高中生物学科的问题设计研究——硕士论文

硕 士 学 位 论 文 论文题目：论文题目：高中生物学科的问题设计研究高中生物学科的问题设计研究 作 者： 导 师： 系别年级：教育技术学院教育技术学院 学科专业：教育技术学教育技术学 完成日期： 年年 月月 北京师范大学研究生院 I 高中生物学科的问题设计研究高中生物学科的问题设计研究 摘摘 要要 好的问题能激发学习者的学习兴趣，能通过真实、有趣的情境引导学习者不断激活 知识点、主动思考、发展认知，问题对学习者提高思维技能及教师开展有效教学至关重 要。在生物教学中，生物学科与日常生活的密切联系以及生物科学技术的高速发展，要 求其必须有情境丰富的问题作为载体来培养学习者的科学探究能力和问题解决能力。同 时，教学环节不同、学习者层次不同，需要的问题就不同。因此，如何针对目标知识点 设计出富有层次性和综合性的问题系统有十分重要的现实意义。而针对问题设计的现有 研究大多为宏观指导，缺乏操作性，不能满足生物学科教师的问题设计技术需求。 以活动为中心的教学设计理论提出 FC 知识图变形法问题设计技术，该技术关注问题 蕴含的知识结构，具有较强的操作性，且在数理化等逻辑性和抽象性较强学科中已有研 究和应用，但仍需完善。本研究在已有研究的基础上，将 FC 知识图变形法应用于生物学 科、针对高中生物“孟德尔遗传定律”开展问题及问题系统的设计，以考察 FC 知识图变形 法适用的学科领域和有效性边界，进而对其进行改进；同时是对生物学科问题设计技术 的发展和提升。本文主要包括以下三部分内容： （1）FC 知识图变形法问题设计技术。该部分对 FC 知识图的功能、成分、绘制方法 进行了介绍和说明，并阐述了对 FC 知识图已有成分的补充成分。同时，对 FC 知识图变 形法问题设计技术的基本步骤进行了介绍，继承的基础上有所创新。 （2）高中生物问题系统设计技术。该部分首先分析了生物学科的知识特点及其对问 题设计技术的影响；其次，介绍了问题系统的构建思路和方法；然后，针对高中生物“孟 德尔遗传定律”运用 FC 知识图变形法设计出一系列问题；对问题进行筛选和修改并构建 题系统。 （3）问题设计技术的缺陷分析。该部分通过问卷调查，分析高中生物问题及问题系 统存在的不足；对其不足进行归因，进而对问题设计技术及高中生物问题系统进行反思 和完善，并开展第二次调查；调查结果表明，本研究中使用的 FC 知识图变形法问题设计 技术适用于生物学科。 关键词：关键词：问题设计，问题系统，FC 知识图，高中生物 II A Study on Problem Design of Biology in High School ABSTRACT Good problems can provide the real-world, interesting situation for learners to stimulate their interests in learning, to develop their cognitive skills, to encouraging them to think actively. In addition, the problem is also the essential prerequisite for effective teaching. As the rapid development of biological scientific techniques and Biologys close connections with daily life, the instruction of Biology needs the situational problems as the carrier to cultivate the learners scientific inquiring ability and problem-solving capacity. Different teaching links and different learners require different problems. In consequence, how to design the multi-level and comprehensive problem system, which is aim at the objective knowledge, is very important. However, the existing researches on problem design lack maneuverability, and they cannot meet the teachers requirement for the problem-design technology. The theory of learning-activity-centered instructional design proposes FC Knowledge Map Transformation, which is an operable, practical problem design technology. And it focuses on the