基于学科领域知识表征的数字化学习研究*

倪 娟

(江苏省教育科学研究院 基础教育研究所，江苏 南京 210013)



基于学科领域知识表征的数字化学习研究*

倪 娟

(江苏省教育科学研究院 基础教育研究所，江苏 南京 210013)

学科领域知识是由学理性知识、认知过程性知识和问题条件性知识这三部分组成，学生在某一具体学科领域中的学习，一般经历一个从新手到胜任再到专家的转变过程。这个过程需要通过合适的数字化学习情境的设计以实现学科领域知识的深度融合和转变，需要进一步构建数字化学科领域知识表征体系以及明确基于学科领域知识表征的数字化学习的基本规律和目标。

数字化学习；学科领域知识；表征

“到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的数字化教育服务体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化；鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决问题能力”是《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》提出的要求，普及利用信息技术进行数字化学习具有时代紧迫性和现实重要性。基于学科领域知识表征的数学化学习研究，从知识属性和关系出发，建立起一套能够表达知识属性和外部关系的图符系统，这将有助于教师进行知识内容的组织，使得教师可以简单快速地根据知识类型来表征其结构和关系，有力地支撑了数字化学习的设计。

一、学科领域知识结构

知识一直都是学校教育的基本内容和载体，知识学习也一直都是学生的最基本任务。通过知识的学习，学生获得了自主发展所必需的各种经验，并以知识为载体逐渐形成必备品格和关键能力。因此，知识学习一直都是教育研究的热点。

“人工智能领域最初提出领域知识的概念，它是指在某一个学科领域内基本概念之间的相互关系以及有关概念的约束的集合”[1]。亚历山大(Alexander)指出领域知识就是指学生所拥有的关于某个学科领域的知识总和[2]。“在具体学科当中将具有一定操作性、逻辑性、相关性的知识按其知识属性、认知特性而加以组织形成的知识组块和认知操作图式，叫学科领域知识，由学理内容知识、认知过程知识和问题条件知识三部分组成”[3]。何伯锋等学者给出了学科领域知识的结构[4](如图 1)，他们指出了认知操作中的元认知策略成分在学生掌握知识过程中的关键作用，显示出学科领域知识具有完整性、结构性、发展性和开放性的特点。

图1 学科领域知识结构

图1中，学理性知识是指诸如“元素化合物的性质和变化”等用于描述事实、陈述观点或阐释关系的知识。是回答“是什么，学什么”的知识，是一种静态的知识。认知过程性知识如化学学科中“化学计量方法”“化学实验或化工流程原理及操作过程”以及“依据目标物进行化学合成路线设计”等策略性、技能性知识，是关于“如何做，如何学”的知识，是一种动态的知识。问题条件性知识是指在一定的问题情境中开展问题解决活动时运用的具有限制性条件的知识，如“氧化还原反应”“化学反应速率、平衡”以及“元素观、微粒观、能量观”等化学基本原理、理论和观念等化学知识是用于解决“为何如此，为何学”的知识，是一种具有较强迁移性的知识。

学科领域知识的研究有利于厘清学科知识，促进学生发展，从更深的层次提供学生认识世界和解决问题的独特视角、思维方法和特有的逻辑。根据个体的认知特征、情感态度和知识结构三个方面的特征，亚历山大将学生在整个学科领域学习的过程划分为新手、胜任者和专家三个的阶段[5]，学科学习过程可以看做是一个引导学生从新手向专家发展的过程。

新手阶段，学生所获得的知识是较少的并且是碎片化的，缺少学科领域知识中的原理性知识，常常是离散的，不能形成合理的结构。学生在问题解决时常常使用识别和提取等认知方法，或者常常使用错误的认知方法，耗时和耗费精力。此时，学生的兴趣体现出较强的情绪化，会随着情境的变化而表现出不稳定性，如化学学习过程中被二氧化碳的结构、性质、制法和用途所吸引，但对它们之间的因果关系不甚了解。

