第一章学习：从猜测到科学
事物的本质、宇宙的起源和人类心理的特性，这些都是几个世纪来思想家们致力于探求的深奥问题。直到现在，理解心理（即理解基于心理的思维和学习）仍旧是一个令人难以捉摸的谜，这部分地是由于缺乏强有力的研究工具。当今世界已出现了异常丰富的科研成果，这些成果集中于对心理和大脑的研究、对思维过程和学习过程的研究、对发生于思维和学习中的神经中枢活动过程的研究，以及对能力发展的研究。
最近三四十年发生的心理研究的革命对教育产生了重要的意义。正如我们所描述的，一种新的学习理论逐渐受到人们的关注，它所提供的课程设计方法、教学方法和评价方法与我们在今天的学校里所见的相去甚远。同样重要的是，跨学科探究的发展和新的科研合作形式的出现，使人们更清楚地看到了把基础研究应用于教育实践的希望，尽管目前还很难实现。三十年前，教育工作者们很少关注认知科学家的工作，在认知科学研究的初期，研究者们的工作是远离课堂的。今天，认知研究者们更多的是与教师合作，在真实的课堂情景中检验和改进他们的理论，因为只有在教室里，他们才能看到不同的课堂情境和不同的课堂互动是如何影响他们的理论在课堂中的应用的。
目前，最引人注目的可能是各种各样已经开发出来的研究方法和研究技巧，以及来自不同科学分支领域的研究证据日趋融合的方法。现在我们可以谈论的有关学习的话题远比以前丰富，有望在下一阶段有较大的发展。例如：
来自认知心理学的研究加深了人们对能力表现的本质和知识组织原则的理解，它们是构成人们解决包括数学、科学、文学、社会研究和历史在内的各种学科领域问题的能力的基础。
发展心理学的研究者们则向人们展示了，儿童能够理解大量的生物学基本原理和自然界因果关系，能够理解数字、故事和个人的意图，儿童的这些能力使我们可以开发一种创新课程，为发展儿童早期的高级推理能力引入重要的概念。
有关学习和迁移的研究揭示了构建学习经验的重要原理，这使人们能够在新的情境中运用以往的经验。
在社会心理学、认知心理学和人类学方面的研究成果清楚地表明，所有的学习离不开特定的文化模式、社会规范和期望，这些情境以强有力的方式影响着学习和迁移。
神经科学的发展日益为从实验室研究中获得的学习原理提供证据，它正逐步揭示学习是如何改变大脑的生理结构和大脑的机能性组织的。
在认知和发展心理学家和教育工作者中，对学习环境的设计和评价的合作研究已提出对发生在不同情境中的教与学的本质的新见解。而且，研究者们正设法从那些能够分享专业知识的成功教师的“实践箴言”中学习。
新兴技术正带领人们去开发许多引导和增强学习的新机会，这在几年前是不曾想象的。
学习研究领域的所有这些进展已将科学与实践的关系带人一个新时代。简而言之，在基础研究上的投资正在实际应用中得到回报。考虑到人们期待的国家教育体制将发生的变化，理解人类是如何学习的这些进展具有重要意义。
在20世纪初期，教育的重点放在文化技能的获得上：简单的读、写、算能力。教育体系的普遍准则并不是要去培训人们进行批判性地思考和阅读，清晰地、有说服力地表达自己的观点，以及解决科学和数学中的复杂问题。在20世纪末，为了成功地适应现代生活的复杂性，几乎人人都需要掌握这些高级素养。由于组织机构和劳动者需要不断应对工作环境带来的竞争压力，因此对工作的技能要求也大大提高。随着人们关注的焦点已从地方转向国家、全球，理智地参与民主化进程也变得日益复杂。
综上所述，信息和知识快速增长的速度超过了人类历史上的任何一个时期，正如诺贝尔奖获得者赫伯特•西蒙（Herbert Simon）曾明智地指出，“识知”（knowing）的意义已从能够记忆和复述信息转向能够发现和使用信息（Simon，1996）。人类的知识急剧增长使教育无法面面俱到，而且，人们更多地认为教育的目的是帮助学生发展习得知识所必需的认知（智力）工具和学习策略，使他们能够富有成效地思考有关历史、科学技术、社会现象、数学和艺术方面的内容。对学科知识的基本理解包括如何制定和提出有关各学科领域的有意义问题，这有助于个体形成对学习原理更本质的理解，并帮助他们成为自我维持的终身学习者。
焦点：人、学校和学习的潜能
有关认知、学习、发展、文化和大脑的科学文献浩如烟海。学习科学开发项目委员会在成立之初就做出了三个组织性决定，为我们的研究提供了框架，这将反映在本书的内容中。
我们主要关注于人类学习的研究（虽然对动物学习的研究为我们提供了重要的、间接的信息），包括来自神经科学的新进展。
第二，我们特别重视对设计正规教学环境（从幼儿园、小学到中学和大学）有启发意义的学习研究。
第三，与第二点相关，我们还将强调有助于所有个体充分发挥个人潜能的可能性研究。
关于促进学习的方法和有关谁是最善于学习的人的一些新观念，会有力地影响人们生活的质量。在历史的不同时期，学者们曾担忧正规的教育环境一直侧重于选拔人才，而非培养人才（参见，Bloom. 1964）。如果关于有效教学实践的新观念早就付诸实施的话，许多学习有困难的人可能会获得成功。此外，如果使用了新的教学实践，即使那些在传统教育环境下学得好的学生也将发展他们的技能、知识和态度，这肯定会极大地提升他们的学业水平。
学习研究表明，有一些新方法可以向学生介绍数学、科学、历史和语文等传统学科，这些新方法能够使大多数学生形成对重要学科知识的深入理解。本委员会对与之相关的理论和数据特别感兴趣。人们期望新方法能够使大多数学生形成对重要学科知识从中等到深人的理解。
学习科学的发展
本报告是以19世纪后期的研究为基础的，当时人们通过科学的方法系统地研究了人类心理。在那以前，心理一直是哲学和神学的研究领地。一些最具影响的早期研究出自莱比锡威廉•冯特（Wilhelm Wundt）实验室。威廉•冯特和同事们试图通过内省法要求知觉主体反思他们的思维过程，试图对人类的意识进行精确的分析。
