基于变构学习理论的信息化教学设计的策略分析

　[作者简介] 李海峰（1978—），男，河北唐山人。助教，硕士，主要从事教学系统化设计理论与方法研究。

　　一、引 言
　　“促进学生的学习”是教学设计的出发点和归宿，是集诸多教学要素系统化的目的。教学设计的设计基础是在析清“人类是如何学习”这一基本问题的基础上进行有效组织，通过对这一问题的理解和把握来进行学习内容、教师、学习者和媒体等教学要素的组织。关于学习含义的理解有诸多不同，主要分为如下几大学派：第一，以机能为主导的学习理论代表有爱德华·桑代克、伯勒斯·弗雷德里克·斯纳金、克拉克·伦纳德·赫尔等。桑代克倡导联结主义，通过选择和连接进行学习，学习是渐进的而不是顿悟的；斯纳金是激进行为主义的代表，通过应答行为与操作行为结合强化奖惩等措施进行教学研究；赫尔则通过探究驱力、线索、反应和强化来促进学生的学习。第二，以联想为主导的学习理论代表巴普洛夫，他认为学习的发生是通过条件反射而形成的，提出了预期学习理论观点。第三，以认知为主导的学习理论代表为皮亚杰、乔纳森，他们认为学习的发生基础是基于学习者原有知识，通过同化、顺应等进行知识的建构和发展。第四，以神经生理学为主导的学习理论代表为唐纳德·奥尔丁·赫布和罗伯特·C·波尔斯，他们从脑组织、神经网络和进化论的角度研究生物体与学习的相互影响及学习理论。[1]
　　从四大学习理论派别的发展来看，前两种学习流派过于机械化、简单化，忽视了人类的身心发展；认知学派较前两种理论有了较大的发展，但是同化、顺应的理论具有明显的局限性，而且很难由学习者自己独立发生；第四种学习理论从生物体的层面考虑了器官与学习的联系。然而安德烈·焦尔当认为，学习是从学习者的概念出发进行学习的，学习者的概念是他们用以理解的唯一工具；只有学习者本人才能转化他们自己的知识；学习者不能在没有他者存在的情况下学习。[2]这一观点的提出对于“什么是学习”和“如何促进学习”提出了新的视角，笔者结合这一学习理论探究了如何进行基于变构模型的信息化教学设计，并对该变构学习教学设计模型（Allosteric Learning Instructional Design ，ALID）进行了实证研究。
　　二、变构理论学习观
　　（一）变构理论隐喻
　　变构模型是学习科学视域下的一种新理念，是在分析和弥补从机能主义到认知主义缺陷的基础上，结合生物层面的理论而创造的一种新学习观，它源自生物中“变构蛋白”的特定结构和功能的一种隐喻。这些生物酶是生命的基础，其形态变化及由此而导致的功能变化取决于它赖以生存的环境条件。[3]这一隐喻得出了极具启发性价值的两个结论：首先，学习者的思想（即概念体）是由学习者能够启用和调动的关联决定的；其次，教育者只能通过操作教学环境等外部条件来干预学习者的概念体，从而促进他们的学习。
　　（二）变构理论学习观
　　变构模型的学习观主要包括以下几个命题：第一，学习就是转化学习者的概念。学习者的概念不仅是学习者学习的出发点，还是学习活动的结果，也是学习过程所使用的工具本身，学习就意味着从一种概念的结构状态进入到另一种概念的结构状态。[4]第二，概念体由五要素构成：P（问题）、C（参考框架）、O（心智运算）、R（语义网络）、S（意义符）。个体的一个概念总是首先对应一个质问，质问又与相应的（模糊性）问题而存在，概念的炼制通常使其得到明确，同时其他相互作用的四个参数对学习概念起着决定性的作用。第三，概念体既是学习者的工具，又是他们的“智力牢笼”。学习者只能利用自己的概念对信息进行处理、编码和解码；相反已存在的概念体会阻碍新概念的加入，尤其当新知识与已知概念相对质时，因为学习者认知、接受新概念时，总是用已有的概念进行解释，在这一解释过程中，难免会出现误解、对质，从而阻滞了对新知识的理解和认识。
　　三、变构学习教学设计（ALID）模型构建与依据
　　依据变构学习理论的基本观点和教学设计的理论基础，笔者提出并构建了变构学习教学设计模型。
　　（一）ALID模型构建的理论依据
