（教育技术学专业论文）网上示例演练教学系统研究.pdf

学位论文独创性声明 本人所里交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本克的研襄镀出重要贡献曲个人彝集体，蚜8 在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：i 盟客日期：盐畦目 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东怖范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和龋质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少璧复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文曲内容编入有关数据库进行拴索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。， 学位论文作者签名渤币豫 导师签名：7 苗绥 日期：如口 毒ra 日期： 摘要 摘要 近年来，我国围绕素质教育的开展，掀起了教学改革的浪潮。较为科学的教 学改革思想是：充分了解学生获取知识的信息加工过程，根据学生认知过程和特 点科学地设计教材和教法，通过启发式的方法引导学生有效地获取知识，发展认 知技能。本着这一教学改革的思想，朱新明教授和s i m o n 教授，进行1 0 多年的 协作研究提出了示例演练教学法。示例演练教学法将“例中学”和“做中学”有 机地结合起来，以“示例演练”作为基本的学习形式，是一种有利于素质教育的 教学模式。 本课题在前人对示例演练教学法的研究基础上，深入理解和分析了示例演练 教学法。紧紧抓住示例演练教学法符合学生认知规律和适合不同层次学生的两大 优点，弥补网络教学中传统教材电子化、缺乏教学策略的不足，尝试着将示例演 练教学法应用于网络教学中，以达到两个目的： 1 、解决目前网络教学存在的“书本搬家”的问题，使网络教学开展得更好。 2 、变传统的“一刀切”的课堂教学模式为分类推进、共同进步，让不同层 次的学生在网上示例演练教学环境下都以自己最好的状态进行学习，将自己的潜 能最大程度地发挥，进行最有效地学习。 基于以上两个目的，本课题探索了网上示例演练教学模式，从知识库、学生 模型、教师模型、支持系统四个方面入手，提出了网上示例演练教学系统模型。 并据此模型，选择初中一年级代数为教学内容，设计开发了一个网上示例演练教 学系统实例网上示例演练教学学苑。 【关键词】示例演练教学网上示例演练教学产生式网络教学知识库 a b s t r a c t r e c e n t l y , o u rc o u n t r yh a v eb e e np r e v a i l i n gt h et r e n do f t h er e f o r mo fi n s t r u c t i o n f o c u s i n go nt h eq u a l i t ye d u c a t i o n t h em o r es c i e n t i f i cp r i n c i p a lo ft h er e f o r ms h o u l d b ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o nf o ra s s i m i l a t i o no fk n o w l e d g em u s t b ec l e a r l yf i n d o u t s e c o n d l y , d e v e l o p m e n t a lm e t h o d w h i c hi n s t r u c t ss t u d e n t s e f f i c i e n tg a i nf o rk n o w l e d g ea n dt h ed e v e l o p m e n tf o rc o g n i t i o n a ls k i l l si sr o o t e do n t h e s e ：t h e s t u d e n t s c h a r a c t e r i s t i c so fc o g n i t i o n a lp r o c e s sa n ds c i e n t i f i cd e s i g nf o r t e x t b o o k sa n di n s t r u c t i o nm e t h o d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ea b o v er e f o r mo f i n s t r u c t i o n p r o f z h u x i n m i n ga n dp r o f s i m o np u tu pw i t ht h e o r yo fl e a r n i n gf r o m e x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e ms o l v