knowledge structure of the problem. The FC Knowledge Map Transformation has been used in some abstract and logic subjects, such as physics, mathematics and chemistry, but it should be further improved. This study explores the validity boundary of this problem design technology by applying FC Knowledge Map Transformation in Biology problems design, which not only improves this technology, but also promotes the development of Biology problem design research. The study includes the following three parts. (1) FC Knowledge Map Transformation problem design technology. This part introduces the function, the composition and the drawing method of FC Knowledge Map. In addition, it complements the existing Graph components and innovates on the existing problem design operations. (2) The technology of the problem systems design for Biology in high school. This part analyzes the characteristics of the knowledge of Biology and its influence on the problem design III technology. It also describes how to build the problem system. And then it uses the FC Knowledge Map Transformation to design a series of problems, which direct at Mendels law of inheritance. By selecting and modifying the problems，it also forms a problem system. (3) The defect analysis of the problem design technology. Through the questionnaire-based survey, this part analyzes the limitation of the problem system designed above. On the basis of the reason analysis, it improves the problem system and the problem design technology. And then it conducts the second survey. The final results show that FC Knowledge Map Transformation problem design technology applies to Biology. KEY WORDS：Problem Design, Problem System, FC Knowledge Map, Biology in High School 1 目目 录录 1 绪 论1 1.1 相关研究综述.1 1.1.1 国外研究现状1 1.1.2 国内研究现状7 1.1.3 生物科目中问题及其设计的相关研究11 1.2 研究意义.12 2 研究概述13 2.1 术语界定.13 2.2 研究的整体设计.14 2.2.1 研究目标14 2.2.2 研究内容15 2.2.3 研究过程设计15 3 FC 知识图变形法.17 3.1 FC 知识图及其成分17 3.1.1 FC 知识图的基本成分.17 3.1.2 FC 知识图的特殊成分.18 3.2 FC 知识图的绘制方法18 3.3 运用 FC 知识图进行问题设计19 3.3.1 绘制知识网络图20 3.3.2 选择问题原型21 3.3.3 通过 ADM 操作形成新问题.21 4 高中生物问题系统设计28 4.1 生物学科特点.28 4.2 问题系统的构建.30 4.2.1 问题系统构建基本思路30 4.2.2 变式的筛选32 4.3 问题系统设计举例.33 4.3.1 绘制知识网络图33 2 4.3.2 选择问题原型36 4.3.3 运用 FC 知识图变形法设计变式.38 4.3.4 