复杂技能综合学习的研究主题与发展趋势

徐显龙 徐浩鑫 林易 沈王琦 王敏红

[摘   要] 复杂技能综合学习强调培养能解决复杂问题的专业人才，即能在真实任务情境中，应用所学的知识和技能解决复杂任务，而不仅仅停留于孤立的知识点和技能。关于复杂技能综合学习的研究，已得到国内外学者广泛重视，从不同角度开展相关研究，并发表了大量成果。但目前缺乏对该领域文献的系统分析，难以了解该领域的研究重点和趋势。文章以中国知网、Web of Science、Google Scholar三大数据库为数据来源，选择2000—2019年间发表的有关复杂技能综合学习的235篇论文（英文148篇、中文87篇）为研究样本，对论文关键词进行共词聚类分析和社会网络分析。结果表明，国内外主要聚焦于复杂技能综合学习的教学设计，尤其是学习任務和学习环境的设计;国外较多关注复杂学习中的认知负荷，以及将综合学习应用于计算机编程教育和将教育游戏融入复杂技能综合学习。最后，文章对该领域在国内和国外的发展历程对比分析，并对未来研究提出了相关建议。

[关键词] 复杂技能; 综合学习; 研究主题; 共词聚类分析; 社会网络分析

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

一、引   言

复杂技能综合学习是一种基于整体性教学设计思维的综合学习方法，强调学生在真实任务情境中综合运用相关知识与技能以达成学习目标的过程，有助于学生在真实情境中的完整知能培养以及学生核心素养的发展[1-2]。梅里尔（M. D. Merrill）在2002年提出的“波纹环状教学开发模式”[3]，将教学活动划分为六个具体环节：问题、任务序列、分析、策略、设计与制作，这些环节波纹迭起、逐渐扩展，以形成整体教学设计。随后，杰罗姆·范梅里恩伯尔（Jeroen J. G. Van Merri？觕nboer）首次提出整体性教学设计思想[4]，并开发了四要素（学习任务、相关知能、支持程序、专项操练）教学设计模型（Four-Component Instructional Model，4C/ID Model），旨在帮助学习者解决实践中的复杂技能学习问题。

当前，综合学习设计方法逐渐成为了一种可靠的培训方法和学习者复杂技能掌握程度及其职业胜任力的表征方法，被国内外广泛应用于课堂教学、医学、教师培训等各个领域。根据中国知网、Web of Science和Google Scholar的统计数据显示，国内外对综合学习设计研究呈总体上升趋势，如图1所示。

然而，目前国内外对其该领域相关文献的系统分析与整理较为缺乏，从而使得研究者对该领域的研究热点、局限以及发展方向等都了解甚少。为此，本文将国内外关于复杂技能综合学习的相关文献进行分析和梳理，为国内相关研究提供启示和指引。

二、研究方法与过程

本文主要采用文献计量学中的共词聚类分析方法，对选取的论文关键词量化分析，使用社会网络分析方法对研究热点主题和趋势分析，并对比分析国内外的发展路径，理清研究方向和范围，整体上把握该领域的脉络。

研究过程主要包括：步骤一是通过关键词为“综合学习设计”“4C/ID”“Complex Learning”和时间段为“2000年1月1日—2020年1月1日”对中国知网（CNKI）、Google Scholar和Web of Science数据库检索，删除非期刊论文（例如会议论文、会议通知、选题范围通知等）;步骤二是使用Python语言对获取的数据清洗，并分别对国内外的数据进行关键词词频的统计;步骤三是通过关键词的共现关系，构建基于关键词的共现矩阵，分析关键词之间的共现关系;步骤四是使用社会网络分析构建关键词的社会网络图谱，分析该领域的研究热点与趋势;步骤五是采用时间切片的方式对2000—2004年、2005—2009年、2010—2014年、2015—2019年内的文章分别分析，使用对比分析法分析国内外各发展阶段的研究特点，并提出相关建议。

三、研究结果

通过实施上述的步骤一，本研究共检索到有效文献样本235篇，其中国内87篇，国外148篇。通过实施上述的步骤二，本研究共得到国内关键词144个，国外关键词296个，其中国内外部分高频关键词见表1。通过实施上述的步骤三，得到了国内外高频关键词的共现矩阵，其中部分矩阵见表2。

