第一章 学习科学的起源、发展与未来......................................................................1第一节 学习科学的起源和历史发展 .........................................................3第二节 学习科学的研究内容与研究方法 ...............................................17第三节 学习科学的未来发展趋势 ...........................................................26第二章 脑科学与学习................................................................................................32第一节 脑的结构与功能 ...........................................................................34第二节 学习的脑机制 ...............................................................................42第三节 认知神经科学的研究方法 ...........................................................51章 学习理论........................................................................................................60第一节 学习理论的概念 ...........................................................................62第二节 行为主义学习理论 .......................................................................63第三节 认知主义学习理论 .......................................................................70第四节 建构主义学习理论 .......................................................................77第五节 人本主义学习理论 .......................................................................84第六节 其他新兴学习理论 .......................................................................88第四章 高级认知与学习心理....................................................................................93第一节 学习的概念 ...................................................................................95第二节 学习动机 .......................................................................................98第三节 知识的表征与组织 .....................................................................103第四节 问题解决与创造性 .....................................................................109第五节 元认知与学习策略 ..................................................................... 116第六节 学习风格 ..................................................................................... 119第五章 学习方式......................................................................................................124第一节 学习方式的概念 .........................................................................126第二节 自主学习 .....................................................................................127第三节 社会性学习 .................................................................................132第四节 探究学习 .....................................................................................137第五节 项目式学习 .................................................................................142第六节 其他学习方式 .............................................................................147第六章 技术支持下的认知与学习..........................................................................151第一节 