在胜任者阶段，学生掌握了较为丰富而且条理清晰的领域知识，这些知识是融合了基本原理且结构化的，能够体悟出知识的价值和意义，可以引导学生集中精力领悟知识的重点而不会被无关的信息干扰，运用高级认知策略，提高解决问题的效率。胜任阶段的学生对学科知识学习具有较高的情感认同，能够辨别和驾驭环境，对特定学科领域知识拥有较高的求知欲。如在学习元素化合物的性质时可以应用“氧化还原反应”“元素周期律”“化学平衡”等原理分析它为什么具有这些性质和为什么会产生这样的变化、现象等。

处于专家阶段的学生拥有高度结构化的知识体系，在知识的广度和深度上都有较大的发展，具有与特定知识领域相关的认知图式。在学习过程中，面对不确定的情境和认知冲突有高度的兴趣。专家的学理性知识、认知过程性知识和问题条件性知识三种知识能够形成有序、合理的结构，构成特定学科领域的能力，能够对问题保持高度的专业敏感，能够应用学科领域知识解决新情境中的实际问题，并将零散的事实组合成相互关联且具有逻辑内聚力的整体，能从学科视角认识物质世界和人类社会，综合运用多学科知识。如通过化学学科学习，形成综合分析解决生产、生活、社会问题的能力以及探究事物的发展过程等能力。

学生从新手认知向专家认知发展的过程，体现了学生从知识结构、认知策略和学习兴趣三个维度在学科领域知识学习当中认识变化的心理过程，比较合理地解释了学生学科领域能力形成过程，加深了我们对学生从特定学科领域的新手到专家这一变化阶段的心理机制的了解，同时也有助于我们了解知识与技能形成的交互作用。

二、数字化学习环境与学科领域知识学习的融合

数字化学习情境，是指信息显示数字化，信息传输网络化，信息处理智能化的特征，它有利于引导学生理解学科知识之间的逻辑关联、价值关联和意义关联，形成学科领域知识。教学环境具有虚拟化的特点，包含着情境、协作、会话等。为了适应学科领域知识学习的需求，数字化学习环境下教学设计应该综合考虑在数字化的背景下，教师的主导、学生的主体参与、学科领域知识的整合、数字技术的运用等方面及它们之间的相互联系与相互作用，进而彰显数字化学习在促进学生学科领域知识的学习过程中从新手认知向专家认知发展的功能。

(一)数字化学习环境的理论支撑

“知识是有结构的”“不论我们选择教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构”“知识是学习者在情境中建构和理解的产物”等建构主义的主要观点，是数字化学习环境下学科领域知识建构的重要理论支撑。建构主义理论强调学生由外部刺激的信息被动接受者转变为信息加工者的主体，由知识的灌输对象转变为知识意义的建构者。在数字化学习情境下帮助学生形成如图1 所示的学科领域知识结构，是教师发挥主导作用的主要任务。

学生对学科知识领域结构的学习是在原有经验、心理结构和信念的基础上，通过与数字环境交互而形成的，利用情境、协作、会话等数字化学习环境要素创造优质的教学，唤醒学生主体意识、创新精神，启发学生思维。因此，数字化学习环境与学科领域知识的融合过程中，教师既可以利用数字化环境文字、视频信息为学生创造学习环境、学习资源，运用建构主义理论，将各学科知识的基本概念和原理作为学生学习的核心内容，认识和掌握事物的本质特征和内在规律；也可以利用数字化学习平台及时获得学生学习情况的反馈，并给出及时的评价；还可以利用数字化创建学习平台，主动追寻知识的来龙去脉，获取知识的方法，培养创造新知识的能力。

(二)数字化学习的课程资源建设

已有研究表明，影响学生知识结构发生蜕变及其学业成绩的关键因素是学科领域知识资源的丰富程度[6-7]。在数字化学习环境中，创设问题情境、复演知识的发生、发展过程，联系生产生活实际、应用平台以及虚拟仿真实验室，创设了一个丰富、真实、优质的课程资源，促进学生的学习方式发生转变，使学生的主观能动性和创新能力不断得到发展。

建设数字化学习环境，需要根据学科领域知识结构、学生学习的个性差异、获得知识、技能、情感与态度的发展等多方面因素，选择适切的资源和媒介，朝着使学科知识从无序向有序提升、从疏漏向精密提升、从散点向结构化提升等方向努力，完成对学科领域知识进行有效建构。

