本文件节选自美国国家科学院（National Academy of Sciences）出版的报告《将科学带入学校：幼儿园至八年级的科学学习与教学》（Taking Science to School: Learning and Teaching Science in Grades K-8）。该报告发表于2007年，汇集了众多科学教育、认知与发展心理学领域的专家研究成果。节选章节的核心主题是探讨在K-8年级科学教育中引入“学习进程”（Learning Progressions）这一概念的必要性、定义、关键特征、面临的挑战以及初步实践案例，特别以“物质与原子分子理论”为例详细阐述了一个具体的学习进程设计。
报告首先尖锐地指出了当前美国K-8科学教育课程与标准中存在的普遍问题。这些问题包括：课程内容包含过多相互割裂且优先级相同的主题，缺乏对学生如何从年级到年级逐步深入理解某一主题的关注；对核心概念的重复、肤浅覆盖，未能为知识的进一步增长奠定坚实、一致的基础。同时，当前的课程标准（如《国家科学教育标准》）虽然列举了大量知识要点，但并未提供关于哪些是最核心、最重要的主题，以及如何基于儿童学习与发展的研究来有效组织教学序列的指导。商业教材和流行的“科学套件”（Science Kits）教学模式往往导致知识碎片化，主题之间缺乏有意义的联系和累积性构建，使得学生难以形成对科学的整体性、结构性理解。
为解决上述困境，报告提出并详细阐述了“学习进程”这一核心框架。学习进程被定义为：描述儿童在较长的时间跨度内（例如6到8年）学习和研究一个主题时，可能相继出现的、越来越复杂的思维方式。这些进程描述了理解如何从初始状态向最终目标发展的“路线图”，并且其实现高度依赖于有效的教学实践。学习进程并非基于儿童发展的通用理论或理性任务分析，而是基于当代关于儿童如何在具体学科领域学习和建构知识的研究综合。
学习进程具有四个关键特征，这些特征与以往的通用技能发展序列和现行课程标准有显著区别。第一，充分运用当前研究基础：利用认知、发展和科学学习研究的最新成果，提出如何发展有据可循的概念性理解。第二，科学素养四条主线的相互关联：学习进程始终将科学素养的四条主线（理解并运用科学解释；生成与评估科学证据和解释；理解科学知识的性质与发展；高效参与科学实践和讨论）视为相互交织、共同发展的整体，强调学生应在有意义的探究活动中整合发展这些能力。第三，围绕核心思想组织概念知识：学习进程认识到科学理解是围绕具有广泛解释力的概念框架和模型组织起来的，教学应聚焦于这些“大概念”（Big Ideas）或核心理论（如原子分子理论、进化论），并帮助儿童通过建模和概念转变来发展它们。第四，承认多序列和网状生长：认识到学生的发展并非遵循单一线性路径，而是围绕重要学科核心思想存在多条可能（且常相互影响）的学习路径。
报告深入探讨了构建学习进程面临的设计挑战。首要挑战是如何在某一时间点描述学生的知识和实践，这需要包含科学素养的所有四条主线，并认识到有意义科学知识的复杂组织性。其次，挑战在于描述一系列学生理解主题的可能进阶方式，这些方式需展现不同理解阶段之间的联系，并尊重儿童学习能力的约束。最后，如何为具有不同个人、文化资源和教学历史的学生，设计出能够有效利用其资源的、多样化的有意义学习路径，是当前研究基础最难应对的挑战。
为了具体说明学习进程的样貌，报告引用了两个设计团队的工作作为例子：一个是关于原子分子理论的学习进程，由Smith等人设计；另一个是关于进化理论的学习进程，由Lehrer、Catley和Reiser设计。报告选择以“物质与原子分子理论”的学习进程为例进行详细展示，因为该领域拥有相对更丰富的K-8阶段研究基础。这个例子展示了如何围绕一个具有学科重要性的核心理论（而非跨学科的抽象概念）来组织学习，并说明了核心概念如何促进跨领域（如物理和生命科学）的整合。
“物质与原子分子理论”学习进程被设计为围绕三个基本问题展开，学生在长达数年的学习中以越来越复杂的方式回答这些问题：1. 物体由什么构成，如何解释其性质？2. 物体发生变化时，什么变了，什么保持不变？3. 我们是如何知道的？
