從學習科學到教學實踐變革*——教師學習科學素養提升的關鍵概念與有效教學策略

梁林梅 李 志,2

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從學習科學到教學實踐變革*——教師學習科學素養提升的關鍵概念與有效教學策略

梁林梅1李 志1,2

（1．河南大學 教育科學學院，河南開封 475004；2．河南省教育信息化發展研究中心，河南開封 475004）

文章在總結和分析20世紀以來人類對學習研究所經歷的三個主要發展階段及學習科學與教學實踐之間關系發展三個階段的基礎上，構建了教師學習科學素養提升的關鍵概念圖譜，并總結、提煉了基于學習科學的有效教學策略。此外，文章建議引入能夠溝通學習科學研究、教學實踐變革和教育政策制定的“教育工程師”橋梁角色，以推動學習科學理論向教學實踐的轉化，實現兩者之間互惠互利的“雙向道”發展。

學習科學；教師學習科學素養；教學實踐；教學策略；教育工程師

引言

20世紀以來，人類對學習的研究主要經歷了三個發展階段：①動物是如何學習的。這一階段關于學習的研究和學校的教學實踐相脫節，其代表性觀點為行為主義學習理論——學習即強化反應，而高效教學的關鍵在于“訓練”。該理論流行于20世紀早期，適合于基本技能的訓練和相對低階的教學目標，是大部分教師接受和認可的學習觀。②機器是如何學習的。在此階段開展了一系列影響深遠、意義重大的關于人類記憶和信息加工過程的研究、關于專家和新手的比較研究及關于人類問題解決的研究，其代表觀點為認知心理學派的“學習是獲得知識”，而高效教學的關鍵在于“記憶”。這一理論廣泛流行于20世紀中期，適合于基本事實的教學。這也是教師普遍接受和認可的學習觀，但絕大多數教師對于人類記憶的具體過程、知識獲得和儲存的基本原理及問題解決的高階思維研究知之甚少。③人是如何學習的。在認知科學已有研究成果的基礎上，在20世紀90年代誕生了一個全新的研究教與學的跨學科領域——學習科學[1]。學習科學把對學習研究的焦點回歸到人自身，倡導在真實的學校和課堂情境中研究學習，強調“問題驅動”的教育科學研究范式。“學習是知識建構”是關于學習本質認識的代表性觀點，而高效教學的關鍵在于學習者的“主動建構”。該理論適合復雜概念、策略學習及高階思維的教學。這一時期關于學習的研究，超越了經典認知心理學，只關注個體學習的狹窄視野，開始將個體的學習置于更廣泛的歷史、社會、文化等多樣化學習情境之中，并且突破了笛卡爾“身心二元論”的認識觀，開拓了以“具身認知”為代表的第二代認知科學研究新范式[2]。盡管這一時期關于學習本質和理論的研究取得了長足發展，然而在實踐中絕大多數教師只知道或只記住了“建構”及“建構主義”這一術語，并沒有真正理解學習者“主動建構”的認知過程，更缺乏實踐“主動建構”教學的內在動機。由于教師“建構觀”的缺失，導致近年來流行的基于建構主義學習理論的、以學生為中心的教學模式（如探究性學習、合作學習、翻轉課堂、項目學習等）在學校教學實踐中難以被廣泛地接受和推廣。

相較于過去以實驗室為主的對學習的孤立研究，學習科學更倡導在真實學習情境中研究復雜的學習問題，將科學知識的發現和創新與應用學習科學改進教學實踐作為其同等重要的宗旨和目標。然而在現實中，研究和應用之間總存在鴻溝[3]。如何將學習科學專業人員的研究成果轉化為指導一線教師教學實踐的可操作性教學策略，如何在學習研究和與教學實踐之間架起一座有效應用的“橋梁”，一直是困擾著人們的難題。

二 學習科學與教學實踐關系發展的三個階段

美國著名心理學家、加州大學圣巴巴貝拉分校心理學教授、美國心理學會“心理學應用于教育和培訓杰出貢獻獎”獲得者Mayer一直在關注如何將學習理論、學習科學的研究成果轉化為教師的教學實踐，他總結了近一百年來學習科學和教學實踐二者之間關系發展所經歷的三個階段：①20世紀早期，是從學習理論到教學實踐的“單行線”階段，基礎研究者建立學習科學，實踐工作者將其應用到教學中。②20世紀中期，是兩者互不認可、難以交流的“死胡同”①階段，基礎研究者忙于在人為的實驗情景下構筑自己的學習理論，而應用研究者根本看不上這些成果；應用研究者關注什么樣的教學策略、方法是最有效的，至于它們是如何起作用的則不予深究，這種做法同樣也被基礎研究者所鄙視。③20世紀后期至今，是兩者互惠互利的“雙向道”階段，學習科學家逐漸將其研究領域擴大到真實的學習情景中，教育工作者同時也開始重視關于學習的相關研究，并要求學習科學的研究者構建一種學習理論，以解釋真實教學情景中的學習問題[4]。

