教学系统IIS图分析法实证研究——硕士论文

硕 士 学 位 论 文论文题目：教学系统IIS图分析法实证研究作 者：导 师： 系别年级：教育技术学院 学科专业：教育技术学完成日期： 年 月北京师范大学研究生院教学系统分析IIS图法实证研究摘要教学系统分析作为提高教学质量的一种教学评价和教学研究方法，一直受到各时期国内外研究者的广泛重视。从最开始的基于静态要素的教学分析到现在基于信息系统的教学分析，我们经历了对教学系统外观表象的模糊的要素分析到对教学系统内在属性的精确的整体把握的思维方式的变化。基于信息系统的教学分析方法刚刚起步，该方面研究比较有限。国内比较典型是北京师范大学知识工程研究中心的教授提出的教学系统IIS图分析法。通过两年多的理论探索和实证研究，取得了令人满意的阶段性成果：初步建立了IIS图分析法的操作规范；基于信息熵理论，构造了激活量的计算算法；初步验证了教学效果和激活量的正相关关系，进而验证了IIS图方法的有效性。该方法从教学系统整体功能出发，构造出教学系统的概念模型，并以信息系统为视角引入实际的分析操作步骤。客观有效性是对教学系统建模的首要要求，只有教学系统中本质核心的特征信息在模型中表露出来，我们才能利用模型把握真实复杂的教学系统。本文在借鉴前期研究成果的基础上，尝试着把教学系统IIS图分析法应用到更多的学科领域中，力图进一步改进完善该方法的具体操作流程规范，进一步提高该方法的信、效度。本研究主要完成了以下几方面的工作：(1) IIS图分析法映射知识网络图的规范完善网络图的绘制规范知识网络图是信息流映射及IIS图特征属性的客观载体，是整个教学分析流程的基础。IIS图分析法中的知识网络图需严格按照知识建模技术进行绘制，保证知识点尽可能详细具体，并与具体真实的教学过程相一致。(2) IIS图分析法输入信息流划分的技术完善数据采样的规范本论文根据信息流激活特征，引入信息流切分的信度公式，进一步规范了信息流切分操作。(3) IIS图分析法输出信息的规范完善测试题的编制和教学效果计算公式经过实证研究的探索和尝试，引入知识推理路径法，实现了测试题编制的技术化，大大提高了测试题与目标知识点的匹配度；另外完善了教学效果公式，增强了教学效果之间的可比性。本研究共选取五门抽象程度比较高的原理类科目（第一期：线性代数、基于遗传和逻辑学；第二期：博弈论和项目管理学），进行了两期实证研究，实验结果进一步表明知识点激活量与学习效果之间成正相关，进一步验证了IIS图法是有效的。关键词：教学系统分析，IIS图分析方法，激活量，教学效果Research on IIS Map in Instructional System AnalysisABSTRACTTeaching system analysis is to improve the teaching quality as a necessary teaching evaluation method and teaching research tool, attracting extensive attention. From the beginning of teaching analysis based on static element to that based on information system, we have experienced the changes to the way of thinking from teaching system of fuzzy elements appearance representation to analyzing the intrinsic attributes of accurate overall understanding. Teaching analysis method based on the information system is just starting, both domestic and foreign research are extremely limited. Domestic comparatively typical is R&D center for knowledge engineering, BNU. professor Yang kaicheng proposed IIS Map in Instructional System Analysis method. Through more than two years of theory and empirical research, they have made satisfactory results: Initially established a IIS figure analysis operation specification; Being inspired and influenced by the information entropy theory to construct