学习进阶研究述评及其对我国科学教育的启示

周丐晓 刘恩山

（1 温州大学生命与环境科学学院 浙江温州 325035 2 北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

学习进阶已成为近10 年来国际科学教育研究的重要议题，其研究成果已被纳入美国《下一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards：For States，By States）。 学习进阶是指当儿童在一个时间段内学习某一主题时， 对该主题的一系列复杂思考路径的描述［1］。 学习进阶的研究是建立在科学教育和认知心理学的研究基础之上，综合当前儿童学习有关的理论和实证研究， 包括科学概念学习、认知心理学、儿童发展心理学等多个领域的研究成果，以此揭示学生的学习路径。不同于传统教学， 学习进阶强调围绕科学领域的核心概念和实践展开，关注学习的内在连贯性。学习进阶为科学教育中的课程开发、 教学设计及学业评价提供了指导性的认知参考模型，将课程、教学和评价统整到一个共同框架模型中， 可帮助教育者更为科学有效地开展科学教育活动。

1 学习进阶是沟通课程、教学和评价的有效桥梁

在科学知识的学习中， 学生不仅要知道学习的总目标，也要知道子目标。教师将这些子目标排成一个序列、 提供一个清晰的理解路径有利于学习目标的达成。 学生的当前水平与预计的学习目标之前通常存在一定的鸿沟，若鸿沟过大，学生容易放弃学习；若太小，学生会认为自己已经掌握，学习内容没有挑战性。 学习序列为学生达成总目标及大概念的学习目标提供路径和有序的子目标， 这些短期的子目标可缩小学生当前概念水平与最终要求之间的鸿沟［2］。 当教师通过同一课程目标和期望引导学生的学习， 能帮助学生在年级间和学科之间建立连贯有序的学习体验时， 学生的学习成果较好［3］。

学习进阶为这一过程提供了启示，学习进阶可为课程目标的渐进制定、 相应课程资源的开发、教学实践的循序开展，以及教学评价的有序实施提供依据和指导，是沟通课程、教学和评价的有效桥梁［4］，尤其在2007 年的Taking Science to School：Learning and Teaching Science in Grades K-8 中明确提出学习进阶研究与课程设计紧密联系，并指出学习进阶是教育研究者、课程设计者、教育决策者及命题人员之间进行有效对话的重要途径，它为科学教育研究和学校课堂实践搭建了一座有效的桥梁，联结并协调课程、教学与评价三者之间的关系，是促进课程连贯性与一致性的有力工具，有助于解决科学教育课程内容零散且缺乏连贯性的问题。

2 学习进阶研究的源起

2004 年，Smith 等［5］向 国 家 研 究 委 员 会（National Research Council）提交了一份关于K-12 年级科学测评题目设计的报告， 该报告中提到了学习进阶，由此，学习进阶开始得到学术界的广泛关注［6］。 学习进阶的研究起源于认知科学对学生如何学习某一特定概念，以及描述这一学习路径、从初级理解水平到达高级理解水平这一改变的研究。 但当时的研究侧重于探测学习者个体概念转变的轨迹，较为关注个体层面的认知变化，还未将学习进阶与课程设计相联系，因此其在课程层面的巨大价值尚未显现。 随后在2007 年，NRC 出版的Taking Science to School：Learning and Teaching Science in Grades K-8 中明确提出学习进阶研究与课程设计紧密联系，指出学习进阶是教育研究者、课程设计者、 教育决策者及命题人员之间进行有效对话的重要途径， 为科学教育研究和学校课堂实践之间搭建了一座桥梁，可联结并协调课程、教学与评价三者之间的关系， 是促进课程连贯性与一致性的有力工具， 有助于解决科学教育缺乏连贯性的问题。至此，学习进阶引发科学教育者的广泛关注， 学习进阶的研究成为了科学教育的热点问题，研究成果层出不穷。

