基于知识图谱的国际学习科学研究*

邓国民 张丽萍



基于知识图谱的国际学习科学研究*

邓国民1张丽萍2

（1．贵阳学院 教育科学学院，贵州贵阳 550005；2．贵阳学院 体育学院，贵州贵阳 550005）

文章使用CiteSpace软件，对Web of Science核心数据库中收录的2352条学习科学研究文献数据进行了知识图谱分析，发现目前国际学习科学研究的热门主题主要集中于教师&学生、学习过程、学习内容、认知心理、技术环境、学习结果和学习科学等七个维度，并呈现了这七个维度的主要研究成果。此外，文章还探讨了国际学习科学研究的发展趋势及其对中国教育改革与发展的启示，以期为促进信息化环境下学习理论的建构、应用和研究等提供参考。

学习科学；知识图谱；核心素养；教育信息化2.0；热门主题

本研究旨在绘制系统全面的国际学习科学研究知识图谱，制定检索策略为：SO=(“Journal of the Learning Sciences” OR “Cognition and Instruction” OR “Instructional Science”) OR TS=(“Science of Learning” OR “Learning Sciences”)，检索时间设为1998年1月至2017年12月，最终从Web of Science核心数据库中检索到学习科学研究的相关文献共计2352条，将这些文献数据按“全记录与引用的参考文献”方式导出以用于后续分析。本研究使用Citespace v5.1软件，创建了从“知识基础”向“理论前沿”映射的理论模型，将前沿文献定义为研究领域的发展现状，它们的引用文献构成了领域的知识基础[1]，因此所有被引文献共同构成2352篇学习科学研究前沿文献的知识基础。基于此，本研究对学习科学研究文献数据进行了知识图谱分析，揭示了国际学习科学研究的热门主题与发展趋势，并讨论了其对中国教育改革与发展的启示。

一 国际学习科学研究的热门主题

主题词（Term）和关键词（Keyword）是文献研究内容的高度概括。本研究对学习科学研究文献数据进行了主题词和关键词共现分析，绘制出国际学习科学研究热点知识图谱，如图1所示。在该图谱中，圆形结点表示关键词，方形结点表示主题词。

图1 国际学习科学研究热点知识图谱

图2 学习科学研究文献分析框架

图1显示，国际学习科学研究主要涉及七个维度——

①教师&学生（A）维度：重点关注教师和学生等因素，讨论了新的学习环境对他们的能力、素质提出了哪些新的要求；主要研究主题包括教师、学生、儿童和身份等。

②学习过程（B）维度：强调在学习过程中为学生提供工具支持和认知支架，以促进学生主动参与学习；主要研究主题有参与式设计、教学设计、学习策略、任务、思考、协作学习、投入和探究等。

③学习内容（C）维度：包括学生需要学习的知识和学习资源的表征方式，强调利用最新的认知学习理论和现代技术手段，实现对教学内容的表征，以更好地帮助学生建构知识、掌握技能；主要研究主题包括信息、先行知识、新知识、课程、知识、表征、文本和案例等。

④认知心理（D）维度：是学习科学研究的重要理论基础，主要涉及学习心理学研究的认知、动机、元认知和记忆等；具体研究主题包括记忆、元认知、动机、信念、认知、认知负荷、认知负荷理论、认知技能、专业反转效应、心理努力、感知、回忆和自我解释等。

⑤技术环境（E）维度：涉及学习环境、教学系统、技术、课堂和学校等研究主题；重点关注利用先进的技术手段构建学习环境，以更好地支持学习的内在认知过程并提供外在的支持工具，进而提升学习效果。

⑥学习结果（F）维度：主要强调对学习效果的研究，具体包括学习能力、成就、获取、理解、概念转变、概念理解、建构、发现、解释和技能等研究主题，研究重点是评估理论和技术在教学中的应用效果。

⑦学习科学（G）维度：作为一个整体的研究维度，主要从宏观上探讨学习科学将为教育带来何种影响，并对其未来的研究趋势进行预测。

综上所述，近20年来（1998～2017年），国际学习科学研究几乎涵盖了学习的输入（新的技术环境和认知心理理论的引入）、过程（教师与学生、学习内容和学习过程）以及输出（学习结果）的全过程，且对此过程产生了重要影响。基于此，本研究提出了学习科学研究文献分析框架（如图2所示），揭示了此过程各阶段的构成元素以及它们之间的相互关系。

