教育视野中的经典认知研究主要有三条线索。

  • 第一条线索是有关记忆的研究。首先是米勒在有关人类短时记忆的研究上取得了重大突破，以“神奇的数字7±2：我们信息加工能力的局限”揭示了人类短时记忆容量的有限性，并在此基础上发展了短时记忆加工机制的组块理论。其后的认知心理学家沿着米勒开辟的道路，逐渐建立了一整套有关人类记忆结构与过程的描述性框架，最终学习的信息加工模型为认知取向的教育研究与实践奠定了基础。

  • 第二条线索是有关人类问题解决的探索。首先是以西蒙为代表的人工智能专家通过对人类问题解决的探索获得了一系列可观的研究发现，其后是一批心理学家构建了相对完整的人类问题解决的理论框架，并把其成功转化和应用于教育实践。

  • 第三条线索是有关专家与新手的比较研究。先是国际象棋大师德格鲁特通过棋局复盘的经典实验开启了专家和新手比较研究的先河，其后有关专家与新手的比较研究发现被广泛应用于教育领域，特别是教师教育领域，对专家型教师的讨论成为一个长期的热点。

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本文节选《学习科学：百年回顾与前瞻》（郑旭东，王美倩，吴秀圆著. 北京：科学出版社，2020.10）一书中“大师之为大师：专家与新手的比较研究”

站在教育学的立场上来看，对专家与新手的比较研究是认知心理学领域对学习进行探索的第二条主要线索，其致力于回答以下两个问题：

  • 第一，在心理学的基础研究层面上，专家和新手的区别究竟何在？

  • 第二，在教育学的应用研究层面上，如何让新手变成专家？

认知心理学家在回答这两个基本问题的过程中，开辟了专家—新手比较研究的范式，并把其广泛应用于与教育相关的研究与探索之中。

一、专家与新手的感知与记忆：两个经典实验

对专家和新手的比较研究，最早可以追溯到20 世纪40 年代至60 年代德格鲁特的开创性工作。德格鲁特是一位出生于荷兰的国际象棋大师，1937 年和1939年曾经代表荷兰出战国际象棋奥林匹克大赛，其后开始关注国际象棋的心理学问题，在20 世纪40 年代至60 年代期间进行了一系列非常著名的心理学实验，并出版了《国际象棋中的思维与选择》一书，成为国际象棋心理学的开创者。其以国际象棋为依托开展的有关新手与专家的比较研究，不仅破解了国际象棋大师为什么能够成为大师的奥秘，而且奠定了认知心理学领域有关专家与新手比较研究的经典范式。

（一）德格鲁特的棋局复盘实验

德格鲁特在20 世纪40 年代进行的有关专家与新手的划时代研究中，进行了两个经典实验。在第一个实验中，他在棋盘上用22 个棋子摆出残局，之后要求不同水平的棋手（从没有经验的业余爱好者到国际象棋大师）迅速看一眼棋盘，持续时间为2～15 秒，也就是人类短时记忆所需的时间，然后要求他们马上说出每个棋子摆放的位置。结果发现，业余爱好者几乎说不出来几个棋子当初摆放的位置，而国际象棋大师则不然，他们可以非常轻松地还原残局。

具体结果是：特级大师可以还原100%，大师可以还原95%，专家可以还原73%，而一般棋手则只能还原41%。这个实验似乎表明，国际象棋大师拥有非同常人的记忆力，因此，专家和新手的差别可能主要表现在记忆力上。

▲ 第一个实验中被试还原棋局的结果

资料来源：De Groot A D. Thought and Choice in Chess[M]. The Hague：Mouton Publishers，1965：327-328

随后，德格鲁特又进行了第二个实验。在这个实验中，他把棋子随机地、毫无规则地摆放在棋盘上，然后呈现给被试，要求他们还原。结果令人惊讶：那些国际象棋大师拥有的优势好像消失了，他们对这个毫无规则的残局的复盘结果和新手几乎没有什么差别。这似乎表明，专家和新手在记忆力上没有什么太大的差别，与人类短时记忆容量有限的假设基本保持一致。

我们可以利用组块理论来对这两个实验的结果做出解释。也就是说，影响这两个实验结果的并不是被试的记忆力，而是他们的感知。大师的记忆力与新手并没有太大差别，因此他们并不能比新手更好地记住棋盘的状况。更为确切地说，大师和新手在这两个实验中展现出来的最大差别，实际上是前者能够更好地观察棋盘，并迅速将棋盘转化成某种自己熟知的模式，他们关注的并不是单个棋子，而是针对整个棋盘的结构给出某种策略。大师能够自动将棋盘组合为一系列已知模式，这样就可以迅速理清棋盘中纷乱的细节，而新手则做不到这一点，原因在于新手的头脑里并没有大师才有的一系列已知模式。

