整合知識與思維的結(jié)構(gòu)化分析模式構(gòu)建與應(yīng)用

艾 靜 熊建文

（1.廣州市教育研究院，廣東 廣州 510062；2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

在教育領(lǐng)域，碎片化與結(jié)構(gòu)化被視為兩種截然不同的樣態(tài)，碎片化會造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)認(rèn)識深度不夠、推理不暢、思維僵化等問題，當(dāng)前學(xué)者多提倡從“整合”“結(jié)構(gòu)化”等視角研究教育問題.

1 結(jié)構(gòu)化分析的思考

1.1 “整體人”培養(yǎng)的構(gòu)念對“整合”“結(jié)構(gòu)化”分析的啟示

新課標(biāo)在學(xué)科課程內(nèi)容上要求以學(xué)科大概念為核心，對學(xué)科課程內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整合，并借助結(jié)構(gòu)化的情境設(shè)置，使學(xué)科核心素養(yǎng)得以落實(shí)，體現(xiàn)出對“整合”“結(jié)構(gòu)化”的重視與應(yīng)用.

在具體教學(xué)中，多數(shù)教師缺乏“整合”“結(jié)構(gòu)化”的思維意識或教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施能力；在物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生常因?qū)忣}缺乏邏輯、解題無處下手、抓不住關(guān)鍵點(diǎn)等學(xué)習(xí)障礙而影響問題解決，其主要原因在于學(xué)生知識的零散化和思維的碎片化；［1］在命制試題時(shí)，命題雙向細(xì)目表或命題藍(lán)圖的設(shè)計(jì)，常要求將各試題包含的知識與思維分別以文字方式列出，以核驗(yàn)知識點(diǎn)或思維能力考查的覆蓋情況，這一方式在表征試題考查信息時(shí)，難以直觀呈現(xiàn)試題考查的知識與思維間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，未能全面反映試題在知識與思維方面的考查目的.上述現(xiàn)象都反映出當(dāng)前學(xué)科教學(xué)中，無論是教、學(xué)或是評價(jià)上，仍受到“碎片化”影響.

從對“整體人”素養(yǎng)的培養(yǎng)［2］來說，知識結(jié)構(gòu)與思維結(jié)構(gòu)存在緊密關(guān)聯(lián)，且具有內(nèi)在一致性，思維結(jié)構(gòu)以既有的知識結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，思維過程反作用于知識結(jié)構(gòu)，會引起知識結(jié)構(gòu)的改變與重構(gòu)，使其從線性關(guān)聯(lián)走向立體關(guān)聯(lián)，而知識結(jié)構(gòu)需在問題解決過程中才能得以建構(gòu)和發(fā)展.［3］因此，問題設(shè)計(jì)應(yīng)整合解題涉及的知識與思維，使之形成關(guān)聯(lián)緊密、結(jié)構(gòu)清晰的具有穩(wěn)定圖式表征的問題空間，以考查學(xué)生通過問題解決所形成的知識與思維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)“整體人”素養(yǎng)的培養(yǎng).

1.2 整合知識與思維進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析的可能與可行

近年來，在“思維可視化”研究浪潮的推動(dòng)下，借助知識結(jié)構(gòu)的外化來發(fā)展思維能力的做法已受到廣泛認(rèn)可，并付諸行動(dòng)，研究者均意識到了知識水平與思維水平存在正相關(guān)，但對知識結(jié)構(gòu)的樣態(tài)、水平與思維水平間如何建立清晰明確的關(guān)系仍存在較大疑惑.

比格斯SOLO 分類理論中的“思維結(jié)構(gòu)”是指學(xué)習(xí)者為解決具體問題，對知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、重組（知識結(jié)點(diǎn)的斷開與連接）而呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu).當(dāng)下，“真實(shí)”的客觀世界被默認(rèn)是普遍聯(lián)系、多層面多角度的復(fù)雜立體結(jié)構(gòu).就知識結(jié)構(gòu)而言，比格斯5個(gè)水平反映出各水平由“線性結(jié)構(gòu)”“平面結(jié)構(gòu)”“立體結(jié)構(gòu)”逐步逼近客觀世界之“真實(shí)結(jié)構(gòu)”.在比格斯“思維結(jié)構(gòu)”理論的啟發(fā)下，筆者認(rèn)識到知識與思維兩者的結(jié)構(gòu)存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)和一致性.由此可初步推測，對具體問題所包含的知識與思維進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析是可能且可行的.

