从学习科学到教学实践变革*——教师学习科学素养提升的关键概念与有效教学策略

梁林梅 李 志,2



从学习科学到教学实践变革*——教师学习科学素养提升的关键概念与有效教学策略

梁林梅1李 志1,2

（1．河南大学 教育科学学院，河南开封 475004；2．河南省教育信息化发展研究中心，河南开封 475004）

文章在总结和分析20世纪以来人类对学习研究所经历的三个主要发展阶段及学习科学与教学实践之间关系发展三个阶段的基础上，构建了教师学习科学素养提升的关键概念图谱，并总结、提炼了基于学习科学的有效教学策略。此外，文章建议引入能够沟通学习科学研究、教学实践变革和教育政策制定的“教育工程师”桥梁角色，以推动学习科学理论向教学实践的转化，实现两者之间互惠互利的“双向道”发展。

学习科学；教师学习科学素养；教学实践；教学策略；教育工程师

引言

20世纪以来，人类对学习的研究主要经历了三个发展阶段：①动物是如何学习的。这一阶段关于学习的研究和学校的教学实践相脱节，其代表性观点为行为主义学习理论——学习即强化反应，而高效教学的关键在于“训练”。该理论流行于20世纪早期，适合于基本技能的训练和相对低阶的教学目标，是大部分教师接受和认可的学习观。②机器是如何学习的。在此阶段开展了一系列影响深远、意义重大的关于人类记忆和信息加工过程的研究、关于专家和新手的比较研究及关于人类问题解决的研究，其代表观点为认知心理学派的“学习是获得知识”，而高效教学的关键在于“记忆”。这一理论广泛流行于20世纪中期，适合于基本事实的教学。这也是教师普遍接受和认可的学习观，但绝大多数教师对于人类记忆的具体过程、知识获得和储存的基本原理及问题解决的高阶思维研究知之甚少。③人是如何学习的。在认知科学已有研究成果的基础上，在20世纪90年代诞生了一个全新的研究教与学的跨学科领域——学习科学[1]。学习科学把对学习研究的焦点回归到人自身，倡导在真实的学校和课堂情境中研究学习，强调“问题驱动”的教育科学研究范式。“学习是知识建构”是关于学习本质认识的代表性观点，而高效教学的关键在于学习者的“主动建构”。该理论适合复杂概念、策略学习及高阶思维的教学。这一时期关于学习的研究，超越了经典认知心理学，只关注个体学习的狭窄视野，开始将个体的学习置于更广泛的历史、社会、文化等多样化学习情境之中，并且突破了笛卡尔“身心二元论”的认识观，开拓了以“具身认知”为代表的第二代认知科学研究新范式[2]。尽管这一时期关于学习本质和理论的研究取得了长足发展，然而在实践中绝大多数教师只知道或只记住了“建构”及“建构主义”这一术语，并没有真正理解学习者“主动建构”的认知过程，更缺乏实践“主动建构”教学的内在动机。由于教师“建构观”的缺失，导致近年来流行的基于建构主义学习理论的、以学生为中心的教学模式（如探究性学习、合作学习、翻转课堂、项目学习等）在学校教学实践中难以被广泛地接受和推广。

相较于过去以实验室为主的对学习的孤立研究，学习科学更倡导在真实学习情境中研究复杂的学习问题，将科学知识的发现和创新与应用学习科学改进教学实践作为其同等重要的宗旨和目标。然而在现实中，研究和应用之间总存在鸿沟[3]。如何将学习科学专业人员的研究成果转化为指导一线教师教学实践的可操作性教学策略，如何在学习研究和与教学实践之间架起一座有效应用的“桥梁”，一直是困扰着人们的难题。

