为学生认知发展建模：学习进阶十年研究回顾及展望

姚建欣 郭玉英

(北京师范大学 物理学系,北京 100875)

2004年，在史密斯(Carol Smith)等学者代表“基础教育阶段科学学业成就评价委员会”向美国国家研究理事会(National Research Council, 以下简称NRC)提交的报告中，学习进阶(Learning Progressions)第一次在科学教育领域被正式提出。[1]在即将迈过第一个十年之际，学习进阶已经成为了美国《新一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards)的核心编写依据，并衍生出进阶矩阵(Progression Matrix)作为各州和各学区课程开发和教学设计的参考。[2]学习进阶在如此短的时间内获得学术界的广泛关注并被迅速应用于教学实践，一方面是因为学习进阶从认知的视角系统地描述学生的科学学习进程，另一方面是由于学习进阶能“搭建起一座连接对学习的研究和课堂教学实践的桥梁”[3]，“有潜质提供将标准设计、课程开发、学业评估和教师专业发展联接起来的统一框架”[4]。我国科学教育界也已从前期引述、介绍国外研究成果，过渡到开展实质性的进阶研究。本文基于文献综述和自身研究实践，对学习进阶及其相关研究的一些基本问题展开讨论，以期为我国进阶研究的发展与超越提供参考。

一、学习进阶的定义

在对学习进阶的研究诞生之初，对于“什么是学习进阶”，许多学者根据其自身研究背景提出了不尽相同的表述。例如：史密斯等认为“学习进阶是学生在学习时对一系列概念连续的、逐渐复杂的思维方式”[1]；罗斯曼(Roseman)等定义“学习进阶是从小学延续到高中的一条符合逻辑和学生发展的概念序列”[5]；赛琳娜界定学习进阶为“以实证为基础的、可检验的假说，它阐释了在一段时间内经过适当的教学指导，学生对科学核心概念、科学解释以及科学实践的理解和运用是如何逐渐发展、逐渐深入”[3]。不仅对学习进阶定义的表述不同，不同学者的研究理念和研究方法也有差异。这使得对学习进阶及其要素的界定成为了研究伊始就面临的一大问题。[6]在2007年NRC将学习进阶定义为“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”[7]之后，分析近3年(2010—2013年)的研究报告发现，虽然研究方法日益多样化且学者们在讨论中对未来的学习进阶有着不尽相同的展望，但这些研究大都引用NRC的定义作为学习进阶的概念界定。说明在现阶段NRC的定义还是一个能得到多数研究者认同的界定，学界对学习进阶的基本认识逐渐达成了一致，故本文也以NRC对学习进阶的定义作为后续讨论的基础。

对学习进阶的定义和要素的争论实际上是科学教育界诸多学术流派观点的碰撞，集中反映着学界从20世纪80年代起围绕“如何刻画学生的思维：是框架模型(framework theory)还是碎片知识(knowledge in pieces)”，“学生如何建构科学概念：转变还是丰富、整合”等问题的不同立场。杜施尔等综述了大量对学习进阶的研究后指出[8]：进阶研究基本可分为两种研究范式，“验证性进阶研究”(Validation LPs)和“演进性进阶研究”(Evolutionary LPs)。他们认为“验证性进阶研究”从标准(课程标准或考试标准)出发，自上而下地基于测评结果来检验和修正进阶框架。相比之下，“演进性进阶研究”遵循自下而上的证据驱动研究范式，强调教学作为关键变量，紧密联系科学概念的建构和科学实践活动，基于测评证据来探索不同模型的有效性，是一种更符合教学实际需要的进阶研究。然而，利用杜施尔等的划分标准来分析现有进阶研究，却发现并没有哪一个研究能完全符合“演进性进阶研究”的八条标准，现有的进阶研究几乎都是两种进阶范式的混合体。所以杜施尔的“演进性进阶研究”实际上是一种理想的进阶研究范式，基于此可以反思已有的进阶研究(“验证性进阶研究”)中在一些方面上的不足，展望未来进阶研究(“演进性进阶研究”)的发展趋势。