the rule of Quantity of Activation; Preliminary validated the positive correlation between Teaching Effect and Quantity of Activation, and then verified the effectiveness of this method. This method is from teaching system function mechanism to construct teaching system, and introduced the practical analysis operation from the perspective of information system. The validity of the teaching system modeling is the first requirement, we can not use model grasp the true complex teaching system, unless teaching systems essential information features is shown in the model.On the basis of previous research achievements and System theory method, through literature analysis, experimental research and so on many kinds of research methods to apply teaching system IIS chart analysis method to more teaching practice to further improve the specific operation process standards, and then further improve the reliability and validity of the method .Main completed work as follows:(1) IIS chart analysis mapping knowledge network diagram codes - perfect network chart drawing specificationKnowledge network is objective carrier of information flow being mapped and IIS figure special feature, as foundation of the whole teaching analysis process. When drawing IIS figure analysiss knowledge network diagram should strictly according to knowledge modeling technology to guarantee the knowledge match detailed specific teaching video as far as possible. (2) IIS chart analysis an input Information segmentation technology - perfect data sample standardThis paper according to the flow activation attribute put forward reliability formula of segmentation technology to further standardized segmentation technology.(3) IIS chart analysis output information codes - perfect compilation of tests and re-designed the calculation formula of teaching effects Through empirical research of exploration and try, introducing Knowledge reasoning path method to perfect the design method of tests, which greatly improved the matching degree of re-designed tests with Target knowledge; In additional，this study have perfect teaching effect formula, strengthening