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深度学习环境的创设——从ISEF获奖者的成功案例说起 黄 都 摘 要： 深度学习是上海市朱元晨同学等ISEF(英特尔基金青少年科学精英奖)获奖者成功的基石。深度学习能切实培育学生的科学探究志趣和能力，学校应当为深度学习创设特定的环境。 关键词： 深度学习 学习环境创设 ISEF 朱元晨
Learning Environment Design For Advanced Study —— Based on the Success Cases of ISEF Winner Abstract: Advanced study is the groundwork of ISEF (Intel International Science and Engineering Fair) winner such as ZHU Yuanchen, a high school student from ShangHai. Advanced study can foster students’ science inquiry interest and ability effectually. Schools ought to create the specifically environment for advanced studies. Key words: Advanced Study; Learning Environment Design; ISEF; ZHU Yuanchen 2004年4月15日，在美国俄勒冈州波特兰市举行的2004英特尔国际科学与工程大奖赛（英特尔ISEF）颁奖典礼上，三名世界优秀少年科学家从1,300多名学生中脱颖而出，荣获了本次大赛的最高奖项－“英特尔基金青少年科学精英奖”（Intel Foundation For Young Scientists），并分别赢得了50,000美元的奖学金。来自中国上海外国语学校的19岁选手朱元晨凭借他的题为“借助优化自适应域名实时重啮合（Real-Time Remeshing With Optimally Adapting Domain）：可视性连续层次及细节渲染新模式（A New Scheme for View-Dependent Continuous Levels-of-Detail Mesh Rendering）”，可提高计算机图形能力的计算机科学研究项目一举夺魁，名列其中，并被哈佛大学计算机系录取。朱元晨的成功，引来了社会各界的强烈关注。当记者问道：“那么，你的成功是否可以复制？”时，朱元晨肯定地说：“绝对是可以复制的！” 在历经与国人同样的惊喜和振奋之余，我们冷静思考：朱的成功真的可以复制吗？如果能够，那么，我们复制他的什么呢？如何复制呢？为了回答这些疑问，我们试图从学习环境及其设计的理论和实践出发，对朱元晨以及其他ISEF获奖者在基础教育阶段的成长环境予以深刻剖析，并就此提出“复制”这种成功的学习环境创设之构想——深度学习环境的创设。 一、 深度学习：ISEF获奖者成功的基石 ISEF获奖论文是具有极为高深的学术造诣的，不是同一领域或同一领域中不同研究方向的人是无法看懂或完全领会的。就如朱元晨这份论文的内容不仅是大多数中学生无法看懂的，即使是计算机系的大学生、乃至专家，如果不是专攻计算机图形学领域的，读起来也是困难的。这表明，完成ISEF论文的学生，都必须成为某一领域的专家学者，才有可能解决他们所选择的属于该领域的前沿问题，并写出研究结果。研究表明，专家们思维和解决问题的能力并不是由于他们有一套一般的“思维技巧”或思维策略，而是因为他们有一整套组织得很好的知识，这些知识支持他们进行计划和有谋略地思维［1］。那么，朱元晨的“专家知识组织”是如何建立起来的呢？从以下的叙述［2］中我们可以得到许多启示： “小学的时候我没有怎么管他，也没有给他‘加餐’那时候，我觉得自己的孩子很普通，谁知道他将来学不学得出来?我只做了一件事，就是要他练字。现在他的中英文字写得非常好，就是那时候练出来的。”朱丹平老师是个实话实说的人。话是这么说，但朱丹平一直很注意观察朱元晨的兴趣发展。当他发现朱元晨在理科方面渐渐表现出过人的天赋时，立即给孩子‘加餐’，而且这一加就出手不凡。