总而言之，对学习进阶定义的讨论反映了学术界对其本质认识的不断深化和丰富，这主要表现在以下三点。首先学者们对学习进阶的研究对象达成了一致——学习进阶刻画的是学生思维(thinking)的发展过程。这样就从本质上厘清了学习进阶与课程开发设计(如布鲁纳的“螺旋式课程”)的关系：基于学习进阶的课程开发能更好地规划学生的发展路径，使之符合学生的心理特质，而对新开发课程的实践与反馈能够促使学习进阶的完善和改进。第二，学者们开始认识到教学因素在建构学习进阶过程中的关键地位。在NRC的定义中没有出现“教学”一词，然而该定义的主要撰写者美国科学教育研究协会(NARST)的前主席杜施尔(Duschl)指出[8]，许多读者忽略了紧跟在该条定义之后的句子，“教学实践对其(学习进阶)起着关键作用”[7]。第三，已有越来越多的学者认可了对学习进阶、学习轨迹(learning trajectory)和教学序列(teaching sequence)的区分。现在科学教育研究领域一般认为学习进阶是一个更为上位的概念，学习轨迹有机组合构成学习进阶，而教学序列则是在学习进阶框架下，教师根据学生的具体学情规划其教学活动的安排和教学策略的选取。[9]

二、学习进阶的研究基础

学习进阶虽然是一个新术语，但相关理念早已根植于教育界，从皮亚杰的“发生认识论”和维果斯基的“最近发展区”都已预示着，对学生发展阶段的系统研究能对教与学带来关键性变革。具体到科学教育界提出学习进阶，从目前掌握的资料来看，建构主义是学习进阶的哲学基础，概念发展研究提供了范式预备，教育评价和课程设计提出了需求，心理测量方法的应用是技术保障。

20世纪70年代末，在建构主义思潮和库恩(Kuhn)和拉卡托斯(Lakatos)科学哲学观的影响下，科学教育界开始空前关注学生的认识现状。“相异概念运动”(Alternative Conceptions Movement)及其研究范式在科学教育研究界长期占据主导地位，对学生迷思概念(misunderstanding)的研究几乎覆盖了基础教育阶段的所有知识主题，对如何促使学生概念转变也积累了相当多的经验。但到了20世纪90年代，学者们开始反思“相异概念运动”。其中的重要观点之一便是之前的研究内容过于零散，而且只是对学生在某一阶段持有的概念状态的描述，没有加入时间变量，不能系统地刻画学生概念发展的过程。随后英国学者德来弗(Driver)等在物理教育领域对“概念轨迹”(conceptual trajectory)的研究和泰伯(Taber)等在化学教育领域对“概念发展”(conceptual development)的研究中开始采用跨年级的追踪研究，这便是当今进阶研究的雏形。例如德来弗等在1994年提出概念轨迹的概念时指出：“为儿童的科学和正规科学搭建桥梁时，会涉及一些‘中间认识’或‘中间概念’，因此进阶过程将遵循一条概念轨迹，这条轨迹序列描绘了某领域知识发展的关键步骤。”[10]由此可见，概念轨迹的研究已经具备了当前最受关注的“核心概念的学习进阶”(LearningProgressionsof Core Ideas)的基础范式。核心概念的学习进阶为学生的概念发展建构了一个过程模型，将概念轨迹研究中的“儿童的科学”、“正规科学”和“中间概念”作为此模型中的发展要素：进阶起点(lower anchor)、进阶目标(upper anchor)和中间节点(intermediate levels)。