在化学课堂教学中，实验设备、数据应用软件以及实验资料都是不可缺少的教学资源，将上述教学资源进行有效整合可以提高化学课堂实验效果。许多教学资源需要依据化学学科领域知识结构进行必要性的判断、筛选与开发。实验设备包括硬件设施和软件设施。硬件设施有计算机、多种传感器、实物投影仪以及各种影像设备等；软件设施有多媒体教学软件、化学药品管理软件、数据处理软件、分子立体结构模型绘制软件以及Flash、Powerpiont等。

三、构建数字化学科领域知识表征体系

知识表征是知识在心理活动中的内在表现和记载，它一方面是反映知识的客观存在，另一方面也是学习活动中进一步加工的对象。研究知识表征就是研究知识的心理模型，即知识是以什么方式存储在记忆里的[8]，关于学理性、认知过程性和问题条件性三种知识的表征，对于数字化学习环境下学科领域知识的融合具有重要的意义。就化学学科领域知识表征而言，其数字化学习意义在于微观知识外显化、瞬间(或长时)反应适时化、风险实验安全化与过高条件常态化等方面。

(一)学理性知识表征

学理性知识是以系列问题和知识相互联系图进行表征的，可以用关联性、准确性来描述学生的知识结构中学理性知识表征的变化情况：关联性指的是学生能准确陈述出与具体学科知识领域相关的基本事实、基础知识、基本原理之间的紧密联系；准确性指的是能从学科知识本质上无偏差理解概念、原理、规则等知识要点。

例如，学生在认识和理解有关元素化合物知识时，关于物质的结构、性质、变化也必须很好地组织起来，形成关系表征，构建成知识网络，这对于帮助学生学好化学学理性知识具有十分重要的现实意义。

(二)认知过程性知识表征

我国教育心理学家皮连生先生曾经提出，认知过程性知识分为用于处理外部事物的和用于处理自身认知过程的两种认知过程性知识，前者可以理解为技能性知识，后者则可以理解为策略性知识[9]。数字化情境下的认知过程性知识表征按照学生认知过程发展中具象与抽象转化的逻辑关系，透过具体的实验现象的展示，揭示出具体现象之间的模型与关系，并将零散的学理性知识组合成相互联系的有机整体，形成有意义的逻辑结构，认知过程性知识。据此，对认知过程性知识的表征揭示了学科领域知识的本质和学科领域知识的结构，具有统摄学科领域知识的功能。

用虚拟实验装置可逼真地模拟“制取有毒气体——氯气”的实验仪器组装过程以及实验现象。这既突破了实验时间跨度太长或太短不利于现象观察等真实实验的某些局限，也帮助学生直观感受实验过程、物质发生变化的细节，还帮助学生清晰地了解具体的实验场景与现象。因此，虚拟试验装置一定程度上有利于引导学生认识物质发生化学变化的微观本质，只是需要考虑在什么情况下进行数字化虚拟，哪些需要录像视频处理，哪些必须通过真实的实验进行学习。

(三)问题条件性知识表征

在数字化学习情境中的问题条件性知识表征，就是在对问题进行整体感知基础上，运用数字技术进行图示表征，不断筛除概念、原理、观念形成过程中的非本质情境，优化问题的条件和结论，转换问题的形式与内容，配置与问题有效解决相联系的实际情境，将知识与事实、价值、思维相联系，使学生获得更多的参与认知活动的机会，并在不同的情境中认识学科领域知识结构。

在化学学科知识学习中，微观、宏观、符号之间关系的构建一直是教师努力突破的重难点。随着数字化技术逐步进入化学课堂，就可以用数据、图表、曲线动态地展示原本不可见的微观世界的变化情况，这不仅为教师突破微观、宏观和符号之间关系构建的教学重难点提供了帮助，同时也更有利于学生构建从微观视角思考宏观世界的化学观念，将微观的知识和问题通过具体的数据加以体现，化抽象为直观，使学生在应用化学领域知识认识和解决不同情境的问题时，用化学语言进行简化和表达，从宏观与微观相联系的视角去审视和思考，而这正是具有科学素养的现代公民所应具备的能力。