技术与教育的关系 .....................................................................153第二节 认知负荷理论 .............................................................................157第三节 多媒体学习认知理论 .................................................................164第四节 技术认知理论的新发展 .............................................................170第七章 学习环境与学习技术..................................................................................178第一节 学习环境与学习技术的概念 .....................................................180第二节 计算机辅助学习 .........................................................................185第三节 人工智能支持下的学习 .............................................................188第四节 技术支持下的协作学习 .............................................................193第五节 新兴技术支持下的学习 .............................................................196第六节 学习空间 ..................................................................................... 211第八章 基于学习科学的教学设计与实践..............................................................218第一节 教学设计概述 .............................................................................220第二节 基于学习科学的教学设计 .........................................................222第三节 基于学习科学的有效教学策略 .................................................239第九章 学习评价......................................................................................................260第一节 学习评价的概念 .........................................................................262第二节 学习评价的分类 .........................................................................266第三节 学习评价的方法和技术 .............................................................269第四节 促进学习的课堂评价 .................................................................279第五节 学习评价的未来发展趋势 .........................................................284第十章 学习分析......................................................................................................289第一节 学习分析的概念 .........................................................................291第二节 教育数据挖掘的概念与技术 .....................................................296第三节 学习分析的关键技术 .................................................................303第四节 学习分析主要研究内容及未来发展趋势 ................................. 311附录 推荐资源..........................................................................................................321