i n ga f t e rt e ny e a r s + c o r p o r a t i v er e s e a r c h t h e i n s t r u c t i o nb a s e do nt h i st h e o r ys y s t e m a t i c a l l yc o m b i n et h e ”l e a r n i n gf r o me x a m p l e s ” a n d ”l e a r n i n gb yd o i n g ”t h ef u n d a m e n t a lf o r mo ft h es t u d ym o d e lg u i d e db yt h e t h e o r yo fl e a r n i n gf r o me x a m p l e sa n ds o l v i n gb yp r o b l e m sb e n e f i t st h eq u a l i t y e d u c a t i o n t h i ss u b j e c td e e p l yu n d e r s t a n da n da n a l y s et h et h e o r yo fl e a r n i n gf r o m e x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e ms o l v i n gb a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c hf o ri t o n eo f t h et w os u p e r i o r i t i e si st h et h e o r y sa c c o r d a n c ew i t hs t u d e n t s + c o g n i t i o n a lr u l e 。t h e o t h e rt h et h e o r y sf i t n e s sf o rd i f f e r e n tl e v e lo fs t u d e n t s t h i st h e o r ya l s oc r a c kt h e i n f e r i o r i t yo ft h ee l e c t r o n i ce d i t i o no f t h et r a d i t i o n a lw e b b a s e di n s t r u c t i o nt e x t b o o k s a n dt h em e a s u l s f u r t h e r , t h et h e o r y sa p p l i c a t i o nt ot h ew e b b a s e di n s t r u c t i o ni s t r i e d a l lt h e s ea i m e da tt h et w og o a l sb e l o w ： 1 s o l vi n gt h e p r o b l e mo f ”m o v e o fb o o k s ”w h i c he x i s t si nc u r r e n t w e b - b a s e di n s t r u c t i o na n dm a k i n gt h e w e b - b a s e di n s t r u c t i o nb e t t e r 2 t h et r a d i t i o n a li n s t r u c t i o nm o d e lo f ”o n ek n i f e sc u t t i n g ”a r ee v o l v e dt o c l a s s i f i e da d v a n c ea n de n t i r ep r o g r e s s ，t h i se v o l v ep r o m o t e ss t u d e n t si nd i f f e r e n t l e v e ls t u d ym o s te f f i c i e n t l yb yt h ew e b b a s e dl e a r n i n gf r o me x a m p l e sa n dt h r o u g h p r o b l e ms o l v i n g ，a n de x e r tt h eg r e a t e s tp o t e n t i a lw i t ht h eb e s ts i t u a t i o n b a s e do nt h ea b o v et w og o a l s ，t h i ss u b j e c td e l v ei n t ot h em o d e lo f t h ew e b b a s e d l e a r n i n g f r o m e x a m p l e s a n d t h r o u g h p r o b l e m s o l v i n g 。 