鉴于学习进阶在科学教育改革中蕴藏的巨大潜力及相关研究的蓬勃发展， 国际科学教育顶级期刊JRST （Journal of Research in Science Teaching） 将2009 年第6 期杂志定为学习进阶特辑（Special Issue：Learning Progressions），同年在NRC的资助下美国科学教育者召开了学习进阶专题会议（The LeaPS conference），会议就学习进阶的内涵、发展评价项目探查学生学习进阶的路径、模拟和解释学生在学习进阶上的表现， 以及学习进阶的使用4 个方面进行了深入探讨。2012 年，NRC 发布的《K-12 科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概 念》（A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas），以及2013 年正式颁布的 《新一代科学教育标准》，均将学习进阶作为课程设计的重要理念之一，利用学习进阶可设计聚焦于某一主题K-12 年级的连贯的、递进的概念理解和技能发展路径，进而为学生形成深入连贯的理解指明了清晰的方向。 图1呈现了学习进阶相关研究发展时间轴， 并展示了其中较为重要的影响事件。

3 学习进阶的构建和验证方法

图1 学习进阶相关研究发展时间轴

学习进阶的组成包括进阶终点、进阶变量、中间水平、学习表现和评价工具5 个要素。学习进阶的构建和验证，是一个反复循环的过程，首先通过对大量文献资料的梳理和分析之后， 提出一个理论上的假设学习进阶， 再透过实证研究进行反复的验证及修改。 学习进阶的构建主要包括学习进阶的整体开发流程、学习进阶的原始框架开发、学习进阶测评工具的开发， 以及学习进阶原始框架的验证提升4 个方面。

3.1 学习进阶的整体开发流程 学习进阶的开发是一个循环往复的过程，具体过程如图2 所示。学习进阶的开发主要涉及5 个步骤， 首先是根据教育期望（课程标准等）、学科内在逻辑，以及学生的认知规律构建假设的学习进阶理论框架，在这个假设的学习进阶理论框架中，要有进阶起点、进阶终点及各中间水平的描述， 将其学习表现外显化以便后续的工具开发。在第1 步的基础上，开发相应的测评项目并实施测试， 使用测量模型对实证数据进行拟合分析后， 根据结果对理论框架或者工具进行修改，再进行下一轮的测试，直到实证数据与理论模型拟合度达到较高水平。

图2 学习进阶的开发和修正

3.2 学习进阶的原始框架开发 学习进阶原始框架的开发需要基于大量的文献资料、课程标准、实证研究等，对这些资料进行细致的分析后，厘清该主题学习进阶涉及的核心概念或能力水平，然后根据已有理论和实证研究确定进阶的起点、终点及中间变量后，提出假设的学习进阶原始框架。

3.3 学习进阶评价工具的开发原理 在提出假设的学习进阶原始框架之后， 需要验证假设的原始框架是否符合实证研究的结果， 这一步需要开发质量较高的评价工具。 Wilson 认为一个好的评价应具有以下4 个特征：具有发展性；能将教学与评价相联系； 能得到高质量的实证证据及允许适当反馈，便于教学人员使用管理。基于以上4 个基本原理，Wilson 提出了BEAR 评价系统（BEAR assessment system）用于开发评价工具，学习进阶的评价工具也可应用BEAR 评价系统［7］。

BEAR 评价系统包括明确心理构造图、开发测试题目、确定结果空间和分析测量模式4 个相互联系的环节。这4 个环节分别对应具有发展性；能将教学与评价相联系； 能得到高质量的实证证据，以及允许适当反馈4 个评价开发基本原理。以下结合学习进阶评价工具的设计开发分别介绍BEAR 评价系统的4 个环节。

图3 BEAR 评 价 系 统［7］

1）明确心理构造图（construct map）。 明确心理构造图强调要用发展的视角看待学生学业成绩的评估，即随着时间的发展，能持续评价学生对某一概念或技能在一段时间内的发展情况，关注学生一个时间段内的变化，而不仅仅是一个时间点上的变化。 构造图可帮助明确学生的学习期望，为了解学生具体如何学习提供理论指导，从而提高评价系统的结构效度，为评价如何整合到教学中，以及学生课堂学习成果的大规模测评提供理论指导。

