本科毕业设计（论文）
外文翻译
应用学习科学对未来科学教师的教育
作者：何塞·梅斯特拉 罗德尼·R·考金
国籍：美国
出处：高中科学教育中的问题：比较视角
中文译文：
有效教师需要“教学内容知识”知识尤其是关于如何教学科,这是不同于一般教学方法的知识。专家教师知道他们学科的结构，这为他们提供了认知路线图，指导他们给学生的作业，他们用来衡量学生进步的评估，以及他们在课堂生活中提出的问题。(布兰斯福德，布朗，科金1999,18)
在过去的二十年里，认知研究在帮助我们理解学习过程方面取得了巨大的进步。从对学习的研究中得出的发现指向了在结构上应该有效的成分，这不足为奇。也许对学习研究最好的综合研究包含在国家研究委员会/国家科学院(NRC/ NAS)最近的一份报告中，题为《人们如何学习:大脑、思维、经验和学校》(Bransford, Brown, and Cocking 1999)。这份报告超越了综合分析，并提供了学习研究如何应用于教学的例子。在这一章中，我们简要回顾了关于学习的研究，并讨论了学习对未来科学教师培养的影响。
一、有关教与学科学的研究成果综述
（一）专业知识的本质
关于知识获取、存储和应用于解决问题的许多知识都来自于对从事解决其专业领域问题的专家的研究。专家拥有广泛的知识，这些知识具有高度组织性，并能有效地被用于解决问题，因此认知科学家专注于描述专家知识的组织、获取、检索和应用(参见Bransford, Brown, and Cocking 1999的第2章)。专家知识的组织是层次化的，层次结构的顶层包含领域的主要原则和概念；而辅助概念、相关事实和等式占据知识金字塔的中下层(Chi和Glaser 1981;格拉泽1992;拉金1979;城区1994)。由于他们的知识具有高度组织性，专家能够快速有效地获取他们的知识。此外，应用主要原则和概念的过程与这些原则密切相关，当主要原则在记忆中被访问时，只需要相对较少的认知努力就可以检索到这些过程。这一功能使专家能够把他们的认知努力集中在分析和解决问题上，而不是在记忆中寻找解决问题所需的适当“工具”。由于拥有有效的知识组织结构，专家会花费相对较少的努力来学习更多关于其专业领域的知识，而且新知识与现有知识结构相结合，并具有适当的链接，这使回忆和检索相对容易。
专家解决问题的方法也与新手不同(Chi, et al. 1981)。例如,当被要求对问题进行分类(根据相似的解决方案没有解决)时,专家根据可用于解决问题的主要原则进行分类，而新手根据问题的表面属性进行分类（例如，根据问题陈述中出现的对象或术语）。当被要求陈述他们将用来解决具体问题的方法时，专家们讨论他们将应用的主要原则，为什么该原则可以应用于问题的理由，以及应用该原则的程序。专家(熟练的学习者)对问题空间进行系统的搜索和探索。相反，新手会立即跳到生成解决方案。
本研究建议，在教学过程中应明确专家用来解决问题的隐性知识，学生在解决问题时应实际运用这些知识(不再是隐性知识)。然而，如果有人认为学习者是通过构建知识来学习的(参见下一节)，仅仅告诉学生主要思想是如何应用于问题并不能实现这一点。学生们需要投入到应用中去，思考大的想法与解决特定问题的关系，这样它们才会成为有用的解决问题的工具。
（二）当前学习观
当代的学习观认为，个人积极地构建他们所拥有的知识优势(参见，例如Mestre和Cocking 2000)。构建知识是一个终生的、需要学习者投入大量精力的过程。与“以现成的形式吸收知识”的学习观相反，“建构知识”观对教学有两个重要的启示。其中一个含义是，个人已经拥有的知识会影响他们学习新信息的能力。新知识与常住知识发生冲突时，新信息对学习者来说就没有意义了，而且往往构建(或容纳)的方式不利于长期记忆或解决问题的应用(Anderson 1987;朔伊布勒1990;雷斯尼克1983;Glasersfeld 1989)。例如，当相信地球是平的孩子们被告知地球是圆的时候，他们把这个概念理解为它像煎饼一样圆，人们站在煎饼上面(Vosniadou和Brewer 1992)。当后来被告知地球不是圆的像煎饼，而是圆的像一个球，孩子们想象一个球上面有煎饼，人们可以站在上面(毕竟，孩子们的理由是，如果站在一个球的一边，人就会掉下来!)因此，建构主义学习观强调先验知识和意义建构。