f r o mt h e t 1 a b s t r a e t k n o w l e d g e d a t a b a s e 、s t u d e n t s m o d e l 、t e a c h e r s m o d e la n ds u p p o r t i v es y s t e m t h e s y s t e mm o d e lo ft h ew e b b a s e dl e a r n i n gf r o me x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e m s o l v i n gc o m ei n t ob e i n g o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，a na p p l i e ds y s t e mc a l l e d t h e s t u d yg a r d e n i n go ft h ew e b b a s e dl e a m i n gf r o me x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e m s o l v i n ga r ep u tu pw i t l lc h o o s i n gt h ea l g e b r ai nt h ef i r s t - g r a d ej u n i o rh i g hs c h 0 0 1 【k e y w o r d s 】l e a r n i n g f r o me x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e ms o l v i n g t h e w e b - b a s e dl e a r n i n gf r o me x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e ms o l v i n g ，p r o d u c t i o n r u l e s ，t h ew e b b a s e di n s t r u c t i o n ，t h ek n o w l e d g e d a t a b a s e i i 引言 引言 近年来，现代信息技术在教育中得到了广泛的应用，特别是多媒体技术和网 络技术熊应餍，扩大了教蠢救孵空范固，很多教骞活动开始向网上转移，隧上教 育正穗兴起。但网络教学到底开腱得如何? 效果如何呢? 事实上，目前网校的网 络谋程，内客基本沿曩传统课本，除戴之乡 ，还有大量的试蘧：模拟惩、测试题、 历年考题。假如网络教学仅仅是文字教材翻版的话，我们可以下这样的结论：“网 络教学在这里没毫竹么灏价值”，还不如壹接看书本进行谖糍教学，没有必要投 入那么大的人力、物力柬建设网络教学! 那么，有什么办法解决目前的网络教学只是“爷本搬家”这令闫蔻睨? 豢羞 这一问题，我们开始寻找解决的方法。网络课程为网络教学提供教学内容，是网 络教学中学生最主要积皴壹接浆学习对象，其重要迪位在瓣络教学中不言露瞧。 所以解决“书本搬家”的问题，酋先从网络课程着手。 现行的教孝孝是多年来靛传统课堂教学发展的产物，它楚课堂教学中起着举是 轻重的作用是不可否认的。但是尚教学环境发生了变化时，它并不能发挥着同样 重要体用。网络教学不同予传统酌课堂教学，传统豹课堂教学的对象是班级，焉 网络教学有个别化教学的特色，教学的对象是群体也可以是个体。所以我们应该 掇据嘲络适合个别化学习的特点，对教学肉容重新进行设讨。，拜发遭含网络教学 的网络课程。 开发适露于网络教学的课穗，必须有适当静方法，于是我们考虑将示移l 演练 教学法应用于网络教学，利用示例演练教学法符合学生认知规律和适合不同层次 学生豹两大优点，弥补网络教学中传统教搴孝电子纯、缺乏教学策疆的不是。 示例演练教学，即通过考察有解答步骤的例题和解决问题掌握学科知识，是 中科院心理掰朱新赛教授和美鞫s i m o n 教授合作研究提出的一秘新型教学法。 首先，示例演练教学法是建立在对学习者通过考察例题和解决问题获取知议 的信息加工过程与效果的深入研究基础之的，所以它符合学习者认知特点和信 息加工规律。 其次，示例演练教学法适合不同层次的学生，有利于实现个剐化教学。 众所周知，传统教学环境下的优秀生，往往有“吃不饱”的现象，掌握了老 引言 师讲解的知识后，就开始做小动作、做其他与学习无关的事情，“一刀切”的教 学很大程度抹杀了这部分学生智慧的正常发挥。示例演练教学可以很好地避免这 种情况。优秀生无须等待班级的平均进度，可以按自己的需要和速度，超前学习 新的知识或者补充更多的课外知识。这样，优秀生可以发挥学习积极性，得到充 分的发展。 传统教学中，教师照顾的是班级的整体水平，所以中等生是传统教学中唯一 “吃饱”了的群体。在示例演练教学环境下，中等生仍能按照自己的正常速度进 行学习，将自己的学习能力发挥得最好。 成绩差的学生学习速度比较慢，在传统教学中，跟着教师的进度学习得最累， 也最难取得进步。在示例演练教学环境下，这部分学生按照自己的速度，一步步 地进行学习，虽然学习速度比较缓慢但是总是在进步。对差生来说，哪怕取得 一点点进步，对他们来说都是比较难得，也最能激发其学习积极性的。