把“概念图”作为认知学习和认知评价的工具

第三节　把“概念图”作为认知学习和认知评价的工具

辩证唯物主义的系统观认为，对于由若干个要素组成的相互联系构成的系统，其结构就是要素在整体水平上的相互联系和相互作用状况的总体反映，是系统内部相容关系的反映。结构决定系统的功能并制约其功能发挥的程度。相应地，一门学科课程应该有一个完整的知识系统，那么它的结构就是决定和制约学科课程的基本因素。而教学的目的就在于把这样一种相对最优的知识结构传授给学生。

一、研究概述

随着认知科学的进一步发展，它对教育工作的意义越来越重大，近年来的研究成果和所形成的理论，迫使认知科学考虑一种整合的方式，即以知识和技能结构为背景，着重考察认知过程，认为特定领域的知识本身是心理发展中十分重要的一个方面，认为这种知识的变化是学生解决问题能力变化的基础。这也影响到专家系统和人工智能的研究工作：过去为了寻求问题的答案多偏重于纯粹的“解决问题的技巧和方法”，现在则转为着重探讨特定领域的知识结构。基于这样一种认识，现行的教学理论和学习理论也发生了相应的变化，人们不再把学生的成绩不佳只归因于学生缺乏思维和推理能力，而是注重教师是否帮助学生获得它们所缺乏的具体领域的知识。

1972年美国斯坦福大学的沙尔温教授⁽⁹⁾针对如何在教学实践中利用学科知识结构帮助学生获得具体领域的知识方面进行了实验研究。他在1972年发表的《物理教学中内容结构和认知结构对应的因素》一文通过教学实验得出结论：学生的认知结构通过教学以后非常接近于学科的内容结构。这就为布鲁纳的结构主义教学论的实施提供了心理学基础。他于1974年发表的《再现学生记忆中的学科知识结构的方法》一文提供了以心理学为基础的教学观和教学信息处理方法。

1986年，Geogre N.Dickhoff和Karen Bembry Dickhoffza⁽¹⁰⁾在R.J.Shavelson教授工作的基础上，进一步提出利用认知地图作为传授结构性知识的工具，并对此进行了教学实验。结构主义教学论的思想对教学系统设计的影响，始于1970年的学者计划（scholar project）。这个系统设想了人的记忆中可能存在的知识组织的理想模型，把所要传授的课程领域的知识，用一个语义网络来代表，学生向这个模型提问，从而系统获取学生错误知识的信息，这些错误反映了学生的知识结构与理想的结构之间的差异。该系统包括对错误的诊断和纠正方法，促使学生在被提问时做出符合理性模型的答案。

二、研究的基本假设

本项研究的基本假设是建立在以上论述的理论基础上，认为概念图（concept map）是一种用图表组织和阐述表达知识的工具，也是一种知识结构的表现方式，是语义网络的可视化表示。其基本方法是：概念用节点（nodes）表示，概念间的关系用节点间的连线（links）表示，知识则被看作是由各种概念和这些概念所形成的各种关系。因此概念图就包括概念及概念的连接两大部分。

任何一对结点之间可以有无数多种联系，这里我们将网络中的联系划分为两类，一类是我们在认知结构表征图上出现的结点之间的逻辑关系，这是学科内容的逻辑结构在学生认知结构中的反映；另一类是被压缩在结点内的各种知识要素之间的关系，这种关系虽然未在表征图出现，但它们的确存在，他们决定学生对概念、规则等的理解水平，也影响学生对结点间逻辑关系的理解。

根据这样的认识，模型中结点代表组成某门学科知识结构的基本概念、术语、基本原理；连接结点的连线长度，代表结点间语义距离的远近。如何确定这种语义距离呢？通过构造“认知树”就可以确定。利用认知树的方法，实际上是把媒介真实折射到主观真实里边的影子具体描绘出来，方法如下：

例如：有A、B、C、D、E、F六个概念结点，经过认真阅读，我认为C与D之间的联系程度在所有的概念结点中最紧密，则在空白纸上写下来，标记C、D，谓种树。

在剩余的概念结点A，B，E，F中，A与E的联系程度大于A、E分别与C、D的联系程度，连接A与E，谓种一棵新树。

图10-2　认知树

注意：1.每个概念结点只能被选一次。

2.连接概念结点的线数不能超过N－1条。

3.构造的认知树不能形成循环。

在剩余的概念结点中，D与E的联系程度大于其他概念结点联系的程度，连接D、E，标明顺序数，这称为两棵树的连接。

F与B的联系程度大于F与A、C的联系程度，连接F、B，标明顺序数，称为种树。

F与A的联系程度大于F与C的联系程度，连接F、A，标明顺序数，这称为两棵树的连接。

至此六个概念结点已全被选过，共用了5条线，如图10-2所示。构造认知树的详细方法可以参见图10-3。

图10-3　“认知树”的构造流程

这时概念结点之间的语义距离就是“认知树”中概念结点之间的序数和，如C、E之间的语义距离为1＋3＝4；由此构成一个N×N的语义距离矩阵。如上例的语义距离矩阵，见表10-1。

