摘要：美國六大學習科學中心的研究代表了美國學習科學研究領域的最高水平。文章對美國六大學習科學中心的相關工作展開了深入調研，梳理了各中心的研究主題與研究內容，并對其發(fā)表的論文進行詞頻分析，將其研究成果總結為四類：關于腦的生理機制研究、真實情境中的學習研究、培養(yǎng)高階思維能力的研究、感官系統(tǒng)與高級認知研究。最后，依據(jù)研究結果，文章展望了學習科學未來的發(fā)展趨勢，以期為我國學習科學研究領域的建設和發(fā)展提供參考。

關鍵詞：學習科學；發(fā)展趨勢；研究成果；學習科學研究中心；認知科學；神經科學

學習科學源起美國，涉及認知科學、教育心理學、計算機科學、人類學、社會學、信息科學、神經科學、教育學、教學設計等多個學科^[1]，其研究目標包括：①為了更好地理解和認知社會化過程，以產生最有效的學習；②為了利用學習科學的知識，以此重新設計已有的課堂及其它學習環(huán)境^[2]。近年來，學習科學對變革傳統(tǒng)的教育理念和課程形態(tài)產生了深遠影響[3]，不僅催生了新的教學模式、方法^[4][5][6]和環(huán)境設施^{[7][8][9][10]}，還為博物館、科技館等為代表的非正式學習^[11]注入了新的活力。

一 研究背景

21世紀以來，面對技術革命的日新月異和爆炸式增長的知識信息，世界各國紛紛寄情于學習科學，不斷斥巨資支持該領域的研究^[12]，以期在世界教育改革浪潮中占據(jù)有利地位。如歐洲第一個學習科學研究中心——諾丁漢大學學習科學研究所（Learning Sciences Research Institute, LSRI）致力于學習科學與技術方面的創(chuàng)新研究；澳大利亞國家學習科學委員會投入1600萬美元，成立了國家級的學習科學研究中心，聚焦于神經科學、心理學與教育學等多種學科的知識與研究技能的整合，以此促進學校真實情境中的學習^[13]；我國很多高校建設了學習科學研究機構，如北京大學教育學院學習科學實驗室、北京師范大學腦與認知科學研究院、東南大學兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室、華東師范大學學習科學研究中心等。

然而，目前無論是發(fā)展時間還是資金投入，美國在世界范圍內都占據(jù)相對優(yōu)勢——美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）在2003～2017年間資助了436項學習科學研究項目，資助總金額高達4.2億美元^[14]；美國已建成六大學習科學研究中心[1]（Science of Learning Centers），它們對學習科學的研究代表了美國學習科學研究領域的最高水平。本研究通過梳理美國六大學習科學中心的研究內容和發(fā)展脈絡，展望學習科學的未來發(fā)展趨勢。

二 研究方法與過程

1 研究對象

美國六大學習科學中心獲得了NSF（National Science Foundation）長期的大規(guī)模資助，且大多數(shù)中心獲得的資助超過千萬美元。本研究以美國六大學習科學中心為研究對象展開調查，具體介紹和編號如下：

（1）C1-教育、科學與技術卓越中心

教育、科學與技術卓越中心（Center of Excellence for Learning in Education. Science and Technology，CELEST）設在波士頓大學。該中心試圖通過建模的方式來整合腦科學的基礎研究成果，為現(xiàn)實情境中的學習尋求各種技術支持。建模、技術、實驗和教育構成了CELEST研究的四大關鍵詞^[15]。

（2）C2-匹茲堡學習科學中心

匹茲堡學習科學中心（Pittsburgh Science of Learning Center，PSLC）位于匹茨堡市卡內基梅隆大學。該中心致力于推進強健式學習（Robust Learning）的研究，目的是利用認知理論和計算模型，識別能為學生帶來強健式學習的教學條件^[16]。

（3）C3-非正規(guī)與正規(guī)學習環(huán)境學習中心

非正規(guī)與正規(guī)學習環(huán)境學習中心（Center for Learning in Informal and Formal Environments，LIFE）設在西雅圖的華盛頓大學。該中心的使命是通過在不同環(huán)境、領域和年齡群體的選擇性抽樣，來確定和調查人們社會性學習的基本原理^[17]。

