重复提取胜过细化学习  ——卡皮克记忆研究进展及其对教学的启示

重复提取胜过细化学习

——卡皮克记忆研究进展及其对教学的启示

(载于《中国电化教育》2012年第3期)

赵国庆，郑兰琴

(北京师范大学   教育学部，北京   100875）

摘 要：如何高效学习是教育教学关注的永恒话题。卡皮克等人通过一组实验证明“重复提取”比“细化学习”更能促进学习的发生和记忆的保持，并将最新成果在《科学》杂志上发表。为了深入理解和更好应用卡皮克等人的研究成果，本文采用内容分析法对卡皮克等人的研究进行了梳理，发现卡皮克等人从“提取”对记忆保持度的影响入手，逐步深入到对反馈、提取模式、提取时间间隔、学习者的记忆错觉等要素的研究，并迁移到对意义学习的支持和促进上，其研究成果丰富，借鉴意义较大。在此基础上，本文从“提取”的视角对经典的教学法进行了剖析，认为启发式教学、探究式学习、协作式学习都包含了丰富的“提取”活动，讲授式教学则应用更多注入“提取”的成分，也由于包含更多“提取”活动，填充概念图和修改概念图比简单的画概念图更有效；最后从“提取”的视角对教育教学改革提出了若干建议，认为教育教学改革应该更加注重学习者的“输出”、注重学习者自我测试能力培养、注重设计更高质量的问题、注重促进“意义学习”的生成和注重建设促进学习者“提取”学习系统。

关键词：提取练习；细化学习；记忆；测试；概念图

中图分类号：G434          文献标识码：A

一、    引言

2008年，美国普杜大学（Purdue University）认知与学习实验室（Cognition and Learning Laboratory）的青年学者杰弗里?卡皮克（Jeffrey D. Karpicke）博士在《科学（Science）》杂志上发表论文《提取（Retrieve）在学习中的关键作用》^[1]，通过实验证明重复学习对延迟的回忆（一周后）没有效果，但重复测试（Repeated Testing）则能在很大程度上促进回忆，提取是测试中的最为关键的环节，因此提取对巩固学习具有非常重要的促进作用。这一研究成果一经发表，就得到了心理学、教育学界以及媒体的高度关注。纽约时报（The New York Tims）、高等教育年鉴（The Chronicle of Higher Education）等都进行了报道，科学观察（Science Watch）网站^[2]对该论文给予了 “快速突破论文（Fast breaking papers）”的高度评价，美国心理协会更是授予卡皮克博士“明日之星（Rising Star）”称号^[3]。2011年，卡皮克又在《科学》杂志上连续发表论文，宣称提取练习比以概念图为代表的细化学习更能促进学习成果的生成^{[4] [5]}。这一研究成果遭到了概念图的创始人诺瓦克（Navak）所在团队的质疑，双方在《科学》上展开交锋，讨论到底什么才是促进学习的最有效方式^[6]。“反复提取胜过重复学习”也成为最“引人注目（Striking）”的研究成果。

学习能力培养是建设学习型社会的重要基础和保障，如何促进学习也一直是教育学、心理学特别是教育技术学领域关注的热点问题。本文首先介绍卡皮克的相关研究及其成果，然后基于这些研究对我们所倡导的各种教学方法进行剖析，最后对教育教学改革提出若干建议。

二、    卡皮克记忆研究及其成果

卡皮克博士现为普渡大学心理学系助理教授（Assistant Professor），2002年获得印第安纳大学（Indiana University）心理学学士学位，本科毕业后进入华盛顿大学（Washington University）学习，并在此相继于2004年获得心理学硕士学位，2007年获得心理学博士学位。博士毕业后，卡皮克进入普杜大学心理学系任教，并成立认知与学习实验室，从事人类学习与记忆、提取过程在意义学习和理解中的作用、元认知与自组织的学习、认知科学的教育应用、教育技术、计算机辅助教学等方面的研究。其中提取过程是其研究的重中之中。相继在《科学》《心理科学》《记忆与认知》《实验心理学》等重要学术期刊发表论文20余篇。