这样，这 部分学生能够比较容易，而且也可以经常地体验到学习成就感，从而激发学习兴 趣，增强信心，建立起学习欲望，慢慢地成绩就会一步步得到提高。 在示例演练教学环境下，不同层次的学生都以自己最好的状态进行学习，都 能将自己的潜能最大程度地发挥。 由此我1 1 1 t e 常坚信，示例演练教学法非常适合用于设计开发网络课程。 基于以上的思路，本课题对以下几方面展开研究： 1 、深入理解和研究了示例演练教学法的思想、观点和理论 2 、提出将示例演练教学法应用于网络教学，为设计开发网络课程寻找到合 适的方法 3 、提出了网上示例演练教学系统模型 4 、设计开发了网上示例演练教学系统的一个实例 5 、试验研究网上示例演练教学的科学性、有效性 第一章示例演练教学法概述 第一章示例演练教学法概述 随着教学改革的进行，如何变“应试教育”为“素质教育”? 如何变单纯的 “知识输入”为能力培养、智力开发? 这是我国教育目前面临的重大课题。8 0 年代以来，中国科学院心理研究所教授朱新明老师和美国人工智能创始人、当代 认知科学家司马贺( h a s i m o n ) ，对学生通过考察例题和解决问题获取知识的信 息加工过程与效果进行了深入的研究，并在全国部分中学进行试验，取得了明显 的研究成果。 第一节传统教学的不足 在传统的讲解式的教学中，学习材料所包含的知识全由教师直接提供，学生 处于被动接受知识的地位。由于教师的讲解是连续进行的，没有给学生留下思考 的余地。在听讲的过程中，即使学生发现了问题，也没有足够的时间去思考这些 问题，他必须紧跟老师讲课的进度。这些在课堂上发现的问题不得不留到课后去 思考。实际上，学生在传统教学条件下获取知识的过程可以分为两个阶段：首先 是在课堂上对老师讲解的知识进行粗略地理解和记忆；然后在课下通过精细加工 加深理解，并在做大量练习题的过程中逐步发展解决问题的能力。由于这种学习 与反刍动物获得草料营养的过程有些相似，故也称这种学习方式为“反刍学习”。 总的来说，这种接受学习具有被动的、灌注式的特点，它主要有下面的一些 缺点： ( 1 ) 教师的讲解不能有效地适应学生的个别差异。 班级授课制是在工业社会中普及教育、提高教学效率的产物，它忽视了学生 的个别差异。因为教师讲课的内容和速度是与班级学生的整体水平相适应的，很 难考虑到学生之间的个别差异主要表现在知识背景、理解能力、认知策略，以 及认知负荷( c o g n i t i r el o a dt h e o r y ) 2 等方面。而这些个别差异对学生是否能 潘蒇著，敦育- c , f i 学，人民教育m 版扎，1 9 8 3 年版，第3 7 4 3 8 3 页 一dr _ ( j l a h a mc o o p e l ，r e s e a r c h in t oc o g n i t i v el o a dt h e o r ya n di n s t r u c t i o n a d e s i g na tu n s w h t t p ：j j w w a r t s l i n s w e d u a u e d u c a t i o n c h t n e t a u g 一9 7 i t t 、f l ( t 9 9 8 1 2 ) 第一章示例演练教学法概述 够理解教师讲解的内容、紧跟教师的进度至关重要的。从认知负荷的角度考虑， 心理学的很多研究都表明短时记忆容量和注意资源的分配对学生的理解具有重 要的影响。 在任何一个班中，学生之间都存在着个别差异，这一事实是不能回避的。然 而，在课堂教学中，教师只能根据班级的整体水平进行讲解，一般是面向中等程 度的学生进行讲解。在这种情况下，教师的某些针对中等学生的讲解对一部分好 学生来说是冗余信息，而对一部分差学生来说则是听不懂的信息。因此，只有中 程度的学生处在满负荷加工的状态，能够有效地接受教师讲解的内容；对于高容 量的学生来说，就不可避免地进行低负荷的加工，浪费时间；而对于低容量的学 生来说，则进行高负荷的加工，严重阻碍对教师讲解内容的理解。 ( 2 ) 学生不能有效地使用短时记忆容量和认知资源 在基于听讲的接受学习中，学生注意的对象随着教师讲解内容的变化而迅速 地变换，教师发出的连续不断的信息使学生的短时记忆始终处于饱和或超负荷的 状态。这种状态从以下三个方面严重影响了学生获取知识的效果。 首先，教师的讲解是连续的，没有给学生留下足够的时间及时地将短时记忆 中的信息转换到长时记忆中去。随着信息的不断输入，短时记忆已有的信息也不 断地被挤出，造成信息的大量丢失。因此，学生在听完课以后，保存在长时记忆 中的信息很少，不能有效地利用所学的知识解决问题。有些学生直言不讳地说， 他们的大部分知识是在课后自己学的。 其次，有时为了把问题讲清楚，教师对知识的讲解非常详细，这在一定程度 上能够促进学生的理解。但是，这种旁征博引的讲解也可以能会派生出一些“假 目标”，而学生的注意里也就随之转移到这些“假目标”上。一方面，这种对“假 目标”的加工必然要耗费一定的认知资源：另一方面，当教师从派生的问题转移 到主要问题的讲解时，学生可能没有及时地将注意里转移过来，从而影响对主要 问题的加工和理解。 第三，由于学生的认知活动是由教师的讲解内容所控制的，不能根据自己在 学习中遇到的问题灵活地使用短时记忆容量和认知资源。