学习科学视阈的深度学习.docx

1、学习科学视阈的深度学习学习科学视阈的深度学习孙智昌课程教材教法2018.1 第38卷第1期 20-26 目前，深度学习已成为教育研究领域的一个热门话题，同时又是一个观点纷呈的话题。人工智能、教育评价学、教育技术学、教学论等学科都参与深度学习的研究，但对究竟什么是深度学习，深度学习的机制怎样，如何开展深度学习等问题均持不同的观点，这让人在深受启发的同时，又陷入重重迷雾之中。 学习科学兴起于20世纪70年代，是对学习的本质和规律形成新的认识的一个跨学科领域，是学习研究的前沿。其形成的标志是1991年在美国西北大学召开的第一次学习科学国际会议和创办的第一份将认知科学应用于教育的杂志学习科学期刊。学习

2、科学在其孕育期间，就将更有效和更深入的学习作为自己的研究目标，已产生的成果也将以更有效和更深入的学习作为衡量标志，其范围涉及学习、课程、教学以及未来学校的建设。这就是说，深度学习与学习科学是紧密相连的。 那么，在学习科学的视阈中，怎样的学习才算是深度学习？它是如何发生的？怎样教学才能激发学生的深度学习？深度学习的研究对当今以核心素养的培育为旨趣的课程教学改革有哪些启示？这些都是需要深入探讨的关键问题。 一、深度学习的深度 所谓深度学习的深度，即是学习科学视阈中的深度学习的内涵是什么。为了厘清这一问题，首先需要明确学习科学视阈的深度学习与其他学科中的深度学习的区别与联系。 （一）学习科学中的深度

3、学习与其他学科中的深度学习 学习科学中的深度学习不是人工智能中的深度学习 学习科学中的深度学习与人工智能中的深度学习在研究过程中相互启发，互相影响，但两者的区别非常明显。第一，前者研究的是人的深度学习，特别是学生的深度学习，后者研究的是机器的深度学习；第二，前者的研究带有根本性，因为会学习是人的显著特点，后者带有附属性，因为它对机器学习的研究是模仿人的学习的；第三，前者的研究是全面的，涉及人的学习发生的全部领域，后者的研究目前还是局部的。因此，尽管人工智能中的深度学习已成为引起全世界关注的突破性技术，但它与学习科学中的深度学习不是一回事。 .学习科学中的深度学习与教育评价学中的深度学习有重要区

4、别 在研究深度学习时，人们往往将它与布卢姆教育目标分类学中的认知领域联系起来，认为处于识记和领会（理解）层次的学习为浅层学习，只有达到应用、分析、综合、评价层次的学习才称得上是深度学习。但这与学习科学对深度学习的理解有重要区别。第一，学习科学对深度学习的定位最核心的特征就是理解，认为“新的学习科学的特色就在于它强调理解性学习”，其反面是只强调对事实性知识和程序性知识的记忆。第二，学习科学对深度学习的理解是与更有效的学习联系在一起的，因而它全面而彻底地研究学习，举凡内隐学习、非正式学习和正式学习都在它关注的范围之内，共同指向有效学习。而教育目标分类学主要关注学校场域的正式学习，且重点在于评价。第

5、三，学习科学中的深度学习更符合学习的本质与规律，它对每种深度学习的解释基本上是合理的，但教育目标分类学自诞生以来就争议不断，认为“它与我们实际如何思维的情况并不相符”。第四，即便在评价领域，学习科学家共同体并不认可布卢姆关于“掌握学习”的形成性评价，而致力于研究能够揭示学生思维发展的具体方面，利用有关的诊断性信息提供具体指导的真正的形成性评价。这些均表明，尽管教育评价学和学习科学都使用深度学习这一概念，但其内涵是相当不同的。 学习科学中的深度学习与教育技术学中的深度学习既有相同的一面，又有不同的地方 在教育技术学领域研究深度学习的学者大体上可分为两类，一类本身就是学习科学家或基本依据学习科学原

