國際科學教育領域學習進階研究的知識圖譜分析及思考
——基于WOS數據庫中SSCI、SCI期刊文獻的分析

王梓涵，夏 晶，陳 凱

(1.南京曉莊學院環境科學學院，江蘇南京，211171；2.湖南師范大學附屬黃埔實驗學校，廣東廣州，510530)

一、研究背景

學習進階(Learning Progressions，LPs)，也稱學習進程。2005年美國國家研究委員會(NRC)首次提出學習進階的概念，認為學習進階是對學生在不同學段跨度內學習和探究某一主題時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述，一般呈現為圍繞核心概念展開的一系列依次進階、逐漸深化的思維方式。[1-3]

我國近年來也開始關注學習進階，《普通高中化學課程標準(2017年版)》明確了學科核心素養的水平進階，通過學習進階分析，確定認識方式發展進階，進而闡釋學科核心素養進階的內涵實質。[4]

由于學習進階的課程更加簡潔，因此，隨著時間的推移，學習進階可以為理解科學核心概念和實踐提供清晰的路徑。[3]在教學實踐過程中，教師可以通過學習進階構建一個框架，評估學生對核心概念的理解水平，并引導學生達到更復雜的理解水平。[5]學習進階刻畫的是學生的思維發展過程，有助于教師從本質上厘清布魯納“螺旋式課程”的開發邏輯，最終更有效地指導學生學習。隨著時間的推移，學生的思維變得更加復雜，但各個階段的學習具有典型的連貫性。

目前學界已從物理、化學、生物、數學、歷史、音樂等多個學科關注學習進階的理論研究和實證調研，并據此進行課例設計。例如，在進行高一元素化合物單元整體設計時，注重科學思維的進階學習，把學習分為三個階段，再針對這三個階段分別對知識層級、認識層級和思維層級進行劃分。第一層級“初高中知識的銜接階段”側重于分類和實驗觀察，是比較基礎的思維方法；第二層級“具體性質認識階段”側重于化學用語整理和實驗控制；第三層級“構、位、性學習階段”側重于假說、抽象表征、模型方法，這是要求比較高的思維方法。學生在化學學習中，尤其要注重科學思維的進階學習。[6]此外，在大中小學思政課程一體化建設中，基于學習進階理論的科學開發和合理利用課程資源，既能保持各學段思想政治教育成果的相互融合和持續關聯，又能建立相關知識要點和概念學習的前后張力。[7]但學習進階終究是“舶來品”，需要在摸索中對其理解升華，并進行本土化應用。

本文借助CiteSpace軟件分析了WOS中科學教育領域學習進階主題的SSCI、SCI期刊文獻，制作知識圖譜，分析國外學習進階研究的特點，試圖為我國學習進階研究提供新思路、新方法、新視角。

二、研究設計

本研究的框架選用Web of Science核心合集數據庫作為數據源，在主題中以“learning progressions”“science education”為檢索詞，設定“Document type=Article”，共得到93篇期刊論文作為研究樣本，然后運用CiteSpace 5.8.R3進行計量分析，繪制知識圖譜，直觀展示科學教育領域學習進階的研究熱點和趨勢，并選擇高頻共被引的部分文獻進行評介解讀，如圖1所示。

三、結果與分析

(一)研究熱點分析

通過CiteSpace對來自WOS的93篇國外學習進階文獻進行關鍵詞聚類分析，分別得到了7個有效聚類，如圖2所示。在聚類中需要注意Q值和S值，這兩個數據表征著聚類效果的好壞，一般認為：Q>0.3意味著聚類結構顯著；S>0.5聚類就是合理的，S>0.7意味著聚類是令人信服的。國外學習進階文獻聚類Q值為0.4431，聚類結構顯著；S值為0.7745，聚類具有可信度。

國外學習進階文獻共得到了七個聚類標簽，分別是education(教育)、#1 classroom(教室)、general public(公眾)、secondary science(中學科學)、school(學校)、energy(能源)、astronomy(天文學)，說明研究偏重學習進階的教學應用，重視基于證據的分析。

科瑞柴克(Krajcik)團隊和桑格(Sanger)團隊等課題組已經基于學習進階的研究成果開展了較為系統的教學實驗，基于學習進階進行教學設計，提升學生理解、論證、解釋一系列概念的能力。[8]學習進階描述了學生的表現如何隨著時間的推移而變化，并描述了相對于特定的起點和終點，思維如何隨著時間的推移而發展，這使得教師可以更精確地對學生的需求做出回應，并在教學上幫助他們。[3]

結合高頻關鍵詞表和關鍵詞聚類圖譜，可以初步得出，國外學習進階研究圍繞“具體學科的一定概念”“教學對象”“學習的行為”三個方面展開。國外學習進階相關文獻的關鍵詞為探究、推論、觀念轉變、概念、思維等，如表1所示，體現了對獲取學習證據的關注，而且更多落實在具體學科的概念。例如，通過認知診斷模型—規則空間模型，對高中生熱化學學習進階進行測量，以期使學生的學習進階更加精確和詳細。[9]