　　变构学习理论认为，学习就是要使学习者原有的概念体发生变化，然而对于教师而言，学习者的概念体并不能人为地直接进行操控，只能像变构蛋白一样通过控制外部环境来影响和改变它。显然，基于变构模型理论的教学设计必须注意以下几点：第一，确定学习者的概念体，这是利用和对质概念体的前提，同时也是确定学习出发点的依据。第二，创设情境，旨在影响和变构概念体。概念体的变构分为直接建构和对质变构，即在特定的学习环境中，学习者可以通过自身的概念体进行同化和顺应新知识，但是大多数情况下概念体的变构是通过学习者与自身概念体的对质、解构和建构等不同阶段来实现概念体的重组的。学习环境的创设应充分利用现代媒体技术、人际互动等创设启动情境，激起学生的对质和动机。教学设计旨在使学习更有效、更高效、更吸引人。[5]主要包括分析、设计、制定、开发、实施、评价、修改教学问题解决方案的全过程，亦即应用系统方法对教学过程的诸要素、环节及其相互关系进行科学的分析、描述、计划或规定，为所需的教学活动制定具体可行、可操作的程序或方案。[6]变构理论教学设计模型旨在基于变构学习理论运用系统方法进行教学过程诸要素的组织与规划，为践行教学活动制定出具体可行、可操作的程序或方案。
　（二）变构理论教学设计模型的内容
　　根据概念变构模型理论，并结合教学设计的相关理念构建了基于变构学习理论的教学设计模型（如图1所示），模型体现了概念体在学习者学习过程中的核心地位，突出学习环境对促进学习者概念体变构的重要作用。
　　基于变构理论的ALID模型包括分析阶段、解构与建构阶段和评价阶段三部分。分析阶段主要包括学习目标、学习者特征分析和确定学习起点。学习目标是学习结果的最终预期目的，也是教学工作者通过创设与操控学习环境欲使学习者的概念体发生变化的最终理想形态。学习目标的分析是利用学习者自身概念体的前提，也是与其对质的关键。学习目标的分析主要包括学习内容的组织形式以及与其相关 的支持性概念，即既要理解学习内容，又要探究为学习内容与学习者概念体进行变构的支持性概念。学习者特征主要包括概念体、认知能力、学习风格和学习动机。学习者本身概念体的分析主要涉及概念体的五要素：P（问题）、C（参考框架）、O（心智运算）、R（语义网络）、S（意义符），获取学习者概念体的策略主要包括问卷、谈话、画图等形式。学习者的概念体是学习者对现实世界和所获信息进行解释的唯一工具，同时确定和把握学习者概念体是进行教学设计的前提之一，它关系到后续概念体变构的成败。认知能力和认知风格是进行个性化教学的基础，根据每个学习者的身心发展差异进行针对性的教学设计安排；学习动机主要分析学者当前对本学科内容的动机强弱以及原因。通过学习目标和学习者特征分析来确定学习起点，还应注意学习的起点是共性与个性的统一体，即将全体学习者的基本水平与单个学习者的个人起点水平对立统一起来。
　　变构模型学习理论最重要的环节就是解构和建构阶段。在这一阶段中，环境创设、资源设计和教学策略安排为学习者概念体的变构奠定了坚实的基础，同时也决定着概念体的变构成败。根据概念体的性质，即概念体的可利用性和障碍性进行不同教学形式的选择。如果学习者自身概念体能够直接同化和顺应外在知识，教师将会选择“利用”的教学流程；相反则会进入到概念体“对质”的教学流程之中。（1）“利用”模式。在“利用”教学模式中，学习得以顺利进行的前提条件是学习者已有概念体不存在错误，同时概念体的知识结构与学习内容的组织形态处于一致或类似的状态。此时可以通过创设启动环境激发学习者的动机，为学习者的概念体变构提供信息资源，并运用适当的教学策略提供逐步的帮助和指导来完成概念体的建构。在这一过程中，学习环境创建的成功与否直接影响着学习者原有概念体的变构；学习环境的创建必须与学习者原有概念体产生共振才能激发学习者的动机；学习环境的创建必须以学习内容为基础，为学习者原有概念体与学习内容的结合创设条件。（2）“对质”模式。这一模式应用的目的旨在排除、撼动、驳斥学习者原有概念体中的错误，将学习者的错误概念清除出去，要达到这一目的必须要和学习者的概念反着来。基于这种理论观点的学习环境创设，教师要制造导致思想对立的情境，这种对立可以是学生本身的，也可以是学生小组内部的。学习环境的创设要突出真实感、真切感和共振性，以最大限度地开发和利用各种学生真切感受到的认知冲突。教学策略由于对质的形式不同也存在着差异，在自我对质中，教师可以通过提供数据资料、实物接触、现实接触、实验观察等形式实现；在协作对质中，教师可通过组织辩论、小组讨论以及论坛、聊天室、博客、微博等形式展开。（3）评价阶段。动态性是评价的主要特征，因为在教学预设、进行中、结束等阶段，教师都在实时地进行监控与评价，同时采取相应的措施进行教学策略的调节。