有关基于听讲的接受学 习研究说明：学生的思维活动与教师的讲解的内容同步，学生对教学内容进行一 种机械的复述。学生有时也能够发现有疑问的地方，但由于实际课堂讲解时停顿 第一章示例演练教学法概述 的时间比较短，学生难以在这么短的时间里对这些疑问进行深入地加工。因此， 在接受学习的条件下，学生只能尽快地记忆，尽快地理解，不能主动地将短时记 忆的容量和认知资源分配到有疑问的地方。 ( 3 ) 学生不能有效地借用外部媒介帮助理解 在基于听讲的接受学习中，信息主要是以听觉形式接受的，在对这些信息进 行加工和存贮时，需要将它们全部“保持”在短时记忆中，不能有效地利用外部 媒介( 如纸、黑板等) 帮助存储因此需要较多的认知资源和短时记忆容量。在 听讲的情况下，学生的注意和短时已忆都处于高度的紧张状态中。学生在听课期 间丢失的信息很难收回，只能靠教师的重复来弥补，而教师在课堂上的重复是很 难照顾到每个学生的需要的。当然，教师有时也使用一些图片和形象化的教具来 帮助学生理解，这种视觉信息的使用也是由教师控制的，学生不能根据自己的需 求随时利用这些信息。此外，学生也可以在听讲的过程中适当地作点笔记，但这 与听讲的学习是有冲突的，经常会因为记笔记而影响了对讲解内容的理解。 ( 4 ) 学生易于倦怠 学生在听讲时，长时记忆中的知识不断地被教师讲解的内容所激活，短时记 忆和认知资源既要分配在已经输入和正在输入的信息上，又要分配在已经被激活 或正在被激活的信息上。随着教师讲解内容的继续进行，长时记忆中的知识被激 活和扩散的范围越来越大，兴奋处在一种弥散的状态中。一方面，学生必须将注 意力集中于教师不断发出的信息上；另一方面，学生也要将暂时不能理解的信息 保持在短时记忆中，在适当的时候再进行加工。而短时记忆的容量是有限的，认 知资源在一定的时间内也有限，这种超负荷的信息加工活动很容易引起疲劳。一 般来说，认为教师讲得太难或太易的学生听课最容易倦怠。 由于存在以上缺点，基于听讲的接受学习在获取知识的效率和效果上都不能 满足素质教育的要求。在这种教学方式下，教师和学生加班加点地超负荷工作， 而教学效果不能令人满意。多年来，虽然有很多教学研究人员在教学方式和教学 手段上进行了大量改革，试图在减轻师生负担的前提下提高教学效果。但是，由 于这些教学改革基本上没有触动以教师为中心的传统教学模式，取得的实际效果 甚微。朱新明教授和s i m o e 教授认为，教学改革的较为科学的思路应浚是：首先 要了解学生获取知识的信息加工过程，并根据学生认知过程和特点科学地设计教 第一章示倒演练教学法概述 材和教法，通过启发式的方法弓i 导学生有效地获取知识，发展认知技能。 第二节示例演练教学法简介 示例演练教学法( l e a r n i n gf r o me x a m p l e sa n dt h r o u g hp r o b l e ms o l v i n g ) 是中国科学院心理研究所朱新明教授和现代认知心理学的创始人之一、诺贝尔奖 获得者s i n 教授( 硅a s i m o n ，中文名“司马贺”) ，合作研究提出来的一种 新型教学法。8 0 年代以来，这两位教授等人，深入分析殿试教育和传统填鸭式 教学存在豹润逶，对学生通过考察铡题和解决阔牒获取知识豹信意攘工过穗翻效 果进行了深入的研究。形成了人类知识获取的“条件建构优化理论”；并结 合其他教育学、心理学理论，组织编写了初中数学“示铡演练实验用书”，在全 国部分中学进行实验，取得了明显的效果。 作为一种完整的学习方法，示饲演练学习包括紧密联系的两个方面：一方面 是通过考察有解的例子进行学习，称为“例中学”( l e a r n i n gf r o me x a m p l e s ) ； 一方面是通过解决问题进行的学习，称为“傲中学”( l e a r n i n gb yd o i n g ) 。在 例中学的情况下，有解的例子包含了丰寓的关于新概念和定理的信息，学习者可 以遵遮考察这些例子掌握相应的概念和定理。在徽中学的情况下，学生在额井难 题解决的过程中不断得到及时的反馈，并最终得到正确的解。这个解出来的问题 就构成一个有解豹例予，学生可以通过考察这个铡子学会相应的知识，就像遴过 考察提供给他的例子一样。 从1 9 8 3 年敷来，束新明教授和s i m o n 教授探讨了学生通过考察有解答步骤 的例题和解决问题掌握学科知识的有效性。大量研究结果表明：只要给予有解答 步骤的例题和足够数鬃的闯题( 附答案) ，学生就能根据饲题形成适当的假设， 并在解决问题的过程中不断地得到反馈，从而及时地发现并纠正错误，有效地获 取相应的产生式规尉。示例学习的有效性也得到_ 国外很多研究的支持。综合各 方面的研究结果，示例学习的优越性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 研究表明，利用祥例进行类推对于学，圭的学习是非常重要的，多数学 生倾向于通过考察样例解决问题，而不是求助于规则。因此，示例学习易化了认 知技能的获得。 ( 2 ) 在做中学的情况下，学生往往只能采用逆推分析的方法( 如手段 第一章示例演练教学法概述 目的分析法) 解决问题。这种方法需要较大的认知容量，加重了学习者的认知负 荷，因此常常导致学习的失败。