學習科學視域下的案例推理學習設計研究*

黃 璐 章蘇靜

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學習科學視域下的案例推理學習設計研究*

黃 璐1章蘇靜2

（1．浙江樹人大學信息科技學院，浙江杭州 310015；2．杭州師范大學教育學院，浙江杭州 310036）

學習科學視域下的案例推理機制為案例教學帶來了新的行動方向，其核心思想是“類似的問題有類似的解決方案”。文章通過梳理五種案例推理認知模型后，建構了案例推理學習模型，研發(fā)了基于案例推理的學習模型以及供學習者自主學習的游戲化學習平臺。學習結果分析表明，基于案例推理的學習模型是以學習者為中心，關注學習過程，可以促進學習者主動推理反思，實現(xiàn)知識遷移，探索復雜多變的現(xiàn)實問題的解決方法。

案例推理；學習科學；學習過程；案例教學

引言

案例作為一種隱性知識體現(xiàn)了人們的實踐經(jīng)驗，被廣泛地應用于教學中，讓學習者沉浸在真實、有意義的學習體驗中，達到以“例”明“理”的目的。案例如同一個個被存儲在大腦中的故事，不斷地被檢索和利用，從這個角度來說，案例教學不僅是一種教學方法，更是一種對人類思維習慣的組織和陳述。在教學中，教師一般會按照知識表述的邏輯去講解案例，而不是依照學生發(fā)現(xiàn)問題的思維把知識打散，更難以用一個個真實有趣的案例任務將這些知識進行重組。同時，現(xiàn)實問題一般都比較復雜、多變、界定含糊，如果通過一般的案例教學來解決復雜問題時顯然勢單力薄。因此，探索符合學習者邏輯思維和解決復雜問題的方法顯得很有必要。案例推理機制是模仿人類專家解決復雜問題的認知過程來建立問題解決模式[1]，從而解決復雜多變的現(xiàn)實問題。據(jù)此，本研究認為將案例推理機制應用到教學中，可以使學習者通過相關案例的經(jīng)驗來解決學習問題，避免單純的案例模仿和現(xiàn)實知識遷移?；诖耍疚耐ㄟ^對五種案例推理認知模型的梳理，設計了基于案例推理的學習模型及游戲化學習平臺，學習者可以在此平臺上自主探究、推理反思，從而掌握知識和技能。

一案例推理認知模型

基于案例的推理（Case-based Reasoning，CBR）始于20世紀70年代，美國耶魯大學的羅杰·尚克（Roger Schank）等從觀察人們理解日常用語的方式中發(fā)現(xiàn)了類似圖式（Scheme-like）的知識結構，這些知識結構可以通過推理的過程產(chǎn)生[2]。目前對案例推理比較統(tǒng)一的認識是，它是區(qū)別于基于規(guī)則推理的模式，核心思想是利用過去解決問題的經(jīng)驗來解決新問題[3]。在學習科學視域里，基于案例的推理被認為是對認知表征、問題解決和思維等研究的重要內容，國內外的學者們將CBR作為一種認知理論應用到教育中，認為可從新的教學方法、案例庫設計、學習經(jīng)驗的反思和表達三個方面提升學習效果[4]。

為了了解案例推理的發(fā)展脈絡并指導教育教學活動，本研究對已有的案例推理認知模型進行了梳理。主要包含以下五種：Aamodt & Plaza、Allen、Hunt、Kolodner & Leake、GavinFinnie & SunZhaohao，它們的核心內容如表1所示。

表1 五種案例推理模型的核心內容[5][6][7][8][9]

從表1可見，五種案例推理的核心內容基本相似，都采取類似人類專家回憶與當前問題相類似的問題處理方式，并適當修改解決方案來處理新問題，他們都重視案例庫的建設、檢索以及更新。但他們在案例推理過程中有所側重，如Allen & Kolodner、Leake注重案例檢索前的描述和回憶；而在區(qū)分知識系統(tǒng)、檢索效率方面，Gavin Finnie & SunZhaohao的R5模型更為專注。

二基于案例推理的學習模型及學習平臺設計

通過對五種案例推理認知模型的分析后發(fā)現(xiàn)，在教學中可以利用相關教學案例的經(jīng)驗來學習相似的案例并實現(xiàn)知識遷移，但還需考慮教學層面的問題：①在初學者對課程知識了解甚少的情況下，如果沒有前導知識和案例初步分析，如何檢索案例會成為最棘手的問題。②學習者搜索到相似案例后，如果對相關案例的學習不夠深入，總結的解決方案不夠完善，那么新案例也就無從下手。因此，本研究在Aamodt & Plaza的R4模型的基礎上，結合“Flash動畫制作”這門課程的特點和教學規(guī)律，設計了基于案例推理的學習模型，主要有案例審查與分析、檢索案例、重用案例、指導實驗和存儲案例等五個階段，其學習模型及學習平臺設計如圖1所示。

1 新案例審查與分析

這個階段也是學習的啟動階段，起引起學生注意和交代學習目標的作用。當學習者遇到一個新問題時，為了有效完成檢索工作，可先在學習平臺的“知識列表”中對相關的知識進行了解，查看該案例歸屬哪個章節(jié)知識，了解該章節(jié)基本信息，做到有的放矢。

