第一章學習：從猜測到科學
事物的本質、宇宙的起源和人類心理的特性，這些都是幾個世紀來思想家們致力於探求的深奧問題。直到現在，理解心理（即理解基於心理的思維和學習）仍舊是一個令人難以捉摸的謎，這部分地是由於缺乏強有力的研究工具。當今世界已出現了異常豐富的科研成果，這些成果集中於對心理和大腦的研究、對思維過程和學習過程的研究、對發生於思維和學習中的神經中樞活動過程的研究，以及對能力發展的研究。
最近三四十年發生的心理研究的革命對教育產生了重要的意義。正如我們所描述的，一種新的學習理論逐漸受到人們的關注，它所提供的課程設計方法、教學方法和評價方法與我們在今天的學校裡所見的相去甚遠。同樣重要的是，跨學科探究的發展和新的科研合作形式的出現，使人們更清楚地看到了把基礎研究應用於教育實踐的希望，儘管目前還很難實現。三十年前，教育工作者們很少關注認知科學家的工作，在認知科學研究的初期，研究者們的工作是遠離課堂的。今天，認知研究者們更多的是與教師合作，在真實的課堂情景中檢驗和改進他們的理論，因為只有在教室裡，他們才能看到不同的課堂情境和不同的課堂互動是如何影響他們的理論在課堂中的應用的。
目前，最引人注目的可能是各種各樣已經開發出來的研究方法和研究技巧，以及來自不同科學分支領域的研究證據日趨融合的方法。現在我們可以談論的有關學習的話題遠比以前豐富，有望在下一階段有較大的發展。例如：
來自認知心理學的研究加深了人們對能力表現的本質和知識組織原則的理解，它們是構成人們解決包括數學、科學、文學、社會研究和歷史在內的各種學科領域問題的能力的基礎。
發展心理學的研究者們則向人們展示了，兒童能夠理解大量的生物學基本原理和自然界因果關係，能夠理解數字、故事和個人的意圖，兒童的這些能力使我們可以開發一種創新課程，為發展兒童早期的高級推理能力引入重要的概念。
有關學習和遷移的研究揭示了構建學習經驗的重要原理，這使人們能夠在新的情境中運用以往的經驗。
在社會心理學、認知心理學和人類學方面的研究成果清楚地表明，所有的學習離不開特定的文化模式、社會規範和期望，這些情境以強有力的方式影響著學習和遷移。
神經科學的發展日益為從實驗室研究中獲得的學習原理提供證據，它正逐步揭示學習是如何改變大腦的生理結構和大腦的機能性組織的。
在認知和發展心理學家和教育工作者中，對學習環境的設計和評價的合作研究已提出對發生在不同情境中的教與學的本質的新見解。而且，研究者們正設法從那些能夠分享專業知識的成功教師的「實踐箴言」中學習。
新興技術正帶領人們去開發許多引導和增強學習的新機會，這在幾年前是不曾想像的。
學習研究領域的所有這些進展已將科學與實踐的關係帶人一個新時代。簡而言之，在基礎研究上的投資正在實際應用中得到回報。考慮到人們期待的國家教育體制將發生的變化，理解人類是如何學習的這些進展具有重要意義。
在20世紀初期，教育的重點放在文化技能的獲得上：簡單的讀、寫、算能力。教育體系的普遍準則並不是要去培訓人們進行批判性地思考和閱讀，清晰地、有說服力地表達自己的觀點，以及解決科學和數學中的複雜問題。在20世紀末，為了成功地適應現代生活的複雜性，幾乎人人都需要掌握這些高級素養。由於組織機構和勞動者需要不斷應對工作環境帶來的競爭壓力，因此對工作的技能要求也大大提高。隨著人們關注的焦點已從地方轉向國家、全球，理智地參與民主化進程也變得日益複雜。
綜上所述，信息和知識快速增長的速度超過了人類歷史上的任何一個時期，正如諾貝爾獎獲得者赫伯特‧西蒙（Herbert Simon）曾明智地指出，「識知」（knowing）的意義已從能夠記憶和複述信息轉向能夠發現和使用信息（Simon，1996）。人類的知識急劇增長使教育無法面面俱到，而且，人們更多地認為教育的目的是幫助學生發展習得知識所必需的認知（智力）工具和學習策略，使他們能夠富有成效地思考有關歷史、科學技術、社會現象、數學和藝術方面的內容。對學科知識的基本理解包括如何制定和提出有關各學科領域的有意義問題，這有助於個體形成對學習原理更本質的理解，並幫助他們成為自我維持的終身學習者。
焦點：人、學校和學習的潛能
有關認知、學習、發展、文化和大腦的科學文獻浩如煙海。學習科學開發項目委員會在成立之初就做出了三個組織性決定，為我們的研究提供了框架，這將反映在本書的內容中。
我們主要關注於人類學習的研究（雖然對動物學習的研究為我們提供了重要的、間接的信息），包括來自神經科學的新進展。
第二，我們特別重視對設計正規教學環境（從幼兒園、小學到中學和大學）有啟發意義的學習研究。
第三，與第二點相關，我們還將強調有助於所有個體充分發揮個人潛能的可能性研究。
關於促進學習的方法和有關誰是最善於學習的人的一些新觀念，會有力地影響人們生活的質量。在歷史的不同時期，學者們曾擔憂正規的教育環境一直側重於選拔人才，而非培養人才（參見，Bloom. 1964）。如果關於有效教學實踐的新觀念早就付諸實施的話，許多學習有困難的人可能會獲得成功。此外，如果使用了新的教學實踐，即使那些在傳統教育環境下學得好的學生也將發展他們的技能、知識和態度，這肯定會極大地提升他們的學業水平。
學習研究表明，有一些新方法可以向學生介紹數學、科學、歷史和語文等傳統學科，這些新方法能夠使大多數學生形成對重要學科知識的深入理解。本委員會對與之相關的理論和數據特別感興趣。人們期望新方法能夠使大多數學生形成對重要學科知識從中等到深人的理解。
學習科學的發展
本報告是以19世紀後期的研究為基礎的，當時人們通過科學的方法系統地研究了人類心理。在那以前，心理一直是哲學和神學的研究領地。一些最具影響的早期研究出自萊比錫威廉‧馮特（Wilhelm Wundt）實驗室。威廉‧馮特和同事們試圖通過內省法要求知覺主體反思他們的思維過程，試圖對人類的意識進行精確的分析。
