国际科学教育领域学习进阶研究的知识图谱分析及思考——基于WOS数据库中SSCI、SCI期刊文献的分析

王梓涵，夏 晶，陈 凯

(1.南京晓庄学院环境科学学院，江苏南京，211171；2.湖南师范大学附属黄埔实验学校，广东广州，510530)

一、研究背景

学习进阶(Learning Progressions，LPs)，也称学习进程。2005年美国国家研究委员会(NRC)首次提出学习进阶的概念，认为学习进阶是对学生在不同学段跨度内学习和探究某一主题时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列依次进阶、逐渐深化的思维方式。[1-3]

我国近年来也开始关注学习进阶，《普通高中化学课程标准(2017年版)》明确了学科核心素养的水平进阶，通过学习进阶分析，确定认识方式发展进阶，进而阐释学科核心素养进阶的内涵实质。[4]

由于学习进阶的课程更加简洁，因此，随着时间的推移，学习进阶可以为理解科学核心概念和实践提供清晰的路径。[3]在教学实践过程中，教师可以通过学习进阶构建一个框架，评估学生对核心概念的理解水平，并引导学生达到更复杂的理解水平。[5]学习进阶刻画的是学生的思维发展过程，有助于教师从本质上厘清布鲁纳“螺旋式课程”的开发逻辑，最终更有效地指导学生学习。随着时间的推移，学生的思维变得更加复杂，但各个阶段的学习具有典型的连贯性。

目前学界已从物理、化学、生物、数学、历史、音乐等多个学科关注学习进阶的理论研究和实证调研，并据此进行课例设计。例如，在进行高一元素化合物单元整体设计时，注重科学思维的进阶学习，把学习分为三个阶段，再针对这三个阶段分别对知识层级、认识层级和思维层级进行划分。第一层级“初高中知识的衔接阶段”侧重于分类和实验观察，是比较基础的思维方法；第二层级“具体性质认识阶段”侧重于化学用语整理和实验控制；第三层级“构、位、性学习阶段”侧重于假说、抽象表征、模型方法，这是要求比较高的思维方法。学生在化学学习中，尤其要注重科学思维的进阶学习。[6]此外，在大中小学思政课程一体化建设中，基于学习进阶理论的科学开发和合理利用课程资源，既能保持各学段思想政治教育成果的相互融合和持续关联，又能建立相关知识要点和概念学习的前后张力。[7]但学习进阶终究是“舶来品”，需要在摸索中对其理解升华，并进行本土化应用。

本文借助CiteSpace软件分析了WOS中科学教育领域学习进阶主题的SSCI、SCI期刊文献，制作知识图谱，分析国外学习进阶研究的特点，试图为我国学习进阶研究提供新思路、新方法、新视角。

二、研究设计

本研究的框架选用Web of Science核心合集数据库作为数据源，在主题中以“learning progressions”“science education”为检索词，设定“Document type=Article”，共得到93篇期刊论文作为研究样本，然后运用CiteSpace 5.8.R3进行计量分析，绘制知识图谱，直观展示科学教育领域学习进阶的研究热点和趋势，并选择高频共被引的部分文献进行评介解读，如图1所示。

三、结果与分析

(一)研究热点分析

通过CiteSpace对来自WOS的93篇国外学习进阶文献进行关键词聚类分析，分别得到了7个有效聚类，如图2所示。在聚类中需要注意Q值和S值，这两个数据表征着聚类效果的好坏，一般认为：Q>0.3意味着聚类结构显著；S>0.5聚类就是合理的，S>0.7意味着聚类是令人信服的。国外学习进阶文献聚类Q值为0.4431，聚类结构显著；S值为0.7745，聚类具有可信度。

国外学习进阶文献共得到了七个聚类标签，分别是education(教育)、#1 classroom(教室)、general public(公众)、secondary science(中学科学)、school(学校)、energy(能源)、astronomy(天文学)，说明研究偏重学习进阶的教学应用，重视基于证据的分析。

科瑞柴克(Krajcik)团队和桑格(Sanger)团队等课题组已经基于学习进阶的研究成果开展了较为系统的教学实验，基于学习进阶进行教学设计，提升学生理解、论证、解释一系列概念的能力。[8]学习进阶描述了学生的表现如何随着时间的推移而变化，并描述了相对于特定的起点和终点，思维如何随着时间的推移而发展，这使得教师可以更精确地对学生的需求做出回应，并在教学上帮助他们。[3]

结合高频关键词表和关键词聚类图谱，可以初步得出，国外学习进阶研究围绕“具体学科的一定概念”“教学对象”“学习的行为”三个方面展开。国外学习进阶相关文献的关键词为探究、推论、观念转变、概念、思维等，如表1所示，体现了对获取学习证据的关注，而且更多落实在具体学科的概念。例如，通过认知诊断模型—规则空间模型，对高中生热化学学习进阶进行测量，以期使学生的学习进阶更加精确和详细。[9]