關于學習科學和教學實踐的關系問題，《劍橋學習科學手冊》主編、美國北卡羅萊納大學教堂山分校教育學院教授、國際知名學習科學家Sawyer[5]進行了這樣的反思：學習科學研究迄今已開展近30年，人們開始相信那些基于學習科學的學校和教師能給學生帶來更有效的學習；但現實中學校依然維持著幾十年前的做法，學習科學研究與教師實踐之間仍然存在脫節的現象。美國國家教師專業發展委員會前任主席Sousa[6]基于自己多年來將學習科學應用于學校教學實踐的經驗，指出將實驗室的研究成果應用于實踐，并最終導致課堂和學校的轉變，需要一個長期的、堅持不懈的過程。Mayer[7]則呼吁要將學習科學最重要的主張和觀點向“入門者”普及，要加強“應用學習科學”的研究和實踐，即基于人是如何開展學習的知識，去開發有實證依據的教學方法（策略）來幫助人學習。尚俊杰等[8]也呼吁：在教師培養上應增加學習科學相關的知識技能，提高一線教師的學習科學素養，保障學習科學在實踐中落地。

三 教師學習科學素養提升的關鍵概念分析

本研究借鑒《劍橋學習科學手冊》中對于素養的闡釋：“在特定的社會和文化境脈中交流和完成目標所需要的所有實踐”[9]，將教師的學習科學素養界定為“在新的學習環境和學習生態中，為了達成21世紀的教育目標，教師基于學習科學（包括腦科學）的基本原理、適當的教學策略和已有的教學經驗，改善自身教學實踐的素質與能力”，并依照“知識觀—學習觀—教學觀—學習環境與教學設計觀”這樣一個邏輯體系，嘗試構建影響教師學習科學素養提升的關鍵概念圖譜，如圖1所示。

知識的傳承和創新是學校教育的重要職能，也是學生學習的主要對象。因此，對知識的理解和認識，應是教師轉變學習觀的基礎。關于知識的分類有多種維度，與教師教學密切相關的是當代認知心理學關于陳述性知識和程序性知識的分類理論，認知科學和學習科學的許多理論都是建立在這一分類基礎上的；另外，教師十分重視的教材、課本知識，屬于顯性知識的一種，而大量重要的技能性、策略性、態度情感性、情境性的隱性知識卻被教師所忽視。在布魯姆《教育目標分類（修訂版）》中，學生需要獲得和掌握的知識可分為如下四大類：事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識[10]。其中，元認知知識對于學生的學習和有效教學至關重要，其概念卻一直沒有引起教師足夠的關注和重視。

圖1 教師學習科學素養提升關鍵概念圖譜

在學習的本質方面，當代認知心理學提出了如下四個重要觀點：①人類的知識是通過建構獲得的；②人類知識的獲得包含著“重新建構”的過程；③人類知識獲得過程的制約性；④人類的大多數知識是在活動過程中獲得的[11][12]。經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）基于腦科學的研究，認為“學習被看成是一種以學習者為中心的，依賴先前知識基礎的，基于個人經驗、意愿和需求的知識建構過程”[13]。上述研究再次表明，“建構觀”的確立和在教學實踐中的有效實施是教師學習科學素養提升的關鍵環節，也是當前教育改革實踐中以學生為中心的新型學習方式變革的難點之所在。

關于學習的過程，目前比較成熟且被廣泛接受的觀點是學習的信息加工理論。當代認知心理學將人腦視作一個信息加工系統，該系統存在三種記憶模式：感覺記憶、工作記憶（短時記憶）和長時記憶。其中，工作記憶是人類高級認知活動的核心，“工作記憶容量的有限性”是制約人類學習的關鍵瓶頸之所在[14]，也是需要學生付出努力和專注投入的關鍵環節。然而教師的頭腦中普遍缺乏關于“工作記憶”的概念，也不清楚知識在長時記憶中是如何被存儲和提取的，這也是教師理解“知識建構”的關鍵點和難點，是學習科學素養提升的關鍵概念；在對學習過程的解釋方面，Mayer[15]提出了學習科學的三條原理：主動加工原理、容量有限原理和雙重通道原理。雙重通道原理表明“人擁有兩個單獨的信息加工通道，用于加工語言材料的言語通道和用于加工圖示材料的視覺通道”。該原理表明學生從“語詞+圖像”中學習比僅僅從詞語中學習更能促進信息的深度加工，多感官參與可以增強記憶和學習的效果。這一原理有力支持了教學媒體（尤其是思維導圖、微視頻等可視化學習工具等）在教與學過程中的合理運用。