心理构造图将为测量的心理构造提供一个明确的内涵界定， 并将这一心理构造划分为一系列有序的不同水平， 即构造图定义了学生应该理解什么，以及学生在理解上的进阶变化。 因此这一步需要明确测试的心理构造（例如能力、态度、成就、兴趣等），即测量目标，定义不同水平的具体内涵，并关注这一心理构造不同水平的外在表现。开发心理构造图主要来源3 个方面的研究：学生的认知结构，不同层级的期望表现，以及关于学生教学实践表现的实证研究。 具体来说，可参考课程文件中对学生的期望表现要求、认知方面的研究、学生典型的错误概念等勾勒出学生从低水平到高水平的能力（思维等）发展路径，从而建立心理构造图。

2）开发测试题目（the items design）。这一步需要设计具体的题目探测学生在某一心理构造上的理解水平。 基于上一步确定的心理构造图编制相关评价任务， 每一个评价任务和典型的学生作答都与构造图的某一水平一一对应。 题目的设计可以是封闭式问题，也可以是开放式问题。开发测试题目可联系教学与评价， 为教师的教学提供反馈信息。

3）确定结果空间（the outcome space）。 结果空间指学生在试题上作答反应的集合， 具体来说，就是学生作答的量规，一套评价标准，通过评分标准即可判别试题的得分。确定结果空间即制定一套评分标准，还可增加一些参考样例便于评分。 结果空间将心理构造图与试题相联系，确定结果空间需要联系测试的心理构造图制定具体的评分标准。

4）分析测量模式（Wright maps）。 分析测量模式是指探究学生的作答结果与构造图中的理解水平之间的关系， 即实证结果与理论假设模型之间的关系。 分析测量模式通常会将原始作答分数转换为等距量尺以表示测量值，便于后续分析比较。这一环节对应的是提供高质量的实证证据这一测评原理。 高质量的测试对信度、效度、公平性、一致性及是否有偏见等都有一定要求。 为了确保结果之间的可比较性， 需将原始作答转换成等距量尺，分析学生的作答模式，例如怀特图可展现学生能力分布、项目难度分布，以及学生能力与项目难度之间的关系。

BEAR 评价系统为学习进阶工具的开发提供了理论基础和实践指导，通过明确心理构造图、开发测试题目、 确定结果空间和分析测量模式4 个相互联系的环节， 研究者可尝试开发高质量的工具以验证假设的学习进阶。

3.4 学习进阶原始框架的验证提升 目前在学习进阶的验证提升方式上，主要有以下几种方式：

①试题评价： 通过开发试题分析评价概念的难易程度，由此确定学习进阶的等级层次。目前多数研究采用开放性问答题和选择题作为评价试题形式，开放性问答题耗时较长，不易操作，但能探测更多信息。 选择题操作简单，耗时短，结果也易于反馈教学，但研发更为耗时，需要精心设计。 此外，学生的思维方式在不同情境中会有一定差异，缺乏一致性， 当学生的思维能力还处于发展之中的时候，表现通常会受到情境的影响，可能会降低工具的效度。 因此这一方法的关键在于开发出信效度较高的工具。

②质性访谈： 通过访谈学生对某一概念的理解过程，梳理厘清学生理解层次的发展过程。

③教学介入：通过比较学生教学前、后思维和理解过程的改变，确定学习进阶。 然而当前多数研究采用的是单一组别教学比较学生教学前、后的改变，缺少对照组的实验，这样无法获悉接受教学介入和未接受教学介入的学生改变是否有显著性差异，由此确定的学习进阶信效度有待进一步商榷。

整体来说， 学习进阶的验证主要通过试题评价、质性访谈和教学介入的途径，多数研究采用的是单一方法研究学习进阶，缺乏整合性评价。另一方面，在学生群体的选择上，一般采用2 种方式：横向选取不同样本的评价和纵向追踪相同样本的评价。 横向选取不同样本的评价选取同一时间段不同年级的学生进行研究； 而纵向追踪相同样本的评价选取的是不同时期的同一批学生， 分析比较他们随着年龄成长在理解水平上的改变， 这种方法相对耗时，周期较长。

