本文以当今时代给人类带来的未来和文化冲击为基本视点，指出了变革已经构成当今人类生活的一部分，几乎每个人都无法置身于变革行动之外。变革意味着切实改变与革命，是新范式的创造、形塑及其主导地位的促成过程，而不是对旧有范式的修理或装饰。变革者的核心工作是“通过设计而创造未来”。 当前，正处在变革行动之中的科学教育，遭遇的主要问题和挑战是：变革者如何在实践中形塑关于变革的信念和智慧；培育学生科学素养的基本条件、过程和策略是什么；如何切实、有效地使科学课堂从封闭性转向开放性。 鉴于科学教育变革行动的方方面面都聚焦于科学学习与知识创新之上，要解决和应对科学教育变革行动中的各种问题与挑战，我们必须从学习与知识创新的视角，全面审视科学学习的复杂性。为此，我们从知识及其转化的复杂性、科学知识社会学、复杂理论、意义建构和社会-文化实践等多维视角分别对科学学习的复杂性进行探析，进而界定了科学学习复杂性的10个关键特征：实践性、境脉性、协商性、亲历性、默会性、自组性、自稳性、协同性、多产性和对称性。据此，我们进一步构建了反映复杂学习系统原型性态的结构框架，为科学教育中的复杂学习环境设计提供理论支撑。 论文认为，科学教育中的复杂学习环境设计可以有效地将课程设计、教学设计、评估设计和学习技术设计融为一体，从而避免了关于课程、教学、评估、学习技术和学习的思想与方法在分离式设计流程中的遗漏、走样或相互冲突。因此，科学复杂学习环境设计的指导思想是：设计者即学习者；设计过程即基于结构不良问题的复杂学习过程；将现代信息技术整合于设计-学习之中：“基于设计的学习”模型可作为对学习者复杂学习活动过程的描述与解释框架。在此基础上，我们构建了科学复杂学习环境设计的过程、性态和技术路径等反思与评价体系，并分析了与之相关的科学课程与教材设计，以网络为中介的复杂学习平台设计、知识整合平台设计和学习技术与课程开发实践共同体设计，以及基于深度学习与项目研究的复杂学习者等案例。为科学教育工作者或研究者在案例分析的基础上进行复杂学习环境设计提供支撑。 基于上述研究工作，本文形成了如下研究结论： 1、人类的知识创新和学习方式创新原本就是各种复杂学习系统的整体涌现。那些把复杂学习系统简化为显性知识的单向传输和强化训练的教育方式，在很大程度上屏蔽或消解了学习者的个性和创造潜力。 2、我们可以从多维度来界定“什么是复杂学习”：·从系统进化的角度来看，复杂学习是指构成系统的行为主体(agents)有目的地、创造性地应对来自环境变化的挑战的过程中所表现出来的基本学习方式，这种学习方式是学习系统中共享格式和个体格式的交叉复制与建构创生的过程。 ·从生命进化的视角看，复杂学习是自然生态系统中具有学习能力的高级动物(如鸟类、兽类等)在应对种群竞争、食物紧缺、气候环境恶化等多种生态问题时，经过长期的试探而创造性地发现多种合适的生存格式，并在遗传进化中通过交叉复杂(双性繁殖)而将这种生存格式部分或全部地保留下来的过程。 ·从人类基于脑的学习的视角看，复杂学习是学习者浸润于人类创造的语言、文化与价值中，调动大脑的自我意识、信息加工等多种功能区，基于创造性想象力，有意识地协调和控制自身行为的过程。 ·从人类学习的认知心理过程看，复杂学习意味着学习者应对问题与挑战时，积极地调用自身已有的多种认知格式，通过同化一顺化等心理加工过程，构建理解事物、解决问题的新格式，其实质上是学习者内部认知结构的扩大、重组和整合过程。 ·从学习的社会建构过程看，复杂学习发生在行为主体的“最近发展区”之中，通过成人与儿童、能力更高者与初学者、专家与新手之间的合作与对话，将彼此的“情境定义”进行协商、整合而生成“主体间的情境定义”，这种主体间的情境定义是指导学习者解决问题和应对挑战的基础。这一过程可以看作是基于协商的“情境定义”建构过程。 ·从人类文化进化的视角看，复杂学习是一新型文化创新的过程，它经历文化范式的形成、扩张和守护等阶段。 ·从人类实践或游戏的视角看，复杂学习是通过对社会或游戏基本规则的创造性利用，生成融集实践者智慧的“构成性产品”的过程。 3、复杂学习不仅在理论上整合了多个学科的相关研究成果，而且，它更贴近于学习者本身，任何学习者都可以通过实践、反思和交流来体认和理解学习的复杂性。它有助于获得学习的所有权和知情权。 4、复杂学习理论根源于复杂性科学，它沟通了科学、科学学习与学习科学之间的关系。围绕复杂学习及其环境设计而展开的理论与实践探索，可内在地促使学习者抛弃主客体分离的世界观，切实地将人、自然与社会当作一个整体来考察。