過程進行改進，并在多種不同的情境下對理論進行了驗證，這些情境包括多個學科（工程、生物、物理、化學、地球科學、代數、心理學）、不同年齡群體（小學、初中、高中和大學）、不同受眾（學生、教師和家長）以及不同的環境（校內和校外）。具體的研究項目對理論進行了拓寬，使之能夠指導如何使用可視化、圖表、動手和協作等技術進行學習和教學。

訪談者：如今，技術的發展日新月異，不斷給教育帶來新的可能。作為技術促進科學學習的專家，您覺得在新的技術環境下，知識整合研究又取得了哪些新發展呢？將來的發展方向又是什么？

馬西婭·C·林教授：知識整合理論可謂是與教育技術肩并肩前行。一開始的論文在兩個技術增強的環境中提出了第一條知識整合設計原則。一個是計算機科學領域的本科生學習Pascal語言的案例（Clancy & Linn，1992），另一個是CLP項目中中學生在Apple II電腦上利用實時采集的數據學習熱動力學的案例。從1985年開始，我們使用伯克利的計算機實驗室和中學里的Apple II電腦開展技術環境下的學習研究。那個時候的計算機都還是單機。

然后，互聯網興起了，并于1992年成為了全球的標準，那時已有上百萬臺計算機連入了互聯網②。與此同時，瀏覽器問世了。1994年，我們獲得資助并開發了知識整合環境（Knowledge Integration Environment ，簡稱KIE）。KIE是一個基于瀏覽器的課程環境，瀏覽器也迅速從Mosaic③切換到網景（Netscape） （Bell & Linn，2000；Davis & Linn，2000；Hoadley & Linn，2000）。1998年，我們再次獲得資助，這次我們研發了WISE并用之迅速取代了KIE。我們測試了很多瀏覽器，希望可以兼容各學校里使用的不同的計算機。瀏覽器技術的進步為支持學生間協作，并為教師監控學生學習進度提供了可能。將實時數據采集功能集成到WISE中要比開發瀏覽器支持的課程材料更難一些。

WISE已經升級了多個版本，每一個版本都比之前的版本能更好地支持可視化、圖表、數據分析、概念圖和協作等活動。教師工具的功能得到不斷增強，教師能夠對學生作業進行評分。研究者工具的功能也不斷豐富，他們可以通過學生的訪問數據分析學生學習的效果。結合日志功能和教學工具，WISE可以把學生隨機分配到不同的問題情境或分支中去，并支持對學生學習進度的自動評分。當前的WISE 5.0版本提供了一個非常靈活的用戶界面、易于教師使用的編著工具以及非常強大的日志功能。

最近，我們又探索了一些新技術的使用，如自然語言處理和貝葉斯知識跟蹤（Bayesian Knowledge Tracing）等。WISE和知識整合也都隨著新技術的采用而不斷得到發展。

訪談者：在學習您的論文和著作的過程中，我們發現您不僅僅給出了知識整合取向的學習原理，還給出了與之對應的教學設計原則和大量案例。那么，知識整合到底是一種學習理論，還是一種教學理論呢？

馬西婭·C·林教授：本質上，知識整合是一種教學理論，它描述了學生在應對（Grapple with）多樣化知識時面臨的挑戰，同時也為（教學）設計者提供了思考如何設計、評價和改進教學的框架。設計原則庫對其中的一些原則進行了詳細的描述 （Kali，2006），也有很多論文對這些原則進行了細化的闡述（Gerard et al.，2015；McElhaney et al.，2014）。WISE科學探究環境根據知識整合的原則而設計，為知識整合的關鍵環節提供了良好的技術支持，因而可以用來支持知識整合型教學的實施。（Donnelly et al.，2015；Matuk et al.，2016）。

訪談者：最后一個問題，您現在的主要研究領域是科學教育，請問知識整合理論是科學教育領域的獨有理論，還是各學科都適用的通用理論呢？

馬西婭·C·林教授：前面我們談過，知識整合教學理論源于我在科學教育領域和計算機科學領域開展研究的過程中發現的共性的東西。我想它的應用并不局限于這兩個學科。對已有想法的誘出、對新想法的添加、對新舊想法的辨分以及對想法進行反思與整理適合于任何領域的學習。略有不同的是，自然科學領域有著相對客觀的標準來衡量建構的知識的對錯，而在諸如歷史、政治等人文科學領域中建構出來的知識要相對主觀和開放一些。

訪談者：非常感謝您接受我們的訪談。

致謝

特別感謝Linn教授團隊的研究科學家Libby Gerald ，博士后Jennifer King Chen、Ady Kidron和Eliane Wiese，博士生Emily Harrison、Elizabeth Mcbride和Korah Wiley在訪學交流中對知識整合思想的解讀。感謝 David Crowell幫助搜集和復印資料。感謝Jacqueline Madhok博士熱心的關懷。 感謝Yixiao Zhang、王偉初和段艷艷同學幫忙校對全文。

注釋：

① 美國中學生指初中生。

② http：//www.computerhistory.org/timeline/networking-the-web/。

③ Mosaic是全球最早一款可以顯示圖片的瀏覽器名。

參考文獻：

[1]Ausubel， D. P.， & Fitzgerald， D. （1961）. The Role of Discriminability in Meaningful Learning and Retention[J]. Journal of Educational Psychology， 52： 266-274.