在示例学习中，有解的例题为学生提供了知识建 构框架和问题解决的正确形式，因而可以防止产生不正确的问题解决练习和不正 确联系的学习，能够有效地减轻学习者的认知负荷，提高学习的效率。 ( 3 ) 在一般教科书中，只是给学生呈现很少的例子，因而导致许多学生不 能正确进行归纳。在示例学习中，大量的例子和问题可以帮助学生抽取问题的关 键特征和解题操作，使他们能够较快地掌握所学的知识。研究表明，在示例学习 中学习，学生产生的错误较少。 ( 4 ) 在传统的通过教师讲解的学习模式中，学生处于被动的接受知识的地 位，不能有效地调动学生学习的积极性。而在示例学习中，学生可以通过考察有 解的例题和解决问题主动地获取知识，从而极大地提高了他们的学习积极性。 第三节示例演练教学法的理论基础 l o 年前，当计算机被广泛应用的时候，专家们就进行让计算机具有学习能 力的研究。进行这项研究时，先编制计算机程序( 即所谓的“自适应产生式系统”) ， 使计算机能通过分析已经有解答步骤的例题，从中进行学习，去发现导致成功解 题的“策略”，最后再修改它的程序，以便能执行这些“策略”，去解答类似的各 种问题，计算机的这种学习方式，使专家们产生了在教儿童形成技能方面的一些 新思想，主张不是对儿奄进行讲授，而是给他们呈现例题、问题和答案，供他们 自学。 受这一思想的启发，朱新明教授和s i m o n 教授等人开始对示例演练教学法进 行了l o 多年的协作研究。他们从信息加工的观点出发，探讨了示例学习和问题 求解，研究发展了自适应产生式系统的模型，完善了人对产生式条件认知和构造 有效样例的思想。可以浇，关于示例演练教学法的研究是基于产生式表示，建立 在产生式规则( p r o d u c t i o nr u l e s ) 3 这一概念的基础之上的。因此，下面首先 介绍产生式及产生式系统。 3 求新川、李亦菲酱，架设 - 汁算h l 的桥梁：两蒙的认，o 管理心理学，湖北教育 版社，2 0 0 0 年版 第1 2 0 一1 2 7 贝 第一帮示侧演练救学法概述 一、 翊识的产生式表示 1 、产缴式和自适应产生式系统 产生式这个概念最翠是由e p o s t 在1 9 4 3 年提蹬的，他用串替换规则建立了 一个进行符号串替换操作的计算模型。其中的替换规则就称为产生式，每个产生 式包含一个情境搓述部分彝一个动作部分，可以表示为“情境一一动作”对 ( s i t u a t i o n a c t i o np a i r ) 。产生式是一种以操作为中心的表示法。它可以描述 许多不同类型豹妇识。瑰在，许多人工智能系统采鬟产生式馋为知识表示驰方法。 在问题解决系统中，情境就是问躐状态，动作就是相应的操作，产生式一般被描 述为“状态结论”砖( p r e m i s e c o n c l u s i o np a i r ) 。综合这蘸种情况，人们 一般将产生式描述为“条件动作”对( c o n d i t i o n a c t i o np a i r ) ，解释为： 每当个产生式的条传部分褥至满足，裁执行这个产生式的动作部分。罔来说明 产生式一个简单例子是人们在穿过十字路口时所用到的两祭规则： 艘爨l ：始采是红灯，那么停下寒等。 规则2 ：如果是绿灯，那么穿过马路。 在6 0 年代和7 0 年代早龌，产生式主要用来表示解决语义贫乏领域闯题携过 程性知识，由此建构的计算机程序( 称为产生式系统) 成功地模拟了人的问题解 决杼为。姨7 0 年代中期以来，产生式被越来越多她两于语义丰富领域问题( 如 代数、物理) 的过程性知识，并建构了具霄学习功能的计算机程序。沃特曼首先 提出了“叁适产生式系统”( a d a p t i r ep r o d u c t i o ns y s t e m ) 概念，从恧为从信 息加工的角度研究和模拟人的学习提供了新的视角。所谓自适应产生式系统，就 是一种计算机程序，这种程序能够在问题解决匏过程中建构薪静产生式规剐，莽 把这些规则加到它的“记忆”中去，从而能更加有效地解决问题。因此，如果一 个产生式系统只能解决浆些特定雏阉题，没有学习豹功能，则这个产生式系统被 称为“固定的产生式系统”( f i x e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) ；相反，如果一个产生 式系统能透过残察例题或解决问题获取蓊豹产生式，从而扩大能解决问题数藏圈 或提高解决问题的效率，则这个产生式系统被称为“自适应的产生式系统”。 1 9 7 8 年，尼维斯将囱适应系统的观点用于磺究学秘翔谈豹自逶应学习，谴 建构了一个通过例中学和做中学掌握一元一次方程解法的计算机程序，这一程序 第一章示例满练教学法 氍述 可以通过分柝有解答步骤的例题发现能成功解题的规则，并修改程序来执行这些 规则解决类似的各种阀题。 计算机能进行示例学习，那么人是不是也能这样学习昵? 如果可以的话，这 种方法的效果如何，它的信息加工过程又是怎榉的昵? 2 、产生式表示 8 0 年代初期，美国著名认知科学家司马贺访问我国，带来了现代认知科学 的新思想信息加工理论。其中关于人类问题解决4 和学习的一个重要思想是： 特定领域中问题解决的知识可以表示为一系列的产生式，只要获驭了这些产生 式，举习者( 或计算机) 就能够解决这一领域中的问题。司马贺指出：从物理学 问题的实验来看，在教科书的一章中所传授的知识似乎只有大约十几个产生式。 