二 学习科学与教学实践关系发展的三个阶段

美国著名心理学家、加州大学圣巴巴贝拉分校心理学教授、美国心理学会“心理学应用于教育和培训杰出贡献奖”获得者Mayer一直在关注如何将学习理论、学习科学的研究成果转化为教师的教学实践，他总结了近一百年来学习科学和教学实践二者之间关系发展所经历的三个阶段：①20世纪早期，是从学习理论到教学实践的“单行线”阶段，基础研究者建立学习科学，实践工作者将其应用到教学中。②20世纪中期，是两者互不认可、难以交流的“死胡同”①阶段，基础研究者忙于在人为的实验情景下构筑自己的学习理论，而应用研究者根本看不上这些成果；应用研究者关注什么样的教学策略、方法是最有效的，至于它们是如何起作用的则不予深究，这种做法同样也被基础研究者所鄙视。③20世纪后期至今，是两者互惠互利的“双向道”阶段，学习科学家逐渐将其研究领域扩大到真实的学习情景中，教育工作者同时也开始重视关于学习的相关研究，并要求学习科学的研究者构建一种学习理论，以解释真实教学情景中的学习问题[4]。

关于学习科学和教学实践的关系问题，《剑桥学习科学手册》主编、美国北卡罗莱纳大学教堂山分校教育学院教授、国际知名学习科学家Sawyer[5]进行了这样的反思：学习科学研究迄今已开展近30年，人们开始相信那些基于学习科学的学校和教师能给学生带来更有效的学习；但现实中学校依然维持着几十年前的做法，学习科学研究与教师实践之间仍然存在脱节的现象。美国国家教师专业发展委员会前任主席Sousa[6]基于自己多年来将学习科学应用于学校教学实践的经验，指出将实验室的研究成果应用于实践，并最终导致课堂和学校的转变，需要一个长期的、坚持不懈的过程。Mayer[7]则呼吁要将学习科学最重要的主张和观点向“入门者”普及，要加强“应用学习科学”的研究和实践，即基于人是如何开展学习的知识，去开发有实证依据的教学方法（策略）来帮助人学习。尚俊杰等[8]也呼吁：在教师培养上应增加学习科学相关的知识技能，提高一线教师的学习科学素养，保障学习科学在实践中落地。

三 教师学习科学素养提升的关键概念分析

本研究借鉴《剑桥学习科学手册》中对于素养的阐释：“在特定的社会和文化境脉中交流和完成目标所需要的所有实践”[9]，将教师的学习科学素养界定为“在新的学习环境和学习生态中，为了达成21世纪的教育目标，教师基于学习科学（包括脑科学）的基本原理、适当的教学策略和已有的教学经验，改善自身教学实践的素质与能力”，并依照“知识观—学习观—教学观—学习环境与教学设计观”这样一个逻辑体系，尝试构建影响教师学习科学素养提升的关键概念图谱，如图1所示。

知识的传承和创新是学校教育的重要职能，也是学生学习的主要对象。因此，对知识的理解和认识，应是教师转变学习观的基础。关于知识的分类有多种维度，与教师教学密切相关的是当代认知心理学关于陈述性知识和程序性知识的分类理论，认知科学和学习科学的许多理论都是建立在这一分类基础上的；另外，教师十分重视的教材、课本知识，属于显性知识的一种，而大量重要的技能性、策略性、态度情感性、情境性的隐性知识却被教师所忽视。在布鲁姆《教育目标分类（修订版）》中，学生需要获得和掌握的知识可分为如下四大类：事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识[10]。其中，元认知知识对于学生的学习和有效教学至关重要，其概念却一直没有引起教师足够的关注和重视。

图1 教师学习科学素养提升关键概念图谱

在学习的本质方面，当代认知心理学提出了如下四个重要观点：①人类的知识是通过建构获得的；②人类知识的获得包含着“重新建构”的过程；③人类知识获得过程的制约性；④人类的大多数知识是在活动过程中获得的[11][12]。经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）基于脑科学的研究，认为“学习被看成是一种以学习者为中心的，依赖先前知识基础的，基于个人经验、意愿和需求的知识建构过程”[13]。上述研究再次表明，“建构观”的确立和在教学实践中的有效实施是教师学习科学素养提升的关键环节，也是当前教育改革实践中以学生为中心的新型学习方式变革的难点之所在。