“朱元晨妈妈的学校里用处理价卖一批国外的大、中学生的理科教材，我一口气买了好多，用这些教材开始帮朱元晨提高理科基础。”在这一阶段里，朱丹平对朱元晨教育的推进起到了非同小可的作用。一方面，他用自己的经验督促朱元晨学英语；另一方面，他开始给朱元晨进行基础数学方面的补课。朱元晨还特别补充说，“在刚开始看一些高级计算机书的时候，因为我的知识结构不完整，很多地方看不懂，我就找我爸。他的理科好，英语也好，他先消化一遍然后给我讲。”在初中时期，朱元晨起飞的两个“标志事件”就已经发生了：一个是15岁时，朱元晨参加了TOFEL考试，拿到了670分的惊人高分；另一个，则是他利用互联网到MIT（麻省理工学院）下载了大量的免费课程，开始自学美国大学生的计算机和数学课程。 如果说朱元晨父母从小学开始让他所学习的外国数学和理科教材，其内容比较浅显而且和他所学的中文教材有类似之处，也就是说，并没有深入到特定领域专业知识，那么，在他15岁之前就下载MIT的计算机和数学课程进行学习，这足以说明他已经超出了我们当前初高中为学生所预设的课程范围，进入了深度的专业领域知识学习阶段。这种建立在把握特定领域知识结构的基础上的深入学习，我们称为深度学习或高级研修（advanced study），由以上案例可看出，深度学习及其环境设计有如下特点： （1） 对于中小学生而言，它意味着超前学习。根据皮亚杰对儿童认知阶段的划分，10岁以后的儿童，已经进入了认知的形式运算阶段，这表明，此时，学生可以借助抽象的符号进行推理、运算等思维活动。况且，这个划分也是相对而言的，有的学生可能在小于10岁的时候，就达到了认知的形式运算阶段了。朱元晨在小学高年级开始学习的数学、计算机和理科知识，基本上缺乏实验、模型、操作等具体学习素材的支撑，这对于他掌握学科的基本内容和结构是没有影响。而且，凭借他这个阶段良好的记忆力，极高的领会能力，学习起来要比成人快。由此可见，专家知识并不一定要到大学以后再学，我们可以根据儿童的特点，为其提供或定制特定领域的深度学习内容。否则我们的课程就会是“一英里宽，一英寸深”了。 （2） 深度学习意味着对特定领域知识结构的把握。 结构，领域知识中概念之间的广泛、合理、有效的联系。在布鲁纳看来，结构就是学科的基本原理，他指出，知识结构的有效力量是指在不超出某知识领域所固有的、符号逻辑的创造限度内使学习者可以创造出新的命题［3］。这样，掌握学科的基本原理可以不仅可以帮助学生简化知识，如一个公式或一个定理，而且可以促进学习的迁移以及对各种问题的解决。朱元晨在学习中深感知识结构不完整所带来的困难，此时，就需要成人的帮助和引导了。 （3） 深度学习需要学习者自主地与环境进行互动，主动地从学习环境中吸收养分。 学习是一种人类认知的经验活动过程，学习者必然把自己纳入特定的学习环境中，并和他们所与的环境进行自主的物质和能量交换等活动。杜威主张认知是人类经验的一部分，而不是独立于人类经验或实践之外的活动。经验包括“一种主动的要素和一种被动的要素”，从主动的一方面说，经验是一种努力（trying）——其意义在与之相关的实验这一术语中得到澄清；从被动的一面说，它是一种经历(undergoing)［4］。这意味着，把学习过程仅仅当成是一种经历，那是不深刻的甚至是被动的学习，相反，把学习当成努力或尝试的过程，学习者会获得学习的主动权以及学习激情，从而改造所与的环境，使之向着更适合于自身发展的路径前进。从朱元晨的领域知识学习过程中，困难是在所难免的、甚至在我们看来是痛苦的、被动的，可是，一旦他把学习当作一种努力或尝试，主动地去应对各种不理解的问题，寻求家长、网络资源的帮助，最终，他掌握了这个领域的基本构架，并在此基础上，进行他所钟爱的计算机图形研究。访谈表明，朱元晨身上没有什么“苦学”留下的痕迹。虽然专注，但很少把自己弄得很辛苦。虽然坦承就计算机而言，在身边找不到同年龄的知音，“但我的朋友都是同龄人，也有很多中学生的兴趣爱好，我爱看电影、踢球，虽然很多时间在电脑前一坐就是一天。”朱元晨笑着说。 （4） 深度学习环境是基于学习者的智力和兴趣潜质来创设的，而不是盲目地、压迫式地组织这种学习。 一般说来，我们的学生在学习领域知识的智力方面是不成为问题的。