根据这一结论，可以作出这样的推算：掌握- - f l 学科中的知识等于掌握几百个产 生式。 二、知识获取的“条件建构优化理论” 嚣翦，认知心理学对陈述拣知识和过程性知识的区分曩经在教商实践中被广 泛接受。陈述性知识是关于“是什么? ”的知识，教科书中的事实、概念和定理 就是典型豹陈述性知议：而过程性知识是关于“如鹰骰? ”的知识，主要表现为 问题解决的技能。在心理学的研究中，陈述性知识用命题表示，过程性知识用产 生式表示。 在传统的教学法中，学生被看成是一个知识的“存储器”，教师的任务就是 通过课堂讲解传授知识。根据这种教学模式，学生的学习过程是先获褥陈述性知 识，然后通过大量的练习利用这些知识解决具体问题。以安德森为代表的一些心 理学家认为，学生在平习冈陈述性知识解决闫题时，会逐步将这些陈述性知识转化 为过程性知识，从而提高解决问题的自动化程度。而大量关于示例学习的研究结 果表瞬，被试者可以赢接双有解的铆题中获得过程性知识，不需要经过陈述饿知 识的阶段。因此，可以将学生理解为一个自适应的产生式系统，强调通过获取过 4 皮连生、l ：小l 叭i 映学岳，现心认知学习心理学打开有放学习之门的钳匙，警官教育m 版 l ：，1 9 9 8 年叛，第2 0 0 2 2 3 受 9 第一章示倒演练救学法概述 程性知识来发展学生的认知技能。 为了阐述人通过示例学习获取知识的心理过程，朱新明教授等提出了知识获 取的“条件建构优化理论”( t h e o r yo fc o n s t r u c t i n ga n de l a b o r a t i n go f c o n d i t i o n ) 。这一理论魁建立在将知识表示为产生式的基础之上的，强调通过加 强对产生式条件的学习促进人的知识获取，进而墙养顺向携理的问题解决技能。 它主要包含以下三个理点：( 1 ) 将知识统一地表示为产生式：( 2 ) 加强对产生式 条件的学习：( 3 ) 通过条件建构和条件优化直接获取产生式。 1 、将知谖统一地表示为产生式 知识是以什么样的形式存储在人脑中呢? 朱新明教授和s i m o n 教授认为知 识是以产生式的形式存储的。知识在人的记忆中楚以符号之间的联结关系存储 的，可以抽象地表示为“如果则”的形式的产生式，在人脑中不存在以 命题形式表示的知识：从外部表示的角度来看，人的知识既可以用不同的形式表 示出柬( 如：言语陈述的形式、图示的形式) ，也可以蕴含在各种实例或解决额 外难题的行为中而不被表示出来。 对人类专家问题解决行为的研究为产生式表示的心理现实性提供了实验证 据。s i m o n 教授等发现，专家在解决熟悉的特定领域问题时，往往怒从问题陈述 的已知量中往前推，通过分柝已有的信息列出方稷，知道闯题解决，表现为一种 通过模式辨认的问题解决策略。这种现象引起了研究者的极大兴趣，并提出各种 解释。s i m o n 教授认为，专家之所以能够很快地解决闭题，是因为他能够准确地 再认熟悉的组块，然后据此在长时记忆中提取相应的知识解决问题。g r e e n o 指 出，人的问题解决技能必须以模式识别、命题和策略等方颟的知识为基础，并强 调要教给学生解题策略方面的知识。l a r k i n 等也认为，专家解决问题要依靠丰 富的特定领域知识，而且这些知识必须商大量的模式作为索弓l 。 1 9 8 3 年，朱新明教授等研究了初中生解决几何问题的思维过程，所用的方 法是要求被试嚣在解决几俺闽题肘出声想，并搜集和分析他们解题时的口语奉孝 料。研究发现：被试者在解几何题的过程中，首先对问题中的图形模式进行识别 和归类，如果糍够扶问题情境中讵确辨认如符合解题目标的图形模式，就能唤起 与解题有关的几何知识，并利用这些知识解决问题；否则，就重新进行模式辨认， 直至目题被解决。 o 第一精示例演练救学法概述 例如，让学生解以下这个题目： 已知一个平行四边形a b c d ，荩对角线a c 和8 d 相交于0 ，e 、f 、g 、h 分别 是a o 、b o 、c 0 、d o 的中点，求证e f g h 也是一个平行四边形。( 见图卜3 一1 ) 谯这个问题中有一个基本的几何图形模式( 见图卜3 2 ) 这个几何图形模 式主要涉及到两个定理：( 1 ) 平行四边形的性质定理，即如果a b c d 是平行羽边 形，那么它的两条对危线a c 和b d 相互平分：( 2 ) 平行四边形的判宠定理，即如 果四边形a b c d 的两条对角线a c 和印相飘平分，那么这个四边形就是平行圈边 形。完成这道几f 可证明服的关键在于再认这个基本模式，从而即或期应的定瑷得 到问题的解。 形。 图卜3 一l 几鼹证明题图1 3 - 2 基本的几何潮形模式 做以上几何题，思路是这样的： 1 ) b o 簿于d 0 ； 2 ) a o 等于c o ； 3 ) 所以e o 等于o g ； 4 ) 鼹以h o 等于o f ： 5 ) e f g h 是一个平行四边形，因为对角线相互平分的四边形是平行四边 第一章示例演练教学法概述 证明这道几何题的闻题解决行为图( 见图1 - 3 3 ) 如下： 图1 - 3 - 3 闽题解决行为蛰 ( p e f i 、p e f 2 、p e f 3 、p e f 4 表示执行产生式的动作) 有关的产，主式有： p l ：如采a b c d 是平彳亍四边形，那么它的辩边相等，郄b c = a d ，c d = 船； p 2 ：如果a b c d 是平行四边形，那么它的两条对角线a c 和b d 相互平分，即a o = c o ，d o = b o ： p 3 ：如果两条线段是另外两条相等线段的一半，那么这两条线段也相等，即e o = o g ，f o = o h ： p 4 ：如果四边形e f g h 的两条对角线a c 和b d 相互平分，那么e f g h 是平行四边形； 有关解决闻题的研究得出如下两个结论： ( 1 ) 被试者的问题解决就是从问题的已知条件出发，通过一系列的中间环 节，敏后得到问题隶解强标豹过程。