学习科学未来发展趋势^1*——基于对美国六大学习科学中心的分析

夏 琪 马斯婕 尚俊杰^{[通讯作者]}

（北京大学 学习科学实验室，北京 100871）

摘要：美国六大学习科学中心的研究代表了美国学习科学研究领域的最高水平。文章对美国六大学习科学中心的相关工作展开了深入调研，梳理了各中心的研究主题与研究内容，并对其发表的论文进行词频分析，将其研究成果总结为四类：关于脑的生理机制研究、真实情境中的学习研究、培养高阶思维能力的研究、感官系统与高级认知研究。最后，依据研究结果，文章展望了学习科学未来的发展趋势，以期为我国学习科学研究领域的建设和发展提供参考。

关键词：学习科学；发展趋势；研究成果；学习科学研究中心

学习科学源起美国，涉及认知科学、教育心理学、计算机科学、人类学、社会学、信息科学、神经科学、教育学、教学设计等多个学科^[1]，其研究目标包括：①为了更好地理解和认知社会化过程，以产生最有效的学习；②为了利用学习科学的知识，以此重新设计已有的课堂及其它学习环境^[2]。近年来，学习科学对变革传统的教育理念和课程形态产生了深远影响^[3]，不仅催生了新的教学模式、方法^[4][5][6]和环境设施^{[7][8][9][10]}，还为博物馆、科技馆等为代表的非正式学习^[11]注入了新的活力。

一 研究背景

21世纪以来，面对技术革命的日新月异和爆炸式增长的知识信息，世界各国纷纷寄情于学习科学，不断斥巨资支持该领域的研究^[12]，以期在世界教育改革浪潮中占据有利地位。如欧洲第一个学习科学研究中心——诺丁汉大学学习科学研究所（Learning Sciences Research Institute, LSRI）致力于学习科学与技术方面的创新研究；澳大利亚国家学习科学委员会投入1600万美元，成立了国家级的学习科学研究中心，聚焦于神经科学、心理学与教育学等多种学科的知识与研究技能的整合，以此促进学校真实情境中的学习^[13]；我国很多高校建设了学习科学研究机构，如北京大学教育学院学习科学实验室、北京师范大学脑与认知科学研究院、东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室、华东师范大学学习科学研究中心等。

然而，目前无论是发展时间还是资金投入，美国在世界范围内都占据相对优势——美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）在2003～2017年间资助了436项学习科学研究项目，资助总金额高达4.2亿美元^[14]；美国已建成六大学习科学研究中心2 由于认知与教育神经科学中心被取消，故学习科学中心由最初的7个变为6个。 （Science of Learning Centers），它们对学习科学的研究代表了美国学习科学研究领域的最高水平。本研究通过梳理美国六大学习科学中心的研究内容和发展脉络，展望学习科学的未来发展趋势。

二 研究方法与过程

1 研究对象

美国六大学习科学中心获得了NSF（National Science Foundation）长期的大规模资助，且大多数中心获得的资助超过千万美元。本研究以美国六大学习科学中心为研究对象展开调查，具体介绍和编号如下：

（1）C1-教育、科学与技术卓越中心

学习科学致力于探寻学习的本质，同时也关注促使有效学习产生的原因与方法，以此来创设科学的学习场域。此类研究的关键词有：强健式学习、元认知指导、学习动机、协作学习、学习情趣、计算机支持的协作学习、数学学习、文化影响、文化差异等。此类研究通常以真实学习情境为研究基础，不仅保留了传统教育学的研究方法，而且结合了神经科学、生物学、计算机科学等研究方法，试图发现人类社会学习中的一般规律，并能给出更为科学的解释。

在位于长三角腹地的江苏省无锡市的太湖旁，一家占地6万多平米的企业屹立于此，其在产品领域涉及输送、仓储、拣选、控制、软件等各个环节，能够为不同行业客户量身打造从前期咨询、方案设计、数据仿真、设备制造，到后期运输、安装调试、售后服务的一体化解决方案，这家企业便是无锡中鼎集成技术有限公司（以下简称“中鼎集成”）。日前，《中国储运》杂志记者从CeMATASIA2018现场采访到无锡中鼎集成技术有限公司总经理张科，了解到诸多中鼎集成的前沿信息。