然而，由于我们课程选择的单一化以及教师为学生提供的可研究的问题领域太窄，所以，一种强制性的学习环境应运而生，智力高、能力强的学生并没有形成他们的研究志趣，而研究志趣的形成首先就是要让学生经历种种可能令他们感兴趣的探究领域，朱元晨说：“有人会问我，为什么会去学习那些在旁人看来很艰深的东西。其实并没有什么秘诀，我前进方向的确定，源自我自己的兴趣，而且是浓厚的，发自天然的兴趣。” “当然，做尖端研究工作的时候，我的身边没有同龄的知音交流，也没有指导老师，只能靠自己。”在被哈录取之后，“你的方向是什么？”有记者问，“我去了是读本科，还是要从基础学起。不过，计算机图形学是我的既定方向。”朱元晨肯定地说。“那么你将来的人生理想是什么？”记者追问。“在一流的地方搞研究，做自己感兴趣的事，安居乐业，过平常人的生活。”说这些话的时候，朱元晨淡泊沉着，这或许就是一种科学家的气质。相反，我们反观近期大学生杀人犯马家爵那句沉淀淀的忏悔：“没有理想是我人生最大的失败！”之时，也同样令我们陷入深思。此时，我们就不难看出兴趣与志趣对于一个即将成为文明社会中之栋梁之才的人来说是多么重要，也可以看出兴趣和志趣之间的关系以及它们是如何得以生成的。 （5） 利用网络与社会资源进行学习，是促进深度学习的有效途径。 互联网资源是一个浩入烟海的学习信息栖息地，朱元晨成功使用网络资源进行学习的事已经鲜为人知。在此，我们看到了一位的来自美国密苏里州的男孩Nick Semenkovich，他现年17岁，就读于11年级，曾两度参加英特尔ISEF大赛，先后获得医学卫生组的一等奖和二等奖。 他说，除了计算机的计算能力，互联网也给了他很大的帮助。他从网上下载了每一条基因组和Linux操作系统，还在国家医学图书馆获得了大量的生物学电子资料。Nick没有正式的导师，只有几个出色的高中老师在帮助他，但是他拥有能“答疑解惑”的互联网。去年，Nick的参赛项目有关某种人类疾病，他的老师知道得也不多。于是他到当地的华盛顿大学去寻求帮助，那里的教授都非常乐意回答他的问题。由此可见，当前的中小学教师在很多知识方面是无法满足学生深度学习的需要的，但是我们不可能按照过去种“教师先学会，然后再教学生的”的方式来组织学习了，基础教育教师应尽可能为学生打开通往多个领域研究的天窗，让学生按照他们的兴趣进入自己的研究领空，借助互联网和社会上各界人士的支持，来进行有意义的学习和探究。相对于美国等一些发达国家，我们国家的互联网学习资源的建设还需要加大力度。 （6） 来自成人的适当引导和帮助，对深度学习尤为重要。 虽然儿童可能会具备很强的领悟新知的能力，但是由于他们的经验和知识基础的微薄，他们在方法或知识理解方面是需要成人的引导和帮助的，成人的作用相当于为学生搭建桥梁或脚手架。以学习者为中心的学习环境理论认为，学生一开始就将自己的信念、理解、文化实践带进学习中，并且在学习的过程中建构自己的意义，如果教师认为他们要在学生与学习内容之间搭造一座桥，那么，教师就应当时刻注视桥的两端。但是，对于以学生自主性为基本方式的深度学习来说，学生已经是一位有能力并且正在努力工作的建桥者了，教师的作用更像是高级工程师或工程技术参谋，在学生遇到问题时，一起探讨，解决问题。这就要求教师同时也应当是学习者、探究者。朱元晨的爸爸是一位很好的以学生为中心的教师，在儿子学生遇到困难时，他先学习，然后再讲给儿子听。从中，他当然也能监控儿子的学习进展，即桥的两头。而在一般的学校课堂中，教师却不论学生是否有问题，从头到尾地按照自己的预先设计来展开教学。 （7） 深度学习可以促进学校现行的基础学科知识学习。 从ISEF获奖者的学习案例可知，深度学习自然要占用学生更多的时间，但这是学生的兴趣所在，他们愿意为此付出更多。但是，深度学习决不会导致学生偏科或其他的学习不良现象。因为，他们一旦具备了较强的自主学习能力，对当前学校的学习是足以应付的。而我们很多学生对当前学校学习似乎感觉力不从心，那是因为他们根本不知道自己在学什么。学习的目的是为了升学而不是为了满足他们自身的研究需要。相反，朱元晨为什么对数学和计算机基础知识学习那么投入，是因为他认定了自己的研究领域：计算图形。这种问题解决的需要形成了学习的内在动力，促使学生自主地进行一边学习一边研究。由此可见，深度学习是一种有目的的学习，是一种基于问题解决的学习，也是一种基于实践探究的学习。这种以问题解决为本的学习克服我们传统的这样一个倾向：先好基础知识和基本技能，然后再解决实际问题。