表1 高频关键词

(二)研究前沿分析

在这93篇国外学习进阶文献中，突现强度最高的词是education(教育)，达到2.86，说明学习进阶主要应用于教育方面；“curriculum(课程)”和“high school student(高中生)”是出现时间最早的两个词，最早受到科学教育工作者的关注。“curriculum(课程)”在2009年到2012年大量出现，该阶段科学教育工作者主要关注学习进阶教学对课程的影响。研究表明学习进阶教学可以应用于课程中，而且有助于课程设计。学习进阶可以帮助学生逐步发展概念理解水平，对于小学化学教育来说，学习进阶教育可以使职前小学教师充分参与到化学推理和设计化学课程中，更易于构建和挖掘学习者的知识资源。[10-11]对于数学教育来说，可以将学习进阶作为一种课程研究形式，阐释课程架构和进度、教学顺序，评估学生学习的成熟程度，促进教师对学生学习的联系理解。[12]学习进阶的设计可以改进高中课程和教材存在的一些不足之处。[13]“high school student”在2009年到2016年大量出现，表明该阶段的科学教育工作者较关注高中阶段的学习进阶教学，即该阶段学习进阶研究的对象大部分是高中生。“science education(科学教育)”自2019年开始至今，一直受到较大关注。可见，近年来国外研究注重把学习进阶融入科学教育，在科学教育的视角下进行学习进阶的研究，如图3所示。

(三)文献机构分析

对学习进阶发文量较多的国外研究机构进行统计，结果如表2所示。从中我们可以看到，发文量最多的是密歇根州立大学，最早发表有关学习进阶文献的三个学校是“密歇根州立大学”“得克萨斯大学奥斯汀分校”“马萨诸塞大学”，且排名前七的学校全部来自美国，表明美国对学习进阶的相关研究较为关注。

表2 国外发文量排名前七的机构

(四)文献共被引分析

对WOS中93篇学习进阶文献进行文献共被引分析，共得到八个聚类，如图4所示，分别是physical chemistry(物理化学)、astronomy(天文学)、secondary science(中学科学)、interdisciplinary learning(跨学科学习)、matter(物质)、haze pollution(烟雾污染)、simulation(模拟分析)、middle school(中学)，可以将这八个聚类分成三个方面。

1.科学教育领域

包括聚类physical chemistry(物理化学)、astronomy(天文学)、secondary science(中学科学)、interdisciplinary learning(跨学科学习)、simulation(模拟分析)。其中聚类物理化学聚类主要是对物理化学课堂进行话语分析，运用化学思维的学习进阶分析学生论点推理的复杂性。[14]

从以上聚类可以看出物理、化学、天文学、中学科学学习进阶研究倍受关注。部分概念跨域多个模块，说明跨学科概念学习进阶研究的必要性。

2.化学领域

主要是matter(物质)、haze pollution(烟雾污染)聚类，表明学习进阶与化学密切相关。

化学教育最核心的原则之一是发展物质转化的过程理解能力，学习进阶可以被用来评估学生对于物质转化和化学反应的理解能力，也可以评估学生在理解物质方面的进阶，诊断学生在学习过程中的轨迹。[15-17]由于各国学情不同，表征框架的理论基础以及内涵理解差异等，同一核心概念表征框架不具有唯一性，如“物质”核心概念，可以用不同的视角进行表征。教育研究者基于核心概念建构了的进阶路径，介绍了学生理解“物质”概念进阶表征框架、“物质”和学生能力水平进阶表征框架、“物质”结构的学习进阶表征框架、“物质”核心概念区块理论表征框架和“物质”概念描述理论表征框架，从课程与教材、教学、评价三个方面总结了“物质”核心概念进阶维度对我国科学教育者的启示。[18]

3.研究学段

middle school(中学)聚类，表明国外对于学习进阶的研究学段主要是中学。其中，教育研究者不仅将学习进阶应用于研究学生，还通过发展工程设计过程学习进阶对中学理科教师实施教师专业发展计划，进一步研究中学理科教师工程设计从新手到复杂水平的过程，对中学生的研究涉及其对气候变化观念的理解、科学学科等方面。[19-21]

共被引频次高的文献多为物质科学主题，说明物质科学在研究学习进阶的领域内具有重要影响。Towardsalearningprogressionofenergy一文主要提出了一项关于能量学习进阶的实证研究，讨论了现有研究背景下研究者的发现对学生理解能量的影响，确定了朝着能量学习进阶的步骤。[22]对于化学这门学科来说，能量变化是化学反应的基本特征之一，而且能量观是化学学科的核心观念，既是化学学科研究要考虑的重要问题，也是自然科学的共通问题，针对性的学习进阶设计可以让学生在问题解决过程中发展能量观。[23]

