中学学科教学的教学系统IIS图分析法的实证研究——硕士论文

I 中学学科教学的教学系统中学学科教学的教学系统 IIS 图分析法的实证研究图分析法的实证研究 摘摘 要要 本研究以系统论为方法论，以教学系统 IIS 图分析法前期研究的成果为基础，将 IIS 图引入中学真实课堂。研究经过提出假设、进行实验、获取样本、分析数据、得出结论 的实证过程，发现问题、分析问题、解决问题，提升了教学系统 IIS 图分析方法的可用性、 有效性和客观性，并为该方法在中学情境下实践研究和运用打下基础。 本研究的假设是“中学课堂目标知识点激活量与学习效果呈正相关”和“中学课堂 目标知识点与邻接结点形成组块的组合激活量与目标知识点学习效果呈正相关” 。主要研 究内容是完善 IIS 图分析方法规范及操作规则、验证分析方法的有效性、分析和处理中学 条件下实验遇到的实际问题。完成的具体工作包括： （一）（一） 界定信息流格式中的界定信息流格式中的，完善切分规范。，完善切分规范。 为明确切分粒度，降低切分人员的主观性和随意性，使不同切分人员在分解和分析 同一信息时按同一粒度进行，使同一切分人员在切分不同信息时按同样粒度进行，结合 中学课堂教师授课和学生反馈的状况，进一步界定和完善信息流切分规范。 （二）（二） 对中学教学信息流进行分析和分类，总结数据的切分规律。对中学教学信息流进行分析和分类，总结数据的切分规律。 中学课堂中，为提高信息传递效果，教师经常运用特殊信息传递策略；学生反馈信 息时，也会生成各种类型的信息。这给切分人员理解激活映射和进行信息流切分带来困 扰。研究通过对采样信息流进行分析归类，规范师生输出信息流的切分方法。 （三）（三） 改造激活量计算公式，验证激活量与学习效果的相关关系。改造激活量计算公式，验证激活量与学习效果的相关关系。 学习者参与系数用于衡量学习者反馈信息与教师输入信息的关系。考虑到学生的输 入信息流可能与知识点学习效果有更强的相关，在原有激活量公式中加入学习者参与系 数。此外，知识网络图中，目标知识点的邻接结点的激活可能促进先决知识点与新知识 点建立联系，因此建立组块激活量计算公式。研究中分别尝试验证各种激活量与学习效 果的相关关系。 经过实证检验， “中学课堂目标知识点激活量与学习效果呈正相关”的假设在原理和 逻辑性较强的学科中成立， “中学课堂目标知识点与邻接结点形成组块的组合激活量与目 标知识点学习效果呈正相关”的假设暂不成立。此外，加入学习者参与系数的目标知识 点激活量对学习效果的预测力与原激活量相当；组块激活量与学习效果的相关性不强； 以原理和逻辑为主的科目验证效果优于以记忆为主的科目。 关键词：关键词：教学系统 IIS 图分析方法，中学课堂，信息流切分，激活量 II Research on IIS Map in Instructional System Analysis 单击此处，再揿Backspace键以生成一空行 单击此处，再揿单击此处，再揿Backspace键以生成一空行键以生成一空行 ABSTRACT 单击此处，再揿Backspace键以生成一空行 单击此处，再揿Backspace键以生成一空行 在此处输入英文摘要内容 单击此处，再揿Backspace键以生成一空行 单击此处，再揿Backspace键以生成一空行 KEY WORDS：键入 3-8 个英文关键词，之间用半角逗号和空格隔开 1 目 录 1 研究背景与意义1 1.1 研究背景 1 1.2 教学系统分析发展概况 1 1.2.1 国外研究发展及现状2 1.2.2 国内研究发展及现状3 1.2.3 典型教学分析方法对比4 1.3 教学系统分析 IIS 图研究现状 5 1.3.1 分析对象和编码体系5 1.3.2 操作逻辑6 1.3.3 前期结论7 1.4 研究意义 8 2 中学学科教学的教学系统 IIS 图分析法的实证研究9 2.1 研究目标 9 2.2 研究内容 9 2.2.1 信息流切分规范的进一步完善9 2.2.2 分析方法有效性的进一步验证9 2.2.3 分析和解决真实情境取样遇到的问题.10 2.3 研究设计 .10 2.3.1 文献调研阶段.10 2.3.2 实证验证阶段.10 2.4 可行性分析 .13 3 中学课堂教学信息流切分的特殊性或新情况.14 3.1 界定 .14 3.1.1 目标描述.14 3.1.2 情境.14 3.1.3 事实和范例.15 3.1.4 知识语义.15 3.1.5 答案.15 3.1.6 管理指令.16 3.1.7 其他相关信息.16 2 3.1.8 不相关信息.16 3.2 师生输出信息流的切分 .16 3.2.1 提问.16 3.2.2 重复讲述.18 3.2.3 特殊句法.19 3.3 信息流切分举例 .20 3.3.1 组织型提问切分举例.20 3.3.2 重复讲述切分举例.26 3.3.3 组块信息流切分举例.30 4 实证研究过程以正切函数的图像和性质为例.35 4.1 绘制知识网络图 .35 4.2 选取目标知识点 .36 4.3 编制审核测试题 .36 4.4 学习效果测评 .37 4.4.1 评分规则.37 4.4.2 计算公式.38 4.5 信息流切分 .38 4.6 激活量计算 .40 4.6.1 目标知识点激活量.40 4.6.2 