6、理进行教育技术研究与设计的学者，另一类是利用教育心理学、信息科学乃至人工智能研究深度学习的学者。这样一来，前者所理解的深度学习就是学习科学中的深度学习，后者更多的是继续在布卢姆的教育目标分类学或在人工智能的范畴内开展研究，因而他们所理解的深度学习与学习科学中的深度学习是不一样的。 学习科学中的深度学习与教学论中的深度学习的区别在于“实证”视角和“理论”视角教学论学者所理解的深度学习更多的是一种“理论”视角。例如，在郭华看来，所谓深度学习，就是在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。关于深度学习的条件，她提出了联想与结构、活动与体验、本质与

7、变式、迁移与应用、价值与评价等。郭元祥在深教学层面探讨深度学习，认为深度教学是引导学生从符号学习走向学科思想和意义系统的理解和掌握，并导向学科素养的教学。要达到深度教学，关键在于重建知识观和学习观。显而易见，这些表达主要是一种理论概括。与此不同，学习科学对深度学习的理解，事实上是对学习本质的新的把握，是对学习规律的全面揭示，因而它是以设计研究为方法论特点的“实证”研究，目的既在于提炼学习原理，也在于从不同视角和层面不断丰富和完善学习原理，因而它被称作一门设计科学、集成科学、社会认知科学、描述性科学和实验科学，总之是一种“实证”视角。 （二）如何理解学习科学中的深度学习的“深度” 学习科学中的深

8、度学习的“深度”，集中在“理解”和“创新”层次上。首先，如上所述，学习科学认为它的特色就在于强调理解性学习，因而“理解”是深度学习中“深度”的第一要义。其次，“创新”也是深度学习中“深度”的应有之义。因为学习科学之所以提出“更深入”的学习，目的不是要培养只知“守成”的“工匠”，而是要培养“有创造力”的“艺术大师”，即能够运用复杂概念创造新概念、新理论、新产品的人。这是知识经济时代对人才规格的新要求，也是深度学习关注的重要方面。再次，这里的“理解”与“创新”实际上是紧密相连的，即“理解”中包含着“创新”，“创新”是更深入的“理解”，因为按照学习科学的观点，任何学习的发生都是一种迁移，而迁移本身就

9、是一种新的概括，一种创新。最后，深度学习对“深度”的强调，并不意味着学习一定是艰苦的，由于它符合学习原理，反而会出现更多轻松而愉悦的情况，因而是更有效的学习。 由此可对深度学习下一定义，即所谓深度学习，就是学习者遵循学习原理，在学校场域中对以重要概念为核心的知识进行理解性和创新性学习的有效学习过程。在这一过程中，学习者不断形成适应和引领现代社会发展的社会性品格和关键能力，成为既有益于自己又有益于社会的人。 二、深度学习的机制 所谓深度学习的机制，是指深度学习是如何发生的，为什么会发生。这直接来源于学习科学对学习原理的揭示。 （一）学习科学归纳的三条基本学习原理 学习科学对学习原理的提炼，在人是

10、如何学习的大脑、心理、经验及学校一书中就初露端倪，如对学生原有经验的重视，对专家知识结构特征的研究，对原认知的强调以及对迁移的深入探讨等。剑桥学习科学手册重申了这些观点。此后，学习科学家共同体在学生是如何学习的课堂中的历史、数学和科学一书中，明确总结出了学习的三条基本原理： .学生是带着关于世界如何运作的前概念来到教室的。如果他们最初的理解没有得到考虑的话，他们就很可能无法掌握新的概念和信息。或许他们能够为了考试而记住这些新知识，但考完以后又回到原来的前概念了。 为了养成探究能力，学生必须：（1）具有深厚的事实性知识基础；（2）在一个概念框架内理解事实和观点；（3）对知识加以组织，以便提取和运