虽然与概念轨迹、概念发展等研究一脉相承，但是学习进阶在研究方法上有着显著的发展，其中最主要的就是先进的心理测量与统计手段的应用。回到学习进阶诞生的21世纪初，时任美国总统布什签署了《不让一个孩子落后》法案，2005—2006学年是正式开展大规模达标测评的第一个时间节点。如何科学地评价学生的急迫需求推动了对学习进阶的研究的开展，第一份提出“学习进阶”的文件正是面向科学学业成就评价的研究报告[1]。所以说学习进阶自诞生之初就带有深刻的“评价”印痕，随后学业评价研究与对学习进阶的研究也一直相辅相成。以原美国教育学会(AERA)主席、斯坦福大学的谢弗尔森(Shavelson)教授和加州大学伯克利分校的威尔逊(Wilson)教授等为代表的心理测量专家将先进的心理测量与统计方法引入进阶研究，为进阶研究提供了技术支持，对进阶研究的发展起到了关键性作用。

三、学习进阶的研究模式

对学习进阶的研究遵循证据驱动范式，结论基于具有代表性且稳定可靠的观测结果，但仅仅通过测试和访谈积累证据是不能得到有效的进阶框架的。美国《新一代科学教育标准》物质科学修订组的组长科瑞柴克(Krajcik)指出学习进阶有四项必备要素[11]：(1)大概念及对大概念的析解；(2)界定清晰的各进阶层级；(3)检验学生所处水平的测评工具；(4)促进学生发展的教学干预手段。在此指导原则下，建构新的学习进阶应先确定进阶要围绕的核心概念和关键能力，基于对学生认知的研究提出有效的进阶假设，然后根据假设选择测量模型，开发工具收集证据，最终才能基于证据修订假设，逐步完善进阶(图1)。高质量的进阶研究往往将上一轮研究修正出的进阶当作新一轮研究的进阶假设，经历几个研究循环才能得出最后的结论。

图1 进阶研究循环

(一)核心概念和关键能力的确定

这里所指的核心概念即是学习进阶四项必备要素中所指的大概念，包括学科核心概念(discipline core idea)和共通概念(crosscutting concept)，关键能力即科学实践(scientific practice)能力。在21世纪初，美国和中国等相继开展了大规模的国际科学课程标准的比较研究，国际上也陆续召开了专家研讨会，中国学者(如韦钰教授等)也参与其中，贡献了我们的观点并带回了新一轮国际科学课程改革的思路。[12]随后刘恩山、郭玉英等学者撰文阐释了什么是核心概念，核心概念在科学教学中的地位和作用[13]，如何围绕大概念整合科学课程设计，促进学生科学概念体系的建构[14]；丁邦平等探讨了科学实践和之前的科学探究的关系[15]。上述文章反映出，国内、外科学教育界在围绕核心概念和关键能力改进科学课程上取得了一致，并且学术界的观点已经开始向教学一线渗透。

学科核心概念是“组织整合某个学科自身内容的少数关键概念”，如美国《新一代科学教育标准》中的“物质及其相互作用”、“能量”等。共通概念是“涉及科学、数学、技术和工程等领域的最基本的、超越学科界限、反映不同学科的内在统一性的概念。”例如“系统”、“模型”等共通概念不仅对跨学科内容的组织有重要意义，还影响着数学、技术和工程等的学习，有助于学生建立对人类知识的整体认识。[14]科学实践是科学探究的发展，美国《新一代科学教育标准》提出要加强八方面科学实践能力的培养，但其中的“构建和使用模型”、“基于证据参与论辩”等能力在我国现有的课程文件中强调并不多，相关研究也还较少。大概念和科学实践直指多维科学课程体系的建构，促进学习内容的横向整合；学习进阶与此紧密配合，基于对学生认知发展的研究实现学习内容的纵向整合，两者相辅相成、互为依托。如前所述，目前学术界对科学学习的核心概念和关键能力已经基本达成了一致，所以对学习进阶的研究将以此为基础开展。并且可以预想，学习进阶的研究也将会给内容体系的整合提供反馈，使确立的核心概念和关键能力真正达到其设想的学科显著性和贯通性，以实现其促进学生终身发展的价值。

(二)创建进阶假设

确定了核心概念和关键能力之后，接下来将围绕其创建进阶假设。进阶假设一般由进阶起点、进阶目标和中间节点构成，由进阶变量(progress variable)将三者串联。进阶变量为进阶假设搭建起理论框架，其选取和设计是创建进阶假设的核心工作。