二 国际学习科学研究文献数据的共被引分析

本研究利用CiteSpace v5.1软件，对近20年来国际学习科学研究文献数据进行了共被引分析（Cited Reference），将时间切片长度设置为2年，从每个时间切片中选择被引频次在前1.4%的文献，生成国际学习科学研究文献共被引图谱，如图3所示。在该共被引图谱中，圆圈表示文献结点，结点的大小表示文献被引次数的多少，结点较大说明该文献具有较大的学术影响力；紫色圆圈包围的文献结点表示中介中心性较高，说明这些文献在学习科学研究知识的交流过程中起着较为重要的作用；中心红色填充的文献结点表示突发性较强，即引用量在某一时间段内突然增加或减少，反映了研究主题的重要转向。在如图2所示的学习科学研究文献分析框架的基础上，本研究对国际学习科学领域的重要文献（包括高被引文献、高中介中心性文献和高突发性文献）进行了内容分析，呈现了国际学习科学七个维度的主要研究成果。

1 教师&学生（A）维度的分析

教师&学生维度重点讨论了教师和学生的个体变量对于他们使用技术增强学习环境、教与学效果的影响，以及对他们的能力素质提出了哪些新的要求，从而为教学环境的设计与合理应用提供参考依据。如Clarebout等[2]、Del Valle等[3]和Lawless等[4]分别讨论了元认知技能、目标定向、教学概念、学习策略、先行知识、自我效能和学习兴趣等学生个体变量如何影响他们对技术工具的使用和学习过程；而Koh等[5]使用结构方程模型的方法，对信息化环境下教师知识结构的构成及其关系进行了调查和统计分析，为信息化环境下教师的专业发展设计提供了依据。

图3 国际学习科学研究文献共被引图谱

图4 “核心素养”导向的学习科学研究框架

2 学习过程（B）维度的分析

学习过程维度强调从系统的整体视角，基于学习科学研究成果和学习技术发展现状，对学习资源、学习过程和学习策略等进行系统化的设计与开发，以更好地帮助学生参与到学习过程中去。如Cobb等[6]较早介绍了教育研究中的设计实验方法；White等[7]探讨了利用探究支架、反思和归纳过程发展学生的元认知知识和技能的重要作用；Engle等[8]对学生争论形成和保持的过程规律进行了解释，认为争论是一种有效的学科参与方式；Hmelo-Silver等[9]认为基于问题的学习和探究式学习并没有违背指导性教学原则，它们广泛利用支架以降低认知负荷，使学生能在复杂领域中学习，帮助实现内容知识、认识实践、协作学习和自主学习等重要的教育目标。

3 学习内容（C）维度的分析

学习内容维度强调在现代学习理论的基础上，利用先进的技术手段优化学习资源和知识的表征方式，帮助学生更好地理解学习内容和建构知识。如美国的《国家科学教育标准》[10]和《学校数学教育原则与标准》[11]分别对科学、数学等具体学科内容教学的标准和原则进行了阐述与说明；Chi[12]对概念理解过程中容易产生误解的过程与原因进行了分析，为教师帮助学生理解概念提供了依据；Ainsworth等[13]在整合学习研究、表征认知科学和建构主义理论的基础上，提出了设计—功能—任务（Design-Functions-Tasks）多重表征学习框架，可以更好地理解多重表征的有效性，如确定影响学习的众多因素、协调不一致的实验发现、揭示新的领域和学习设计多重表征的潜在启发性。

4 认知心理（D）维度的分析

认知心理学是学习科学研究的重要理论基础，主要探讨了学习发生的认知过程、记忆结构、心理影响等因素的特点及规律。如Kalyuga等[14][15]对学习过程中的专业反转效应进行了探讨，指出学生已有的专业知识和经验可能会对新的学习产生干扰甚至负面效应，这对多媒体学习及教学系统的设计与开发均具有启示意义；Mayer[16]基于认知心理学和信息处理认知模型等，经过10年多媒体学习实证研究及归纳总结，提出了多媒体学习的基本理论和实践原则；Sweller等[17]指出认知负荷理论乃建立在人类的认知结构与功能特点——工作记忆容量有限、视听觉信息处理双通道以及长时记忆无限等的基础上，为教学信息呈现和教学设计提供了理论依据。

