認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析的教育應(yīng)用

侯 冉

（揚(yáng)州大學(xué)新聞傳媒學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000）

0 引言

信息技術(shù)的不斷進(jìn)步也在加速教育行業(yè)革新，在科技創(chuàng)新逐漸成為我國(guó)戰(zhàn)略方針的背景下，國(guó)家需要培養(yǎng)全領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。Steam 課程標(biāo)準(zhǔn)的提出要求學(xué)生培養(yǎng)更好的問題解決能力、復(fù)合及創(chuàng)新性思維能力，因此學(xué)校不再將總結(jié)性評(píng)價(jià)作為學(xué)業(yè)水平評(píng)測(cè)的唯一方式，轉(zhuǎn)而尋求一種更加科學(xué)、全面的新思路。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析所提供的教學(xué)方式與評(píng)測(cè)系統(tǒng)不僅能提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，也能在實(shí)踐上促進(jìn)學(xué)生的積極性，顯然彌補(bǔ)了當(dāng)下傳統(tǒng)教育的不足之處。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析有一個(gè)漸進(jìn)式的發(fā)展過程。早期，Mis?levy 等［1］提出以證據(jù)為中心的評(píng)價(jià)模式，該理論認(rèn)為總結(jié)性評(píng)價(jià)并不能代表學(xué)習(xí)的真實(shí)水平，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)應(yīng)該是對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行系統(tǒng)性的證據(jù)推理過程；隨后，Shaffer［2］提出認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型概念，使用教育游戲探究學(xué)生認(rèn)知元素之間的關(guān)聯(lián)性，即認(rèn)知框架理論。基于以上兩個(gè)理論，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析在2009 年問世［3］。2015 年，Chesler 等［4］首創(chuàng)虛擬工程實(shí)習(xí)環(huán)境，以個(gè)性化學(xué)習(xí)為宗旨，幫助學(xué)生在協(xié)作的環(huán)境中解決復(fù)雜專業(yè)問題。隨著學(xué)界的不斷探索和開發(fā)，如今認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析已經(jīng)形成了比較成熟的理論框架和方法，并廣泛應(yīng)用于學(xué)生評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)等方面，例如工程設(shè)計(jì)課程、醫(yī)學(xué)生手術(shù)操作課程、認(rèn)知博弈和教師專業(yè)能力評(píng)價(jià)等，操作模式也不再局限于教育游戲。

基于對(duì)以往文獻(xiàn)的回顧，本文介紹了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析的相關(guān)概念和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，梳理了近年來其在教育行業(yè)的典型應(yīng)用案例。研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析在學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、教師專業(yè)能力評(píng)測(cè)和教學(xué)改革等方面都具有巨大潛力，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的成功案例為我國(guó)未來教育事業(yè)的改革提供一些設(shè)想。

1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析簡(jiǎn)介

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析（Epistemic Network Analysis，簡(jiǎn)稱ENA）由美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（Wisconsin，Madison）的認(rèn)知游戲團(tuán)隊(duì)（Epistemic Games Group）提出，它基于認(rèn)知框架理論和以證據(jù)為中心的評(píng)價(jià)模式，通過教育游戲收集實(shí)驗(yàn)對(duì)象的話語(yǔ)記錄，將對(duì)話進(jìn)行量化編碼處理進(jìn)而形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型。藉由網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)比就可以分析出不同熟練程度（新手和專家）的個(gè)人或群體的專業(yè)能力差別。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析所形成的網(wǎng)絡(luò)模型中，元素的共現(xiàn)體現(xiàn)了它們的關(guān)聯(lián)程度，元素在坐標(biāo)系中的投影越靠近，表示二者的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，而元素的關(guān)聯(lián)程度隨著學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程的發(fā)展也是動(dòng)態(tài)變化的［5］。因?yàn)槟苁箯?fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系可視化，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析被廣泛應(yīng)用于處理定性和定量問題。

2 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析理論基礎(chǔ)

2.1 以證據(jù)為中心的評(píng)價(jià)模式

以證據(jù)為中心的評(píng)價(jià)模式（Evidence Centered Design，簡(jiǎn)稱ECD）是一種系統(tǒng)性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)模式，ECD 認(rèn)為對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)是一種證據(jù)推理過程，需根據(jù)學(xué)生提供的有限證據(jù)對(duì)其學(xué)習(xí)效度進(jìn)行論證［6］。ECD 通過系統(tǒng)地聯(lián)系現(xiàn)有的、可觀察的行動(dòng)和評(píng)估規(guī)則模型提供學(xué)習(xí)證據(jù)，從而開發(fā)評(píng)估框架。其設(shè)計(jì)概念的核心是學(xué)習(xí)理論、評(píng)估方法和專業(yè)思考。