表1 高頻關鍵詞

(二)研究前沿分析

在這93篇國外學習進階文獻中，突現強度最高的詞是education(教育)，達到2.86，說明學習進階主要應用于教育方面；“curriculum(課程)”和“high school student(高中生)”是出現時間最早的兩個詞，最早受到科學教育工作者的關注。“curriculum(課程)”在2009年到2012年大量出現，該階段科學教育工作者主要關注學習進階教學對課程的影響。研究表明學習進階教學可以應用于課程中，而且有助于課程設計。學習進階可以幫助學生逐步發展概念理解水平，對于小學化學教育來說，學習進階教育可以使職前小學教師充分參與到化學推理和設計化學課程中，更易于構建和挖掘學習者的知識資源。[10-11]對于數學教育來說，可以將學習進階作為一種課程研究形式，闡釋課程架構和進度、教學順序，評估學生學習的成熟程度，促進教師對學生學習的聯系理解。[12]學習進階的設計可以改進高中課程和教材存在的一些不足之處。[13]“high school student”在2009年到2016年大量出現，表明該階段的科學教育工作者較關注高中階段的學習進階教學，即該階段學習進階研究的對象大部分是高中生。“science education(科學教育)”自2019年開始至今，一直受到較大關注。可見，近年來國外研究注重把學習進階融入科學教育，在科學教育的視角下進行學習進階的研究，如圖3所示。

(三)文獻機構分析

對學習進階發文量較多的國外研究機構進行統計，結果如表2所示。從中我們可以看到，發文量最多的是密歇根州立大學，最早發表有關學習進階文獻的三個學校是“密歇根州立大學”“得克薩斯大學奧斯汀分校”“馬薩諸塞大學”，且排名前七的學校全部來自美國，表明美國對學習進階的相關研究較為關注。

表2 國外發文量排名前七的機構

(四)文獻共被引分析

對WOS中93篇學習進階文獻進行文獻共被引分析，共得到八個聚類，如圖4所示，分別是physical chemistry(物理化學)、astronomy(天文學)、secondary science(中學科學)、interdisciplinary learning(跨學科學習)、matter(物質)、haze pollution(煙霧污染)、simulation(模擬分析)、middle school(中學)，可以將這八個聚類分成三個方面。

1.科學教育領域

包括聚類physical chemistry(物理化學)、astronomy(天文學)、secondary science(中學科學)、interdisciplinary learning(跨學科學習)、simulation(模擬分析)。其中聚類物理化學聚類主要是對物理化學課堂進行話語分析，運用化學思維的學習進階分析學生論點推理的復雜性。[14]

從以上聚類可以看出物理、化學、天文學、中學科學學習進階研究倍受關注。部分概念跨域多個模塊，說明跨學科概念學習進階研究的必要性。

2.化學領域

主要是matter(物質)、haze pollution(煙霧污染)聚類，表明學習進階與化學密切相關。

化學教育最核心的原則之一是發展物質轉化的過程理解能力，學習進階可以被用來評估學生對于物質轉化和化學反應的理解能力，也可以評估學生在理解物質方面的進階，診斷學生在學習過程中的軌跡。[15-17]由于各國學情不同，表征框架的理論基礎以及內涵理解差異等，同一核心概念表征框架不具有唯一性，如“物質”核心概念，可以用不同的視角進行表征。教育研究者基于核心概念建構了的進階路徑，介紹了學生理解“物質”概念進階表征框架、“物質”和學生能力水平進階表征框架、“物質”結構的學習進階表征框架、“物質”核心概念區塊理論表征框架和“物質”概念描述理論表征框架，從課程與教材、教學、評價三個方面總結了“物質”核心概念進階維度對我國科學教育者的啟示。[18]

3.研究學段

middle school(中學)聚類，表明國外對于學習進階的研究學段主要是中學。其中，教育研究者不僅將學習進階應用于研究學生，還通過發展工程設計過程學習進階對中學理科教師實施教師專業發展計劃，進一步研究中學理科教師工程設計從新手到復雜水平的過程，對中學生的研究涉及其對氣候變化觀念的理解、科學學科等方面。[19-21]

共被引頻次高的文獻多為物質科學主題，說明物質科學在研究學習進階的領域內具有重要影響。Towardsalearningprogressionofenergy一文主要提出了一項關于能量學習進階的實證研究，討論了現有研究背景下研究者的發現對學生理解能量的影響，確定了朝著能量學習進階的步驟。[22]對于化學這門學科來說，能量變化是化學反應的基本特征之一，而且能量觀是化學學科的核心觀念，既是化學學科研究要考慮的重要問題，也是自然科學的共通問題，針對性的學習進階設計可以讓學生在問題解決過程中發展能量觀。[23]