4 学习进阶的应用

当前学习进阶的研究主要关注2 个方面：聚焦于科学概念的学习进阶研究和聚焦于科学实践能力的学习进阶研究。 目前围绕学科核心概念以及跨学科概念，已发展的学习进阶包括：食物链、生物多样性、遗传、碳循环、力与运动、物质、能量和天体运动等多个主题的学习进阶。此外，在科学实践领域，也相继出现了科学建模、科学论证、科学推理等科学实践能力的相关学习进阶研究。 然而，学习进阶也面临着一些问题。学习进阶的本质是刻画学生思维结构变化的阶段性发展过程，如何将这一过程外显化是目前研究的难点问题，工具的开发在解决这一难题中至关重要。

在生命科学领域， 学习进阶的研究主要集中在“进化”“食物链”“基因和遗传的分子基础”“生物多样性”及“碳循环”等几个主题。 2004 年，Catley等［8］初 步 开 发 了“进 化”主 题 学 习 进 阶；2012 年Lehrer 等［9］根据已有研究成果描述了学习进阶的基本原理和结构，并刻画了K-6 年级学生在进化论概念上的概念发展进阶。 在“食物链”主题上，Gotwals 和Songer［10］通 过 已 有 研 究 建 立 生 态 学 概念复杂推理能力的学习进阶。在“基因和遗传的分子 基 础”方 面，2009 年，Duncan 等［11］初 步 提 出5～10 年级学生的遗传学主题学习进阶。 之后，Duncan 等［12］于2011 年 在 其 初 步 提 出 的 学 习 进 阶基础之上通过教学介入， 检验学生的遗传学主题学习进阶， 并得出结论中学生具备推理分析3 个遗传学模块的能力。 此外，Elmesky［13］基于已有研究、文献资料等，提出假设的K-12 年级遗传学学习进阶。在“生物多样性”主题上，Songer 等［14］提出了学生的复杂推理能力学习进阶， 并开发8 周的教学实践活动以收集信息检验和修改假设的学习进阶，最终确定学生在“生物多样性”主题复杂推理的学习进阶。 Anderson 团队针对“碳循环”主题的学习进阶进行了一系列的研究。 2009 年，Anderson 等［15］借由不同年级学生在开放性试题的答题表现与访谈的回答， 厘清学习进阶的各阶段内容。 2012 年，通过追踪分析48 个学生访谈及3 903 份试卷，开发了学习进阶的框架［16］。 2013 年，Anderson 等［17］对原有学习进阶框架进行了更为精细的描述， 并通过教学介入进一步检验了假设的学习进阶。

在物质科学领域，学习进阶的研究主要集中在“能量”和“力与运动”主题。 Lee 和Liu［18］在知识整合理论指导下，开发和验证了“能量”主题学习进阶，并得出结论：8 年级学生的知识整合水平高于6年级和7 年级，上物理学课的学生知识整合水平明显高于生物学和地球科学。 2013 年，Neumann 等［19］开发了“能量”主题学习进阶，并利用Rasch 模型检验了假设的学习进阶， 最终得出结论：6 年级学生可以理解能量的形式和能量的来源；8 年级的学生还可以理解能量的转移和转化， 但是只有10 年级学生可以理解能量的储存。 Steedle 等［6］对7～12 年级学生进行了研究，根据课程标准和已有研究开发初步的“力与运动”学习进阶，并开发了相应的测评试题，最终构建“力与运动”学习进阶。

在化学领域的研究中，学习进阶的研究主要集中在“化学的物质概念”“原子结构与相互作用”及“物质的微粒性与分子运动论”主题。 Adadan 等［20］通过多元表征教学的介入，描述和确定11 年级学生在教学介入前、后的PNM（物质的微粒性质）概念路径，检验学生概念理解层次的改变，并探究多元表征教学在提高学生PNM 概念理解方面的作用。 Stevens 等［21］开 发 和 验 证 了“原 子 结 构 和 电 子运动”主题学习进阶。 此外，2005 年，Lesniak 等［22］通过Rasch 模型，确定了“物质”主题的进阶序列，解释学生从小学到高中“物质”概念的进阶发展。2006 年，Lesniak 等［23］又对1～10 年级学生“物质”概念的学习进阶进行了进一步研究发现： 在不同年级之间未发现显著的概念跳跃情况， 即不同年级之间存在重叠的概念理解情况。