　　四、基于ALID模型的实证研究
　　（一）研究设计
　　经过对学生教材的设计、实验对象的选取、资料的查找和研究的论证，在2012年2月确定了基于变构模型学习理论的实验研究过程，即基于ALID模型的应用研究实验。
　　1. 课题选取
　　研究的目的源于探索基于变构学习理论的教学设计及应用方法。实验方法为准实验研究法。实验对象源自七年级的教学班级，选取两个班级的生物学科进行实验研究，即实验班和控制班。实验班采用基于变构理论的教学设计模式，控制班采用传统教学模式，其他变量相同，同时对教材的教学预设分别进行了两种模式的教学设计开发，便于授课教师进行教学。
　　2. 建立假设与确定变量
　　研究假设：对于七年级的生物教学，基于变构理论教学设计模式的学习效果优于传统的教学模式。在这项假设中，条件因素C=学生进行七年级的生物课程学习；自变量X=两种教学模式（即变构理论的学习模式和传统教学模式）；因变量Y=学生的生物学习效果；干扰变量为被试者的主观态度、习惯、动机、准备状态、目标定时，为避免或减少这些干扰因素对数据分析产生的影响，笔者每周一都进行课堂调研及时发现及时排解，并将其记录下来作为最终数据分析的参考。此外两个班级采用同一位教师、同样的媒体进行授课，避免这些差异影响最终数据的效度。
　　3. 选取实验对象
　　首先对河北省遵化市地北头镇中学的七年级所有班级进行传统教学模式的生物教学，在第八周时进行七年级所有班级的生物测试，这次测试以第八周的月考试题作为对学生生物学习效果的前测；接着对各班进行生物成绩平均分和方差齐同性的分析，并检查他们的成绩是否服从正态分布或接近正态分布。通过筛选最终确定了两个班级，分别是七（1）班为实验班和七（2）班为控制班。
　　4. 教材内容设计
　　教师讲授的教材为七年级下册的《生物》，前八周采用传统的教学模式，在第八周后对七（1）班采用基于变构模型的教学模式进行教学设计，对七（2）班继续延续前八周的教学设计形式。基于变构理论的教学模式强调学习环境的设计，并运用学习环境来影响和促进学生的学习，如与现实对质、与同伴对质、与自己对质等，学习环境的设计仅仅围绕P（问题）、C（参考框架）、O（心智运算）、R（语义网络）、S（意义符）这些概念体的要素进行。教师通过获取学习者概念体，然后创设环境来解构和变构学习者的概念体，基于这一理念进行教学内容的设计与组织。
　（二）实验结果
　　实验研究所采用的数据分析软件是IBM SPSS Statistics 18，分析数据包括两个实验组学习者的前测和后测成绩。
　　1. 前测成绩比较
　　对两个实验组学习者的前测成绩进行独立样本T检验，检验结果显示：实验班的前测平均成绩为79.37，控制班的前测平均成绩为79.28。两个实验班的前测成绩比较结果表明，实验班与控制班前测成绩差异显著性概率P=0.973>0.05，故两者不存在显著性差异。
　　2. 后测成绩比较
　　对两个实验组学习者的后测成绩进行独立样本T检验，通过F=0.072和P=0.791可以确定，两个实验组的方差具有齐性，不必进行置信度的区间调整。检验结果显示：实验班的后测平均成绩为89.29，控制班的后测平均成绩为80.21。两个实验班的后测成绩比较结果表明 ，实验班比控制班的平均成绩高9.08，实验班与控制班后测成绩差异显著性概率P=0.013<0.05，故两者存在显著性差异，即基于变构理论教学设计模式的实验班在教学效果上明显高于基于传统教学模式的控制班。
　　（三）实验讨论与案例剖析
　　基于变构理论教学模式进行的生物教学效果明显优于传统教学的学习形式，这表明该学习理论能够有效地促进学生学习。在实验教学的研究过程中，基于变构理论的教学过程是一个复杂、互动的过程，笔者从变构理论视角出发，基于ALID模型围绕四个维度详细论述如何在实践中进行教学设计及其关键点，并例举相关案例进行解读。
　　1. 概念体的获取与确定