表10-1　语义距离矩阵

然后利用多元统计的方法进行处理，得到一张反映测量者对该部分内容了解的“概念地图”。

由于我们要通过一种科学的方法，把人的内部心理特征，直观地用二维透视图表示出来，因此我们必须作如下假设：存在一个被试的心理空间与我们所关心的客体的集合相对应，客体集合中的每一点都与心理空间的某一点相对应。若记客体集合为I，心理空间为X，那么我们利用多元统计分析的方法处理，实际就是确定I与X的对应关系，即：

I＝Ψ[X]

三、实验研究的基本步骤

选择的课程内容是尹俊华主编的《教育技术学导论》（北京师范大学出版社1992版）第三、四章的内容。

测量的对象：北京师范大学教育技术专业本科的学生，共计72人。

测量背景：在两章学完以后立即进行，没有复习。

测量的方法：构造认知树。

测量的步骤：一章作为一个单元。两章各选了12个基本的概念术语。

其中第三章我们选取了教师与学校中心系统、教学评定、个别指导、教学目标、凯勒计划、学习目标、资源、学习策略、教学系统、教学策略、学生中心系统、教师。

第四章我们选取了认知领域、行为目标、学习目标、教学目标、情感领域、加涅、教学设计、布鲁姆、智力技能、教学目的、学习条件、态度。

学生的每一份答卷都是学生当时头脑中该部分内容的知识结构的全面而详细的记录。在这些材料中可以很方便地查到学生对于概念、术语、基本原理、基本规律等内容的理解程度，以及对于事物之间相互联系的认识缺陷。通过数据处理，可以很直观地看出学生的知识结构及其相互之间的差异以及与理想的知识结构，比如说教师的知识结构的差异。这些信息一方面可以帮助教师了解学生知识掌握的情况；另一方面教师可以把这种可视化工具转化为传播结构性知识的工具，同时也为学生的认知结构的变化与学习成绩的相关研究提供了丰富的资料。

72个学生构造的语义关系矩阵当中，其中有66个有效。我们把从每个学生构造的认知树中取出的数据，利用一元统计的方法进行处理，最后得到一个全班学生的平均语义距离矩阵。然后利用多元统计分析的方法进行处理，最后得到一张反映全体学生的知识掌握情况的“认知图”。

四、结果分析

1.“第三章”结果分析

“第三章”结果分析，见表10-2。

表10-2　“第三章”结果分析

学生对于第三章的知识结构的掌握情况可以从形成的三个主成分轴上观察到，其中与第一主成分轴相关系数较大的概念术语有：教师与学校中心系统、教师、教学策略、教学目标、教学评定、教学系统；与第二个主成分轴相关系数较大的有：学生中心系统、资源、个别指导、凯勒计划；与第三主成分轴相关系数比较大的概念术语有：学习目标、学习策略。根据分析，这些术语基本上形成了三簇，从所形成的三簇术语看，学生基本上认为这一章的知识结构是由两条线索组成的：一条是以教师与学校为中心；一条是以学生为中心，如图10-4所示。另外，我们还可以从概念簇之间的相对位置来讨论学生的认知结构问题。从主成分分析的二维投视图我们发现，簇1离簇3的位置相对于簇2离簇3的位置要远，也就是说学生认为以教师和学校为中心的系统和以学生为中心的系统相比对簇3的影响要小，因为两者之间的语义距离长。也就是说，在这种系统中站在学生的角度考虑学习策略和学习目标的机会要比在以学生为中心的系统中的机会小。但是簇3又是单独分离出来的，说明不论哪个教学系统，它归根结底是要落实在学生的学习上的。

图10-4　“第三章”概念簇

其中我们以“资源”这个概念为例，我们发现，它与簇1的语义距离大于与簇2的距离，这说明学生认为“资源”这个概念在以学生为中心的系统中的重要性要大于以教师与学校为中心的系统。但是不论哪一个教学系统，教学与学习资源都是必须具备的条件。

2.“第四章”结果分析

结果分析见表10-3。

表10-3　“第四章”结果分析

从表10-3中可以看出，基本上形成了三个概念结点簇：其中簇1是由认知领域、情感领域、态度、智力技能、布鲁姆组成；簇2是由行为目标、教学目标、教学目的组成；簇3是由加涅、学习目标、学习条件、教学设计组成，见图10-5。取特征根值大于1的主成分，最后形成一个由三个主成分轴形成的空间。三个主成分轴分别是：簇1是由布鲁姆、认知领域、智力技能、情感领域、态度组成；簇2是由教学目标、教学目的组成；簇3是由加涅、学习目标、学习条件、教学设计组成。根据主成分分析的二维投视图，我们发现加涅和布鲁姆分别位于第一主成分轴的两端，而且包含布鲁姆的概念结点簇1与簇2的语义距离要比包含加涅的簇3与簇2的距离短得多，按照认知心理学的解释，可以认为这两者之间的联系更紧密一些。从这一点可以看出，被观察者已经意识到了加涅和布鲁姆实际上是代表着两种不同的教学目标分类理论，布鲁姆比较强调外在的行为，而加涅则更注重学习的内部心理过程以及相对应的学习条件。