（二）国际象棋中的感知：蔡斯和西蒙的实验

1973 年，认知心理学家蔡斯和西蒙进一步研究了国际象棋博弈中的感知问题，揭示了组块过程中的个别差异。他们发展了一种对象棋博弈中棋手对棋子进行感知的结构进行隔离并研究的技术方法，来测量弈棋过程中的棋子复位的时间间隔。参加测试的三位棋手中，有国际象棋大师，有一级棋手，也有初出茅庐的新手。他们被要求完成两项任务：一是感知，即扫视一眼棋局后马上还原棋子的位置；二是短时回想，即棋手在观看棋局5 秒钟后还原棋子的位置。前者测量的是感知，后者测量的是记忆。

结果表明：在第一项任务中，象棋大师、一级棋手和新手在扫描时间上没有什么差别，但象棋大师用于复盘的时间却明显少于一级棋手和新手；在第二项任务中，象棋大师可以正确复位的棋子数量最多，一级棋手次之，新手最少，明显表现出正确复位棋子的数量和棋艺水平呈正相关的趋势，即棋艺越高，则能够正确复位的棋子越多。

▲ 三种棋艺水平下的扫描时间和复盘时间

资料来源：Chase W G，Simon H A. Perception in chess[J]. Cognitive Psychology，1973，4（1）：55-81

▲ 正确复位棋子数量的棋艺水平函数

资料来源：Chase W G，Simon H A. Perception in chess[J]. Cognitive Psychology，1973，4（1）：55-81

这表明，象棋大师的博弈技能体现在个人的长时记忆，以及对组块作为记忆中的基本单元的使用上。进一步分析实验数据发现：每次实验中组块的平均数不同，象棋大师为7.7 个，一级棋手为5.7 个，而初学者则为5.3 个；每个组块内棋子的数量不同，象棋大师为2.5 个，一级棋手为2.7 个，初学者则为1.9 个。由此可见，熟练的棋手更加倾向于运用更多的组块。这项实验发现了组块对于专家在记忆过程和复杂问题求解中的作用，揭示出象棋大师和专家因其组块的复杂和模式辨别能力出众而在问题解决中表现出明显优势，进一步推进了人们对专家与新手之间差别的理解与认识。在此之后，心理学发展出了一个分支，专攻研究西蒙和蔡斯的发现。研究人员一次又一次地得出了相同结论：要擅长复杂任务，需要大量练习。这意味着学习是一项十分复杂的认知过程，不可能一蹴而就。因此，要想获得任何一个领域的专业能力，都必须进行充分的训练。

二、专家与新手的差别究竟何在：知识与专长

“所谓专家，是指在特定领域内具有专业知识的人，他们能够有效地思考该领域的问题。对专业知识的了解是十分重要的，它能够使人洞察思维和问题解决的本质。研究表明，专家和新手的差异不仅仅表现在一般能力上，也不是一般策略应用的差别。相反，专家获得了宽厚的知识，这些知识会影响他们所关注的事物，影响他们在环境中如何组织、再现和理解信息。反过来，这又会影响到他们记忆、推理和解决问题的能力。”从这一意义上来说，我们可以认为专家和新手的差别首先体现在知识上的差别，但又不仅仅止于知识上的差别。

（一）知识的数量

对专业知识的了解程度与组织形式是对专家与新手进行比较研究的重要参考因素。一般认为，在对知识的熟知程度与拥有数量方面，专家往往在专业范畴上比新手具有更为宽厚的知识细目。

一方面，兰德·斯皮罗（Rand J. Spiro）依据专家与新手所掌握知识的复杂程度，将知识划分为良构知识与异构知识两种不同的类型。良构知识主要指规则简单、步骤确定的知识；异构知识则是指概念复杂、规则紊乱与充满不确定性的知识。在运用知识解决问题时，新手一般只能利用良构知识对那些结构较为简单的问题进行解答，专家则能在不同的文化境脉下利用良构与异构知识的综合特性来处理各种复杂问题。

另一方面，安德森认为专家与新手在知识了解程度上的差别主要源自两种不同的知识类型—陈述性知识与程序性知识。陈述性知识是指概念性的事实、命题与规则的集合，是对事物的状态、定义、性质等方面的描述，是关于“做什么”的知识，这种知识的习得主要以记忆为主。程序性知识是指在问题解决过程中所形成的推理步骤、操作指南与办事策略，是关于“怎么做”的知识，这种知识的掌握主要以理解为主，以记忆为辅。新手在知识的获取方式上主要是以记忆为主，因此掌握的主要是陈述性知识；而专家在知识的获得方面主要采取意义建构的加工方式，因而在陈述性知识的基础上具备了较为丰富的程序性知识。也正是在这一层面上，安德森进一步指出，要想实现新手向专家的转变，如何高效地完成陈述性知识向程序性知识的转化是整个过程的关键所在，而在这个转化过程中，知识编译又是其中必不可少的一环。