这是一种线性的、机械的教育思想，它容易让学生在基础知识和基本技能学习中深感厌烦，毫无目的，或者以外在的目的（如升学或奖赏）来驱动学习。更不用说对学生志趣的培养和激发了。 （8） 只有深度学习，才有可能促成真正的领域研究（或研究性学习）。 在我国的中小学，提倡研究性学生或科学探究，可是学校为学生提供的研究课题往往是浅显的，并没有深入到某一领域的前沿，原因是许多教师对自己的专业领域研究本身就不关注或没能力触及，于是，我们强调了在基础教育阶段应当让学生体验什么是探究、如何进行探究就行了，相应地，有些教材或考试竟然会出现以让学生记住科学探究的基本步骤为基本目标。这在一定程度上并没有错误，可是，要想让这些探究过程能在学生的一生发展之中延续，或把这些探究中的某个课题当作一生的志趣和追求，恐怕就很难做到了。其重要的原因是学生缺乏作为探究之基础的领域知识的深度学习。我们在一节初中科学课中看到，学生在加热硫粉与铁粉混合物时，发现反应前后混合物都能被磁铁所吸引，这显然与书上的结论不一样，经过学生反复做实验、讨论，最后发现了“过量”的问题，但是过量的知识在初中是不作要求的。所以教学就到此为止了：学生带着一个深刻的疑问，无法得到教师的帮助，相信在他学到过量知识时，这个问题他可能已经忘掉了，由这个问题所激发出的探究热情也消失殆尽了。 二、 深度学习环境的创设 以上我们讨论了深度学习的意义、特点及其功能。它确实值得我们学校教育工作者的关注。从朱元晨的成功，除了他自己的生天慧根之外，归根结底是他有一个好的家庭教育环境。然而，从社会实际状况看来，我们是不能复制像他这样的家庭环境的，我们只能复制他的学习方式和研究方式，也就是说，学校应当考虑为类似于ISEF获奖者那样的更多的学生创造一个恰当的学习环境。在我们看来，深度学习环境的基本构架应当如此： 1． 一种整合的学习环境设计观：以共同体为中心、以学习者为中心、以知识为中心、以评价为中心的学习环境的整合。 以共同体为中心的学习环境是指教师建立起一些能够体现理解学习价值的班级标准，学生能够无拘无束地探究他们不懂的问题；以学习者为中心的学习环境是指教师要以学生在进入这个学习环境前的知识为起点来进行教学；知识中心是指教师试图帮助学生理解每个学科的重要概念及其知识结构；评价中心是指教师试图使学生的思维可视化，以便他们的观点能够被讨论，在讨论中得到澄清，比如可以让学生在讨论中提出自己的观点，或者在定性的层面上对问题的结论进行讨论。显然，深度学习是需要网络、教师、家长以及其它社会人士（如科学家）、学生等人员共同构成的学习共同体的支撑的，这个共同体中学生个人的自主学习是占主导地位的，并不一定都需要老师为学生设计好学习的进程和范围，学生学习的兴趣领域和学习的进程是由他们自身能力和兴趣所决定的，而教师在帮助学生跨越各种学习的障碍时，必须要以学生的当前知识、能力为基础，即关注“桥的两头”，在合理的方式引导他们自主发展。同样，深度学习的内容是属于能够为学生解决问题奠定坚实基础的学科重要概念、原理等知识框架，一方面，教师要让学生知识他们所感兴趣的问题是依托于何种基础知识；另一方面，教师同是也应当学习相应的知识，关注学生们所面对的问题领域，可见，教师在工作之中还需要继续学习、不断提高自身专业知识能力，接受各种挑战，这是老师专业发展的重要层面，即除了必要的教学法知识之外，还需要在领域知识方面得到发展，因为每一门课程必然有其自身的学习方法和思维方式，没有一种“放之四海皆适宜”的普遍的教学方法。如化学、物理、生物等学科的思维方式就是不一样，以学科知识以教学法知识相融合的老师，才有可能成为专家教师。此外，对于学生学习的评价，核心要素是以理解性学习的评价目标，对学生的考查必须克服那些死记硬背的方式，也可以通过概念图、问题解决思维与操作过程可视化等手段来了解学生的认知发展和理解程度。对学生的适时评价、及时反馈在深度学习中同样非常重要。 2． 以问题解决为学习动力系统。 正如朱元晨同学对3D图形的迷恋一样，这是一个很大的问题空间，属于结构不良问题，对这个问题领域的痴迷源于他对3D游戏的钟爱以及深刻的反思——这些游戏是怎样做出来的呢？我能不能做出自己设计的3D游戏呢？