在教學目標的已有研究成果中，除了布盧姆和加涅的經典研究，國際知名教育研究和改革專家Marzano[16]關于學習維度的分類也對美國中小學的教學改革實踐產生了深遠影響；教學策略是學習科學理論成果向教師可操作性教學實踐轉化的關鍵環節和重要“中介”，在學習科學的已有研究和應用中，研究者和實踐者已經共同合作提出了一系列基于學習科學的有效教學策略，本研究第四部分將詳細展開。

“理解”一直是學習科學關注的重點問題。“新學習科學的一大特色就在于它強調理解性學習……理解性學習往往比簡單記憶更難取得成功，而且它更費時”[17]。受到學習科學發展的影響，教學設計的理論和實踐也在不斷豐富和擴展。除了教師比較熟悉的經典教學設計理論及正在普及的信息化教學設計理論，美國教育評估領域的知名專家Wiggins等[18][19]提出的基于理解的教學設計（Understanding by Design，UbD）理論已經在教學實踐中產生了一定的影響。這種新型的教學設計理論認為影響學生知識建構的關鍵在于“理解”，故教學設計的重點應聚焦于學生“理解”目標的達成。UbD理論不同于以往以知識點或一節課為對象的設計，而是以更加綜合性的課程單元為教學設計對象，采用“逆向設計”（以終為始）的方法，依照“明確預期學習結果—確定可接受的證據（評估證據）—規劃相應的學習體驗和教學活動”的設計邏輯引導教師實施，并為教師的實踐提供可操作的設計模板、操作工具和教學設計案例。

3.2 中度相關指標分析 身高與體重的相關性研究早已有之，本研究再一次驗證身高與體重的正相關，男女生身高體重相關系數分別為0.425和0.433（P＜0.01），且比較顯著。

四 有效教學策略：學習科學研究的關鍵啟示

1 關于學校教學的“起點”問題

大部分教師的教育經歷和實踐經驗表明，學校教學始于大腦的認知系統（即知識的學習）。然而，腦科學的研究表明，在大腦對信息的加工過程中，尤其是在感覺記憶這一階段，影響個體生存和情緒的信息要比新認知學習的信息更優先被大腦所關注（如圖2所示）[20][21]。

圖2 人腦對不同類型的信息加工存在優先等級性

圖3 教學的思維系統圖

圖4 學習情境中注意力保持程度的變化

圖5 教學的“節奏”安排

長期以來，在學校教育過程中情緒總是被忽視[22]。隨著腦科學和教育神經科學研究的不斷深入，人們越來越深刻地認識到情緒與認知通過相互作用，來共同支持或抑制學習。丹麥學習實驗室的伊列雷斯教授指出：“近年來腦科學研究中最有關鍵性意義的發現恐怕是：在一個正常和健康的腦中，我們通常稱之為‘理智’的過程，不能離開我們稱之為‘情緒’的東西獨立發揮功能。”[23]研究者發現，情緒幾乎會影響學生的整個認知過程，包括注意、記憶、問題解決、決策等[24]。因此，教育工作者應該幫助學生學會如何調節和管理他們的情緒。

另外，大量關于人類學習的研究進一步表明，有效的學校教學不是始于大腦的認知系統，而是始于對學生“自我系統”的關注，如圖3所示[25]。Marzano認為學生的自我系統既決定了個體是否愿意從事給定的任務，也決定了在給定的任務中投入多少精力。因此，學生的“自我系統”首先會對教師或環境輸入的信息起“過濾者”的作用；接著會進入元認知系統，元認知系統會監控和調節學習者自身的學習，起到“設計者”的作用；最后才會進入學校和教師所期望的認知系統，此時知識的學習才會發生。