以評價(jià)促進(jìn)教學(xué)的理念在當(dāng)前教學(xué)中得到普遍認(rèn)可，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)更多地依賴其評價(jià)的有效性.相似的試題形式下，核心素養(yǎng)評價(jià)的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從知識點(diǎn)的“量”轉(zhuǎn)變?yōu)橹R點(diǎn)所形成的“結(jié)構(gòu)”，［1］說明學(xué)習(xí)者所形成的內(nèi)部知識結(jié)構(gòu)才是素養(yǎng)生成的內(nèi)在基礎(chǔ)，其目的是引領(lǐng)、促進(jìn)核心素養(yǎng)要求的復(fù)雜關(guān)聯(lián)的高水平知識與思維結(jié)構(gòu)的生成.

在設(shè)計(jì)一套評價(jià)試卷時(shí)，教師基于知識與思維視角，需要依次考慮如下問題：本次評價(jià)需要考查學(xué)生掌握的知識點(diǎn)有哪些？ 對知識點(diǎn)的水平分布有何要求？ 會考查到何種思維？ 知識點(diǎn)與思維之間有何關(guān)聯(lián)？ 這些知識點(diǎn)和思維能力需要在學(xué)生頭腦中形成什么樣的結(jié)構(gòu)？ 整套試卷所包含的多個(gè)試題，每個(gè)試題是否實(shí)現(xiàn)對預(yù)設(shè)知識與思維結(jié)構(gòu)的考查，這些試題是否共同達(dá)成對考查范圍內(nèi)所涉及的知識與思維結(jié)構(gòu)的全面覆蓋？ 知識與思維的結(jié)構(gòu)化分析，旨在以直觀、立體的方式呈現(xiàn)各試題所包含的上述信息，以便于對試卷進(jìn)行質(zhì)量分析.

2 結(jié)構(gòu)化分析理論模式的構(gòu)建

2.1 結(jié)構(gòu)化分析的要素

不同學(xué)科的問題設(shè)計(jì)，其背后運(yùn)用的學(xué)科知識和思維要素不同，知識和思維的相互關(guān)聯(lián)與作用，會產(chǎn)生不同的障礙點(diǎn).結(jié)構(gòu)化分析的要素包含3個(gè)方面：知識、思維、障礙點(diǎn).

（1）知識點(diǎn)與知識層級.

“整合”成為基礎(chǔ)教育階段課程改革的核心理念，是當(dāng)前教育研究的一種思維方式，為學(xué)科大觀念的提出奠定了基礎(chǔ).2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的物理觀念即學(xué)科大觀念，各物理觀念之間存在相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了整個(gè)高中階段知識體系.依據(jù)高中物理知識層級關(guān)系構(gòu)建的方法，［4］可將知識點(diǎn)劃分為由低到高的4 個(gè)水平層級，圖1 為動(dòng)力學(xué)知識體系的知識層級關(guān)系圖.

圖1 “動(dòng)力學(xué)”知識層級關(guān)系圖

各知識點(diǎn)在構(gòu)建問題空間時(shí)的作用表現(xiàn)出強(qiáng)或弱的差異.強(qiáng)作用的知識點(diǎn)主要是關(guān)聯(lián)到問題解決視角，如水平4的知識點(diǎn)，即觀念層的核心知識；弱作用的知識點(diǎn)則是對問題空間創(chuàng)設(shè)起到支撐作用的基礎(chǔ)知識，如水平2和水平1的知識.問題的設(shè)問往往多為水平1到水平3的各層級具體知識點(diǎn).在問題設(shè)計(jì)中，各知識點(diǎn)或各知識層級之間存在直接或間接的聯(lián)系，低水平層級的知識點(diǎn)是高水平層級知識點(diǎn)構(gòu)建的知識基礎(chǔ)，以具體試題為例，分析其所包含的知識點(diǎn)及知識層級如表1所示.