带着这个大问题，或者为了解决这个在问题，他必须通过无数个通往最终成功的小问题的解决，而这些小问题的解决是离不开一定的数学基础、图形学、美学以及计算机科学的，因此，他的深度学习也正是在解决这些小问题的过程中完成的，即边学习边解决问题、发现新问题。而不是象我们传统的学习方式：先学完那些看起来抽象、无用、枯燥的书本知识，再来找问题解决或根本就不解决问题。可见，问题解决使学习变得有意义，使学习者找到的学习的动力。 3． 以知识整合的学习活动为核心。 知识整合是指对某理论、难题或疑问进行充分讨论、澄清的认知和实践过程。他需要一个为所有参与这种知识整合活动的人员提供一个互动的平台，学习者需要为自己的观点提供足够的证据，同时，也可以借鉴他们的观点和证据，修正自己的观点，最终使各方意见达成一致，形成公认的暂时稳定生存的“真理”。例如，学生们借助网络平台，一起讨论“光能走多远”这一话题，至少有两种主要的立场：一是即光无限前行，直至被吸收；二是光会逐渐减弱，最后消失为0。学生为了找到自己的所持立场的证据，会做很多实验和调查研究，如对夜间行车的输光进行拍摄、找科学家、找资料等等。通过知识的整合，最后形成理论模型，为进一步解决问题或解释问题提供了有力支撑。 4． 以心智模型的构建与评价为学习质量监控体系。 深度学习的过程是知识结构的建构过程，也是问题解决的过程。为了监控生学习的进程，给予学生适当的反馈、评价和引导，我们强调思维的可视化，主要的做法是对学生心智模型发展跟踪与评价。学生思维的可视化，意味着学生将头脑中的心理模型以各种方式表达出来，其关系如下图所示： 心理模型 （存在于大脑中） 表达模型 （存在于媒介中） 现象、图文信息 （可感知世界） 例如，化学学习中心智表达模型的方式可如下表所示。
对以上这些模型的分类可以分为：描述性的、解释性的、因果性的、预测性的，当然，有一些模型是包含着这四种类型的全部或部分的，这需要我们对学生的观念结构进行具体分析。在分析这些观念结构的基础上，可以利用多层线性模拟来确定学生观念变化的速率以及影响速率的因素，进而构建学生观念微型发展的动态模型以确定学生观念变化的机制，这样，即有利于对学生理解性学习的评价，又可以为我们积累某一领域学习中学生观念变化发展的常态数据，揭示相应的学习规律，以便于形成有效的教学策略或决策。 5．强调对学生认知信念和超认知能力的跟踪研究。 认知信念是指对什么是知识，知识是如何形成的认识。它可以包括如下几方面：知识的确定性、来源、合理性、形成和结构等。超认知是指学生对他们学习进行自我监控和反省以便为了提高对概念的认识而进行有目的性的努力。研究表明学生的认知理念和超认知与学生对某一专题的观念具有密切的关联［5］。针对当前一般公众不清楚科学技术发展的内幕，对其知之不多，但却极度崇拜，或者还混杂着某些别的复杂情绪。对于这种现象，ISEF获奖者Nick的观点十分明确：“总的来说，我觉得公众是畏惧科学的，因为大多数人懂得不多。所以政客们可以轻易地用并不正确的科学信息误导公众。其中一个例子就是美国政府不履行《京都议定书》，告诉公众温室效应并不存在，虽然几乎所有的科学家都在说地球在变暖。另一个例子有关节食，这在美国是普遍存在的问题。厂商们在卖减肥产品的电视广告中推销很多科学概念，导致很多人盲目购买减肥产品，虽然有些产品并无疗效。”从他的话语中我们看出，正是对社会问题的关注以及对人类知识的关注，帮助他建立了正确的知识观、世界观，这些信念促使他对自己认定的领域——寻找新的导致人类衰老的基因进行深入的研究。对深度学习领域的认知信念和超认知研究，首先要选定一个知识领域，然后通过问卷调查、访谈等方式进行资料搜集，最后进行整理分析。 三、结语 对于ISEF获奖者的成功而言，这仅仅是他们为自己人生漫长的道路找到了一个非常适合于自身发展的起点，说他们“成功”，也只是在于他们能在很年轻的时候就能踏入了科学研究的殿堂，他们今后的成功之路还很长，还很艰辛；说他们幸运，是因为在基础教育阶段，他们的智商、情商潜质得到了很好的发掘，而和他们一样有此潜力的学生比比皆是，因此，他们并不是天才。相应地，学校要为这些有潜力但不是天才的少年创设深度学习和领域探究的学习环境，显然不是把家庭的成功考试模式照搬过来，而是结合以学校为本，结合社会、家庭的资源优势，基于先进的学习理念来构筑学生发展的另一片天地。
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