世纪之交之时，一个新的学派——行为主义诞生了。作为对内省法中内在主观性的回应，行为主义者主张对心理的科学研究必须限制在可观察的行为和能加以控制的刺激条件上。1913年约翰•B•华生（John B. Watson）发表了一篇颇具影响的论文，扼要地提出了行为主义观点：
……除了行为主义学派，所有的心理学学派都主张“意识”是心理学的研究对象。相反，行为主义认为人类心理学的研究对象是人类的行为或活动，“意识”既不可定义，也非实用，它只是远古时期“心灵”说的替代词。旧心理学因而被一种微妙的宗教哲学所控制。（P.1）
在批判经验主义传统的基础上，行为主义者把学习的概念定义为在刺激和反应间建立联结的过程。学习的动力被认为主要由内驱力（如饥饿）和外部力量（如奖励和惩罚）来驱使（例如，Thorndike，1913；Skinner，1950）。
在一个由爱德华• L •桑代克（1913）主持的经典行为主义研究中，“迷箱”中的饥饿小猫必须学会拉动悬挂于其中的一根绳子，才能打开箱门，逃出箱子，获取食物。小猫在逃出箱子的行为中学到了什么？桑代克的结论是，小猫不是先思考如何逃出箱子，然后再付诸实施，相反，其活动涉及到一连串的尝试—犯错（试误）行为；参见背景资料1. 1。有时，迷箱中的小猫在玩耍的时候不小心拉动绳子，就把门打开了，小猫也就得以逃出。但这一事件显然并没有使小猫增长见识，因为当它被再次关进迷箱里时，小猫不会立即拉动绳子逃出箱子，相反，经过无数次的尝试，通过试误小猫终于学会了逃出箱子。桑代克认为奖励（例如食物）增强了刺激和反应间的联结。因此，对看上去很复杂的问题解决现象（从棘手的迷箱里逃出）的解释无需依赖诸如思维那样不可观察的心理活动。
早期行为主义的局限在于它强调可观察的刺激条件和与这些条件相关的行为。这种倾向使它很难去研究诸如理解、推理和思考这些对教育来说极其重要的现象。随着时间的推移.激进行为主义（常被称为带有大写B的行为主义）让位于折中的行为主义（带有小写b的行为主义），折中的行为主义保留了将行为用作数据的科学精确性，也允许对内部的“心理”状况做出假设，因为这些假设可以成为解释各种学习现象的必要要素（例如，Hull，1943；Spence，1942）。
背景资料1.1小猫的学习
当小猫被关进箱子里时，它会有不舒服的表现和想逃出禁闭的冲动。小猫试图从任何空隙中钻出来；它抓、咬电线；它从空隙中伸出爪子，并且抓取它够得着的每一样东西……小猫不太留意外面的食物，但似乎它这样做，只是出于本能，为了逃出禁闭……小猫在冲动挣扎的过程中可能会抓到开门的绳子或者环扣或者按钮。后来逐渐地，所有不成功的冲动被剔除，而促使成功行为的那种冲动被愉悦的结果所保留，直到这时，经过无数次的尝试之后，当小猫再次被关进箱子时，它会立即以明确的方式抓住按钮或环扣。
在20世纪50年代末，人们越来越清楚地认识到人类及其生存环境的复杂性，从而导致了一个新的领域——认知科学的诞生。从它诞生的那一天开始，认知科学就从多学科的视角来研究学习，涉及到人类学、语言学、哲学、发展心理学、计算机科学、神经系统科学和心理学学科（Norman，1980，1993；Newell and Simon，1972）。新的实验工具、方法论和假设理论的方法（postulating theories）使科学家能够开始对心理功能进行认真的研究：检验他们的理论，而不只是对思维和学习进行猜测（参见，例如，Anderson，1982，1987；deGroot， 1965，1969；Newell and Simon，1972；Ericsson and Charness，1994）。近年来，人们形成了学习的社会情境观和文化情境观（如，Cole，1996；Lave，1988；Lave and Wenger，1991； Rogoff，1990；Rogoff et al. ，1993）。采用严格的质性研究方法为人们提供了有关学习主题的各种观点，补充和丰富了实验研究传统（Erickson，1986；Hammersly and Atkinson，1983；Heath，1982；Lincoln and Guba，1985；Marshall and Rossman，1955；Miles and Huberman，1984；Spradley，1979）。
理解性学习
新学习科学的一大特色就在于它强调理解性学习。在直觉上，理解是完美的，但是我们一直很难从科学的角度来研究它。同时，学生常常很少有机会去理解或搞懂主题，因为许多课程总是强调记忆，而不是理解。教科书充满了要求学生记住的事实，大多数的测验也只是评估学生记忆事实的能力而已。例如，当学生在学习动脉和静脉时，他们可能被要求记住动脉比静脉粗、更有弹性，运送来自心脏的血；静脉则把血送回心脏。测试这些信息的题目类似于如下的题目：
1. 动脉
a. 比静脉更有弹性
b. 运送从心脏泵送出去的血
c. 比静脉的弹性差
d. a和b
e. b和c
新学习科学并不否认事实对于思维和问题解决的重要性。对于在某些领域（例如，国际象棋、历史、科学和数学）的专业知识的研究表明专家思考和解决问题的能力主要依赖于有关学科领域的大量知识（例如，Chase and Simon，1973；Chi et al. ，1981；deGroot，1965）。但是，这些研究也清晰地表明“有用的知识”不同于一连串无联系的事实。专家的知识是围绕重要概念而联系和组织起来的（例如，牛顿的第二运动定律）；它“有条件地”指明了知识可使用的情境；它支持理解和迁移（到其他情境），而不仅仅是记忆能力。