Rethinkingchemistry：alearningprogressiononchemicalthinking介绍的化学思维学习进阶项目(CTLP)始于2012年，是波士顿大学科学伙伴关系项目和亚利桑那大学的“化学思维”课程项目的结合体，侧重于研究如何建构化学思维的学习进阶。这篇文章将化学思维定义为发展化学知识的思考及相应的实践与应用，梳理出六条化学思维进阶线索，每条线索都聚焦于以下几个化学基本问题。第一，关于化学学科定位的问题，如“这种材料由什么制成？”第二，关于结构与性质的关系问题，如“材料的性质与其组成和结构有什么关系？”第三，化学因果关系问题，如“为什么材料会发生改变？”第四，化学机理问题，如“这些变化如何发生？”第五，化学控制问题，如“如何才能控制这些变化？”第六，利益—成本—风险问题，如“这些变化的后果是什么？”这些基本问题确定了化学思维随着学科训练而进阶的过程变量。[24]

Developingahypotheticalmulti-dimensionlearningprogressionforthenatureofmater一文描述了特定年级学生在物质结构和性质主题学习过程中开发的学习进阶模型，从原子结构和静电力两个方面来构建越来越复杂的学习层次。[25]

通过梳理文献发现，共被引频次高的文献多为实证性论文。此外，学习进阶主题的综述性论文信息量大，具有高度总结、分类梳理的作用，因此被引频次高。

这些文献多发表于2009—2013年，为2013年美国发布《下一代科学教育标准》渗透学习进阶的概念编排顺序和理念强化提供充分的实证依据。

表3 国外学习进阶研究高被引文献

四、研究反思

(一)应推动科学概念的学习进阶的本土化研究

中外科学课程体系存在较大差异，我国大部分地区的初中科学课程均分科开设，孤立地学习各科知识，难以建立起不同学科内容之间的联系[23]。我国需要在摸索中加深对学习进阶的理解，促进应用本土化。首先，要引领同区域或同教育集团的教师对不同阶段、不同学科课程用学习进阶的思路联合备课，关注核心概念如何“爬楼梯”。其次，要精心设计评价工具，发现学生连续的、内在的认知发展过程。最后，需要考虑同阶段不同分科课程的特点，进行相互渗透、综合设计，充分考虑初中或高中阶段各学科科学知识的互补、衔接、综合，重视科学概念在学习进程中出现的位置，避免不同学科课程中概念呈现的先后错位，保证大概念的贯通和进阶，以顺应科学学习规律。例如，物理学对原子和分子的认识，是化学中原子结构、分子结构、物质的化学性质等方面概念形成的前提，但侧重点有不同。化学中对能量吸收或释放的理解，使学习者更容易理解生物学科中植物的光合作用和呼吸作用之间的能量转变关系。

(二)探索不同学段衔接过程中的科学概念和科学思维进阶

丰富多彩的学习进阶理论与实证研究成果，启发科学教师积极理解、合理运用学习进阶理念，针对不同学段的学情和学科内容的特点，在实践中研究创新各学段教学内容的衔接教学设计。目前的学习进阶研究主要着眼于小学或初高中一定学段的概念认知，但由于小学、初中、高中教育是相互独立而又存在联系的三个学段，各学段衔接期的概念学习实际情况常存在脱节现象，需要教师，既要反思前一阶段科学概念学习的缺陷，又要考虑后一学段的可持续发展需求，深化同主题概念间的联系，实现适度的跨越和进步。[26-27]

“科学思维”是科学学科核心素养，包含获取化学事实的手段、认识物质的方法、分析化学现象的视角、认识和表征化学变化的方式、解决化学与跨学科问题的思路，以及系统思维的应用等要点。需要整体考虑科学思维在小学面对物质科学内容有何基础、进入高中阶段该如何发展、大学阶段会获得怎样的提升等问题。在学科育人的大背景下，课程思政不止关注思想品德的指引，对于科学课程来说，科学思维本身就是很好的思政目标和内容，而且在不同学段，科学思维的进阶规律值得成为课程思政教学的重要依据。

(三)用混合方法研究科学课程学习进阶

学习进阶研究既需要基于定量的测评或调查，也需要在设计的研究范式背景下，关注实际教学过程中的实然表现历程，以提供更清晰的进阶路径。同时，要结合质性研究发掘科学概念学习进阶的特性，发现科学现象背后的原因。科学概念学习进阶的教学设计可以基于solo分类理论，呈现不同层级的学习预期水平，建构学习进阶的模型，当建构的学习进阶模型在实际教学中对评价有较高要求时，solo分类理论能够为学生的学习“应达到什么目标”“目前处于哪种水平”及“该如何发展”提供理论支撑。[28]通过借鉴solo分类理论，对科学概念学习进阶进行水平划分，可行性强，但仍需进行进一步细化。

(四)学习进阶需要长期对个案进行跟踪研究

学习进阶是对学生在不同学段跨度内学习和探究某一主题时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，每个阶段利用学习进阶想要达到的学习要求都是不同的，关注教学实验的短期效果研究可能具有片面性及偶然性。因此，建议用更长的周期对个案进行跟踪研究，长期跟踪研究无论是在时间上，还是在学习进阶理论的应用上，都更具连贯性。