以知识内容本体作为进阶变量在进阶研究早期占主流，这类研究多基于课程分析和对学生迷思概念的研究来划分发展阶段。[8]以阿隆索(Alozon)和斯蒂德尔(Steedle)建构“力和运动”学习进阶为例[16]，她们通过对课程文件的分析确立进阶目标，通过综述关于学生对“力和运动”认知的研究提出进阶起点和中间阶段的预设。以知识内容本体作为进阶变量可以清晰的刻画学生对某一主题理解的认知发展层级，然而这类进阶研究不可避免的将学习进阶限定于一个知识主题之内。现阶段研究中进阶变量的内涵日益丰富，有学者以关键能力作为进阶变量，例如施瓦茨(Schwarz)等对学生科学建模能力进阶发展的研究[17]，伯兰(Berland)和麦克尼尔(McNeill)[18]建构的学生科学论辩能力的进阶。也有学者关注学生头脑中内在知识结构的关联程度，如加州大学伯克利分校的李熙石(LeeHee-Sun)和刘莉迪(Liu Lydia)[19]以知识整合度(knowledge integration)为进阶变量描述学生对能量概念的理解。

当前研究中进阶变量的选取还呈现出两种趋势。一方面是内容和能力的融合，例如莱赫(Lehrer)和舒布勒(Schauble)设计的学习进阶中，对进化论的学习伴随着科学建模能力的发展；[20]在桑格(Songer)等设计的学习进阶中，学生对生态圈的理解逐级深入的同时还培养进行科学解释的能力。[21]另一方面是基于认知理论来更深入的分析学生的进阶，例如纽曼(Neumann)在设计能量概念的学习进阶时，既参考了柳秀峰等基于科斯(Case)的后皮亚杰理论所设定的发展层级，还参考了费舍尔(Fisher)的复杂度层级理论。[22]

通过进阶变量搭建起进阶假设的框架后，接下来设定进阶起点、进阶目标和中间节点。早期进阶研究(例如阿隆索和斯蒂德尔对“力和运动”学习进阶的研究)以学生的迷思概念作为最低的阶，以课程标准的期望作为进阶目标，再划定中间层级。杜施尔等认为[8]这种设定方式体现了一种“修正观”(fix it model)，即整个进阶始于对迷思概念的分析，描述在学习过程中对错误认识的修正和内容知识的扩展。而现阶段的进阶研究更倾向于采用“发展观”(work with it model)，即以学生有感性认识或易着手分析的具体现象为起点，从学生的已有认识出发深化理解、构建知识网络。这里还需要强调，在设定进阶的阶段目标时考虑现有课程中年级节点的设置是必要的，然而“过分关注现有课程会导致忽视学生认知，失去了学习进阶的研究目的——从学生的认知规律出发改进现有课程设置。”[8]152

(三)选择测量模型

学习进阶将有代表性、稳定且能表征学生发展的观测证据作为检验和修正的依据，这是学习进阶较20世纪90年代的概念轨迹研究的重要发展，但这对研究方法提出了相当高的要求。先进心理测量技术向教育测量的转化使得许多研究设想逐渐成为了可能，经过反复检验的可靠实证数据使学习进阶的研究结论得到了广泛的认可。这其中项目反应理论(Item Response Theory，IRT)和潜类别分析(Latent Class Analysis，LCA)是当前采用最广泛的统计分析模型。

位于加州大学伯克利校区的伯克利评估与测量研究中心(Berkeley Evaluation and Assessment Research)引领着基于项目反应理论的进阶研究。这些研究以拉什(Rasch)模型为核心拟合试题难度与学生能力参数，据此来描述学生的进阶情况。[23]基于潜类别分析的进阶研究则主要以谢弗尔森的团队为中心。他们通过学生的应答模式矩阵来判定学生所属类别，进而与进阶假设中的各层级对应，描述学生的进阶情况。[24]两种测量模型本质区别在于基本假定的不同，项目反应理论假设学生在某一主题内的思维模式可表征为一个单维、连续且稳定的心理构造(continuous unidimensionalmental construct)，潜类别分析假设某一类学生在回答一系列问题时会有一种稳定的应答模式。两种模型各有其优势和待解决的问题，但由于项目反应理论的相关软件率先实现商业化开发并占据了国际大范围测评的主流市场(例如TIMSS和PISA)，所以当前的进阶研究中运用项目反应理论作为测量模型的占了绝大多数。