例如，熟悉动脉和静脉的人不仅知道上面所提及的事实，他们还理解动脉和静脉其各自的特性。他们知道从心脏流出的血是喷射而出的，动脉的良好弹性有助于适应压力的变化。他们知道来自心脏的血需要向上流动（到大脑），也需要向下流动，动脉的良好弹性使它能够担当一个单向通道角色，每一次血喷射完后就关闭，防止血的回流。由于他们理解动脉、静脉的结构与功能之间的关系，所以对此非常了解的人更可能使用他们已学习的内容来解决新问题——这表明发生了知识的迁移。例如，假如让你来设计一个人造动脉，它必须要有弹性吗？为什么？对动脉特征成因的理解表明有弹性不是必需的——或许问题解决方法是这样的：可以通过建立一个足够坚固的管道来承受从心脏喷射出来的血压，它也可以作为一个单向的通道。理解了动脉和静脉并不能保证人们能够对这个设计问题做出解答，但它却有利于人们思考问题的各种解决方案，仅凭记忆事实却很难做到这一点（Bransford and Stein，1993）。
已有的知识
对理解的强调，使之成为新学习科学的主要特征之一：新学习科学关注认知的过程（如，Piaget，1978；Vygotsky，1978）。人类被看作是由目标指引、积极搜寻信息的行动者，他们带着丰富的先前知识、技能、信仰和概念进入正规教育，而这些已有的知识极大地影响着人们对周围环境的关注以及组织环境和解释环境的方式。反过来，这也影响着他们记忆、推理、解决问题、获取新知识的能力。
即使婴儿也是积极的学习者，他们把自己的观点带入学习情境（learning setting）。他们走进的世界不是一个“乱哄哄的地方”（James，1890），不是一个任何刺激都同等重要的场所。相反，婴儿的大脑优先接受特定的信息：语言、数字的基本概念、物理特征，以及静态和动态物体的运动。从最一般的意义上说，现代学习观就是人们用他们已知道和相信的知识去建构新知识和对新知识的理解（例如，Cobb，1994；Piaget，1952，1973a，b，1977，1978；Vygotsky，1962，1978）。有一个经典的儿童故事说明了这一点，参见背景资料1.2。
背景资料1.2 鱼就是鱼
鱼就是鱼（Lionni，1970）讲的是，有一条鱼，它很想了解陆地上发生的事，却因为只能在水中呼吸而无法实现。它与一个小蝌蚪交上了朋友。小蝌蚪长成青蛙之后，便跳上陆地。几周后青蛙回到池塘，向鱼汇报它所看到的。青蛙描述了陆地上的各种东西：鸟、牛和人。这个故事呈现了鱼根据青蛙对每一样东西的描述所创作的图画：每一样东西都带有鱼的形状，只是根据青蛙的描述稍作调整——人被想象为用鱼尾巴走路的鱼、鸟是长着翅膀的鱼、奶牛是长着乳房的鱼。这个故事说明了在人们基于自己已有的知识建构新知识中，创造性的机遇和危险并存。
新知识的建构必须来源于已有知识，对这一教学观的合理引申就是教师需要关注学习者在学习给定主题时随之带来的不完整理解、错误观念和对概念的天真解释。教师还需要依据这些概念来帮助每个学生达到更成熟的理解。如果忽视学生的初始概念、观点，他们获得的理解可能与教师预期的想法大相径庭。考虑一下教师所面临的挑战：孩子们认为地球是平面的，而教师要试图帮助他们理解地球是球体的。当老师告诉孩子地球是圆的的时候，他们会把地球描绘成一个煎饼，而不是一个球体（Vosniadou and Brewer，1989）。如果再告诉他们地球是圆的，像一个球体，他们会从自己的平面地球的观念出发来理解有关球体地球的新信息，把地球描绘成一个里面或顶部像煎饼一样的平面球体，人们站在煎饼的上面。孩子们对地球所建构的新理解是与他们的地球模型相一致的，这个地球模型帮助他们解释人是怎样站在其表面上或在上面行走，球体形的地球与孩子们心理上的地球模型是不一致的。正像“鱼就是鱼”的故事一样，孩子们听到的每一件事都与他们的先前观念融合在一起。
“鱼就是鱼”不仅与儿童有关，而且与所有年龄的学习者都相关。比如，大学生经常依据他们的经验来建立有关物理学现象、生物学现象的观念，而不是依据这些现象的科学论述。我们必须让他们意识到他们的前概念，他们才能改变自己的观念（如，Confrey，1990；Mestre，1994；Minstrell, 1989；Redish, 1996）。
有关识知“建构主义”理论的一个通常的误解（利用已有知识来建构新知识）是，教师不应该直接告诉学生任何事情，相反，应该让学生自己建构知识。这一观点混淆了教育（教学）理论与识知理论。建构主义者认为不管如何教一个人，所有的知识是基于已有的知识而建构起来的（如，Cobb，1994）——即使聆听一个包含积极尝试建构新知识的演讲。“鱼就是鱼”故事（Lionni，1970）和教孩子地球是圆的的尝试（Vosniadou and Brewer，1989）都表明了，为什么简单的讲授常常不起作用。但是，在人们首先按照他们自己的想法理解问题之后，有时“讲授式教学”还是很有效的（例如，Schwartz and Bransford，出版中）。然而，教师仍然需要关注学生的理解，并在必要时给予指导。
有许多证据表明，如果教师关注学习者带到学习任务中的已有知识和观念，将这些知识当作新教学的起点，并在教学过程中监控学生概念的转化，那么就可以促进学生学习。例如，在一个市郊学校里，接受探究式物理教学的六年级学生，比起在同一个学校体系中接受常规方法教学的11年级和12年级的学生，在回答物理的概念性问题时完成得更好。另一项研究是以7至9年级的城市学生与11年级和12年级的市郊学生相比，研究表明接受探究式教学的低年级学生更好地掌握了基本物理原理（White and Frederickson，1997，1998）。为小学生开设的新课程也取得了令人鼓舞的效果：比如，一种教几何的新方法有助于2年级学生学会表征和呈现三维图形，其表征和可视化的方法远在作为对照组的一流大学学生的技能之上（Lehrer and Chazan，1998）。同样，低年级学生已学会了展示早期几何普遍性（Lehrer and Chazan，1998）和科学普遍性（Schauble et al. ，1995；Warren and Rosebery，1996）的高效方式。