对变式进行筛选及修改52 4.4 生物问题设计技巧.54 5 缺陷分析57 5.1 单个问题的调查结果及其分析.57 5.1.1 严谨性与可用性57 5.1.2 问题的难度及适用群体60 5.1.3 问题的功能和价值62 5.2 问题子系统的调查结果及其分析.64 5.3 缺陷分析总结.66 6 总结与展望67 参考文献68 附 录71 附录 1：高中生物问题系统缺陷分析问卷.71 附录 2：高中生物“孟德尔遗传定律”题系统 1.0 .72 附录 3：高中生物“孟德尔遗传定律”题系统 2.0 .81 致 谢90 3 正文表目录正文表目录 表 1 PBL 在生物教学中的应用研究情况28.2 表 2 乔纳森“良构劣构”11 类问题4 表 3 问题连续体中的五类问题.5 表 4 问题解决在生物教学中的相关研究17，226 表 5“五何”问题设计模板288 表 6 问题产生表.9 表 7 教学目标与问题对应表.9 表 8 基于问题系统优化.9 表 9 定义问题属性.10 表 10 ADM 操作引导策略.23 表 11 问题的区别度.33 表 12 变式 1.11.3 区别度分析.52 表 13 变式 1.41.6 区别度分析.53 表 14 高中生物遗传系谱块.55 表 15 题系统 1 问题严谨性及可用性反馈表.58 表 16 题系统 2 及题系统 3 问题严谨性及可用性反馈表.59 表 17 针对问题系统的调查结果.65 4 正文图目录正文图目录 图 13C3R 问题设计模型 .3 图 2 问题内部情境与外部指导环境.13 图 3 研究整体设计.16 图 4 FC 知识图主要成分.17 图 5 FC 知识图变形法操作流程图.20 图 6 T1 FC 知识图表征24 图 7 T2 FC 知识图表征25 图 8 生物学科知识特点.28 图 9 生物学科中原理类知识点缺失举例.29 图 10 题系统构建流程图 .31 图 11 题系统构建流程图 .32 图 12 知识网络图：“孟德尔遗传定律”.34 图 13 网络图-：“孟德尔遗传定律”课内扩展 35 图 14 网络图-：“孟德尔遗传定律”高级知识扩展 36 图 15“孟德尔遗传定律”题系统构建思路37 图 16 问题原型 1 FC 知识图.38 图 17 问题原型 1 相关知识点及其扩展.39 图 18 问题原型 2 FC 知识图.42 图 19 问题原型 2 相关知识点及其扩展.43 图 20 变式 2.3 路径变换分析44 图 21 问题原型 3 FC 知识图.48 图 22 问题原型 3 相关知识点及其扩展.49 图 23 举例：情境信息的表征.56 图 24 不同变式的难度评价情况.60 图 25 五位参评教师的问题难度评价曲线.61 图 26 生物问题系统的适用群体.62 图 27 题系统 1 各问题功能评价.63 图 28 题系统 2 各问题功能评价.63 图 29 题系统 3 各问题功能评价.64 1 1 绪 论 如今，新课程改革要求学校关注学生创造性思维和问题解决能力的培养，而两者都 离不开好的问题。思维自惊奇和疑问开始，没有问题，就不会发生思考。问题是培养学 习者认知发展和高级思维技能的基础，是进行教学实施的基本载体，更是提高学生问题 解决能力的前提。问题对教育教学至关重要。 普通高中生物课程标准将提高生物科学素养作为课程理念之一，提出关注培养 学生的问题意识、科学思维以及探究精神。基于此，问题切入教学、基于问题的学习、 问题（解决）教学、问题串教学等在生物教学实践中被广泛采用。然而好的问题是以上 几种教学形式的起点、基础和关键。并且针对某一特定知识内容，一个问题远不能满足 需求。实际教学中，学习者不同、教学环节不同，需要的问题也应有所不同。因此，教 学需要包含大量的难度不同的、具有知识上的内在联系的、能全面覆盖目标知识点的一 系列问题，即问题系统。1问题系统是教学的最迫切、最根本的需要之一。然而许多一线 教师尤其是青年教师由于缺乏实际教学经验，往往不能设计出符合实际需求的问题，盲 目模仿致使教学空有其形，为有效教学的开展带来了很大的困难。这便对问题设计技术 提出了需求。教学设计以及生物学领域的专家对问题设计已经有了一定的探讨，但大多 倾向于宏观的指导，缺乏操作性。而本研究旨在已有相关研究的基础上，以高中生物学 科为例进行问题设计，试图进一步改进和发展生物学科的问题设计技术。 1.1 相关研究综述 1.1.1 国外研究现状 目前国外对问题的研究多体现在基于问题的学习模式（ProblemBased Learning，简 称 PBL）以及问题解决（Problem Solving 简称 PS）研究领域。在此本研究对国外 PBL 和 PS 在生物教学中应用以及对问题的相关研究进行总结和分析。 1.1.1.1 基于问题的学习（PBL） PBL 是在 20 世纪 50 年代中期从美国医学教育中发展而来，至今在教育教学领域备 受关注。在 PBL 中，学习者通过解决真实的、情境性强的问题来学习隐含于问题背后的 科学知识。因此，国外许多教育者提倡在科学类课程中使用 PBL。Allen 认为 PBL 将抽象 概括的生物学知识转变为真实情境的问题，促使学生对周遭事物的生物学原理产生兴趣， 2 并且其开展过程能够促使学生了解并学习真实的科学研究者应有的方法和态度。