學習科學研究的重點領域與熱點探析*——以2003～2017年美國國家科學基金會資助項目為據

李樹玲 吳筱萌 尚俊杰

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學習科學研究的重點領域與熱點探析*——以2003～2017年美國國家科學基金會資助項目為據

李樹玲 吳筱萌 尚俊杰

（北京大學學習科學實驗室，北京 100871）

為了解美國學習科學的發展與研究熱點，文章運用主題分析法分析了2003～2017年美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）資助的436項學習科學研究項目。分析結果顯示，美國的學習科學項目的研究領域包括學習基礎研究、設計與開發研究、學習科學的實踐應用研究以及非正式學習研究。在研究熱點變化方面，美國學習科學的研究熱點呈現了3個方面的轉變，分別是從關注認知神經到關注學習文化、從關注正式學習情境到關注學習環境的開發和多學科的協同加強、從關注學習中的技術應用到關注運用技術強化的學習。研究涉及的對象有中小學生、大學本科生和研究生，以及嬰幼兒、殘疾兒童、女性等特殊群體。

國家科學基金會；學習科學；資助項目

一研究背景

學習科學正式產生于1991年，源于第一次學習科學國際會議的成功舉行和《學習科學期刊》（）的創刊[1]。這個領域的研究以“學習”為基點，主要探討“人是如何學習的，怎樣促進有效的學習”的問題[2]。其研究的目標是為了更好地理解認知過程和社會化過程，用學習科學的知識來重新設計課堂和其它學習環境，讓學習者進行更加深入的學習[3]。隨著時代對“學習”的關注越來越緊密，學習科學也受到了世界各國研究機構的廣泛關注。近年來，中國學者也越來越關注學習科學的研究及其在實踐中的應用。這需要我們更多地了解國外的研究與熱點。同時，國內相關的學術基金會也需要相應的數據支持其基金的投入。

美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）是美國資助科學研究的聯邦政府行政機構[4]。早在2004年，該機構宣布撥款1億美元構建了規模龐大的“學習科學研究計劃”，旨在組建學習科學的跨領域研究團隊，讓學習科學研究成為美國科學研究的重要組成部分，進而推動教育改革和學習實踐[5]。十多年來，學習科學一直是NSF資助的重點領域之一。可以說，NSF對學習科學研究項目的資助，在一定程度上反映了美國學習科學領域的研究狀況。為此，本研究力圖通過對2003～2017年期間NSF支持學習科學研究項目內容的梳理，發現美國學者在學習科學領域的關注熱點及其發展變化，以便為國內學者及基金會提供參考。本研究著重分析和探討以下三個問題：①美國學習科學項目受到NSF哪些部門的關注？②美國學習科學的研究聚焦在哪些領域？③美國學習科學的關注熱點有哪些變化？

二數據收集與分析

1 數據收集方法

本研究以“learning science”“learning sciences”和“science of learning”為檢索關鍵詞，在美國國家科學基金會官網1檢索了2003年1月1日至2017年12月25日期間NSF對學習科學的資助記錄，發現每一條記錄都詳細記載了被資助項目以及NSF資助部門的相關信息。本研究使用的信息有6類，分別是被資助項目的編號、標題、摘要、起始時間、資助部門以及資助金額數。據本研究統計，有效的受資助項目數為436項，受資助總金額達4.2億美元。

2 數據分析

在數據分析中，本研究運用了描述統計和主題分析方法——描述統計用于統計檢索結果中的數值型數據（受資助項目數、資助金額等），旨在得到NSF對學習科學的整體資助情況；主題分析方法注重審查原始數據中的主題，旨在讓研究者通過對原始數據中重要內容的編碼，深入理解數據的內隱及表面含義[6]。主題提取步驟為：熟悉數據－對數據進行一級編碼－在編碼中提取主題－審查主題－對主題進行定義和命名－產生最終的報告[7]。遵循以上步驟，本研究分析了受資助項目的標題和摘要，以探究美國學習科學研究開展的主要領域及其關注熱點的變化。