主动学习
学习科学的新进展也强调帮助人们对学习进行自我调控的重要性。既然理解受到重视，那么人们就必须学会把握理解和获取更多信息的时机。人们会用什么策略来评价他们是否理解他人的意图？人们需要什么类型的证据，才能确信别人的观点？人们怎样针对现象建立自己的理论并对理论进行有效的检验？
在“元认知”的主题下，人们已经对支持主动学习的许多重要活动展开了研究，关于元认知的话题在第二、第三章有详细介绍。元认知是指人们预测他们在各种任务中表现的能力（如，他们能够记住各种刺激的程度）以及对目前的理解和掌握程度进行监控的能力（如，Brown，1975；Flavell，1973）。适合于学习的元认知方法的教学实践包括那些关注理解、自我评价和对已教授的、需要改进的内容进行反馈。这些实践表明学生将所学知识迁移到新情境、新事件的程度得到增强（如，Palincsar and Brown，1984；Scardamalia et al. ，1984；Schoenfeld，1983，1985，1991）。
假设有三位教师，他们的教学影响着学生是否学会调控他们自己的学习（Scardamalia and Bereiter，1991）。第一位教师的目标是让学生完成作业；通过他的监督、检査学生所完成作业的数量和质量来达到这个目标。他的重点在于活动，从过时的作业到最流行的太空时代项目等任何一种活动。第二位教师对学生开展活动时所学到的内容负责。第三位教师也不例外，但是他增加了学习目标——不断地把更多的学习过程交给学生。当你走进教室时，不能立即分辨出这三种类型的教师。或许你会看到学生们以小组为单位，制作视频或多媒体演示。你可能发现老师从一个小组走到另一个小组，检查学生作业的进展情况，解答学生的问题。然而，经过几天的教学，第一位教师和第二位教师的差别开始显现。第一位教师将重点完全放在完成作业的过程和所完成的作业（作品）上——学生是否参与了、每个学生是否得到平等的待遇和他们是否出色地完成了作业。第二位教师也参与了整个过程，但他还关心学生从经历中所学到的知识，并采取措施确保学生消化所学的内容，而不仅仅是关注学生的表现。但是，为了区分第二位教师和第三位教师，你可能需要回到媒体制作项目的过程。它首先引发了什么？它是否从一开始就被认为是一个学习活动？或者是否从学生致力于建构自己的知识开始才算是学习活动？在第三位教师的教室里有一个引人注意的例子，学生们一直在研究蟑螂，通过阅读、观察，他们对蟑螂是如此的了解，以至于他们想与学校的其他班级分享所学到的知识；于是他们就制作出一盘录像带供其他班级学习（Lamon et al. ，1997）。
因此，在看上去是相同的学习活动中所蕴藏着的差异是相当深远的。在第一位教师的教室里，学生在学习有关媒体制作方面的内容，但媒体制作很可能从学习其他方面的途径中学到。在第二位教师的教室里，教师的教学在于确保达到活动的初始教育目的，它不把教学仅仅沦为一个媒体制作练习。在第三位教师的教室里，媒体制作与学习相伴，而且是学习的直接结果，学习体现在媒体制作中。第三位教师的大部分教学工作在媒体制作的观念产生以前就已经完成了，他所要做的只是帮助学生在做项目时始终看到他们的学习目的。
这三位假设的教师是抽象的模型，当然仅仅部分地与真实的教师相符合，有时更像真实的教师。然而，我们从中粗略地看到了重要的事实——学习目标与教学实践之间的联系会影响学生达到学习目标的能力。
教育的含义
综上所述，新学习科学正开始提供知识来显著地提髙人们成为主动学习者的学习能力，这样，人们就可以探寻对复杂学科知识的理解和为把所学的知识迁移到新问题、新情境做好充分的准备。要做到这一点是一个巨大的挑战（例如，Elmore et al. ，1996），但并非空中楼阁。新兴的学习科学强调反思，即反思教什么、如何教、如何评价学习，这些理念在整个报告中会逐步展开。
一个不断发展的科学
本书综合了学习的科学基础。科学成果包括对如下要点的更全面理解：（1）记忆和知识的结构；（2）问题解决和推理；（3）学习的早期基础；（4）对学习的调控过程，包括元认知；（5）如何从学习者的文化和所在群体中产生符号思维。
反映学习能力的这些关键特征并非是对人类认知和学习的深挖细究。人们所了解的对学习的某些方面起指导作用的原理并不能完全涵盖支配所有学习领域的全部原理。虽然科学基础本身不是肤浅的，但是它表示了人们只在某个层面上完整地理解了该学科。正如本书所反映的，我们仅仅对学习的某些方面进行了深入的研究，诸如交互技术这样新兴领域（Greenfield and Cocking, 1996）是对以前研究的挑战性概括。
随着科学家持续地研究学习，出现了一些新的研究步骤和研究方法，这可能会动摇目前的学习理论观点，例如计算建模研究。科学研究涉及到学习、记忆、语言和认知方面的广义的认知和神经科学问题。例如，并行分布式处理研究（McClelland et al. ，1995；Plaut et al. ，1996；Munakata et al. ，1997；McClelland and Chappell，1998）把学习看作是通过参与的神经元间的适应连接而发生的。这项研究被设计用来开发明确的计算模型，以修改和扩展基本原理，并且通过行为实验、计算机模拟、功能性的大脑成像和数学分析将这个模型应用于大量的研究问题。因此，这些研究有利于改进理论和实践。新模型还包括了成人阶段的学习，为科学的知识基础增添了一个重要的维度。