NodeXL是功能强大且易于使用的网络可视化和分析工具，在实施步骤四时，本研究将关键词共现矩阵导入NodeXL中进行社会网络分析，得到关键词社会网络图谱，分别如图2和图3所示的国内外图谱。由于关键词的共现无方向性，构建的社会网络图均为无向图，且图中节点大小由关键词的节点度数决定，节点越大，则说明该关键词出现频次越多;图中边的粗细由关键词之间的权重决定，连线越粗表示关键词之间的关系越密切、共现频率越大。

（一）研究主题与热点

从图2可看出，国内的核心主题包括“综合学习设计”“教学设计”“复杂学习”“整体教学设计”“学习任务”“整体任务”等。其中“综合学习设计”与“教学设计”“复杂学习”和“整体任务”等节点之间距离较近且连线最粗，表明对其研究大多与“教学设计”“复杂学习”和“整体任务”等主题的研究是紧密联系，这也说明综合学习设计的研究主要聚焦教学设计、面向复杂学习和以整体任务形式进行的。其次，与“综合学习设计”连线较粗的是“整体教学设计”“复杂认知技能”和“学习任务”等主题，说明了综合学习设计的研究大多是以整体教学设计、复杂认知技能和学习任务等主题作为具体切入点来开展的。

从图3可看出，国外的核心主题包括“4C/ID model”“教学设计”“认知负荷”“学习环境”“学习任务”“训练”“全任务方法”“复杂学习”和“编程学习”。其中以“4C/ID model”为中心，与其连线最粗的节点包括“教学设计”“复杂学习”“认知负荷”“学习环境”“整体任务方法”“编程学习”等，说明国外对“4C/ID model”研究不仅聚焦教学设计和面向复杂学习，更是与学习者认知负荷的分析、技术支持的在线学习环境设计与编程教育紧密联系的。其次，与“4C/ID model”连线较粗的是“远程教育”“继续教育”“教育游戏”“继续专业发展”等，说明国外在更广泛的教学场景中对综合学习设计的应用进行了挖掘，并探索出了许多新的复杂技能学习场景[5]。

（二）研究主题与子群

使用社会网络分析进行主题分析，还可通过凝聚子群以简化复杂的社会网络结构[6]。使用NodeXL中Girvan-Newman聚类算法对社会网络图谱划分子群，得到国内外综合学习研究子群网络图，分别如图4和图5所示。

从图4看出，国内主要分为6个子群，其中有3个子群呈现出较明显的星形社会网络特征，“综合学习设计”“复杂学习”和“教学设计”分别位于这些子群的中心，与其他关键词之间形成较多的连接，是该子群网络的核心。在另外3个子群中，社会网络关系较简单，表现为对学习任务、教学策略和复杂认知技能的关注。

设计研究子群网络

国内对于综合学习设计的研究围绕着教学设计方法和复杂技能学习展开，一方面，对其在初中信息技术、中学英语教学、大学课堂教学和模拟电子技术等中应用进行实证研究;另一方面，通过将其与自主学习、归纳法、演绎法、指导性发现、以任务为中心的方法等进行结合，表明国内学者在利用综合学习设计促进教学开展了较为深入且广泛的研究。此外，国内学者基于综合学习设计的理论，从认知负荷理论、相关知能习得、整体论、整体任务教学模式等方面对复杂技能学习进行了理论探讨，形成了对复杂技能学习本质和过程的初步整体认知。

从图5看出，国外主要分为8个子群，其中有3个主要子群呈现出较明显的星形网络特征，“教学设计”“认知负荷”和“编程学习”分别处于这些子群的中心，体现出国外综合学习设计研究的重点。另外5个子群中，节点间社会网络关系较为简单，体现出国外对全任务课程、教育游戏、学习环境和学习任务的设计以及专业能力培养等领域的关注。

在综合学习设计与教学设计方面，主要涉及其在物理电路教学和护理学教学等实践领域的应用以及综合学习设计理论的应用与发展，如玛丽·桑塔格将综合学习设计理论中学习者认知图式建构和熟练与建构主义思想、社会学理论等相结合，提出了社会与认知连接图式理论（Social-Connectedness and Cognitive-connectedness Schemata Theory，SCCS）[7]。在认知负荷方面，研究关注在不同技能学习过程中、不同教学策略下以及不同技术支持下学习者认知负荷、学习表现和经验习得之间的关系。在编程学习领域，研究关注学习者思维能力和问题解决能力的发展，以及教师教学方法与教师效能对学习者编程学习效果的影响。