知识点组块激活量.40 4.7 正切函数的图像和性质数据分析 .41 4.7.1 目标知识点激活量与学习效果相关分析.42 4.7.2 组块知识点激活量与学习效果相关分析.43 4.7.3 数据分析结果.49 5 实证研究结果.49 5.1 统计方法说明 .50 5.2 相关分析结论 .51 6 总结与展望总结与展望.54 参考文献参考文献.56 附 录.59 附录 1 激活量与学习效果数据表 .59 附录 2 各取样课程知识网络图 .65 附录 3 教学信息流切分规范 .71 3 附录 4 切分信度表格 .72 致 谢.73 4 图目录图目录 图 1 教学系统模型.8 图 2 整体研究流程.11 图 3 正切函数的图像和性质知识网络图.35 图 4 正切函数的图像和性质的信息项序列.39 图 5 实数指数幂带有标记的知识网络图.65 图 6 对数函数带有标记的知识网络图.66 图 7 两条直线的位置关系带有标记的知识网络图.67 图 8 动能定理带有标记的知识网络图.68 图 9 盐的水解带有标记的知识网络图.69 图 10 有丝分裂带有标记的知识网络图.69 图 11 大规模的海水运动带有标记的知识网络图.70 1 表目录表目录 表 1 教学分析方法对比表.4 表 2 教学系统 IIS 分析法实证研究结论 7 表 3 盐的水解课堂教学片断.20 表 4 盐的水解课堂教学片断切分序列.21 表 5 有丝分裂课堂教学片断 126 表 6 有丝分裂课堂教学片断切分序列 126 表 7 有丝分裂课堂教学片断 230 表 8 有丝分裂课堂教学片断切分序列 231 表 9 正切函数图像和性质激活量与学习效果数据统计表.41 表 10 正切函数的图像和性质A 与 R 相关分析.42 表 11 正切函数的图像和性质A_stu 与 R 相关分析42 表 12 正切函数的图像和性质A 与 R*相关分析43 表 13 正切函数的图像和性质A_stu 与 R*相关分析.43 表 14 正切函数的图像和性质A_sum 与 R 相关分析44 表 15 正切函数的图像和性质A_av_sum 与 R 相关分析44 表 16 正切函数的图像和性质A_ave 与 R 相关分析.44 表 17 正切函数的图像和性质A_ln 与 R 相关分析45 表 18 正切函数的图像和性质A_sum 与 R*相关分析.45 表 19 正切函数的图像和性质A_av_sum 与 R*相关分析.45 表 20 正切函数的图像和性质A_ave 与 R*相关分析46 表 21 正切函数的图像和性质A_ln 与 R*相关分析.46 表 22 正切函数的图像和性质A_stu_sum 与 R 相关分析 .46 表 23 正切函数的图像和性质A_stu_av_sum 与 R 相关分析47 表 24 正切函数的图像和性质A_stu_ave 与 R 相关分析 47 表 25 正切函数的图像和性质A_stu_ln 与 R 相关分析.47 表 26 正切函数的图像和性质A_stu_sum 与 R*相关分析 48 表 27 正切函数的图像和性质A_stu_av_sum 与 R*相关分析.48 表 28 正切函数的图像和性质A_stu_ave 与 R*相关分析 .48 表 29 正切函数的图像和性质A_stu_ln 与 R*相关分析49 表 30 数学大样本学习效果 1(R)正态分布检验.51 表 31 数学大样本学习效果 2(R*)正态分布检验.51 2 表 32 目标知识点激活量与学习效果相关系数及显著性水平数据统计表.52 表 33 组块知识点激活量与学习效果相关系数及显著性水平数据统计表.53 表 34 实数指数幂激活量与学习效果数据统计表.59 表 35 对数函数激活量与学习效果数据统计表.60 表 36 两条直线的位置关系激活量与学习效果数据统计表.61 表 37 动能定理激活量与学习效果数据统计表.61 表 38 盐的水解激活量与学习效果数据统计表.62 表 39 大规模的海水运动激活量与学习效果数据统计表.63 表 40 有丝分裂激活量与学习效果数据统计表.64 表 41 切分信度表格.72 1 1 研究背景与意义 1.1 研究背景 教学系统分析一直是教学研究的前沿领域。教学分析是系统地收集与教学相关的 各种信息，并基于所获得的信息，根据培养目标和要求对教学活动的相关因素进行衡 量和价值判断，避开逻辑思辨和简单的实证研究来探索教育教学活动本质和规律的过 程 1。广义的教学分析是指对教学的各个组成要素以及与教学相关的因素加以考察的认 识活动。2实际中，教学分析呈现多样的形态。由于分析对象的差别、研究者主观经验 各异、研究人员关注的侧重点不同，教学分析在教学要素分析的基础上派生出多种分 支，包括对教学现象和教学结构的进一步剖析、对教学过程的分析和研究、对教师行 为和学生学习结果关系的研究等。此外，教学分析中，有关定性分析、定量分析、系 统化分析、要素化分析的讨论一直存在。但是，教学分析的整体的趋势是从直观、定 性的概念分析、要素分析，向客观、定量的系统分析、交互分析转变。 为了解决要素分析和行为分析无法解决的学习中“知识建构”的问题，也为进一 步发展信息论下的教学分析，杨开城教授等人创建了教学系统 IIS 图分析法。