因此，为在问题解决中促进良构知识与异构知识的习得，进而实现新手向专家的跃迁，大卫·乔纳森（David H. Jonassen）提出了知识习得的三阶段模型：初级阶段（良构知识）—高级阶段（异构知识）—专家化阶段（图式化知识）。

初级阶段的知识获得主要以事实、规则、技能为主，这一阶段的知识结构一般比较稳定，没有太大的复杂度；高级阶段的知识获得则以核心概念、基本原理为主，这一阶段的知识大都拥有较高的紊乱度与情境依赖性，新手一般很难在这一阶段建立起有效的问题表征空间；专家化阶段的知识主要是以结构化、模块化的知识图式存在，这一阶段的知识往往以组块的形式保留，且彼此之间联系密切。因此在知识的提取过程中，新手主要采用序列搜索的组织方法，按部就班地从长时记忆中索取信息；而专家一般采取相似策略的检索方式，往往只需“窥一斑”就能“知全豹”。

（二）知识的组织

▋专家与新手的差别不仅体现在知识数量的多寡上，在知识结构的组织形式、理解表征与处理模式等方面也不尽相同。

对专家与新手进行对比研究可以发现，在处理问题的实践过程中，专家往往能够感知到某些极易被新手忽略的关键细节与特征，并能利用这些细节知识对问题进行有效表征与处理。这主要是因为，在知识结构的组织形式上，专家不是像新手一样仅仅对专业的公式、定理与事实进行罗列、叠加与累积，而是能够从领域的基本概念与原理出发，围绕专业的核心概念与范畴对知识进行组织与加工，并按最优化原则对知识进行排列组合，进而以组块的形式将知识存储于长时记忆区域，最终形成独特的知识仓库与结构体系。因此在专家的知识语料库中，知识主要以模块的形式存在，并且这些模块彼此之间各不重叠，主要通过基本策略与核心概念相互串联。

米歇尔勒内（Michelene T. H. Chi）等人就曾指出，在专业范畴的知识图式上，对领域了解得越深，就意味着知道的知识数量越多，而知道得越多也就意味着对概念理解的组织方式越有效，所形成的关系模块、解读深度也就越密集，因此在问题解决中对知识的提取就越便捷，从而就能有效地减少工作记忆的认知负荷，提高短时记忆的工作效能。

▋专家与新手在专业知识的表征理解与信息加工方面有着截然不同的处理方式。

一方面，在感知外界刺激进而进行知识表征的过程中，专家以意义生成的方式将所察觉的信息组合成相互联系的知识结构，并通过短时记忆中语词与图像的双通道将刺激信息按组块化的形式放入中央控制区域，进而形成结构牢固的知识模块。而新手却迫于自身专业知识的缺憾，往往只能按知识呈现的先后次序将其填入短时记忆空区，且这种情况下一般只能塞入5～9 个知识点；不仅如此，这样形成的知识节点由于相互之间关联程度低且与原有知识的相关性不高，很难像专家所形成的信息模块一样能进入长时记忆区域，因而很容易就会被后来所涌入的信息挤掉或随着时间的流逝而被遗忘。

另一方面，在利用原有知识与技能进行问题解决的处理过程中，专家与新手所采取的处理措施也大相径庭。这主要体现在面临各种复杂问题情境时，专家不仅能够快速识别出问题的信息模式，并及时回想起与之相关的知识结构，而且还能适时地从长时记忆中提取出特定的组织概念，轻松驾驭任务所需的知识图式。新手却往往只注意到问题特性的某些方面，并执拗于某些问题的细枝末节，不能以全局的视野把握整个问题情境，因此不能像专家一样在问题解决过程中做到游刃有余。产生这种差异的主要原因在于二者对经验组织的熟知程度不同。研究者指出，专家在学科领域中不断获取专业知识与经验，并在整个过程中使之前需要经过推导的抽象概念视觉化，使之与整个问题情境相互交融，以便在问题解决的后期更容易被知觉。