前 言习近平总书记在中国共产党第二十次全国代表大会报告中指出,要“推进教育数字化,建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”。总书记曾经还强调:“学习是文明传承之途、人生成长之梯、政党巩固之基、国家兴盛之要。”在知识大爆炸的时代,要想实现更好的学习,就需要研究学习的本质,在把握规律的基础上建设学习资源、构建学习环境并优化学习机制。显然,这些都离不开学习科学的支持。学习科学(Learning Sciences)是 20 世纪 90 年代发展起来的,是涉及认知科学、心理学、教育学、脑科学、信息科学、人类学、社会学等众多学科的跨学科研究领域,它研究各种情境下的学习 —— 不仅包括学校课堂里的正式学习,也包括发生在科技场馆、工作地点、家庭等场所的非正式学习。学习科学的研究目标,首先是更好地理解认知和社会化过程,以产生最有效的学习;其次便是用学习科学的知识来重新设计已有的课堂及其他学习环境,从而促使学习者更有效和深入地进行学习。简而言之,学习科学主要就是研究“人是如何学习的,如何才能促进有效学习”。学习科学自兴起以来备受重视。2004 年起,美国国家科学基金会(NSF)就在全美建立了 6 个国家级跨学校的学习科学研究中心,并给予了为期10 年的巨额经费支持。近年来,欧美发达国家已经将学习科学确立为新的教育政策的关键基础,将人类学习的重要研究成果作为课程决策与行动的基础。在我国,东南大学、北京师范大学、华东师范大学、北京大学和清华大学等高校已经建立了学习科学研究机构。此外,我国国家自然科学基金委员会也于 2018 年设立了教育信息科学与技术申请代码 F0701,致力于推动以科学方法研究学习和教育问题,此举为我国学习科学未来的快速发展提供了新的有力支持。然而,学习科学研究内在的跨学科属性,给高校相关方面的人才培养带来了不小的挑战。在此过程中,大家深感需要有一本全面、系统的学习科学基础教材,作为高校学习科学人才培养的起点。面对这一迫切需求,教育部高等学校教育学类专业教学指导委员会秘书长、清华大学教授李曼丽邀请我们,希望我们能积极协调各方面力量,发动海内外优秀学者完成这一基础教材的编写工作。在此背景下,我们联络了一批优秀学者组成本书编委会,对学习科学进行了全面的调研,构建了学习科学课程的内容体系,在北京大学等高校进行了多轮试讲,并广泛参考了哈佛大学等名校的相关优秀教材,历经 5 年时间,终于完成了本教材。本书特点本书在注重内容的科学性和正确性的基础上,努力将思政教育融入其中,还兼顾了基础性、全面性、系统性、学术性和趣味性。希望读者能够通过本书精心设计的内容和组织方式,更科学、更快乐、更有效地了解和掌握学习科学的相关知识。·基础性。本书的定位是为教育学、认知科学、学习科学等相关学科的本科生和研究生,以及一切对学习科学感兴趣的研究者和实践者提供入门性的基础教材,所以本书特别强调基础性。事实上,现在也有不少优秀的学习科学著作,比如脑科学、人工智能等方面,但这本教材侧重讲解学习科学的基础知识,以期为学习者打下坚实的理论和实践基础。当然,强调基础性并不意味着不讲前沿知识,我们努力把前沿知识和基础知识有效地整合起来,构建起这个领域的知识体系。·全面性。作为基础教材,自然要追求全面介绍相关内容。但是,对于学习科学这样一个比较年轻、跨度又比较大的跨科学研究领域来说,“讲什么,不讲什么”是一个非常困难的问题。所以,经过长期的调研和思考,我们将最重要的基础知识和前沿知识进行了梳理和重新整合,以尽量覆盖当前学习科学方方面面的发展,让学习者具有比较广阔的学术视野。·系统性。对于一本内容比较广的基础教材,“先讲什么,后讲什么”也是一个非常困难的问题,因此我们也花费了大量时间和精力来考虑学习科学的课程体系、教学内容的编排顺序和组织方式,尽量使其更具系统性。以第七章学习环境与学习技术为例,该章基本上涵盖了学习环境与学习技术几十年的发展史,从计算机辅助教育一直到如今比较新的虚拟世界中的学习,它不是一个线性发展过程,实际上是一个螺旋式发展的过程。这样就需要仔细梳理,使得这一章能够符合技术发展的内在逻辑和教材编写的规范要求。·学术性。本书是给本科生、研究生等编写的基础教材,旨在让大家了解学习科学的基础知识,不一定要求大家马上开展学习科学研究;但与此同时,本书也非常注重学术性。我们相信,要想培养一流的学生,一定要把教学和研究结合起来,而对于优秀的一线教师来说,能够开展基于学习科学视角的研究,对其职业发展也有着重要意义。所以,本书在写作过程中特别注重这一点,将研究的理念渗透到了每一部分内容中,同时介绍了一些重要的研究,也给出了详细的文献引用。这些都是为了方便读者获得基于学习科学视角的学术研究能力。·趣味性。各种学习理论都告诉我们,学生的学习主动性、内在学习动机非常重要,因而趣味性比较强的教材或许更能激发学生的学习动机。所以本书在编写过程中广泛参考了优秀的教材,通过文字、图片、案例以及精心设计的编写形式,尽可能让教材更具趣味性。本书结构《学习科学导论》分为概论、脑与学习心理、学习技术、课堂教学、学习评价与学习分析等模块,共 11 章。在今年推出的这个简明版中,我们将原书第八章和第九章的内容合并为一章,因此共 10 章。第一章是一个概论章,首先讲述了学习科学的理论渊源和发展脉络,重点讲授了学习的三种隐喻,让我们对一百多年来学习的科学化的研究历程有一个全面的了解,然后讲授了当前学习科学的研究内容与研究方向、研究方法与技术,最后展望了学习科学的未来发展趋势。近年来,快速发展的脑科学研究对学习科学研究也产生了重要影响,所以第二章就主要围绕脑科学与学习的内容展开。本章首先讲述了脑的结构和功能,包括脑的发育和可塑性等;其次是基础认知、高级认知与学习,如感知觉、注意、记忆等;最后讲授了当前比较前沿的脑电图、事件相关电位、功能核磁共振等研究方法、技术和设备。第三章全面介绍了行为主义、认知主义、建构主义、人本主义等学习理论,并简要介绍了现在比较受大众关注的联通主义学习理论、社会情绪学习理论。一般来说,学习科学的研究离不开扎实的学习理论的支持。对于教育学、教育技术学、认知科学等相关学科的研究者来说,掌握扎实的学习理论对深入理解和有效实践学习科学的内容非常重要。第四章在第三章的基础上,对学习动机、知识的表征与组织、问题解决与创造性、元认知与学习策略、学习风格等内容进行了介绍,这些内容是当前学习科学研究的基础和核心内容。第五章全面介绍了自主学习、社会性学习(合作学习、协作学习等)、探究学习、项目式学习、体验学习、设计学习、深度学习等学习方式。本章试图在学习科学中的各种学习理论和教育实践中的各种学习方式之间建立联系和桥梁,将理论和实践结合在一起,因为学习科学研究最终要落实在以学习方式为载体的教育实践中,这样才能真正发挥其应用价值。第六、七章主要探讨技术与学习环境。其中第六章从比较微观的角度谈技术如何促进认知和学习,重点探讨了认知负荷理论、多媒体学习认知理论,并简要介绍了具身认知、嵌入认知、延展认知等前沿知识。第七章则从学习环境和设计的角度,对学习相关技术进行了全景式的扫描,从计算机辅助学习讲起,以学习为主线,依次介绍了人工智能支持的学习、技术支持的协作学习、移动学习、游戏化学习、虚拟世界中的学习,最后介绍了技术赋能的学习空间。