文献分 析表明，PBL 在生物教学中运用比较广泛（见表 1） ，并且生物教学与 PBL 相互促进：后 者为前者提供新视角，前者为后者的完善提供数据支撑。 表 1 PBL 在生物教学中的应用研究情况28 研究者主题（或领域）水平机构 Allen& Tanner细胞生物学大学加州大学 Allen& Hodson温室效应大学特拉华州大学 Kendler & Grove 条纹羚羊濒临之谜 野生动物保护栖地 大学加州大学 Christine Chin食物与营养初中南洋理工大学 Mowshowitz生物分子学大学哥伦比亚大学 Ellefson& Brinker基因表达高中匹兹堡大学 Markowitz& Dupre遗传与生物伦理高中 随着 PBL 在教学实践中的普遍应用，研究者逐渐从基本理论与方法的研究转向有效 性的研究，如 PBL 对学生心理建构体（学习动机、控制点等）的影响9、影响 PBL 应用 效果的因素10等。PBL 起始于问题，以问题为中心来组织课程和学习情境，用问题引导 整个教与学过程的开展。11所以，为了能激发学生学习兴趣、维持其学习动机，PBL 问 题应该是适度复杂的、开放性的、其情境要与学生的日常生活有关。而无效的 PBL 问题 可能对应不恰当的知识范围、要求具备不适当的问题解决技能或包含计划外模棱两可的 信息，这影响学生知识的获取和整体的学习经历，严重影响 PBL 的有效性。12因此，如 何设计或获取好的问题服务于教学实践是一个需要迫切解决的问题。 1.1.1.2 问题及问题设计 鉴于问题在 PBL 中的重要性，许多研究者开始关注问题。Christine Chin（见表 1） 对如何产生问题以及问题的分类进行了研究。他强调问题应源于学生。首先，学生在教 师启发引导下，就自身感兴趣的话题画出一张思维导图，后经小组讨论确定小组主题； 其次，教师在课堂上通过一些实例向学生展示如何将主题转化为劣构问题，小组通过讨 论形成明确的主体性问题列入 Problem Logs 中。而由主体性问题引发的生产性问题可以 作为 PBL 开展的线索。运用 Problem Logs、Mind maps、Need-to-Know worksheets 等工具 保证问题的清晰。他认为尽管学生提出来的问题有时不适合，但发现问题的过程很重要， 一旦他们的问题被确定，会有更大兴趣和更强的动机去学习，并且这类问题往往与实际 生活情境密切相关。该研究为 PBL 问题的产生提供了思路，但对教师的能力要求很高， 尤其是引导与转化环节。 3 Mauffette 从动机入手研究 PBL 问题。13他认为一个问题的好坏可以通过该问题激发 学生学习的动机程度来衡量，即问题具有动机特性。影响问题动机特性的因素包括：结 构（structure） 、种类（variety）和挑战性（challenge 即解决问题所需具备的知识技能经验） 。该研究制定了评判问题动机性的标准，标准将问题分为三个水平：引导性 （Introductory） 、中介（Intermediate）和高级，并对不同水平的问题在教育目标的描述、 背景环境信息的选择、问题所包含的知识领域和范围、提供资源的种类、问题书写的方 式等具体方面的要求进行了说明。就设计动机性较强的问题来讲，他认为问题的原始资 源是已有的与学生实际经历相关的一些故事或情境。问题设计者需要分析并确定支撑实 际情境的主要知识概念，将其转化为适用于教学的并且具有动机特性的问题。可以使用 Problem Map 工具来实现。Problem Map（PM）可以将情境中所包含的概念、主题、相关 想法及其之间关系可视化呈现出来。这种表征方式不仅可以呈现出问题的挑战性与学生 能力水平，还便于分析 PM 与预期的知识目标之间的差距。实现情境与问题之间的转化需 要以下操作：首先，分析情境背后的知识；其次，用 PM 将情境和知识表征出来；再次， 在 PM 中选出与学习目标最为契合的部分，即该部分最适合达到学习目标；然后，将选出 部分对应的情境用问题的形式转述出来，描述出来的问题要确保学生在以后的学习过程 中能遇到 PM 中所有分支所代表的情境，并且要强调即将遇到的限制性条件。该研究与 Christine Chin 均注意到情境向问题的转化，但比后者更具操作性。其不足之处在于规范 性不强，尤其是 Problem Map 对情境的表征方面。 同时，美国北达科他州大学的洪暐博士对有效问题设计也进行了相关研究。14他建 立了 3C3R 问题设计概念模型（见图 1） ，并提出与模型相对应的 9 个步骤：设定目标、 分析内容与任务、描述情景、生成问题并分析其可用性、校准、反思、检验等。对于问 题的选择与生成，他认为所选问题应在指定的情境内、属于现实生活问题、并且与前端 分析结果匹配。洪博士的研究为教学设计者提供了比较具体的问题设计参考框架，但他 对关键的第四步操作的说明有较多的经验成分，操作性不够，并且其出发点是 PBL 的有 效性研究，所以具有一定的局限性。 图 13C3R 问题设计模型 4 1.1.1.3 问题解决 问题解决是思维的一般形式，也是人类适应环境、解决生存与发展中各种问题的基 本方式。国外对问题解决的研究范围比较广，本研究关注该领域中与问题及其设计相关 的研究和问题解决在生物教学的相关研究两个方面。 