主要发现
本书提供了有关学习与学习者和教师与教学的主要研究概述。下面强调了三个发现，原因在于它们是支持上述方面的坚实的研究基础，而且也对我们如何教学具有重要的意义。
学生带着有关世界如何运作的前概念来到课堂。如果他们的初期理解没被卷入其中，那么他们也许不能掌握所教的新概念和信息，否则他们会为了考试的目的而学习它们，但仍会回到课堂之外的前概念。
有关早期学习的研究表明理解世界的过程开始于婴幼期。儿童在学前开始发展他们对周围现象的复杂理解（不管正确与否）（Wellman，1990）。这些初期的理解对新概念和信息的整合具有强大的影响。有时候，这些理解是正确的，提供了建构新知识的基础。但有时它们是不正确的（Carey and Gelman，1991）。在科学上，学生常常具有对不能容易观察的物理特征的错误概念。在人文科学上，他们的前概念常常包括刻板印象或简单化，如历史被理解为好人与坏人之间的争斗（Gardner，1991）。有效教学的主要特征就是从学生那儿抽取出所教学科知识的前拥理解和提供建构——或挑战——初期理解的机会。敏斯屈儿（James Minstrell）是一个中学物理教师，他描述了如下的教学过程（Minstrell，1989：130 -131）：
学生有关力学的初期观念像一根根纱线一样，有些毫不相关，有些松散地混杂。教学行为被看作是帮助学生拆开单独的观念之线，标记它们，然后把它们编织到一个更完整理解的结构中。教师可以通过帮助学生区分他们的现有观念和把它们整合到更像科学家所具有的理性信念中，这种教学方式更好，它不是拒绝观念的相关性。
儿童带入课堂的理解在早期就已经很强大。例如，人们发现一些儿童通过把圆形地球想象为煎饼形状来坚持地球是平坦的前概念（Vosniadou and Brewer，1989）。对这个新理解的建构是由一个帮助儿童解释人们如何在地面上站立或行走的地球模型来引导的。许多年幼的儿童很难放弃八分之一大于四分之一的观念，因为八比四大（Gelman and Gallistel，1978）。如果儿童是白板，告诉它们地球是圆形的或四分之一大于八分之一应该是足够的。但是由于他们已经具有有关地球和数字的概念，那么必须直接考虑这些概念以便转变或扩展它们。
抽取前拥理解并与前拥理解打交道对任何年龄的学习者都是重要的。许多研究实验表明年长学生中对前拥理解的固执甚至延续至教了与幼稚理解相矛盾的新模型之后。例如，在一个对来自杰出的、科技型学院的学物理的学生的研究中，安德烈亚•迪塞萨（Andrea DiSessa）（1982）教他们玩一个计算机游戏，这个游戏需要他们指挥一个被叫做动态海龟的计算机模拟物体，以便海龟能够击中目标，并且需要他们在碰撞中用最小的速度来完成这个游戏。游戏开始前，实验者向参与者介绍这个游戏，让他们动手尝试，用小木棍击打几次桌上的网球。同样的游戏也让小学生来玩。迪塞萨发现两组学生都惨淡失败了。要想获得游戏的胜利，应该表现出对牛顿运动定律的理解。尽管他们都经过培训，大学学物理的学生像小学生一样，直接瞄准目标上运动的动态海龟，而没有考虑动力。对参与这项研究的一个大学生的进一步调查发现，她知道相关的物理特征和公式，但是在游戏的情境中，她却重回物理世界是如何运作的未经培训的概念上。
各种年龄的学生都坚持季节是由地球与太阳的距离而不是地球的倾斜引起的观念（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，1987），或者他们认为一个已拋到空中的物体具有重力和施加于物体之上的手的拋掷力，尽管他们已参与培训去接受与此相反的观念（Clement,，1982）。为了使科学理解替换幼稚理解，学生必须把幼稚理解呈现出来，并有机会了解它们的缺陷。
为了发展在探究领域的能力，学生必须（a）具有事实性知识的深入基础，（b）在概念框架的情境中理解事实和观念，和（c）用促进提取和应用的方式组织知识。
这个原理来自比较专家和新手的表现的研究和对学习和迁移的研究。不管是哪个领域，专家总是利用极其丰富的结构化信息基础；他们不仅仅是“优秀的思考者”或者“聪明人”。有些能力，如规划任务、注意模式、生成有道理的论点和解释以及与其他问题类比，都与事实性知识更紧密地联系起来，超过以前所认为的那样。
但是拥有大量不相关的事实性知识是不够的，为了发展在探究领域的能力，学生必须要有理解性学习的机会。对学科知识的深人理解可以把事实性信息转换成有用的知识。专家与新手之间一个明显的差异就是专家掌握了形成他们对新信息理解的概念：这允许他们看清对新手而言不是显而易见的模式、关系或差异。他们不必拥有超越其他人的更好的全面记忆力。但是他们的概念性理解使他们可以从对新手而言不明显的信息中抽取出一层意义，这有助于他们挑选和记住相关的信息。专家也能够顺畅地获得相关的知识，这是因为他们对学科知识的理解允许他们快速地辨识什么是相关的。因此，他们的注意力不会因复杂事件而超负荷。
在中小学教育的大多数研究领域中，学生从新手开始；他们具有有关所学学科的非正规观念，并且他们所获得的大量信息会发生改变。教育事业可以被看作在更正规的理解（或更多的专业知识）的引导下促进学生理解。这就需要深化信息基础和发展学科知识的概念框架。
地理可以被用来表明专业知识围绕支持理解的原理而组织的方式。学生可以通过记忆州、城市、国家等来学会在地图中填空，并高度精确地完成这一任务。但是如果边界被移除，问题就变得困难得多，没有了支持学生已有信息的概念。理解了边界形成的原因的专家会容易地胜过新手，这些原因包括自然现象（像大山或水体）、分离的人和大城市常常在允许交易的地方产生（沿河流、大的湖泊和沿海港口）。越是从概念上理解了城市的需求和吸引人们去那里的资源基础，地图就会变得越有意义。如果他们所教的地理信息被置于适当的概念框架中，学生就会变得更有经验。