11、用。 “元认知”的教学方法可以帮助学生通过确定学习目标及监控达成目标的过程，来学会控制自己的学习。 综合来看，这三条基本学习原理既刻画了真实的学习过程，又深深地印刻着专家知识的组织特征，所以它符合知识经济社会的学习原理，体现着时代精神。与此同时，如何让学生形成专家型知识结构，成为具有适应性专长的人，既是深度学习的目标，也是深度学习的机制。 （二）深度学习的一些典型机制 依据学习科学所归纳的三条基本学习原理和对深度学习“深度”的把握，本文认为深度学习的机制主要有生长机制、颉颃机制、建模机制、互动机制和表达机制。由于学习是极其复杂的，而且学习科学对学习原理的研究还在发展之中，所以这里所归纳的深度学

12、习的机 制只是一些典型，至于更多更完善的机制可继续深入研究。 生长机制 生长机制是指这类学习是直接从学生的经验生长出来，达到科学知识范畴的活动过程。例如，学生对百分数的定性理解表明他们是有这类知识基础的。如他们认为100%的意思是“一切事物”，99%的意思是“几乎一切事物”，50%的意思是“正好一半”，1%的意思是“几乎没有”。在这些理解的基础上，学生对25%、50% 和75%等知识就自然理解了，并扩展到更复杂的百分数概念，如125%等。由于有了对百分数的深刻理解，便又扩展到1/2、1/4、3/4等分数的理解和0.50、0.25、0.75等小数的理解，并将分数和小数互换等。由此可见，生长机制是

13、深度学习的一个重要机制，它与杜威的教育即生长的理念完全一致。 颉颃机制 颉颃机制是学生的日常经验与科学知识发生严重冲突时的一种深度学习活动过程。由于自然科学的概念与日常经验和直觉往往是相反的，学生学习这类知识时常常被自己已有的前概念所阻抗，难以掌握科学概念，所以要达到深度学习，就需要一种颉颃机制，让学生从认知冲突走出来，转变观念，从而掌握科学概念以及原理。例如，重力概念的学习往往是物理学中的一个难点。因为学生的重力概念经常与摩擦力、阻力和浮力等概念搅和在一起，构成一个错误概念。因此，为了掌握重力的科学概念，就需要将重力概念与其他概念区分开来。为了将重力与浮力相区分，有教师设计了一个实验：向学生

14、展示一个悬挂着一把弹簧秤的座架，弹簧秤上有一个重10磅的物体。然后他让学生大概地猜测一下，如果把一个大玻璃罩放在弹簧秤上方，并用抽气泵把里面的空气都抽出来，成为真空，弹簧秤的读数会发生什么变化。有一半的学生认为读数将下降为零，因为没有了空气；/3的学生认为读数不会有任何变化；剩下的学生认为读数会发生很小的变化。学生在这里不仅做出了预测，而且发现他们之间的预测不一样。这样就激发了他们参与学习的积极性。当实验结果表明读数没有变化时，许多学生的观点直接受到他们所观察到的实验结果的挑战，从而首先将浮力与重力区分开来，初步达到对重力概念的深度学习。 建模机制 建模机制是通过建立模型使深度学习得以发生的一

15、种学习活动过程。建立模型是科学家探究和解释世界的手段。模型多种多样，从实物到图像、符号，应有尽有，如小区住宅实物模型、地图这类形象模型，以及方程这种抽象符号模型。由于模型具有广泛的应用价值，人们越来越重视建模在科学研究和深度学习中的价值。建模机制是从已知到未知的桥梁，在学生的深度学习上，主要用于难以观察的内容上。例如，在学习电流时，学生设计了电流的粒子类比模型，将电流理解为单位时间经过某点的电子数量，同时把电阻理解为一个有门的障碍物，从而更好地理解了电流与电阻的关系。另如，在学习重力概念时，通过建立铁与磁铁的关系模型，运用弹簧秤上的铁与弹簧秤下面的磁铁之间的磁力关系，类推到地球上的物体与地球这