　　概念体是变构模型的核心观念，因为概念体是学习者认识、理解外界的唯一工具，是新知识的解释系统，没有相关概念体的存在学习将无从谈起。显然，确定学习者的概念体是教学得以成功实施的前提，是教学设计的前提。在教学中，通常采用问卷、谈话、画图、文字描述、录音和视频等手段获取关于学习者的概念体。问卷法适合学期开学时的测评，如果在每一节课开始时都进行测试会对学习时间的分配造成影响，同时测评的结果并不能及时准确分析，也不能及时确定教学内容和策略。谈话法也可称为问答法，即在上课或在教学过程中随时通过问答的形式获取学习者的概念体，这种方式灵活、多变，但是教师所询问的问题并不能完全揭示出学习者与学习内容相关的全部概念体，因为这些内容往往是教师所关注的，通常带有主观性，这一局限性容易忽视学习者起支持作用的概念体，为以后概念体的成功解构和建构产生负面影响。画图法是学生概念体自我表征的一种有效形式，与文字描述方法相结合效果更为突出。在时间充裕的情况下，学习者能够尽显其所掌握的全部相关概念。因此教师可以规定让学生通过概念图、思维导图等形式来描述概念体，这种方式可以弥补谈话法、问卷法所隐含的教师主观性缺陷。录音和视频手段能够实时记录学习者概念表达的任何瞬间，为研究者留有足够的时间去深入研究他们概念体表达的内容、形式。研究表明，学习者概念体的表述并不是一件易事，需要根据内容进行环境设计，即创造激发性的启动环境，激发学习者的动机，使学习者愿意、积极地尽显相关的概念体。
　　在《血液循环系统》一课的教学中，教师首先通过谈话、填图的形式对学习者关于血液循环体统的概念知识进行测试，通过测试可以明确学习者概念体中的错误概念、空缺概念，为变构他们的概念体做好充分准备。通过测试表明，学习者对血液循环的方向存在着明显的错误认识，把握住学生概念体的这些问题关键点，将有利于进行学习环境、学习策略、学习工具的设计与提供。
　　2. 通过概念体进行学习
　　学生是从他的概念出发进行学习的，学习者的概念是他们用以理解的唯一工具。学习过程本质上就在于学习者究竟如何解决本身概念体与学习内容的差距问题，即学习者如何在已有概念体的基础上进行对差距内容的编码和解码。利用概念体学习的前提条件是必须理解已有概念体的特征参数，即问题、参考框架、心智运算、意义符和语义网。研究表明，学习者对外界进行解释、编码的过程实际是不断对自己已有概念体进行质疑的过程。例如学生在对人的血液循环系统进行学习时，会不断提出一系列问题，“肺循环的过程是怎样的”、“左心房、左心室和右心房、右心室的血液是如何循环的”、“心脏和肺循环的关系和影响怎样”等。提问的同时，学生通过心智运算会在自己已有的概念体中迅速地搜寻参考框架、意义符，探索所有相关的语义网络。在这一过程中需要注意一个关键问题，也是确保教学成功的关键环节，即在确定学习者已有概念体之后必须对其进行相关参数进行分析，防止学习内容超出学生的“最近发展区”或承载能力。进行教学设计需要注意的是学习内容与学习者概念体的参考系数的一致性或相似性，即教师是否是在分析了概念体已有网络结构的基础上进行学习内容的组织与安排的，是否存在着与新授内容相关的参考框架。简言之，是否能够利用已有概念体将新知识纳入到学习者的概念结构中。研究表明，通过概念体进行学习的有效策略包括补充思维导图和概念图、虚拟实验解剖、接触实物等。补充思维导图和概念图旨在引导学生完成从已有概念体到学习内容之间差距的概念结构，这是一种非常有效的同化和顺应方式；此外通过虚拟实验、实物接触、媒体等手段能够解决学习者提出的各种质问，即通过学习者的观察、探索、质疑进行学习者概念的建构和解构。在《血液循环系统》教学中，通过向学生提供血液循环的半成品概念图，即空缺其中重要的位置和方向，让学生根据已有的知识进行填充和通过资料进行查询。
　　3. 对质与概念体
　　学习绝对不是累加式的机制，而且只有在一些特殊情况下才可能实现同化和顺应，更多的情况则是突破学生原有概念的“智力牢笼”，与原有概念体对着干。学习者的概念体是对现实和所接受信息进行解码的唯一工具，不能完全被移除，然而教学设计者必须通过分析学习者已有的概念体确定其中的错误之处（即教学设计就是要通过学习环境设计来影响和对质这些概念），最终通过解构和重构实现学习目标。研究表明与学习者原有观念进行对质是一件十分困难的事情，有一部分学生由于害怕自己认为正确的观点得到质疑、挑战而常常处于默不作声或置之不理；有一部分学生在小组讨论对质时情绪异常激动，他们为了维护自己的观点时常争论得面红耳赤，有时甚至走到了理智的边缘，这完全源于自尊心和对自己观点的坚持。