学习进程被划分为三个关键的学段，每个学段都有具体的学习目标和实践重点。
幼儿园至二年级（K-2）：发展对材料与测量的理解 此阶段的目标是澄清、扩展并系统化儿童对常见材料和重要物理量（尤其是重量和空间度量）的理解。具体活动包括：通过分类、描述和比较不同材质的物体，区分“物体”和“材料”两个概念，理解物体的某些性质源于其构成材料；探索材料在分割、重塑、熔化等变换中的恒常性与变化，开始建立“材料作为物体构成成分”的概念；尤为重要的是，学生不是被动学习标准测量程序，而是被引导投入到“建构测量”的实践中——例如，发明测量长度和面积的方法，这能让他们深入理解测量的基本原理（如零点、等分、单位迭代等）。同时，学生通过探索和辩论，开始理解为何天平比手感更可靠，从而初步将“重量”概念从主观感觉转向客观可测量的物理量。这些活动为后续发展更抽象的“物质”概念奠定了具体的、基于实践的经验基础。
三年级至五年级（3-5）：发展明确的宏观物质观 在K-2年级对具体材料深入认识的基础上，学生现在可以抽象思考所有材料实体的共性，从而发展出一个初步的宏观物质概念。核心目标是让学生认识到：物体由“物质”构成，物质占有空间并具有重量；固体、液体和空气都是物质的不同形式；物质在分割到肉眼不可见时依然存在；物质的数量和重量在一系列变换（如熔化、凝固、溶解）中是守恒的。为实现这一目标，学生需要进一步深化对重量和体积的测量理解，并将其与物质概念紧密联系。研究表明，通过参与建构重量和体积的数学模型（而非机械执行测量程序），学生能够发展出关于这些量的稳健概念理解。例如，通过测量不同大小、不同材料物体的重量和体积，并绘制图表进行分析，五年级学生可以理解“密度”作为材料特性的概念。此外，学生利用测量工具探究熔化、溶解、空气是否有重量等现象，基于证据论证物质是否守恒。这些活动共同促使学生从基于感官印象的“物质量”观念，重构为基于测量和推理的、将重量和占据空间视为物质本质属性的科学概念。
六年级至八年级（6-8）：初步理解原子分子理论 学生稳健的宏观物质观为解决更深层的解释性问题提供了框架，从而自然导向构建原子分子层面的解释。例如，当学生混合等体积的水和酒精，发现混合后体积小于两者之和但重量守恒时，这一违反直觉的现象构成了一个强有力的“认知冲突”或谜题。学生被引导去假设物质在微观层面可能的结构（如连续无隙、紧密堆积的粒子、离散有间隔的粒子等），并推理哪种假设能最好地解释观察到的现象。通过计算机模拟、课堂辩论、思想实验和实际探究（如研究气体的压缩与扩散），学生逐步被引入原子分子理论的核心信条：物质由离散的、有间隔的原子/分子构成；原子/分子在不断运动；存在多种不同的原子；原子可以结合形成具有新性质的分子等。重要的是，理解这个理论不是记忆事实，而是将其作为一个强大的解释模型来使用，以理解包括物态变化、化学变化在内的广泛现象。研究表明，这种基于模型构建、辩论和认识论反思的深入教学（可能持续数十课时），能显著提高中学生对原子分子理论的内化和应用能力。
报告最后对比了基于学习进程的教学与当前普遍教学实践。当前教学常将原子分子理论作为孤立的事实章节提前教授，与其所要解释的宏观现象脱节，导致学生难以内化其核心思想，无法区分物理变化与化学变化。而学习进程强调：概念发展是长期、累积且需要精心设计的；教学应围绕核心解释性理论，通过持续的、相互关联的探究活动和模型构建，将科学素养的多条主线整合起来；必须重视并基于儿童已有的知识资源（即使这些资源与科学概念不尽相同），引导其进行概念重构。
该报告节选的价值在于，它不仅仅提出了一种课程组织理念，更是提供了一套基于研究的、可操作的设计原则和具体案例。它批判了美国科学教育中“广而不深”的积弊，论证了通过聚焦核心概念、设计长期学习进程来实现深度理解的可能路径。这对于科学教育研究者、课程开发者、政策制定者和教师都具有重要的指导意义，为推动K-8科学教育从知识覆盖向素养发展转型提供了坚实的理论框架和实践方向。学习进程的概念强调了教育干预的长期性和系统性，提醒人们有意义的科学学习无法通过零散、短期的教学活动达成，而需要一个连贯的、基于学习科学的、跨越多年级的整体性设计。