世紀之交之時，一個新的學派——行為主義誕生了。作為對內省法中內在主觀性的回應，行為主義者主張對心理的科學研究必須限制在可觀察的行為和能加以控制的刺激條件上。1913年約翰‧B‧華生（John B. Watson）發表了一篇頗具影響的論文，扼要地提出了行為主義觀點：
……除了行為主義學派，所有的心理學學派都主張「意識」是心理學的研究對象。相反，行為主義認為人類心理學的研究對象是人類的行為或活動，「意識」既不可定義，也非實用，它只是遠古時期「心靈」說的替代詞。舊心理學因而被一種微妙的宗教哲學所控制。（P.1）
在批判經驗主義傳統的基礎上，行為主義者把學習的概念定義為在刺激和反應間建立聯結的過程。學習的動力被認為主要由內驅力（如飢餓）和外部力量（如獎勵和懲罰）來驅使（例如，Thorndike，1913；Skinner，1950）。
在一個由愛德華‧ L ‧桑代克（1913）主持的經典行為主義研究中，「迷箱」中的飢餓小貓必須學會拉動懸掛於其中的一根繩子，才能打開箱門，逃出箱子，獲取食物。小貓在逃出箱子的行為中學到了什麼？桑代克的結論是，小貓不是先思考如何逃出箱子，然後再付諸實施，相反，其活動涉及到一連串的嘗試—犯錯（試誤）行為；參見背景資料1. 1。有時，迷箱中的小貓在玩耍的時候不小心拉動繩子，就把門打開了，小貓也就得以逃出。但這一事件顯然並沒有使小貓增長見識，因為當它被再次關進迷箱裡時，小貓不會立即拉動繩子逃出箱子，相反，經過無數次的嘗試，通過試誤小貓終於學會了逃出箱子。桑代克認為獎勵（例如食物）增強了刺激和反應間的聯結。因此，對看上去很複雜的問題解決現象（從棘手的迷箱裡逃出）的解釋無需依賴諸如思維那樣不可觀察的心理活動。
早期行為主義的局限在於它強調可觀察的刺激條件和與這些條件相關的行為。這種傾向使它很難去研究諸如理解、推理和思考這些對教育來說極其重要的現象。隨著時間的推移.激進行為主義（常被稱為帶有大寫B的行為主義）讓位於折中的行為主義（帶有小寫b的行為主義），折中的行為主義保留了將行為用作數據的科學精確性，也允許對內部的「心理」狀況做出假設，因為這些假設可以成為解釋各種學習現象的必要要素（例如，Hull，1943；Spence，1942）。
背景資料1.1小貓的學習
當小貓被關進箱子裡時，它會有不舒服的表現和想逃出禁閉的衝動。小貓試圖從任何空隙中鑽出來；它抓、咬電線；它從空隙中伸出爪子，並且抓取它夠得著的每一樣東西……小貓不太留意外面的食物，但似乎它這樣做，只是出於本能，為了逃出禁閉……小貓在衝動掙扎的過程中可能會抓到開門的繩子或者環扣或者按鈕。後來逐漸地，所有不成功的衝動被剔除，而促使成功行為的那種衝動被愉悅的結果所保留，直到這時，經過無數次的嘗試之後，當小貓再次被關進箱子時，它會立即以明確的方式抓住按鈕或環扣。
在20世紀50年代末，人們越來越清楚地認識到人類及其生存環境的複雜性，從而導致了一個新的領域——認知科學的誕生。從它誕生的那一天開始，認知科學就從多學科的視角來研究學習，涉及到人類學、語言學、哲學、發展心理學、計算機科學、神經系統科學和心理學學科（Norman，1980，1993；Newell and Simon，1972）。新的實驗工具、方法論和假設理論的方法（postulating theories）使科學家能夠開始對心理功能進行認真的研究：檢驗他們的理論，而不只是對思維和學習進行猜測（參見，例如，Anderson，1982，1987；deGroot， 1965，1969；Newell and Simon，1972；Ericsson and Charness，1994）。近年來，人們形成了學習的社會情境觀和文化情境觀（如，Cole，1996；Lave，1988；Lave and Wenger，1991； Rogoff，1990；Rogoff et al. ，1993）。採用嚴格的質性研究方法為人們提供了有關學習主題的各種觀點，補充和豐富了實驗研究傳統（Erickson，1986；Hammersly and Atkinson，1983；Heath，1982；Lincoln and Guba，1985；Marshall and Rossman，1955；Miles and Huberman，1984；Spradley，1979）。
理解性學習
新學習科學的一大特色就在於它強調理解性學習。在直覺上，理解是完美的，但是我們一直很難從科學的角度來研究它。同時，學生常常很少有機會去理解或搞懂主題，因為許多課程總是強調記憶，而不是理解。教科書充滿了要求學生記住的事實，大多數的測驗也只是評估學生記憶事實的能力而已。例如，當學生在學習動脈和靜脈時，他們可能被要求記住動脈比靜脈粗、更有彈性，運送來自心臟的血；靜脈則把血送回心臟。測試這些信息的題目類似於如下的題目：
1. 動脈
a. 比靜脈更有彈性
b. 運送從心臟泵送出去的血
c. 比靜脈的彈性差
d. a和b
e. b和c
新學習科學並不否認事實對於思維和問題解決的重要性。對於在某些領域（例如，國際象棋、歷史、科學和數學）的專業知識的研究表明專家思考和解決問題的能力主要依賴於有關學科領域的大量知識（例如，Chase and Simon，1973；Chi et al. ，1981；deGroot，1965）。但是，這些研究也清晰地表明「有用的知識」不同於一連串無聯繫的事實。專家的知識是圍繞重要概念而聯繫和組織起來的（例如，牛頓的第二運動定律）；它「有條件地」指明了知識可使用的情境；它支持理解和遷移（到其他情境），而不僅僅是記憶能力。