（三）发展趋势

节点中心度是社会网络中各节点的重要特征，可从度中心度、中间中心度和接近中心度三方面衡量。度中心度是节点在网络中所具有的边的权重，中间中心度是经过该节点的最短路径数量的权重，接近中心度可以度量节点与网络中其他节点连接的可能性。在关键词社会网络图谱中，通常采用它们来反映研究领域的发展趋势[8-9]。UCINET是著名的社会网络图谱分析工具，使用它对关键词中心度进行基于多重测量方式（Multiple Measures）计算，以预测国内外综合学习设计研究领域的发展趋势，分析结果见表3。

由表3看出，国内“教学设计”这个关键词较为符合中间中心度高、度中心度与接近中心度低的条件，说明未来一段时间内国内综合学习设计研究的发展仍将围绕应用综合学习设计方法进行教学活动为中心展开。国外“教学设计”“认知负荷”“编程教学”和“严肃游戏”等关键词较为符合中间中心度高、度中心度与接近中心度低的条件，说明未来一段时间内国外综合学习设计研究的发展，仍将聚焦于综合学习设计方法的使用、学习者学习过程中认知负荷的调节以及编程教育等方面。与此同时，将教育游戏融入复杂技能综合学习、对学习者学习行为模式的探究以及针对教师的能力本位教育等可能成为未来综合学习设计发展的重要方向。

四、国内外发展路径分析

为了更好地对国内外发展路径进行分析，在实施步骤五时本文以五年为单位划分一个时间段，对国内外的综合学习设计研究进行分析，通过对比分析国内外的不同发展路径，为国内复杂技能综合学习研究提供启示。

（一）国外发展阶段

1. 初始阶段（2000—2004年）

2000—2004年，国外综合学习设计研究处在提出理论、发展理论、探索应用的初始阶段。在2000年，有学者将认知负荷理论应用于多媒体教学中的研究，并提出将4C/ID教学设计模型用于复杂领域的培训项目设计[10];在2002年，范梅里恩伯尔等提出了复杂技能学习时的十个步骤[11]。其他研究者们也开始将4C/ID模型用于各类复杂技能学习[12-13]，并且开始思考综合学习设计“培训蓝图”中的“支持程序”和“相关知能”[14]。这些研究都为复杂技能综合学习发展奠定了夯实基础。

2. 发展阶段（2005—2009年）

2005—2009年，國外综合学习设计研究逐渐进入发展阶段，研究热点开始初步形成，文章数量有25篇，研究者对该领域的关注也逐渐升温。一方面，国外研究者逐渐认同综合学习作为一种较为成熟的学习理论在复杂技能学习领域的有效性，发展出如社会与认知联结图式理论（SCCS）等特定学习情境中的新理论。另一方面，除了将综合学习设计方法应用于教师培训等职业技能学习场合外，也逐渐形成了诸如专家专业能力传授、在线教学环境构建等针对性较强的热点研究领域[15]，如构建基于ICT的有效教学环境[16];构建飞行管理技能训练系统[17]。可看出，在发展阶段国外学者对该领域的研究价值进行了初步挖掘，并结合ICT在教学场景中的应用进行了延伸探索。

3. 拓展阶段（2010—2014年）

2010—2014年，国外研究进入到了拓展阶段，文章数量达到35篇，基本确定了以综合学习设计方法驱动在线教学环境的构建，促进复杂技能学习的研究发展方向，这其中对教育游戏的关注尤为突出。综合学习设计中的基于真实情景的学习任务设计、相关知能与支持程序的及时呈现以及专项操练的自动化训练等特征，与教育游戏本身对复杂性、趣味性、情景性等需求是非常适配的。有较多的研究者开始聚焦于模拟学习的教学与环境构建等领域，进行基于综合学习设计的教育游戏开发和教育游戏质量评估等研究[18-19]，并同时关注学生游戏过程中的学习动机[20]、认知负荷等方面。对教育游戏的研究充分显示出了国外学者对该领域研究的深入挖掘，，研究与应用模式正逐渐趋于成熟。

