为教育和教学改革而设计

2020-12-28徐晓东

中国电化教育 2020年7期

摘要：近年来学习科学研究成果已经成为教育和教学改革最重要的方法论，并受到世界各国教育相关者广泛关注和高度重视。笔者带领团队翻译的《剑桥学习科学手册（第二版）》正是这样一本为我们展示了学习科学对当前以及未来教育改革所担负责任和解决问题的实践指南，它是一部设计科学的指引。本篇评论以教育和教学改革的新取向、新知识、新方法和新技术为线索，概括了该手册令人鼓舞的学习科学研究的最新进展，并揭示了基于学习科学开展的教育和教学改革是问题引发的研究、数据驱动的决策、知识驱动的设计、技术驱动的行动。

关键词：剑桥学习科学手册;教育和教学改革;设计科学;新取向;新技术

中图分类号：G434 文献标识码：A

一、引言

自从20世纪50年代心理学家斯金纳出版了《学习的科学与教学的艺术》以来，经过长达70年研究与实践，学习科学取得了长足的发展。本评述所介绍的《剑桥学习科学手册（第二版）》（以下简称“手册”），正是一部反映当代学习科学研究与发展的最权威著作。该手册延续了著者索耶等人第一版的风格，他们致力于研究真实情境中的学习，并籍此利用这些知识来重新设计课堂和其他学习环境，使人们可以更加有效和深入地进行学习。因此，它还是一门有关学习实践的设计科学，主编索耶称之为“学习的新科学”。

正如索耶所言，2006年问世的第一版《剑桥学习科学手册》被公认为对教学、学习以及教育技术的创新方法做出了权威性的介绍，而本手册更凝聚了学习科学家们的集体智慧，为渎者提供了该领域最新的研究成果，并就该领域普遍存在的问题提出了可行性建议。本册著者们一致认为，创新的教育系统应该采用最好的方式来精心编写教材、设计教育软件、培育优秀教师、组织课堂，并且借助互联网来促进学生学习，以此创造包括课后俱乐部、图书馆、博物馆在内的高效校內外学习环境[1]。

二、学习研究与实践的新取向

（一）学习科学的新取向

事实上，学习科学发展至今天，在世界范围内形成了三种不同研究与实践取向：致力于“人脑是如何工作的”脑与神经科学研究、关于“人是如何学习的”认知与行为研究及“教育者是如何设计的”设计科学实践。

第一种取向中，学习科学家通过脑与认知神经科学的研究成果理解“人脑是如何工作的”，借此形成系统的理论，并介绍给教育实践者，教师们通过应用这些理论，开发更加有效的教学。第二种取向是将视野放置在更广泛领域中，将来自于认知科学、发展心理学、神经科学、人类学、医学、教育学以及学科学习领域关于“人是如何学习的”研究成果系统化，以更好地将学习科学领域的研究发现与实际课堂教学连接起来，促进这些成果转化为有效的教学。上述两种取向逐渐形成了两大研究与实践共同体：一是以经济合作与发展组织（OECD）的教育研究机构为主的学术团体带领世界范围内的神经科学、认知神经科学、认知科学、医学和教育学专家，将这些学科进行融合以形成一套新的话语体系，他们侧重研究学习行为的生理和心理机制如“学习脑”与“教学脑”，并用于指导教育和教学实践[2]。另一个是以美国教育研究协会（American Educational ResearchAssociation， AERA）为代表的学习科学研究共同体[3]。上述两种取向的目标是建立一个描述性、解释性及预测人类学习行为和发展的可靠模型与通用理论作为实践的指导理论。

《剑桥学习科学手册》的著者们所选择的是第三种取向。他们从多学科的历史交叉点中重点关注学习和学习环境的设计，应用学习的新科学和利用新的计算机技术来设计有效的课堂内外的学习环境，它是一门将研究与实践整合起来的“设计科学”，专门为现场学习而设计。这一取向的目标更加务实，不是向教师传输研究的结果，再由教师根据自己的特殊情境开发教学，而是基于人是如何学习的最新研究成果提供“教育者是如何设计的”知识。设计科学的目标与解释性科学的目标不同，它不是为了解释“世界为何这样运作”，而是为了提供“事情该如何做”的解决方案。所以，立足于学校特定实践的研究和设计，是该手册最主要特色和贡献。

（二）学习的新科学新在哪

手册所研究的不是实验室里的学习，而是整个现实情境中的学习，因此它区别于传统的学习研究。

首先，研究主题、研究内容区别于早期的学习心理学和教育心理学。它不但研究基础问题，也研究应用问题。例如，许多认知发展学研究者都研究过儿童的世界观，以及儿童的世界观从学前时期到早期学校教育阶段是如何发展的。这些建立在学习科学研究基础之上得出认知发展的基础知识对于学校改革是至关重要的。

其次，创设学习环境是本手册研究的重要产物，但在创设学习环境问题上，学习的新科学主张，不仅仅提供教学技术，还重视开发学习的新材料。学习材料作为学习环境中的一个重要因素，常常被研究者所忽视。在我国，学习材料等同于教材的观念根深蒂固，然而教材只是对课程标准的演绎，是众多教学和学习材料中的一种并非全部。关于如何才能设计出使学生积极和持续参与的学习材料与学习活动将成为学习资源开发的主要方向，渎者可以从第一版《剑桥学习科学手册》中佩珀特的著述中寻找到答案[4]。