the comparability between teaching effects.This study selected five high abstract degree subjects (first issue: the linear algebra , genetic and logic; second: the game theory and project management ), the two issues empirical research, experimental results further indicated that Quantity of Activation with Learning Effect has positive correlation and further verified IIS graph method is effective.KEY WORDS：Instructional System Analysis，IIS Map，Quantity of Activation, Learning EffectIII目录1 研究背景与意义11.1 研究背景11.2 教学系统分析的发展历程11.2.1 基于静态要素的教学分析21.2.2 基于行为系统的教学分析31.2.3 基于信息系统的教学分析41.2.4 教学系统分析现状总结51.3 教学系统分析IIS图法61.3.1 教学系统建模71.3.2 编码系统及切分技术81.3.3 激活量公式91.4 研究意义102 教学系统分析IIS图法实证研究132.1 研究目标132.2 研究内容132.2.1 各项具体分析步骤的进一步完善132.2.2 分析方法有效性的进一步验证132.3 实证研究过程132.3.1 研究设计132.3.2 文献调查阶段132.3.3 实证验证阶段142.3.4 获取知识点的激活量152.3.5 获取学习效果152.3.6 计算相关系数162.3.7 可行性分析163 教学系统IIS图分析法改进完善策略173.1 知识网络图绘制规范173.2 数据采样规范183.3 测试题编制规范知识推理路径法203.4 知识点学习效果的计算方法223.5 教学系统IIS图分析法的自检框架254 教学系统IIS图分析法操作过程以线性代数为例344.1 知识网路图的绘制344.2 目标知识点的选取354.3 测试题的编制364.4 信息流的切分364.5 激活量的计算384.6 学习效果的计算384.7 激活量与学习效果的相关性分析395 研究数据与分析406 总结与展望47参考文献49附录50附录1 各学科信息流切分一致性检验表格50附录2 基因表达缺陷分析后的带有激活量标识的IIS图50附录3 各学科带有激活量标识的IIS图52附录4 各学科知识点激活量与学习效果散点图62致 谢65正文图表目录表 1 教学分析方法变化趋势6表 2 基因遗传信息流切分信度表格20表 3 项目管理部分知识点测试题结果24表 4 项目管理部分知识点测试题变量值24表 5 项目管理部分知识点测试题最终学习效果表24表 6 各科目修改学习效果后相关系数表24表 7 修改后基因遗传相关系数表28表 8 基因知识网络的信息流切分30表 9 基于遗传样本知识点32表 10 基因遗传缺陷分析过程33表 11 矩阵的性质目标知识点的学习效果39表 12 线性代数数据表格40表 13 逻辑学 数据表格41表 14 基于遗传 数据表格41表 15 项目管理 数据表格42表 16 博弈论 数据表格42图 1 教学系统结构7图 2 IIS图实证研究流程14图 3 线性代数中“方阵的行列式”知识推理路径21图 4 各科目相关系数差值统计描述25图 5 原始“基因突变”知识网络图26图 6 修改后“基因突变”知识网络图27图 7 修改后激活量与学习效果散点图29图 8 “基因”知识点的网络图29图 9 “基因”知识点对应测试题30图 10 自检分析后知识点激活量与学习效果的相关关系31图 11 基因遗传知识点激活量与学习效果散点图31图 12 矩阵的性质知识网络图34图 13 标记目标知识点的知识网络图35图 14 矩阵的性质信息流序列37图 15 带有激活量标记的IIS图38图 16 线性代数 知识点激活量与学习效果相关系数43图 17 逻辑学 知识点激活量与学习效果相关系数43图 18 基因遗传 知识点激活量与学习效果相关系数44图 19 项目管理 知识点激活量与学习效果相关关系44图 20 博弈论 知识点激活量与学习效果相关关系45附录图表目录附录表 1各学科信息流切分一致性检验表格50附录图 1基因的表达知识网络激活量标记图50附录图 2基因的结构和复制知识网络激活量标记图51附录图 3基因的遗传定律知识网络激活量标记图51附录图 4基因遗传基因的表达带有激活量的IIS图52附录图 5基因遗传基因的结构和复制带有激活量的IIS图53附录图 6基因遗传基因遗传规律带有激活量的IIS图53附录图 