在问题解决领域中，对问题及其设计的相关研究主要有：直接面向不同类型问题解 决的设计理论、以问题编列来满足不同学习风格的 4MAT 设计模式以及问题连续体理论。 （1）面向问题解决的设计理论 该理论由乔纳森提出，他将问题分为良构问题和劣构问题（如表 2 所示） 。乔纳森认 为表 2 中所示 11 类问题有着不同的问题解决特性，需要应用不同的教学设计模式，以支 持学习者问题求解问题解决技能的发展。15该理论细致划分和分析了各类良构/劣构问题 解决的特性和教学设计模式，为问题解决流程中的问题特性提供了细化参考。但是，乔 纳森没有阐述问题本身的设计方法及教学过程中各类问题的编列性。 表 2 乔纳森“良构劣构”11 类问题 良构 劣构 逻辑 问题 算术 问题 情节 问题 规则 运用 问题 决策 制定 问题 故障 排除 问题 诊断 问题 策略 运用 问题 个案 分析 问题 设计 问题 两难 问题 （2）4MAT 模式 4MAT 模式由 McCarthy 提出，该模式设计的核心是根据学习风格与兴趣进行问题编 列，认为具体反思型学习者偏好关注意义的为何（why）类问题；具体行动型学习者 偏好关注概念的是何（what）类问题；抽象行动型学习者偏好关注应用的如何（how） 类问题；抽象反思型学习者偏好关注创造的假如（if）类问题。164MAT 模式从学习者 的学习风格出发对问题进行分类，进而为教师根据学习者特征设计不同类型问题促进学 习者全面均衡发展提供了理论指导。但其未关注问题的具体设计方法，不能满足教师的 实际教学需求。 （3）问题连续体 美国亚利桑那大学梅克与斯基夫等人根据解决问题所需要的创造性程度，即随着问 题结构性的递减来划分等级。从教师和学生两方面，就问题本身、解决问题的方法、问 题结论这三个维度的已知或未知状况，或从问题的答案是惟一的、系列的还是开放的这 些不同层次，构成问题连续体矩阵（PCM：Problem Continuum Matrix） ，简称问题连续体。 17连续体中有五种类型的问题（见表 3） ，便于教师能够按照不同的认知水平，提供一个 由低到高的问题化的教学设计序列。但对学生提问关注较少，并且问题的类型不够丰富。 5 表 3 问题连续体中的五类问题 类型一师生知道该问题及解法，但只有老师知道问题的答案，问题、方法、 答案各只有一个； 类型二问题为师生所知，但问题的解法与答案只有老师知道，问题、方法、 答案各只有一个； 类型三问题为师生所知，有一系列的方法可以解决且有一系列的答案，学 生不知解决方法及答案； 类型四有一个定义清楚的问题，且问题为师生所知，但方法与答案师生都 不知道； 类型五对问题的提出者与解决者而言，问题、解答、方法都是未知的。 以上研究中，乔纳森从问题结构度出发对问题进行分类进而探讨不同类型问题对应 的教学设计模式，McCarthy 关注了学习风格与兴趣与问题的关系，梅克则考虑到了问题 的创造性程度，他们并没有将研究停留在问题分类上，并且开始关注问题序列而非单个 问题，这些较之前有很大进步。但是，以上研究忽略了问题与学习目标的关系，未关注 针对特定目标知识点的问题及其设计方法，不利于问题的有效性以及问题设计的可操作 性。而由目标知识点出发进行问题系统设计正是本研究的关注点所在。 问题解决是一种学习形式，强调学习过程。因此，许多研究者将问题解决作为一种 策略应用于教学实践，让学生在与生活联系紧密的问题解决过程中达到对抽象学科概念 的深度理解。生物学科也不例外。Okoye 认为生物是以实践和探索为主的科学类课程，其 教学应给学生创造“科学研究”的机会，使其在此过程中提高观察、分析、预测、设计实验、 组织信息等科学技能。而问题解决教学（Problem Solving Instruction，简称 PSI）强调问 题解决的过程，备受生物课堂青睐。 国外对于生物学科中问题解决的研究主要表现为两方面（见表 4）：一方面，将不 同类型的学习方式（如主动学习、案例教学等）应用于生物教学，通过实验收集并分析 相关数据，探讨该学习或教学方式能否提高学生的生物问题解决能力；另一方面，生物 教学中采用问题解决教学（包括呈现问题、搜集资料、合作讨论、总结反思等环节） ，或 开展许多问题解决类的活动（创设问题情境，学生进行讨论或实践） ，如案例分析、实验 等，然后与传统方式进行比较，分析其在生物知识获得及问题解决能力培养等方面的作 用。可见，生物教学十分重视培养学生的问题解决能力，并且问题解决作为教学或学习 策略已经在大部分生物学知识模块中进行了实际应用。 6 表 4 问题解决在生物教学中的相关研究18，23 研究者生物学主题内容 Wen-Feng Yua etc. 初中：进化与物种多 样性 比较基于网络和非基于网络的 PSI 对学生 问题解决能力影响。 （准实验研究法） Scott Cooper etc.大学：生物进化 针对大班教学存在的问题，提出应用问题 解决模型，开展多种“sense-making”活动， 并分析其效果。 （准实验研究法） Okoye etc.中学：遗传与基因 采用概念图和问题解决教学策略并分析结 果。 （准实验研究法） Kendra Lee Eneroth高中：DNA 结构 以问题解决作为学习策略，创设问题解决 情境，学生通过多种活动将生物知识进行 实际应用，验证其效果。 （准实验研究法） Diane F. Robison大学：生物学导论 采用 active learning，开展一系列以学生为 中心的活动，如问题解决、与同伴讨论等 方式，并分析其效果。 （准实验研究法） Ronald Skolnick高中生物 运用案例教学方法对学生问题解决能力的 影响。 （准实验研究法） PSI 起始于问题、终结于问题，以问题为中心来组织课程和学习情境，开启整个教学 过程。24因此，问题是问题解决教学得以开展的前提和关键。然而，PSI 实践效果有时并 不如意。Karp 对教师在问题解决教学中遇到的困难和问题进行了研究和总结。25他对不 同教师在课堂教学过程中的典型情境进行记录并编码，采用持续比较法，分析并总结出 教师在 PSI 中的困难：教师不能选择出与教学目标契合的问题、未对选择的问题进行心理 学分析、不会在不同问题之间建立有意义的联系进而不会用问题组织教学、很难提出引 发学生思考的建议性或引导性问题等，这些均与问题密切相关。另外，他还发现尽管教 师普遍有了问题意识但通常根据学生平均水平选择问题，忽视了多样性。要解决以上困 难，学科问题系统的构建以及具有操作性的问题设计技术是关键。 7 1.1.2 国内研究现状 通过相关文献分析可以发现国内学者对问题设计的研究有以下特点：在研究层次上， 研究者较多关注中小学教学中的问题设计，包括教材或教辅中的问题和课堂教学中的问 题等；在研究学科类别上，范围较广，不仅涉及数、理、化、生四门理科，还针对语文 （阅读教学）26、历史27等学科问题设计进行探索，但普遍深度不够；在研究内容上， 包括问题的分类方法、问题设计的模式、策略、方法、技巧、原则等，这些研究多为教 师教学经验的积累和总结，有的仅适用于特定题目，不能迁移使用。此领域有代表性且 对本研究有借鉴作用的相关研究有以下几个方面。 （1）教学问题系统）教学问题系统 朱德全对问题系统及其教学设计进行了相关研究。他认为问题系统需具备以下特点： 依据教材、符合学生认知发展、目的明确、问题难度和数量适当等。问题系统的构建需 关注两个维度：横向维度将知识以不同问题方式展现出来，问题方式包括操作式问题、 多变式问题、类化式问题、目标式问题和挑战式问题；而构建纵向问题系统即构建螺旋 性问题，通过剖析问题使目标知识由未知转化为已知，问题形式包括迁移性问题、过渡 性问题、反馈性问题、强化性问题和延伸性问题。28朱德全在横向维度对问题的分类有 利于学生在不同方式的问题认知过程中实现认知结构的整体优化，其对教学问题系统的 界定、构建思路对本研究有重要的参考价值。但他未提供问题的具体设计方法。 （2） “五何五何”问题分类及其设计问题分类及其设计 祝智庭、胡小勇等人在 4MAT 问题分类的基础上提出了“五何”问题分类方法：是何、 为何、如何、若何、由何。该研究认为教学过程应该拥有一个教学问题集，该问题集体 包含以上五类问题，其中“由何”类问题用于提供情境化导向。并针对不同领域提出了三种 问题设计模板，见表 5。使用表中模板进行问题设计的步骤包括：根据教学内容自由 设计问题；对问题进行质量验证后依次定位于模板中；分析问题的有效性，并确定 问题设计的缺陷；对不足之处进行调整等。胡小勇等的研究促进了问题设计由“随意设 计”向“系统设计”过渡，并提出了有一定操作性的问题设计模板，较之前的研究有明显进 步。但“五何”无法描述较复杂和具有综合性的问题，且理工科类的“老问题-新问题-疑难 问题”也不能为问题设计的操作提供规范。 8 表 5“五何”问题设计模板29 类别是何如何为何若何 面向各科的教学 引导问题 识记 理解 应用 分析 综合 评价 面向人文领域的 教学问题 内容 单元 基本 面向理工领域的 教学问题 老 新 难 （3）问题化学习）问题化学习 王天蓉等在祝智庭相关研究的基础上提出“问题化学习”，并对该学习方式涉及到的问 题系统、问题设计、问题系统表现形态进行了研究。30问题化学习，即通过设置一系列 动态的、逻辑化的问题情景引导学习者学习行为的持续发生。相对于 PBL，问题化学系 更强调问题的系列化和连续性，它要求学习活动以问题提出为开端，用系列问题贯穿学 习过程和整合各种知识，通过系列问题的解决，实现知识的有效迁移和连续建构。问题 化学习认为，教师引导性问题的设计需要建立在学科基础问题分析与学生学情分析的基 础上。进行问题设计的核心操作是目标问题化，见表 6。构建问题系统的主要操作有： 将单元目标分解为课时目标；对课时目标进行提炼得出主问题（见表 7） ；对主问题进行 优化（见表 8） ；定义问题属性，并在分类学表中列出（见表 9） ；修正单元学习目标， 使之具体明确可操作。 由何 9 表 6 问题产生表 学科问题单元主要问题 课时重点问题 学生问题学生起点问题预估 学生难点问题预估 教师问题教师引导性问题 （课堂主干问题预设） 驱动问题： 推进问题： 引申问题： 核心问题（最终产生的问题） 表 7 教学目标与问题对应表 课时目标主要问题内容问题 表 8 基于问题系统优化 问题系统的类型问题集（）问题链（）问题网（）其他（） 1.预设为主（） 2.