摘要：为了解美国学习科学的发展与研究热点，文章运用主题分析法分析了2003～2017 年美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）资助的436 项学习科学研究项目。分析结果显示，美国的学习科学项目的研究领域包括学习基础研究、设计与开发研究、学习科学的实践应用研究以及非正式学习研究。在研究热点变化方面，美国学习科学的研究热点呈现了3 个方面的转变，分别是从关注认知神经到关注学习文化、从关注正式学习情境到关注学习环境的开发和多学科的协同加强、从关注学习中的技术应用到关注运用技术强化的学习。研究涉及的对象有中小学生、大学本科生和研究生，以及婴幼儿、残疾儿童、女性等特殊群体。
关键词：国家科学基金会；学习科学；资助项目
一 研究背景
学习科学正式产生于1991 年，源于第一次学习科学国际会议的成功举行和《学习科学期刊》（Journal of the Learning Sciences）的创刊。这个领域的研究以“学习”为基点，主要探讨“人是如何学习的，怎样促进有效的学习”的问题。其研究的目标是为了更好地理解认知过程和社会化过程，用学习科学的知识来重新设计课堂和其它学习环境，让学习者进行更加深入的学习。随着时代对“学习”的关注越来越紧密，学习科学也受到了世界各国研究机构的广泛关注。近年来，中国学者也越来越关注学习科学的研究及其在实践中的应用。这需要我们更多地了解国外的研究与热点。同时，国内相关的学术基金会也需要相应的数据支持其基金的投入。
美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）是美国资助科学研究的联邦政府行政机构。早在2004 年，该机构宣布拨款1 亿美元构建了规模庞大的“学习科学研究计划”，旨在组建学习科学的跨领域研究团队，让学习科学研究成为美国科学研究的重要组成部分，进而推动教育改革和学习实践。十多年来，学习科学一直是NSF 资助的重点领域之一。可以说，NSF 对学习科学研究项目的资助，在一定程度上反映了美国学习科学领域的研究状况。为此，本研究力图通过对2003～2017 年期间NSF 支持学习科学研究项目内容的梳理，发现美国学者在学习科学领域的关注热点及其发展变化，以便为国内学者及基金会提供参考。本研究着重分析和探讨以下三个问题：①美国学习科学项目受到NSF 哪些部门的关注？②美国学习科学的研究聚焦在哪些领域？③美国学习科学的关注热点有哪些变化？
二 数据收集与分析
1 数据收集方法
本研究以“learning science”“learning sciences”和“science of learning”为检索关键词，在美国国家科学基金会官网1检索了2003 年1 月1 日至2017 年12 月25 日期间NSF 对学习科学的资助记录，发现每一条记录都详细记载了被资助项目以及NSF 资助部门的相关信息。本研究使用的信息有6 类，分别是被资助项目的编号、标题、摘要、起始时间、资助部门以及资助金额数。据本研究统计，有效的受资助项目数为436 项，受资助总金额达4.2 亿美元。
2 数据分析
在数据分析中，本研究运用了描述统计和主题分析方法——描述统计用于统计检索结果中的数值型数据（受资助项目数、资助金额等），旨在得到NSF 对学习科学的整体资助情况；主题分析方法注重审查原始数据中的主题，旨在让研究者通过对原始数据中重要内容的编码，深入理解数据的内隐及表面含义。主题提取步骤为：熟悉数据－对数据进行一级编码－在编码中提取主题－审查主题－对主题进行定义和命名－产生最终的报告。遵循以上步骤，本研究分析了受资助项目的标题和摘要，以探究美国学习科学研究开展的主要领域及其关注热点的变化。
三 美国学习科学研究的重点领域及特点
1 资助学习科学研究的NSF 部门及各部门资助的侧重点