另外，区别于尚克等人的人工智能教与学应用，区别于脑神经科学的教与学应用的学习科学。早期认知科学研究的一大贡献在于对知识工作者工作的周密研究。例如，人工智能的研究者们通过对专家的访谈和观察，希望能用计算机程序来复制这些专家知识。除此之外，尚克的人工智能教育应用还包括分布式认知、脚本等的研究。同时，上个世纪90年代有关社会文化、情境认知、非正式学习、协作等的研究发现，除了正规教育外，几乎所有的学习都发生在一个复杂的社会环境中，所以，学习的新科学成果不仅局限于实验室和神经科学研究的结果，更多的是涉及在真实情境中学习研究的结论。

其实，学习的新科学的理论基础与认知主义和行为主义完全不同，它是建立在建构主义理念基础之上的。这三种理论在指导设计教学时其原则有很大差异。例如，学习科学指导原则之一是“学习总是在原有的知识背景下发生的”。另外，索耶曾提及：“到20世纪60年代，社会学家、心理学家和人类学家对‘科学家们究竟是如何工作的开展了研究发现，科学知识并不仅仅是对世界的表述以及其逻辑操作，还包括科学研究的方法和深层知识的模型，这二者通过解释性原理联结成为一个整体性的概念框架”[5]。为此，学习的新科学指导下的教学设计应该包含在教师指导下学生动手开展实验的社会性互动过程，这也是STEAM学科学习的重要组成部分。

此外，学习的新科学目标也与众不同，它的目标之一“就在于确认哪种实践是适合学生参与和学习的，以及怎样在不损失这种实践专业性的前提下设计出适合学生年龄阶段的学习环境”[6]。因此，教学或学习中，让学生重走学科专家的道路是学习科学家们达成的广泛共识，这一道路是真实科学实践的简化版本。一个典型的例子是美国斯蒂文斯理工学院开展的STEAM教育。该学习活动的指导教师是本学院化工专业教授，对接下来的项目学习的主题和领域具有专长。指导教师事先准备好了学生可能需要的知识、工具、材料;为学生们准备的材料，取材于日常生活，比如食盐、苏打、水等;同时她了解学生发展水平，知道学生们可能需要哪些知识;学生们动手制作，能够设计出各种不同的彩色，完美地将科学（化学）、工程、数学（每一种材料需要的量）、艺术结合了起来。在活动中学生们运用知识进行设计和制作，根据集体反思和反复的调试，设计出了更鲜艳的色彩，用知识解决了问题。如果将这类项目系列化、按照认知发展阶段并将知识、技能和情感态度嵌入其中，这一学习活动的设计就是学习新科学所追求的目标[17]。

值得注意的是，学习的新科学的志向同样与众不同，为实践而设计是它的主要志向，设计学习环境是它的主要方向。本手册的著者们认为，有效的学习环境能为学生积极的知识建构提供脚手架。例如，学习的外化（表达）能够支持学习者有效建构自身知识。历史上，外化的作用最早由维果斯基发现，其后的相关理论如精致化学习理论、同伴互教、相互启发学习及小组合作学习等都证实了这一结论。

最后，本手册回答了为什么需要重新设计学校的问题。实际上，在19世纪至20世纪学校形成和发展中，学校的设计者、管理者、教师、学者、教育学家们还不了解人是如何学习的，而延续至今的学校已经极不适应这一迅猛发展和复杂多变的知识经济时代。这其中学习科学手册也给出了与众不同的利用计算机设计新学校的方法，作为这些方法背后的原则是：信息技术是工具，而不是媒介，这与现在流行的做法有很大的不同。日本学者佐藤学曾指出：“我们探求的不是会使用计算机的教育，而是不被计算机所‘使用的教育;不是用信息网络来构建学校，而是通过计算机网络来编织人与人的关系，重新构建学校的公共性与共同性，目标指向‘不被科技神话所支配的学校和社会”[8]。

三、有关学习的新知识

（一）学习科学关于教育、教学及学习的新认知

本手册的主编基思·索耶在第一版的序言和第一章中概括了学习科学研究群体是来自于心理学、教育学、计算机科学、人类学以及其他学科专家;而第二版则强调研究领域已经扩大到认知科学、教育心理学、计算机科学、人类学、社会学、信息科学、脑神经科学、教育学、设计研究及教学设计等。

第二版新增的著者均有着广泛的学科背景，他们都是来自于不同国家和地区的著名学习科学研究者，在72名作者中，有47名来白美国，11名来自欧洲，4名来自加拿大，6名来自亚洲，3名来自以色列，1名来自澳大利亚。这与第一版形成了对比，第一版只有5名作者来自美国之外的国家。

这些具有广泛国际影响和多样化背景的专家归纳了自从2005年该手册第一版发行至2014年第二版问世令人感到鼓舞的学习科学研究最新进展。它涵盖了课堂内外的学习和教授研究所取得的丰硕成果，并通过设计科学原则，以手册形式向那些想要了解变革教育和学校的教育研究者、管理者及教师提供帮助人们学习得更加深入和有效学习的新方法[9]。

与第一版比较，第二版新增加的“学习学科知识”和“将学习科学研究引入课堂”是全新的，它表明学习科学家越来越重视课堂教学和学科知识的学习与指导。这一点与近年来一些主张取消分科教育和忽视课堂中的学习与教学研究观念大相径庭。

在学习科学研究领域，对学科知识学习规律研究最多的就是数学，不仅是因為“数学被誉为‘宇宙中唯一通用的语言”[10]，而且从研究方法论角度来说，近年来，心理学家、数学家和数学教育家对“儿童是如何学习数学的”研究结果表明，由于教与学“这两个过程的联系太过于紧密了，因而无法单独进行研究”[11]，并且不同的认识论所采用的教授和学习数学知识的方法也不同。如果认为数学知识是一套由数学家建立起来的知识体系，那么学生既可以通过传统的接受式知识传播法来学习数学，也可以是通过学生在教师指导下主动地建构来获得数学知识。但是如果秉持数学是人类从事的一种数学实践理念，那么显然“获得”途径是无法形成数学知识的，“参与其中”成为学习数学知识的唯一途径，教学观念也必须从“学习是概念的获得”到“学习是活动中参与的发展”转变。在参与主义下，重走数学家道路是一种最为理想的学与教的途径，当然，这一道路是真实数学知识工作者道路的简化模型。于是，应该选择哪些、什么样的道路就成为学习科学研究的重点。