表1 具體試題知識點(diǎn)、知識層級分析示例

對傾向于考查基礎(chǔ)性的試題，其多考查較低水平層級的知識，包含的知識點(diǎn)少、知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)簡單；對傾向于考查綜合性的試題，則多會具有整合性特征，考查的知識點(diǎn)多且知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)復(fù)雜.因此，判斷試題對基礎(chǔ)性或綜合性等考查的傾向性時(shí)，也可結(jié)合具體試題中所包含的知識點(diǎn)在各層級考查的數(shù)量及知識結(jié)構(gòu)框架的復(fù)雜與否等進(jìn)行評定.

（2）思維種類與思維層級.

安德森等人（2001）對布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)修訂，安德森作出的修訂主要是將布魯姆分類法中由使用名詞變?yōu)檫\(yùn)用動(dòng)詞界定思維種類，即記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)和創(chuàng)造.當(dāng)前教育研究中普遍將前三者稱為低階思維，將后三者稱為高階思維，說明各思維要素具有一定的層級性.在2017版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，將解決物理問題所需的科學(xué)思維，從建模、推理、論證、質(zhì)疑等4個(gè)維度劃分為由低到高的5個(gè)水平.［5］

對問題解決過程中所涉及的思維要素及思維層級的分析，可將上述兩者均納入到思維結(jié)構(gòu)化分析中，前者更多的表現(xiàn)為將知識與思維整合后的認(rèn)知過程要求，后者表現(xiàn)為物理學(xué)科領(lǐng)域?qū)λ季S的具體要求，兩者從不同角度表現(xiàn)學(xué)科問題解決過程中的思維特征.

（3）障礙點(diǎn)的分類.

試題中障礙點(diǎn)設(shè)計(jì)的分析主要分為3 類：一是由于關(guān)系理解困難出現(xiàn)的障礙點(diǎn)；二是因邏輯推理的嚴(yán)謹(jǐn)與深度要求較高出現(xiàn)的障礙點(diǎn)；三是在重要知識的遷移應(yīng)用中出現(xiàn)的障礙點(diǎn).

三類障礙點(diǎn)都體現(xiàn)出知識與思維的緊密關(guān)聯(lián).關(guān)系理解需要通過思維建立相關(guān)知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，要區(qū)分知識點(diǎn)的區(qū)別，要明了其在解決具體問題、構(gòu)建思路中的作用；邏輯推理的嚴(yán)謹(jǐn)與深度對知識點(diǎn)的量、知識本質(zhì)的理解、思維的種類與水平要求更高；重要知識往往關(guān)聯(lián)多個(gè)低層級知識點(diǎn)，其遷移建立在理解、應(yīng)用、分析等基礎(chǔ)上，對思維要求較高.三類障礙點(diǎn)的形成不能簡單地歸為知識障礙或思維障礙，而是由兩者共同作用形成.

2.2 結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)的方法

（1）SOLO 分類理論對結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)的啟示.

SOLO 分類理論將學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果表現(xiàn)出來的思維結(jié)構(gòu)分為前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍存在5種思維結(jié)構(gòu).SOLO 分類體系是思維之樣態(tài)、水平從結(jié)構(gòu)視角的詮釋，如圖2（a）所示.由圖2（a）啟示，知識與思維結(jié)構(gòu)化分析，可根據(jù)具體試題內(nèi)容構(gòu)建不同的立體圖形，以直觀呈現(xiàn)其知識與思維的內(nèi)容與水平，以題目1 內(nèi)容為例，可得到如圖2（b）所示結(jié)構(gòu)化圖形.