16、一大磁铁之间的重力关系，从而实现从已知到未知以及从具体到抽象之间的转换，真正理解重力这一抽象概念。 互动机制 互动机制是通过交往互动使深度学习得以发生的学习活动过程。互动机制是一个复杂的机制，它包括群体学习中的相互启发、合作探究、评价反馈等。相互启发是学习中的普遍现象，也是深度学习的必然要求，因为 “独学而无友，则孤陋而寡闻”。合作探究是 “大科学”时代科学探究的重要方式。作为为社会培养各级各类人才的学校教育来说，让学生从小掌握合作探究的素养是非常必要的，所以合作探究成为学校学习方式的一种必然选择，因而也是深度学习的一种必然选择和重要机制。评价反馈是所有学习发生的重要条件，特别是其中的形成性评

17、价对任何学习都特别重要，它既是对学习者的一种肯定，又是对其观点进行补充、修正、完善的过程，还是促进学习者自我反思的过程，因而是深度学习得以发生的又一重要机制。互动机制反映了学习的社会建构、自我反思、分布式认知以及认知负荷减轻等重要学习原理。 表达机制 表达机制是指学生将自己学习的知识、技能、观点等外化出来的学习活动过程。表达的形式各种各样，既可以是实物，也可以是图形图画，当然更多的是语言文字。学习科学家认为，当“学生对自己正在发展中的知识进行表达的时候，可以学得更好”。之所以如此，是因为在表达之前，学生必然要对自己的想法和观点进行内部整理，并达到不同程度的条理化。这一过程还是反思性地分析自己知

18、识状态的过程，因而是一个元认知发挥作用的过程。由此可见，表达的过程是真正理解的过程，乃至创新的过程。 上述五个机制是相互联系的，并有一定的交叉性，如互动机制与表达机制的重合度就很高，生长机制、颉颃机制和建模机制中也不可能没有一定的互动机制和表达机制。但五个机制的特点还是分明的，具有相对的独立性。总的来看，对深度学习来说，五个机制共同体现了学习科学所提炼的学习原理，表明它们是对科学知识不断精进的过程，是向着专家型知识不断发展的过程。 三、深度学习的引导 （一）课程方面的引导 树立进化论的知识观，助力学生深度学习的勇气 迄今为止，统治课程的知识观是权威知识观，古代课程中的知识是圣贤知识、宗教知识，

19、现代课程中的知识是科学知识，但其共同特点都是权威型知识。这在当时的历史背景下都有其合理性。但是，这种知识观忽视了知识的进化性这一知识发展的基本特性，与后喻文化时代突出创新的精神背道而驰，非常不利于深度学习，因为当学生在权威知识的压制下屈从或膜拜时，既不利于理解，更不利于创新，从而导致深度学习难以发生。因此，为了引导学生深度学习，首先必须彻底变革知识观，树立进化论的知识观，将知识看成是发展的，是解决问题的工具，不是崇拜的对象。而且，知识的进化性与学生深度学习的过程也是一致的，都是一种精进过程乃至范式转型过程。所以，只有彻底变革权威型知识观，在课程中树立进化论的知识观，才能够使学生具备深度学习的勇

20、气，进而展开深度学习。 精选核心概念和原理，使其成为课程的基本骨架 学习科学对专家知识特征的研究表明，专家的知识是围绕着核心概念和原理组织起来的，是条件化的；专家解决问题是运用核心概念和原理进行研判的过程，而不是局限于问题的表面特征盲目试误的过程。这表明用核心概念和原理来组织课程是极其重要的。但是，现行的课程往往重视知识的量，而不重视知识的质，像美国的课程就长期存在着“一英里宽,一英寸深”的问题。我国的课程知识量过大导致学生负担沉重的问题也长期存在且难以解决,而知识量过大导致学生认知负荷超载，深度学习就难以发生。所以，为了引导学生深度学习，必须精选核心概念和原理，使其成为课程的基本骨架，解决学