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”3，由此构建了教学分析概念模型，并从信 息流的属性出发考察信息流的某种特征与知识点学习效果的联系 4。该方法已经初步建 立教学分析操作规范，并在教师集体授课、学生自主协作等情境下进行研究，初步验 证了方法的有效性。本选题以教学系统 IIS 图分析法为依托，在中学学科中进一步验证 IIS 图分析方法所产生的结论，并发掘 IIS 图分析法在中学真实教学中的使用条件、存 在问题，以此修正指标、制定细致的信息流切分规范。 1.2 教学系统分析发展概况 由于思维方式的不同，国内外对教学现象和教学分析的研究有所区别。国内研究者 注重听课、评课，以此方式对教学过程进行分析；教师注重教学经验的总结，力求在教 学反思中发现问题。国外研究的最大不同在于思辨成分较少，其教学分析的研究发展过 程体现在研究方法、研究设计以及研究变量控制的科学性发展上，主要运用定量教学分 析方法开展研究。 2 1.2.1 国外研究发展及现状 定量的教学分析是指“把教学过程切分为更细的片段、并对片段进行编码、进而从 片段的编码数据出发推断教学某种整体特征的过程”5。 国外教学效果研究是由 19 世纪 30 年代的“心理测量”和 19 世纪 20、30 年代的社 会管理运动发起的，由心理学家和心理测量师编制智力和智能测验，评估教师的教学效 果和学生是否真正学会了课堂上教师传授的知识。标准化测试是国外课堂教学分析研究 的起点和最初形式。6但是，行为科学家和心理学家发现，测试只能得出学生的学习效果， 并不能改善课堂。即，结果测量无法发现教学中哪个应该教哪个不应该教，无法测得重 要的却无形的教育经验。为了提高教学质量，更需要观察课堂、研究教师行为。于是， 国外于 1940 年萌发起教师行为与学习效果关系的研究，更科学的、现代的课堂研究则起 始于 1957 年，以弗兰德斯交互分析法（Flanders） 、Medley 分析法、Mitzel 分析法的诞生 为标志 7。因为初始的研究规模小，研究设计不够合理，变量控制不够严格，所以复杂问 题的实验结果会出现局部缺失，这种缺失使许多研究者困惑，使得他们重新思考研究方 法和研究工具的科学性和有效性，S-T 分析法和弗兰德斯交互分析法由此受到关注，并得 以快速发展和广泛运用。19 世纪 80 年代之后，随着网络和计算机的兴起，网络学习出现， 远程教育、协作学习、网络课程开始分流课堂教学。为了分析网上学习，教育研究者引 入社会网络分析法、内容分析法等分析工具。 目前，教学和学习分析的重点集中在运用社会网络分析方法和内容分析法进行角色 分析和交互分析上，交互分析的内容包括：学习者与学习内容、学习者与教师、学习者 与学习者之间的交互 8；学生与学习环境之间的交互9；文字聊天、语音聊天、电子论坛 进行交互、桌面视频会议等技术对学生网络同步学习中交互的支持 10；基于“做中学”的 问题解决式学习中交互分析的理论和实践 11；使用序列分析，表面凝聚力分析，词汇链接 分析方法对交互中讨论的持续时间、交互参与率、交互程度等进行研究 12。社会网络分析 的内容包括：异步课堂中教师与学生话语的产生的研究以及对教师与学生在教学存在、 社会存在和认知存在数量和等级上的模式与关系的辨别 13；组织型的学习网络与学习社区 中学生的角色和社会关系对学习效果的影响 14；网络课程的评价分析；网络协作学习的分 析；教育博客分析等。 除去从外显行为的角度进行教学分析，把教学过程及其他因素看作系统，进而看作 信息系统的视角也逐渐受到人们的关注。这种思路源起于“旧三论” 。 “旧三论”包括信 息论、系统论和控制论，总体来说，这是把事物看作整体进行研究，用定量方法研究系 统信息的获取、加工、处理等过程，并关注系统及子系统的功能、变化趋势的整体哲学 方法论。把“旧三论”引入教学分析，有学者认为，教学系统就是一个信息系统，功能 3 是使学生习得知识。他认为，知识是学生经过学习体验后将各类信息组合建构得来，信 息可分为“符号性信息、描述性信息、处方性信息和技术性信息” 15四种。将教学系统看 作信息系统的思路使得教学系统的细致分析成为可能。 1.2.2 国内研究发展及现状 中国最早形式的教学分析是对教学整体的直观的、朴素的认识，这种整体思维将看 到的教学现象转换成哲学思辨和教学原理，而对教学过程的分析则只能停留在表面难于 深入 16；后来，人们使用还原分析的方法，从教学结构和组成上分析教学，各种要素说 （三要素说、四要素说、七要素说等）是典型代表，虽然要素分析会分析要素与整体之 间的关系，认为“教学过程中的每一个要素都在产生一定的力，但最终导致教学效果的 力并不是各要素之力的简单相加，而是在诸要素之间的实际关系中形成的一种合力 ”17， 但是，要素划分模糊、要素效果与教学系统整体功能不易对接等原因导致教学系统要素 分析仍旧只能停留在表面上进行文字描述，只能依照分析者主观经验下结论 18。而且，要 素分析是在教学开始之前或教学结束之后某个时间点对教学过程进行的预测性和总结性 分析，被称作“静态分析”19。静态分析无法满足人们对于教学过程发展变化的关注，于 是，对教学过程的动态分析逐渐得到发展。 由于国外教育研究具有较严格的研究设计、研究方法、定量分析，这种科学性是国 内思辨和经验的方法无法具备的。