四、基于学科领域知识表征的数字化学习

运用数字化手段将课堂传授的知识内容数字化，形成有利于人们接受的、生动的、具体的视觉、听觉学科领域知识表征，学习资源不再局限于教科书；教师的角色也由以往课程知识内容的传授者、呈现者、管理者逐渐转变为数字化学习环境的创建者、数字化学习内容体系的研究者、数字化学习过程的设计者；同时，也促进了学生学习方式的改善，使学生获得更多的信息资源和更广泛的学习机会，从而拓展和强化了学科领域知识的学习；更为重要的是数字化学习能更好地将学理性知识、认知过程性知识、问题条件性知识进行有效整合，形成符合学生认知规律、促进学生认识发展的领域化知识。因此，基于学科领域知识表征的数字化学习是对传统教学方式的一种重要变革。

(一)数字化学习环境的设计应当符合学生的认知特性

学生的学习过程通常是要对学习内容进行感知，在感知的基础上深入理解，建构自己对知识意义的理解，将学理性知识转化为认知过程性知识，并对自己的学习效果进行相应的评价、反思，形成问题条件性知识，提高元认知学习能力，完成从新手到专家的转化。因此，在设计数字化情境时应当充分考虑学生的认知特性。

在数字化环境的创设过程中，选择适合学生认知规律的教学材料呈现策略，有助于形成学科领域知识的整体结构。针对不同的学习内容、目标和人群，应该采取不同语言的、数学的、图像的、表格的、符号的等呈现方式，接受各种不同感官刺激，转变成可以吸收的信息。

目前较多的数字化情境设计中存在大量多余的信息，较难清楚地表达学科领域知识的结构和本质。同时，有些数字化情境还存在着知识表征浅表化和知识结构的不完整性，如对学理性知识没有提供案例或者复杂知识学习的背景性知识，只是把相关的材料搬到电脑屏幕，缺乏案例或有效的实例设计、组织、管理。良好的数字化情境设计应该依据学生学科领域知识发展的过程和不同阶段的特点，对知识的表征应该从简单抽象到模拟仿真，引导学生探究学科知识的发生和发展过程。

(二)数字化学习环境的设计应当符合学科的知识属性

数字化情境设计应根植于学科领域知识结构中，不但是知识逻辑和学习兴趣决定的，而且也是知识属性决定的。所以，应当对整体的教学材料进行分析归纳，找出学理性知识、认知过程性知识、问题条件性知识之间的区别和本质联系，合理设计数字化学习情境，整体呈现学科领域知识。

数字化环境的设计还应遵循学科领域知识的整合、转化规律。在学习内容新手阶段，将问题条件性的知识以具体的事物形象出现在学生的面前，在学理性知识向认知过程知识转化的过程中采用复述、特定情境应用(如概念图)等方式来加深所学知识的理解，引导学生将学理性知识间的联系通过概念图分门别类，彰显整体属性。在认知过程性知识向问题条件性知识转化阶段，运用图片或者视频，让学生主动去探究、反思实际运用过程中所用到的知识、方法，在复杂的情境中展开问题解决过程。

数字化实验是以特殊的实验仪器与电脑的关联，曲线的自动绘制等新形式吸引学生的关注，它集合了包括仿真实验、借助传感器的实验、掌上技术实验、DIS 实验以及多媒体展现等多种现代科技成果。学生通过动手操作、用心观察、认真思考来经历成功与失败，感受科学研究的艰辛和愉悦，在质疑与探索过程中，将创新精神与实践能力的培养有机地结合起来，促进学生的学科领域知识结构日臻完善，促成事实性知识、认知过程性知识、问题条件性知识的意义建构。