这里提到的“参与其中”，对于学习历史也很重要。我在上中学时，历史课考试经常出的题目类似于“陈胜、吴广是什么时候、在哪里起义的？”，大部分学生都会答错。其实，这些问题对于理解历史概念和历史并不重要，答案差一年、早一天或晚一天无关紧要，重要的是你应该学会像历史学家那样，知道如何利用史料进行推理与论证，开展一系列史学探究等复杂的实践活动[12]。

“参与其中”还要包括对已经建立起来学习科学理论的自我重建。欧美等国曾对应用了40年的“以学习者为中心”的课堂教学法效果进行评估时发现，在小学低年级效果很差，其中一个很重要原因极有可能是教师没有遵循合作学习或学习共同体实践原则所致。例如，没有根据任务特征进行差异分组或给每一个人分配角色，没有拆散一个共同体、再重新建立一个新共同体，而是组成了一个团体后成员一直保持不变，等等。所以，理论的应用不应该是“技术理性”的传输方式，而应该是教师将“理论与实践整合”——在实践中自我重建理论。教师也要重走学科专家的道路。

作为这一问题的回应，本手册第五部分和第六部分聚焦的深层学习正是对这一问题的最好阐释。

（二）深层学习和深层知识

在翻译本手册第一版时我们将原文的“DeepLearning”翻译成“深层学习”，以区别机器学习中的“Deep Learning——深度学习”，目的是强调学习科学中的深度学习与机器学习、教育学以及其他著者所主张的深度学习内涵不同。学习科学视域下的深层学习是指：深入学习知识（Learning KnowledgeDeeply），学习深层知识（Deep Knowledge）[13]，深入学习那些隐含在学习事件背后的规律性的东西，这些规律性的内容就是深层知识。如像科学家那样探究原理、法则及模型等。这些规律性的学习内容，不但可以促进知识的迁移，由此产生理解，而且还是学习者感兴趣的，这也是科学家感兴趣的，在学习科学中也称为“有趣问题”。

本手册介绍了一个“调查红松鼠的数量与气候之间关系”的深层学习活动案例。这一案例中，学生们收集数据、分析数据，建立模型，并进行预测[14]。其实，除这种跨学科的综合实践活动外，学科教学中也可开展深层学习。例如，在我国著名小学数学教师华应龙老师所讲授的《简易方程》的学科教学中，教师引导学生首先复习等式、不等式、含有未知数的等式和不等式，学生进一步在教师引导下从上述复习的式子中分类，找出含有相同属性（特征）的式子。这之中有一类是含有未知数的等式。教师问：“像这样，既是等式，又是含有字母的式子，我们可以给他定义个概念，叫什么？”学生答：“等未式”，教师笑了：“他创造了一个词”，并接着说：“他不叫‘等未式，叫方程”。这之中，在教师引导下，学生根据含有相同属性这一标准归纳出了方程。在心理学中，关于概念表征是指：表现一个范畴的心理结构叫做概念，在数学上叫做“集合”。概念或集合就是该教学中学习的深层知识模型，你可以用这一模型去预测很多相同的事物。所以学生在此既学到了“简易方程”的知识，也通过深层学习学会“概念形成”这一过程性知识，它是深层知识。

从上面2个案例我们可以看到，这样的教与学活动设计是按照知识工作者在建构知识时探索过程和利用建构的模型知识进行预测的过程，同时，这一过程遵循了知识模型的内在结构或知识形成的内在逻辑。所以，这一设计体现了设计的基础和假设的精准协调，凸显了所采用的方法与技术是与这一结构和逻辑高度一致性，这就是“贯一设计”，该设计知识是整合技术的学科教学法知识。

关于深层学习，不同的领域有着不同的关注点和表述。如心理学主要关注于心理构念和心理活动，其对深层学习界定是“超越以往经验束缚，以新颖方式来行动和思考的认知加工过程，它导致先前知识修正的学习”[15]。而在机器学习领域的专家则从心理学关于人的概念形成过程研究中得到启发，模仿人的概念形成过程提出了：“深度学习是学习样本数据的内在规律和表示层次，由此可将深度学习理解为进行‘特征学习或‘表征学习”;“通过多层处理，逐渐将初始的‘低层特征表示转化为‘高层特征表示后，用‘简单模型即可完成复杂的分类等学习任务”[16]。在教育学领域，关于深层学习有众多的理解。日本文部科学省的学习指导要领中指出“在学习、活用、探究的学习过程中，根据各学科特性激活思维，进行知识的融会贯通、深入理解、明辨信息价值，发现并解决问题，根据自我思考进行创新创造”;日本学者佐藤学认为，“把现在学习内容，与过去的经验、知识建立关联，探究其背后隐藏的原理、法则、不断地检验正伪、并导出结论”是深层学习;我国教育科学研究者则从学习过程角度归纳了深层学习是“从已有知识出发，带领学生模拟地、简约地经历知识探索、发现、发展的‘典型过程;把握学科本质”[17]。