学习和迁移文献中的主要发现是把信息组织成可以更多“迁移”的概念框架；也就是它让学生把所学的知识应用于新情境和更快速地学习相关的信息（参见背景资料1. 3）。以概念框架方式学会了美国地理信息的学生可以用有助于引导对新信息获取的问题、观念和期望来解决学习全球其他部分的地理的任务。理解密西西比河在地理上的重要性为学生理解尼罗河在地理上的重要性打下了基础。当强化了概念，学生可以把学习迁移至课堂外，例如观察和探究一个已参观的城市的地理特征，从而有助于解释它的位置和大小（Holyoak，1984；Novick and Holyoak，1991）。
背景资料1.3 将标枪投掷到水中
有一项著名的早期研究，它把学习一个过程的效果与理解性学习加以比较，在此项研究中，两组儿童练习将标枪投掷到水中的一个目标（在Judd，1908中描述；参见由Hendrickson和Schroeder，1941的概念复制品）。一组儿童学习了有关光的折射的解释，知道了光的折射导致目标的明显位置具有欺骗性。另一组只是练习投掷标枪，没有任何解释。两组儿童在进行水下12英寸目标的练习任务中做得同样好。但是已接受抽象原理教学的小组在他们必须迁移至一个目标仅是水下4英寸的情境时做得更好。因为该小组接受了有关光的折射的教学，他们理解了自己正在做的事情，所以能够根据新任务调节他们的行为。
教学的“元认知”方法可以帮助学生通过定义学习目标和监控达到目标的学习过程来学会控制他们自己的学习。
在与专家一起工作的研究中，专家被要求描述他们工作时的思考，研究揭示了他们可以仔细地监控自己的理解，会记录针对理解何时需要去获取额外的信息、新信息是否与他们已知的内容保持一致以及做什么样的类比可以促进他们的理解。这些元认知监控活动是所谓的适应性专业知识的重要组成部分（Hatano and Inagaki，1986）。
由于元认知常常采用内部对话的形式，因此人们容易认为个体会发展自己的内部对话。但是我们用以思考的许多策略反映了文化规范和探究方法（Hutchins，1995；Brice-Heath，1981，1983；Suina and Smolkin，1994）。研究已表明我们可以把这些策略教给学生，包括预测结果的能力、向自己解释以改进理解的能力、记录理解上失败方面的能力、激活背景知识的能力、预先规划的能力以及分配时间和记忆的能力。比如，交互式教学（Reciprocal teaching）是一种用来提高学生阅读理解的技术，帮助他们在阅读过程中说明、阐述和监控他们的理解（Palincsar and Brown，1984）。使用元认知策略的模型最初由教师提供，在学生学习使用这些策略时他们练习和讨论策略。最终，学生能够在没有老师支持的情况下提示自己并监控他们自己的理解。
元认知活动的教学必须结合到学习所学的学科知识中（White and Frederickson，1998）。这些策略不是跨越不同学科的一般性内容，把它们作为一般性内容来教学的尝试会导致迁移的失败。在情境中教授元认知策略已经表明可以改进在物理（White and Frederickson，1998）、写作（Scardamalia et al. ，1984）和数学问题解决的启发方法（Schoenfeld，1983，1984，1991）方面的理解。元认知实践已经表明可以提高学生迁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）。
这里的每一种技术共享着对过程进行教学和建模的策略，即产生不同的方案（形成写作中的一个想法或者支持解决数学问题的策略）、在帮助达到目标和监控达到目标的过程中评估它们的优点。使用课堂讨论可以支持以独立性和自我调控为目标的技能发展。
教学的含义
以上所描述的三个核心原则，虽然它们看上去简单，但是对教学事业和教师培养具有深刻的意涵。
教师必须抽取前拥理解并与学生带来的前拥理解打交道。这就需要：
把儿童当作是用教师提供的知识来填满的空容器的模型必须替换。与此相反，教师必须积极地探究学生的思维，创建可以揭示学生思维的课堂任务和条件。这样，学生的最初概念可以提供对建构学科知识的更正式理解的基础。
评价的作用必须拓展，超越传统的测试概念。使用经常性的形成性评价有助于学生把他们的思维展示给自己、他们的同伴和他们的教师。这就提供了修改思维和提炼思维的反馈。考虑到理解性学习的目标，评价必须利用理解而不仅仅是重复事实或实施孤立技能的能力。
教育学院必须向初任教师提供学习的机会：（a）承认学生可预见的前概念，它们使特定学科知识的掌握具有挑战性，（b）抽取出不可预见的前概念，和（C）与前概念打交道，以便儿童依据它们建构知识、挑战它们，并在适当的时候替换它们。
教师必须深度地教授一些学科知识，提供相同的概念在其中运作的许多范例和提供事实性知识的坚实基础。这就需要：
必须用少量主题的深度覆盖去替换学科领域中对所有主题的表面覆盖，这些少量主题使得学科中的关键概念得以理解。当然，覆盖的目标不必被完全放弃。但是必须有足够数量的深度研究案例让学生掌握学科中特定领域的界定概念。此外，一个领域中的深度研究常常需要学生在将非正规的观念转变为正规的观念前携带观念超过一个学年，这就需要在整个学年中积极协调课程。