圖1 基于案例推理的學習模型及學習平臺

2 檢索案例

該階段是學習的展開階段，也是重要階段。學習者通過對新案例知識點的審查與分析后，大致知道了新案例的關鍵信息，在搜索引擎中填入關鍵詞搜索相似案例，檢索到相似案例后進行深入學習。為了適應學習者的學習習慣，學習平臺提供了兩種學習模式：自主探究模式和程序學習模式，學習者可以自選或依次進行相似案例的學習。

3 重用案例

學習者深入學習相關案例后，完成相關案例的驗證實驗和鞏固練習。學習者可以結合學習平臺上專家總結版塊提供的知識點總結、制作技巧總結、素材和自己學習相關案例后的經(jīng)驗，總結出相關案例的知識體系和操作技能，討論新案例的解決方法。

4 指導實驗

學習者用案例的解決方法來指導新案例的實驗操作，如果是綜合性或設計性實驗則需要多個案例解決方案組合完成。重用案例和指導實驗這兩個過程是學習的結束階段，也是學習提升階段，實現(xiàn)了知識遷移。

5 存儲案例

學習者可以將自己完成的實驗作品、綜合實驗作品、設計性實驗作品或競賽作品等上傳到教學案例庫中。游戲化的沖關測驗還包含復習舊知、沖關測驗、師生/生生在線交互等功能，可以實現(xiàn)學習評價和反饋，了解學習者的學習狀態(tài)和學習效果。

三基于案例推理的學習過程設計

本研究以“Flash動畫制作”這門課程為例，將教學內容按從易到難的順序分為九個章節(jié)，筆者選擇了重點章節(jié)第三章“利用動畫技術制作動態(tài)課件”中“波的衍射”作為相似案例來闡述基于案例推理的學習過程設計。本次學習主要有課外和課內兩個部分——在課外，學習者在學習平臺上深入自主學習“波的衍射”相關案例并搜集素材，內容有相似案例描述、相似案例展示、相似案例分析、相似案例推理、相似案例鞏固和了解更多相關案例等；在課內，首先驗證“波的衍射”實驗，然后小組討論新案例“認識橢圓”或“氧氣實驗室制作”的制作方案，最后將制作好的新案例存儲在案例庫中。具體學習過程流程如圖2所示。

圖2 學習過程流程圖

1 案例審查與分析“遮罩層”基礎知識

學習者了解本次學習任務后，課外登陸學習平臺主頁，如果是初次學習，點擊“是”后將模擬Flash CS3的界面環(huán)境進行交互式認識。進入“知識列表”模塊后，選擇第三章第五節(jié)遮罩層的相關內容，對知識點進行了解，分析遮罩層的知識結構，這對相關案例“波的衍射”進行快速準確的檢索起到了重要的作用。操作界面如圖3所示。

圖3 審查與分析遮罩層等知識點

圖4 “波的衍射”相關案例檢索

2 檢索相似案例“波的衍射”

學習者在審查與分析遮罩層、交互控制等相關知識點以后，單擊“案例推理”模塊，可以從“難易程度/所屬學科/教學順序/推薦指數(shù)”四種檢索方式中選擇一種方式，再選擇“波的衍射”這個案例，選擇后會有該案例的簡要介紹，操作界面如圖4所示。選擇自主學習模式或程序學習模式進入“波的衍射”案例推理學習，分為相似案例描述、相似案例展示、相似案例分析、相似案例推理、相似案例鞏固和了解更多相關案例等六個步驟。其中，相似案例推理是重難點，它將案例知識脈絡設計成邏輯推理，學習者參照思維導圖的模式和六個子步驟的提示依次進行思考。對相關案例自主學習是整個學習過程的重點，它為課堂小組合作學習奠定了基礎。界面如圖5所示。

圖5 “波的衍射”案例推理過程

圖6 新案例的儲存

3 重用案例討論新案例制作方案

學習者在課外完成自主學習后，課內將有一節(jié)課的時間完成相關案例“波的衍射”的驗證實驗、知識鞏固練習和知識總結。其中，知識總結可以單擊“專家總結”模塊，查看“波的衍射”知識體系和制作技巧進行總結反思，教師進行個別輔導。第二節(jié)課教師布置新案例“認識橢圓”或“氧氣實驗室制作”的學習任務，學習者將有5分鐘進行小組討論新案例的制作方案。

4 指導新案例的實驗

小組討論新案例的解決方案，首先在課內完成簡單版，然后課后整理填寫電子表并發(fā)送到教師郵箱，以此作為該小組平時成績的重要依據(jù)。依據(jù)新案例的解決方案，學習者課內完成該實驗的主要部分，允許課外練習和完善，如果有疑問，教師可以提供在線課外輔導。

5 存儲新案例到學習平臺

根據(jù)教學大綱的要求，學習者上交不少于5個驗證性實驗/綜合性實驗到“沖關測驗”模塊中。這些將存儲到案例庫中，作為學習成績的重要組成部分，并供學習者日后學習交流?！把鯕獾膶嶒炇抑品ā毙掳咐拇鎯Σ僮魅鐖D6所示。