例如，熟悉動脈和靜脈的人不僅知道上面所提及的事實，他們還理解動脈和靜脈其各自的特性。他們知道從心臟流出的血是噴射而出的，動脈的良好彈性有助於適應壓力的變化。他們知道來自心臟的血需要向上流動（到大腦），也需要向下流動，動脈的良好彈性使它能夠擔當一個單向通道角色，每一次血噴射完後就關閉，防止血的回流。由於他們理解動脈、靜脈的結構與功能之間的關係，所以對此非常瞭解的人更可能使用他們已學習的內容來解決新問題——這表明發生了知識的遷移。例如，假如讓你來設計一個人造動脈，它必須要有彈性嗎？為什麼？對動脈特徵成因的理解表明有彈性不是必需的——或許問題解決方法是這樣的：可以通過建立一個足夠堅固的管道來承受從心臟噴射出來的血壓，它也可以作為一個單向的通道。理解了動脈和靜脈並不能保證人們能夠對這個設計問題做出解答，但它卻有利於人們思考問題的各種解決方案，僅憑記憶事實卻很難做到這一點（Bransford and Stein，1993）。
已有的知識
對理解的強調，使之成為新學習科學的主要特徵之一：新學習科學關注認知的過程（如，Piaget，1978；Vygotsky，1978）。人類被看作是由目標指引、積極搜尋信息的行動者，他們帶著豐富的先前知識、技能、信仰和概念進入正規教育，而這些已有的知識極大地影響著人們對周圍環境的關注以及組織環境和解釋環境的方式。反過來，這也影響著他們記憶、推理、解決問題、獲取新知識的能力。
即使嬰兒也是積極的學習者，他們把自己的觀點帶入學習情境（learning setting）。他們走進的世界不是一個「亂哄哄的地方」（James，1890），不是一個任何刺激都同等重要的場所。相反，嬰兒的大腦優先接受特定的信息：語言、數字的基本概念、物理特徵，以及靜態和動態物體的運動。從最一般的意義上說，現代學習觀就是人們用他們已知道和相信的知識去建構新知識和對新知識的理解（例如，Cobb，1994；Piaget，1952，1973a，b，1977，1978；Vygotsky，1962，1978）。有一個經典的兒童故事說明了這一點，參見背景資料1.2。
背景資料1.2 魚就是魚
魚就是魚（Lionni，1970）講的是，有一條魚，它很想瞭解陸地上發生的事，卻因為只能在水中呼吸而無法實現。它與一個小蝌蚪交上了朋友。小蝌蚪長成青蛙之後，便跳上陸地。幾周後青蛙回到池塘，向魚匯報它所看到的。青蛙描述了陸地上的各種東西：鳥、牛和人。這個故事呈現了魚根據青蛙對每一樣東西的描述所創作的圖畫：每一樣東西都帶有魚的形狀，只是根據青蛙的描述稍作調整——人被想像為用魚尾巴走路的魚、鳥是長著翅膀的魚、奶牛是長著乳房的魚。這個故事說明了在人們基於自己已有的知識建構新知識中，創造性的機遇和危險並存。
新知識的建構必須來源於已有知識，對這一教學觀的合理引申就是教師需要關注學習者在學習給定主題時隨之帶來的不完整理解、錯誤觀念和對概念的天真解釋。教師還需要依據這些概念來幫助每個學生達到更成熟的理解。如果忽視學生的初始概念、觀點，他們獲得的理解可能與教師預期的想法大相逕庭。考慮一下教師所面臨的挑戰：孩子們認為地球是平面的，而教師要試圖幫助他們理解地球是球體的。當老師告訴孩子地球是圓的的時候，他們會把地球描繪成一個煎餅，而不是一個球體（Vosniadou and Brewer，1989）。如果再告訴他們地球是圓的，像一個球體，他們會從自己的平面地球的觀念出發來理解有關球體地球的新信息，把地球描繪成一個裡面或頂部像煎餅一樣的平面球體，人們站在煎餅的上面。孩子們對地球所建構的新理解是與他們的地球模型相一致的，這個地球模型幫助他們解釋人是怎樣站在其表面上或在上面行走，球體形的地球與孩子們心理上的地球模型是不一致的。正像「魚就是魚」的故事一樣，孩子們聽到的每一件事都與他們的先前觀念融合在一起。
「魚就是魚」不僅與兒童有關，而且與所有年齡的學習者都相關。比如，大學生經常依據他們的經驗來建立有關物理學現象、生物學現象的觀念，而不是依據這些現象的科學論述。我們必須讓他們意識到他們的前概念，他們才能改變自己的觀念（如，Confrey，1990；Mestre，1994；Minstrell, 1989；Redish, 1996）。
有關識知「建構主義」理論的一個通常的誤解（利用已有知識來建構新知識）是，教師不應該直接告訴學生任何事情，相反，應該讓學生自己建構知識。這一觀點混淆了教育（教學）理論與識知理論。建構主義者認為不管如何教一個人，所有的知識是基於已有的知識而建構起來的（如，Cobb，1994）——即使聆聽一個包含積極嘗試建構新知識的演講。「魚就是魚」故事（Lionni，1970）和教孩子地球是圓的的嘗試（Vosniadou and Brewer，1989）都表明了，為什麼簡單的講授常常不起作用。但是，在人們首先按照他們自己的想法理解問題之後，有時「講授式教學」還是很有效的（例如，Schwartz and Bransford，出版中）。然而，教師仍然需要關注學生的理解，並在必要時給予指導。
有許多證據表明，如果教師關注學習者帶到學習任務中的已有知識和觀念，將這些知識當作新教學的起點，並在教學過程中監控學生概念的轉化，那麼就可以促進學生學習。例如，在一個市郊學校裡，接受探究式物理教學的六年級學生，比起在同一個學校體系中接受常規方法教學的11年級和12年級的學生，在回答物理的概念性問題時完成得更好。另一項研究是以7至9年級的城市學生與11年級和12年級的市郊學生相比，研究表明接受探究式教學的低年級學生更好地掌握了基本物理原理（White and Frederickson，1997，1998）。為小學生開設的新課程也取得了令人鼓舞的效果：比如，一種教幾何的新方法有助於2年級學生學會表徵和呈現三維圖形，其表徵和可視化的方法遠在作為對照組的一流大學學生的技能之上（Lehrer and Chazan，1998）。同樣，低年級學生已學會了展示早期幾何普遍性（Lehrer and Chazan，1998）和科學普遍性（Schauble et al. ，1995；Warren and Rosebery，1996）的高效方式。