（2）C2-匹兹堡学习科学中心

培养学生的高阶思维能力一直是学习科学研究领域的重要内容之一。学习科学专家采用多元的研究方法，试图揭示思维的奥义和培养学习者高阶思维的策略。此类研究的关键词有：空间思维、空间技能的发展与可塑性、空间记忆、空间心理旋转、空间结构、空间能力、空间思维、视觉空间处理、空间智力、空间语言、空间认知控制、空间认知行为、空间认知模型等。

此类研究比较典型的成果有两类：①空间思维能力，这类研究以C5为代表——C5汇集了来自空间认知、教育、认知科学、心理学、人工智能、语言学等的多种研究方法，试图从更为全面的角度，科学地理解空间思维，研究结合STEM和其它学科开发新的课程与评价方式，追求理解空间学习，改变教育实践；同时，开发研究工具和教育软件，以及空间技能的测量和评价工具。②问题解决能力的培养，这类研究抓住个体的差异性，展开了深入的研究和应用，以语言学习和数学等学科为主题的研究较多，这些研究成果在教育实践中有重要的实践价值，尤其在课堂环境中对于教师调节教学策略、推进个性化教学有积极的指导意义。

非正规与正规学习环境学习中心（Center for Learning in Informal and Formal Environments，LIFE）设在西雅图的华盛顿大学。该中心的使命是通过在不同环境、领域和年龄群体的选择性抽样，来确定和调查人们社会性学习的基本原理^[17]。

（4）C4-视觉语言与视觉学习学习科学中心

视觉语言与视觉学习学习科学中心（The Science of Learning Center on Visual Language and Visual Learning，VL2）位于华盛顿，依托哥劳德大学建立。该中心致力于从根本上促进学习科学，特别是研究如何通过人类最重要的感觉——视觉，以实现人类的部分高级认知^[18]。

（5）C5-空间智力与学习中心

空间智力与学习中心（Spatial Intelligence and Learning Center，SILC）位于宾夕法尼亚州费城的坦普尔大学。该中心旨在发展空间学习科学，并利用相关知识改变教育实践，支持儿童和成人获得有效参与日益科技化的社会和全球经济所需的科学、技术、工程和数学技能^[19]。

（6）C6-学习的时间动力学中心

学习的时间动力学中心（Temporal Dynamics of Learning Center，TDLC）建在加利福尼亚大学圣迭哥分校，希望通过整合脑科学和社会科学，来理解时间动力学的奥义。该中心的具体研究方向是时间要素和时间选择对学习有何决定性影响，以及如何将其应用于教育实践中^[20]。

2 研究过程

本研究首先通过调研各中心网站，系统梳理了各中心的研究主题与研究内容。然后，本研究在各中心网站上的开放数据库中下载各中心推荐展示的学术论文，利用Excel按照文章发表时间排序，去除未正式发表的论文、会议论文、2000年以前发表的论文以及无关内容，最终提取有效论文共计3899篇。同时，本研究采用质性分析软件Nvivo 11对文章标题内容进行词频分析，因为各中心多建于2000年之后，且前十年的发展较为缓慢，故按时间跨度分为2000～2009年、2010～2014年、2015年及以后三个时段，分别对各中心发表的论文进行分析，设定词频长度最小值为3，利用高频词提取关键词以圈定各中心在不同时间阶段的研究成果，结果如表1所示。