关于学习的过程，目前比较成熟且被广泛接受的观点是学习的信息加工理论。当代认知心理学将人脑视作一个信息加工系统，该系统存在三种记忆模式：感觉记忆、工作记忆（短时记忆）和长时记忆。其中，工作记忆是人类高级认知活动的核心，“工作记忆容量的有限性”是制约人类学习的关键瓶颈之所在[14]，也是需要学生付出努力和专注投入的关键环节。然而教师的头脑中普遍缺乏关于“工作记忆”的概念，也不清楚知识在长时记忆中是如何被存储和提取的，这也是教师理解“知识建构”的关键点和难点，是学习科学素养提升的关键概念；在对学习过程的解释方面，Mayer[15]提出了学习科学的三条原理：主动加工原理、容量有限原理和双重通道原理。双重通道原理表明“人拥有两个单独的信息加工通道，用于加工语言材料的言语通道和用于加工图示材料的视觉通道”。该原理表明学生从“语词+图像”中学习比仅仅从词语中学习更能促进信息的深度加工，多感官参与可以增强记忆和学习的效果。这一原理有力支持了教学媒体（尤其是思维导图、微视频等可视化学习工具等）在教与学过程中的合理运用。

在教学目标的已有研究成果中，除了布卢姆和加涅的经典研究，国际知名教育研究和改革专家Marzano[16]关于学习维度的分类也对美国中小学的教学改革实践产生了深远影响；教学策略是学习科学理论成果向教师可操作性教学实践转化的关键环节和重要“中介”，在学习科学的已有研究和应用中，研究者和实践者已经共同合作提出了一系列基于学习科学的有效教学策略，本研究第四部分将详细展开。

“理解”一直是学习科学关注的重点问题。“新学习科学的一大特色就在于它强调理解性学习……理解性学习往往比简单记忆更难取得成功，而且它更费时”[17]。受到学习科学发展的影响，教学设计的理论和实践也在不断丰富和扩展。除了教师比较熟悉的经典教学设计理论及正在普及的信息化教学设计理论，美国教育评估领域的知名专家Wiggins等[18][19]提出的基于理解的教学设计（Understanding by Design，UbD）理论已经在教学实践中产生了一定的影响。这种新型的教学设计理论认为影响学生知识建构的关键在于“理解”，故教学设计的重点应聚焦于学生“理解”目标的达成。UbD理论不同于以往以知识点或一节课为对象的设计，而是以更加综合性的课程单元为教学设计对象，采用“逆向设计”（以终为始）的方法，依照“明确预期学习结果—确定可接受的证据（评估证据）—规划相应的学习体验和教学活动”的设计逻辑引导教师实施，并为教师的实践提供可操作的设计模板、操作工具和教学设计案例。

3.2 中度相关指标分析 身高与体重的相关性研究早已有之，本研究再一次验证身高与体重的正相关，男女生身高体重相关系数分别为0.425和0.433（P＜0.01），且比较显著。

四 有效教学策略：学习科学研究的关键启示

1 关于学校教学的“起点”问题

大部分教师的教育经历和实践经验表明，学校教学始于大脑的认知系统（即知识的学习）。然而，脑科学的研究表明，在大脑对信息的加工过程中，尤其是在感觉记忆这一阶段，影响个体生存和情绪的信息要比新认知学习的信息更优先被大脑所关注（如图2所示）[20][21]。

图2 人脑对不同类型的信息加工存在优先等级性

图3 教学的思维系统图

图4 学习情境中注意力保持程度的变化

图5 教学的“节奏”安排

长期以来，在学校教育过程中情绪总是被忽视[22]。随着脑科学和教育神经科学研究的不断深入，人们越来越深刻地认识到情绪与认知通过相互作用，来共同支持或抑制学习。丹麦学习实验室的伊列雷斯教授指出：“近年来脑科学研究中最有关键性意义的发现恐怕是：在一个正常和健康的脑中，我们通常称之为‘理智’的过程，不能离开我们称之为‘情绪’的东西独立发挥功能。”[23]研究者发现，情绪几乎会影响学生的整个认知过程，包括注意、记忆、问题解决、决策等[24]。因此，教育工作者应该帮助学生学会如何调节和管理他们的情绪。

另外，大量关于人类学习的研究进一步表明，有效的学校教学不是始于大脑的认知系统，而是始于对学生“自我系统”的关注，如图3所示[25]。Marzano认为学生的自我系统既决定了个体是否愿意从事给定的任务，也决定了在给定的任务中投入多少精力。因此，学生的“自我系统”首先会对教师或环境输入的信息起“过滤者”的作用；接着会进入元认知系统，元认知系统会监控和调节学习者自身的学习，起到“设计者”的作用；最后才会进入学校和教师所期望的认知系统，此时知识的学习才会发生。

