学习理论是研究人类学习的本质及其形成机制的心理学理论。科学课教师等科学教育工作者所做的一切工作，无一不与学生的科学学习心理密切相关。教学设计正是为了促进学习者有效地进行学习，这一目标的实现，离不开学习理论的支持。
（一）皮亚杰对儿童科学学习心理学的研究
了解儿童科学学习的心理是进行科学教育的前提，也是进行教学设计时要遵循的理论依据。那么，儿童究竟是怎样学习科学的？他们怎样观察、理解周围的世界？他们怎样进行思考、推理？这些问题吸引着认知心理学家为之探索。
最早关注儿童学习心理学问题的，当推20世纪享誉学界的皮亚杰（1896—1978）。皮亚杰理论的宗旨，就是用科学的方法来解决几千年来哲学上争论不止的问题：“认识的本质究竟是什么？”他认为，与其在哲学层面上进行思辨，还不如从发生学上搞清认识的起源：既然人类认识的发生过程不可能再现，那我们就可以通过研究个体的认识发生过程来间接地了解。他根据发生学的原理对儿童的认识发生进行了科学的研究，并提出了儿童认知发展阶段理论。
该理论认为：儿童的认知发展分为四个阶段：感知运动阶段（0—2岁）、前运算阶段（2—7岁左右）、具体运算阶段（7—12岁）和形式运算阶段（12岁—118岁）。我们可以发现，“运算”是皮亚杰认知发展理论中的一个重要概念。在这里，“运算”指的是一种“内化的、可逆的动作”。小学生的认知发展正好处在具体运算阶段，简单说，就是小学生具备了在具体水平上进行逻辑思考的能力，但是还不能做到脱离具体的事物进行抽象的推理。儿童学科学的特点取决于他们的认知发展阶段，而教学应符合这个阶段儿童的认知方式和特点。
皮亚杰用认知结构的演化来解释儿童认知发展阶段的转换，认知结构具有建构性，它既来自主客体的相互作用，同时也因这种相互作用的过程而不断发展。儿童的科学认识和认知结构的发展是平行的，儿童通过自身和周围世界的相互作用，自己建构关于客观世界的科学认识。因此，他力倡“自主探究”的科学学习，即让儿童主动通过与客观世界的相互作用来学习。
（二）认知结构理论与儿童的科学学习
皮亚杰的认知结构理论虽被公认为经典的认知结构理论，但由于他用抽象的“运算”来描绘儿童的认知结构及其演化，使得他的理论常常因难以理解而被批评。在他之后，20世纪60年代，以布鲁纳和奥苏贝尔为代表，对儿童认知结构的形成过程和内在机制做了系统的和深化的研究。既丰富了认知结构理论，也对教育实践产生了较大的影响。
1.布鲁纳的结构与发现学习理论
布鲁纳在被称为美国20世纪60年代科学教育改革的纲领《教育过程》一书中，明确表达了他的理论基础：“按照结构主义表达知识观”“按照直觉主义表达研究认识过程”。布鲁纳认为，人是通过认知表征的过程来获得知识并实现学习的。所谓认知表征，就是通过直觉而将外在的事物转为个体内在心理事实的过程。随着个体年龄的增长，认知表征方式也会发展，呈现出三个阶段：动作表征、形象表征和符号表征。动作表征是儿童靠动作来认知世界、获得知识；形象表征是儿童用自己头脑中的表象去表现世界、获得知识；符号表征是儿童运用符号文字去再现世界、获得知识。他还认为，发现学习有一系列优点，比如开发智慧、智力，提高内部学习动机、掌握学习策略、帮助信息加工等。他十分强调学生学习时对学科知识结构的掌握。学科知识结构也就是某一学科领域的基本观念，不仅包括一般的原理，也包括学习的态度和方法。他认为，学生掌握学科的知识结构，有助于理解学科的基本原理，有助于提高记忆效果。有助于促进学习迁移，也有助于各种知识的融会贯通。
布鲁纳的发现学习理论，虽然受到了一些误解和批评，但对20世纪后期小学科学教育的实践产生了重要影响，而且对科学学习心理学也是一个重大的理论贡献。
2.奥苏贝尔的有意义学习理论
美国教育心理学家奥苏贝尔是有意义学习论的创始人，有意义学习论有时也称意义接受学习论或接受学习论。奥苏贝尔认为，发现学习确实是存在的，但在学校情境中，学生学习的书本知识，绝大部分是有意义地接受学习。有意义学习过程的实质，就是词语符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当观念建立起非人为的和实质性的联系；所谓非人为的联系，是指新知识与认知结构中有关观念具有的逻辑联系；所谓实质性联系，是指新的符号与认知结构中已有的符号、概念或命题能够匹配。
有意义学习必须具备内外两方面的条件：外部条件是指学习材料本身必须具有逻辑意义，即能与人类学习能力范围内的有关观念建立起非人为和实质性的联系；内部条件则包括两个方面：一是学习者必须具有意义学习的心向，二是学习者的认知结构中必须具有适当的、能与新知识进行联系的知识。实际上，影响学生学习的首要因素是已有的知识——奥苏贝尔将其称为先备知识。学习者因为能对那些先备知识灵活运用，所以使得后来的学习变得易于理解。学习指导者只有研究并了解学生学习新知识之前具备的先备知识，进而配合设计教学，才能产生有效的学习。