(四)开发研究工具

最初的进阶研究多利用现有工具，如在TIMSS或NEAP的题库中选择区分度等指标较高的测试题作为研究工具。正因为此，第一位获得美国“总统奖”的科学教育学家、密歇根大学的桑格教授指出，当前对学习进阶的研究中最大问题在于测评工具的质量还没有达到评估进阶的要求。[25]为了更好地诊断学生状态，研究者们一直在改进现有研究手段。例如布瑞格斯(Briggs)等[26]开发了分层选择题(Ordered Multiple Choice items)，其选项经过精心设计，学生不同的选择反映其所处思维水平，然后通过题组来区分学生在学习进阶中所处的层级。纽曼等改进题干设计，在保持情境不变的情况下通过调节题干信息量控制题目的复杂度，以此收集证据作为其进阶修正的参照。[22]

虽然在研究者不断的努力下和先进测量模型的监测下，研究工具的信、效度和精细化程度已经达到空前水平，但未来的进阶研究中测量工具改进和开发仍是关键。问题集中体现在：(1)当前的研究工具多面向大范围测评，属于终结性评价，缺乏形成性测试工具；(2)如果学习进阶融合科学概念的理解和实践能力的培养，那么仅局限于纸笔测试将难以满足要求；(3)精巧的研究工具和复杂的测量模型难以被教学实践者掌握。从现代教育测量的发展来看，基于电子测评系统的自适应组卷测验、对应开发相应的操作类任务和网络化的教研支撑体系将有助于上述问题的解决。

(五)修正进阶假设

基于研究工具探查出的学生表现情况修正原有进阶假设，既是一轮进阶研究的最后一个环节，同时也是新一轮研究的基础。修正进阶假设应建立在两个前提下：一是实证数据和现有进阶假设不匹配，二是研究工具准确反映了学生实际情况。题目设计没有切实反映考察意图、学生进行问题表征时的思维图式与研究者的预设不同、进阶框架的不合理等都有可能造成研究结果与进阶假设不匹配。所以当实证数据“证伪”进阶假设时，不能想当然地修改假设迎合实证结果，而是要审慎地分析造成两者差异的原因。应该先结合数理统计手段和对师、生的访谈重新进行任务分析，确保研究工具能真实测查学生状态后，再对原假设的进阶层级做出分解、合并或次序调整。

四、学习进阶的应用

在各国纷纷跟进对学习进阶的研究之时，美国对学习进阶的应用正在从宏观和微观两个层面同时开展。宏观层面上，2013年颁布的美国《新一代科学教育标准》综合现有进阶研究的成果，为各州和学区的课程开发和教学设计勾绘了蓝图。虽然《新一代科学教育标准》中的学习进阶“颗粒度”还比较粗，但是已然为“小—初—高”的科学课程衔接提供了统一框架。相关的标准推广和教师培训活动也已经在多个州开展，其成效值得关注。另外，多个州的达标评估已应用学习进阶作为参照。基于学习进阶的多项国际比较研究也正在进行中，其研究成果将对各国科学课程标准的修订产生较大的影响。