第二个含义是，促进知识建构的教学策略应该比不促进知识建构的教学策略更受欢迎。有时，这种状态被解释为我们应该放弃所有的讲课，采取指导策略，让学生积极参与到他们的学习中去。尽管后一个目标是可取的，但前者是一种过度反应。诚然，在适当的条件下，讲课是帮助学生学习的一种非常有效的方法，但大规模的讲课并不是让学生在课堂上从事知识建构的主要手段。因此，学生讨论科学、做科学、互相教授科学、提供问题解决策略以供同行评价的指导方法将有助于科学知识的建设。
（三）专业知识和教学之间的关系
专业知识是教授一门学科的必要条件，但不是充分条件。一个有效的教师还拥有丰富的“教学内容知识”，包括关于学生所经历的困难类型的知识，学生为达到理解而必须经过的典型路径，以及帮助学生克服学习障碍的潜在策略，所有这些都是与学科相关的(Bransford, Brown, and Cocking 1999)。教学内容知识也不同于一般教学方法的知识，一般教学方法通常在科学学科之外的“方法”课程中讲授。例如，在物理这门孤立的课程中，很难教授那些最适合教授特定主题的作业类型，最适合衡量学生进步和指导教学的评估类型，以及如何组织课堂讨论以突出和阐明新思想，以及如何将它们整合到学生的知识结构中。简而言之，这一学科的知识与教学的教学方法之间存在一种相互作用，对于经验丰富的教师来说，这一作用产生于指导教师教学的“认知路线图”。
（四）评估服务于学习
评估是大多数大学理科课程中进行的，目的是为了总结学生所学到的知识，以便给学生打分。这是总结性评价。有人错误地认为总结性评价就代表学生的能力。形成性评价在科学课堂上，尤其是大型讲座课程中，缺失较多，其目的是在学习过程中向学生和教师提供反馈，使学生有机会修改和提高自己的思维质量，教师可以对教学进行适当的调整。在科学课上使用形成性评估的最大障碍可能是，教师缺乏以一种不唐突的、与教学无缝衔接的方式使用持续形成性评估的技巧。大多数老师都尝试过向学生提问和举手示意的传统方法，但效果并不好，因为很少有学生会参与举手提问，学生对比在承认自己可能不知道答案时，他们更愿意保持匿名。但是，在教学过程中忽视学生目前的理解水平是危险的，因为对学习的研究表明，所有新的学习都取决于学习者先前的学习和当前的理解状态。
在小班教学中，形成教师与学生之间的双向沟通并不难。例如，Minstrell(1989)完善的一种非常有效的小班物理教学方法是由老师主导课堂讨论。学生提供他们的推理给整个班级来考虑(以及老师)，课堂形式在某种程度上采取学生之间辩论的形式，老师作为讨论的主持人，通过提出精心设计的问题将讨论引向特定的方向。在大型注册班级中，新的课堂交流系统允许学生在概念或数量问题上进行协作，通过计算器类型的键盘输入答案，然后查看全班同学的回答，并以柱状图的形式进行讨论(参见第7章，Bransford, Brown, and Cocking 1999)。柱状图是课堂讨论的一个跳板，在这个过程中，学生们自愿说出导致特定答案的推理，而全班其他人则对这些论点进行评估。教师主持讨论，以确保学生的观点能得到适当的理解。
（五）在不同的语境中灵活运用知识
迁移是指将在一个环境中所学的知识应用到新问题或新情况的能力，这用传统的教学方法很难实现(Bransford, Brown, and Cocking 1999)。迁移是教师要牢记的一个重要目标，因为它在本质上是使学习持久的东西。科学老师经常抱怨学生没有把他们在数学课上学到的知识应用到科学课上。研究一致证实，转移并不容易完成。
学习的五个特征是否会影响迁移，以及学习情境是否会促进迁移，科学研究证据表明，(参见第3章，Bransford, Brown, and Cocking 1999):(1)学习的数量明显影响知识是否可以迁移，这取决于(2)任务的时间和(3)学生学习材料的兴趣和动机。(4)学习知识的环境对促进迁移也至关重要;如果知识只在一个环境中学习，那么新知识就不太可能转移到其他环境中。这意味着，随着新知识的学习，学生应该在考虑应用新知识的多种情境以及将新知识与之前所学的知识联系起来时得到帮助。(5)最后，新学习涉及从以前的学习中转移，以前的学习可能会干扰适当地将知识转移到新环境的能力(关于“先入为主”或“替代概念”的科学教育研究文献就是一个典型的例子)。