Rethinkingchemistry：alearningprogressiononchemicalthinking介紹的化學思維學習進階項目(CTLP)始于2012年，是波士頓大學科學伙伴關系項目和亞利桑那大學的“化學思維”課程項目的結合體，側重于研究如何建構化學思維的學習進階。這篇文章將化學思維定義為發展化學知識的思考及相應的實踐與應用，梳理出六條化學思維進階線索，每條線索都聚焦于以下幾個化學基本問題。第一，關于化學學科定位的問題，如“這種材料由什么制成？”第二，關于結構與性質的關系問題，如“材料的性質與其組成和結構有什么關系？”第三，化學因果關系問題，如“為什么材料會發生改變？”第四，化學機理問題，如“這些變化如何發生？”第五，化學控制問題，如“如何才能控制這些變化？”第六，利益—成本—風險問題，如“這些變化的后果是什么？”這些基本問題確定了化學思維隨著學科訓練而進階的過程變量。[24]

Developingahypotheticalmulti-dimensionlearningprogressionforthenatureofmater一文描述了特定年級學生在物質結構和性質主題學習過程中開發的學習進階模型，從原子結構和靜電力兩個方面來構建越來越復雜的學習層次。[25]

通過梳理文獻發現，共被引頻次高的文獻多為實證性論文。此外，學習進階主題的綜述性論文信息量大，具有高度總結、分類梳理的作用，因此被引頻次高。

這些文獻多發表于2009—2013年，為2013年美國發布《下一代科學教育標準》滲透學習進階的概念編排順序和理念強化提供充分的實證依據。

表3 國外學習進階研究高被引文獻

四、研究反思

(一)應推動科學概念的學習進階的本土化研究

中外科學課程體系存在較大差異，我國大部分地區的初中科學課程均分科開設，孤立地學習各科知識，難以建立起不同學科內容之間的聯系[23]。我國需要在摸索中加深對學習進階的理解，促進應用本土化。首先，要引領同區域或同教育集團的教師對不同階段、不同學科課程用學習進階的思路聯合備課，關注核心概念如何“爬樓梯”。其次，要精心設計評價工具，發現學生連續的、內在的認知發展過程。最后，需要考慮同階段不同分科課程的特點，進行相互滲透、綜合設計，充分考慮初中或高中階段各學科科學知識的互補、銜接、綜合，重視科學概念在學習進程中出現的位置，避免不同學科課程中概念呈現的先后錯位，保證大概念的貫通和進階，以順應科學學習規律。例如，物理學對原子和分子的認識，是化學中原子結構、分子結構、物質的化學性質等方面概念形成的前提，但側重點有不同。化學中對能量吸收或釋放的理解，使學習者更容易理解生物學科中植物的光合作用和呼吸作用之間的能量轉變關系。

(二)探索不同學段銜接過程中的科學概念和科學思維進階

豐富多彩的學習進階理論與實證研究成果，啟發科學教師積極理解、合理運用學習進階理念，針對不同學段的學情和學科內容的特點，在實踐中研究創新各學段教學內容的銜接教學設計。目前的學習進階研究主要著眼于小學或初高中一定學段的概念認知，但由于小學、初中、高中教育是相互獨立而又存在聯系的三個學段，各學段銜接期的概念學習實際情況常存在脫節現象，需要教師，既要反思前一階段科學概念學習的缺陷，又要考慮后一學段的可持續發展需求，深化同主題概念間的聯系，實現適度的跨越和進步。[26-27]

“科學思維”是科學學科核心素養，包含獲取化學事實的手段、認識物質的方法、分析化學現象的視角、認識和表征化學變化的方式、解決化學與跨學科問題的思路，以及系統思維的應用等要點。需要整體考慮科學思維在小學面對物質科學內容有何基礎、進入高中階段該如何發展、大學階段會獲得怎樣的提升等問題。在學科育人的大背景下，課程思政不止關注思想品德的指引，對于科學課程來說，科學思維本身就是很好的思政目標和內容，而且在不同學段，科學思維的進階規律值得成為課程思政教學的重要依據。

(三)用混合方法研究科學課程學習進階

學習進階研究既需要基于定量的測評或調查，也需要在設計的研究范式背景下，關注實際教學過程中的實然表現歷程，以提供更清晰的進階路徑。同時，要結合質性研究發掘科學概念學習進階的特性，發現科學現象背后的原因。科學概念學習進階的教學設計可以基于solo分類理論，呈現不同層級的學習預期水平，建構學習進階的模型，當建構的學習進階模型在實際教學中對評價有較高要求時，solo分類理論能夠為學生的學習“應達到什么目標”“目前處于哪種水平”及“該如何發展”提供理論支撐。[28]通過借鑒solo分類理論，對科學概念學習進階進行水平劃分，可行性強，但仍需進行進一步細化。

(四)學習進階需要長期對個案進行跟蹤研究

學習進階是對學生在不同學段跨度內學習和探究某一主題時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述，每個階段利用學習進階想要達到的學習要求都是不同的，關注教學實驗的短期效果研究可能具有片面性及偶然性。因此，建議用更長的周期對個案進行跟蹤研究，長期跟蹤研究無論是在時間上，還是在學習進階理論的應用上，都更具連貫性。