2004年，卡皮克开始从事记忆与学习的相关研究，他使用瞬时记忆的广度来测量隐性学习^[7]。2006年开始研究测试对学习的促进作用^[8][9]，2007年进一步将研究聚焦到提取过程对学习的促进上^[10][11]。一开始，卡皮克研究的是“外语单词记忆”这种最简单类型的学习，在其假设一个一个被验证后，他开始将其研究成果迁移到通常意义的学习上^[12]。下面简要介绍他的这组研究。

(一)    什么是提取

“编码”（Encoding）与“提取”（Retrieval）是学习的两种重要活动。“编码”是指将信息存入大脑，“提取”则是从记忆中回想信息的过程。“编码”构成了人们通常意义上的学习，但“提取”则一般不被看作是学习的组成部分。在卡皮克看来，当人在进行测试或从事类似的活动时，人的思维就将尝试提取问题的答案或可以被用来生成答案的相关信息。理想的情况是，通过学习，人们已经将这些信息存储在大脑中，从而可以简单地提取并生成问题的答案。为了获得问题的答案，人们必须提取相关的信息，因此测试包含了提取。卡皮克非常关注提取对学习的影响，他认为在真实考试前训练提取技能有助于考出更好的成绩，他将这种训练称为提取练习（Retrieval Practice）。图1展示了卡皮克所指的提取，它非常类似于从一个磁盘里获取信息，与此对应的，将信息存入磁盘则称为编码 ^[13]。

图 1 编码与提取

(二)    重复提取对学习具有重要促进作用

之前几乎所有的研究都认为，学习发生于学习者对学习材料进行研读和编码的过程中。因此，额外的研读将产生更好的学习效果，而记忆只被认为是一个测量所学的中性事件，其本身并不会导致学习的发生。卡皮克等人^[14]专门设计了实验，重点研究三个方面的问题：（1）在信息可以从大脑中回想后，重复编码（研读模式）和重复提取（测试模式）对长时记忆的影响如何？（2）学生对一周后的记忆效果能否给出准确的预测？（3）学习的速度是否会影响长时记忆的效果？

卡皮克等人^[15]选择一组大学生做被试，所有被试开始学习一组共40个斯瓦希里语-英语（Swahili-English）的词汇对（如Mashua-boat），然后对整组词汇进行测试（如Mashua-?）。在最初的学习和测试阶段，所有条件都是一样的。当有词汇对能被正确回忆后，被试被分为四个组：标准组ST、只测不学组S_NT、只学不测组ST_N和不学不测组S_NT_N。ST组在所有学习和测试阶段学习和测试整组词汇，S_NT组则不再学习已会的单词对而只进行测试，ST_N组则不再测试已会单词对而只进行学习，S_NT_N组则将已会词汇删除，不再测试也不再学习。在每次学习和测试之间，插入一个30秒的记忆干扰任务。整个学习和测试过程如表1所示。整个学习和测试完成后，要求被试预测他们在一周后的记忆的保持率。一周后，被试被要求回来参加记忆保持测试。

表 1 卡皮克的提取实验^[16]

数据显示：（1）ST组和S_NT组的记忆保持要显著高于ST_N组和S_NT_N组（如图2所示），从而证明重复提取能够增强长时记忆，而重复学习对增强学习帮助不大。（2）在对记忆保持的预测方面，四组被试的预测都相差不大，都在20%左右。但记忆测试的结果说明被试并没有预测准确，重复测试为他们带来了意想不到的记忆保持。（3）信息的遗忘速度与学习的速度关系不大，主要决定于记忆中采用的手段^[17]。

图 2 一周后的回忆率^[18]

在此之前，卡皮克等人还做了大量类似的实验，结果都一致表明^[19][20]：对记忆进行测试不仅能够探查学习者已经知晓什么，还能增强随后的记忆保持，而信息的重复提取对长时记忆具有关键性作用。

(三)    测试中的反馈促进记忆保持

之前的研究一般将反馈看作一种纠正错误回答（Response）的方法，忽视了反馈对正确回答加以促进的可能性。卡皮克等人^[21]发现，在学习者对生成的正确回答信心不足时，反馈可以促进这一起初的元认知错误，并增强低信心的正确回答（Correct Response with Low Confidence）的保持。