在地球与宇宙领域的研究中， 学习进阶的研究主要集中在“天体运动”主题上。 Rivet 等［24］对164 名8～9 年级学生进行教学前、 后测， 使用Rasch 模型进行分析验证学习进阶。Plummer 等［25］根据已有理论研究、有关教学介入的研究，以及学生的访谈资料，构建学生对天体运动的学习进阶。Wilson［7］以天体运动为例，介绍开发学习进阶测评项目的原理——BEAR 评量系统。

在科学实践的学习进阶研究方面， 相关研究主要聚焦“科学论证”“科学推理”及“科学建模”能力的学习进阶开发。Berland 等［26］开发科学论证的学习进阶，了解学生科学论证的过程，以及哪些教学实践可支持学生的科学论证能力的发展。Schwarz 等［27］提出初步的“科学建模”学习进阶，开发6 周的教学活动，通过分析学生在教学前、后分别绘制的模式图，以及访谈结果最终完成了“科学建 模”学 习 进 阶 的 构 建。 Gotwals 等［10］通 过 已 有 研究建立生态学概念复杂推理能力的学习进阶，在此基础上开发20 题的测试工具，并进行教学介入检验了“科学推理”能力学习进阶。 Songer 等［28］还开发了“科学解释”能力学习进阶，通过教学介入完成了假设学习进阶的实证检验。

5 启示与建议

5.1 学习进阶提倡“实证研究”的研究范式 学习进阶的研究消除理论研究与实践探索之间的隔阂，将二者相关联共同寻找更多的“证据”，从而构建信效度良好的学习进阶模型。首先，通过理论研究进行解析， 寻找挖掘相关因素之间的潜在联系和结构，构建初步的学习进阶模型。 其次，在理论研究的指引下完成假设进阶模型的验证， 国际上较为认同的方式是采用教学介入等方式验证进阶模型，通过实证研究，收集相关证据和信息，丰富模型并完善理论。学习进阶所提倡的“实证研究”范式注重教育研究与实践的“循证”属性，可为教育研究和实践活动的开展提供更多实证支撑。

5.2 关注课程、教学和评价的整合及课程内容在不同学段的衔接 学习进阶的出现使得K-12 年级连贯有序的科学学习成为可能， 它聚焦知识或技能在不同年级段之间的进阶学习。 这种学习过程强调上下连贯、循序渐进，帮助学生形成一个动态的知识建构过程。 这启示人们关注科学教育的系统性和发展性，具体包括2 点：关注课程、教学和评价的整合及课程内容在不同学段的衔接。 首先，科学教育需关注课程、教学和评价的整合，通过学习进阶促进课程、 教学与评价的一致性。 其次，关注不同学段之间学科内容的衔接。当前我国已开始关注小学和中学之间的学习内容衔接问题，但大学和中学的衔接研究较为匮乏，学习内容的重复或难度跨度较为明显， 影响了教学的效果和效率。深入挖掘课程内容之间的关联，通过学习进阶实现不同学段学习内容的连贯设计和顺畅衔接将有助于解决这一难题。

5.3 以学习进阶理念为指导，实现试题的阶梯式难度设计 评价是改善教学的重要环节， 基于学习进阶的理念和技术实现试题的阶梯式难度设计，确定题组内各个试题的水平层次和区分度，更为精准地区分和定位学生的学习水平， 将有助于教学改进和学生学业质量的提高。具体来说，可通过项目反应理论（IRT）和认知诊断理论确定试题的难度和学生作答的水平层次， 以此作为试题评分标准制定的依据， 以便进一步提高试题整体的信效度，从而开发高质量的科学试题。 与此同时，也可通过学生的作答水平确定学生当前的认知状态和能力水平， 考查学生思维的内在连贯性和进阶发展阶段， 有方向性地引导学生向期望水平发展。将学习进阶理念融入测评工具的开发中，更为科学合理地设置题组内各试题之间的难度阈值，提高试题的区分度和效度， 可促进高质量测评工具的开发。