学习者原有概念体的改变并不会易如反掌，一方面来自于学习者情感方面的维持，另一方面来自于与之保持较强一致性的概念体网络，只有当学习者的概念体完全无力维持他的观点并且认识到确凿的事实时，才会放弃原有观点，并通过解构和建构来接受新知识，新知识也只有在先拥知识失效的情况下才会真正安置下来。在《血液循环系统》教学中，采用小组讨论与班级答辩相结合的形式进行对质活动，即组内自我对质、小组对质和全班的人际交流。在对质过程中，学生对具有怀疑的问题表现出较高的兴趣。教师应实时监控小组和班级学生的讨论状态，如果发现某个小组兴趣较低，应及时通过设疑、制造矛盾等方式挑起学生的 对质热情。
　　实验表明，与学习者的概念体进行对质的有效策略包括实物与现实接触、自我表述与评析、辩论等。最有效、最直接的莫过于通过实物的接触来驳斥学习者已有概念体的错误，这种对质是学习者通过实物真实感触的自我对质，比较温和且易于接受。此类方法也可以通过多媒体手段实现。自我表述与评析是通过学习者不断进行自我质疑实现的，但这种方式对于改变学习者的概念体效果并不明显。因为学习者很难挑战自己的错误概念，然而这种弊端可以通过设计基于资源的学习模式来实现，学习者通过对自己的质疑和资源搜索不断地解构错误观点，同时建构正确的概念体。辩论是一种较为强烈的对质，辩论的双方或个体会调用所有与其观点相关的论据来驳倒对方。这一过程既是对学习者原有概念体网络结构稳定性、正确性的检验，同时也是验证概念体对于事实完整性、稳定性的一种方式。当学习者已有概念体不能解释对方质疑或者所提出的概念被对方反驳成功时，这时就会引起概念体的“空位”和“认知冲突”，因此学习者不得不重新审视自己的概念体，通过解构和建构实行概念体的变化。辩论是激烈的、痛苦的，但是对于学习者的概念变构是印象深刻的。在教学过程中，教师需要根据辩论的激烈程度进行辩论过程的控制和调节，避免辩论过于激烈或平淡。为了避免面对面辩论过于激烈，可以借助现代技术手段通过聊天室、论坛、微博、博客和其他即时通信工具进行中性辩解。
　　4. 学习环境与概念体
　　教师或教学工作者不能直接操纵学习者内在的概念，只能通过外在的学习环境设计来影响学习者的概念体。学习环境在学习者的概念变构过程中具有重要的作用。首先，需要创设有效的学习环境以展现学习者的概念体，获取和确定概念体的结构组织，为变构学习者内在概念体提供依据。其次，为与学习者原有概念体的对质创设学习环境，主要通过实践参与、实物接触、媒体虚拟等手段为自我对质、展开辩论提供有效的支持。学习环境设计的切入点不仅仅在于概念体中的要素，而在于要素之间的组织关系，学习环境要针对不稳定的观念要素联系或错误概念及其联系创设一种不协调的外在情境，启动学习者自我质疑，寻求答案的动机。第三，学习环境应为学习者不同变构过程提供适当的信息支持，包括在概念体的表达阶段和变构阶段。在表达阶段主要以问答、填图与画图等形式进行设计，这些形式可以通过多媒体形式来实现。在变构阶段主要通过实物提供、现实接触、数字媒体资源来实现，旨在为利用学习者概念体或对质学习者的概念体提供事实参照，促进概念变构效率。根据《血液循环系统》一课的特点，主要采用了基于网站的信息化学习环境设计，网站的内容包括血液循环系统的Flash动画、在线聊天室等这几项功能，目的在于向学习者提供自我对质、群组对质的条件，促进学习者识别已有概念体，变构错误概念体，建构新的概念体。
　　五、结 语
　　通过ALID模型的提出、构建与实证研究，旨在从变构学习理论的维度探索学习的发生机制和如何通过教学设计促进学生的学习。在变构模型的教学设计中最为重要的一点是获取、确定学习者原有概念体，这是学习者概念变构的前提；同时学习环境的设计是基于学习者原有概念体和学习内容的基础上进行设计和开发的。在对概念体的理解上一定要把握其双重身份，即可利用性和矛盾性，根据其不同的特性进行环境、资源和教学策略的设计。ALID模型是通过一学期的生物教学实验并结合概念变构学习理论的基础上得出来的，其局限性在于不同学科的性质造成对学习环境设计、资源安排和教学策略的差异性需求，这也是以后需要进一步探讨和研究的。
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