(三)数字化学习环境的设计应当聚焦学习意义的建构

理科教育的使命不仅在于知识的传递，还要有知识意义的体验，使科学知识走向学生的心灵，促进学生科学素养的发展，学科领域知识表征以概念系统为基础，聚焦知识意义的建构。在数字化学习情境中通过其对当前知识内容所反映的事物的性质、规律以及事物之间的内在联系达到较深刻的理解，学生以自己原有的知识经验和获得的经历和体验为基础，对新知识重新认识和发现，建构对学科领域知识意义的深刻理解。

在以数字化情境设计与领悟化学学科领域知识意义相结合的教学过程中，需要注意几点：一是营造良好的数字化教学环境；二是捕捉最佳的数字化实验教学时机；三是倡导多元的学习评价方式。一切手段与工具的运用只为让学生对学科领域知识意义理解更加深入。因此，能否利用数字化学习促进学生进行深度学习、进行有意义的学习是我们选择是否使用的主要依据[10]。

从学生身心发展的规律出发，注重创设有益的数字化学习情境，利用各种数字化信息资源来支持“学习”，引导学生积累更多的经验和感受，在已有经验的基础上构建新知识，充分认识到学科领域知识对自身的发展所具有的价值，使知识的意义得到体现。

能否有效地引导学生实现对学科领域知识的内涵和相互关系的意义建构是数字化学习的重要目标。在目标达成的评价方式上，采用多种方式，提倡主体评价、注重表现性评价、突出过程性评价等等。借助数字仪器结合学科领域知识特征对学生的学习情况进行测量，对所得大数据进行挖掘和学习分析，在海量数据中提取出对分析学科领域知识建构个性化指导有帮助的信息，是需要学科教育工作者深入研究的内容。

[1]DHONDT M，DHONDT T .Is domain knowledge an aspect?[J] . European Conference on Object-oriented Programming，1999,1743：293-294.

[2]ALEXANDER P A，SCHALLERT D L， HARE V C.Coming to terms：How researchers in learning and literacy talk about knowledge[J].Review of Educational Research， 1991， 61 (3)：315- 343.

[3]蔡笑岳，何伯锋.学科领域知识的研究与教学：当代领域知识研究及其教学迁移[J].华东师范大学学报(教育科学版)， 2010， 28 (2)：43-51.

[4]何伯锋，蔡笑岳，潘玉萍.学科领域知识教学内容的组织：以组构式策略编写学科领域知识教学单元[J].教育导刊，2010(8)：20-23.

[5]ALEXANDER P A & JUDY J E.The interaction of domain-specific and strategic knowledge in academic performance[J]. Review of Educational Research，1988，58(58)：375-404.

[6]李长虹，蔡笑岳，何伯锋.学科领域知识与数学学习的知识表征研究[J].心理发展与教育，2010，26(3)：267-273.

[7]张维，蔡笑岳，曾苑霞.学科领域知识丰富性对中学代数问题表征层次的影响[J].心理科学，2011，34(2)：398-401.

[8]潘清华， 吴可.论知识表征中建构与习得理论之演绎[J].南昌大学学报(人文社会科学版)，2008，39(6)：133-136.

[9]皮连生.论智力的知识观[J].华东师范大学学报(教育科学版)，1997(3)：52-58.

[10]杨玉琴，倪娟.促进“深度学习”的教学设计[J].化学教育，2016，37(17)：1-8.

(责任编辑 李世萍)

A Study of the E-learning Based on the Representation of Knowledgein the Discipline Field —Taking the Study of Chemistry as an Example

NIJuan

(Institute of Basic Education，Institute of Jiangsu Educational Research，Nanjing，210013，China)

Discipline field knowledge is comprised of rational knowledge，cognitive process knowledge and conditional knowledge. Learning in a specific subject area for students generally experience a transition from one novice then a competent to an expert. In order to design an E-learning context and make discipline field knowledge integrated and transformed deeply，it is exactly necessary to construct a digital representation system as well as the basic laws and objectives of the discipline field knowledge for E-learning which based on the representation.

E-learning study；discipline field knowledge；representation

2016-08-14

江苏省教育科学“十二五”规划课题“基于学科领域知识表征的中学理科数字化学习研究”(项目编号：B-a/2015/01/021).

倪娟(1972-)女，江苏海门人，研究员，博士，主要从事基础教育与理科教育研究.

G642.0

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