卡皮克等人^[22]设计了在两个实验，实验中被试进行一个多项选择测试，然后被要求在每一次回答后做出一个信心判断，并对其中的一半问题给予了反馈，实验最后通过回忆测试来考察记忆的保持度。数据表明，与不参加测试相比，参加测试提高了记忆保持度，反馈则进一步增强了记忆的成绩。与不提供反馈相比，反馈帮助被试纠正了一开始的错误回答，从而促进了记忆的保持。更重要的是，与不提供反馈相比，反馈也增强了对低信心的正确回答的保持。反馈不仅能纠正记忆上的错误，也能纠正元认知上的错误。

(四)    测试形式并不影响记忆效果

卡皮克等人^[23]设计了两个实验来检测测试形式对记忆效果的影响，第一个为开卷测试，即学生可以在测试时查看笔记和课本；第二个为闭卷测试，即学生在测试时不能查看笔记或课本。被试首先学习散文短文，然后进行重复学习、开卷测试或闭卷测试。数据显示：（1）与重复学习或无反馈测试相比，在有反馈的情况下，无论进行哪一种类型的测试都能增强长时记忆的保持。（2）开卷测试比闭卷测试能够产生更好的初始成绩，但这种优势没能持久。在延迟的测试中，两种类型的测试在记忆保持上基本相同。（3）被试预计重复学习能让他们记住更多，然而实验证明测试比重复学习更能促进长时记忆的保持。这些实验证明测试效应在开卷和闭卷测试中都存在，而被试没能预计出测试比重复学习更能促进记忆的保持。

(五)    学生在学习中没能有效运用“提取”策略

前面的研究已经证明提取对学习和长时记忆的保持有强大的促进作用。重复测试比重复学习更能促进学习的发生，而重复学习给学习带来的帮助往往非常有限。但实验室的研究也揭示学习者很少意识到测试有助于学习这一事实，也就是说在真实的教育环境中学生很可能没有进行提取方面的训练以增强学习。

为了研究学生的真实学习行为，卡皮克等人^[24]对177名大学生进行了调查，一是让学生列出他们在学习中用到的学习策略（开放式、自由报告式问题）；二是让学生选择他们在学习课本的一章后是否重读或进行回想（必答题）。两个问题的结果都指向同一个结论：大部分学生重复阅读他们的笔记或课本（尽管这种策略效果有限），只有很少的一部分学生在学习时进行自测或进行提取练习。卡皮克^[25]认为很多学生在学习时都经历过记忆错觉，而正是这种错觉明显影响了他们对策略的选择。

学习者是否选择进行提取是受元认知控制的，卡皮克等人^[26]通过实验发现，当被试可以自己控制学习，自由选择重复测试、重复学习或删除可回想项目时，大多选择删除可回想项目，而不是进行提取练习，这也导致了较弱的记忆保持。卡皮克等人还发现，在学习过程中加入测试能改进学习，但当学生自由控制学习时，他们并不能在第一需要的时间尝试提取，尽管那时进行提取可以产生最好的学习效果。

这些实验揭示出一个在自组织学习中常常产生的元认知错觉，那就是学习者一旦可以回想起一个项目，他们就倾向于相信他们已经学会了。这就导致学习者不再继续进行提取练习，而是选择终止练习，正是这个策略选择最大程度上导致了低记忆保持的发生。

(六)    提取的时间间隔与记忆的保持

提取的时间间隔是指在两次提取测试之间的时间间隔。常见的有扩展型提取（Expanding Retrieval Practice）、等距型提取（Equally Spaced Retrieval Practice）和收缩型提取（Contracting Retrieval Practice）。扩展型提取是指在提取练习中逐步加大重复测试之间的时间间隔，等距型提取则是在提取练习中保持相同的时间间隔，收缩性则是逐步缩短测试之间的时间间隔。