（三）专长与适应性专长

▋除所具有的知识数量以及知识结构的组织形式有所区别之外，研究还发现对专长概念的理解不同是造成专家与新手之间存在差异的另一重要因素。

专家所具有的专长概念又主要分为常规性专长与适应性专长两种不同类型。常规性专长的研究源于德格鲁特的象棋研究实验，德格鲁特在人工智能认知模拟的基础上将常规性专长视为问题解决中的一系列知识与技能；适应性专长则起于波多野谊余夫对常规专家与适应性专家的对比研究，主要指能够在学习过程中持续不断地修正关于自我监控、调控实践的策略与态度。不论是常规性专长还是适应性专长，二者揭示出来的专家与新手在问题解决过程中所表现出来的不同心理表征以及行为差异，都已成为现代认知科学中对专家与新手进行比较研究的经典案例与主流范式。而站在教育学的立场上，探讨专家与新手在常规性专长与适应性专长方面所展现出的不同认知机制，不仅对提高课堂教学绩效、促进教学发展具有广泛的影响，而且对教育理论的基础研究以及教学实践的科学探索具有重要借鉴作用。

专家与新手在专长上的差异首先体现在常规性专长方面，具备常规性专长技能与概念的专家又被称为常规性专家。与新手在处理问题时所采用的渐进式、小步调的行事风格不同，常规性专家往往拥有一组核心技能，能在信息处理过程中快速识别问题情境的特征模式，并且可以有效地将其运用于各种复杂的问题情形中。卡尔·贝赖特（Carl Bereiter）等就曾指出，常规性专家一般比较熟悉专业领域的各种技能与业务，有着较为丰富的行事经验，在处理问题时常常采用化简公约数的行事策略，进而使问题空间得到简化，使问题数量得到减少。但遗憾的是，常规性专家虽具备较新手而言更为深厚的专业知识与技能，但往往只能依据已有的知识基础机械地处理所遇到的问题，在处理问题时不能随机应变，更不会像适应性专家那般富有弹性地创造出某些出乎意料的作品。

如果说常规性专家是有着扎实基础知识与专业技能的“工匠”，那么我们可以将具有适应性专长的专家称为“艺术家”。异于常规性专家在问题解决时采用“同化”的信息加工策略，适应性专家往往更倾向于采用“顺应”的问题处理模式。在遇到复杂问题情境时，常规性专家常常以自身原有知识图式为起点，快速鉴别出问题解决所需要的知识与技能，而不做额外的思考与调控。与此相反，适应性专家在处理疑难的过程中一般以所碰到的问题为出发点，并根据不同问题情境灵活地调整自身的认知策略，不断对问题图示进行假设、判断与推理，进而找出最佳解决方案，而不受先前训练所形成的思维定式的影响。苏珊·巴内特（Susan M. Barnett）指出，不同于常规性专家在问题处理中直接将原有知识经验应用于问题情境的做法，适应性专家在将已有专长技能运用到新任务的同时，还能不断对整个问题解决过程进行反思与分析。也就是说，适应性专家较常规性专家而言往往拥有更好的自我调控能力与更多的元认知知识。

总体而言，20 世纪后半叶认知心理学家通过对专家与新手进行比较研究，不仅科学地证明了二者对专长概念与范畴的认识有着本质区别，而且还部分地揭示了造成专家与新手之间差别的基本认知机制。而后，一批认知心理学家将与此相关的科学研究成果大量迁移到教育领域，不仅提高了课堂教学实践的效果，更为教学意义上专家型教师的培养以及新手向专家的转变提供了坚实的科学基础。也正是在这一前提下，瓦莱丽·克劳福德（Valerie M. Crawford）等才讨论了新手型教师、常规性专家教师、适应性专家教师三者之间的区别与差异，并着重探讨了专家型教师的培养模式与发展策略。这些研究成果对于专家型教师的培养，乃至更为广泛的教师专业发展都具有非常重要的意义。

本文摘编自《学习科学：百年回顾与前瞻》（郑旭东，王美倩，吴秀圆著. 北京：科学出版社，2020.10）一书“第二章 机器是如何学习的：学习研究的‘机器’隐喻”，有删减。

ISBN 978-7-03-064373-5

责任编辑：卢 淼 冯雅萌

本书基于历史与逻辑同一的方法论，对百余年来的学习研究进行了回顾与前瞻。20 世纪谱写了学习研究的“三部曲”：“动物是如何学习的”“机器是如何学习的”“人是如何学习的”。20 世纪80 年代以来，学习科学在方法论的创新和发展上取得了两大主要突破，即以基于设计的研究为代表的新基本框架和以会话分析为代表的新研究方法。新科学、新技术的不断发展，让学习科学逐渐走向成熟并表现出强劲的发展活力，建构主义认知观、多媒体学习的认知理论和多媒体教学的设计理论，以及计算机支持的协作学习理论，为信息时代的教学实践提供了丰富的科学依据。

本书可供研究学习科学的本科生、研究生和教育工作者参考。

（本文编辑：刘四旦）