教师必须带着他们自己对学科领域深度研究的经验来教学。在教师能够开发强大的教学工具前，他必须熟悉探究的过程和学科中的对话术语，以及理解信息与概念之间的关系，而概念则有助于组织学科中的信息。但是同样重要的是，教师必须把握学生对这些概念进行思考的成长和发展。后者对发展教师的专业知识而不是学科中的专业知识来说是很重要的。因此，它需要专为教师设计的课程或课程补充。
问责制目的的评价（例如，全州范围的评价）必须测试学生对知识的深刻理解而 不是表面知识。评价工具往往是通过其去追究教师责任的标准。如果一位教师被要求针对深刻的概念性理解来教学，那么他就陷入困境，这样做会产生在标准化测试中表现更糟糕的学生。除非新的评价工具与新的教学方法相一致，否则后者就不可能调动来自学校和有选举权的家长的支持。这一目标很重要，正如它很难实现一样。标准化测试的形式可以有助于测量事实性知识而不是概念性理解，但是它也有助于产生客观的分数。对理解深度的测量会引起对客观性的挑战，我们需要做大量的工作，使评价深度和客观性的评价之间达到平衡。
元认知技能的教学应该整合到各种学科领域的课程中。由于元认知采取内部对话的形式，许多学生可能没有意识到它们的重要性，除非教师明确强调这些过程。对元认知的强调需要伴随每个学科中的教学，这是因为所需的监控类型会发生变化。例如，在历史学科中，学生可能会问自己，“谁写了这个文档，这对事件的解释有何影响？”而在物理学科中，学生可能监控他对潜在发生作用的物理原理的理解。
将元认知的教学与基于学科的学习整合可以提高学生的学业成绩并发展学生独立学习的能力。它应该有意识地结合各种学科和不同年龄水平。
发展强大的元认知策略和学习在课堂环境中教授这些策略应该是教育学院的课程的标准特征。
研究证据表明当这三个原理融合到教学中，学生的成绩就能提高。例如，用于在互动计算机环境中教授物理的“思考者工具课程”（Thinker Tools Curriculum）关注了基本的物理概念和特征，允许学生测试他们在建立模型和开展实验活动过程中的前概念。这个程序包括有助于学生监控他们在探究过程中所处位置的一个“探究循环”，这个程序询问学生的反思性评价和允许他们回顾对同伴学生的评估。在一项研究中，用“思考者工具”学习物理的市郊学校的六年级学生在解决概念性的物理问题上胜过同一所学校用传统方式学习物理的十一年级学生和十二年级学生。另一项研究再次将七至九年级的城市学生与十一、十二年级的市郊学生比较，说明用探究方法教学的低龄学生更好地掌握了物理的基本原理（White and Frederickson，1997，1998）。
将有序带向混沌
强调人是如何学习的优势在于它有助于将有序带向看上去有杂音的选择上。考虑一下在教育圈和媒体中有争议的许多可能的教学策略。图1. 1用图示描述了它们：讲授式教学、文本式教学、探究式教学、技术增强式教学、围绕个人组织教学与围绕合作小组组织教学，等等。这些教学技术是否比其他更好呢？讲授法是否像许多人声称的那样是一个拙劣的方法呢？合作学习就有效吗？使用计算机（技术增强的学习）的尝试是有助于提高还是降低学业成绩？
图1.1利用人是如何学习的知识，教师可以从完成特定
目标的方法中更有目的地进行选择。
本书指出以下这些都是错误的问题。问哪一种教学方法最好与问哪一种工具最好是类似的——榔头、螺丝刀、刀或钳子。在像木匠活一样的教学中，挑选工具依赖于手边的任务和所使用的材料。书籍和讲授可以是用于学习、激起想像力、磨练学生的批评性能力和传输新信息的很有效的模式——但是人们会选择其他类型的活动来抽取学生的前概念和理解水平，或者帮助他们看到使用元认知策略来监控他们学习的力量。动手实验可以是为自然而然产生的知识提供依据的有力方法，但是他们并不会单独引发人们对有助于归纳的基本概念的理解。总之，不存在普适性的最好的教学实践。
如果出发点是一组核心的学习原理，那么教学策略的选择（当然是中介的，根据学科知识、年级水平和期望的结果）可以是有目的的。这样，许多可能性就可以成为教师从中建构教学流程的一组丰富的机会，而不是一堆混乱的竞争性选择。
关注人是如何学习也会帮助教师超越已困扰教育领域的二元对立。这样的一个问题就是学校是否应该强调“基本”，还是应该强调教授思维技能和问题解决技能。本书表明这两者都是必要的。当学生与有意义的问题解决活动联系起来、当帮助学生理解这些事实和技能为什么相关、何时相关和怎样相关时，他们获取几套已组织的事实和技能的能力实际上得到了增强。没有强大的事实性知识基础来教授思维技能的努力不会促进问题解决能力或者支持向新情境的迁移。
设计课堂环境
本书第六章提出了一个有助于设计和评价可以优化学习的环境的框架。利用了上述讨论的三个原理，它假定了需要培育的四个学习环境的相关属性。
学校和课堂必须是学习者中心的。教师必须密切关注学生带入课堂中的知识、技能和态度。这与已讨论的有关学科知识的前概念结合，但是也包括更广泛地理解学习者。例如：
文化差异会影响学生合作学习与独立学习的舒适水平，它们反映在学生带入新学习情境的背景知识中（Moll et al. ，1993）。
学生对智慧意味着什么的观点会影响他们的表现。研究表明认为智慧就是固定实体的学生更可能以表现为导向而不是以学习为导向——在学习中他们想要看上去成功而不是冒犯错的危险。当任务变得困难时，这些学生尤其可能放弃。相反，认为智慧是可塑的学生更愿意与挑战性任务抗衡，他们更从容地与风险相处（Dweck，1989；Dweck and Legget，1988）。
在学习者中心的课堂中的教师也要密切关注每个学生的个体发展和设计适当的任务。学习者中心的教师要向学生呈现“刚刚能处理的难题”，即足够的挑战性以维持参与，但是不要太难导致学生气馁。因此，他们必须理解学生的知识、技能水平和兴趣（Duckworth，1987）。