人们普遍倾向认为扩展型提取可以产生最理想的长时记忆保持，但却鲜见有实证研究支持这一论点。卡皮克等人^[27]开展了两个实验比较了等距型提取练习和扩展型提取练习的效果。在起初的学习阶段，被试学习简单的文本并进行回想，然后控制重复回想测试之间的时间间隔，并在一周后进行记忆测试。数据显示，重复测试在记忆保持方面远远高于单次测试，带反馈的测试比不带反馈的测试记忆保持更好，最重要的是扩展型提取练习和等距型提取练习在记忆保持方面没有差别！也就是说，重复提取增强了长时记忆保持，但以什么样的时间间隔去重复不会对结果产生影响。

另一个问题是是否存在一个产生最佳学习效果的特定的提取时间间隔表。卡皮克等人^[28]继续开展实验，实验中被试学习并对项目进行测试，直到他们能够回想每一个项目。然后他们根据不同的时间间隔进行了三个重复测试。研究发现，增大重复测试之间的时间间隔总和能够产生最强的长时记忆保持；与无间隔的重复测试相比，长间隔的重复提取对长时记忆保持有200%的提高。然而，依然没有证据表明一种特定的间隔（扩展型、等距型、收缩型）比另一种更优越。尽管扩展型提取提供了一种在重复测试中增大提取难度的机制，但这并没有转化为长时记忆的增益。重复的间隔性提取对记忆保持具有强大的效果，但还没有找出重复测试的相对时间表。

(七)    提取模式显著影响记忆效果

卡皮克等人^[29]设计了一组共四个实验，分别考察了生成式练习（Generation）和提取性练习对随后记忆保持的影响。“生成练习组”的被试被告知将第一个进入脑海的单词碎片填充完整，“回想练习组”则被告知使用这些碎片作为提取的线索，去回忆在实验第一阶段里出现的单词。研究者通过指令控制被试的提取模式，“回想练习组”采用有意识的提取模式，“生成练习组”则采用随机提取的模式。数据显示，在随后的自由回想测试中，“回想”比“生成”带来了更好的记忆保持。“生成”和“提取”都破坏了对顺序信息的保持，但“提取”比“生成”更大程度上增强了对特定项目信息的保持。“提取”和“生成”是两种不同的提取模式，效果明显不同。这说明有意识提取比随机性提取能产生更多的记忆保持。

(八)    理解是元认知判断的基础

卡皮克等人^[30]通过实验研究了被试在有无理解线索的情况下对模棱两可的句子进行自由回想和元认知判断的情形。这些句子分为无线索、有嵌入的意义丰富的线索、有10秒延迟的线索三类。在呈现这些句子后，被试做出理解判断或学习判断。数据显示，在接收提示线索前困惑几秒钟比无线索以及有嵌入的丰富线索时更能促进回想。但这种优势并没有在被试的理解判断和学习判断中体现。事实是，被试对相对容易理解的句子给出了较高的学习判断，而与实验条件无关。尽管这种意义理解上的努力（Efforts after Meaning）增强了记忆，但从被试的判断上看，他们并没有意识到这一点。研究发现学生往往忽视那些对学习有实际促进作用的因素，这些因素对教育无疑非常重要。因此需要将学习情境设计得更具挑战性，让学生有更多的认知参与，从而导致增强的记忆保持。

(九)    提取练习比基于概念图的细化学习生成更多的学习

教师往往比较信赖那些支持细化学习的学习活动，但对那些需要学生练习提取和对知识进行重构的活动兴致不高。卡皮克等人^[31]通过实验证明，提取练习比基于概念构图的细化学习更能促进意义学习的生成。提取练习的优势不仅体现在单一文本的学习，对科学教育里的一般学习也同样适用。卡皮克等人^[32]通过一组评价理解的问题和一组需要学生推理的问题考察了提取练习的优越性，即使与包含概念构图活动进行对照测试，这种优势也依然存在。卡皮克等人的发现支持了提取练习促进学习的理论，认为特定的提取机制比细化的学习过程更为有效。因此，提取练习还是一种有效的促进科学概念学习的工具。