[2]Bell， J. E.， Linn， M. C.， & Clancy， M. （2016）. Knowledge Integration in Introductory Programming： CodeProbe and Interactive Case Studies[J]. Interactive Learning Environments， 4（1）： 75-95.

[3]Bell， P. & Linn， M. C. （2000）. Scientific Arguments as Learning Artifacts： Designing for Learning From the Web with KIE[J]. International Journal of Science Education （Special Issue）， 22（8）： 797-817.

[4]Ben-Zvi， R.， Eylon， B.， & Silberstein， J. （2010）. Students' Visualization of a Chemical Reaction[J]. South African Journal of Higher Education， 14（3）： 161-168.

[5]Bransford， J. D.， Brown， A. L.， & Cocking， R. R.（Eds.）.（2000）.How People Learn； Brain， Mind， Experience， and School[M]. Washington， D.C.： National Academy Press.

[6]Clancy， M. J. & Linn， M. C. （1992）. Designing Pascal Solutions： A Case Study Approach （1st ed.） [M]. New York： W. H. Freeman.

[7]Clark， D. B.， & Sampson， V. （2008）. Assessing Dialogic Argumentation in Online Environments to Relate Structure， Grounds， and Conceptual Quality[J]. Journal of Research in Science Teaching， 45（3）： 293-321.

[8]Davis， E.， & Linn， M. C. （2000）. Scaffolding Students' Knowledge Integration： Prompts for Reflection in KIE[J]. International Journal of Science Education （Special Issue）， 22（8）： 819-837.

[9]Donnelly， D. F.， Namdar， B.， & Vitale， J. M. et al.（2016）. Enhancing Student Explanations of Evolution： Comparing Elaborating and Competing Theory Prompts[J]. Journal of Research in Science Teaching， 53（9）： 1341-1363.

[10]Donnelly， D. F.， Vitale， J. M.， & Linn， M. C. （2015）. Automated Guidance for Thermodynamics Essays： Critiquing Versus Revisiting[J]. Journal of Science Education and Technology， 24（6）： 861-874.

[11]Driver， R. （2015）. Children's Ideas in Science [M]. Open University Press.

[12]Eylon， B.-S.， & Linn， M. C. （1988）. Learning and Instruction： An Examination of Four Research Perspectives in Science Education[J]. Review of Educational Research， 58（3）：251-301.

[13]Fulgham， S. M.， & Shaughnessy， M. F. （2014）. Q & A with Ed Tech Leaders： Interview with Marcia C. Linn[J]. Educational Technology， 54（2）： 32-38.

[14]Gerard， L. F.， Matuk， C. F.， & McElhaney， K. W. et al.（2015）. Automated， Adaptive Guidance for K-12 Education[J]. Educational Research Review， 15： 41-58.

[15]Gerard， L. F.， Spitulnik， M.， & Linn， M. C. （2010）. Teacher Use of Evidence to Customize Inquiry Science Instruction[J]. Journal of Research in Science Teaching， 47（9）： 1037-1063.

[16]Hoadley， C. M.， & Linn， M. C. （2000）. Teaching Science Through Online， Peer Discussions： Speakeasy in the Knowledge Integration Environment[J]. International Journal of Science Education， 22（8）： 839-857.

[17]Kali， Y. （2006）. Collaborative Knowledge Building Using the Design Principles Database[J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning， 1（2）： 187-201.

[18]King， A. （1992）. Comparison of Self-Questioning， Summarizing， and Notetaking-Review as Strategies for Learning from Lectures[J]. American Educational Research Journal， 29（2）： 303-323.

[19]Lewis， E. L.， Stern， J. L.， & Linn， M. C. （1993）. The Effect of Computer Simulations on Introductory Thermodynamics Understanding[J]. Educational Technology， 33（3）： 45-58.

[20]Linn， M. C. （1995）. Designing Computer Learning Environments for Engineering and Computer Science： The Scaffolded Knowledge Integration Framework[J]. Journal of Science Education & Technology， 4（2）： 103-126.

[21]Linn， M. C. （2000）. Partners in Learning[J]. Ubiquity， 2000（May）： 8.

[35]Reiner， M.， Slotta， J. D.， & Resnick， L. B. （2000）. Naive Physics Reasoning： A Commitment to Substance-Based Conceptions[J]. Cognition & Instruction， 18（1）： 1-34.

[36]Slotta， J. D.， & Linn， M. C. （2009）. WISE Science： Web-Based Inquiry in the Classroom [M]. Teachers College Press.

[37]Songer， N. B.， & Linn， M. C. （1991）. How Do Students' Views of Science Influence Knowledge Integration？ [J].Journal of Research in Science Teaching， 28（9）： 761-784.

[38]Vosniadou， S. （2008）. International Handbook of Research on Conceptual Change[M]. Florence： Routledge， Taylor & Francis Group.

[39]Vygotsky， L. S. （1977）. Mind in Society： The Development of Higher Psychological Functions[J]. Russian Social Science Review， 18（3）： 161-168.

[40]White， R.， & Gunstone， R. （1992）. Probing Understanding[M]. London： The Falmer Press.

[41]Zhang， H. Z.， & Linn， M. C. （2008）. Using Drawings to Support Learning from Dynamic Visualizations[A]. Proceedings of the 8th International Conference of the Learning Sciences [C]： 161-162.

收稿日期 2017-12-03 責任編輯 汪燕