2 关于有效教学的“节奏”问题

认知心理学家在研究人类记忆特性时发现了首因—近因效应，即在记忆情境中，人们对最先出现的那些内容刺激记忆效果最好，其次是最后出现的那些刺激，而对处于中间位置呈现的刺激记忆效果最差。继而，心理学家发现了学校课堂40分钟教学时段中的“高效期”和“低沉期”现象，如图4所示。心理学家建议教师要把重要的、有一定难度和挑战性的学习内容放在课堂的第一个高效期进行，而且必须确保在这一段时间内所呈现的信息是正确的，要避免将宝贵的高效期时段用于课堂管理；在低沉期，应该安排学生对新的学习材料进行练习和回顾，这将有助于学习的深度加工；在第二个高效期，教师应该安排学生对学习内容进行总结和提炼，此时是学习者领悟和理解意义的重要时机。因此，课堂的结课环节至关重要，不容马虎。

认知心理学家的研究还进一步表明，“高效期”和“低沉期”会随着教学情景的长短变化而变化——20分钟的教学时段“低沉期”最短（仅为2分钟），40分钟的上课时间低沉期为10分钟，当学习的时长增加到80分钟时，低沉期会占到38%。基于上述研究结果，研究者认为20分钟的学习时间段注意力保持效果最好。因此，建议教师采用“分段教学”的方法：2个20分钟的学习时间段比1个40分钟的“高效期”多了20%。同时，认知心理学的研究也表明，并不是学习时段越短学习效果越好，少于20分钟的学习时间段同样不利于内容的掌握[26]。

美国策略教学组织主席Tileston等[27]在上述相关研究成果的基础上，强调青春期前的孩子注意力持续时间为5～10分钟，而青少年的注意力持续时间为10～15分钟，进而提出了教学的“节奏”建议，如图5所示。

3 教学中要充分调动和利用学习者的已有知识

4 练习和反馈同等重要

脑科学研究表明，人脑的发展遵循“用进废退”的原则。经过长期训练和反复练习，脑为这些任务分配了额外的神经元，这些额外分配的神经元或多或少被永久保留下来。因此，练习的确有助于学习保持[31]。“否认练习的重要性，实际上否认了学生获得真正能力的途径”[32]。

在强调练习对有效教学重要性的同时，认知心理学家还指出：反馈与练习同等重要。“只有把练习和反馈有效地结合起来，才能充分发挥两者的作用……当学生在练习过程中得不到足够反馈时，无效练习的问题会更严重”[33]。关于教学实践中争议较多的集中式练习与分散式练习的问题，心理学家建议应该首先运用集中式练习快速学习，然后进行分散式练习以达到保持。研究者还强调，相比于集中练习，分散练习有时候会使学习更缓慢，但往往也会提高对学习材料的永久记忆。因此，学生学习某些东西的速度并不一定是学得好的指标[34]。相关研究还发现，在不同的学习阶段，练习所达到的效果是不一样的——与学习进程的中期阶段相比，在学习的早期和晚期，练习的作用都相对较小[35]。