另一个值得注意的新知识是上面提到的教与学的不可分割性。最近研究关注学生的认知发展阶段中，教学起到了关键作用。在皮亚杰理论中，儿童是依靠自己，通过发展，对一个概念逐渐从具体到抽象间的几个发展阶段间转换，而范希尔进一步通过研究证实“儿童概念的转换与发展更多的是源白于教师的教学，而非学生自己独立的建构”，并且，他认为，当学生从一个水平向另一个水平轉变时，其标志首先在语言上表现出来，因此他主张，学习就像对话中的转变，该观点也彰显了学习的社会性这一要素[18]。换言之，教学和以语言为中介的互动，才是导致学习发生和发展的根本原因。作者将这些关乎学生深层学习和概念转变的根本性理解在本手册第十六章做了详细的论述。

（三）学习就是概念转变

上述心理学家关于深层学习的界定中指出了深层学习会导致对先前知识的修改，这意味着学生的概念转变。

关于学生的“概念转变”已经开展了近50年的系统化研究，在欧美各国和亚洲一些教育发达国家，基础教育和教学中也有近30年的实践，但在我国基础教育中没有得到足够的重视。就其重要性而言，概念转变非常准确地表达了学生们在数学、物理、化学、生物等学科学习和教学中遇到的困难和教师教学的根本出发点。因此，教师只有将教学置于学生原有（前）概念基础上才会有效。正如本手册著者之一的迪塞萨（DiSessa）所说：“学生并不是等待被灌输的空容器。他们在上课之前，就对现实世界如何运转有先人之见;这些先见中的一部分是基本正确的，而另一部分则是迷思概念。儿童的最佳学习方式是在先前知识的基础上创设环境，然后开展学习”[19]。假如教师的教学没有针对学生们的前概念，没有涉及到学生特殊先前知识，那么教学后，学生的迷思概念依然存在他的头脑中，并且与特定情境联系在一起。为此，教学不再是按照教材和既定计划的讲授，而是需要教师在上课前对以往迷思概念和该学习者（需求）进行分析;在课堂上，还要与学生进行对话，籍此把握没有在课前预测到的特定迷思概念，也即了解学生的疑惑，解决疑惑;就这样，教学中可能需要随时调整教学计划;教学后，反思上述教学过程，记录这些教学事件并与同僚分享这些知识。由此关于教学我们获得了一个与此前教学不同的含义：教学必须建立学生先前知识和基于早期学习结果数据的预测基础上，教学中还要经常性地以语言为中介与学生进行互动。基于这些知识设计的教学才会保证从根本上有效地解决学生的迷思概念或疑惑。所以，“概念转变”中的“转变”一词非常精准地表达了科学科（如物理、化学、生物、地理等）教学工作重点——从错误概念出发，转变为科学概念。这就是索耶再一次保留了第5章内容的用意所在。

再者，概念转变研究对学习科学与教学实践的另一个重要启示和贡献是，在教师指导下、与朋辈在一起学及通过语言交流的重要性。正是语言交流使得学生们产生了认知冲突，引发了进一步学习。这一结论与皮亚杰的理论不同，学生不会白发地在两个或多个认知发展水平间进行自我建构式的转变，相反，它是在教师教学的前提下才发生了转变。因此，教学是促进这一转变的关键因素。从我国教与学文化的角度来说，是教师引导发挥了作用。正如上述华应龙老师的教学那样，教师是建构这个概念教学过程的设计者和学习起始至终的引导者，在这一活动中，教师始终一步一步（环节）的引导着学生往前走，解决每一步（环节）问题。最终，教师和全体同学共同建构一个概念。笔者把它称为“教师引导下的知识建构”学习，其代表了我国教学文化和实践模式的特色。而从西方的教学文化和模式来看，教师是学习的辅助者，整个概念建构过程和思路是学生同伴或小组成员建立起来的，教师只是在学生遇到问题时才介入学生的学习过程帮助学生解决问题，之后，教师便退出这一过程。

事实上，西方的教与学理论同样十分重视教师的重要作用，如伊瑞万格在20世纪70年代就指出“数学教育研究必须承认教师在学习中的核心作用”;库伯在2012年再次强调指出“一对一教学实验中交互与课堂上所发生的教师与多个学生的互动存在着质的不同，且差异越来越明显”[20]。这与上个世纪90年代以后关于情境中学习的研究结论正好相反，同时表明整班教学的重要性。并且，参与主义方法认为个人的成长起源于“社会层面”，而不是起源于个人与世界的直接交流，也即学习或知识形成是以他人为中介的。因此，同伴的作用和角色异常重要，离开了同伴而独学不是真正学习，这正是“独学而无友则孤陋寡闻”。

（四）“如何学”之后是“学什么”

教育家杜威曾经建议学校教育应该为培养“民主社会的公民”做好准备。也就是说，学校除了培养数学家、文学家等专家之外，还应该教授成为民主社会公民的基本素养。但基础教育在这两方面所设置的课程和内容以及对应的教学方法却未必能满足上述诉求。例如，在我国，语文教育专家们长期以来一直争论着语文教育的“文学性”和“工具性”及二者择其一的问题，却忽视了如何兼顾两者以达成平衡的问题，由此而造成的现实问题是，学生从小学到高中大概接受1300学时的语文教育，一些大学生和研究生却不会学术论文的写作，主要原因是学校里没有教授。而欧美一些国家（如美国）将“语文（英语）课”拆分为“阅读课”和“写作课”，这样，写作课就不单纯是为培养诗人、散文和小说家而设计，还为培养科学、工程、技术、数学家而设计，其重点是教授这些学科的写作技巧。这样设计课程所基于的假设是：“写作知识与阅读知识在不同体裁或任务中具有差异性”[21]，会写散文的人，不一定会写科学论文。因此，撰写科学、工程、技术、数学论文这些任务特有的知識、认知技巧及认知能力必须通过学校教育来教授。正如本手册第三十四章中所述：大部分文化通过正规的教育机构教给人们读写能力，读写能力是大部分学校科目教学的必备条件之一;为这些不同的写作任务营造一个有效的学习环境需要对每种写作类型所需的专门知识进行任务分析以及任务分析正确步骤下的明确教育[22]。