21、生负担过重的问题，由此引导学生深度学习。 改变知识呈现方式，使学生的学习更深入更有效 学习科学研究表明，基于项目的学习、建构主义学习和基于设计的学习最有效。在基于项目的学习中，是由小组合作解决由驱动性问题带来的难题。在建构主义学习中，学生是在共同体中通过共享发现来建构自己的知识结构的。在基于设计的学习中，学生共享设计理念，征询意见，建设性地批判他人解决问题的步骤，在他们自己的学习任务中考虑其他学生的意见等。这表明这类学习是将内隐学习、非正式学习和正式学习的优点结合到一起的，使学习具有具身性、社会性、认知负荷轻等优点，因而是最有效的学习。这说明未来课程的知识呈现方式，应该是使核心概念和原理生存于

22、项目中、建构主义的情境中和所要设计的主题中，从而使学生的学习更深入和更有效。 以知识类型的多样化促进所有学生的深度学习 多元智能理论表明，每个人的智能是不一样的。多元的智能需要多样化的知识来满足。因此，只有使课程知识类型多样化，才能使不同的学生找到自己长项，首先在其长处发生深度学习，并将其迁移到相对较弱的方面。知识类型的多样化不仅要求课程知识供给的丰富、全面，还需要知识层次以及呈现方式的多样。由此，所有学生发生深度学习的概率就将大大提升。 （二）教学方面的引导 关注学生的前概念是深度学习发生的前提条件 学习科学的第一条原理表明，学生的前概念是学习发生的前提条件，自然更是深度学习发生的前提条件。

23、所以，要引导学生开展深度学习，首先要关注学生的前概念。学生的前概念是日常经验、常识和科学知识的混合物，有的可促进学习，有的却阻碍学习，还有的只是一些可利用的萌芽，需要深入挖掘。对学生前概念的关注，有的需要在上课伊始通过提问、调查等方式明确地引导出来，如科学、数学等学科中学生对知识的常识性理解等；有的需要教师铭记在心，以便在运用讲授等教学方式时直接对接学生的认知图式。总之，只有关注了学生的前概念，才能为他们的深度学习打下良好的基础。 （前概念，又叫前科学概念，在教学中泛指学生在新课教学前，对所学知识已有的认识和了解。） 事实性知识和概念性知识的平衡是深度 学习发生的必要条件学习科学强调专家知识的

24、概念性和原理性组织特征，但并未忽视事实性知识的重要性。因为事实性知识不足，概念性知识将成为不可理解的单纯言辞。所以，要引导学生深度学习，就必须处理好事实性知识和概念性知识的平衡问题，既要对一个概念框架不断充实事实，使学生对概念的理解更加全面、深刻，也可在丰富事实的基础上提炼概念，使概念自然而然地生长出来。因此，只有使事实性知识和概念性知识保持平衡，才能使学习是理解性的，并可望形成组织良好的知识结构。这是深度学习发生的必要条件。 基于学科本质引导学生深度学习 学科本质是对学科思想方法的高度概括，它来自学科对象和研究方法，是学科的灵魂。学科本质的集中表现是学科观，而学科观直接影响着教什么和怎么教。

25、例如，如果把数学看成一门关于计算的学问，教学中就会只强调学生的计算能力，所培养的学生大多只会套公式做题，对数学知识的深刻理解和运用都很难发生；而如果将数学看成对世界进行数与形的刻画，问题解决、描述和理解结构和模式的工具，教学中就会强调对概念的理解，形成理解性学习。所以，秉持正确的学科观，基于学科本质开展教学是引导学生深度学习的必然要求。 将研究性学习建立在学生的迷思概念上 开展研究性学习，培养学生的创新能力和实践能力是时代的要求。但是，如何开展研究性学习，人们还有很多迷茫之处，其重要表现是将学生直接导向对万千事物的研究之中，或直接教授正规的研究方法，让学生一开始就从事正规的研究，导致研究选题往

26、往大而无当，或将研究性学习变成了一种接受式学习，使研究性学习失去了应有的意义。相反，学习科学对迷思概念的揭示，使研究性学习有了真正的生长点。所谓迷思概念，就是学生前概念中与科学知识相冲突的概念。它是学生的问题生发点，而且是学生自己的问题、真实的问题。在这样的问题驱动下，学生构思假设、设计方案、采集证据、形成结论，以及评价反思都将成为扎实有效的过程，从而为深度学习找到一条切实可行的路径。 引导学生通过建模来学习 如上所述，建立模型是科学研究普遍使用的策略，具有广泛的应用价值。事实上，模型的建立往往就是抽象和构建概念框架的过程，而概念框架的建立是符合专家型知识结构的特征的，因而是容易达到深度学习的