19 世纪 80 年代至今，国内教育研究者大量引入国外的 研究方法和工具开展教学分析研究，包括弗兰德斯交互分析法、S-T 分析法、TIMSS 录像 分析法、社会网络法、内容分析法等。使用的过程中，国内教育研究者在一定程度上改 进了分析工具和方法，例如，对于弗兰德斯交互分析法改进其纯定量，加入质性分析 20； 改进弗兰德斯互动分析法只有教师编码的现状，加入学生行为和师生互动编码和解决划 分模糊的问题 21。研究的内容涉及教师的课堂教学特征分析22，通过课堂观察分析师生言 语互动行为 23，协作学习中知识建构的研究24，对信息化教育下交互关系的分析25等。 信息论、系统论和控制论开始影响中国教育是在 19 世纪 80 年代末，用系统建模思 想分析教学系统的思路由李克东等人提出。李克东在系统科学方法思路下分析了教学系 统的结构，将教学要素和关系用矩阵和图形表示；进行了信息流向分析，把系统行为状 态抽象为信息按某种流向进行变换的过程，并给出信息变换模式图和人类个体认识过程 的信息流向图；此外，采用“黑箱”和“灰箱”的方式从功能上描述和模仿系统对环境 的作用方式，即进行系统的功能模拟 26。吴金昌、孙绍荣、俞树煜等人强调信息论和系统 论在教育中的重要作用，提出建立教育信息学的构想和理论框架。27 28 29但是，从信息论 的角度分析教学刚刚起步，之上的研究也只是对于教育信息学框架“基本概念-基本理论- 技术理论-应用技术方法”30中的前两项有了初步探讨，而对于技术理论的研究以及教育 4 信息学应用的技术方法的研究极少有人涉足。目前相关的技术理论和技术方法能够成型 的只有北京师范大学杨开城教授创建的教学系统 IIS 图分析法 31。教学系统 IIS 图分析法 的理论体系包括系统建模模型、信息共享集 IIS、信息流划分规则、信息流序列映射到知 识网络图上的方法、教学系统特征的关键属性（如激活量）的计算方法，已经初步实现 从整体功能上对教学系统进行分析。32 1.2.3 典型教学分析方法对比 师生互动关系的研究，是目前教学分析的重心之一。33无论课堂中面对面的学习还是 网络上协作学习，交互都是教和学的过程中最重要的部分。目前教学分析方法和技术多 以交互为切入点，通过交互分析来分析教和学的效果。对真实课堂或视频作分析的方法 以 S-T 分析法、Flanders 互动交互分析法和 TIMSS 录像分析法最为著名；对学习社区、 虚拟学习环境中教学进行分析的主要方法有社会网络法和内容分析法；信息流分析的典 型代表是教学系统 IIS 图分析法。 （如表 1） 表 1 教学分析方法对比表 指标指标 方法方法 方法特征方法特征适用范围适用范围理念立场理念立场 S-T 分析分析 法法 定量研究；固定时间抽 样；只对教师与学生行 为分类；原理和操作简 单 3435 判断教学模式 只对教师（T 行为）和学生（S 行为）进行两个维度的分析，可 以减少模糊性，提高客观性和可 靠性 Flanders 互动交互互动交互 分析法分析法 定量研究；固定时间抽 样；关注师生语言行为 3637 1. 分析课堂上师生语言行 为的持续、 衔接和变化的 情况；38 2.判断教师与学生的互动关 系、交互意图、交互程度 语言行为是课堂中主要的教学行 为占所有教学行为的 80%左右， 因此对课堂中的师生语言行为进 行互动分析就能够把握课堂教学 的规律和实质 39 TIMSS 和和 TIMSS-R 录像分析录像分析 法法 定量研究；进行对课堂 结构和师生对话的二轮 信息编码，第一轮记录 课堂结构，第二轮随机 抽样师生谈话片段 4041 反映课堂教学的真实情况， 分析教学过程与学业成就 的关系 42 课堂教学过程的客观描述是进行 深层次编码的基础；教学中教师 和学生的位置和他们的行动通过 直接方式转化为编码 4344 5 社会网络社会网络 法法 定量研究；关系和关系 模式，而不是行动者属 性 4546 网络学习中学习者的参与 特征和交互特征 47；判断 和解释信息行为和信息态 度；研究网络时代虚拟社 区中的人际交流 网络学习中，学习者之间的关系 或通过这些关系流动的各种有形 或无形的东西可以通过关系模型 描述和测量 48；学习者关系结构 会对群体功能和学习者群体内部 个体产生影响 49 内容分析内容分析 法法 50 关注师生交互，对定性 资料（文本材料）进行 量化分析 5152 分析计算机支持协作学习 下学生讨论和交互过程中 的一般特征 53 对教师和学生传播内容所含信息 量、信息意义及其变化的层层推 理可以推断出学习过程的构成和 变化趋势 54 55 教学系统教学系统 IIS 图分图分 析法析法 定量研究；关注行为背 后依附的信息流 将信息流作为分析对象， 从信息流的属性出发考察 信息流的某种特征与知识 点学习效果的联系 教学系统是信息系统，通过信息 流的分析研究系统结构与功能的 关系 1.3 教学系统分析 IIS 图研究现状 教学系统 IIS 图分析方法把教学分析建立在信息系统视角之上，从教学系统整体功能 机制出发，将实际的分析编码操作引入到教学分析中，重点研究信息流动与教学功能 （即教学目标的达成）之间的关系。 1.3.1 分析对象和编码体系 进行系统分析，就是要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。