ECD 有3 個(gè)關(guān)鍵組成部分［7］：①領(lǐng)域分析（Domain Analysis）——關(guān)于某一學(xué)科領(lǐng)域中學(xué)生的意志、能力或?qū)I(yè)知識(shí)的信息；②領(lǐng)域模型（Domain Modeling）——如學(xué)生在學(xué)習(xí)環(huán)境中做了什么、說了什么或完成了什么結(jié)果等；③概念評(píng)估（Conceptual Assessment）——通過特定的工具和模型檢驗(yàn)學(xué)生的熟練程度。

Fig.1 The components of ECD圖1 ECD 組成部分

2.2 認(rèn)知框架理論

2005 年，Shaffer［2］設(shè)計(jì)了一款教育游戲，學(xué)生以角色扮演的形式融入其中，在體驗(yàn)視頻游戲、電腦游戲等交互式環(huán)境的過程中學(xué)習(xí)知識(shí)和搭建知識(shí)框架。學(xué)生可以將參與游戲過程中所得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活，避免了由于經(jīng)驗(yàn)不足而導(dǎo)致在實(shí)踐中發(fā)生意外。這種通過交互式協(xié)作性學(xué)習(xí)逐漸構(gòu)建起個(gè)人能力之網(wǎng)的過程，被稱為認(rèn)知框架理論［8］（Epistemic Frame）。認(rèn)知框架理論認(rèn)為學(xué)習(xí)不只是簡(jiǎn)單的知識(shí)累加，學(xué)生還需要學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)＜宜邆涞膶I(yè)能力，例如外科手術(shù)實(shí)習(xí)生不僅要學(xué)習(xí)手術(shù)操作和其它知識(shí)，還要像專業(yè)醫(yī)師一樣具備獨(dú)立思考、解決突發(fā)性問題的能力［9］。認(rèn)知框架理論將學(xué)習(xí)劃分為5 個(gè)維度（Skive）。即：①技能：Engineering Skills，學(xué)生所展示出的能力；②知識(shí)：Knowledge，學(xué)生們共享的事實(shí)和信息；③身份：Identity，學(xué)生對(duì)自身角色的認(rèn)定；④價(jià)值觀：Values，學(xué)生認(rèn)為什么是重要的，什么是不重要的；⑤認(rèn)識(shí)論：Epistemology，對(duì)行為和主張合理性的解釋和證明。當(dāng)學(xué)習(xí)者對(duì)這5 個(gè)維度之間的理解建立聯(lián)系時(shí)，他們就形成了自己的認(rèn)知框架。

3 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)驗(yàn)過程

3.1 數(shù)據(jù)收集

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)驗(yàn)是以教育游戲?yàn)榛A(chǔ)，當(dāng)學(xué)生正式加入游戲時(shí)，實(shí)驗(yàn)也就開始了。在游戲所處的虛擬環(huán)境中，學(xué)生被預(yù)先分組形成若干個(gè)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部協(xié)助完成任務(wù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程以視頻的形式完整記錄下來，并將學(xué)生的話語(yǔ)以文字形式保存在Excel 表格中。

3.2 數(shù)據(jù)編碼

節(jié)（Stanza）是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析中的一個(gè)重要指標(biāo)，學(xué)生的話語(yǔ)記錄以節(jié)的形式被劃分為幾個(gè)維度。最早的Safou?tin 設(shè)計(jì)屬性框架編碼方案，包括14 個(gè)節(jié)：需求識(shí)別、問題定義、計(jì)劃、管理、信息收集、思想生成、建模、可行性分析、評(píng)估、選擇/決策、實(shí)現(xiàn)、溝通、文檔和迭代（need recogni?tion，problem definition，planning，management，information gathering，idea generation，modeling，feasibility analysis，eval?uation，selection/decision，implementation，communication，documentation and iteration）。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般以從低水平到高水平的學(xué)習(xí)階段作為劃分節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)。例如，學(xué)生在初期接觸任務(wù)時(shí)一定會(huì)有對(duì)知識(shí)點(diǎn)的回顧，在試誤過程中也會(huì)有對(duì)現(xiàn)象的解釋，因此在低水平層次階段可以將知識(shí)點(diǎn)回顧和對(duì)現(xiàn)象的描述等內(nèi)容作為編碼依據(jù)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入中等層次水平的學(xué)習(xí)階段時(shí)，推理和設(shè)計(jì)就成為討論的主要內(nèi)容。當(dāng)進(jìn)入高水平階段時(shí)，學(xué)生基本解決了任務(wù)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)問題，其主要內(nèi)容是任務(wù)實(shí)施、協(xié)助和反思。將若干個(gè)節(jié)依次編號(hào)，并完成對(duì)發(fā)言記錄的完整編碼。編碼案例如表1 所示。