表1 不同部門資助學習科學的項目數、金額數及側重點統計

三美國學習科學研究的重點領域及特點

1 資助學習科學研究的NSF部門及各部門資助的側重點

NSF共設置1個總檢察長辦公室（Office of the Director，OD）和7個學部。據描述統計，這些部門都在一定程度上對436項學習科學研究進行了資助。其中，社會、行為和經濟學部（Directorate for Social, Behavioral &Economic Sciences，SBE）和教育和人力資源部（Directorate for Education & Human Resources，EHR）對學習科學項目的資助力度最大，其資助額分別占受資助總額的40.92%和41.23%。計算機信息科學部（Directorate for Computer & Information Science & Engineering，CISE）對學習科學項目的資助力度次之，占10.46%。其余資助來自于工程部（Directorate for Engineering，ENG，3.24%）、地理科學部（Directorate for Geosciences，GEO，占1.87%）、生物科學部（Directorate for Biological Sciences，BIO，占1.37%）、總檢察長辦公室（OD，占0.73%）以及數學和物理科學部（Directorate for Mathematical & Physical Sciences，MPS，占0.18%）。不同資助力度顯示各部門對學習科學研究有不同的資助側重點。本研究通過分析各部門資助項目的標題和摘要，將不同部門的資助側重點進行了總結，如表1所示。

值得一提的是，SBE附屬的行為與認知科學研究部，下設專門的“學習科學研究計劃”（Science of Learning Program，SLP），足見NSF對學習研究的重視程度。這個計劃主要通過支持變革性的基礎研究，發展與學習原理、學習過程和學習條件相關的理論和基礎知識[8]。SLP在2003～2017年期間共支持了60項學習科學研究計劃，提供的資助金額達15783萬美元，占所有檢索項目受資助總額的37.58%，占SBE總資助額的93.86%。

2 美國學習科學研究的重點領域

本研究對篩選出的436項研究項目的標題和摘要進行了主題分析，將這些研究項目歸納為四類：學習基礎研究、設計與開發研究、學習科學的實踐應用研究、非正式學習環境的設計及學習研究。在每一類中，又歸納了一些重要的研究方向，具體分類如表2所示。

表2 美國學習科學研究的重點領域

描述統計顯示，涉及四類研究的項目共有499項。疊加項目的總數大于受資助項目的總和（436項），是因為有些項目會包含多個主題詞，在后期對主題詞進行分析和處理時，該項目會同時歸屬在不同主題詞所包含的類別中。本部分主要分析美國學習科學研究的重要領域。

（1）學習基礎研究

受資助的學習基礎研究共169項，包括基于腦認知和神經科學的學習機制研究、構建學習科學基礎理論和知識的研究、促進學習和認知的新學習形式研究和語言和文化對學習的影響研究[9]。其中，基于腦認知和神經科學的學習機制研究主要通過研究人類在認知和學習時，大腦細胞、神經系統和相關認知通道的反應，分析探討嬰幼兒、正常學習者和有聽障或視障學生的復雜思維模式及學習行為的形成。隨著技術的發展，這類研究越來越注重借助多媒體技術、自然語言處理技術、可視化技術、基因技術等新興技術來觀察并研究學生理解知識和運用知識的內在機制。

NSF也支持學習理論的建構和完善，特別是針對具體的對象和領域進行的學習理論建構。如有關嬰幼兒的態度、感知、學習和記憶的理論，以及用于培養聽力有障礙學生的語言素養的理論等。NSF也支持促進學習和認知的新學習形式研究，包括在線學習形式，如在線指導學習（Tutor Learning）；自然或非結構化學習環境中的學習形式，如基于自然的學習（Nature-based Learning）；能夠靈活遷移到新環境且持續時間較長的學習形式，如匹茲堡學習科學中心（Pittsburg Science of Learning Center，PSLC）研究的強健式學習（Robust Learning）[10]等。