4. 成熟阶段（2015—2019年）

在经历过拓展阶段后，2015—2019年，国外研究进入成熟应用阶段，该阶段的文章数量达到73篇。经历了前三个阶段，综合学习设计作为一种有效的解决复杂技能学习的教学设计模式已被证实，并开始被应用于实际的教学中。与此同时，涉及的领域从职业教育领域衍伸到各个教育领域。在K-12教育领域，如探究在小学编程教育中综合学习设计的有效性[21];探究基于4C/ID模型的综合数字学习环境在中学电路教学中对学生学习效果的影响[22];将三维编程环境软件艾丽斯（Alice）与4C/ID模型结合去帮助学生进行编程学习等研究[23]。在高等教育领域，研究者们使用4C/ID模型创建真实学习任务，进行高级编程培训[24]，并通过结合面对面学习和在线学习来刺激混合学习[25]。在医学教育中，将4C/ID模型应用于临床诊断培训和再生性牙髓手术的远程教育中[26-27]。此外，4C/ID模型还被用于程序设计课程开发[28]、Android应用程序开发等[29]。从这一阶段看出，综合学习设计开始向多领域展开，是综合学习设计走向成熟的标志。

（二）国内发展阶段

1. 初始阶段（2005—2009年）

国内复杂技能综合学习设计的研究起步较晚，在2005年之前还处于空白，2005年后，国内的相关研究才开始，主要是理论、方法和概念的引入与介绍。2005年。赵健对4C/ID模型的理论基础和四个核心要素进行了评述[30]，是国内研究者利用基于4C/ID模型的综合学习设计方法，解决复杂技能学习情境问题研究的起点。此后，陆续有研究者对4C/ID模型及其相应理论进行介绍，同时，阐述了综合学习设计模式在中小学课堂教学设计、虚拟环境学习和超媒体学习等教学情境中应用的可能性[31-33]。这一阶段的研究主要集中在对综合学习设计模式概念的引入和解释，初步探讨了该教学设计理论可能的应用场景。

2. 发展阶段（2010—2014年）

2010—2014年，国内该领域研究逐渐进入发展阶段，涌现出大量理论界定和开展课堂教学实践的研究，文章数量有24篇。一方面，国内学者对整体教学设计、综合学习设计和首要教学原理等教学设计模式之间等开展了较为深入的理论探讨[34];另一方面，国内研究者积极探讨综合学习设计在实际教学情境中的应用对学习者在学业成就、知识迁移能力、认知负荷等方面的影响[35]，如曲延华等在“模拟电子技术”课程教学中，证明了其在提高学习者知识迁移能力和整体思维模式等方面的有效性[36];温蕴等构建了以开放式交互平台为支撑的引领式在线教学模式，并证明了其在提高在线学习质量上的有效性[37];此外，还有研究者将其应用在高校专业课设计、英语阅读能力学习等教学领域[38-39]。

3. 拓展阶段（2015—2019年）

2015—2019年，国内学者对基于4C/ID模型的综合学习设计模式的研究进一步增加，并呈现教学情境扩大化和研究内容深入化两个主要趋势，这一阶段的文章数量也达到57篇。在教学应用情境的扩大化上，研究既涉及初中信息技术教育、初中物理教育、STEAM教育、英语口语学习、高校教师远程教学胜任力等基础教育和高等教育领域[40-44]，又涉及房地产专业人才培养、外科护理学、青花瓷鉴赏教师教学设计能力培养等职业教育领域[45-48]。在研究内容的深入化上，一方面，不再局限于对采用综合学习设计与否这一单一影响因素的研究，而是将其与自主学习模式、SPOC翻转课堂教学模式、基于问题的学习模式等因素结合的方式开展研究，并通过建立混合式学习模式针对学习者更深层次特征与更高级能力如学习动机、自主学习能力等方面开展研究[49-51];另一方面，有学者在理论层面对国内可能的切入点进行了剖析，进一步促进了国内该领域研究的发展[52]。