5 技术环境（E）维度的分析

技术环境强调在学习理论的基础上，利用先进的技术手段构建学习环境，为学习提供更合适的内在认知支架和外在支持工具。如Brown等[18]将学习社区引入教学计划，鼓励并引导学生在学习社区中发现、利用和分享专业知识，以建立和维持学习共同体；Derry等[19]指出在复杂的学习环境中收集、使用视频记录进行研究，仍面临着元素选择决策、分析框架和实践、视频处理及管理技术、产权及隐私保护的伦理等挑战；Quintana等[20]提出了一个支架设计框架，以指导科学探究支架工具的设计，为开放教育支持理论提供基础，通过指导设计、提供启发与方法案例帮助学生解决问题。

6 学习结果（F）维度的分析

学习结果是学习科学研究的诉求，重点考虑提供外在的学习环境和内在的认知支架，能否优化学习过程、学习内容的呈现与表征方式，以更有效地促进学习效果。如Kirschner等[21]从人类的认知结构和功能特点的理论视角，对指导性教学和非指导性教学的效果进行了解释与比较，认为只有符合认知理论的教学才是有效的；Kapur等[22]探讨了有效失败对长期教学效果的重要性，指出教师应该致力于追求长期的教学效果；Van等[23]从概念特征、外显策略和有效性等支架的三个方面进行了讨论，指出目前缺少一个广泛认同的、可靠的、有效的测量工具。

7 学习科学（G）维度的分析

学习科学维度主要从宏观整体上探讨学习科学将为教育带来何种影响，以及其未来的发展趋势如何。如Kelly等[24]系统介绍了教育领域中设计研究的最新观点和案例，为教育领域实施设计研究提供了规定性的说明和详细的操作指南，内容涉及设计研究的含义、特点、学生模型、教师模型、利益相关者模型和不同层级研究的反思。

综上所述，国际学习科学研究的发展主要源自两个方面：①工作记忆、认知负荷和双重编码等认知理论的发展，有助于教育工作者更好地理解学习的认知过程，能够为教学设计提供指导；②信息网络技术和多媒体技术的发展，使计算机支持的协作学习得到飞速发展，出现了学习社区等新的合作学习环境。因此，国际学习科学研究强调在更好地理解学习发生的认知过程和社会化过程的基础上，设计更好的学习环境、资源、工具和支架，帮助学生更有效地学习，这是一个教学方法、软件和材料等原型应用的创新设计、实践应用、评价和修改的迭代过程。

三 国际学习科学研究的发展趋势及启示

1 国际学习科学研究的发展趋势

（1）加强对认知科学的研究与应用

认知科学的研究成果，加深了教育工作者对学习的认知过程和心理变化之本质及规律的了解。认知神经科学、高阶认知过程和集体记忆等研究的不断深入，使关于学习的认知过程研究从原来的“黑盒”测试转变为“白盒”测试。学习科学未来的研究需要整合不同的认知过程、考虑不同的心理因素和不同的学生群体，发展新的关于学习的概念和理论基础，实现从不同的理论视角揭示不同学生学习时的内在认知心理过程、发展影响因素，为学习环境的设计、开发与实践应用打下理论基础。

（2）加强理论与技术之间的整合

学习过程不仅涉及外在的信息交流与传递，而且是一种内在的心理过程：一方面，技术环境的设计、开发和应用，需要充分利用认知心理学的理论研究成果，在提高教学信息传播和交流效率的同时，为学习提供认知支架，以降低认知负荷、促进深度学习；另一方面，新技术的发展扩宽了认知理论的研究领域和方法，使其研究对象从人的内在心理扩展至外在的技术环境。因此，教育工作者需基于对学习发生的内在心理过程和外部环境因素的理解，为学生设计合适的学习资源与呈现方式，加强学习理论与教育技术之间的整合。