此外，受維果斯基流派文化歷史傳統的影響，一些項目關注語言和社會文化對學習產生的影響。NSF支持的相關研究重在分析語言和文化與學習者學習、學習者性別、學習者本身狀態以及學習環境之間的關系。在這類研究中，以研究雙語環境對學習者大腦反應和認知神經影響的研究、語言學習模式和學習過程的研究居多，其余研究關注學生性別、種族以及聽力障礙對學生語言、知識習得的影響。

（2）設計與開發研究

設計研究聚焦于自然情景學習的理解和有效學習環境的設計，通過迭代式的設計探究將理論與實踐連接起來[11]。在NSF資助的項目中，這種研究方法被運用在虛擬協作學習環境、學習和教學工具、STEM課程以及教學模型和方法等的設計與開發中，如表2所示。

受資助的虛擬協作學習環境開發研究比較重視對在線沉浸式學習環境[12]和智慧學習環境的開發。游戲化學習環境是前者的一種，其開發研究主要面向中學生，旨在借助虛擬技術，促進學習者的虛擬化身與數字代理、人工制品及環境之間多樣的交互。沉浸式仿真學習環境是另一種，主要集中在生理學、物理學和工程領域中，學習群體包括中學生和成年人。智慧學習環境的開發研究借助自動感覺設備、探測與跟蹤技術、數據科學等新興技術，主要探究學生在學習時認知和情感之間的交互，旨在解決科學學習中普遍存在的情感困惑和認知不平衡的問題。

受資助開發的工具包括學習和教學工具。開發的學習工具主要面向中小學和高等教育階段的學生和老師。針對中小學的主要是游戲化學習工具，旨在提升學生的認知和自主學習能力。面向大學生的學習工具包含交互式計算機界面、仿真模擬工具等，旨在促進面向對象的知識、能力、經驗和思維的發展。開發教學工具旨在輔助教師和家長對學生進行有效的學習指導，輔助教師和研究者對學生的推理能力、辯證性思維能力、學習能力進行測評等。

開發的STEM課程面向本科及研究生，旨在培養學生（尤其是女學生）對科學學習的熱情，提高其解決綜合問題的能力，以增加工程領域學生的保留度。設計開發的模型包括教學模型、學習及研究模型。其中，教學模型有研究生教育模型、社區大學的信息技術教學模型、強健式學習的教學模型以及將博物館學習和課程教學進行整合的模型等；學習及研究模型有理解復雜學習系統的SBF模型、培養教師專業發展的學習模型、用于理解非言語行為和交流技巧的計算模型、人類學習的普遍模型等。這些模型不僅適用于正式學習環境中的教與學，也適用于非正式學習環境中的學習實踐和教學實踐。此外，NSF也支持開發創新教育方法。這類研究主要面向中小學生、大學生以及女性群體和聽力有障礙的學習者。開發的教育方法適用的領域有地球科學、生命科學、氣候科學的教育以及數學教學、STEM教育和跨學科教學等。

（3）學習科學的實踐應用

涉及學習科學應用實踐的項目共56項，其主要的研究方向包括跨領域研究共同體的構建、學習科學及其研究成果的傳播以及學習科學成果在其它學科領域的應用。構建跨領域研究共同體的項目旨在整合認知科學、腦神經科學、教育學及人工智能等領域的專家和學者，試圖揭示有關學習的社會境脈，構建新的學習與教學環境。受資助的學習科學實踐應用研究主要是指運用學習科學的基礎知識和研究成果，解決其它相關領域中的問題。

（4）對非正式學習環境的研究

受資助的非正式學習環境研究有94項，受資助額為11834萬美元，其主要的研究方向有非正式學習環境的設計與建設和此類環境中學習理論的建構與完善。NSF資助與博物館等非正式學習場所的設計和建設相關的研究。通過探究將博物館中的學習和課堂教學聯系起來的方式，這類研究在博物館中運用跟蹤技術并分析學習者行為，對學習活動進行設計，旨在開發新的適應非正式學習需求的學習方式、教學模型和學習環境。NSF也會資助文化情景中基于藝術的學習環境的設計以及對自然學習環境的設計等研究。