2 關于有效教學的“節奏”問題

認知心理學家在研究人類記憶特性時發現了首因—近因效應，即在記憶情境中，人們對最先出現的那些內容刺激記憶效果最好，其次是最后出現的那些刺激，而對處于中間位置呈現的刺激記憶效果最差。繼而，心理學家發現了學校課堂40分鐘教學時段中的“高效期”和“低沉期”現象，如圖4所示。心理學家建議教師要把重要的、有一定難度和挑戰性的學習內容放在課堂的第一個高效期進行，而且必須確保在這一段時間內所呈現的信息是正確的，要避免將寶貴的高效期時段用于課堂管理；在低沉期，應該安排學生對新的學習材料進行練習和回顧，這將有助于學習的深度加工；在第二個高效期，教師應該安排學生對學習內容進行總結和提煉，此時是學習者領悟和理解意義的重要時機。因此，課堂的結課環節至關重要，不容馬虎。

認知心理學家的研究還進一步表明，“高效期”和“低沉期”會隨著教學情景的長短變化而變化——20分鐘的教學時段“低沉期”最短（僅為2分鐘），40分鐘的上課時間低沉期為10分鐘，當學習的時長增加到80分鐘時，低沉期會占到38%。基于上述研究結果，研究者認為20分鐘的學習時間段注意力保持效果最好。因此，建議教師采用“分段教學”的方法：2個20分鐘的學習時間段比1個40分鐘的“高效期”多了20%。同時，認知心理學的研究也表明，并不是學習時段越短學習效果越好，少于20分鐘的學習時間段同樣不利于內容的掌握[26]。

美國策略教學組織主席Tileston等[27]在上述相關研究成果的基礎上，強調青春期前的孩子注意力持續時間為5～10分鐘，而青少年的注意力持續時間為10～15分鐘，進而提出了教學的“節奏”建議，如圖5所示。

3 教學中要充分調動和利用學習者的已有知識

4 練習和反饋同等重要

腦科學研究表明，人腦的發展遵循“用進廢退”的原則。經過長期訓練和反復練習，腦為這些任務分配了額外的神經元，這些額外分配的神經元或多或少被永久保留下來。因此，練習的確有助于學習保持[31]。“否認練習的重要性，實際上否認了學生獲得真正能力的途徑”[32]。

在強調練習對有效教學重要性的同時，認知心理學家還指出：反饋與練習同等重要。“只有把練習和反饋有效地結合起來，才能充分發揮兩者的作用……當學生在練習過程中得不到足夠反饋時，無效練習的問題會更嚴重”[33]。關于教學實踐中爭議較多的集中式練習與分散式練習的問題，心理學家建議應該首先運用集中式練習快速學習，然后進行分散式練習以達到保持。研究者還強調，相比于集中練習，分散練習有時候會使學習更緩慢，但往往也會提高對學習材料的永久記憶。因此，學生學習某些東西的速度并不一定是學得好的指標[34]。相關研究還發現，在不同的學習階段，練習所達到的效果是不一樣的——與學習進程的中期階段相比，在學習的早期和晚期，練習的作用都相對較小[35]。

5 關于課堂問答的有效策略

有效的課堂問答通常包含提出問題、等待時間和回答/反饋三個環節：①關于問題的類型。國內外的相關研究成果表明，教學實踐中教師經常提出的大多是那些只需要學生對事實進行基本回憶的具有記憶性、回憶性、封閉性的簡單、低級問題，很少提出理解性、開放性的高階思維問題，創造性問題就更少了，因此很難引發學生的深度思考、深層次理解和深度學習[36][37][38]；②關于提問后的等待時間問題。研究者發現大部分教師由于教學進度或教學任務要求的限制，課堂上留給學生的等待時間都不夠充分。實際上教師期待學生能夠在片刻間對高水平的問題給出富有洞察力的、創造性的回答是不切實際的[39]。心理學的研究表明，當教師將等待時間適當延長后，學生會使用更多的證據來支持自己的推斷、會引發更多的高級思考反應。對于教師自身而言，等待時間的適當延長可以督促教師提出更高級別的問題[40]。當然，如果教師留給學生的等待時間太長，會增加一些學生的挫折感，而另一些學生則有可能不再專注于問題而開始做一些其它的事情。因此，等待時間的長短取決于學生的需求和問題的難易程度；③關于教師回應學生問題的方式。如果在課堂教學中教師遇到了無人回答或學生回答錯誤（不準確）的情況，這時教師要避免直接說出答案。教師可以給出相關的提示，并鼓勵更多的學生主動參與到思考活動中來[41]。另外，對于那些復雜的高階問題，第一個學生的回答并不是問題的結束，可以借助進一步的追問引導學生開展積極的、持續性的問題探究，最終形成“問題鏈”，以拓展學生對問題的深入思考，提高其高階思維能力。