主動學習
學習科學的新進展也強調幫助人們對學習進行自我調控的重要性。既然理解受到重視，那麼人們就必須學會把握理解和獲取更多信息的時機。人們會用什麼策略來評價他們是否理解他人的意圖？人們需要什麼類型的證據，才能確信別人的觀點？人們怎樣針對現象建立自己的理論並對理論進行有效的檢驗？
在「元認知」的主題下，人們已經對支持主動學習的許多重要活動展開了研究，關於元認知的話題在第二、第三章有詳細介紹。元認知是指人們預測他們在各種任務中表現的能力（如，他們能夠記住各種刺激的程度）以及對目前的理解和掌握程度進行監控的能力（如，Brown，1975；Flavell，1973）。適合於學習的元認知方法的教學實踐包括那些關注理解、自我評價和對已教授的、需要改進的內容進行反饋。這些實踐表明學生將所學知識遷移到新情境、新事件的程度得到增強（如，Palincsar and Brown，1984；Scardamalia et al. ，1984；Schoenfeld，1983，1985，1991）。
假設有三位教師，他們的教學影響著學生是否學會調控他們自己的學習（Scardamalia and Bereiter，1991）。第一位教師的目標是讓學生完成作業；通過他的監督、檢查學生所完成作業的數量和質量來達到這個目標。他的重點在於活動，從過時的作業到最流行的太空時代項目等任何一種活動。第二位教師對學生開展活動時所學到的內容負責。第三位教師也不例外，但是他增加了學習目標——不斷地把更多的學習過程交給學生。當你走進教室時，不能立即分辨出這三種類型的教師。或許你會看到學生們以小組為單位，製作視頻或多媒體演示。你可能發現老師從一個小組走到另一個小組，檢查學生作業的進展情況，解答學生的問題。然而，經過幾天的教學，第一位教師和第二位教師的差別開始顯現。第一位教師將重點完全放在完成作業的過程和所完成的作業（作品）上——學生是否參與了、每個學生是否得到平等的待遇和他們是否出色地完成了作業。第二位教師也參與了整個過程，但他還關心學生從經歷中所學到的知識，並採取措施確保學生消化所學的內容，而不僅僅是關注學生的表現。但是，為了區分第二位教師和第三位教師，你可能需要回到媒體製作項目的過程。它首先引發了什麼？它是否從一開始就被認為是一個學習活動？或者是否從學生致力於建構自己的知識開始才算是學習活動？在第三位教師的教室裡有一個引人注意的例子，學生們一直在研究蟑螂，通過閱讀、觀察，他們對蟑螂是如此的瞭解，以至於他們想與學校的其他班級分享所學到的知識；於是他們就製作出一盤錄像帶供其他班級學習（Lamon et al. ，1997）。
因此，在看上去是相同的學習活動中所蘊藏著的差異是相當深遠的。在第一位教師的教室裡，學生在學習有關媒體製作方面的內容，但媒體製作很可能從學習其他方面的途徑中學到。在第二位教師的教室裡，教師的教學在於確保達到活動的初始教育目的，它不把教學僅僅淪為一個媒體製作練習。在第三位教師的教室裡，媒體製作與學習相伴，而且是學習的直接結果，學習體現在媒體製作中。第三位教師的大部分教學工作在媒體製作的觀念產生以前就已經完成了，他所要做的只是幫助學生在做項目時始終看到他們的學習目的。
這三位假設的教師是抽像的模型，當然僅僅部分地與真實的教師相符合，有時更像真實的教師。然而，我們從中粗略地看到了重要的事實——學習目標與教學實踐之間的聯繫會影響學生達到學習目標的能力。
教育的含義
綜上所述，新學習科學正開始提供知識來顯著地提高人們成為主動學習者的學習能力，這樣，人們就可以探尋對複雜學科知識的理解和為把所學的知識遷移到新問題、新情境做好充分的準備。要做到這一點是一個巨大的挑戰（例如，Elmore et al. ，1996），但並非空中樓閣。新興的學習科學強調反思，即反思教什麼、如何教、如何評價學習，這些理念在整個報告中會逐步展開。
一個不斷發展的科學
本書綜合了學習的科學基礎。科學成果包括對如下要點的更全面理解：（1）記憶和知識的結構；（2）問題解決和推理；（3）學習的早期基礎；（4）對學習的調控過程，包括元認知；（5）如何從學習者的文化和所在群體中產生符號思維。
反映學習能力的這些關鍵特徵並非是對人類認知和學習的深挖細究。人們所瞭解的對學習的某些方面起指導作用的原理並不能完全涵蓋支配所有學習領域的全部原理。雖然科學基礎本身不是膚淺的，但是它表示了人們只在某個層面上完整地理解了該學科。正如本書所反映的，我們僅僅對學習的某些方面進行了深入的研究，諸如交互技術這樣新興領域（Greenfield and Cocking, 1996）是對以前研究的挑戰性概括。
隨著科學家持續地研究學習，出現了一些新的研究步驟和研究方法，這可能會動搖目前的學習理論觀點，例如計算建模研究。科學研究涉及到學習、記憶、語言和認知方面的廣義的認知和神經科學問題。例如，並行分佈式處理研究（McClelland et al. ，1995；Plaut et al. ，1996；Munakata et al. ，1997；McClelland and Chappell，1998）把學習看作是通過參與的神經元間的適應連接而發生的。這項研究被設計用來開發明確的計算模型，以修改和擴展基本原理，並且通過行為實驗、計算機模擬、功能性的大腦成像和數學分析將這個模型應用於大量的研究問題。因此，這些研究有利於改進理論和實踐。新模型還包括了成人階段的學習，為科學的知識基礎增添了一個重要的維度。