7线性代数行列式基本认识带有激活量标识的IIS图54附录图 8线性代数矩阵的性质带有激活量IIS图54附录图 9线性代数逆矩阵带有激活量标识的IIS图55附录图 10逻辑学概念带有激活量标识的IIS图56附录图 11逻辑学判断1带有激活量标识的IIS图57附录图 12逻辑学判断2带有激活量标识的IIS图57附录图 13博弈论完全信息动态博弈带有激活量标识的IIS图58附录图 14博弈论博弈论基础知识带有激活量标识的IIS图58附录图 15博弈论博弈论入门带有激活量标识的IIS图59附录图 16项目管理项目成本管理带有激活量标识的IIS图60附录图 17项目管理项目时间管理带有激活量标识的IIS图61附录图 18项目管理项目管理基础带有激活量标识的IIS图61附录图 19基因遗传学科 知识点激活量与学习效果散点图62附录图 20线性代数学科 知识点激活量与学习效果散点图62附录图 21逻辑学 知识点激活量与学习效果散点图63附录图 22项目管理 知识点激活量与学习效果散点图63附录图 23博弈论 知识点激活量与学习效果散点图6451 研究背景与意义1.1 研究背景随着人们对教育教学规律认识的不断深入，教学分析受到各国研究者的广泛重视。对教学过程进行全面的分析，不仅可以评价教师的专业能力、教学水平以及课堂教学的质量，亦能不断地给教师和学生提供教学反馈信息，从而促进教学水平的提高。纵观众多的教学分析理论，人们对教学分析的理解已经初步达成共识，即系统地收集教学过程中的各种信息，根据教学目标和要求对教学的相关因素进行衡量和价值判断的分析过程。鉴于人们认识水平的限制，前期的教学系统分析侧重于静态要素分析，试图通过分析教学系统的构成要素来窥探整个教学系统的本质和规律。早期这类研究对要素的划分过于直观含糊，但是作为教学分析产生和发展的必经阶段，其为后期研究奠定了良好的基础。随着人们认识水平的提高，教学系统分析逐渐转向动态系统的研究，主要在以下两个方面展开：基于行为系统的分析和基于信息系统的分析。前者更侧重于教学中师生外显行为的分析，试图寻找行为与教学效果之间直接或间接的联系；后者则开始关注教学过程中的信息流动情况，力图借助信息系统论来探求教学系统的某些特征和规律。较为典型的基于信息系统教学分析方法是教学系统IIS图分析法，该方法已经初步建立了相应的教学分析操作规范，初步验证了该方法的有效性。但IIS图分析法还需要在更广泛的学科教学范围内进行进一步的检验，特别是以抽象程度较高的原理类知识为主的科目。同时，检验过程中对IIS图分析法的具体操作流程规范的改进和完善也是非常有必要的。1.2 教学系统分析的发展历程教学分析的基本对象为教学过程，是采用分析方法对教学实践中的问题进行描述、解释及价值衡量判断的过程。同时，教学分析是一种认识活动，作为一个历史的产物，其带有不同时期的烙印。教学系统分析也经历了循序渐进的产生和发展过程，根据各时期思维认识水平和研究视角的不同，大体分为以下三个阶段：基于静态要素的教学分析、基于行为系统的教学分析和基于信息系统的教学分析。其中，静态要素分析作为教学分析的起源，为后期教学分析提供了良好的认识基础，基于动态系统的教学分析则是在此基础上的深入和升华。另外，基于行为系统的教学分析和基于信息系统的教学分析目前处于并行发展状态。1.2.1 基于静态要素的教学分析自古以来，研究者一直在试图理解纷繁复杂的教学现象和规律。当面对这些复杂事物时，人们首先遇到的问题是：教学是什么？为了得到答案，人们对教育教学现象的内在联系尚未在细节方面搞清楚并得到证明的情况下把教育教学看作一个整体，从总体上进行观察。作为人们认识过程的必经阶段，这种朴素的整体思维帮助人们从宏观上获得一些对教学现象的模糊认识，但认识结果往往是直观的、朴素的，停留在哲学思辨的水平，难于对教育进行深入全面的分析研究。于是，人们开始尝试利用还原分析的方法来认识教育教学，开始深入到教学的内部，从教学的组成部分上了解教学整体的性质，比如将教学系统分解为教师、学生、媒体、教学内容等要素；把教育教学分成若干子问题，试图通过搞清楚一个子问题或部分问题来解决总问题。研究者立足不同的角度，从教学要素内涵的分析入手，形成了众多经典的要素说。比较有代表性的为 “三要素”说，比如，认为教学系统是由教师、学生、教材组成。另一种“三要素”说认为教学系统是由“人员、信息、物质”这三个主体要素构成。另外，还有 “四要素”说，即认为教学系统的基本构成要素包括教师、学生、教学内部及教学手段。在众多的要素说中，李秉德先生提出的七要素说具有特殊的意义，给人以许多启示。他所提出的七要素分别为“学生、教学目的、教学内容、教学方法、教学环境、教学反馈和教师。” 张楚廷.教学要素层次论J.教育研究, 2000(06) :65-69.要素分析是结构分析的基本方法之一，通过要素分析，我们不仅可以认识教学的基本构成，而且还可以优化和改造教学结构。另外，要素分析不仅重视相互独立的要素的分析，还强调要素之间的相互联系和相互影响。然而，教学系统的静态要素分析天生继承了机械还原论思维方式的一些缺陷。