圖2

知識與思維結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展是結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)和邊的變化，頂點(diǎn)和邊的狀態(tài)上記載了思維水平的足跡.在內(nèi)容層面考查頂點(diǎn)的豐富性，在結(jié)構(gòu)層面考察邊的建立與連接情況.在具體分析中，首先關(guān)注重要知識結(jié)點(diǎn)是否有效覆蓋，即看頂點(diǎn)的建立，問題涉及的知識點(diǎn)會發(fā)生結(jié)構(gòu)層次上的關(guān)聯(lián)，進(jìn)入多點(diǎn)之間連接，生成更豐富的知識結(jié)構(gòu).若不同的頂點(diǎn)與邊構(gòu)成方向明確、清晰的立體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，學(xué)生在問題解決過程中也會經(jīng)歷頂點(diǎn)的生成與調(diào)整，邊的生成與強(qiáng)化等.

問題設(shè)計(jì)會呈現(xiàn)知識與思維結(jié)構(gòu)的應(yīng)然狀態(tài)，應(yīng)預(yù)設(shè)好各問題的預(yù)期結(jié)構(gòu).在解決特定問題時(shí)，學(xué)生知識與思維結(jié)構(gòu)中所包含的知識點(diǎn)數(shù)量眾多，就目標(biāo)描述而言，試圖全面列舉顯然不可能，本研究中只關(guān)注作為問題解決主要知識點(diǎn).

（2）立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明.

知識的點(diǎn)樣狀態(tài)會隨著時(shí)間推移，容易遺忘，線性思維缺乏靈活性，知識與思維的結(jié)構(gòu)化能緊密聯(lián)系相關(guān)內(nèi)容，將問題解決的時(shí)間、空間維度整合起來，構(gòu)成具備穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的問題空間.［6］在問題的知識與思維結(jié)構(gòu)化分析中，主要理清4 個(gè)方面的問題，其內(nèi)容及具體做法如表2所示.

表2 立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題與做法說明

由表2可知，不同問題繪制的立體圖形不同，立體圖形的繪制能直觀呈現(xiàn)問題涉及知識、思維和障礙點(diǎn)信息.通過上述結(jié)構(gòu)化分析，可知：（1）立體圖形頂點(diǎn)數(shù)越多，綜合性越強(qiáng).尤其是上底面頂點(diǎn)數(shù)越多、其圖形結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，綜合性越強(qiáng)；一般上底面的頂點(diǎn)數(shù)會少于下底面的頂點(diǎn)數(shù)，主要在于水平3 各知識點(diǎn)是水平4 知識點(diǎn)的基礎(chǔ).（2）繪制的圖形可能會受到個(gè)體主觀因素影響.因此，在設(shè)計(jì)試題時(shí)，應(yīng)采用集體研討或采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等方式來進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，以減少因個(gè)體主觀評價(jià)或評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致導(dǎo)致的偏差.

2.3 結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)的樣例

對試題所承載的知識與思維進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，主要包含以下4個(gè)方面：（1）知識點(diǎn)（層級）及認(rèn)知水平；（2）思維樣態(tài)，包含建模、推理、論證、質(zhì)疑等，以及對應(yīng)水平層次；（3）試題中障礙點(diǎn)設(shè)計(jì)的數(shù)量及種類分析；主要是面向關(guān)系的理解、邏輯推理的嚴(yán)謹(jǐn)與深度、還是重要知識的遷移應(yīng)用等三類障礙；（4）知識與思維關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)及障礙點(diǎn)分布簡圖.通過具體試題的結(jié)構(gòu)化分析，可立體、直觀地呈現(xiàn)試題承載的知識認(rèn)知負(fù)荷與思維多樣化及深度，具體見表3所示.