NSF 共设置1 个总检察长办公室（Office of the Director，OD）和7 个学部。据描述统计，这些部门都在一定程度上对436 项学习科学研究进行了资助。其中，社会、行为和经济学部（Directorate for Social, Behavioral &Economic Sciences，SBE）和教育和人力资源部（Directorate for Education & Human Resources，EHR）对学习科学项目的资助力度最大，其资助额分别占受资助总额的40.92%和41.23%。计算机信息科学部（Directorate for Computer & Information Science & Engineering，CISE）对学习科学项目的资助力度次之，占10.46%。其余资助来自于工程部（Directorate for Engineering，ENG，3.24%）、地理科学部（Directorate for Geosciences，GEO，占1.87%）、生物科学部（Directorate for Biological Sciences，BIO，占1.37%）、总检察长办公室（OD，占0.73%）以及数学和物理科学部（Directorate for Mathematical & Physical Sciences，MPS，占0.18%）。不同资助力度显示各部门对学习科学研究有不同的资助侧重点。本研究通过分析各部门资助项目的标题和摘要，将不同部门的资助侧重点进行了总结。
值得一提的是，SBE 附属的行为与认知科学研究部，下设专门的“学习科学研究计划”（Science of Learning Program，SLP），足见NSF 对学习研究的重视程度。这个计划主要通过支持变革性的基础研究，发展与学习原理、学习过程和学习条件相关的理论和基础知识。SLP在2003～2017 年期间共支持了60 项学习科学研究计划，提供的资助金额达15783 万美元，占所有检索项目受资助总额的37.58%，占SBE 总资助额的93.86%。
2 美国学习科学研究的重点领域
本研究对筛选出的436 项研究项目的标题和摘要进行了主题分析，将这些研究项目归纳为四类：学习基础研究、设计与开发研究、学习科学的实践应用研究、非正式学习环境的设计及学习研究。在每一类中，又归纳了一些重要的研究方向。
描述统计显示，涉及四类研究的项目共有499 项。叠加项目的总数大于受资助项目的总和（436 项），是因为有些项目会包含多个主题词，在后期对主题词进行分析和处理时，该项目会同时归属在不同主题词所包含的类别中。本部分主要分析美国学习科学研究的重要领域。
（1）学习基础研究
受资助的学习基础研究共169 项，包括基于脑认知和神经科学的学习机制研究、构建学习科学基础理论和知识的研究、促进学习和认知的新学习形式研究和语言和文化对学习的影响研究。其中，基于脑认知和神经科学的学习机制研究主要通过研究人类在认知和学习时，大脑细胞、神经系统和相关认知通道的反应，分析探讨婴幼儿、正常学习者和有听障或视障学生的复杂思维模式及学习行为的形成。随着技术的发展，这类研究越来越注重借助多媒体技术、自然语言处理技术、可视化技术、基因技术等新兴技术来观察并研究学生理解知识和运用知识的内在机制。
NSF 也支持学习理论的建构和完善，特别是针对具体的对象和领域进行的学习理论建构。如有关婴幼儿的态度、感知、学习和记忆的理论，以及用于培养听力有障碍学生的语言素养的理论等。NSF 也支持促进学习和认知的新学习形式研究，包括在线学习形式，如在线指导学习（Tutor Learning）；自然或非结构化学习环境中的学习形式，如基于自然的学习（Nature-based Learning）；能够灵活迁移到新环境且持续时间较长的学习形式，如匹兹堡学习科学中心（Pittsburg Science of Learning Center，PSLC）研究的强健式学习（Robust Learning）等。
此外，受维果斯基流派文化历史传统的影响，一些项目关注语言和社会文化对学习产生的影响。NSF 支持的相关研究重在分析语言和文化与学习者学习、学习者性别、学习者本身状态以及学习环境之间的关系。在这类研究中，以研究双语环境对学习者大脑反应和认知神经影响的研究、语言学习模式和学习过程的研究居多，其余研究关注学生性别、种族以及听力障碍对学生语言、知识习得的影响。