首先，要素的划分标准较含糊。不同研究者从不同视角出发，可以得出不同的要素构成，使得要素划分有些混乱。比如，要素分析笼统的把教师和学生的所有属性归为构成要素，我们知道并非教师和学生的全部属性都是教学系统的构成要素。其次，要素分析开始关注要素之间的关系对教学的影响，但只是停留在理念层面，操作性不强，导致要素分析无法准确全面的把握教学。最后，也是最关键的一点，静态要素分析忽略从功能的角度分析系统，只是直观地分析构成系统的静态要素是无法解释系统的整体功能的。当然，基于行为系统的教学分析也具有这个缺点。1.2.2 基于行为系统的教学分析人们逐渐意识到静态要素分析法对于理解复杂动态的教学系统显得有些力不从心，随即开始关注教学系统的外显属性，试图从教学过程中教师和学生的交互行为中捕获教学的某些本质特征和规律。比较典型的教学分析方法有S-T教学分析法 魏宁,信息技术支持的教学分析方法S-T,J.信息技术教育,2006(1):55.、Flanders互动交互法 Flanders ,N ,Analyzing teacher behavior, M.MA:Addison-Wesley,1970,107、内容分析法和社会网络分析法 Mark Newman. PEPBL: Methodology Working Paper 6:Flanders Interaction AnalysisDB/OL .http:/www.hebes.mdx.ac.uk/teaching/Research/PEPBL/methpap6.pdf. 2004.。很显然这些教学分析方法均摆脱了静态要素分析的束缚，逐渐尝试关注动态的教学过程中师生交互的外显行为。但在如何有效获取教学交互行为这一关键问题上存在一些不同看法，形成了不同的行为编码系统。总的来说基于行为系统的教学分析具有如下特征：(1) 具有相应的行为编码体系。这种教学分析需将师生行为进行归类编码，所以行为编码体系的构建是这种教学分析的核心。研究者通常根据自己的研究目的制定各相应的编码体系，需求不同，分析方法的编码体系的侧重点会有所差异，即使是同一个研究问题，研究角度不同，编码方案也会千差万别 Vrasideas,C& McIsaac, M.S. Factors Influencing Interaction in an Online CourseJ .The American Journal of Distance Education, 1999, 13 (3) :2236 .。(2) 以时间或意义单位为标准切分数据流。最初数据采集多使用时间为单位进行采集，比如ST分析法、Flanders互动分析法都是以固定时间为单位进行采集。内容分析法和社会网络法一般采用 “意义单元”这样的切分单位。(3) 侧重于描述和预测教学整体特征。基于行为系统的教学分析，数据编码分析的落脚点一般为教学系统的特征描述和预测。比如，Flanders互动交互分析法通过形成弗兰德斯迁移矩阵来定量分析所收集的数据信息，并根据矩阵中各种课堂行为频次之间的比例关系以及它们在矩阵中的分布对课堂教学模式做出判断和预测。内容分析法和社会网络法则是关注教学要素之间的关系水平，并把最终结果与已有的模型进行比对，试图检查教学过程中的缺陷 胡勇,王陆,异步网络协作学习中知识建构的内容分析和社会网络分析,电化教育研究J,2006(11)。与静态要素分析，基于行为系统的教学分析更侧重于教学要素关系的细致量化分析，并初步形成一个较为规范的操作流程，具体操作包括：制定编码体系、数据的采集和数据分析。通过对教学行为的定量处理和分析，来判断教学的某些特征，有助于我们深入的理解教学过程和客观有效的探究教学规律。但是我们可以看到基于行为系统的教学分析仍存在许多令人不太满意的情况，主要表现在以下三个方面：(1) 行为编码体系编码的任意性导致了分析结果的多样性，进而使得不同分析方案之间的比较变得异常困难。其中，S-T分析法的编码系统将教学行为分为教师行为和学生行为两类，过于粗糙模糊，不能准确的获取有效教学行为，反映教学本质和规律。Flanders互动交互分析法也并不完善，许多语言行为还没有细分，比如“沉默”中就大有文章，提问没有区分问题的性质，学生主动说话是学生对其他学生的主动说话还是学生对教师的主动说话等。另外，内容分析法和网络分析法的编码方案对信息的归类和切分带有很大的主观性，最终导致结论的低可靠性。(2) 数据采集基于行为系统的教学分析实施数据采集的方法主要为时间间隔和“意义单元”。时间间隔作为切分标准，导致人们机械的把教学过程切分为若干个四分五裂的时间段，无法保证教学过程信息流的完整性。后来研究者意识到时间切分技术的缺点，转而采用“意义单元”为单位来采集信息流数据。可是“意义单元”的划分标准过于主观模糊，很容易出现切分任意性。(3) 数据挖掘分析数据的挖掘和分析是基于以上两个方面的工作而展开的，我们可以看出基于行为系统的分析方法侧重于从外显的行为来认识教育教学过程，忽略了行为背后所依附的知识信息流。