（3）加强在教学实践中的应用

学习科学研究致力于揭示学习的本质与基本规律，并在此基础上探讨符合学习过程和规律的学习环境、学习资源和学习策略过程的设计，以实现教学效果的优化。因此，学习科学研究若想对教育产生预期的影响，就需要学习科学研究人员、教学设计人员及教学实践人员之间进行沟通与合作，将学习科学的理论原型转化为具体学科课程的教学设计，并由一线教师在教学实践过程中去实施和评价，以实现学习科学影响乃至改变教育的目标；同时，通过教学实践对学习科学的理论原型进行检验，推动两者之间形成一个相互补充、不断完善的良性循环。

2 国际学习科学研究对中国教育改革与发展的启示

（1）对培养学生核心素养的启示

我国教育部提出学生发展的“核心素养”包括自主发展、社会参与和文化基础等。基于此，借鉴国际学习科学的相关研究成果，本研究提出了“核心素养”导向的学习科学研究框架（如图4所示），以帮助理解核心素养与学习科学研究理论之间的关系，并探讨如何设计合适的学习环境以支持学生核心素养的发展。具体来说，国际学习科学对“核心素养”导向的学习科学研究框架的启示主要如下：①国际学习科学认为学生的能力是一个综合性概念，同时涉及情感、认知、社会和动机等因素，并且具有文化属性，因此研究框架的设计需充分考虑师生的个体变量、能力素质和需求，以更好地支持学习过程；②国际学习科学认为学生不仅需要进行深度的学科知识学习，而且要发展人际间交流与合作的能力，因此研究框架的设计需提供合适的技术增强学习环境和学习内容表征与呈现方式，以促进学生的知识建构和能力提升；③在理解学习的本质、过程及规律的基础上，设计符合学生能力与需求的学习环境、学习资源和学习过程，以全面提高学生的能力与素质，为国家的教育改革与发展作贡献。

（2）对实施《教育信息化2.0行动计划》的启示

《教育信息化2.0行动计划》提出了“三全两高一大”的发展目标，对我国教育信息化目标的实现具有重要意义。国际学习科学研究的理论成果和实践经验对实施《教育信息化2.0行动计划》具有重要的启示意义：①国际学习科学研究重视对人工智能、认知计算和大数据等新技术的利用，同时强调借鉴认知心理学的研究成果，使网络教学环境为教与学提供便利的同时，提供认知、动机和元认知支架等心理因素和认知过程的支持，降低学习的认知负荷、促进高阶学习成果的取得。而教学应用、学习应用和数字校园建设的全面覆盖均属于学习技术环境构建的范畴，故可以借鉴国际学习科学关于网络教学环境建设方面的研究成果。②“数字资源服务普及行动”可以借鉴国际学习科学关于多媒体教学、知识表征、概念理解和转变等方面的研究成果，完善数字教育资源的技术架构与服务体系。③研究与实践方法方面可以借鉴国际学习科学采用基于设计的研究方法，推动学习科学的理论原型向教学设计和实践应用方案的落地，以推动信息技术与教育的深度融合。

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Research on the International Learning Sciences based on Knowledge Map

DENG Guo-min1ZHANG Li-ping2

The paper used the CiteSpace software to analyze the knowledge map and content of 2352 learning sciences research literature data collected in the core database of Web of Science. It was found that the currently hot topics of international learning sciences research mainly focused on seven dimensions, including teacher & student, learning process, learning content, cognitive psychology, technological environment, and learning outcome and learning science. Meanwhile, the main research results in the seven dimensions were presented. In addition, the development trend of learning sciences research and its implications to China’s education reform and development were discussed, expecting to provide reference for promoting the construction, application and research of learning theory under the information environment.

learning science; knowledge map; core competency; education informatization 2.0; hot topic

G40-057

A

1009—8097（2018）07—0011—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.002

本文为贵州省教育厅高校人文社会科学研究项目“教师采用开放教育资源之创新扩散过程研究”（项目编号：14ZC262）的阶段性研究成果。

邓国民，副教授，博士，研究方向为学习科学和教育信息化，邮箱为dam1981@126.com。

2018年5月12日

编辑：小米