式中：pt+1是第t+1步的输入模；是尺度化因子，E(p0)为繁殖循环初始时刻小扰动的均方根误差，第t步繁殖结束时小扰动的均方根误差。

表1 美国六大学习科学中心发表的论文标题关键词统计

编号2000～2009年2010～2014年2015年以后 C1计算机模型；脑机制；神经网络；言语神经模型；大脑功能；认知与情绪信念可塑性；语音系统；视觉认知；虚拟环境；机器人学习能力；神经可塑性；情绪与注意力；记忆表征脑电信号；计算机接口；3D虚拟环境；机器人；脑波；视听空间注意；工作记忆 C2（物理、语言等）智能导师系统；认知代理；语言和认知；心智模型；大脑和语言；脑机制人工智能；智能辅助系统；语言；计算机建模；数据挖掘；种族文化与学习；学习动机；学习障碍；学习技术强健式学习；数据挖掘；学习模型；视觉复杂性；科学思维；人工智能；元认知指导；学习动机；协作学习 C3认知技术；大脑潜能；脑成像与行为；认知与脑功能；婴儿与机器人的模拟技能语言学习；婴儿与儿童学习；计算机支持的协作学习；语言学习；机器人；文化影响人脑与学习；婴儿与儿童学习；儿童心理；计算机科学；学习情趣；计算机支持的协作学习；文化影响；数学学习；语言学习；机器人；手语社会认知 C4视觉障碍；失聪者；视觉结构；视觉运用；手语；图形符号；语言结构失聪学生；听觉障碍；视觉障碍；手语；双语体制；性别差异；评价方法失聪学生；视觉、听觉障碍；视觉语言；双语语言；认知可塑性；语言发展；视觉注意力；双语体制;空间记忆、思维、灵活性；心理旋转；手语；文化差异 C5空间结构、能力、思维；视觉空间处理；计算模型；视觉灵敏度；空间可视化；视觉注意力；视觉导航；地理信息系统；空间短期记忆；拓扑信息；虚拟环境；复杂空间系统空间智力、空间语言、空间认知；语言发展与认知；脑电图；脑损伤；心智模型；心理旋转；语言发展与认知；图像、情景记忆；空间可视化；视觉显著性；视觉思维、视觉控制空间思维，空间技能发展与可塑性；脑电图；空间记忆；语言习得；语言和认知；脑损伤；语言发展可塑性；人工智能；空间心理旋转；虚拟现实环境；视觉障碍；视觉记忆；空间视觉可视化；3D视觉 C6人脸识别技术；机器人与自动化；面部和身体表情；计算机视觉；神经信息处理系统；眼动信息模型；长期记忆；视觉记忆面部动作、表情、感知；人脸识别；神经系统；神经计算；顺、逆行性记忆；记忆模型；再认记忆；记忆困难；视觉刺激、视觉记忆认知控制、行为、过程、模型；认知可塑性；空间认知；神经元；神经基因组；神经可塑性；神经计算；听觉处理；视觉加工；视觉认知；脑健康；方位信号；特殊大脑；脑结构；情感记忆；认知记忆；面孔记忆

三 美国六大学习科学中心的研究成果分析

卢一平警醒了,要在父母面前做一个能尽孝的儿子,要在儿子面前做一个能尽力的父亲,他就要割舍。目前,卢一平要舍的,卢一平能舍的,就是对写作的追求。只有看破、放下、清静、正觉,他才能心无旁鹜,他才能凝心聚力,轻装上阵,一往无前,去获取等值超额的物质回报。

激励机制能否产生正面效应，关键在于是否有好的体制作为保障。恰当的机制能够激发高校教师调动自身的能动性，积极从事科技成果教学转化工作。而不恰当的机制和僵化与落后的机制会使高校教师在科技成果教学转化方面的积极性和主动性受到压制。目前，我国高校内部的管理体制还不尽合理，由于缺少相应的激励机制和必要的保障体制，大部分高校教师不是从主观意愿出发，而只是根据相关部门的工作安排，被动地接受科技成果教学转化任务。这直接造成了科技成果教学转化成果得不到认可或“分量”不足，教师对科技成果教学转化的积极性不高，为完成任务而转化，甚至敷衍了事。

1 关于脑的生理机制研究

关于人脑的研究是六大学习科学中心研究的重要主题。如表1所示，从2000年初，有关脑的关键词就开始出现，且相关研究发展迅猛。近年来，关于脑的研究问题更加聚焦，研究内容更加宽泛，并和很多现实的教育问题紧密联结起来了。关于脑的研究关键词主要有：脑机制、大脑功能、脑结构、脑电信号、脑波、大脑和语言、人工智能、大脑潜能、脑成像与行为、人脑与学习、脑损伤、脑健康、特殊大脑等。