这里的自 然语言表征即信息流，是进行数据收集的数据对象；欲转换的编码体系，是带有标记的 知识点网络图（IIS 图） 。 IIS 图分析法的分析对象是“教师、学生和信息媒体这三类主体之间的信息流动的关 系” 56。系统建模中，信息流被提取出来，结构化为“输入信息项” ，具有线性和并发性 双重序列特征，表征格式为“IPx_n” 。 输入信息项的信息来源 IPx_n 是信息流的属性之一，特指信息流的发出主体；“操作” 指的是信息携带知识点的学习水平或教学目标行为水平，包括“辨别” 、 “理解-发现” 、 “运用-接受”等七种；“表征形态”是信息流输出的媒体形式，如声音、图像、文本、 视频、肢体语言等；“信息类型”的分类依据是信息项携带信息的意义和内容，包括答 案、目标描述、知识语义、事实和范例、其他相关信息等八个可选项。因为“事实和范 6 例” 、 “知识语义”或“答案”三种类型的信息项包含了知识点及其关系，IIS 图正是表达 知识点之间的关系及其教学意义的结构，所以，IIS 图方法规定，当信息类型为这三种类 型之一时，信息项具有“IIS 子图”成分，映射为知识网络图的一部分。 1.3.2 操作逻辑 IIS 分析法的具体操作过程是： 首先，把连贯的教学信息切分为输入信息项，按照信息流属性选项进行编码。首先，把连贯的教学信息切分为输入信息项，按照信息流属性选项进行编码。 IIS 分析过程中，将教学信息切分为输入信息项的操作，容易受到切分者主观性的影 响。在信息项的某些成分取值变化时进行切分，即当信息来源、操作类型、信息类型、 IIS 子图发生变化时进行切分，可以在一定程度上降低切分的任意性和确保切分的客观性。 57 其次，综合计算信息流的编码数据，按照某种指标计算方法推算信息流导致的教学其次，综合计算信息流的编码数据，按照某种指标计算方法推算信息流导致的教学 系统的某个整体特征。系统的某个整体特征。 将信息流切分为信息项之后，通过信息序列结构，我们无法看到知识的共享建构过 程及其蕴含的教学意义。所以，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（被称为 IIS 图） 。 知识点激活量，是目前构造出的用于衡量信息流对某个知识点激活水平的特征属性 指标。激活，是指信息流到知识组块的映射；激活量是知识点信息熵的累计和，是由信 息流激活操作所生成的知识点的属性或 IIS 图的属性。前期研究中，根据信息熵理论构造 出了目标知识点的激活量计算公式。算法如下： A= )2(*log(/)2log(*dDndF 其中，A 指激活量（Activation） ，F 指遗忘系数，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。d 是结点已知的边的条数，即已知的度；激活熵表 示为 log（d+2） ，根据信息论最大熵原理得出，只与已知关系相关，是伴随知识点的信息 流激活而改变的变量。n 是结点未知的边的种类，D 是结点的总度，log（n*（D-d+2） ） 用来表示复杂度，由信息流激活及知识网络图的变化而动态变更。r 指扩散衰减系数，若 某信息项被直接激活，则 r=1，若该结点是经过一次扩散激活，则 r=1/d，若该结点是经 过二次扩散激活，则 r=1/d/d，依此类推。 最后，验证带有不同标记最后，验证带有不同标记 IIS 图的图的 IIS 属性与教学效果有怎样直接或者间接的联系。属性与教学效果有怎样直接或者间接的联系。 这里的教学效果不是指每个学生的每道题分数或总成绩，或者全体同学平均分，而 是指知识点的学习效果。因为学生的每道题得分或总成绩是多个知识点的累加或者均值， 7 它不仅仅反映教师教学的效果，而与其他很多因素有关，如，学生的情绪情感、身体状 况等，所以，仅通过学生试卷得分难以判定教学质量。知识点的学习效果是多个学生在 某个知识点上得分的累加或均值，它反映了教学过程在学生群体中产生的效应，它可以 作为教学质量的标志。58 通过 IIS 属性指标与学习效果做相关分析或因子分析，可以得出 IIS 属性指标对学习 效果的预测力和贡献度。 1.3.3 前期结论 研究认为，激活量是研究“系统属性”与“系统功能”的桥梁，可以作为预测教 学目标的依据。于是，前期研究做出“知识点激活量与其学习效果呈正相关”的假设。 目前，已有研究在教学视频层面或教案层面，在教师集体授课或学生自主协作学习情 况下，初步验证了该假设。表 2 是与本研究紧密相关的教师授课课堂取样研究，分别 在大学课堂和微格教室条件下进行。通过对 5 门学科进行验证，得出结论：激活量对 学习效果具有一定的预测力，激活量与知识点学习效果呈中度正相关。 表 2 教学系统 IIS 分析法实证研究结论 研究者：研究者：林凡 实验环境：实验环境：真实大学课堂，大学教师授课 验证验证 结论结论 数据结构： 19 个目标知识点，激活量与学习效果相关系数等于 0.413，具有显著的统计 学意义。 研究者：研究者：张宁 实验环境：实验环境：微格教室，招募大学生志愿者，张宁授课 验证验证 结论结论 线性代数 、 基因遗传学 、 项目管理 、 博弈论四学科，教学中的目 标知识点激活量与学习效果相关系数分别为 0.589、0.688、0.566、0.616，并 具有显著的统计学意义。 