此外，NSF還資助非正式學習環境中的學習基礎研究和對學習科學研究進行綜述的項目。其中，學習基礎研究關注非正式學習環境中的學習理論建構、人類學習的社會基礎原理研究以及學習和教學模型的設計，旨在探究學習的本質，發展學習科學的基礎知識，設計促進教與學實踐的工具和環境，為培養學習者的學習技能開辟新的途徑。對學習科學研究進行綜述的項目關注非正式教育環境中學習科學的知識現狀、研究現狀、發展前景及研究成果應用，此類項目主要從學習科學研究本身出發，旨在促進更有效的學習科學研究，并為下一步的研究確定框架。

四美國學習科學研究熱點的發展

本研究通過梳理歷年的主題詞發現，在2003~2017年間，美國學習科學的研究熱點呈現了3個方面的轉變，分別為：從關注認知神經到關注學習文化、從關注正式學習情境到關注學習環境的開發和多學科的協同加強、從關注學習中的技術應用到關注運用技術強化的學習。

1 從關注認知神經到關注學習文化

通過主題分析，本研究發現2006年以前的研究多關注個體學習時大腦細胞、神經機制的反應、特定神經通道對大腦和行為的影響等。隨著對人腦學習機制的研究越來越多，以及對個體在實驗室場景、學校場景和日常生活場景中學習差異的不斷揭示，學習科學家們開始持續關注不同文化背景下學習的組織和社會文化動力，以及文化多樣性對學生的能力和認知情感的影響。近年來，研究項目除了關注學校學習及學校環境建設，不少項目也在研究自然學習、日常學習等非正式情境中的學習機制，探討發生在學習背后的文化動力及組織作用。在維果斯基文化歷史流派的影響下，學習科學家越來越關注所有智能行為發生所依賴的復雜的社會及人為環境。

2 從關注正式學習情境到關注學習環境的開發和多學科的協同加強

隨著技術的不斷發展和教育理念的逐漸完善，學習研究中的學習情境不再拘泥于學校教育情境。后期研究中的學習情境不僅向博物館、數字圖書館、社區等領域實現了橫向的拓展，而且從線下到線上，實現了向虛擬智慧學習環境的縱向拓展。這兩方面的轉變在上述非正式學習環境的研究以及學習工具和學習環境的設計與開發研究的分析討論中體現得尤為具體。此外，由于縱向、橫向的拓展不僅需要計算機科學家、教育學家、心理學家、神經科學家等領域專家的合作研究，也需要人工智能專家、教育技術學專家等技術專家的對話與交流，因此跨學科、跨領域的研究形式逐漸成為了近年來獲得NSF資助的學習科學研究開展的基本形式。

3 從關注學習中的技術應用到關注運用技術強化的學習

技術是學習科學發展的一個要素，從2003年開始，學習科學研究者就開始關注如何利用技術進行有效的學習。隨著新媒體技術的不斷涌現，傳統教室的數字化研發和改造、基于網絡的學習社群、基于移動終端的課程以及沉浸式虛擬協作學習環境等都在我們生活中日益普及。技術不再是教與學中的“舶來品”，而已經發展成為日常教與學實踐中必不可少的一部分。除了思考如何將技術應用于學習，目前的學習科學家更關注如何用技術強化學習，提升學習的效率和績效。借助仿真模擬技術、數據處理與分析技術等新興技術，學習科學家設計開發的各種工具、環境以及模型等，不僅促進了學習及教學效率的提升，也輔助實現了從關注學習者內部靜態結構的認知研究到關注在復雜環境中學習者與技術產品以及技術中介的互動研究[13]的轉變。

五研究結論與建議

本研究通過分析2003~2017年NSF資助的學習科學研究項目，嘗試總結了美國學習科學研究關注的重點領域及研究熱點的變化。研究發現，美國學習科學的研究內容不僅涉及對學校學習及環境設計的研究，也涉及對非正式學習環境和虛擬學習環境中的學習及環境設計研究；研究對象不僅包括中小學、高等教育階段的在校學生，也包括殘疾學生（聽力或視力有障礙的學生、自閉癥學生等）及女性群體等。此外，研究的視角越來越多元化，注重從認知科學、腦科學、文化、技術與社會等視角綜合性地理解學習，研究也越來越關注技術作用下的學習效率。