相信大部分家长都接受过义务教育，但我们在日常生活中和大众传媒及自媒体上经常看到，在遵守城市交通规则和社会秩序上家长却不如正在接受教育的孩子，事已至此，解决这一问题需要在学习科学家参与下设计“文化学习”。而对于学生，新的一轮课程改革以后接受教育的孩子们有效融入社会所需要的社会技能得到了训练，但这还远远不够，我们的课程中还需要对一些促进儿童社会性发展的教育和实践增加一些新内容和设计一些新的学习环境。在日本，儿童通过学校间食和午餐活动等潜在课程，借助模仿、榜样及协作活动，从中学会了自律和协调等社会性技能;通过上学和放学“过红绿灯”和学校下午的自主性集体活动（如体育项目或各种综合实践活动），儿童们形成了守规则、助人、同情、援救、坚毅、分享、鼓励、保护、给予、奉献、安慰、合作、竞争、援助、鼓舞等等亲社会行为。

因此，学校教育的目标如果是培养未来社会的公民，就要基于学习科学来创设适宜的学习环境，促进这些行为的发展和形成，这正是以设计学习环境为本的本手册的专长所在。一句话，学习科学不但关心如何学，还关心学什么，也即研究如何设计教育的新内容。现在，学习的新科学已经开发了上述这些知识和能力的学习方法，例如，嵌入特定社群文化，展开文化嵌入式学习[23]。所以学校教育要增加学习科学实证的有意义的教育内容和方法。

（五）学习从“概念获得”到“活动参与”

如上所述，学习科学与众多教育改革领域的不同之处就在于它不仅仅关注教学方法问题，还把重点置于学习或教学的内容，其中关注的焦点之一是科学知识本身。

本手册著者们强调，当学校教学更加关注“深层知识”的学习或教学时，学生学到的知识更便于在新情境中应用和记忆。如何才能学到深层知识，学习科学家们进一步补充道：“学生如果参与到和学科专家工作类似日常活动中，他们就能学到更深层的知识”[24]。因此，教学就是重走学科专家的道路，以一种可理解的形式参与真实的学科实践。他们像学科专家工作一样来开展学习，像“协商表明、建构意义”的知识工作者一样建构知识，而不是被动地接受科学研究的结论，这一学习才是真正学习。所以，学习不是基于知识传输论的概念获得，而是基于建构主义的活动参与的发展，必须通过自我建构或参与建构的过程，才能真正成为自己的知识。

当然，学生并不具备专家一样的能力。学习科学家所描述的“学生参与的真实实践”意指与专家实践相类似的、真实的、有意义的及符合学生思维发展的简化版本。所以，学习科学研究的一个重要目标，就在于确认哪种实践是适合学生参与和学习的，以及怎样在不损失这种实践专业性的前提下设计出适合学生年龄阶段的学习环境。这一问题的解决对理解下面焦点问题具有帮助。

近几年，关于芬兰课程改革的新闻成为了舆论的焦点，大家议论的中心问题是芬兰将改变现有单科课程为合科课程。这一观点被扩展到了STEAM教育领域，被视作取消分科、建立综合科的实践典范。但事实是，这是一种大众迷思。这一迷思是来自2015年3月21日英国《独立报》发布的一篇题为《芬兰学校：随着国家的教育改革，科目将被抛弃，以“主题取而代之”》的报道。文中指出，芬兰将抛弃传统学科科目，后来由芬兰的教育部长出面，亲自做出纠正和否定，并且解释了家长们对是否将取消阅读、写作、数学单科课程担忧。

实际上，芬兰课程与美国、日本、中国的课程一样，只是强调了需要开展一些跨学科的综合实践活动而已。一个可能的解决方案是，各个学科学习之后，需要一个跨学科整合的活动，在一个主题下，统整相关的独立的知识体系。也就是说，无论你如何强调跨学科学问，学习都是按照顺序进行的。例如，在一个项目学习中，先学习太阳系、然后再学习光合作用、最后再学习力与运动。你不可能同时学习这些内容。很多研究证据证实了绝大多数有所成就的专家，他们首先是一个特定领域的专才，其次才是一位通才——视野宽广知识渊博涉猎领域众多的人。例如，上个世纪80-90年代心理学研究中一个重要的趋势或主题词就是“领域特有性”或“任务特有性”，任务特有性比领域特有性更加具有限定性。科学家为了解决本学科问题去寻找其他学科或相关研究方法，最后，这个方法在加入了本学科知识和背景之后，才创造出一种崭新的知识。这一事实的重要启示是，教师在了解这一结论和事实后，要有计划合目的地在项目或工作坊学习中开展整合学习。所以综合实践活动课程非常必要，不能形同虚设。

在这个新视角中，科学知识是情境性的、实践性的、通过协作产生的，不同的方法论和协商过程产生不同的知识。那么传统科学课堂的讲授以及菜单式的实验操作就完全没有考虑到科学知识的这些性质。以科学和工程学知识为例，为什么以独自看录制好的教学视频或类似的传播途径传递的知识是惰性知识、无效知识呢？就是没有考虑到上述科学知识的这一广域视角。