二、元认知
（一）思考:成为一个反思性的学习者
通过教导学生使用基于元认知领域研究的元认知策略(见第2章，Bransford, Brown和Cocking, 1999)，可以提高在新环境中使用知识的能力——转移——而不依赖于明确的提示。元认知策略是指帮助学习者更清楚地意识到自己是学习者的技术(例如，他们监控自己理解的能力)。作为一名学习者，这种自我意识包括与学习者的反思相关的各种自我调节行为:计划、监控成功的能力，在适当的时候纠正错误的能力，以及评估自己是否准备好在正在学习和努力理解的领域取得高水平成绩的能力。反思自己的学习是元认知的一个重要组成部分，由于缺乏反思思考的机会和时间，以及教师没有强调反思的重要性，反思自然不会发生在科学课堂上的(或在许多学习情境中)。经常听到理科生说，“我被困在这个问题上了”，但是当被要求更具体地描述这种“停滞不前”的情况时，学生们不知道是什么问题让他们困惑，他们经常只是重复说，他们只是被困住了，无法继续下去。学生似乎没有意识到自己是学习者。然而，如果在教学过程中，老师花时间建议学生思考为什么以及告诉他们如何反思他们的学习，那么出现“停滞”的情况就会少一些，因为学生们学会了找出自己遗漏了什么，从而能够继续学习。“反思时间”本身就是学生学习的一个模式——为了学习思维过程需要周期性地巩固，而且作为学习者，他们偶尔需要评估自己的工作进展如何。
（二）关于做:选择已学过的技能
第二种元认知是学习反思过去学习的解决问题策略的类型。第一种元认知，如前一段所述，关注的是作为自我监控学习者的自己，同时也有一个元层面来理解如何选择解决问题的策略。也就是说，思考策略以及如何选择策略来解决问题与学生对可能性的更深入理解有关——这是一种面向选择和应用的深思熟虑的行为。库恩(2000)的研究表明，理解为什么特定的策略比其他策略更可取，对于决定是否使用可用的策略起着至关重要的作用。库恩认为，一旦老师和其他支持(群体中的同伴)不在，这种元水平的理解在学生维持自己的学习管理和解决问题方面发挥着关键作用。让学习持久的是监控自己思维的能力，包括从过去所学策略的知识库中进行选择。许多教育方法的主要限制是不能转移，因为它们不注重对策略的深刻理解和应用，也不注重如何在学生中发展这些知识(库恩 2000)。
（三）主动反思型学习者
在偏离教育学规范的科学课程中，培养反思自身学习(和思考过程)的习惯至关重要。尽管有研究证据表明，学生在积极参与的情况下学习效果最好，但讲座形式是大多数未来科学教师在大学培训中所经历的教学模式，这种形式鼓励被动记笔记。更糟的是，记笔记经常被老师和学生视为“积极参与”。“那些试图让学生合作学习的课程，或者尝试其他方法让学生参与其中的课程，往往被学生视为噱头，因此只能被容忍，而不是投入。”在这种情况下，教师需要与学生沟通为什么要以这种方式教授这门课程，并解释有关学习的研究如何表明，所使用的方法优于讲授的方法。只有让学生成为反思型学习者，并为他们提供机会，证明“主动学习”方法比讲座方法更能帮助他们学习，他们才会开始实现“认同”，成为自己学习的积极参与者，而不仅仅是宽容的参与者。
三、关于课程的研究建议
（一）未来的科学教师
学习研究证据的科学对未来教师(以及所有学生)的教学结构具有重要的影响。在这里，我们提供了一份由该研究建议的科学课程的理想属性列表。属性的列表并不是完整的,而且很可能有些特殊;其他人的列表可能会有所不同，但如果将基于认知研究结果的任何两个列表进行比较，应该会有相当多的重叠。此外，该清单有意笼统，不区分针对小学、初中或高中水平的课程。最后，这个列表没有隐含层次结构。
1、科学内容应与教育学相结合。
当教学方法和教学内容分开讲授时，它们很少被整合在一起。未来教师的理想课程是以发展教学内容知识为目标，将学科内容与教学内容有效地结合起来。正如我们所说，我们对学生学习的了解来自于学习的科学，教育学也需要建立在科学调查的基础上，学科内容和教育
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