把连接外显行为和教学效果之间的学习建构过程作为黑箱，试图透过可视化的行为来推测教学效果输出的可能性，而教学外显行为与教学效果的低相关度，使得先前分析的可靠性让人堪忧。1.2.3 基于信息系统的教学分析受复杂性系统理论的影响，人们逐渐意识到教育是以系统形式存在的有机体，是按照一定的结构组成的具有相应教育功能的动态的开放系统，由不同层次的等级结构组成，处于永不停息的自组织的运动中。教育系统的复杂性，使研究者很快意识到先前分析方法的不足。不可否认的是它们为人类认识教育教学规律也做出了不可磨灭的贡献。比如，在静态要素分析方法中已涉及到“信息”这一结构要素，开始探究信息要素的某些特征，也是教学系统中信息流动情况的初步探索。教育系统的分析研究并不是要完全抛弃原有的方法，而是要在原有方法基础上综合贯通。1948年美国数学家香农（Shannon）发表的奠基性的论文“通信的数学理论”，掀开了狭义信息论的研究序幕，极大的促进了信息科学的发展。随着不断深入的研究和探讨，信息论的发展得到了进一步的提高，人们逐渐尝试着把其概念和方法推广应用到生物学、神经科学和教育学等领域。实践表明，信息论对这些学科领域的发展产生了重大而深刻的影响。随着从信息角度研究教育的工作逐步展开，基于信息系统的教学分析研究内容日益广泛，并取得了一系列具有实质意义的进展。华南师范大学的李克东教授在系统科学方法在教学系统研究中的应用一文中对教学系统中认知加工过程运用信息论的理论进行了信息流向分析，并采用功能模拟的系统科学方法来研究分析教学系统 孙绍荣,教育信息理论M.上海:上海教育出版社, 2000, 9-17。西北师范大学的俞树煜在教育信息学构想与构建一文中详细的阐述了构建教育信息学的原则，论述了教学信息学的学科性质及研究对象，并在此基础上提出了教育信息学的理论框架。他认为教学信息学的出现是人们试图采用信息科学的基本思想、原理和方法研究教育系统的信息流动现象，以达到把握教育规律，提高教育效益的目的。 俞树煜.教育信息学构想与构建J,中国电化教育, 2005(06):5-9.纵观相关文献资料我们可以发现许多学者通过构造信息流程图来表征教学过程的信息流动过程，形成了众多教育信息系统传递模型，对于认识理解教育教学过程中知识的传播开辟了新的视角。但是，基于信息系统的教学分析刚刚展开，研究者往往是利用信息论中的已有的概念原封不动的直接拿来描述教育教学活动中的某些现象，或是根据信息论里面的基本原理演绎出教学信息模型。这些应用仅仅停留在形式模仿层面，无法进一步的深入理解教学中信息的加工处理过程，并没有把信息论的成果有机地融于教育领域的研究之中，没有形成基于信息论的教学系统分析的具体操作流程及方法。1.2.4 教学系统分析现状总结通过对教学系统分析发展历程的回顾，可以发现其主要经历了从静态要素分析到基于行为的教学分析，再到基于信息系统的教学分析的发展过程，各分析时期难免有部分的交叉，但其整个发展脉络还是非常清晰的。从最初把教学当作一个整体，尝试着通过了解教学的各种特性和表现来回答教学是什么。当人们对教学的整体特性有一定的了解之后，就开始深入到教学的内部，试图从教学的构成要素及各要素关系上了解教学的特征。这种了解积累到一定的程度，人们就开始把他们综合起来，超越教学形式，转向关注形式背后的内容，从而获得对教学过程、机制的深入和精确的理解。我们可以从研究思想、研究目的、研究对象和具体研究方法这四个方面总体把握教学分析方法的发展变化趋势，具体可见Error! Reference source not found.：表 1教学分析方法变化趋势 变化趋势研究思想 从静态还原到动态整体 研究目的 从构成要素到系统功能 p 要素：教师、学生、教材、媒体等 p 关系：教学模式、教学方法、教学组织形式等 p 功能：教学效果 研究对象 从外显行为到内部信息 具体研究方法 从主观臆断到构建模型 p 教学由教师、学生和教学内容三要素组成的 p 简单的编码系统 p 复杂的编码系统 我们对教学系统的认识更加深入准确，在理论研究领域和教学实践领域均已经取得了一定的成果，但是我们可以看到教学分析领域中仍存在许多令人不太满意的情况：前期的教学分析理论和方法，大多数只着眼于要素分析，用静止、割裂的观点来分析研究教学系统，忽视了教学系统的整体功能，导致我们无法全面的了解教学过程；另外，侧重于教学过程的外显行为分析，试图通过可视化的行为来评定和预测课堂教学效果，这是值得怀疑的。这些可视化行为分析的最终结果只能与某些教学模型或心理模型进行比对，判断教学行为存在的缺陷。其对行为背后依附的知识内容及其建构过程很少涉及，而这恰恰是教学系统中最核心的部分，由此，基于行为系统的教学分析是无法准确把握教学过程中信息流动情况。基于信息系统的教学分析，大部分停留在信息论和系统论的概念应用阶段，并没有形成具体的可操作的规范。为了能全面、准确地了解到教学过程中究竟发生了什么，为了能客观公正的评价教师的教与学生的学，为了能促使教师本身有效的通过对教学过程的观察和深入分析来反思和改进自身的教学行为，客观有效的教学系统分析理论和方法是必不可少的。