因此，中小学的科学、物理、化学、生物等，大学的几百门的理、工、农、医学科等，这些以实验为基础的学科怎么可以通过独自的看录制好的教学视频来学习呢？一些人基于错误的认识论认为，在一些不用开展实验学科的学习中，自己或一些成人可以通过观看教学视频从中学习，这是因为该学习者已经具备了该学科知识体系使然，然而，以此进行推论、错误地认为中小学生或大学生也能够从中获益，这是一种大众迷思。因为，处于学习过程中的学生，他们的认知系统还没有建立起来完整的学科知识体系，在缺乏先有知识或图式的引导性注意下，即使看过了教学视频，他们也不会从中产生洞察和引发思考。对学生来说，学习需要引导，教师需要在这一过程中通过与学生的交谈，时刻把握学生的思考状况，进行注意性引导。

再者，來自长期的一线教学实践表明，与非指导式的探究学习和简单的听取信息式学习相比，指导式探究方法会使学习更有效[25]。教学需要引导，需要一位先知者，这位先知就是教师，教师未必是权威，但他先知，他的工作是引导;学习需要相互启发，启发者就是同伴，同伴未必比你水平高，但他总有独到之处，有你不知道的知识，这些角色不同的一群人聚集在一起学习，相互影响，使得我们在学习中走的更远。这些结论有很多理论作支撑：知识的建构性特征、认知的分布性、情境性、学习的现象学特征、知识的社会属性等等，还有维果斯基的文化中介理论、社会心理学的社会促进现象、教育心理学的社会动机理论，等等。正如本手册第二章著者米歇尔和内森等人指出：“如果一个人认为学习是发生在一个独立学习者的心中的精神过程，那么学习将会变得难以理解”，因为，学习不是个人头脑中一组与外界无关的现象，而是与他人、周遭世界相互关联的社会活动，是文化过程[26]。

总之，学习科学研究和越来越多的证据显示，学习不仅仅发生在大脑里，还必须附带着身体，经过全身心的体验才能够真正发生[27]。所以基于学习科学的学习环境设计要考虑到学生者的体验。具身认知理论认为思考就是对物质世界的知觉的唤起和动态操作。所以，人们通常是在大脑中进行着真实世界活动的模拟，就像我们把数字2从等号左边挪到等号的右边一样，此刻，你头脑中有一双眼睛注释着数字2在移动——思考是一种被删节的隐蔽在大脑中的行动[28]。可以说，在一个基于具身设计原则的环境中，学习者可以应用自然的身体本能和运动来研究物理、化学、生物、材料科学或者数学问题。本书著者们认为“所有的认知都植根于身体的经验”[29]，人类只有借助身体才能思考，所以实际的体验，对于科学、技术、工程、数学学习是不可或缺的。在手册的第十八章中，著者利用了数学和科学概念的理解植根于身体的经验的例子说明了“所有的认知都植根于身体的经验”结论。所以，STEAM教育必须要区别于传统课堂从抽象到抽象模式，要融人动手操作环节，设计实际操作的物件进行试验或模型等工具操作活动，在实操活动的基础上让学生再进行思考，这样才能提高学生的概念推理和思考能力。

同时，我们注意到，一些地区的学校“为了节约时间”把物理课中应该由学生开展实验环节变成了老师在讲台上的演示实验，更有甚者变成了看视频或直接讲实验过程和结果，以实验为基础的物理课变成了阅渎课，这有悖于上述学习科学的理念。到实验室去动手制作一个模型，通过操作和模拟，完成真实的物理过程，这应该是开展STEAM教育的真实目的和改善目前学校教育中科学、技术、工程、数学教育陈旧方式的目标。

四、研究的新方法和新技术

因篇幅所限，以下只提及学习科学研究的新方法和新技术。从研究价值角度看，对于学习持有的不同信念使得研究者们采用相异的研究方法。至于本手册的著者们，他们把可能的研究方法分为“因素研究”和“系统研究”两大类。其中，因素研究对应于传统的研究方法和技术;系统研究对应了近年来开发的新方法和新技术。

（一）因素研究：传统的方法和技术

如果研究是为了探明一些因素是否影响学习以及影响的效果，那么，研究是在因素水平;另一方面，从近些年来研究主题变化来看，从中间的心理和认知层面逐渐向着两级的神经科学和社会科学领域扩展，由此，所对应的研究方法也出现一些创新性的变化。例如，从早期采用的适合认知研究的词汇触接、反应时、实验组设计、认知建模、眼动追踪、姿态分析、刺激回忆法、发声思维、案例分析、体内实验及方案评估等方法或技术，发展到适合于神经科学研究的ERP和fMRI（功能性磁共振成像）技术。这些方法的基本假设是因素还原理论，它把重点放在一个复杂的学习环境的组成元素，其基本假设是学习或影响学习系统成分是可以分解和分析的，干预时又可以将这些得到实证因素合成发挥作用，因此也被称为“因素还原论”。

因素研究常见于心理学领域，尤其是认知心理学，它强调在实验室中操作单一因素，通过实验检验最初的假设，由此检验该因素在统计上是否对学习具有影响。这种做法经常被情境主义者批判为在现实情况下不能发挥积极作用。而支持这一做法的研究者认为，剥离开干扰因素，能够使我们对哪些起关键作用的要素进行辨识，因此它依然对理论具有价值、对现实具有意义。