实证验证过程中，研究员依据研究情境，对教学系统 IIS 图方法进行进一步探索。 完善了知识网络图绘制规范和信息流数据采样规范，形成了自主编制测试题方法、学 习效果计算方法和保证研究信度、效度的方法。 1.4 研究意义 本研究在中学真实课堂取样，进行教学系统 IIS 图分析法的实证研究。主要研究意 8 义有三点： 1. 在中小学真实情境下进行取样，有利于扩展在中小学真实情境下进行取样，有利于扩展 IIS 图分析方法的可用性。图分析方法的可用性。 教学系统 IIS 图分析法已形成较完善的理论基础、算法基础、规范基础，但是只在 大学课堂和微格教室中进行过验证。大学课堂、中小学课堂、微格课堂、培训课堂、 协作学习课堂等具有不同的教学元素和教学特征，属于不同的教学系统。一种教育理 论是否成立，需要在尽可能多的情境和条件下加以验证。中学课堂中，怎样处理课堂 干扰因素的影响？怎样判断研究的有效性条件？怎样鉴别真实教学中 IIS 图分析方法的 操作性规范？怎样处理课堂中无法预期的情况？各种不可预知的问题都有可能出现， 各种要素都可能干预结论的成立。 所以，以教学系统 IIS 图方法为基本指导方法，以前期研究得出的阶段性成果为操 作依据，在新情境下，进一步改进和完善该方法是研究意义之一。 2. 细化和优化教学系统细化和优化教学系统 IIS 图分析法的切分规范，有利于提高方法的有效性。图分析法的切分规范，有利于提高方法的有效性。 本实证研究中，参与学习的对象由大学生和志愿者转变为中学生，取样环境由大 学课堂和微格教室转变为中学真实教学环境。由教学系统模型（图 1）可知，中学课 堂中，主要信息流提供者是中学教师、 中学生，信息流传递系统还会受到课 堂宏观环境影响。如果中学生不具有 基本先决知识技能、不处于正常的情 绪情感之中、不具备正常的学习动机、 提供的信息流偏离学习目标，那么， 在大学课堂和微格教室中得以验证成 立的结论，就有可能不适用于中学课 堂。 而且，在中学课堂中，教师会细 致入微的引导学生一步一步回忆和思 考，授课中夹杂着许多意义不完整的 零散语句，所以，对信息流切分为信息项的尺度和粒度的把握尤为困难。调整、完善、 细化、优化已有的信息流处理规范、切分规范，对教学系统 IIS 图方法拓宽适用范围具 有重要意义。 3. 开启了教学系统开启了教学系统 IIS 图分析方法在中学实践研究和运用之门。图分析方法在中学实践研究和运用之门。 教学系统 IIS 图分析方法目前已经进行了两轮实证研究， “知识点的激活量与学习效 果呈正相关”的假设得到初步验证。但是，本实证研究未曾在中学真实课堂中进行，中 学中原假设是否仍然成立、真实情境下的规范是否与前期验证的理论相一致、如何处理 和计算学生的参与度和参与比例等问题会在本次实证研究中考虑。因为本选题主要在理 论层面验证方法的有效性，所以立竿见影的实践意义较少，更具有潜在的实践价值。 学生对信息的处 理IPL 学生对信息的处 理IPL 媒体对信息的处 理IPM 教师对信息的处 理IPT 教学信 息集IIS X1 X2 X3 X4 Y2 Y3 Y4 Y1 环境 环境 环境 环境 图 1 教学系统模型 9 目前，教学系统 IIS 图分析法在进行信息流切分时仍要借助研究人员的主观智力判断， 这对研究人员来说是一项繁琐的工作。所以，本选题通过实证研究鉴别出的真实课堂中 IIS 图分析法的有效性条件和操作性规范，可以为日后开发 IIS 图自动分析软件准备理论 和技术条件。 2 中学学科教学的教学系统 IIS 图分析法的实证研究 2.1 研究目标 本研究以系统论为方法论，以教学系统 IIS 图分析法前期研究的成果为基础，将 IIS 图引入中学真实课堂中，进一步完善 IIS 图方法规范，多角度验证“中学课堂中知识点的 激活量与学习效果呈正相关”的假设。 2.2 研究内容 2.2.1 信息流切分规范的进一步完善 把教学系统 IIS 图分析方法推广到中学情境下更多的学科教学实践中，在实践的过程 中对具体分析步骤进一步的修改和完善。包括，深入界定和释义信息类型和总结中学课 堂信息流切分规律。 2.2.2 分析方法有效性的进一步验证 林凡和张宁在 IIS 图法前期研究中已经进行了许多工作，包括 IIS 图法理论框架的搭 建、激活量算法的构建、操作流程的形成、规范的完善。林凡在大学课堂自然教学状态 下收集信息数据进行激活量与学习效果一致性的验证，张宁通过微格教学方式来控制教 学过程以增加学生输入项对知识点激活量的贡献比例，进一步验证改进先前提出的知识 点激活量计算规则。因此，本研究侧重于在中学自然教学状态下进行数据收集以及结论 的验证。并且，在“目标知识点激活量与学习效果呈正相关”结论的基础上，提出“目 标知识点与邻接结点形成组块的各种组合激活量与目标知识点学习效果呈正相关”的假 设。 10 2.2.3 分析和解决真实情境取样遇到的问题 对真实教学中实证研究中遇到的困难和问题加以分析和处理，确保取样数据的有效 性。 2.3 研究设计 根据研究目的不同，本研究分为以下两个阶段： 文献调研阶段文献调研阶段 此阶段采用文献分析法，掌握现有国内外教学分析方法的现状，对比现有分析方法 的优缺点。