生成为主（） 对问题系统的具体描述 评价类别不宜的合适的周全的精确的 与各层次学习目标的匹配 符合文本内在结构 符合学生理解的过程与规律 10 表 9 定义问题属性 目标属性 知识目标技能与能力目标体验性目标 了 解 理 解 应 用 模 仿 独立 操作 迁 移 参 与 反 应 领 悟 核心问题 次级问题 1 次级问题 2 问题化学习强调从目标切入进行问题设计，提高了问题的有效性，但仍存在一些不 足。首先，目标问题化作为问题设计的关键步骤缺乏操作性和规范性，如何根据目标形 成问题很大程度上依赖于教师的教学经验，未达到技术水平。其次，表 8 问题优化为问 题系统时，问题的评价类别应尽可能详细、可靠，以便为教师进行问题修改提供切实帮 助。同时，问题设计过程中忽略了当前目标知识点与其他知识点的联系，不利于问题系 统对目标知识点训练的完整性。 （4）以知识网络图为基础的问题设计技术 等人关注问题所包含的知识点及其关系，并以此为基础进行问题设计，在数学、物 理、化学学科中进行了有益的探索。 刘亚萍在其硕士论文中学数学教学设计研究中对高中数学代数部分的问题设计 技术进行了探索。31在对知识和问题进行表征的基础上，选择一些比较适合进行变换操 作（增加、删除及替换等）的知识点，然后选择与这些概念结点有关系其他的知识点， 并对这些知识点进行组合，根据组合结果进行问题设计。张润芝在其硕士论文中学物 理教学设计研究中探索出了高中物理力学部分的问题设计的方法。32这些方法也是以 知识网络图为基础，通过对问题原型的知识推理路径进行进一步操作得出新问题。以上 两者的研究是问题设计的初步探索，未从问题系统的角度进行考虑，使得问题不能全面 考查学生对目标知识点的掌握程度，也不能照顾到学生的个体差异。并且上述研究中的 知识推理路径是根据问题设计者主观解题思路绘制的，只能描述问题的一条解决路径， 不能全面展现问题涉及的知识点之间的联系，问题设计的操作也会受到限制。 在此基础上，王金梅、刘莹、董改慧在其硕士论文中开始关注问题系统，并对问题 设计技术进行了更深的探索。王金梅使用知识推理路径对高中立体几何问题设计进行研 究33，通过绘制知识网络图、对图进行简化、改变结论或条件、添加其他知识点、对条 件和结论进行倒置、确定几何形状、划分问题系统等步步紧扣的操作实现了立体几何问 题系统的设计。刘莹的研究在知识推理路径的基础上提出知识关联图，并对其绘制规范 11 进行了探索。34董改慧的化学学科的问题设计研究对知识推理路径完整性检查进行了有 益探索。以上均为问题设计技术的规范化提供了支持。35 以上研究所形成的问题设计技术具有较强的操作性，同时从目标知识点出发、通过 知识和问题表征工具进行问题设计，保障了目标与知识点之间的对应，减少了教学经验 对问题设计的影响。本研究在此基础上，运用 FC 知识图变形法基于知识关联图、知 识推理途径及 ADM 操作的问题设计技术对（见本文第 3 章详细介绍）生物学科问题设计 进行探索。 1.1.3 生物科目中问题及其设计的相关研究 一个好的问题对于引起学生的好奇心、激发学生思考、形成科学思维习惯是必不可 少的。高中生物课程标准提出“提高生物科学素养”的课程理念，并强调培养学生分析和解 决实际问题的能力。问题对生物教学有重要的意义。然而，生物学是专门研究生物以及 生物与环境相互关系的综合性学科，不仅具有实验性和逻辑性等理科特点，也具有描述 性和记忆性等文科特点。与数理化相比，生物学的学科特点使其问题具有较强的情境性， 所以生物学问题设计与数理化学科问题设计必有所不同，这也是本研究的重点。 鉴于问题的重要性，许多生物学科的一线教师对问题及其设计进行了研究和探讨。 在问题分类方面，徐国华认为生物教学的普遍存在的问题有：封闭型问题与开放型问题， 封闭式习题、验证式实验、应答式课堂提问属于封闭型问题，开放性习题、探究式实验、 跳越式课堂提问属于开放型问题。36有的则从生物试卷题型上对问题进行分类：简答题， 基于学生的记忆水平而考察的；分析说明题，要求学生有一定的理解和分析能力；比较 题，需要逻辑思维能力，将所学的知识融会贯通；实验设计题，运用已有的知识设计实 验，全方位的考察学生的综合能力。37在生物学问题设计方面，有些研究者认为不同的 知识类型有不同的问题设计方法。按照高中生物课程标准，高中生物学知识分为基本事 实、概念、原理和规律等，对于基本事实类，是要求学生理解记忆的，设计问题引导学 生关注熟悉的事物和现象，帮助记忆；对于概念类，设计关于概念的内涵、外延、变式、 举例、应用等方面的问题；对于原理类，重点提问对原理的理解、应用相关现象和实例 等问题；对于规律类，设计相关实验、推理、过程、规律的内涵、适用范围应用等问题。 38有的研究结合具体实例提出九种问题设计的方法：属性列举法、指出途径法、详列用 途法、推测可能法、比较异同法、探究原因法、预测后果法、按图索骥法、时地迁移法 等。39尽管这些研究成果不够系统且操作性不强，但问题设计的技巧和方法源于一线教 师的实际教学经验，可以作为高中生物问题设计的基础。 12 1.2 研究意义 本研究的意义主要有以下两方面。 （1）促进问题设计理论和技术的发展，进而促进教学设计理论的发展 问题解决是能力生成类任务的重要形式40，而在问题解决类任务中，问题最为关键。 只有具备好的问题，才能达到对目标知识点的训练，才能真正使教学设计在理论和实践 之间搭起桥梁。因此，问题设计是教学设计的重要组成部分。