希望这两章能让大家对学习技术有全面的认识。第八章主要探讨学习科学与课堂教学。我们首先从学习科学的视角,探讨了教学设计模式,对每个步骤中如何应用学习科学给出了具体的建议,接着则按课前、课中、课后等教学阶段,重点讲解了一批具体的教学设计策略,这些策略可以直接应用到课堂教学设计中。此外,还介绍了一些基于教育神经科学的学科教学策略。第九、十章主要探讨学习评价和学习分析。在第九章中,我们首先全面介绍了学习评价的含义、要素、目的、分类、方法和技术,然后重点探讨了促进学习的课堂评价。第十章是本书的重头戏,我们对学习分析进行了全面系统的介绍。随着个性化和自适应学习等概念逐步被社会各界接受,如何借助学习分析更好地实现个性化自适应学习成为新的研究热点和难点。然而,学习分析的内涵十分复杂,因此我们在对学习分析进行全面梳理的基础上,将其所涉及的内容拆分成三个主要部分进行讲解:首先介绍了学习分析的基础技术 —— 教育数据挖掘,接着介绍了学习分析中常用的社会网络分析、话语分析、内容分析等方法,最后介绍了学习分析的主要研究内容及未来发展方向。除了本书的主体内容外,我们还在附录中给大家推荐了一些相关图书、期刊、学会和会议,供学有余力的同学参考。学习建议如果大家希望取得比较好的学习成效,我们有如下建议。第一,要高度重视“学习科学”课程。从本书第一章的讲述中大家就可以看出,学习科学对于教育发展非常重要,未来大家如果要从事教育教学或研究工作,肯定会用到学习科学的知识。即使大家将来从事其他工作,学习其他课程、其他知识,掌握学习科学也同样重要,例见第四章讲到的元认知能力。其实,学习科学对于每一位学生、工作者乃至老年人都非常重要,因为在瞬息万变的信息时代,终身学习已经成为一种社会趋势。第二,要夯实基础。常言道“九层之台,起于累土”,对于任何事情,基础都很重要。学习科学是一个比较新的研究领域,涉及具身认知、嵌入认知、虚拟现实、数据挖掘等各种新知识、新技术,让人目不暇接。虽然了解这些内容也都很重要,但是大家一定要牢牢地掌握这些概念得以产生的底层逻辑和基础。第三,要注意追踪前沿知识。我们不仅要注重基础,而且要注意追踪前沿知识,让自己具备比较广阔的学术视野。在本书中,很多地方我们都会介绍比较前沿的研究或案例,一般都提供了参考文献或网站,大家在学有余力的情况下可以去展开学习。第四,要注重学习信息技术。学习科学不要求学生一定要掌握某一个具体的信息技术,但要求学生有信息技术的意识和思维。这是因为,学习科学与信息技术有莫大的关系,很多学习科学实践成果的落地都需要具体的技术作为支撑。因此,我们建议大家不管学什么专业,都要尽力去学习一门信息技术,在此过程中培养自己的技术思维。比如学习一下 Python 编程、R 语言等,这样在学习环境和学习技术、学习分析等内容的学习中就更能体会其底层的实现逻辑,也会对目前技术对学习科学研究支持的边界有一个清晰的认识。对一些畏惧学习技术的同学,我们想说的是,虽然编程、人工智能、数据挖掘等听起来很难,但是真正学起来也没有那么难,而且对于这部分同学,学习技术的重点在于养成技术思维,而不在于用技术实现某个具体功能,因此可以大胆尝试。第五,要学会协作学习。协作能力是新时代的重要能力,大家在学习过程中要积极和专家、老师、同学沟通交流。第六,对本书有任何问题或建议,也可以发电子邮件给本书的编委会(jjshang@263.net)。最后,需要说明,本书内容较多,教师在讲课过程中可以根据本校学生情况适当取舍。主编 尚俊杰北京大学教育学院学习科学实验室执行主任中国高等教育学会学习科学研究分会常务副理事长兼秘书长2024 年 5 月 1 日于北大燕园
学习科学的基础性教材全面系统地讲解了学习科学的基础知识以及学术研究技能基础性。本书旨在为教育学、认知科学、学习科学等相关学科的本科生,以及一切对学习科学感兴趣的研究者和实践者提供入门性的基础教材。全面性。本书将最重要的基础知识和前沿知识进行了梳理和重新整合,以尽量覆盖当前学习科学方方面面的发展,让学习者具有比较宽阔的学术视野。系统性。本书编写中注重学习科学的课程体系、教学内容的编排顺序和组织方式,尽量使其更具系统性。学术性。本书将研究的理念渗透到每一部分内容中,同时介绍一些重要的研究,并给出详细的文献引用,以方便读者掌握基于学习科学视角的学术研究能力。趣味性。本书在编写过程中,广泛参考了一些优秀的教材,通过文字、图片、案例以及编写形式,尽可能让教材更具趣味性。
尚俊杰,博士,北京大学教育学院长聘副教授、研究员、博士生导师。曾任北京大学教育学院副院长、教育技术系系主任,现任学习科学实验室执行主任、基础教育研究中心副主任,兼任教育部高等学校教育技术专业教学指导分委员会委员、中国教育技术协会教育游戏专业委员会理事长、中国高等教育学会学习科学分会常务副理事长兼秘书长、中国人工智能学会智能教育技术专委会(原全国计算机辅助教育学会)副理事长、全球华人探究学习学会常务理事等学术职务。主要研究领域为:学习科学与技术设计、游戏化学习(教育游戏)、教育技术领导与政策、信息技术教育等。发表学术论文九十余篇,出版教材、专著多部。曾荣获国家精品在线开放课程、北京大学教学成果一等奖等荣誉。裴蕾丝,博士,香港教育大学课程与教学系助理教授。主要研究方向为:教育神经科学、学习科学与技术设计、数学教育、文字书写等。相关研究成果已在教育学和神经科学领域的多种SCI、SSCI、CSSCI期刊上发表。
学习科学(Learning Sciences)是20世纪90年代发展起来的跨学科研究领域,重在研究“人是如何学习的,如何才能促进有效学习”,目前受到了世界各国各地区的高度重视。本书作为学习科学的入门和基础教材,立足于全面、系统地介绍学习科学的基础知识。在内容编排上,本书首先讲解了学习科学的起源、发展与未来,对学习科学进行了概貌性的介绍,其次对脑科学与学习、学习理论、高级认知与学习心理以及学习方式进行了讲解,再次讲解了技术支持下的认知和学习、学习环境和学习技术,主要探讨了技术在学习科学中的重要作用,然后讲解了基于学习科学的教学设计和教学实践,也就是学习科学在课堂教学中的应用,最后讲解了学习评价与学习分析。本书为尚俊杰主编的《学习科学导论》(北京大学出版社,2023年)一书的简明版。本书不仅适合作为教育学(包括教育技术、课程与教学、教师教育等)、学习科学、认知科学等相关学科的本科生的通用教材,也适合一线教师或对学习科学感兴趣的研究者和实践者阅读使用。