主要發現
本書提供了有關學習與學習者和教師與教學的主要研究概述。下面強調了三個發現，原因在於它們是支持上述方面的堅實的研究基礎，而且也對我們如何教學具有重要的意義。
學生帶著有關世界如何運作的前概念來到課堂。如果他們的初期理解沒被捲入其中，那麼他們也許不能掌握所教的新概念和信息，否則他們會為了考試的目的而學習它們，但仍會回到課堂之外的前概念。
有關早期學習的研究表明理解世界的過程開始於嬰幼期。兒童在學前開始發展他們對周圍現象的複雜理解（不管正確與否）（Wellman，1990）。這些初期的理解對新概念和信息的整合具有強大的影響。有時候，這些理解是正確的，提供了建構新知識的基礎。但有時它們是不正確的（Carey and Gelman，1991）。在科學上，學生常常具有對不能容易觀察的物理特徵的錯誤概念。在人文科學上，他們的前概念常常包括刻板印象或簡單化，如歷史被理解為好人與壞人之間的爭鬥（Gardner，1991）。有效教學的主要特徵就是從學生那兒抽取出所教學科知識的前擁理解和提供建構——或挑戰——初期理解的機會。敏斯屈兒（James Minstrell）是一個中學物理教師，他描述了如下的教學過程（Minstrell，1989：130 -131）：
學生有關力學的初期觀念像一根根紗線一樣，有些毫不相關，有些鬆散地混雜。教學行為被看作是幫助學生拆開單獨的觀念之線，標記它們，然後把它們編織到一個更完整理解的結構中。教師可以通過幫助學生區分他們的現有觀念和把它們整合到更像科學家所具有的理性信念中，這種教學方式更好，它不是拒絕觀念的相關性。
兒童帶入課堂的理解在早期就已經很強大。例如，人們發現一些兒童通過把圓形地球想像為煎餅形狀來堅持地球是平坦的前概念（Vosniadou and Brewer，1989）。對這個新理解的建構是由一個幫助兒童解釋人們如何在地面上站立或行走的地球模型來引導的。許多年幼的兒童很難放棄八分之一大於四分之一的觀念，因為八比四大（Gelman and Gallistel，1978）。如果兒童是白板，告訴它們地球是圓形的或四分之一大於八分之一應該是足夠的。但是由於他們已經具有有關地球和數字的概念，那麼必須直接考慮這些概念以便轉變或擴展它們。
抽取前擁理解並與前擁理解打交道對任何年齡的學習者都是重要的。許多研究實驗表明年長學生中對前擁理解的固執甚至延續至教了與幼稚理解相矛盾的新模型之後。例如，在一個對來自傑出的、科技型學院的學物理的學生的研究中，安德烈亞‧迪塞薩（Andrea DiSessa）（1982）教他們玩一個計算機遊戲，這個遊戲需要他們指揮一個被叫做動態海龜的計算機模擬物體，以便海龜能夠擊中目標，並且需要他們在碰撞中用最小的速度來完成這個遊戲。遊戲開始前，實驗者向參與者介紹這個遊戲，讓他們動手嘗試，用小木棍擊打幾次桌上的網球。同樣的遊戲也讓小學生來玩。迪塞薩發現兩組學生都慘淡失敗了。要想獲得遊戲的勝利，應該表現出對牛頓運動定律的理解。儘管他們都經過培訓，大學學物理的學生像小學生一樣，直接瞄準目標上運動的動態海龜，而沒有考慮動力。對參與這項研究的一個大學生的進一步調查發現，她知道相關的物理特徵和公式，但是在遊戲的情境中，她卻重回物理世界是如何運作的未經培訓的概念上。
各種年齡的學生都堅持季節是由地球與太陽的距離而不是地球的傾斜引起的觀念（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，1987），或者他們認為一個已拋到空中的物體具有重力和施加於物體之上的手的拋擲力，儘管他們已參與培訓去接受與此相反的觀念（Clement,，1982）。為了使科學理解替換幼稚理解，學生必須把幼稚理解呈現出來，並有機會瞭解它們的缺陷。
為了發展在探究領域的能力，學生必須（a）具有事實性知識的深入基礎，（b）在概念框架的情境中理解事實和觀念，和（c）用促進提取和應用的方式組織知識。
這個原理來自比較專家和新手的表現的研究和對學習和遷移的研究。不管是哪個領域，專家總是利用極其豐富的結構化信息基礎；他們不僅僅是「優秀的思考者」或者「聰明人」。有些能力，如規劃任務、注意模式、生成有道理的論點和解釋以及與其他問題類比，都與事實性知識更緊密地聯繫起來，超過以前所認為的那樣。
但是擁有大量不相關的事實性知識是不夠的，為了發展在探究領域的能力，學生必須要有理解性學習的機會。對學科知識的深人理解可以把事實性信息轉換成有用的知識。專家與新手之間一個明顯的差異就是專家掌握了形成他們對新信息理解的概念：這允許他們看清對新手而言不是顯而易見的模式、關係或差異。他們不必擁有超越其他人的更好的全面記憶力。但是他們的概念性理解使他們可以從對新手而言不明顯的信息中抽取出一層意義，這有助於他們挑選和記住相關的信息。專家也能夠順暢地獲得相關的知識，這是因為他們對學科知識的理解允許他們快速地辨識什麼是相關的。因此，他們的注意力不會因複雜事件而超負荷。
在中小學教育的大多數研究領域中，學生從新手開始；他們具有有關所學學科的非正規觀念，並且他們所獲得的大量信息會發生改變。教育事業可以被看作在更正規的理解（或更多的專業知識）的引導下促進學生理解。這就需要深化信息基礎和發展學科知識的概念框架。
地理可以被用來表明專業知識圍繞支持理解的原理而組織的方式。學生可以通過記憶州、城市、國家等來學會在地圖中填空，並高度精確地完成這一任務。但是如果邊界被移除，問題就變得困難得多，沒有了支持學生已有信息的概念。理解了邊界形成的原因的專家會容易地勝過新手，這些原因包括自然現象（像大山或水體）、分離的人和大城市常常在允許交易的地方產生（沿河流、大的湖泊和沿海港口）。越是從概念上理解了城市的需求和吸引人們去那裡的資源基礎，地圖就會變得越有意義。如果他們所教的地理信息被置於適當的概念框架中，學生就會變得更有經驗。