（2）设计与开发研究
设计研究聚焦于自然情景学习的理解和有效学习环境的设计，通过迭代式的设计探究将理论与实践连接起来。在NSF 资助的项目中，这种研究方法被运用在虚拟协作学习环境、学习和教学工具、STEM 课程以及教学模型和方法等的设计与开发中。
受资助的虚拟协作学习环境开发研究比较重视对在线沉浸式学习环境[12]和智慧学习环境的开发。游戏化学习环境是前者的一种，其开发研究主要面向中学生，旨在借助虚拟技术，促进学习者的虚拟化身与数字代理、人工制品及环境之间多样的交互。沉浸式仿真学习环境是另一种，主要集中在生理学、物理学和工程领域中，学习群体包括中学生和成年人。智慧学习环境的开发研究借助自动感觉设备、探测与跟踪技术、数据科学等新兴技术，主要探究学生在学习时认知和情感之间的交互，旨在解决科学学习中普遍存在的情感困惑和认知不平衡的问题。
受资助开发的工具包括学习和教学工具。开发的学习工具主要面向中小学和高等教育阶段的学生和老师。针对中小学的主要是游戏化学习工具，旨在提升学生的认知和自主学习能力。面向大学生的学习工具包含交互式计算机界面、仿真模拟工具等，旨在促进面向对象的知识、能力、经验和思维的发展。开发教学工具旨在辅助教师和家长对学生进行有效的学习指导，辅助教师和研究者对学生的推理能力、辩证性思维能力、学习能力进行测评等。
开发的STEM 课程面向本科及研究生，旨在培养学生（尤其是女学生）对科学学习的热情，提高其解决综合问题的能力，以增加工程领域学生的保留度。设计开发的模型包括教学模型、学习及研究模型。其中，教学模型有研究生教育模型、社区大学的信息技术教学模型、强健式学习的教学模型以及将博物馆学习和课程教学进行整合的模型等；学习及研究模型有理解复杂学习系统的SBF 模型、培养教师专业发展的学习模型、用于理解非言语行为和交流技巧的计算模型、人类学习的普遍模型等。这些模型不仅适用于正式学习环境中的教与学，也适用于非正式学习环境中的学习实践和教学实践。此外，NSF 也支持开发创新教育方法。这类研究主要面向中小学生、大学生以及女性群体和听力有障碍的学习者。开发的教育方法适用的领域有地球科学、生命科学、气候科学的教育以及数学教学、STEM 教育和跨学科教学等。
（3）学习科学的实践应用
涉及学习科学应用实践的项目共56 项，其主要的研究方向包括跨领域研究共同体的构建、学习科学及其研究成果的传播以及学习科学成果在其它学科领域的应用。构建跨领域研究共同体的项目旨在整合认知科学、脑神经科学、教育学及人工智能等领域的专家和学者，试图揭示有关学习的社会境脉，构建新的学习与教学环境。受资助的学习科学实践应用研究主要是指运用学习科学的基础知识和研究成果，解决其它相关领域中的问题。
（4）对非正式学习环境的研究
受资助的非正式学习环境研究有94 项，受资助额为11834 万美元，其主要的研究方向有非正式学习环境的设计与建设和此类环境中学习理论的建构与完善。NSF 资助与博物馆等非正式学习场所的设计和建设相关的研究。通过探究将博物馆中的学习和课堂教学联系起来的方式，这类研究在博物馆中运用跟踪技术并分析学习者行为，对学习活动进行设计，旨在开发新的适应非正式学习需求的学习方式、教学模型和学习环境。NSF 也会资助文化情景中基于艺术的学习环境的设计以及对自然学习环境的设计等研究。
此外，NSF 还资助非正式学习环境中的学习基础研究和对学习科学研究进行综述的项目。其中，学习基础研究关注非正式学习环境中的学习理论建构、人类学习的社会基础原理研究以及学习和教学模型的设计，旨在探究学习的本质，发展学习科学的基础知识，设计促进教与学实践的工具和环境，为培养学习者的学习技能开辟新的途径。对学习科学研究进行综述的项目关注非正式教育环境中学习科学的知识现状、研究现状、发展前景及研究成果应用，此类项目主要从学习科学研究本身出发，旨在促进更有效的学习科学研究，并为下一步的研究确定框架。
四 美国学习科学研究热点的发展
本研究通过梳理历年的主题词发现，在2003~2017 年间，美国学习科学的研究热点呈现了3个方面的转变，分别为：从关注认知神经到关注学习文化、从关注正式学习情境到关注学习环境的开发和多学科的协同加强、从关注学习中的技术应用到关注运用技术强化的学习。