（二）系统研究：教育数据挖掘和学习分析新技术

然而，现实中我们很难分离个别要素和单独操作这一要素分析如何影响学习。例如，教师采用一种新技术开展教学，学生的学习效果很好，但研究者很难将新技术引发的学生兴趣和技术的作用两者剥离，确认究竟是哪一因素起到了决定性作用。所以，学习科学更应该研究发生在环境和文化之中的个体是如何学习的。为此，本手册所介绍的这些新的研究方法，往往都是在实际的课堂、教育环境这些具体情境中，不分离干扰和关键要素并把影响研究对象的所有要素作为一个整体进行处理的研究方法。它包括社会性调查的民族志、田野研究、对话分析、个案研究、政策分析、学习分析、社会网络分析法、基于案例的推理及设计研究方法。近年来随着大数据、数据挖掘和知识发现技术的发展，能够对情境中显性的和潜在的要素进行分析的教育数据挖掘和学习分析受到学习科学家的高度关注。这些新的研究方法包括对结构进行挖掘，方法有聚类分析、因素分析、社会网络分析以及领域结构挖掘;关系挖掘中一共有四种子类型，关联规则挖掘、相关性挖掘、序列模式挖掘以及因果数据挖掘[30]。作为一种新的研究方法，教育数据挖掘和知识发现及学习分析技术对教育具有深远影响。例如，PISA项目曾经调查过“与父亲一起吃晚饭是否会影响学习成绩？”等有趣的问题;另外，我们还可以调查和挖掘爱运动的学生是否成绩都好？晚饭前写作业的学生是否成绩都高？亲近大自然、热爱探索森林的孩子是否会获得好成绩？等等，这些因素在现有的教育心理学研究或结论中都被排除在外，不做考虑。

另外，过去的教育心理学所建立起来的结论，多多少少都因为样本的代表性差和数据量少而具有相当大的局限性。得益于可以对全样本的数据进行收集和分析，大数据技术比传统教育心理学中基于抽样得出的结果进行预测具有更高的可靠性，它的预测能力与传统统计学相比也有质的飞跃，由此得出的结果，可能颠覆以往教育心理学的很多结论，这对我们理解学与教的新知识进而接近其本质提供了新的洞察。

还有，“大数据”“数据挖掘和知识发现”，以及以此为基础的“人工智能技术”为我们了解更多的与学习、教学及教育相关的潜在的和重要的因素发挥着不可替代的作用。借此，我们可以建立一个更加全面系统化模型来预测未来的学生可能的成绩和发展方向。所以，这些技术将会在教育领域得到广泛采用，这些方法属于系统研究法。它是一种创新性的方法、崭新的技术，它不是替代教师的代理，相反，它是教与学的辅具，为教师科学决策提供了最有力依据，为学生更好地学提供精准的支持。

（三）可对学习做细粒度分析的微观发生法

如上所述，正是由于潜在的和显性影响因素的共同作用，学习发生是一个复杂过程。也许就在你观察学习者的那个时刻，学习却没有良好的表现，而之后却有明显变化。实际上，学习是一段时期内不断积累的结果。另一方面，当你观察时，你所观察到的学习形式也许不是你所设想的样子，它很可能是以不同形式呈现的。所以，学习还有各种形式。再者，学习也不是你观察的那位被试一个人的事情，它是被试和教师及同伴的事情，因此还需要考虑主体间性。为此，维果斯基学派及其追随者们创造了微观发生法。

作为个体内细致变化的比较方法，本手册介绍的微观发生法非常具有科学价值，它能够对一个长期的时间段内发生的现象进行细粒分析，并详细地阐明学习发生过程。例如，通过“儿童如何一个一个地解决很多问题的详细的、细粒的、微观发生的信息”可以得出儿童在此过程中学习发生的机制[31]。这种方法是系统化方法的代表。主张利用系统化研究方法的学者认为，学习是嵌入式的，社会与文化背景对学习有深刻影响。支持这一观点的不仅有维果斯基学派的理论家，它也备受皮亚杰学派和发展心理学家广泛推崇。这是因为，微观发生法可以使我们了解这些因素是如何在短期或长期即一定时间范围内一步一步地影响学习并发挥着什么样的作用，这可以大大提高我们洞悉学习发生的机制和真实的变化过程，以及影响因素是如何发挥作用的机会，从而为设计有效的学习环境提供坚实的基础。当然，现行的微发生法也有局限性，比如，如果增加样本，增加被试解决问题数量，分析就耗費大量精力，传统的分析方法就显得力不从心。但上述教育数据挖掘这种具有前景的新技术给这个问题的解决带来了可能。当学习者与教育软件进行交互的时候，他们每一刻的交互都能被记录下来，形成了他们学习的微观发生记录。教育数据挖掘方法能够对大量学习者的学习过程进行详细的分析，但是只有学习是以计算机软件为中介的情况才行。如，疫情期间，当使用不同工具时，这些工具是如何促进大学生在线讨论发生的机制研究。这是未来很有前途的研究领域，也是笔者推荐这种方法的缘由之一。

五、用设计创造未来教育

我们对未来的预测能力仰赖于人类特有的因果推理能力，这种能力源于我们人类知识共同体中相关知识和思考社会变迁背后暗含的因果机制，就教育来说，这一长期机制就是不同历史时期都在有效发挥作用的因果关系。所以对未来教育的预测，就要从了解人类最初为了生存而开展的教与学活动开始，直至今天仍在学校中保留下来的要素，这些要素我们通常把它叫做传统，并在发挥着积极作用。

伟大的心理学家维果斯基在将近100年前受马克思的思想影响提出了“人的心智起源于社会”的理论学说[32]，这一论断为我们未来应该设计一个什么样的学校和课堂指明了方向。

维果斯基的洞察力过人之处就在于他从起源的视角出发，将人的心智功能分为低层次的和高层次的，其中低层的是作为生物遗传带来的不受文化所影响的，而较高层的心智功能则是人类所独有的，是社会性的，比如像语言和思考[33]。这些认知能力的最初形成，是在人和人聚集在一起共同作业由此而形成的劳动分工和社会关系之中，在相互交往中所产生的。