改革让中国体育发生了翻天覆地的变化，体育改革成绩斐然。从1982年参加印度新德里亚运会时起,亚运战绩一直稳居第一。

六大学习科学中心对大脑的研究主要包括以下四类：①脑机制的发现与模拟。以C1为代表，综合计算模型和认知神经科学，采用实验和建模方法，依靠神经和计算机模型模拟人脑，以此来理解智能行为。典型的研究项目有脑电波意识及意识容量神经基质、衰老及序列学习、利用脑电波控制机器人等。②关于脑和语言习得的研究。如C5研究早期脑损伤儿童的语言发展与功能可塑性；C4的语言实验室利用先进的脑成像系统fNIRS，聚焦于大脑和语言习得的研究。③大脑与人的感知系统。如C6整合了人的感知系统研究人脑，典型的研究项目有利用脑部灰质皮层的厚度预测面孔和识别物体。④脑发育的可塑性研究，主要关注脑的发育和脑健康。

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2 真实情境中的学习研究

教育、科学与技术卓越中心（Center of Excellence for Learning in Education. Science and Technology，CELEST）设在波士顿大学。该中心试图通过建模的方式来整合脑科学的基础研究成果，为现实情境中的学习寻求各种技术支持。建模、技术、实验和教育构成了CELEST研究的四大关键词^[15]。

真实情境中的学习研究有两类：一类致力于课堂学习，另一类则关注更为广义学习的发生。对于课堂学习类研究，以C2为代表，致力于推进对强健式学习的研究，通过开展真实情境中的实验，增强教育环境中对强健式学习的科学理解，并创建一种支持基于场域的实验、数据收集和数据挖掘的研究设施；另一类致力于更为广义学习的发生，其以C3为代表，聚焦于社会学习的驱动因素，主要有：①社会文化研究，采用民族志、访谈和调查法记录文化和社会活动对学校内外学习的影响；②实验和神经研究，采用行为和神经科学方法记录人的成长发育视角和神经视角的社会学习机制；③正式学习和技术上的研究，设计新型社交学习技术，以此来提升学习评价的科学性。

3 培养高阶思维能力的研究

匹兹堡学习科学中心（Pittsburgh Science of Learning Center，PSLC）位于匹茨堡市卡内基梅隆大学。该中心致力于推进强健式学习（Robust Learning）的研究，目的是利用认知理论和计算模型，识别能为学生带来强健式学习的教学条件^[16]。

（3）C3-非正规与正规学习环境学习中心

4 感官系统与高级认知的研究

学习科学专家一直在探寻如何科学地解释人类的认知过程，以及如何实现更高级的认知。除了关于脑的生理机制研究、真实情境中的学习研究、高阶思维能力的研究，还有一些专家聚焦于研究人类最直接的感官系统（如视觉、听觉），从此入手寻找、揭示认知发生的过程。此类研究的关键词有：视觉障碍、听觉障碍、视觉语言、双语语言、认知可塑性、语言发展、视觉注意力、双语体制、空间思维、思维灵活性、心理旋转、手语、语言学习、手语社会认知等。

以C4为代表，此类研究主要包括两方面：一是视觉和认知的可塑性，二是语言发展与双语体制。研究成果有视觉注意力和耳聋的行为表现，耳聋儿童的阅读、视觉感知、双语体制、手语等。值得称赞的是此类研究非常重视聋哑儿童的社会情感发展——研究者发现社会情感的发展可以促进语言技能，同时语言技能会反过来支持社会情感发展，故研究者呼吁失聪者和听力障碍儿童应同为学校学生的一部分，他们也需要被赋予同等的学习权力。此类研究也非常关注双语体制和美国手语的教育成效，且在此方面获得了卓越的研究成果，可为美国手语教育和双语体制教学的发展提供重要的学术支持和专业指导。

四 学习科学未来发展趋势

1 学习科学的研究热点

（1）学习行为的科学解释

图中的数目代表了在|M|次采样中对应缓冲器的调整次数.我们在算法中去掉那些调整次数不大于1的以及与重要节点没有相连的缓冲器.重要节点定义为调整次数大于一定数量的节点，在实验中我们设置为5，总共采样次数为10000.例如，在图5中，我们去掉那些虚线描述的节点.这种过滤不仅仅可以加速算法，也通过图的分解降低了问题的空间.