6 如何幫助學習者主動參與

關于人類記憶的已有研究成果表明：“教師無法簡單地直接把信息傳遞到學生的長時記憶中”[42]，“當學習者積極參與自我知識建構時，他們對知識的理解會更深入、更概括，動機也會更強。”[43]因此，如何確保教學中學生的主動參與，是有效教學的關鍵之一。研究者建議教師采取如下教學策略：①幫助學習者提出與他們的興趣和未來需求相一致的學習目標。學生的學習目標不完全等同于教師的教學目標，不是從外部由他人設定的，而是形成于學習過程的內部，是由學習者自己設定的。Marzano通過研究發現，設定學習目標的班級平均分數比不設定學習目標的平均分數要高出0.55個標準差[44]。②避免讓學生長時間被動聽講。關于腦科學的研究再次表明，講授法已被證明是一種對大多數學習者來說最沒有效率的學習方式，因為該教學方法所引發的學生參與和心理復述極少[45]，但現實中講授法依然是教師最流行的講課方式。③充分利用多媒體（尤其是多種可視化方法）支持學生的學習，引發學生的多感官參與。

五 結語

面對學習科學研究和教學實踐之間存在的巨大鴻溝，Sousa[46]感嘆道：“幾百年來，教師們傳道授業卻并不太了解人腦究竟是如何運作的……教學就像早期的醫學，實質上是一種藝術形式”。Mayer等都提出了需要在學習研究和教育實踐之間架起“雙向互惠”的深度合作。德國烏爾姆大學成立了“神經科學與學習轉化中心”，以開展神經科學知識與教學方法相結合的研究[47]。在推動將學習科學的學術成果應用到教學實踐方面，研究者發現除了教師因素，教育政策的制定者也非常關鍵：“學習科學家通常對‘人如何學習’已有相當多的認識，但對教育政策、學校改革和機構變革所知不多……學習科學（腦科學）不能解決政策問題”[48]。鑒于“學習科學家不善于用教育者可理解的話語來傳達關于腦的研究成果，而現有教師由于知識結構的問題尚不具備開發基于腦的教學策略的能力”[49]，哈佛大學教育學院教授Fischer建議在兩者之間加入一類“中介者”或“轉換橋梁”的角色，并將該角色稱為整合科學研究、教育實踐與教育政策的“教育工程師”，其職責在于“專門負責創建實踐和研究之間的有用聯結”[50]，幫助教師理解和接受新的學習科學的研究成果，并鼓勵和支持教師在教學中運用。

教學設計一直以來作為連接教育理論和實踐之間的橋梁學科，理應學習和吸納學習科學及教育神經科學研究的最新成果，使教學設計專業人員能夠承擔起Fischer所提出的連接學習科學研究、教師教學實踐和教育政策制定三者之間“教育工程師”的角色，以共同推進基于學習科學的教學科學化發展和變革進程。

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①注：摘自韋鈺.心智、腦和教育[A].蔣凱.北大講座:教育卷[C].北京:北京大學出版社,2010:7.

Transformation from Learning Sciences to Instructional Practice——Key Concepts and Effective Instructional Strategies for Improving Teachers’ Learning Sciences Literacy

LIANG Lin-mei1LI Zhi1,2

Based on the analysis and summary of the three main stages of research on human learning, and the three stages of the relationships between learning sciences and instructional practice, the article constructed a key concept map for teachers to improve their learning sciences literacy, and summarized the effective instructional strategies based on learning sciences. Moreover, the article proposed to introduce the bridge role of “educational engineer” in order to communicate with learning sciences research, the transform of instruction practice and educational policy makers. Finally, to promote the transformation of learning sciences theory into teaching practice, and realize the “two-way” development of mutual benefit between the two.

learning sciences; learning sciences literacy of teachers; instructional practice; instructional strategy; educational engineer

G40-057

A

1009—8097（2018）12—0013—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.12.002

基金項目：本文為國家社會科學基金“十三五”規劃2016年度教育學一般課題“基于在線課程的中小學混合學習‘USSC’實施模式研究”（課題編號：BCA160049）的階段性研究成果。

梁林梅，教授，博士，研究方向為教育技術基礎理論、國際比較和教育信息化與學習變革，郵箱為50468167@qq.com。

2018年9月2日

編輯：小西