比如，远古人类为生存下来需要猎食，要猎杀比自己大很多的动物就需要很多人的参与，需要群体共同作业，需要分工和合作，狩猎时一些高度复杂和步调一致等细致分工合作则是人类所独有的。人类学家约翰·斯佩思曾经描述过冰河期末北美西部人类群体狩猎牛群的行为。这些古人为了把牛群引诱到设置好的陷阱地点，有时需要行走很远的路程，而且，陷阱有很多种类，有自然的，比如悬崖，也有人为建造的围栏或坑洞等。这些活动都需要一些出色的技能，需要精心的规划和密切配合，也需要一位熟悉牛群的部落智者——萨满带领。萨满有多年实践经验积累的专业知识，懂得诱使牛群往需要的方向前行。猎人们在埋藏陷阱的地点等待着适当时机然后下手，就这样，整个狩猎过程都经过了周密安排。猎杀到牛后，吃剩下的肉要切割保存，以备后日食用，这也是一项复杂、浩大的工程，那么多被猎杀的牛，需要群体全员参与、各司其职、通力合作才能办到[34]。

在这一故事当中我们看到，在人类早期由于这种集体成员通力合作、认知劳动分工，逐渐形成了每一位成员自己独到的专长。比如，用长矛技术、生火知识、屠宰技能、诱使牛群掉进陷阱知识和技巧、甚至是萨满制定整个狩猎计划。成员不必掌握他人的本领，做好自己份内的事就行，一旦认知劳动分工合适，群体效率和能力就会巨增。这个故事告诉我们心智的一项关键特征，心理学家斯洛曼说：“心智的进化不是单凭个人坐在桌前设法解决问题，而是有赖于群体内所有成员的相互合作”[35]。我可以不必记忆长矛的制作方法，他也可以不知道陷阱是怎么搭建的，另一个人也可以不懂如何思考屠宰的知识，其他人也没有必要学习钻木取火技术。这些知识、技术及技巧分别记忆在别人身体和头脑中，只是进行思考时我们需要通过对话，要么与他人共同思考，要么学习他人知识进行思考。由此，我们看到，思考在进化时也相互依存，与别人的思考共同运行。我们生活的世界太过复杂，需要太多的知识来理解世界和解决问题，但这些知识大部分都不在我们自己的头脑中，思考时我们必须借用别人的思考，这样我们才能解决问题，这就是人类长期进化所形成的大脑和身体的特征。我们的学习也离不开我们的进化得到的这个大脑和身体，我们在解决问题时（无论是生活中的还是学科中的问题）进行思考要仰赖别人的思考，我们的教学也离不开老师和同学的思考和帮助。这就是维果斯基所说的“心智是社会性的”含义。

所以，教育是一项社会活动，教学是人与人的交往过程，而学习是一种文化实践。“社会性”这一用语框定了“大家在一起”这一层涵义，大家在一起才出现了语言、思考和学习。所以学习也好，思考也好，不能独立。一个人坐在家里看视频那不是学习，大家在一起借助语言进行交流学习才能发生，这是我们认知特征所决定的。所以，学校和课堂是未来教育不可或缺的重要组成部分。

如上所述，是人类的社会活动（比如合作）形成了我们的智慧或认知，人类也学会了利用导致结果的原因进行判断，令人类延续至今。所以，人类的思考未必是计算性的（基于统计的相关关系等），相反，人类是基于社会规范和形成的文化习俗而建立的因果关系所构成的常识进行思考的。正因为合作关系，伙伴们可以相互知道对方都知道些什么，知道自己所知和对方的差异，大家专注一件事情和共享一个目标。由于历史足够长，这种共享逐渐进化成为共同的意向，并印刻在我们的基因里，于是我们有了只有人类才具有的这些基本才能，这种能力是长期演化的结果，是教和学的必备条件。而到目前为止，人类还不知道该如何编写程序让计算机也具备这种能够表现出主体间性的智能，计算机不具备揣测他人意图的意识能力，不具有像人类一样具有的共同意向性，计算机不可能像教师和伙伴一样与我们“共同学习”，计算机不能取代我们的教师，也不能取代我们的学习伙伴，未来学校离不开人类教师和学习的伙伴。

上述论证的事实现在已经被发展成了创造“未来的学校教育”的基础。斯坦福大学设计学院设计的《开环大学（Open-loop University）》就是一个典型案例。开环大学对入学年龄没有任何限制，无论你是天才少年还是经验丰富职场中的中年，甚至是退休的老人都可以入学。不同经验的人聚集在一起，自定步调，完成各阶段的学习，这些学生在导师带领和同伴陪伴下，在学习了如何获得深层专业知识后，学生将知识转化到几个实际应用活动中，开展“有使命的学习（Purpose Learning）”。比如，为生活在南亚地区的每个人提供清洁水源。为了使学生带有使命地学习，斯坦福大學在世界各地建立了一系列“影响实验室”，在这些实验室里，师生们一起通过浸润式学习和讨论，应对全球性的问题和挑战。在实践学习活动结束，这些学生返回校园后，往往都会选择和自己所关切的问题密切相关的研究领域。因为在“影响实验室”做研究时，学生们体会了自然环境、社会环境中实际存在的问题，直面全球的困境，所以他们在以后的学习中使命感更强、目标更明确、学习动力更强劲[36]。可以说，开环大学的设计符合了上述学习科学提到所有理论和设计原则。

所以这才是未来教育真正的模样。让人感到惊讶的是，设计这一学习环境的人是斯坦福大学设计学院的学者。所以作为教育和教学改革者，不但要具有领域特有的知识，还应该具备一点设计科学的知识，这就是本手册奉献给各位教师、教育研究者、管理者、政策制定者、专业人员、特别是教育企业家最有意义的提示。我们坚信，基于学习科学的教育改革才是教育改革的一条务实和正确的康庄大道。

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