1.3 教学系统分析IIS图法相比其他教学分析方法，教学系统IIS图分析法处于初创时期，国内外基于信息系统的教学分析方法的研究较为有限，国内比较有代表性的是北京师范大学的教授提出的教学系统分析IIS图法，经过近几年的持续研究，取得了满意的阶段性进展。教学系统分析IIS图法以系统论为方法论，从整体功能上对教学系统进行分析。作为一种新的视角，教学系统IIS图分析法有着自己的特色，未来可以作为一种新型的教学评价和研究的方法。1.3.1 教学系统建模随着教育教学的发展，研究者逐渐意识到教育教学是一个复杂巨系统，无法通过简单的要素或是行为分析来深入的理解教学系统。建模方法应运而生，它是人类在认识世界和改造世界的实践过程中的一大创造，同时也是分析教育教学等复杂系统的最常用方法。建模方法是建立在对教学系统深入认识的基础之上的。 IIS图分析法认为“教学系统是一个信息系统，是一个教师、学生及具有信息处理能力的媒体这三个信息处理主体之间信息流动的系统。” 杨开城.教学系统分析技术的初步研究J,中国电化教育, 2007(08) :1-5.并把除了信息处理和信息流动之外的其他要素均划入教学系统的环境要素，比如学生的先决知识技能、师生关系、学生的动力水平等。教学系统的建模如图 1所示：图 1 教学系统结构通过图 1我们可以看出教学系统建模完成了两个任务：一是划定教学系统与环境的界线。我们是从教学的整体功能出发来确定系统与环境的界限的。二是确定系统功能的耦合结构。图中用IPL（学生对信息的处理）、IPT（教师对信息的处理）和IPM（媒体对信息的处理）来表示信息处理主体对信息的加工情况；X和Y分别表示各信息处理主体的信息输入和输出。另外还把IPL、IPT和IPM的信息输出Y集中起来，进一步抽象概括出一个信息的共享集IIS（Instructional Information Set）。IIS充分的体现了知识的共享和社会建构的特征属性。这一教学系统模型的建立为后续的研究奠定了坚实的理论基础。1.3.2 编码系统及切分技术把自然语言表征的信息系统转换成易于处理操作的另一种编码体系，并使新编码体系可以更清晰地反映教育教学系统的某些功能特征，这是编码系统所要完成的任务。前文介绍的众多基于行为系统的教学分析方法，它们的编码系统往往过于粗糙模糊，切分技术比较呆板单一，一般是根据时间间隔或是主观性过强的“意义单位”来切分信息流。虽然新编码体系也反映了教学系统的某些特征，如教学模式、教学交互关系等结构特征，但无法深入涉及教学系统的功能特征。信息流编码的核心任务就是确定信息流的属性，通过研究我们发现信息流属性有很多，例如时间、贡献者、操作、信息类型、表征形态、语义、对应的知识网络、信息质量等。根据这些属性我们可以得出信息流的表征格式：IPx_n。研究视角的不同会导致各属性关注度的差异性，比如，S-T分析法侧重于对教师和学生行为在课堂中的比例关系，因此“贡献者”这一属性是信息流的本质属性。而IIS图分析法关注的是信息流对某个知识点激活水平，因此知识网络子图是信息流的本质属性。本质属性的确定为后面的切分技术奠定了良好的规范基础。前期研究已初步制定了信息流的划分规则如下。 杨开城.教学系统分析技术的初步研究J,中国电化教育, 2007(08) :1-5.(1) IPx_n取值一旦发生变化，即当信息流的贡献者发生改变时，信息流需要进行切分。例如IPx_n的取值由IPT（IPL）变成IPL（IPT）时，信息流发生切分。(2) 属性发生改变时，信息流发生切分。这一属性来自于教学设计理论的目标分类理论，因此通过确定信息流对应知识的目标层次即可确定操作取值。(3) 属性一旦发生变化，信息流发生切分。可以根据信息流所依附的载体来确定信息类型的取值。比如，教师通过讲解某个知识点概念的定义，那么这时信息流的信息类型就为“知识语义”。当然信息还可以通过“目标描述”“情境”“事实和范例”“答案”“管理指令”“其他相关信息”“其他不相关信息”来传达。其中仅有“事实和范例”“知识语义”“答案”三个信息类型具有对应的知识网络子图，其他的信息类型是没有的。(4) 属性并不影响信息流的切分，且每个表征形态是可以复选多样的。现阶段的研究侧重于信息内容的分析，对其表征形态没有深入讨论。(5) 属性一旦变化，信息流发生切分。作为IIS图法信息流的本质属性，它在信息流切分技术中的举足轻重地位是显而易见的。很显然知识网络图会影响到信息流切分的效度。其中最为关键的问题就是如何绘制知识网络图以便于进行信息流的切分映射，这部分将会下文（第3章的第1节）进行详细的论述。(6) 属性并未列入前期研究。信息质量会对教学效果具有不可忽视的影响，后续研究可以从定性和定量的角度进一步探讨如何保证信息流外部特征和内部有效性这两者间的一致性，进而获得信息质量的对教学效果的影响水平。根据以上切分规则，把信息流序列映射到知识网络图上，实现编码体系的转化，下一步我们就需要构造出能反映教学系统功能的特征属性。1.3.3 激活量公式我们依据信息流属性值的变化把教学视频或教学方案切分成由众多信息项组成的信息序列，然而通过这种序列结构我们无法看到知识的共享建构过程及其蕴含的教学意义。