已有相关研究大多只是探 讨问题设计的原则、策略和技巧，没有关注具体微观的方法技术，实用性不强，不利于 问题设计理论体系的建立。而本研究将采用 FC 知识图变形法问题设计技术，具有较强的 操作性，较以往有很大进步。同时，以往研究者仅对数理化三门理科采用知识推理路径 和知识关联图进行问题设计，而本研究尝试对兼具文理科特点的生物学进行问题设计， 将 FC 知识图变形法问题设计技术应用于更广泛的学科领域，考察其适用的学科领域，探 讨其有效性的边界进而改进技术。由上可见，本研究在研究角度和范围上有所突破，在 一定程度上促进了问题设计理论和技术的发展，更促进了教学设计理论的发展。 （2）为生物教师提供具体可操作的问题设计技术 在实际教学过程中，只有经验丰富的教师可能会根据需求设计教学问题，但对于大 部分教师是比较困难的。他们大多通过网站、教辅资料等海量试题中寻找问题，不仅花 费时间，所查到的问题也不一定合适。对于复杂综合性问题完全凭经验是设计不出来的。 教师更多的是需要有一定的问题设计技术规范来弥补经验不足及自身的主观性，只有技 术上纯熟了才会慢慢过渡到艺术。本研究采用的 FC 知识图变形法问题设计技术建立在教 师经验中的理性成分基础上，通过对高中生物进行问题设计为教师开展问题设计提供实 例参考，提高其问题设计能力，进而提高教师学习资源的设计开发能力。 13 2 研究概述 2.1 术语界定 （1）问题）问题 问题代表着未知，不同研究者由于研究角度不同，对问题的界定也不同。大多数心 理学家认为问题是一种情境，包括当前状态、目标状态及从当前状态转化为目标状态的 一系列操作，以上任何一项不完整便会形成问题。本研究中的“问题”是指生物教学情境下、 针对特定目标知识点的生物学科问题。本研究试图使此类问题具有以下特点：从目标知 识点出发、结构复杂、情境丰富、信息综合、多条解决路径、相对开放，解决问题更倾 向于创造性、建构性而非简单地提取知识点，旨在提高学生的问题解决能力。教师可以 根据实际需要确定问题的呈现形式并将其运用于课堂提问、习题训练或探究性学习活动 中。 为了尽可能全面、科学地表征问题，本研究认为问题由内部情境与外部指导环境构 成（见图 2） ，FC 知识图则是针对内部情境的客观表征。一个好的问题具有新颖、真实的 生活情境和综合、复杂的结构情境。生活情境部分体现了问题与实际生活的联系，结构 情境体现了问题所包含的学科知识。生命科学作为一门自然科学，与人类社会发展和实 际生产生活息息相关，其学科知识和问题具有较强的情境性，由此本研究将生活情境加 入问题设计的考虑要素，就其展开初步探索。 问题 问题内部情境外部指导环境 结构情境生活情境文字组织与表述题型呈现方式 学科专业知识 基础知识 学科发展 社会生活 专题研究 工农业生产 选择、填空 问答、论述 实验设计 探究 图表数据 文本资料 图 2 问题内部情境与外部指导环境 14 （2）知识建模）知识建模 知识建模是一种学习内容分析方法。等人提出的“以学习活动为中心的教学设计理论” 将知识点归结为七种类型：符号和名称 SM、概念 CN、原理和公式 PF、格式 FM、过程 步骤 PS、认知策略 CS、事实和范例 FC，不同类型知识点在知识建模图中由不同的符号 表示。并对知识点之间的关系及其类型进行了界定，形成知识建模规范。知识建模分析 法包括三个步骤：阅读教材以及大纲，鉴别出知识点；按照知识网络图的绘制规范， 绘制出知识网络图；检查并确保知识网络图的规范性。由该方法形成知识网络图，可 实现对对知识点的客观表征。本研究中提及的知识网络图用于表征目标知识点、为问题 变换操作提供依据。 （3）问题系统）问题系统 美国教育家波利亚认为一个专心备课的教师能将有意义的题目作为一道门户把学生 引入一个完整的领域。只有兼具知识完整性及层次性的问题系统才能实现此功能。因此， 本研究从知识结构和教学设计意义的角度出发，认为具有以下特点的一系列问题可以组 成题系统：问题蕴含的知识点之间具有内在联系；所有问题包含着至少一个共同的知识 点（概念、原理、过程类） ；问题情境具有相似性和连续性；问题之间在涵盖的知识点数 量、问题复杂度方面具有层次性41。生物学科知识具有较强的情境性，因此，相似生活 情境的一系列问题组成的题系统更有利于学生在不同知识点之间建立有意义联接，促进 其认知结构的形成。教师可以根据实际需求选择不同类型、不同梯度、不同数量的一系 列问题组建题系统，以达到特定的教学功能。 （4）问题原型）问题原型 在运用 FC 知识图变形法进行问题设计的过程中，需要这样一些问题：包含目标知识 点及其关联知识点的运用、科学准确、复杂度适中且有变换操作空间，作为基础和原型 形成新的变式。这些问题即为问题原型。 （5）高级知识）高级知识 本研究中提及的高级知识是针对学习者现有的认知状态和知识意义建构水平而言的 相对概念，它不属于课程标准要求掌握的知识，却是学习者在支撑性环境中、根据已有 知识可以推理出来的、能迅速理解的知识。 2.2 研究的整体设计 2.2.1 研究目标 本研究拟在已有研究的基础上，将 FC 知识图变形法应用于生物学科进行生物学问题 以及问题系统的设计，以考察该问题设计设计技术适用的学科领域和有效性边界，并基 于此对该技术进行改进。 15 2.2.2 研究内容 针对高中生物学部分知识，尝试运用 FC 知识图