阅读大量系统方法的文献，力图深刻的理解系统的意义，在研究中始终把系 统论作为方法论指导，以前期的研究为基础和平台逐步完善教学系统 IIS 图分析法。 实证验证阶段实证验证阶段 此阶段采用内容分析法。本实证研究目的是在中学真实教学中验证知识点激活量计 算公式。首先要对选取的被试进行课前测验和课后测验，再分别计算目标知识点的激活 量与学习效果，最后进行相关分析，得出相关系数。整体研究流程设计如图 3： 11 图 2 整体研究流程 12 1. 实证研究科目选择依据实证研究科目选择依据 从学科的知识体系的特征考虑，首先选取抽象度较高的学科。抽象性、逻辑性较强， 有完整体系的学科在知识网络图构建和目标知识点确定时更客观。基于此，本实证研究 初步选定中学数学、物理、化学、生物、地理五门学科。 其中，数学是研究现实世界空间形式和数量关系的科学，具有高度的抽象性、结论 的确定性等特征。数学是中学学习的主要科目之一，重点在于培养学生思维能力；物理、 化学和生物组成了小学的科学和中学的理科综合，是自然科学的代表，具有自然科学的 抽象性、系统性、确定性等特征，具有完整清晰的知识体系；地理虽然在中学算做文科 中的一门，但是地理学科中会出现原理、规律等确定的内容，而且学习中会通过图表、 数据的分析理解原理。 2. 联系学科教师配合实证研究联系学科教师配合实证研究 本实证研究涉及到五门学科，为了保证实证研究的有效性，拟进行三轮数据收集。 每轮数据收集要做如下准备： 首先，通过邮件或教研员联系学科教师；其次，与教师面谈，向教师展示本研究的 研究目的、研究内容以及教师需要配合哪几方面的工作等方面；再次，给教师一个星期 的时间考虑是否配合研究；最后，如果教师应允配合，马上与教师协商、确定授课内容， 投入到内容准备当中。 3. 根据教学方案和学习内容绘制根据教学方案和学习内容绘制 IIS 图，并根据选定的目标知识点制定测试题图，并根据选定的目标知识点制定测试题 教师将自己要讲授的内容写成教学方案，研究人员在教师教案和选定内容的基础上 构建知识网络图。知识网络图建构过程中与教师及时沟通本课的目标、重难点以确定目 标知识点。形成知识网络图后与教师共同分析知识网络图与教案的对应情况，修改知识 网络图或教案以保证两者的一致性。 知识网络图确定之后，选择一系列处于相同目标层次的目标知识点。两个维度来进 行选择：目标知识点的操作类型；目标知识点在知识网络图中的所处的位置。选择依据： 1)激活的操作类型也就是学生的心理操作类型相同； 2)知识点类型相同； 3)相互之间不出现扩散现象。 围绕选定的目标知识点制定测试题。为了考查学生理解应用原理的能力，测试题类 型以选择题和匹配题为主。并通过与学科教师讨论测试题的信效度、规范性、准确性以 及与目标知识点的一致性来提高测试题的质量水平。 4. 课前测试、授课以及课后测试课前测试、授课以及课后测试 以下是安排课前课后测试的两种方案。第一，把欲进行实证研究的课调到自习课时 间，前测和后测分别需要 25 分钟的时间，授课时间为 45 分钟；第二，将 45 分钟的课分 13 为两次来上，每次 22 分钟，前测 12 分钟，后测 12 分钟，之后将作为整体的两次课的目 标知识点合并在一起计算学习效果和激活量。录制教师授课过程是数据采集的过程。 5. 第二次修改第二次修改 IIS 图图 授课内容可能不是完全与教案符合，对于教师授课时随机调整的知识点，修改知识 网络图以使之与授课信息一致，以便进一步的信息流分析。 6. 信息流切分信息流切分 按照信息流切分规则，运用 IIS 分析软件进行视频分析，得到带有标记的知识建模图。 7. 比较获取比较获取 IIS 图知识点的激活量及图的整体特征与学生对目标知识点的学习效果图知识点的激活量及图的整体特征与学生对目标知识点的学习效果 的相关关系的相关关系 用 SPSS 软件分析步骤和所获得的数据间相关性。 2.4 可行性分析 教学系统 IIS 图分析方法具有成型的理论基础和理论体系，经郑兰琴、林凡、张宁、 徐梅等人初步验证，具备可用性和有效性。此外，基于 IIS 分析方法的具体操作技术和策 略已经初具规模。因此，该研究是可行的。 14 3 中学课堂教学信息流切分的特殊性和新情况 3.1 界定 是信息流属性之一。现有规范对没有做出细致、详尽、严格 的规范，不同的人在切分过程中对中八个可选项理解不同，以致切分严重受 主观因素影响。为了保证规则的清晰，笔者结合课堂视频信息流切分的实践，对规则深 入思考，进一步解读和划分，在原有规范基础上，总结出一些需要进一步解释说明的规 律。 包括八个可选项：目标描述、情境、事实和范例、知识语义、答案、管 理指令、其他相关信息、不相关信息。其中，“知识语义”“事实和范例”和“答案” 三项有对应的知识网络子图，即这三种信息项包含丰富的知识点信息，与知识网络图存 在对应关系。而其他五项是教学中存在的，与学习知识点关系不大的信息，包括教学管 理信息、课堂管理信息、情感激励信息等等，所以这五项不存在对应的知识网络子图。 目前，切分中对这五项的取值并不会影响我们现阶段的研究结果。 3.1.1 目标描述 目标描述指教师明确告知学习目标的情况。比如， “教师：来，咱们今天学正切函数 的图像与性质。 ” 3.1.2 情境 情境是指为知识点的学习创造的微观空间。