问题的已知条件是问题的初始状态，求解目 标是问题的目标状态，而解决问题时所缀过的各种中间环节就是问题的中间状 态。这些不同的状态一起构成了所谓豹问题空间，而问题髂决的行为就可戳描述 为在问题空间中进行搜索，以找到一条从问题的初始状态到达目标状态的通路。 ( 2 ) 在解决阔题的对候，被试者先要识别闯趣中的几何圈象( 可以理解为 条件模式) ，然后激活相应的产生式规则，通过执行产生式的动作解决问题。这 种基于条件模式再认的问题解决往往包含提出和检验假设的过程。 产生式表示的心理现实性也得到记忆研究的支持。关于人类专家 己忆的研究 第一章示例演练教学法概述 表明，专家在获得某一特定领域的认知技能的过程中，他们一觳帮稠用了一些习 得的提取结构( r e t r i e v a ls t r u c t u r e ) 。这些提取结构是专家积累经验的重要组 成部分，它们与语义记忆中的信息其有密切的关系。虽然提取结构在不同的鞭竣 ( 如心算、医疗诊断、棋类) 中具有不同的表现形式，但它们都使得各自领域的 专家表现出很强的记忆能力。例如：在一个特定领域的刺激物短暂地呈现后，专 家往往能够记住大量的信息。 朱新明教授等认为，在知识获取和技镜发展的过程中，入不但积累了用于记 忆的提取结构，而且积累了用于问题解决的提取结构。用予记忆的提取结构是一 种高度组织化事实框架，它使入能够从复杂的刺激中有组织地提取有关信息，可 以理解为一种过程性知识，表示为产生式是“刺激模式 提取结构”。而用于 问题解决的提取结构则是决定什么操作将被执行的条件模式，是一种典型的过程 性知谈，表示为产生式是“提取结构 操作”。因此，这两种提取结构都可以 理解为过程性知识，并袭示为产生式。 根据这一观点，包括概念、原则、程序和事实的学科知识可以统一地表豕为 产生式。一个人掌握了菜一学科的知识，就意味着他在记忆中存储了大量表示这 一学科中的概念、原则、程序和攀实的产生式，表现为他能够在有关的情境中注 意到这些产生式的条件，一旦某个条件被满足，就会激活相应的动作。“条件一 一建构优化理论”的一个重要观点就是：特定领域的知识可以表征为一系列的产 生式规则，只娶获取这煦产生式规则，也就相应地掌握了所学的知识。 例如：解一元一次方程9 x + 1 7 = 6 x + 2 3 解这个方程的过程肖以下几个步骤： 1 ) 从方程两边都减去6 x ； 2 ) 从方程两边都减去1 7 ； 3 ) 方程两边都除戬3 ； 4 ) 得到方程的解。 9 x 十1 7 = 6 x 十2 3 3 x 十1 7 = 2 3 3 x = 6 x = 2 第一章示例演练教学法概述 羽产生式规到来表示就是： p p l ：如果方程右边有带x 的项a x ，那么在两边同时减去a x ； p p 2 ：如果方程的左边脊常数n ，那么在两边同对减去n ； p p 3 ：如果方程化简为“a x = n ”( a 不等于0 ) 的形式，那么在两边都除以a ： p p 4 ：翔采方程化简为“x = k ”的形式，那么解趱结束，得到方程的解为k ； 这四条产缴式表明了解决一元一次方程所采取的解题操作和这些操作执行 的条件。s i m o n 认为，当一个学嫩学会解这类方程的时候，就意味着他在记忆中 存储了上面的产生式规则，他能够注意有关的条件，一旦这些条件被满足，他就 会采取相应的搡作。因此，产生式规则的获取使学习者发展如一种由条件识别触 发相成的操作的问题解决技能，这是一种凭“直觉”或“灵感”解决问题的技能。 2 、通过条件建构和条件优化获取产生式 在通过示铡演练学习获敬产生式瓶翻的信息加工过程中，学生罄先通过考察 例题和解决问题寻找关键线索，并利用这然线索形成产生式的条件部分，与相应 的动 管结合戎产生式观尉：然蠹，在解决蠲题的过程中，遴过对条件的精细拥工 逐步修改和完善所获得的产生式。前一阶段称为“条件建构”( c o n s t r u c t i n go f c o n d i t i o n ) ，话一个除段称为“条件优佬”( e l a b o r a t i n go fc o n d i t i o n ) 。条件 建构使学生由“不会”到“会”，条件优化使学生由“会”到“熟练”。 4 第一章示例演练教学法概述 根据这一分析，得出学生通过示例学习获取产生式规则的信息加工过程i 示 意图( 见图卜3 4 ) ： 图1 - 3 4 示例演练学习的信息加工过程示意图 根据上图描述的信息加工过程，示例学习包括考察例题的过程和解决问题的 过程，它们分别由实例和问题这两种不同的输入激活。在输入实例的情况下，被 试者首先对例题进行分解，获得一系列的“事实产生式”( 即包含条件线索与操 作的具体事实) ，这些