Table 1 Encoding case表1 編碼案例

3.3 創(chuàng)建鄰接矩陣并累加

學(xué)生的每個(gè)語(yǔ)句都會(huì)按表1 的方式形成一個(gè)二進(jìn)制鄰接矩陣，當(dāng)語(yǔ)句中兩個(gè)節(jié)共現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)表格賦值為1，二進(jìn)制矩陣意味著同一語(yǔ)句中多次出現(xiàn)兩個(gè)節(jié)的共現(xiàn)時(shí)不會(huì)重復(fù)計(jì)數(shù)。在完成所有語(yǔ)句轉(zhuǎn)換后，將二進(jìn)制矩陣?yán)奂悠饋?，形成一個(gè)累加鄰接矩陣，如表2 所示。

Table 2 Accumulation of adjacency matrix表2 累加鄰接矩陣

3.4 向量歸一化

鄰接矩陣中的共現(xiàn)內(nèi)容很大程度上由學(xué)生的話語(yǔ)數(shù)量決定，而學(xué)生的發(fā)言積極性參差不齊，直接計(jì)數(shù)顯然缺乏公平性。例如某學(xué)生的語(yǔ)句數(shù)量為200，另一學(xué)生的語(yǔ)句數(shù)量為100，這并不代表前者對(duì)問題的理解程度是后者的2 倍，在這里需要讓矩陣內(nèi)各單元除以它們自身的長(zhǎng)度，以確保不同發(fā)言頻率的學(xué)生占據(jù)相同權(quán)重。

3.5 奇異值分解

奇異值分解（SVD）將一個(gè)高維鄰接矩陣降維，這使得數(shù)據(jù)可以在二維坐標(biāo)系中展現(xiàn)出來。在SVD 計(jì)算過程中，矩陣M=U×S×V（其中S 為奇異值，U 與V 互為酉矩陣），U或V 取前2 列，得到各節(jié)在二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，如圖2 所示。

Fig.2 Singular value decomposition圖2 奇異值分解

3.6 建模

經(jīng)SVD 分解后，U 矩陣和V 矩陣為每個(gè)元素分配了一個(gè)處于二維空間中的位置，由于鄰接矩陣的特殊性，U 矩陣與V 矩陣第一維是相同的，而第二維互為相反數(shù)。選其一作為網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)的坐標(biāo)，再返回鄰接矩陣構(gòu)造連接數(shù)量。最終為每個(gè)小組構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3 所示。

Fig.3 Modeling圖3 建模

4 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用

4.1 學(xué)生評(píng)價(jià)

學(xué)生評(píng)價(jià)是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析的設(shè)計(jì)初衷，它將教育游戲作為學(xué)生學(xué)習(xí)行為記錄的工具［10］。教育游戲會(huì)提供一個(gè)虛擬環(huán)境，使得沒有受過專業(yè)訓(xùn)練的學(xué)生可以進(jìn)行擬真實(shí)踐。通過這些實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)基本的專業(yè)知識(shí)和能力，并開始建立專家所具備的認(rèn)知框架，在游戲中可以像專家一樣思考。

教育游戲通常是虛擬化的學(xué)習(xí)情境，例如Chesler 的虛擬工程實(shí)習(xí)，其目的在于：①指導(dǎo)學(xué)生在協(xié)作環(huán)境中解決復(fù)雜工程問題，從而培養(yǎng)工程專業(yè)人員的思維習(xí)慣和其它特性；②使教育工作者有機(jī)會(huì)評(píng)估工程思維的關(guān)鍵方面；③介紹學(xué)生喜歡并認(rèn)為有價(jià)值的工程經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目不久后得到了廣泛的傳播和使用，滿足了美國(guó)早期工科學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。

2018 年，ENA 被應(yīng)用于外科手術(shù)教育實(shí)習(xí)中，實(shí)驗(yàn)采用了語(yǔ)言反應(yīng)模式（VRM）編碼。實(shí)驗(yàn)表明，低績(jī)效團(tuán)隊(duì)在游戲過程中產(chǎn)生了更多不穩(wěn)定因素，因?yàn)榈涂?jī)效團(tuán)隊(duì)的成員基礎(chǔ)水平較低，還要花費(fèi)額外的時(shí)間解決自身不懂的知識(shí)點(diǎn)。而高績(jī)效團(tuán)隊(duì)往往很快就能將信息傳達(dá)給其它團(tuán)隊(duì)成員，可以將更多時(shí)間資源投入到任務(wù)執(zhí)行與信息共享中［11］。