学习科学将科学的实验研究与传统教育学中的社会研究方法进行了有效融合。学习科学研究领域能够快速发展的原因之一，在于它首先承认并且尊重人的社会性，承认社会文化是影响学习的重要因素之一。学习科学正在不断摸索如何将实验室中没有生命的仪器应用于真实的教育场景中，以更科学地解释人的社会性学习，寻找真实情境中学习发生的共同原则。这类研究已不满足于简单地发现人类学习的生理机制，而是以此为研究基础，尝试对学习过程做出真实的改变，对常见的学习行为进行干涉或提出更为科学的解释。

（1）Monsoons have flooded India's commercial capital this week and forecasters said more heavy rain was possible in the region Thursday beforeeasingon Friday.

（2）特殊群体的学习机制

特殊群体主要指脑损伤、视听障碍者、婴幼儿以及老年人。目前，很多研究团队在积极开展对特殊群体学习机制的研究，原因在于：①特殊群体作为研究对象，可以更直接地进行对比研究，分析人体特定器官的生理结构和工作机制。如通过对脑损伤患者的研究，可以确定对应脑部的工作原理。类似地，感官系统的研究更加需要特殊群体进行对照研究。②对于特殊群体的研究，有助于提升残障人士的学习效果，保障他们受教育的权益。因此，越来越多的研究者关注特殊群体，使得特殊群体的学习机制逐渐成为了学习科学做出巨大贡献的特殊研究领域。

债权是可以转移的，转移的效果是新债权人取代原债权对债务人享有债权，新债权人以此获得对债务人的给付请求权。有学者提出顾客的财物直接进入行为人的账户，商家从未建立起对顾客财物的占有关系，行为人对商家的盗窃无从谈起。在偷换二维码案件中，商家丧失的并非是具体的金钱，行为人盗窃的对象是商家的财产性利益，换言之就是商家对于顾客所享有的债权。以债权作为盗窃罪对象可以跳出商家从未占有顾客财物的怪圈，盗窃罪的成立便有了理论上的基础。

六大中心的研究成果精彩纷呈，代表了美国在学习科学研究领域的重心与前沿。由表1可知，在近20年的时间内，学习科学研究的广度和深度都有明显的提升。按照研究内容分为以下四类：

（3）高阶思维与技能培养

高阶思维与技能的培养也是学习科学关注的热点。通过词频统计发现，情感记忆、认知记忆、面孔记忆、空间心理旋转等术语频繁出现；不同于早些年出现的记忆、空间思维，近年的研究更加具象且深入。研究者采用面部识别、脑电等技术，放大学习发生的过程，分析学习者思维的变化。在技术的支持下，研究者往往能针对高阶思维与技能的培养提出新的理解和建设策略。可以预测，未来高阶思维与技能培养方面的研究将成为学习科学研究领域的重点与热点。

2 学习科学产业链的崛起

（1）人工智能产品

人工智能与学习科学一脉相连。21世纪初，研究者希望采用模仿计算机的信息处理过程来建构人的学习过程；而随着人们对脑机制的深入研究，研究者开始利用计算机模拟人脑和感官系统的工作机制。技术的创新是出现这一反转的源动力，学习科学研究支持下的很多科研成果都在积极地进行着智能产品的商业转化，并作为坚实力量滋养着学习科学研究的深入推进。

（2）数据挖掘与管理平台

学习科学的发展催生了数据挖掘和管理平台产业的发展。美国六大学习科学中心十分重视数据的管理与分析，很多平台配置了可视化数据分析软件，并提供数据给研究人员进行研究分析。因此，数据、数据管理平台和数据挖掘技术逐渐成为了学术研究领域和商业领域的重要资源。

（3）新型学习资源

美国学习科学专家非常重视学习资源的开发。如C5开发了一套草图理解系统CogSketch，它既是研究工具也是教育软件平台；此外，C5还开发了一系列的思维和行为调查问卷。这些产品不仅可服务于研究，其本身也蕴含着巨大的商业价值。

按对景景物数量，对景手法可分为单对对景和互对对景(表1).单对对景是指仅在观赏者视线一端设置景物.而互对对景是指在观赏者视点和视线一端，或在轴线的两端分别布置景物，使得从A点可以观赏到B点，反之从B点亦可观赏A点.当同一画面中出现多个互对对景时则可形成一对多或多对多的对景网络.