“情境”信息与先决知识点和目标知识 点没有任何包含关系，不存在共同的上位概念，不具有相同的属性，而只作为学习知识 点的微观环境存在。具体是指，围绕某个知识点，创设的与知识点相关，但不是直接讲 解知识点的内容。比如，在实数指数幂一课中，教师为引入实数指数幂和类比“幂” 的特点，首先提出“它（小男孩原子弹）是不是扩散的特别快？那这种扩散速度，在数 学里也有一种情况，是什么情况呢？” 需要特别指出的是，本处的“情境”与教学模式中所谈的“创设情境”中的“情境” 内涵不同。普遍意义上的“教学情境”是指“在课堂教学中，根据教学的内容，为落实 15 教学目标所设定的，适合学习主体并作用于学习主体，产生一定情感反应，能够使其主 动积极建构性学习的具有学习背景、景象和学习活动条件的学习环境。”这是宏观层面 的界定，落脚点是“学习环境”。而 IIS 图分析方法中的“情境”是在微观层面界定的， 是针对知识点而言的。 3.1.3 事实和范例 事实和范例包括现象、问题和任务三种情况。 其中，“现象”指事物在发展、变化中所表现出的外部形式，或者可观察的事实或事件， 或者一项经历或实际存在的事物。例如，在生物学科中，学习遗传物质时，有实验 表明：将有毒的 S 型细菌注射到小鼠体内，小鼠死亡；而将加热杀死后的 S 型细菌注射 到小鼠体内，小鼠不死亡。这对应的是一种“现象”。虽然现象是对事物外在表现的描 述，但是现象与知识点相关，归为“事实和范例”，对应知识网络图。但是，对现象的 解释分析，以及从现象中提取出来的规律性的信息，属于“知识语义”类。 “问题”指教师和学生在课堂上的提问。教师在课堂上的提问比较复杂，包括正常提问、 重复提问、导引提问、设问、追问等多种情况，其中有的提问归为“事实和范例”中的 问题，有些归为“知识语义”。在切分细则时会做详细的解读。学生的提问在课堂上发 生的情况较少，全部归为这里的“事实和范例”类。 “任务”在这里指的是教师为学生布置安排学习工作时产生的信息项。 特别强调的是，“事实与范例”中“现象”与前面的“情境”有所区别。情境更偏 重的是背景，而只要与知识体系（包括先决知识点和目标知识点）有关的都算作“事实 与范例”中的“现象”。综上，呈现与本堂课的知识点毫无关联的知识点背景情境和背 景信息，只是为了目标知识点的学习创造了一个空间，属于“情境”；举例、现象出现 在先决知识点的回忆和目标知识点的传授过程中，激活了知识点，属于“事实与范例” 类。 3.1.4 知识语义 本规范中的“知识”，特指课堂上学习的学科内容，是某学科的概念、专有名词、 概念之间的关系与辨别、规律和原理等内容的集合体。语义就是语言的含义。知识语义 在这里指将学科内容清晰的表达和呈现出来的自然语言或公式符号。 3.1.5 答案 课堂中教师提问是常见的教学环节，答案即学生回答问题时产生的信息流，包括学 16 生个体答案和学生群体答案。 3.1.6 管理指令 管理指令，在这里指教师在课堂上为了实现和谐的教学环境，而调控人际关系和引 导学生学习的，一系列与知识内容本身无关的言语信息。教师对课堂纪律和秩序的管理、 对学生的情绪情感的感染和激励、对学生学习进度的调控这三种情况下，产生的信息流 归为“管理指令”类。 3.1.7 其他相关信息 这里的“相关”指的是与知识内容相关。与内容相关但却没有对应的知识网络子图 的情况经常出现于教师提出与学习内容相关的笼统的指引性问题的情况。教师的某个陈 述句或者问题的组织性很强，其中包括许多细小的知识点。但是，学生又不会仅仅通过 这句话或者这个简单的问题，就能够将脑中的与其相关的众多知识点全部激活。 3.1.8 不相关信息 不相关信息在这里指与课堂知识内容、情感支持和社会交互策略没有任何关系的闲 杂语言。课堂上出现不相关信息的情况较少，但绝非没有。例如教师在上课之前先问问 同学们“昨天晚上几点睡的” ， “最近学习累不累”等等。再如有些调皮和故意搅乱课堂 秩序的同学在回答问题时不是认真思考和激活的结果，而是说出一些不着边际的话，这 时对于学生的反应只能归为“不相关信息”类。 3.2 师生输出信息流的切分 中学课堂中，为提高信息传递效果，教师经常运用特殊信息传递策略；学生反馈信 息时，也存在各种类型的信息。这给切分人员理解激活映射和进行信息流切分带来困扰。 通过对采样信息流进行分析归类，举例说明特殊情况的切分方式。 3.2.1 提问 1. 中学课堂中，除去教师提出具体问题，学生配合解答之外，还会出现提问指向性中学课堂中，除去教师提出具体问题，学生配合解答之外，还会出现提问指向性 问题的情况。问题的情况。 这里的指向性问题指的是，兼具统摄性和组织性特征的问题，也称作组织型信息。 17 即，问题与知识点相关，但不是针对一个或两个知识点或者他们之间的联系提问，而是 包含了一系列的知识点。若做到正确回答这个问题，学生需要已经对本系列的知识点完 成完整的学习。所以，此类问题只能起到引导学生思考方向的作用，问题本身不具有知 识语义。 教师提出指向性问题的时机包括：第一，教师讲授系列目标知识点之前。这时的提 问引起学生注意到学习的内容框架，使学生在接下来的学习中沿着某条知识线索进行； 第二，留有时间给学生自学课本、参考书等内容之后。教师提出问题，考察学生自学情 况；第三，教师讲