奥苏贝尔的有意义学习论直接发源于学校的知识情境，也直接指导教师的教学设计。教师必须根据学生的经验水平即先备知识将教材内容详细规划，使之成为有系统、有组织的知识，然后条理分明地对学生进行讲解。
总之，奥苏贝尔的理论提醒人们不要过分地依赖“发现式”的学习，要注意基本概念的教学，注意学生良好知识结构的形成。
（三）建构主义学习理论及其对科学教育的影响
建构主义是20世纪80年代以来对西方的科学哲学、社会学、教育及教学思想的发展等产生巨大影响的一种理论。该理论认为，世界是客观存在的，但是对于世界的理解和赋予意义却是由每个人自己决定的。人们是以自己的经验为基础来构建现实的，由于每个人的经验以及对经验的信念不同，导致人们对外部世界的理解也就不同。因此建构主义十分关注以原有的经验、心理结构和信念为基础来建构知识。强调学习的主动性、社会性和情境性，对学习和教学方法提出了许多新的观点。
1.建构主义学习理论的基本观点(www.xing528.com)
从学习观讲，建构主义学习理论的基本观点可概括为以下三点：
（1）学习是学习者主动地建构知识的过程
建构主义者认为：学习并不是把知识从外界搬到学习者的记忆中，而是以学习者已有的经验为基础，通过与外界的相互作用，来建构新的知识的过程。也就是说，学习是主动建构知识的过程。建构主义者认为，在学习过程中，原有的知识由于新经验的介入而发生调整和改变，因此，信息并不是简单的信息积累、信息加工，它包含由于新旧经验的冲突而引发的观念转变和结构重组。学习过程是新旧经验反复的、双向的相互作用过程。由此可以推断出，学习不是一个被动吸收、反复练习和强化记忆的过程，而是一个以学生已有的知识和经验为基础，通过个体与环境相互作用主动建构意义的过程。学习是一个主动建构的过程，学习者不是被动吸收信息，而是主动地建构信息。
在这一基本观点的基础上，当今的建构主义者更多地强调在具体情境中形成的非正式的经验背景的作用，即非结构性的经验背景，并将它们看作是建构的目标和基础。
（2）学习者以自己的方式建构对事物的理解
建构主义者认为，将各种观念、概念甚至整个知识体系仅仅通过字词就可以由教师传递给学生这种传统教学的看法和做法是不正确的。因为事物的意义并非完全独立于我们而存在，而是源于我们的建构。每个学习者在日常生活和学习过程中，已经形成了相当多的经验，教学不能无视学习者的这些经验，而是要把学习者现有的知识经验作为新知识的增长点，引导学习者从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验。
建构主义者指出，由于每个学习者的发展水平和经验背景不同，每个人都以自己的方式看待事物，即学习者以自己的方式建构对事物的理解，世界上不存在唯一的理解标准，但学习者之间的交流与合作可以使理解更加丰富和全面。
（3）学习应该是一个交流和合作的互动过程
建构主义者指出，每个学习者由于发展水平和个人的经验背景不同，对同一事物有不同方面的理解和深刻程度的差异。学习者对问题理解的差异性，在学习者的共同体中恰好构成了一种宝贵的学习资源。这些学习资源可以通过交流、讨论和合作，被共同体中的每一个成员所享用，从而促使所有学习者的意义建构能力的提高。
由于当今的建构主义者重视教学中教师与学生以及学生与学生之间的合作与交流，合作学习和交互式教学受到建构主义者的广泛重视，并在建构主义的教学中广泛使用。
2.建构主义学习理论对科学教育的影响
科学概念的学习是科学教学的重要任务之一。建构主义学习理论对我们如何进行科学概念教学提供了观念和方法的指导。
（1）科学教学必须关注学生已有的概念，并设法改变他们的概念
建构主义心理学对儿童的假设是：儿童具有理解世界的一种强烈的天生的愿望，即使是特别小的儿童也会组织来自外部的各种信息。儿童在他们自身经验的基础上，形成了对世界的理解并形成了自己的理论。如果教师不关注儿童已有的概念，并为他们提供更有效的机会去更正他们原本的错误概念，而只是习惯于告诉学生正确的概念，就会导致学生对科学概念的不理解。
（2）教学必须遵照儿童建立科学概念的科学学习规律进行
建构主义本来是源自关于儿童认知发展的理论，由于个体的认知发展与学习过程密切相关，因此利用建构主义可以比较好地说明人类学习过程的认知规律，即能较好地说明学习如何发生、意义如何建构、概念如何形成，以及理想的学习环境应包含哪些主要因素等。
（3）在儿童“最近发展区”内为学生提供恰到好处的帮助与支持
“最近发展区”概念，是指儿童的独立思维和操作能力与在他人（如教师、家长）协助下能达到的水平之间的差距。这是维果茨基对建构主义理论的重要贡献之一。儿童学习的过程，就是其“最近发展区”不断上移的过程。教师的工作，就是在了解儿童的实际发展水平之后进而根据其可能发展水平，找出其可能发展区，经过指导，使儿童的认知构建臻于最有效最充分的地步。
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