5 关于课堂问答的有效策略

有效的课堂问答通常包含提出问题、等待时间和回答/反馈三个环节：①关于问题的类型。国内外的相关研究成果表明，教学实践中教师经常提出的大多是那些只需要学生对事实进行基本回忆的具有记忆性、回忆性、封闭性的简单、低级问题，很少提出理解性、开放性的高阶思维问题，创造性问题就更少了，因此很难引发学生的深度思考、深层次理解和深度学习[36][37][38]；②关于提问后的等待时间问题。研究者发现大部分教师由于教学进度或教学任务要求的限制，课堂上留给学生的等待时间都不够充分。实际上教师期待学生能够在片刻间对高水平的问题给出富有洞察力的、创造性的回答是不切实际的[39]。心理学的研究表明，当教师将等待时间适当延长后，学生会使用更多的证据来支持自己的推断、会引发更多的高级思考反应。对于教师自身而言，等待时间的适当延长可以督促教师提出更高级别的问题[40]。当然，如果教师留给学生的等待时间太长，会增加一些学生的挫折感，而另一些学生则有可能不再专注于问题而开始做一些其它的事情。因此，等待时间的长短取决于学生的需求和问题的难易程度；③关于教师回应学生问题的方式。如果在课堂教学中教师遇到了无人回答或学生回答错误（不准确）的情况，这时教师要避免直接说出答案。教师可以给出相关的提示，并鼓励更多的学生主动参与到思考活动中来[41]。另外，对于那些复杂的高阶问题，第一个学生的回答并不是问题的结束，可以借助进一步的追问引导学生开展积极的、持续性的问题探究，最终形成“问题链”，以拓展学生对问题的深入思考，提高其高阶思维能力。

6 如何帮助学习者主动参与

关于人类记忆的已有研究成果表明：“教师无法简单地直接把信息传递到学生的长时记忆中”[42]，“当学习者积极参与自我知识建构时，他们对知识的理解会更深入、更概括，动机也会更强。”[43]因此，如何确保教学中学生的主动参与，是有效教学的关键之一。研究者建议教师采取如下教学策略：①帮助学习者提出与他们的兴趣和未来需求相一致的学习目标。学生的学习目标不完全等同于教师的教学目标，不是从外部由他人设定的，而是形成于学习过程的内部，是由学习者自己设定的。Marzano通过研究发现，设定学习目标的班级平均分数比不设定学习目标的平均分数要高出0.55个标准差[44]。②避免让学生长时间被动听讲。关于脑科学的研究再次表明，讲授法已被证明是一种对大多数学习者来说最没有效率的学习方式，因为该教学方法所引发的学生参与和心理复述极少[45]，但现实中讲授法依然是教师最流行的讲课方式。③充分利用多媒体（尤其是多种可视化方法）支持学生的学习，引发学生的多感官参与。

五 结语

面对学习科学研究和教学实践之间存在的巨大鸿沟，Sousa[46]感叹道：“几百年来，教师们传道授业却并不太了解人脑究竟是如何运作的……教学就像早期的医学，实质上是一种艺术形式”。Mayer等都提出了需要在学习研究和教育实践之间架起“双向互惠”的深度合作。德国乌尔姆大学成立了“神经科学与学习转化中心”，以开展神经科学知识与教学方法相结合的研究[47]。在推动将学习科学的学术成果应用到教学实践方面，研究者发现除了教师因素，教育政策的制定者也非常关键：“学习科学家通常对‘人如何学习’已有相当多的认识，但对教育政策、学校改革和机构变革所知不多……学习科学（脑科学）不能解决政策问题”[48]。鉴于“学习科学家不善于用教育者可理解的话语来传达关于脑的研究成果，而现有教师由于知识结构的问题尚不具备开发基于脑的教学策略的能力”[49]，哈佛大学教育学院教授Fischer建议在两者之间加入一类“中介者”或“转换桥梁”的角色，并将该角色称为整合科学研究、教育实践与教育政策的“教育工程师”，其职责在于“专门负责创建实践和研究之间的有用联结”[50]，帮助教师理解和接受新的学习科学的研究成果，并鼓励和支持教师在教学中运用。

教学设计一直以来作为连接教育理论和实践之间的桥梁学科，理应学习和吸纳学习科学及教育神经科学研究的最新成果，使教学设计专业人员能够承担起Fischer所提出的连接学习科学研究、教师教学实践和教育政策制定三者之间“教育工程师”的角色，以共同推进基于学习科学的教学科学化发展和变革进程。

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①注：摘自韦钰.心智、脑和教育[A].蒋凯.北大讲座:教育卷[C].北京:北京大学出版社,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

基金项目：本文为国家社会科学基金“十三五”规划2016年度教育学一般课题“基于在线课程的中小学混合学习‘USSC’实施模式研究”（课题编号：BCA160049）的阶段性研究成果。

梁林梅，教授，博士，研究方向为教育技术基础理论、国际比较和教育信息化与学习变革，邮箱为50468167@qq.com。

2018年9月2日

编辑：小西