四基于案例推理的學習結果討論

根據(jù)上述基于案例推理的學習過程設計，本課程在學習平臺上進行了基于案例推理的學習活動，綜合該平臺的相關數(shù)據(jù)、問卷調查和訪談，學習結果分析如下：

1 自主學習和合作學習明顯提升

通過學習平臺數(shù)據(jù)分析，可知學習者平均每周有15.3分鐘用于學習相關案例，進行自主學習；課內平均有8.4分鐘進行推理總結、小組討論，得出重用方案。說明學習者課內外的自主性大大提升了，學習資源和學習平臺的使用率也明顯提高。本研究發(fā)現(xiàn)，界面精美、設計獨特的案例推理模式和游戲化測驗的學習平臺在一定程度上能夠吸引學習者，這種深度學習能讓學習者有身臨其境之感，使學習不再枯燥乏味。

2 推理反思和知識遷移能力有所提高

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，學習平臺中“案例推理”模塊使用率最高，實驗作業(yè)完成率達到97.6%，綜合性、設計性實驗優(yōu)秀率達到38.4%，相似案例學習完成率達到91.2%，新案例解決方案完成率達到82.2%。這些數(shù)據(jù)說明，雖然本課程對非計算機專業(yè)學生來說有一定的困難，但通過基于案例推理的學習后，在很大程度上激發(fā)了他們的學習興趣，促使他們主動推理反思，并積極投入作品創(chuàng)作之中。學習者通過相關案例的自主學習、小組討論和教師的指導，能夠推理反思、舉一反三，其中部分優(yōu)秀學習者進入后續(xù)的科技競賽創(chuàng)作學習中。

3 參與度和自控力增強

通過學習過程流程圖可以看出，無論是課外還是課內，基于案例推理的學習過程幾乎都是以學習者為主線；由原來教師在課堂內的講授、演示和操作案例，轉變?yōu)閷W習者在學習平臺上通過豐富的學習資源進行自主學習。如果存在學習困難，可以在線討論或課堂內幫助解決，這不僅增加了學習者的操作時間，還能大大提高教師監(jiān)管教學秩序和個別輔導的機會，這正是當下熱門的“翻轉課堂”影響下的教學嘗試。當然，這樣的改革給教師帶來了很多的課外工作量，每周在線交互時間是改革前的十幾倍。在未來的教學中，將考慮高年級的“助手”幫助低年級的學習者，形成學習梯隊。

五結束語

案例教學是計算機應用課程重要的教學方法之一，即教師演示案例，學習者模仿操作，從而掌握相應操作技能，但學習者對案例與其它案例如何建立聯(lián)系的思考很少。案例推理將學習過程交給了學習者，讓他們進行自主學習、邏輯推理、反思總結。學習者在吃透相關案例后，自己搭建通往新案例解決的橋梁，實現(xiàn)知識遷移。本研究在前期學習平臺研發(fā)上投入了較多精力，精選案例，制作教學案例，設計推理案例過程。教學活動后發(fā)現(xiàn)，該教學平臺基本達到了預期的效果。在未來的研究中，需要進一步擴充案例庫的數(shù)量，提供更豐富的教學資源，并用實證研究方法來分析學習者的學習過程，以促進有效學習。

參考文獻：

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[8]Aamodt A, Plaza E. Case-based reasoning: foundational issues, methodological variations, and system approaches [J]. Artificial Intelligence Communications, 1994,(7):39-59.

[9]Gavin F, Sun Z H, R5model for case-based reasoning[J]. Knowledge-based Systems, 2003,(16):59-65.

編輯：小西

Research on the Case-Based Reasoning Learning Designunderthe domain of Learning Science

HUANG Lu1ZHANG Su-jing2

Case-based reasoning mechanismunder the domain of learning scienceand whose core idea is “similar problems have similar solutions”brings about new direction to case teaching. In this paper, after analyzing several typical models of case-based reasoning, case-based reasoning learning model was designed, a gamofication learning platform based on case-based reasoning learning model was developed,and learners’autonomous learning activity was conducted under this environment. The results shown that the case-based reasoning learning model was centered on learner and focused on learning process, which can promote learners' active reasoning reflection, realize the knowledge migration, and explore the solution of complicated and volatile realistic situation.

case-based reasoning; learning science; learning process; case teaching

G40-057

A

1009—8097（2016）06—0067—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.06.010

本文為國家自然科學基金項目“虛擬學習社區(qū)中信息資源建設模式變革研究”（項目編號：71473079）、湖南省社科基金“信息技術環(huán)境下教師群體專業(yè)發(fā)展模式研究”（項目編號：20121205）、2013年浙江省高等教育課堂教學改革項目“‘案例推理+項目合作’教學模式在公共選修課程“Flash動畫制作”課堂教學改革中的研究與實踐”(項目編號：kg2013338)的階段性研究成果。

黃璐，講師，研究方向為網(wǎng)絡教育應用、學習科學，郵箱為yellow0209@qq.com。

2015年12月26日