三、    对经典教学法的反思：基于提取的视角

认知科学家和教育专家认为卡皮克的研究结果非常令人震惊，但“提取”为什么有效目前还不得而知。Marcia Linn认为，“提取”之所以有效，可能是由于“提取”能够帮助学习者“意识到大脑中知识之间的缝隙(Gaps between Knowledge)，从而可以在大脑中反复寻找知识之间的线索”。Bjork博士则解释说，当人们在计算机的内存中进行检索时，人们并没有改变它，但人们在自己的记忆中“提取”时，实际上已经改变了访问信息的方式，使得这些信息变得更加容易回忆，从某种程度上讲，“提取”实际上是对未来信息访问的一种练习^[33]。

卡皮克等人的记忆研究告诉我们，在学习过程中应该更多地进行“提取练习”而不是一遍遍地研读书本。在卡皮克的研究中，受限于实验室对各项条件的约束，卡皮克选择“测试”来替代他真正意义上的“提取”。测试中固然包含着较多的“提取”活动，但这不意味着只有测试中才有提取。事实上，就算是卡皮克用来比较的对象“重复学习”中也或多或少包含着提取过程。因此，我们不能简单地认为卡皮克的研究就是告诉我们要多做题或是多考试，从而陷入到更深的“题海战术”中。其真正的指导意义在于告诉学习者要更多地去提取——也就是更多地去和大脑中存储的信息进行交互。

从“提取”的视角来审视我们的各种教学方法和学习方法，就有了一个重要评价，这个指标就是在教学或学习活动中含有多大比例的“提取”活动。只要能够有效激发学习者的“提取”，我们就可以认为这种教学方法有助于增强学习和促进学习的保持。

教师讲授无疑是当前教学中采用的最普遍的教学法。这种方法饱受质疑，主要是因为它缺乏对学习者主体的尊重。但同样是讲授法，也依然有很多老师将其发挥得淋漓尽致，深受学生欢迎。从“提取”的视角来看，好的讲授应当能不断引导学生思考，激发学生建立起与先前知识的联系，不断产生认知冲突并在冲突中产生新的认知结构。因此，在讲授中教师可以采用设疑式、启发式、提问式等方法来促进学生的“提取”，让学生积极参与到课堂中。

协作学习、探究学习广受推崇，事实也证明其有效性。从“提取”的视角，在协作学习和探究学习中，学习者通常都有一个预先设定的任务，在任务完成的过程中，学习者不得不反复提取信息，并与新信息整合。此外，协作小组的讨论也在很大程度上激发了信息的“提取”，讨论过程中小组成员之间进行交互，而交互的过程包含了对已有信息的大量存取，小组成员基于提取的信息进行主体间的意义建构。

问题是积极学习的开始，因为有了问题，“提取”就将成为学习中的常规活动。不仅如此，我们要更加注重培养学生的提问能力，因为提问包含了更多的“提取”，是对所学知识的全面考察后才能做出的。

最后谈谈概念图教学法，其实多年以前就有研究指出常规的概念图教学法（直接构图法、看图法）效果不明显，但让学生对概念图进行纠错或填空却能产生更好的效果^[34]。从卡皮克的研究结果看，直接构图和看图包含的更多是对知识进行的“编码”过程，属于“重复学习”的范畴，而填充概念图和对概念图进行纠错则包含了更多的“提取”活动，其效果更好也就不难理解了。

四、    对我国教育教学改革的启示

我国即将进入全民学习、终身学习的学习型社会，教育教学改革也将终身学习能力建设作为学校教育的重点之一。无疑，卡皮克的记忆研究成果为我国教育教学改革提供了很好的参考。

(一) 教学设计上更加注重学习者的“输出”

传统的教学更多关注的是如何将学习内容加以有效编码，从而以一种有效的方式“输入”到学习者的大脑中，对学习者的“输出”缺乏足够的关注。加上学习者在反复学习中容易形成“记忆错觉”，对自身掌握情况缺乏真实的判断。受卡皮克博士研究的启发，我们在教学设计中应该更多关注学习者的“输出”，譬如让学习者更多地表达和运用所学内容，因为这一过程包含更多的“提取”活动。心理学家Kornell认为^[35]，在“提取”或“输出”过程中，学习者一般都感觉非常的吃力（Struggle），同时感觉到自己并没有在学习或学得很不好，但正是这种“吃力”的感觉在帮助学习者学习。