27、策略与方法。因此，为了促进学生深度学习，教师应利用一切契机引导学生通过建模来学习。 积极引导学生互动交流与表达 学习科学的研究表明，互动交流与表达是学习最容易发生的环节。在这一环节中，学生的学习得到了补充、修正和条理化，事实上即是对学习内容进行了精细加工和组织，因而是最有效的。因此，在运用学习科学原理进行教学的课堂上，学生的讨论、辩论和表达环节几乎占了一半以上的时间，此时，教师的作用是“引导”或“旁观”。所谓“引导”，即将学生不断引向核心概念的深入理解；所谓 “旁观”，即凡是学生能够自行解决的问题则不再插手，并给学生提供广阔的表现和交往平台。因此，为了使学生的深度学习能够更多、更有效地发生，教

28、师应该积极引导学生开展互动交流和表达。 四、深度学习的启示 深度学习悄然成为教育研究中的一个热点问题，是知识经济时代对人才规格的新的要求 使然，预示着教育彻底变革的时代也许已经来临，而首当其冲的是学习、课程和教学的深度变革。深度学习将带给我们诸多深刻的启示。 知识经济时代的来临是需要深度学习的根本原因，它与核心素养的培育高度一致。知识经济时代是知成为经济发展第一资源和动力的时代。知识经济时代所需要的人才是能够进行创新和解决复杂问题的人。而现今的学校教育严重滞后于时代的发展。因此，学习科学研究和推广深度学习，试图进行彻底的教育变革，正是对这 时代要求的呼应。20世纪末在一些国际组和国家兴起的核心

29、素养研究与实施，是以“专家思维”和“复杂交往”为标志的。所谓 “专家思维”，是指在特定情境中，当所有标准化的解决问题的方法均告失败时发明新方法以解决特定问题的力。所谓“复杂交往”，是指在复杂的、不可预测的社会情境中，通过提供各种解释和示例以帮助他人掌握复杂概念、促进复杂对话延续和发展的能力。也就是我们所说的“必备品格”和“关键能力”。显而易见，深度学习正是为了培养核心素养的。这启示我们应该将核心素养的培育深深地扎根于深度学习上。 深度学习预示着课程设计的根本性变革，这启示我们应该以战略眼光重新思考未来的课程。我们现有的课程是适应工业社会、以印刷文明为载体的，而历史已经进入知识社会、信息文明时代

30、。因此，如何使未来的课程能够培养具有“专家思维”和进行 “复杂交往”的人，都需要重新深入思考。在这方面，现有的学习科学研究还相当欠缺，因为它只少量地解决了如何在更符合学习原理的角度选择知识的问题，而没有在课程的高度说明教什么的问题。因此，以战略眼光重新思考未来的课程设计，是一个世界性的课题。 深度学习预示着课堂教学将发生革命性的变革，这启示我们应重新设计更有效和更深入的学习环境。学习科学已经证明由信息技术支持的，采用真实的、情境化的、基于问题解决的教学活动是能够更深入更有效地学习的。在这样的课堂中，教师只是给学生提建议，搭建支持理解的脚手架，以及监控学生学习的进度，学生积极参与到项目中，管理和引导自己的活动，与其他学生协作，偶尔会向教师求助等。这是真正落实了学生主体地位和促进学生主体性发展的课堂，是培育学生的必备品格和关键能力的课堂。由这些端倪可见，未来的学习环境将大大不同于今天的教授主义课堂，因此我们应该继续展开想象，并以科学严谨的态度设计出新的更深入更有效地学习的丰富多彩的学习环境，促进课堂教学彻底变革，以培养适应和引领未来发展的人。