學習和遷移文獻中的主要發現是把信息組織成可以更多「遷移」的概念框架；也就是它讓學生把所學的知識應用於新情境和更快速地學習相關的信息（參見背景資料1. 3）。以概念框架方式學會了美國地理信息的學生可以用有助於引導對新信息獲取的問題、觀念和期望來解決學習全球其他部分的地理的任務。理解密西西比河在地理上的重要性為學生理解尼羅河在地理上的重要性打下了基礎。當強化了概念，學生可以把學習遷移至課堂外，例如觀察和探究一個已參觀的城市的地理特徵，從而有助於解釋它的位置和大小（Holyoak，1984；Novick and Holyoak，1991）。
背景資料1.3 將標槍投擲到水中
有一項著名的早期研究，它把學習一個過程的效果與理解性學習加以比較，在此項研究中，兩組兒童練習將標槍投擲到水中的一個目標（在Judd，1908中描述；參見由Hendrickson和Schroeder，1941的概念複製品）。一組兒童學習了有關光的折射的解釋，知道了光的折射導致目標的明顯位置具有欺騙性。另一組只是練習投擲標槍，沒有任何解釋。兩組兒童在進行水下12英吋目標的練習任務中做得同樣好。但是已接受抽像原理教學的小組在他們必須遷移至一個目標僅是水下4英吋的情境時做得更好。因為該小組接受了有關光的折射的教學，他們理解了自己正在做的事情，所以能夠根據新任務調節他們的行為。
教學的「元認知」方法可以幫助學生通過定義學習目標和監控達到目標的學習過程來學會控制他們自己的學習。
在與專家一起工作的研究中，專家被要求描述他們工作時的思考，研究揭示了他們可以仔細地監控自己的理解，會記錄針對理解何時需要去獲取額外的信息、新信息是否與他們已知的內容保持一致以及做什麼樣的類比可以促進他們的理解。這些元認知監控活動是所謂的適應性專業知識的重要組成部分（Hatano and Inagaki，1986）。
由於元認知常常採用內部對話的形式，因此人們容易認為個體會發展自己的內部對話。但是我們用以思考的許多策略反映了文化規範和探究方法（Hutchins，1995；Brice-Heath，1981，1983；Suina and Smolkin，1994）。研究已表明我們可以把這些策略教給學生，包括預測結果的能力、向自己解釋以改進理解的能力、記錄理解上失敗方面的能力、激活背景知識的能力、預先規劃的能力以及分配時間和記憶的能力。比如，交互式教學（Reciprocal teaching）是一種用來提高學生閱讀理解的技術，幫助他們在閱讀過程中說明、闡述和監控他們的理解（Palincsar and Brown，1984）。使用元認知策略的模型最初由教師提供，在學生學習使用這些策略時他們練習和討論策略。最終，學生能夠在沒有老師支持的情況下提示自己並監控他們自己的理解。
元認知活動的教學必須結合到學習所學的學科知識中（White and Frederickson，1998）。這些策略不是跨越不同學科的一般性內容，把它們作為一般性內容來教學的嘗試會導致遷移的失敗。在情境中教授元認知策略已經表明可以改進在物理（White and Frederickson，1998）、寫作（Scardamalia et al. ，1984）和數學問題解決的啟發方法（Schoenfeld，1983，1984，1991）方面的理解。元認知實踐已經表明可以提高學生遷移至新情境和新事件的程度（Lin and Lehman，in press；Palincsar and Brown，1984；Scardamalia et al. ，1984；Schoenfeld，1983，1984，1991）。
這裡的每一種技術共享著對過程進行教學和建模的策略，即產生不同的方案（形成寫作中的一個想法或者支持解決數學問題的策略）、在幫助達到目標和監控達到目標的過程中評估它們的優點。使用課堂討論可以支持以獨立性和自我調控為目標的技能發展。
教學的含義
以上所描述的三個核心原則，雖然它們看上去簡單，但是對教學事業和教師培養具有深刻的意涵。
教師必須抽取前擁理解並與學生帶來的前擁理解打交道。這就需要：
把兒童當作是用教師提供的知識來填滿的空容器的模型必須替換。與此相反，教師必須積極地探究學生的思維，創建可以揭示學生思維的課堂任務和條件。這樣，學生的最初概念可以提供對建構學科知識的更正式理解的基礎。
評價的作用必須拓展，超越傳統的測試概念。使用經常性的形成性評價有助於學生把他們的思維展示給自己、他們的同伴和他們的教師。這就提供了修改思維和提煉思維的反饋。考慮到理解性學習的目標，評價必須利用理解而不僅僅是重複事實或實施孤立技能的能力。
教育學院必須向初任教師提供學習的機會：（a）承認學生可預見的前概念，它們使特定學科知識的掌握具有挑戰性，（b）抽取出不可預見的前概念，和（C）與前概念打交道，以便兒童依據它們建構知識、挑戰它們，並在適當的時候替換它們。
教師必須深度地教授一些學科知識，提供相同的概念在其中運作的許多範例和提供事實性知識的堅實基礎。這就需要：
必須用少量主題的深度覆蓋去替換學科領域中對所有主題的表面覆蓋，這些少量主題使得學科中的關鍵概念得以理解。當然，覆蓋的目標不必被完全放棄。但是必須有足夠數量的深度研究案例讓學生掌握學科中特定領域的界定概念。此外，一個領域中的深度研究常常需要學生在將非正規的觀念轉變為正規的觀念前攜帶觀念超過一個學年，這就需要在整個學年中積極協調課程。