（4）C4-視覺語言與視覺學習學習科學中心

視覺語言與視覺學習學習科學中心（The Science of Learning Center on Visual Language and Visual Learning，VL2）位于華盛頓，依托哥勞德大學建立。該中心致力于從根本上促進學習科學，特別是研究如何通過人類最重要的感覺——視覺，以實現(xiàn)人類的部分高級認知^[18]。

（5）C5-空間智力與學習中心

空間智力與學習中心（Spatial Intelligence and Learning Center，SILC）位于賓夕法尼亞州費城的坦普爾大學。該中心旨在發(fā)展空間學習科學，并利用相關知識改變教育實踐，支持兒童和成人獲得有效參與日益科技化的社會和全球經濟所需的科學、技術、工程和數(shù)學技能^[19]。

（6）C6-學習的時間動力學中心

學習的時間動力學中心（Temporal Dynamics of Learning Center，TDLC）建在加利福尼亞大學圣迭哥分校，希望通過整合腦科學和社會科學，來理解時間動力學的奧義。該中心的具體研究方向是時間要素和時間選擇對學習有何決定性影響，以及如何將其應用于教育實踐中^[20]。

2 研究過程

本研究首先通過調研各中心網(wǎng)站，系統(tǒng)梳理了各中心的研究主題與研究內容。然后，本研究在各中心網(wǎng)站上的開放數(shù)據(jù)庫中下載各中心推薦展示的學術論文，利用Excel按照文章發(fā)表時間排序，去除未正式發(fā)表的論文、會議論文、2000年以前發(fā)表的論文以及無關內容，最終提取有效論文共計3899篇。同時，本研究采用質性分析軟件Nvivo 11對文章標題內容進行詞頻分析，因為各中心多建于2000年之后，且前十年的發(fā)展較為緩慢，故按時間跨度分為2000～2009年、2010～2014年、2015年及以后三個時段，分別對各中心發(fā)表的論文進行分析，設定詞頻長度最小值為3，利用高頻詞提取關鍵詞以圈定各中心在不同時間階段的研究成果，結果如表1所示。

表1  美國六大學習科學中心發(fā)表的論文標題關鍵詞統(tǒng)計

三 美國六大學習科學中心的研究成果分析

六大中心的研究成果精彩紛呈，代表了美國在學習科學研究領域的重心與前沿。由表1可知，在近20年的時間內，學習科學研究的廣度和深度都有明顯的提升。按照研究內容分為以下四類：

1 關于腦的生理機制研究

關于人腦的研究是六大學習科學中心研究的重要主題。如表1所示，從2000年初，有關腦的關鍵詞就開始出現(xiàn)，且相關研究發(fā)展迅猛。近年來，關于腦的研究問題更加聚焦，研究內容更加寬泛，并和很多現(xiàn)實的教育問題緊密聯(lián)結起來了。關于腦的研究關鍵詞主要有：腦機制、大腦功能、腦結構、腦電信號、腦波、大腦和語言、人工智能、大腦潛能、腦成像與行為、人腦與學習、腦損傷、腦健康、特殊大腦等。

六大學習科學中心對大腦的研究主要包括以下四類：①腦機制的發(fā)現(xiàn)與模擬。以C1為代表，綜合計算模型和認知神經科學，采用實驗和建模方法，依靠神經和計算機模型模擬人腦，以此來理解智能行為。典型的研究項目有腦電波意識及意識容量神經基質、衰老及序列學習、利用腦電波控制機器人等。②關于腦和語言習得的研究。如C5研究早期腦損傷兒童的語言發(fā)展與功能可塑性；C4的語言實驗室利用先進的腦成像系統(tǒng)fNIRS，聚焦于大腦和語言習得的研究。③大腦與人的感知系統(tǒng)。如C6整合了人的感知系統(tǒng)研究人腦，典型的研究項目有利用腦部灰質皮層的厚度預測面孔和識別物體。④腦發(fā)育的可塑性研究，主要關注腦的發(fā)育和腦健康。

2 真實情境中的學習研究

學習科學致力于探尋學習的本質，同時也關注促使有效學習產生的原因與方法，以此來創(chuàng)設科學的學習場域。此類研究的關鍵詞有：強健式學習、元認知指導、學習動機、協(xié)作學習、學習情趣、計算機支持的協(xié)作學習、數(shù)學學習、文化影響、文化差異等。此類研究通常以真實學習情境為研究基礎，不僅保留了傳統(tǒng)教育學的研究方法，而且結合了神經科學、生物學、計算機科學等研究方法，試圖發(fā)現(xiàn)人類社會學習中的一般規(guī)律，并能給出更為科學的解釋。