综上分析，国内综合学习设计研究起步虽晚、应用范围较窄，但对于其理论的阐述和模式探究却贯穿研究发展的始终。此外，国内的研究领域呈现单独发展的趋势，而国外的研究领域更加广泛，注重与其他研究领域的结合，例如教育游戏、编程学习等，这充分说明当前我国在这些领域的研究还存在一些滞后，学者对于复杂技能学习方法以及综合学习设计在解决复杂技能学习中应用研究仍缺少应有的关注与重视。

五、后续研究建议

（一）与教育游戏的结合以提高学生兴趣

國外在进入拓展阶段后出现了许多关于教育游戏的研究，反观国内的拓展阶段，关于游戏化的研究基本没有，这一点是十分值得关注的。国内关于教育游戏的研究也有很多，但将综合学习设计用于教育游戏的研究还没开展。而国外的研究已经涉及使用综合学习设计评估游戏在给定的学习环境中的适用性[53]、验证先验知识对学习者在教育游戏中的表现影响[54]、利用4C/ID模型在复杂的学习环境中进行教育游戏等[55]。因此，国内亟须思考的是如何将综合学习设计与教育游戏结合，既能发挥综合学习设计对复杂技能学习的有效性，又能发挥教育游戏提高学生学习兴趣的作用，共同促进综合学习设计与教育游戏的发展。

（二）整合新的教育技术以降低学生负荷

国内研究大多采用传统的教学环境和技术，这对于充分发挥综合学设计中图式建构和图式熟练的效果具有一定的阻碍作用。未来的方向将是通过整合新的教育技术（如混合课程、游戏化、虚拟现实、眼动技术、机器学习等）在通用技能教授领域中降低学生认知负荷的研究[56]。在传统教学环境下，应用综合学习设计可能会在一定程度上增加学生的外部认知负荷，而通过将综合学习设计与技术的整合能有效避免这些因素的影响，达到降低学生的外部认知负荷的目的。而随着新技术支持复杂技能综合学习研究的日趋成熟，综合学习设计定能为复杂技能学习的课程设计和开发提供更为有效地支持。

（三）规模个性化定制以促进深度学习

深度学习作为一种主动且有意义的学习，关注学生行为和情感等方面的投入，同时帮助学生构建复杂的认知结构，强调培养学生的高阶认知目标和高阶思维能力[57-58]。综合学习设计若能提供包括任务动态选择、相关知能与支持程序的实时呈现、知识规则技能的自动测评与反馈等功能的自适应学习系统，则能有效地支持深度学习目标的达成[59]。而实现更符合成本收益的柔性教育系统，需要基于计算机的智能代理和批量目标群体相结合，实现规模化定制，让学习者能够自主控制学习过程，对学习者无法独自处理的问题给予帮助，并提供一些超出其能力范围且富于挑战的学习任务，以帮助学生达到深度学习。

（四）更加广泛的应用以丰富实践领域

目前国内研究虽然也有一些将综合学习设计应用到了不同的研究领域或复杂技能，但这些研究还较为分散且不够深入，大多都是针对某一技能进行一次实验性质的探索，并没有将其作为一种常态化的方法来使用。然而，国外研究已经开始在进行较为常规的教学应用，并且不仅是职业教育领域，在高等教育领域、K-12教育、特殊教育等领域也都已有相关的深入研究。因此，在证实其有效性的基础上，应继续进行更加广泛的应用研究，以丰富国内该领域的实践经验，实现精深入、多场景、常态化的应用。

六、结   语

本文对2000—2019年间发表的有关复杂技能综合学习的235篇论文（英文148篇、中文87篇）的研究主题进行了系统分析和梳理。结果表明该领域的国内外研究重点和趋势主要聚焦于针对复杂技能综合学习的教学设计，尤其是学习任务和学习环境的设计。国外研究者较多关注复杂学习中的认知负荷，以及将其应用于计算机编程教育和将教育游戏融入复杂技能综合学习等方面。

总体来看，国内的复杂技能综合学习研究与国外相比，在研究热点、研究主题以及未来趋势上都有一定的差异，且在研究的深度和广度上也存在一定的差距。通过对比国内外的研究路径，对该领域的未来国内研究给出四点建议：结合教育游戏以提高学生学习复杂知识和专业技能的兴趣、整合新的教育技术以降低复杂学习的认知负荷、实现规模个性化定制以促进深度学习、进行更加广泛的应用以丰富实践领域，以促进国内的复杂技能综合学习研究的进一步发展。

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