教師必須帶著他們自己對學科領域深度研究的經驗來教學。在教師能夠開發強大的教學工具前，他必須熟悉探究的過程和學科中的對話術語，以及理解信息與概念之間的關係，而概念則有助於組織學科中的信息。但是同樣重要的是，教師必須把握學生對這些概念進行思考的成長和發展。後者對發展教師的專業知識而不是學科中的專業知識來說是很重要的。因此，它需要專為教師設計的課程或課程補充。
問責制目的的評價（例如，全州範圍的評價）必須測試學生對知識的深刻理解而 不是表面知識。評價工具往往是通過其去追究教師責任的標準。如果一位教師被要求針對深刻的概念性理解來教學，那麼他就陷入困境，這樣做會產生在標準化測試中表現更糟糕的學生。除非新的評價工具與新的教學方法相一致，否則後者就不可能調動來自學校和有選舉權的家長的支持。這一目標很重要，正如它很難實現一樣。標準化測試的形式可以有助於測量事實性知識而不是概念性理解，但是它也有助於產生客觀的分數。對理解深度的測量會引起對客觀性的挑戰，我們需要做大量的工作，使評價深度和客觀性的評價之間達到平衡。
元認知技能的教學應該整合到各種學科領域的課程中。由於元認知採取內部對話的形式，許多學生可能沒有意識到它們的重要性，除非教師明確強調這些過程。對元認知的強調需要伴隨每個學科中的教學，這是因為所需的監控類型會發生變化。例如，在歷史學科中，學生可能會問自己，「誰寫了這個文檔，這對事件的解釋有何影響？」而在物理學科中，學生可能監控他對潛在發生作用的物理原理的理解。
將元認知的教學與基於學科的學習整合可以提高學生的學業成績並發展學生獨立學習的能力。它應該有意識地結合各種學科和不同年齡水平。
發展強大的元認知策略和學習在課堂環境中教授這些策略應該是教育學院的課程的標準特徵。
研究證據表明當這三個原理融合到教學中，學生的成績就能提高。例如，用於在互動計算機環境中教授物理的「思考者工具課程」（Thinker Tools Curriculum）關注了基本的物理概念和特徵，允許學生測試他們在建立模型和開展實驗活動過程中的前概念。這個程序包括有助於學生監控他們在探究過程中所處位置的一個「探究循環」，這個程序詢問學生的反思性評價和允許他們回顧對同伴學生的評估。在一項研究中，用「思考者工具」學習物理的市郊學校的六年級學生在解決概念性的物理問題上勝過同一所學校用傳統方式學習物理的十一年級學生和十二年級學生。另一項研究再次將七至九年級的城市學生與十一、十二年級的市郊學生比較，說明用探究方法教學的低齡學生更好地掌握了物理的基本原理（White and Frederickson，1997，1998）。
將有序帶向混沌
強調人是如何學習的優勢在於它有助於將有序帶向看上去有雜音的選擇上。考慮一下在教育圈和媒體中有爭議的許多可能的教學策略。圖1. 1用圖示描述了它們：講授式教學、文本式教學、探究式教學、技術增強式教學、圍繞個人組織教學與圍繞合作小組組織教學，等等。這些教學技術是否比其他更好呢？講授法是否像許多人聲稱的那樣是一個拙劣的方法呢？合作學習就有效嗎？使用計算機（技術增強的學習）的嘗試是有助於提高還是降低學業成績？
圖1.1利用人是如何學習的知識，教師可以從完成特定
目標的方法中更有目的地進行選擇。
本書指出以下這些都是錯誤的問題。問哪一種教學方法最好與問哪一種工具最好是類似的——鎯頭、螺絲刀、刀或鉗子。在像木匠活一樣的教學中，挑選工具依賴於手邊的任務和所使用的材料。書籍和講授可以是用於學習、激起想像力、磨練學生的批評性能力和傳輸新信息的很有效的模式——但是人們會選擇其他類型的活動來抽取學生的前概念和理解水平，或者幫助他們看到使用元認知策略來監控他們學習的力量。動手實驗可以是為自然而然產生的知識提供依據的有力方法，但是他們並不會單獨引發人們對有助于歸納的基本概念的理解。總之，不存在普適性的最好的教學實踐。
如果出發點是一組核心的學習原理，那麼教學策略的選擇（當然是中介的，根據學科知識、年級水平和期望的結果）可以是有目的的。這樣，許多可能性就可以成為教師從中建構教學流程的一組豐富的機會，而不是一堆混亂的競爭性選擇。
關注人是如何學習也會幫助教師超越已困擾教育領域的二元對立。這樣的一個問題就是學校是否應該強調「基本」，還是應該強調教授思維技能和問題解決技能。本書表明這兩者都是必要的。當學生與有意義的問題解決活動聯繫起來、當幫助學生理解這些事實和技能為什麼相關、何時相關和怎樣相關時，他們獲取幾套已組織的事實和技能的能力實際上得到了增強。沒有強大的事實性知識基礎來教授思維技能的努力不會促進問題解決能力或者支持向新情境的遷移。
設計課堂環境
本書第六章提出了一個有助於設計和評價可以優化學習的環境的框架。利用了上述討論的三個原理，它假定了需要培育的四個學習環境的相關屬性。
學校和課堂必須是學習者中心的。教師必須密切關注學生帶入課堂中的知識、技能和態度。這與已討論的有關學科知識的前概念結合，但是也包括更廣泛地理解學習者。例如：
文化差異會影響學生合作學習與獨立學習的舒適水平，它們反映在學生帶入新學習情境的背景知識中（Moll et al. ，1993）。
學生對智慧意味著什麼的觀點會影響他們的表現。研究表明認為智慧就是固定實體的學生更可能以表現為導向而不是以學習為導向——在學習中他們想要看上去成功而不是冒犯錯的危險。當任務變得困難時，這些學生尤其可能放棄。相反，認為智慧是可塑的學生更願意與挑戰性任務抗衡，他們更從容地與風險相處（Dweck，1989；Dweck and Legget，1988）。
在學習者中心的課堂中的教師也要密切關注每個學生的個體發展和設計適當的任務。學習者中心的教師要向學生呈現「剛剛能處理的難題」，即足夠的挑戰性以維持參與，但是不要太難導致學生氣餒。因此，他們必須理解學生的知識、技能水平和興趣（Duckworth，1987）。