4.2 K-12 工程標(biāo)準(zhǔn)完善

K-12 工程標(biāo)準(zhǔn)（K-12 Engineering Programs）是美國(guó)和歐洲國(guó)家實(shí)行的中小學(xué)階段教學(xué)體系，旨在提高學(xué)生對(duì)工程類學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣度。2011 年，Svarovsky［12］指出K-12工程過分強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)和技術(shù)層面上的教育，因而極大降低了女性學(xué)生對(duì)此類科目的興趣度。針對(duì)該問題，Svarovsky 基于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析法設(shè)計(jì)了一個(gè)教育游戲——數(shù)字動(dòng)物園，幫助學(xué)生在發(fā)展工程技能和知識(shí)的同時(shí)，還能將這些概念與習(xí)慣、觀點(diǎn)和思維方式聯(lián)系起來，彌補(bǔ)了女性學(xué)生在邏輯和空間思維上的弱勢(shì)，一定程度上提高了K-12 工程的有效性和包容性。

4.3 教師專業(yè)能力評(píng)測(cè)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析是一種學(xué)生評(píng)價(jià)工具，在教師專業(yè)能力評(píng)測(cè)方面也很有效。2012 年，Orrill 等［13］認(rèn)為教師自身的知識(shí)水平與其教學(xué)質(zhì)量之間存在關(guān)聯(lián)性，于是他將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析作為測(cè)定教師話語(yǔ)聯(lián)系的工具。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，專家級(jí)別的教師往往更能抓住課堂的一些關(guān)鍵點(diǎn)，普通教師雖然理解知識(shí)也傳授知識(shí)，但并不能將它們有效結(jié)合。2020 年，冷靜等［14-15］將ENA 應(yīng)用于職前教師的反思能力發(fā)展軌跡研究中。該研究表明，職前教師的反思能力軌跡呈上升趨勢(shì)，同時(shí)隨著其水平的不斷提高，反思方法也在逐步完善。近幾年來，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析作為一種定量民族志方法得到許多國(guó)際知名大學(xué)的采納，并開發(fā)了大量教育游戲作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，應(yīng)用領(lǐng)域也變得逐漸廣泛起來［16-20］。

5 結(jié)語(yǔ)

總體而言，ENA 的出現(xiàn)為學(xué)生提供了高效的學(xué)習(xí)環(huán)境，其所衍生出的教育游戲能夠極大地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也為教師提供了科學(xué)的教學(xué)管理和學(xué)生測(cè)評(píng)方法。所有的活動(dòng)都依托在線學(xué)習(xí)環(huán)境而進(jìn)行，游戲活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)，之后通過認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析評(píng)估學(xué)生解決問題的進(jìn)度，以及學(xué)生達(dá)到專業(yè)熟練程度的距離［21-23］。隨著該方法的不斷完善和擴(kuò)充，未來ENA 有望作為一種最有效的教學(xué)模式進(jìn)入到教育領(lǐng)域中。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析是以教育游戲?yàn)橐劳?，教育游戲也是一?xiàng)值得教育領(lǐng)域借鑒的教學(xué)方法。首先，教育游戲一般都是協(xié)作性的，它可以幫助學(xué)生鍛煉社交和溝通技能，在游戲中學(xué)生所扮演的角色往往都相互依賴，學(xué)生需要在游戲過程中積極參與討論，從小組成員那里獲取信息進(jìn)而解決實(shí)際問題，這極大地鍛煉了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；其次，教育游戲一般都是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，教育游戲在制作過程中充分考慮到學(xué)生階段性發(fā)展特點(diǎn)，以一種獨(dú)特的方式讓他們?cè)趨⑴c學(xué)習(xí)的過程中構(gòu)造認(rèn)知結(jié)構(gòu)；最后，教育游戲提供了一種良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在參與團(tuán)隊(duì)游戲時(shí)會(huì)自然而然地參與到科學(xué)論證中，角色扮演可以鼓勵(lì)玩家觀察科學(xué)現(xiàn)象、提出問題、分析數(shù)據(jù)、推理假設(shè)并加以反思——這些都是進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐的必要過程［24-26］。

當(dāng)下，電子游戲?qū)δ贻p人具有很大的吸引力和驅(qū)動(dòng)力，游戲會(huì)幫助玩家訓(xùn)練創(chuàng)新思維能力，并對(duì)一些難懂的專業(yè)內(nèi)容產(chǎn)生深刻理解。可將這種優(yōu)勢(shì)運(yùn)用于現(xiàn)代教育中，開發(fā)出行之有效的教育游戲，并將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析作為科學(xué)的評(píng)價(jià)工具，以一種獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的方式為學(xué)生構(gòu)建社會(huì)認(rèn)知，讓學(xué)生在快樂學(xué)習(xí)中增長(zhǎng)知識(shí)，提高他們學(xué)習(xí)的自信心與主動(dòng)性。