在微观层面上，多个课题组已经基于进阶研究成果开展教学实验研究。例如科瑞柴克团队在美国自然科学基金委资助下开展了中学能量教学研究[27]，他们结合学习进阶和目标驱动设计模型开发了由19节课组成的能量专题教学单元，期望以真实情境为载体、围绕核心概念组织的教学活动促进学生的整合理解。结果显示：虽然起点相同的控制班学生经历了更多教学课时，然而无论是即时访谈还是一年后的延时测试都表明实验班的学生对能量概念的认识更系统、知识网络更丰富、有较少的迷思概念且更善于解决实际问题。密歇根大学桑格教授所领导的团队从2008年起持续关注在生物学习过程中科学解释能力的培养，通过连续五年的追踪研究，她们已经基于学习进阶设计了从小学到高中的、融合生态内容学习和科学解释能力的教学序列。[28]这些微观层面上应用学习进阶开展的教学实验研究为学区教研员的课程开发和一线教师的教学设计提供了案例，促进了宏观层面上的纲领、标准文件与教学实践的对接。美国学者将学习进阶在宏观和微观层面上同时应用推广，让进阶研究提出之时的愿景在逐渐清晰——搭建起一座连接对学习的研究、课程开发、学业评估和教学实践等多方面的桥梁。

五、总结与展望

正如剑桥大学泰伯教授所说，建模(modelling)不仅在研究如何“做科学”时非常重要，在研究如何“学科学”中也在发挥日益关键的作用[29]。从本质上讲，学习进阶就是一个关于学生认知发展的模型，其本身需要被不断修正和改进，所以对学习进阶的研究一直在面临挑战。然而无论是对学习进阶的定义之辩，还是在假设确立、工具设计和反馈修正等研究过程中需克服的困难，都将促使学习进阶的研究水平不断提升和研究范式的日趋成熟。可以说，对学习进阶的研究在挑战中完善和发展。但是必须承认，当前建构的学习进阶较“刻画学生认知发展”的目标还有很大差距，研究过程与教学的结合并不紧密，成果向教学实践的转化也并不顺利，可见想要构建理想的学习进阶，实现最初的研究愿景，对学习进阶的研究仍需在挑战中不断前行。

对学习进阶的研究实质上反映了科学教育观的转变，从传统的分割的教授各知识模块和各探究技能转变为系统设计教学序列以帮助学生建构科学概念体系、培养科学实践能力，并在此过程中促进学生的认知和元认知的发展。[8]所以当用“学习进阶”来翻译Learning Progression时，我们实际上是希望表明：进阶研究以学生的学习为研究对象，“进”是以描述学生的认知发展方向，而“阶”则要指出发展过程中的关键点，并提供对应的解决方案。贡克尔(Gunckel)等学者也认为[30]，当前进阶研究需直面这两个问题：什么在发展？如何设计路径促进发展？

针对上面两个问题，我国自2009年起已有多位博士研究生结合国外先进研究方法和国内教学研究传统开展研究，给出了面向我国学生特色的解决方案。例如徐宁在批判继承概念转变研究基础上提出基于认知模式转化的概念发展模型[31]，韦斯林应用Rasch模型对“物质结构”进行跨年级的认知测量[32]，刘晟设计了“概念链”开展概念教学研究[33]……我国学者在现有研究范式的基础上还做出了创新：张静将心智模型(mental model)研究和学习进阶相结合，以静电学为例描述了学生心智模型的进阶发展层级，并通过建模教学促进学生心智模型的发展[34]。魏昕研究能量概念学习进阶时，创造性的融合认知推理过程和共通概念作为进阶变量，从更深层次揭示了学生能量概念发展的认知机制[35]。

回顾十年来对学习进阶的研究，最主要的成果是基于大范围的测评逐渐建立了学生在一些科学概念和实践活动学习过程中的发展模型。然而杜施尔等指出，学生的科学学习过程是“教学辅助下的发展”(instruction-assisted development)，忽视教学因素单纯描述学生的发展阶段将有脱离科学教育研究根基的风险。[8]并且从建构主义观点来看，与其倾全力于构想完美贴合认知过程的表征方式，倒不如将研究重点放在能促进学生发展的系统模型，因为后者对学生建构对真实世界的理解更有帮助[29]。这启示我们，在继续深入探索回答“什么在发展”的同时，研究怎样基于学习进阶开展教学设计改善教学实践，即回答“如何设计路径促进发展”，将是未来对进阶研究的核心议题。

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