为了提供知识中心的课堂环境，必须关注教什么（信息、学科知识）、为什么教（理解）和掌握什么能力。正如前面提及的，以下几章中讨论的研究明确地表明专业知识包括支持理解的精心组织的知识，并且理解性学习对于发展专业知识很重要，这是因为它使得新学习更轻松（如支持迁移）。
理解性学习往往比简单记忆更难取得成功，而且它更费时。许多课程不能支持理解性学习，原因在于他们在较短时间内呈现了太多的彼此不相联系的事实——即“一英里宽一英寸深”的问题。测试经常强调记忆而不是理解。知识中心环境提供了研究的必要深度，评估学生的理解而不是事实性记忆。它要与进一步促进未来学习的元认知策略教学结合起来。
知识中心的环境也看上去超越了参与，而参与是成功教学的主要指标（Prawaf et al. ，1992）。学生的兴趣和参与任务显然是重要的。然而，它并不保证学生将习得支持新学习的那种知识。鼓励动手做的任务和项目与那些鼓励理解性做的任务和项目存在重要的差别；知识中心的环境强调后者（Greeno，1991）。
形成性评价——设计用来将学生的思维呈现给教师和学生的持续的评价——是很重要的。它们让教师去把握学生的前概念、理解学生在从非正式到正式思维的“发展性通道”中所处的位置并相应设计教学。在评价中心的课堂环境中，形成性评价有助于教师和学生监控学习过程。
在课堂中，评价的一个重要特征是它们是与学习者友好的：它们不是那种前一晚要记忆信息的周五测验，也不是那种给学生评分并根据同班同学的分数进行排名次的测验。而是这些评价应该给学生提供修改和改进思考的机会（Vye et al. ，1981b），帮助学生看到经过几周或几个月他们自己的进步，帮助教师识别需要补救的问题（没有评价，问题可能没法显现）。例如，一个研究民主原则的中学班级，可能看到这样的一个情景，一群侨民刚刚在月球上定居，他们必须建立一个政府，来自学生的有关对这类政府的界定特征的提案以及他们对政府建立过程中所预见的问题的讨论，都向教师和学生展现了学生思维更进步和更退步的方面。这个练习不是一个测验，而是一个指示器，它显示了探究和教学应该聚焦的方面。
学习以基本的方式受发生于其中的情境的影响。共同体中心的方法需要开发用于课堂或学校的规范和建立与校外世界的联系，以支持核心的学习价值观。
在课堂中建立的规范对学生的成绩有强大的影响。在有些学校，规范被表达为“没被发现不知道某事”。其他人鼓励学术冒险和犯错误、获得反馈和更正的机会。显然，学生要展现他们有关学科知识的前概念、他们的疑问以及他们走向理解过程中的进步，学校的规范应该支持他们这样做。
教师必须参与设计课堂活动和帮助学生用促进智能情谊和态度的方式组织他们的活动，这种智能情谊和态度是面向建立共同体感的学习的。在这样的共同体中，学生会相互帮助解决问题，他们通过建构各自的知识、提出问题以澄清解释和对推动小组面向目标不断进步提出建议（Brown and Campione，1994）。问题解决中的合作（Evan，1989；Newstead and Evans，1995）和在这样一个智能共同体中学生的争论（Goldman，1994；Habermas，1990；Kuhn，1991；Moshman，1995a，1995b；Salmom and Zeitz，1995；Youniss and Damon，1992）可以增强认知发展。
必须让教师建立学习者共同体并鼓励他们建立学习者共同体（Lave and Wegner，1991）。这些共同体可以建立一种质疑而不是寻求答案的舒适感，而且他们能够发展起一个依赖个体成员的贡献创建新观念的模型。他们能够产生一种学习的兴奋感，然后这种兴奋感迁移到课堂，在他们把新观念应用于理论和实践时赋予新观念的主人翁感。
学校还需要开发课堂学习与学生生活其他方面相联系的方法。使家长支持核心学习原理和家长在学习过程中的参与是极其重要的（Moll, 1990；1986a，1986b）。图1. 2说明了在一个学年中，在大型学区中的学生在学校度过的时间百分比。如果他们校外时间的三分之一花在观看电视上，那么显然学生每年观看电视花费的时间会超过上学所用的时间。只关注学生目前在校所用时间会忽视许多在其他情境中开展引导性学习的机会。
将设计框架应用于成人学习
以上总结的设计框架假定学习者是儿童，但是这些原理同样适用于成人学习。这点尤其重要，原因在于将本书的原理与教育实践结合将需要大量的成人学习。教授成人的许多方法一贯地违反了优化学习的原理。例如，教师的专业发展计划往往如下：
不是学习者中心的。不是询问教师需要哪些帮助，仅仅期待他们参加预先安排的工作坊。
不是知识中心的。只是向教师介绍一些新方法（像合作学习），而没有给教师一些机会去理解为什么、何时、何地和如何做对他们可能是有用的。尤其重要的是需要把所教的课程的活动结构与课程内容相整合。
不是评价中心的。为了让教师改变他们的实践，他们需要在他们的课堂中尝试和获得反馈的机会。大多数的专业发展机会没有提供这些反馈。此外，他们往往关注于作为目标的教学实践的改变，但是却忽视发展教师一些能力，即判断将技能成功迁移至课堂的能力或者判断技能对学生成绩产生影响的能力。
不是共同体为中心的。许多专业发展的机会是单独进行的。当教师将新观念融合到他们教学中去时，持续的联系和支持机会很有限，但是如果可用适当设计的工具和服务，如快速普及的因特网访问就提供了保持这种联系的现成途径。
学习的原理和它们设计学习环境的意涵同样适用儿童和成人学习。它们提供了用以考察当前实践的透镜，考察是根据中小学教学以及根据研究与发展议程中教师的培养来进行的。当我们考虑诸如政策制定者和公众的其他群体时，这些原理同样相关，因为这些群体的学习也需要针对教育实践而改变。