真實情境中的學習研究有兩類：一類致力于課堂學習，另一類則關注更為廣義學習的發(fā)生。對于課堂學習類研究，以C2為代表，致力于推進對強健式學習的研究，通過開展真實情境中的實驗，增強教育環(huán)境中對強健式學習的科學理解，并創(chuàng)建一種支持基于場域的實驗、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)挖掘的研究設施；另一類致力于更為廣義學習的發(fā)生，其以C3為代表，聚焦于社會學習的驅動因素，主要有：①社會文化研究，采用民族志、訪談和調查法記錄文化和社會活動對學校內外學習的影響；②實驗和神經研究，采用行為和神經科學方法記錄人的成長發(fā)育視角和神經視角的社會學習機制；③正式學習和技術上的研究，設計新型社交學習技術，以此來提升學習評價的科學性。

3 培養(yǎng)高階思維能力的研究

培養(yǎng)學生的高階思維能力一直是學習科學研究領域的重要內容之一。學習科學專家采用多元的研究方法，試圖揭示思維的奧義和培養(yǎng)學習者高階思維的策略。此類研究的關鍵詞有：空間思維、空間技能的發(fā)展與可塑性、空間記憶、空間心理旋轉、空間結構、空間能力、空間思維、視覺空間處理、空間智力、空間語言、空間認知控制、空間認知行為、空間認知模型等。

此類研究比較典型的成果有兩類：①空間思維能力，這類研究以C5為代表——C5匯集了來自空間認知、教育、認知科學、心理學、人工智能、語言學等的多種研究方法，試圖從更為全面的角度，科學地理解空間思維，研究結合STEM和其它學科開發(fā)新的課程與評價方式，追求理解空間學習，改變教育實踐；同時，開發(fā)研究工具和教育軟件，以及空間技能的測量和評價工具。②問題解決能力的培養(yǎng)，這類研究抓住個體的差異性，展開了深入的研究和應用，以語言學習和數(shù)學等學科為主題的研究較多，這些研究成果在教育實踐中有重要的實踐價值，尤其在課堂環(huán)境中對于教師調節(jié)教學策略、推進個性化教學有積極的指導意義。

4 感官系統(tǒng)與高級認知的研究

學習科學專家一直在探尋如何科學地解釋人類的認知過程，以及如何實現(xiàn)更高級的認知。除了關于腦的生理機制研究、真實情境中的學習研究、高階思維能力的研究，還有一些專家聚焦于研究人類最直接的感官系統(tǒng)（如視覺、聽覺），從此入手尋找、揭示認知發(fā)生的過程。此類研究的關鍵詞有：視覺障礙、聽覺障礙、視覺語言、雙語語言、認知可塑性、語言發(fā)展、視覺注意力、雙語體制、空間思維、思維靈活性、心理旋轉、手語、語言學習、手語社會認知等。

以C4為代表，此類研究主要包括兩方面：一是視覺和認知的可塑性，二是語言發(fā)展與雙語體制。研究成果有視覺注意力和耳聾的行為表現(xiàn)，耳聾兒童的閱讀、視覺感知、雙語體制、手語等。值得稱贊的是此類研究非常重視聾啞兒童的社會情感發(fā)展——研究者發(fā)現(xiàn)社會情感的發(fā)展可以促進語言技能，同時語言技能會反過來支持社會情感發(fā)展，故研究者呼吁失聰者和聽力障礙兒童應同為學校學生的一部分，他們也需要被賦予同等的學習權力。此類研究也非常關注雙語體制和美國手語的教育成效，且在此方面獲得了卓越的研究成果，可為美國手語教育和雙語體制教學的發(fā)展提供重要的學術支持和專業(yè)指導。

四 學習科學未來發(fā)展趨勢

1 學習科學的研究熱點

（1）學習行為的科學解釋

學習科學將科學的實驗研究與傳統(tǒng)教育學中的社會研究方法進行了有效融合。學習科學研究領域能夠快速發(fā)展的原因之一，在于它首先承認并且尊重人的社會性，承認社會文化是影響學習的重要因素之一。學習科學正在不斷摸索如何將實驗室中沒有生命的儀器應用于真實的教育場景中，以更科學地解釋人的社會性學習，尋找真實情境中學習發(fā)生的共同原則。這類研究已不滿足于簡單地發(fā)現(xiàn)人類學習的生理機制，而是以此為研究基礎，嘗試對學習過程做出真實的改變，對常見的學習行為進行干涉或提出更為科學的解釋。