上述研究發現為我國的學習科學研究提供了一定的參考依據。基于此，本研究認為我國的學習科學研究可以在四個方面加大投入，分別是：①整合認知科學、腦神經科學、文化、技術與社會等視角的合作研究；②基于博物館、自然情境的非正式學習及其環境建設研究；③在線虛擬學習研究及其環境開發研究；④面向殘疾學生、女性等特殊群體的研究。其中，合作研究的開展旨在幫助人們深入地理解認知過程和社會化學習過程，并輔助教育工作者和相關的政策制定者優化學習環境，制定有效的教育政策。對非正式學習環境及在線虛擬學習環境中的學習研究及環境開發研究將為探索更有效的“技術強化的學習”奠定基礎；而面向特殊群體的學習研究將幫助學習科學研究者進一步明確不同群體的學習特征、學習需求以及發展狀態等，進而完善我國的育人體系。在資金投入方面，本研究希望我國相關基金加大對這些領域的支持力度，促進我國的學習科學研究更加深入、領域更加寬廣。

[1](美)R.基思·索耶著.徐曉東譯.劍橋學習科學手冊[M].北京:教育科學出版社,2010:1.

[2]尚俊杰,莊紹勇,陳高偉.學習科學:推動教育的深層變革[J].中國電化教育,2015,(1):6-13.

[3][9][11]高文.學習科學的關鍵詞[M].上海:華東師范大學出版社,2009:34-35、10-12、51.

[4]沈煜,佟仁城.美國國家科學基金會審計監督制度對我國的啟示[J].科研管理,2009,(4):138-143.

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[6]Attride-Stirling J. Thematic networks: An analytic tool for qualitative research[J]. Qualitative Research, 2001,(1):385-402.

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[10]National Science Foundation. Toward a decade of PSLC research: Investigating instructional, social and learner factors in robust learning through data-driven analysis and modeling[OL].

[12]Dawley L, Dede C. Situated learning in virtual worlds and immersive simulations[A]. Spector J M, Ellen J , Bishop M J (Eds.), The handbook of research on educational communications and technology[C]. New York, NY: Springer, 2014:723-734.

[13]Barab S A, Kirshner D. Guest editors’ introduction: Rethinking methodology in the learning sciences[J]. Journal of the Learning Sciences, 2001,(1-2):5-15.

1美國國家科學基金會官網網址：https://www.nsf.gov。

編輯：小西

Exploration on the Key Areas and Hotspots of American Learning Sciences Research——According to Projects Funded by the National Science Foundation during 2003-2017

LI Shu-ling WU Xiao-meng SHANG Jun-jie

In order to explore the development process and research hotspots of American learning sciences, a total of 436 learning sciences projects funded by National Science Foundation (NSF) from 2003 to 2017 were analyzed using the thematic analysis method. According to the results, research areas of these projects includes studies of learning foundation, design and development, practical application of learning sciences, and informal learning. Meanwhile, the change of research hotspots of American learning sciences during the past 14 years can be summarized from three aspects. Firstly, a shift of research focus from the cognitive neuroscience study to the learning culture. Secondly, a focus shift from formal learning situation to the learning environment development and the multidisplinary synergies. Thirdly, a shift from considering how to integrate technology into learning process to addressing the technology enhanced learning and learning performance. Related research objectives in this research involves elementary and secondary school students, undergraduate and postgraduate students, as well as members form special community, such as infants and disabled children.

National Science Foundation; learning sciences; funded projects

G40-057

A

1009—8097（2018）01—0012—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.02.002

本文為國家自然科學基金2016年度應急管理項目“學習科學發展態勢、需求與科學基金支持機制研究”（項目編號：L1624017）的階段性研究成果之一。

李樹玲，在讀博士，研究方向為信息技術的教學應用、課程教學與教師發展、學習科學與技術，郵箱為vickylsl@outlook.com。

2017年12月15日