五 研究总结

美国的六大学习科学中心在理论建构、学术论文和项目产出方面都取得了一定的成果，并形成了相对固化的发展模式。如重视从知识到产品的转化，利用催化项目吸引企业的经费支持；组建跨国、跨学科背景的成员团队，实现文化和研究的深入协作；有意识地培养适应机构发展需求的人才，保证中心的可持续发展等。在六大学习科学中心的引领下，学习科学已经将多元的研究方法引入了美国的教育实践中。

(3)发展农村社会保障事业，完善农村扶贫体系。除了前面提到的新型农村合作医疗制度，政府从2007年开始，先后建立了农村最低生活保障制度、新型农村养老保险制度、社会救助制度等，并完善了农村“五保户”制度，初步形成了农村社会保障网络。这些农村社会保障制度虽然多为普惠性制度，但是由于它们瞄准的多为贫困人口集中的低收入农户、老年人口和患病人群，客观上起着一定的扶贫作用，成为了中国农村扶贫体系的重要组成部分。

目前，我国国家自然科学基金也已加大了对学习科学研究的支持，学习科学的研究范围正在不断扩大，研究内容也正逐渐细化。如北京大学学习科学实验室的研究聚焦于如何实现学习科学与教育游戏设计与开发、教师专业发展的深度融合。未来，我国教育工作者仍需增强紧迫感和使命感，共同推进学习科学研究的发展，以保证我国在世界教育改革浪潮中占据有利地位。

参考文献

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[17]Learning in Informal and Formal Environments. LIFE center[OL]. <http://life-slc.org/>

[18]Visual Language and Visual Learning. About[OL]. <http://vl2.gallaudet.edu/about/overview/>

[19]Spatial Intelligence and Learning Center. Overview[OL]. <https://www.silc.northwestern.edu/>

[20]Temporal Dynamics of Learning Center. Vision[OL]. <https://tdlc.ucsd.edu/tdlc2/about.php>

The Future Development Trend of Learning Sciences——Analysis of Six Learning Sciences Centers in the United States

XIA Qi MA Si-jie SHANG Jun-jie^{[Corresponding Author]}

(Lab of Learning Sciences, Peking University, Beijing, China 100871)

Abstract: The research of six American learning sciences centers represents the highest level in the research field of learning sciences in America. This paper conducted an in-depth study of the six major learning sciences centers in America, combed research themes and contents of each center, and analyzed the word frequency of their published papers. Meanwhile, their research results were summarized into four categories: research on the physiological mechanism of the brain, research on the learning in real-life situations, research on cultivating high-order thinking ability, research on sensory systems and advanced cognition. Based on the research results, the future development trend of learning sciences was prospected, expecting to provide reference and experience for the construction and development of learning sciences in China.

Keywords: learning sciences; development trend; research achievements; learning sciences centers

【中图分类号】G40-057

【文献标识码】A

【论文编号】1009—8097（2019）10—0005—07

【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2019.10.001

¹感谢北京大学教育学院硕士研究生董倩、郭欣悦、刘敏、马宁、孙博凡、张静蓉、张志广的前期调研工作。

*基金项目：本文为国家自然科学基金2016年度应急管理项目“学习科学发展态势、需求与科学基金支持机制研究”（项目编号：L1624017）的阶段性研究成果。

作者简介：夏琪，科研助理，硕士，研究方向为学习科学、教师专业发展，邮箱为qxia@gse.pku.edu.cn。

收稿日期：2019年2月23日

编辑：小西

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