1 从关注认知神经到关注学习文化
通过主题分析，本研究发现2006 年以前的研究多关注个体学习时大脑细胞、神经机制的反应、特定神经通道对大脑和行为的影响等。随着对人脑学习机制的研究越来越多，以及对个体在实验室场景、学校场景和日常生活场景中学习差异的不断揭示，学习科学家们开始持续关注不同文化背景下学习的组织和社会文化动力，以及文化多样性对学生的能力和认知情感的影响。近年来，研究项目除了关注学校学习及学校环境建设，不少项目也在研究自然学习、日常学习等非正式情境中的学习机制，探讨发生在学习背后的文化动力及组织作用。在维果斯基文化历史流派的影响下，学习科学家越来越关注所有智能行为发生所依赖的复杂的社会及人为环境。
2 从关注正式学习情境到关注学习环境的开发和多学科的协同加强
随着技术的不断发展和教育理念的逐渐完善，学习研究中的学习情境不再拘泥于学校教育情境。后期研究中的学习情境不仅向博物馆、数字图书馆、社区等领域实现了横向的拓展，而且从线下到线上，实现了向虚拟智慧学习环境的纵向拓展。这两方面的转变在上述非正式学习环境的研究以及学习工具和学习环境的设计与开发研究的分析讨论中体现得尤为具体。此外，由于纵向、横向的拓展不仅需要计算机科学家、教育学家、心理学家、神经科学家等领域专家的合作研究，也需要人工智能专家、教育技术学专家等技术专家的对话与交流，因此跨学科、跨领域的研究形式逐渐成为了近年来获得NSF 资助的学习科学研究开展的基本形式。
3 从关注学习中的技术应用到关注运用技术强化的学习
技术是学习科学发展的一个要素，从2003 年开始，学习科学研究者就开始关注如何利用技术进行有效的学习。随着新媒体技术的不断涌现，传统教室的数字化研发和改造、基于网络的学习社群、基于移动终端的课程以及沉浸式虚拟协作学习环境等都在我们生活中日益普及。技术不再是教与学中的“舶来品”，而已经发展成为日常教与学实践中必不可少的一部分。除了思考如何将技术应用于学习，目前的学习科学家更关注如何用技术强化学习，提升学习的效率和绩效。借助仿真模拟技术、数据处理与分析技术等新兴技术，学习科学家设计开发的各种工具、环境以及模型等，不仅促进了学习及教学效率的提升，也辅助实现了从关注学习者内部静态结构的认知研究到关注在复杂环境中学习者与技术产品以及技术中介的互动研究的转变。
五 研究结论与建议
本研究通过分析2003~2017 年NSF 资助的学习科学研究项目，尝试总结了美国学习科学研究关注的重点领域及研究热点的变化。研究发现，美国学习科学的研究内容不仅涉及对学校学习及环境设计的研究，也涉及对非正式学习环境和虚拟学习环境中的学习及环境设计研究；研究对象不仅包括中小学、高等教育阶段的在校学生，也包括残疾学生（听力或视力有障碍的学生、自闭症学生等）及女性群体等。此外，研究的视角越来越多元化，注重从认知科学、脑科学、文化、技术与社会等视角综合性地理解学习，研究也越来越关注技术作用下的学习效率。
上述研究发现为我国的学习科学研究提供了一定的参考依据。基于此，本研究认为我国的学习科学研究可以在四个方面加大投入，分别是：①整合认知科学、脑神经科学、文化、技术与社会等视角的合作研究；②基于博物馆、自然情境的非正式学习及其环境建设研究；③在线虚拟学习研究及其环境开发研究；④面向残疾学生、女性等特殊群体的研究。其中，合作研究的开展旨在帮助人们深入地理解认知过程和社会化学习过程，并辅助教育工作者和相关的政策制定者优化学习环境，制定有效的教育政策。对非正式学习环境及在线虚拟学习环境中的学习研究及环境开发研究将为探索更有效的“技术强化的学习”奠定基础；而面向特殊群体的学习研究将帮助学习科学研究者进一步明确不同群体的学习特征、学习需求以及发展状态等，进而完善我国的育人体系。在资金投入方面，本研究希望我国相关基金加大对这些领域的支持力度，促进我国的学习科学研究更加深入、领域更加宽广。
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