（2）特殊群體的學習機制

特殊群體主要指腦損傷、視聽障礙者、嬰幼兒以及老年人。目前，很多研究團隊在積極開展對特殊群體學習機制的研究，原因在于：①特殊群體作為研究對象，可以更直接地進行對比研究，分析人體特定器官的生理結構和工作機制。如通過對腦損傷患者的研究，可以確定對應腦部的工作原理。類似地，感官系統(tǒng)的研究更加需要特殊群體進行對照研究。②對于特殊群體的研究，有助于提升殘障人士的學習效果，保障他們受教育的權益。因此，越來越多的研究者關注特殊群體，使得特殊群體的學習機制逐漸成為了學習科學做出巨大貢獻的特殊研究領域。

（3）高階思維與技能培養(yǎng)

高階思維與技能的培養(yǎng)也是學習科學關注的熱點。通過詞頻統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，情感記憶、認知記憶、面孔記憶、空間心理旋轉等術語頻繁出現(xiàn)；不同于早些年出現(xiàn)的記憶、空間思維，近年的研究更加具象且深入。研究者采用面部識別、腦電等技術，放大學習發(fā)生的過程，分析學習者思維的變化。在技術的支持下，研究者往往能針對高階思維與技能的培養(yǎng)提出新的理解和建設策略?？梢灶A測，未來高階思維與技能培養(yǎng)方面的研究將成為學習科學研究領域的重點與熱點。

2 學習科學產業(yè)鏈的崛起

（1）人工智能產品

人工智能與學習科學一脈相連。21世紀初，研究者希望采用模仿計算機的信息處理過程來建構人的學習過程；而隨著人們對腦機制的深入研究，研究者開始利用計算機模擬人腦和感官系統(tǒng)的工作機制。技術的創(chuàng)新是出現(xiàn)這一反轉的源動力，學習科學研究支持下的很多科研成果都在積極地進行著智能產品的商業(yè)轉化，并作為堅實力量滋養(yǎng)著學習科學研究的深入推進。

（2）數(shù)據(jù)挖掘與管理平臺

學習科學的發(fā)展催生了數(shù)據(jù)挖掘和管理平臺產業(yè)的發(fā)展。美國六大學習科學中心十分重視數(shù)據(jù)的管理與分析，很多平臺配置了可視化數(shù)據(jù)分析軟件，并提供數(shù)據(jù)給研究人員進行研究分析。因此，數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理平臺和數(shù)據(jù)挖掘技術逐漸成為了學術研究領域和商業(yè)領域的重要資源。

（3）新型學習資源

美國學習科學專家非常重視學習資源的開發(fā)。如C5開發(fā)了一套草圖理解系統(tǒng)CogSketch，它既是研究工具也是教育軟件平臺；此外，C5還開發(fā)了一系列的思維和行為調查問卷。這些產品不僅可服務于研究，其本身也蘊含著巨大的商業(yè)價值。

 五 研究總結

美國的六大學習科學中心在理論建構、學術論文和項目產出方面都取得了一定的成果，并形成了相對固化的發(fā)展模式。如重視從知識到產品的轉化，利用催化項目吸引企業(yè)的經費支持；組建跨國、跨學科背景的成員團隊，實現(xiàn)文化和研究的深入?yún)f(xié)作；有意識地培養(yǎng)適應機構發(fā)展需求的人才，保證中心的可持續(xù)發(fā)展等。在六大學習科學中心的引領下，學習科學已經將多元的研究方法引入了美國的教育實踐中。

目前，我國國家自然科學基金也已加大了對學習科學研究的支持，學習科學的研究范圍正在不斷擴大，研究內容也正逐漸細化。如北京大學學習科學實驗室的研究聚焦于如何實現(xiàn)學習科學與教育游戲設計與開發(fā)、教師專業(yè)發(fā)展的深度融合。未來，我國教育工作者仍需增強緊迫感和使命感，共同推進學習科學研究的發(fā)展，以保證我國在世界教育改革浪潮中占據(jù)有利地位。

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