为此，我们需要借助一种能清晰地表达这一过程和意义的结构来探求教学系统的本质和规律，这一结构就是带某种特征属性标识的知识点网络图。通过前期实证研究，已经构造出激活量这一特征属性来衡量信息流对某个知识点的激活水平。作为量化的教学系统功能表征属性，激活量可以帮助我们客观有效的预测和评价教学过程。教学系统IIS图分析法是以单个知识点为样本，通过把信息流映射到知识网络图，再根据激活扩散规则获得知识点的激活量水平，这些知识点的激活量属性对于揭示教学过程中存在的问题具有简洁明快的特点。本研究关注的是单个知识点的激活量水平与学习效果的关系，知识网络图的总体激活量与学习效果的关系后续研究会涉及。前期研究，根据信息熵理论构造出了单个知识点的激活量计算公式如下 刘秀文.基于IIS图的教学系统分析软件的涉及与实现D,北京:北京师范大学教育技术学院,2009.：遗忘系数：F，心理学相关研究表明人类的记忆组块为72，即短时间内，我们的工作记忆的能力是有限的因此，规定当某一知识点与激活该知识点的前一个信息项相隔7个信息项以内时F=1，7个以上时F=(k+1)/(2k+1),其中k等于这两个信息项之间信息项的个数减去7。激活熵：log（d+2），d是该结点已知的度，即已知边的条数；激活熵是根据信息论中最大熵原理得出的。激活熵单次积累并不是一个与知识点相关的常量，而是伴随知识点的信息流激活而改变的变量。并且激活熵的累积只与已知关系相关，当关系还未被激活时是无法预知目标知识点可能性空间的。复杂度：log（n*（D-d+2），其中n是该结点未知边的种类，D是该结点的总度。这里理解的复杂度区别于先前描述意义上固定的复杂度，知识网络图的被信息流激活是一个动态变化的过程，若是还是采用先前的定义，会有些不合适。因此，我们这里的复杂度是根据知识网络图的变化而动态变更的。扩散衰减系数：r，知识网络图中各知识点是有机整体，因此当某个知识点被激活时，周围相邻的知识点的激活量也会被影响，若此信息项直接激活，则r=1，若该结点是经过一次扩散激活，则r=1/d，由此类推，若该结点是经过二次扩散激活，则r=1/d/d。：表示一个知识点的激活量是所有信息项对该知识点的激活量的总和。1.4 研究意义教学系统分析IIS图方法中首先把连贯的教学信息流经过编码切分之后，接着映射到知识网络(IIS图)上，生成带有某特征属性标记的IIS图。带有不同标记的IIS图反映了不同的IIS功能特征属性，这些属性与教学效果有着直接或间接的联系。前期IIS图法实证研究不仅完善了信息流具体分析操作流程、信息流表征方式和信息流切分规则，而且通过激活熵、扩散衰减、学习复杂系数三个变量构造了知识点特征属性：知识点激活量，来反映教学效果的情况 林凡.教学系统分析IIS图方法研究D,北京:北京师范大学教育技术学院,2009.。林凡选择了学科结构差异较大的两门学科作为实验科目，分别是理工类的数据结构和文科类的教学设计，并通过实证研究获得了这两门课程中知识点激活量与学习效果的相关系数分别为：0.551和0.460，均具有显著的统计学意义，初步验证了知识点的激活量与学习效果为正相关关系，初步验证了该方法的有效性。教学系统IIS图分析法的理论意义在于不仅丰富和完善了教学理论，而且还是研究教学系统的方法论的探索。IIS图分析法是将自然语言表征的信息流切分映射到IIS图上，运用图中标识的特征属性值来反映教学系统的某些特征。该方法避开逻辑思辨和简单的实证研究，通过建模技术和对教学信息流动过程的细致量化分析，深入的揭示了教学系统的某些本质特征和规律。教学系统分析是教学设计必不可少的条件，同时也是教学设计成功的基础。IIS图分析法作为教学设计理论的有机组成部分，关注系统内部的信息流动及其整体的特征以及信息流与系统功能之间的关系，帮助研究者深入理解经过教学设计后产生的各种复杂的教育现象及其效应，引导人们逐渐深入地理解教学系统，进一步促进了教学理论的发展。 杨开城.论教育技术作为一种理解教育的独特方式J.中国电化育,2009(10):7-11.从系统论的角度来研究教学，可以克服在教学研究中存在的孤立、静止及过于简单化的不足，并且可使教学研究从静态要素的描述水平提高到系统功能分析的高度，使教学规律的认识更为深入全面。IIS图分析法尝试着把系统论成果有机的融于教学系统的研究中，力图摆脱概念的简单应用层面，逐渐把系统论思想转变为方法论工具，形成具体可操作性的教学分析流程规范。由此可见，IIS图分析法中系统建模与分析将是把系统论思想转变为方法论的好的开端。从实践意义上来讲，IIS图分析法不仅是客观有效的评价教学的新思路，而且还是教师自我反思的客观依据。(1) 作为一种新型的教学评价和教学研究工具教学系统IIS图分析法不再基于观察者的整体直觉，而是基于细致的量化分析，不需要通过课后测验，而是直接考察教学过程本身来评价教学，而且这种方法的操作性很强。先前的教学评价方法主要基于观察者的主观印象，评价的有效性很大程度上取决于观察者的经验和水平，要想实现客观有效地指导教学会存在一些