图10-5　“第四章”概念簇

奥苏伯尔认为，个体的知识结构是教材结构的反映。《教育技术学导论》教材的结构，按照我们的理解，实际上是以教学目标和教学设计为线索展开的，通过讨论教学设计与教学目标的关系，介绍布鲁姆和加涅的两种教育目标分类理论，引导学生认识这两种目标分类理论的区别和差异。

教学设计与加涅、学习条件、学习目标紧紧围绕在一起，这可能是因为加涅的著作《学习条件》的影响，这种结构方式同时也检验了学生对于教学设计这个概念的理解程度。教学设计就是根据学习目标为学生设计合适的学习条件；这说明学生对此的理解是正确的，但是由于学生过分地注意到了这一点，把本应属于加涅目标分类理论的内容——智力技能也归到布鲁姆的分类理论里边去了，这说明两种分类理论确实存在着重叠，例如智力技能和认知领域。

以上的测量结果分析，揭示了“第四章”在学生内部的心理结构，那么这种内部的心理结构是不是会对学生的学习成绩产生影响呢？也就是说学生会不会有和内部心理结构相对应的外在表现呢？在学期期终考试中，我们专门设计了一道简答题：“简述布鲁姆与加涅的目标分类理论并分析他们之间的差异。”选答此题的学生有49人，其中有40人明确指出，布鲁姆的目标分类理论，是把目标要达到的行为放在一种不同领域的层次结构的框架中，把目标分类与教学评价结合起来；而加涅的目标分类是把学习过程与教学过程，学习结果与教学目标结合起来，着重揭示达到目标的学习和教学的内在机制，两者基本上站在不同的角度进行目标分类。两者之间既有共同点，又有显著的差异，持这种观点的学生占选答此题学生数的81%。这一事实说明，有什么样的认知结构就会有什么样的外在认知反映，也就是说学生对问题的回答反映了他的内部知识结构状况。

五、讨论

布鲁纳的学科结构论思想实际上代表了他对教学过程的一种理解和认识，他的指导思想是要为学生建构一个良好的知识结构。但是在实践操作中，如何把体现在课程中的学科知识结构描述出来？如何让教师按照一种知识结构的思想来实施教学？如何让学生把自己建构的知识结构描述出来？利用构造认知树的方法可以说是提供了一个途径，这种方法不但可以作为学生学习的一种认知工具，同时也可以作为教师进行教学评价的方法。

【注释】

(1)葛道凯：《高等教育信息化的建设与应用》，《中国高等教育》2004年第10期。

(2)王坦：《论合作学习的理论基础》，《教学评论》1994年第4期。

(3)R.E.斯莱文：《合作学习与学业成绩：六种理论观点》，王红宇译，《外国教育资料》1993年第1期。

(4)何克抗：《建构主义——高校革新传统教学的理论基础》，《电化教育研究》1997年第3、4期。

(5)J.Roschelle.Keynote Paper：Unlocking the Learning Value of Wireless Mobile Devices，Journal of Computer Assisted Learning，2003，19，pp.260-272.

(6)Denis Newman.Space and Time on the Local Network...and Beyond，Proceeding of the Conference on Computer Supported Collaborative Learning，1995.

(7)James A.Levin.Education on The Networks of Today and Tomorrow：The Integration of Computer Supported Cooperative Learning and Work，Proceeding of the Conference on Computer Supported Collaborative Learning，1995.

(8)　转引自李永健、何克抗：《认知工具——一种以多媒体计算机为基础的学习环境教学设计的新思路》，《北京师范大学学报（社科版）》1997年第2期。②转引自李永健、何克抗：《认知工具——一种以多媒体计算机为基础的学习环境教学设计的新思路》，《北京师范大学学报（社科版）》1997年第2期。

(9)R.J.Shavelson.Some Aspect of the Correspondence between Content Structure and Cognitive Structure in Physics Instruction.Journal of Educational Psychology，1972，63（3）：225-234. R.J.Shavelson.Methods for Examining Representations of Subject Mater Structure in Student Memory.Journal of Research in Science Teaching，1974，11（3）：231-239.

(10)George M.Diskhoff.Cognitive Maps as a Tool in Communicating Structural Knowledge. Educational Technology，1982，22（4）：28-30.