例如，广大学习者在学习英语时，听力是一个普遍的难关。钟道隆针对这个问题提出了“逆向听写法”,它是目前众多英语学习者中认为最为有效提高英语听力水平的方法。它主要的方法就是让学习者把听到的内容写下来，完全消化，经过不断的重复后就慢慢听懂了。在笔者看来，“逆向听写法”包含了非常多的“提取”过程，过程虽然辛苦，但效果却非常明显。

(二) 学习能力建设上更加重视自我测试能力的培养

通常意义上的考试饱受诟病，主要是由于教育中的考试已经太多太多。过多的考试容易导致学生更多去“死记硬背”，占用学生太多时间，同时引发学生的过度焦虑。卡皮克的“测试”不同于通常意义上的考试，它主要是作为“提取”活动的一种载体而存在，形式上更加灵活，从某种意义上看更多的是一种非正式的自我测试。

对学习者来说，除了依靠教师给出的常规测试来促进学习外，自我测试则是一种更方便快捷的学习促进手段。这种自我测试更多的是一种有意识的对自我觉察。有了自我测试的意识和方法，学习者就可以随时、随地对学习内容进行自测，从而实现学习时间的有效利用和学习效率的大幅提高。

自我测试能力包括自我测试意识和自我测试技能两大块。自我测试意识需要学习者不断地强化和暗示，而测试技能的核心则是找出最能反映学习质量的问题，有了好的问题测试的精准度就有了保障。

(三) 内容设计上更加注重设计高质量的问题

高质量的问题是有效测试的重要基础。因此，教材编写者和教师都需要努力设计高质量的问题。从某种意义上看，问题的设计比内容设计本身更加重要。因为在网络化时代，有了问题，通过互联网获取问题的答案是再简单不过了。但在没有问题的情况下直接去学习，学习大多是被动的、机械的，从而也是低效的。所以，教师需要设计更多的非良构问题，因为解决非良构问题时包含了更多的“提取”活动，会激发学习者产生更多的解决方案和解决路径。

(四) 教学过程中要注重促进“意义学习”的发生

奥苏贝尔认为意义学习是指符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当概念建立非人为的、实质性联系的过程^[36]。因此，意义学习与机械学习相比，包含了大量的“提取”。教师在教学过程中可以采用如下有效的策略促进意义学习的发生。第一，教学设计前进行充分的学习者特征分析，分析学生已有的知识及其掌握水平，特别是分析已有知识的稳固性和清晰性，若掌握的不牢靠，需要温习旧的内容以使学生具有扎实的基础，然后再来设计新的教学内容。第二，教师需要帮忙学习者建立有意义学习的心向，即教师需要激发学生的学习动机，使学生积极地参与到学习过程中，把新旧知识联系起来，不断地“提取”和建构。第三，教学过程中多设计一些交互的环节，比如提问、小组讨论、同伴互助等策略。

(五) 学习系统建设上更加突出对学习者“提取”的促进和支持

信息技术的飞速发展，人类已经进入到数字化学习时代，因此也就有了很多数字化学习系统。当前的学习支持系统主要还是用于学习内容的传输，系统自身与学习者的交互没能较好地体现。根据卡皮克的研究成果，学习系统需要体现更多的交互支持，真正成为支持学习者学习的认知工具，这样才能在更大程度上促进学习者“提取”习惯的生成，从而引发更高效的学习。

五、    小结

卡皮克等人通过实验告诉我们，对已学知识的积极重复“提取”比重复的细化学习更能促进学习的发生和记忆的保持。但卡皮克等人的研究是在实验室中完成的，直接迁移到课堂教学和常规学习还有一定距离。在常规学习中，“提取”和“学习”不是完全隔绝的，更多的是在“提取”中“学习”，在“学习”的同时“提取”。因此，我们不能把“提取”简单的理解为“测试”，例如用自己的语言解释学到的知识就是一种非常理想的“提取”形式。只要教师和学习者能够有意识的应用“提取”，各种类型的教学活动都是值得尝试的。