為了提供知識中心的課堂環境，必須關注教什麼（信息、學科知識）、為什麼教（理解）和掌握什麼能力。正如前面提及的，以下幾章中討論的研究明確地表明專業知識包括支持理解的精心組織的知識，並且理解性學習對於發展專業知識很重要，這是因為它使得新學習更輕鬆（如支持遷移）。
理解性學習往往比簡單記憶更難取得成功，而且它更費時。許多課程不能支持理解性學習，原因在於他們在較短時間內呈現了太多的彼此不相聯繫的事實——即「一英里寬一英吋深」的問題。測試經常強調記憶而不是理解。知識中心環境提供了研究的必要深度，評估學生的理解而不是事實性記憶。它要與進一步促進未來學習的元認知策略教學結合起來。
知識中心的環境也看上去超越了參與，而參與是成功教學的主要指標（Prawaf et al. ，1992）。學生的興趣和參與任務顯然是重要的。然而，它並不保證學生將習得支持新學習的那種知識。鼓勵動手做的任務和項目與那些鼓勵理解性做的任務和項目存在重要的差別；知識中心的環境強調後者（Greeno，1991）。
形成性評價——設計用來將學生的思維呈現給教師和學生的持續的評價——是很重要的。它們讓教師去把握學生的前概念、理解學生在從非正式到正式思維的「發展性通道」中所處的位置並相應設計教學。在評價中心的課堂環境中，形成性評價有助於教師和學生監控學習過程。
在課堂中，評價的一個重要特徵是它們是與學習者友好的：它們不是那種前一晚要記憶信息的週五測驗，也不是那種給學生評分並根據同班同學的分數進行排名次的測驗。而是這些評價應該給學生提供修改和改進思考的機會（Vye et al. ，1981b），幫助學生看到經過幾周或幾個月他們自己的進步，幫助教師識別需要補救的問題（沒有評價，問題可能沒法顯現）。例如，一個研究民主原則的中學班級，可能看到這樣的一個情景，一群僑民剛剛在月球上定居，他們必須建立一個政府，來自學生的有關對這類政府的界定特徵的提案以及他們對政府建立過程中所預見的問題的討論，都向教師和學生展現了學生思維更進步和更退步的方面。這個練習不是一個測驗，而是一個指示器，它顯示了探究和教學應該聚焦的方面。
學習以基本的方式受發生於其中的情境的影響。共同體中心的方法需要開發用於課堂或學校的規範和建立與校外世界的聯繫，以支持核心的學習價值觀。
在課堂中建立的規範對學生的成績有強大的影響。在有些學校，規範被表達為「沒被發現不知道某事」。其他人鼓勵學術冒險和犯錯誤、獲得反饋和更正的機會。顯然，學生要展現他們有關學科知識的前概念、他們的疑問以及他們走向理解過程中的進步，學校的規範應該支持他們這樣做。
教師必須參與設計課堂活動和幫助學生用促進智能情誼和態度的方式組織他們的活動，這種智能情誼和態度是面向建立共同體感的學習的。在這樣的共同體中，學生會相互幫助解決問題，他們通過建構各自的知識、提出問題以澄清解釋和對推動小組面向目標不斷進步提出建議（Brown and Campione，1994）。問題解決中的合作（Evan，1989；Newstead and Evans，1995）和在這樣一個智能共同體中學生的爭論（Goldman，1994；Habermas，1990；Kuhn，1991；Moshman，1995a，1995b；Salmom and Zeitz，1995；Youniss and Damon，1992）可以增強認知發展。
必須讓教師建立學習者共同體並鼓勵他們建立學習者共同體（Lave and Wegner，1991）。這些共同體可以建立一種質疑而不是尋求答案的舒適感，而且他們能夠發展起一個依賴個體成員的貢獻創建新觀念的模型。他們能夠產生一種學習的興奮感，然後這種興奮感遷移到課堂，在他們把新觀念應用於理論和實踐時賦予新觀念的主人翁感。
學校還需要開發課堂學習與學生生活其他方面相聯繫的方法。使家長支持核心學習原理和家長在學習過程中的參與是極其重要的（Moll, 1990；1986a，1986b）。圖1. 2說明了在一個學年中，在大型學區中的學生在學校度過的時間百分比。如果他們校外時間的三分之一花在觀看電視上，那麼顯然學生每年觀看電視花費的時間會超過上學所用的時間。只關注學生目前在校所用時間會忽視許多在其他情境中開展引導性學習的機會。
將設計框架應用於成人學習
以上總結的設計框架假定學習者是兒童，但是這些原理同樣適用於成人學習。這點尤其重要，原因在於將本書的原理與教育實踐結合將需要大量的成人學習。教授成人的許多方法一貫地違反了優化學習的原理。例如，教師的專業發展計劃往往如下：
不是學習者中心的。不是詢問教師需要哪些幫助，僅僅期待他們參加預先安排的工作坊。
不是知識中心的。只是向教師介紹一些新方法（像合作學習），而沒有給教師一些機會去理解為什麼、何時、何地和如何做對他們可能是有用的。尤其重要的是需要把所教的課程的活動結構與課程內容相整合。
不是評價中心的。為了讓教師改變他們的實踐，他們需要在他們的課堂中嘗試和獲得反饋的機會。大多數的專業發展機會沒有提供這些反饋。此外，他們往往關注於作為目標的教學實踐的改變，但是卻忽視發展教師一些能力，即判斷將技能成功遷移至課堂的能力或者判斷技能對學生成績產生影響的能力。
不是共同體為中心的。許多專業發展的機會是單獨進行的。當教師將新觀念融合到他們教學中去時，持續的聯繫和支持機會很有限，但是如果可用適當設計的工具和服務，如快速普及的因特網訪問就提供了保持這種聯繫的現成途徑。
學習的原理和它們設計學習環境的意涵同樣適用兒童和成人學習。它們提供了用以考察當前實踐的透鏡，考察是根據中小學教學以及根據研究與發展議程中教師的培養來進行的。當我們考慮諸如政策制定者和公眾的其他群體時，這些原理同樣相關，因為這些群體的學習也需要針對教育實踐而改變。