表3 知識與思維結(jié)構(gòu)化分析示例與內(nèi)容

題目 知識與思維關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)及障礙點(diǎn)分布簡圖與說明題目2.（2022年廣東物理）“祝融號”火星車需要“休眠”以度過火星寒冷的冬季.假設(shè)火星和地球的冬季時(shí)長約為地球的1.88倍.火星和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng).下列關(guān)于火星、地球公轉(zhuǎn)的說法正確的是（A）火星公轉(zhuǎn)的線速度比地球的大.（B）火星公轉(zhuǎn)的角速度比地球的大.（C）火星公轉(zhuǎn)的半徑比地球的小.（D）火星公轉(zhuǎn)的加速度比地球的小（1）知識（層級）與認(rèn)知負(fù)荷水平：①牛頓第二定律（4）：應(yīng)用；②圓周運(yùn)動(dòng)（3）：應(yīng)用；③萬有引力定律（3）：應(yīng)用；④向心加速度（3）：理解；⑤線速度（2）：理解；⑥角速度（2）：理解；⑦周期（1）：理解；⑧半徑（1）：記憶.（2）思維樣態(tài)（水平層級）：建模（水平Ⅱ）；推理（水平Ⅱ）.（3）可能的障礙點(diǎn)分析：★1.無法從題設(shè)信息中獲得火星與地球繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期、半徑等關(guān)系；★2.無法靈活應(yīng)用各物理量表示萬有引力提供向心力的表達(dá)式，并結(jié)合火星與地球繞太陽的周期大小關(guān)系推理其他各物理量大小關(guān)系images/BZ_40_1724_1495_2148_1869.png

3 基于結(jié)構(gòu)化分析評價(jià)問題設(shè)計(jì)質(zhì)量

3.1 結(jié)構(gòu)化分析的評價(jià)要點(diǎn)

試題知識與思維結(jié)構(gòu)化分析可間接反映問題設(shè)計(jì)特征，進(jìn)行評價(jià)時(shí)，可從以下方面進(jìn)行分析：（1）立體圖形的復(fù)雜程度.立體圖形越復(fù)雜，該題綜合性越強(qiáng)，其難度一般越大.立體圖形的復(fù)雜程度主要看其上、下表面頂點(diǎn)數(shù)，其對應(yīng)的是知識層級中，水平較高的知識點(diǎn)數(shù)量，往往會涉及更復(fù)雜的關(guān)系的建構(gòu)，綜合性強(qiáng)、難度大.（2）立體圖形中標(biāo)識的科學(xué)思維種類越多、水平越高，問題越復(fù)雜.這類問題往往對應(yīng)較復(fù)雜的立體圖形.（3）障礙點(diǎn)的數(shù)量與類型間接反映問題的難度.障礙點(diǎn)數(shù)量越多問題越復(fù)雜.（4）立體結(jié)構(gòu)圖形越復(fù)雜的問題，認(rèn)知要求越高.

3.2 通過結(jié)構(gòu)化分析比較不同問題設(shè)計(jì)的特征與啟示

依據(jù)結(jié)構(gòu)化分析與評價(jià)方法，對2021 年和2022年廣東物理卷中4道題進(jìn)行對比分析，從而明晰命制的試題特征，以獲得教學(xué)啟示.

由表4 所示結(jié)構(gòu)化分析中的立體圖形，可清晰表征并區(qū)分各試卷所考查的知識、思維等方面的差異，初步評定試題質(zhì)量與難度，核查整卷知識、思維、認(rèn)知等方面信息，以便快速形成對整卷內(nèi)容的初步認(rèn)識.

表4 結(jié)構(gòu)化分析橫、縱向比較的實(shí)例與啟示

綜上，從試題所承載知識的認(rèn)知負(fù)荷、思維的多樣化與深度視角分析試題質(zhì)量時(shí)，可以從知識層級水平、認(rèn)知負(fù)荷水平、所考查思維的種類與水平、障礙點(diǎn)的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面建立標(biāo)準(zhǔn)，從上表實(shí)例可初步得出（1）試題承載的知識點(diǎn)及知識點(diǎn)水平層級、認(rèn)知負(fù)荷水平可間接判斷試題的難度；（2）試題所考查的思維的種類與水平也可間接判斷難度與能力的匹配情況；（3）試題中障礙點(diǎn)的設(shè)計(jì)分析可間接反映試題的難度、信度等；（4）繪制的試題知識與思維關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)及障礙點(diǎn)分布簡圖，可間接反映試題難度、信度、難度與能力匹配情況.［7-8］