基于学科知识图谱的智慧课堂教学问题设计方法及举隅

蒋禹飞，唐烨伟，孙宏志

“问题教学法”作为一种发展学生思维、培养学生问题解决能力的重要教学方法，能有效促进学生经历智慧学习过程，发展智慧。在传统的课堂教学中“问题教学”的效果往往并不理想，究其原因，主要在“问题”本身的设计上，主要表现为：问题的提出盲目性较强，问题之间缺少系统性和层次性，导致学生思维活动缺乏有效的指向性；问题数量设计不合理，数量不均衡，问题缺乏结构性和联系性，容易使学生思维活动偏离主题；问题难度设计不恰当，浅层次的问题缺少思维含量，难以促进学生深入思考问题；问题的设计缺乏情境性和新意，难以激发学生的兴趣。[1]学科知识图谱是一系列用来展示学科知识组织结构和内在逻辑的图形，[2]能为智慧课堂中教学问题的设计提供有效依据，而基于学科知识图谱设计的问题具有深度性、生成性、劣构性等特点，问题的设计目标指向发展学生的高阶思维，培养学生分析问题、解决问题的能力，这与智慧课堂的教学理念不谋而合。因此，本文尝试从学科知识图谱出发，从基础知识、策略知识、方法知识三个角度列举不同学科案例进行问题设计的分析。

一、研究概述

(一)学科知识图谱

知识图谱在发展伊始主要服务于自然语言处理、推荐系统、机器学习、问答系统等方面。[3]近年来，随着大数据、人工智能等技术的发展，知识图谱逐渐成为教育领域中知识可视化的研究热点，在自适应学习、个性化学习、深度学习等方面的应用备受关注，并且逐渐出现了教育知识图谱、学科知识图谱、课程知识图谱等概念。[4]

对于知识图谱的界定，我国学者给出了不同见解。有学者认为知识图谱是根据知识点之间潜在的逻辑关联性而构建的网状知识结构图，它为教育者和学习者提供了从知识的角度去认知事物的能力；[5]还有学者认为学科知识图谱是基于结点之间的关系构成的知识库，结点是由知识点或与知识点相关的教学资源组成，不同的结点以标识符作为区分，结点之间的关系表现的是知识点与知识点之间、知识点同教学资源之间以及教学资源之间的关系；[6]也有学者认为知识图谱是以学科具体问题或任务为线索，将解决问题或完成任务可能的策略与方法有序组织，将所涉及的学科基础知识与策略和方法有机关联，在此基础上，由学科基本问题或任务逐步迭代出复杂问题或任务的解决策略和方法，建立复杂问题或任务解决策略和方法。[7]学科知识图谱是知识图谱在具体学科知识中的显现，有利于学生对学科知识进行系统学习和整体把握，借助它能够充分衡量出学生的学科知识与技能、学科思维能力、学科精神、共性思维能力等方面情况。从某种程度上说，学科知识图谱是学科教学的基石，是学生在该学科中应学习的所有内容，是学科教学优劣的量化评价标准。

学科知识图谱基于不同学科的课程标准与要求、学科知识体系结构进行构建，并充分考虑学生的认知规律、学习特点、内容的难易程度和关联关系、学习知识点呈现的先后顺序、同一个知识点在不同学习阶段的不同要求等。[8]比如，初中物理知识点“牛顿第一定律”的教学目标是知道力与运动的关系，理解牛顿第一定律的内容，能够利用惯性解释日常生活中的现象；而高中物理知识点“牛顿第一定律”的教学目标要求学生能够理解理想实验法，在了解实验过程的基础上，领悟学科思维，通过实验建立起对牛顿第一定律的深层次认知。可见，同一个知识点，面对不同认知水平、不同阶段的学生，其教学目标也存在很大差异，这些都要在学科知识图谱的构建中有所体现。[9]

(二)智慧课堂

智慧课堂是基于智能技术构建的智能、高效、精准的课堂，以实现学生的个性化发展为价值追求，其目的是推动智慧教学的创新，促进学习者转识为智、智慧发展。[10]与传统课堂教学所倡导的“智慧教学”不同的是，智慧课堂环境下的教学能够有效整合各种先进的技术与优质的资源，为学习者打造一个具身化、泛在式的智能学习环境，使教学更有针对性、更加精准化，以促进学习者进行智慧学习，为学习者精准推荐学习资源，以学定教，培养学生的高阶思维与智慧学习能力。智慧课堂的教学以教学目标多元化、学习内容个性化、学习资源优质化、教学组织多样化、教学评价智能化为主要特征，智慧课堂的教学更加注重对学生情感、态度、价值观、信息素养等方面的培养，学习内容根据学生学习风格与认知水平进行个性化推送，在智能技术支撑下的智慧课堂教学能精准监测学生的学习情况，为学习者和教师及时提供反馈，动态调整学习节奏，学习的过程数据与结果数据为教学评价提供有效的依据。

(三)智慧课堂中的教学问题设计

智慧课堂教学中的问题，是能够引领学生经历发现、构想、推理、抉择、归纳、创造、评价、反思等一系列思维活动的问题，是教师依据学生特点，结合教学内容和知识间的关联设计的问题。问题的提出能够较好地引发学生的思维活动，促使学生深度思考，自主探究，产生良好的思维成果。在解决问题的过程中进行知识建构，提升思维，提高能力。基于此，智慧课堂教学中的问题设计应具备以下几点特征：

1.指向学生高阶思维发展

思维是学科教学的核心，培养学生的高阶思维是智慧课堂的目标所在，通过问题引领，让学生产生学习的兴趣，激发思维的火花。根据布卢姆对教学目标的分类，智慧课堂中的教学问题设计应该指向高层次的认知水平，即分析、评价、创造。问题的解决需要学生进行发现、构想、分析、推理、决策、归纳、评价、创造、反思等思维活动，而不是仅仅通过对知识的简单迁移应用就能得到答案，高阶问题的设计能够有效地将学生的思维从低阶引向高阶，促使思维水平的提升。

2.引领学生经历智慧学习过程

在智慧课堂教学中，学生问题解决的过程正是思维发展的过程，是经历智慧学习的过程。高阶问题的设计要能够有效激发学生解决问题的欲望，依托智慧课堂环境中的学习资源对问题进行深入剖析，在解决问题的过程中运用多种策略和方法，运用对比、分析、归纳、推理等思维活动解决问题。问题的解决方式、解决过程表征着学生的智慧学习效果，深度性、劣构性、生成性的问题能够较好地引领学生智慧学习过程。

3.生成具有思维含量的学习成果

在经历智慧学习过程后，学生的学习成果不仅仅体现在知识的获得和技能的习得方面，更重要的应该是生成有思维含量的、能够体现一定的思维价值和创造性的学习成果。学生学习风格、学习内容不同，其成果表现形式也是不同的，比如概念原理类课程的学习成果可能是绘制思维导图，物理、科学等课程的学习成果可能是设计实验方案、制作实验作品，文史类课程的学习成果可能是撰写文章、发表见解等，这些学习成果是学生解决问题时深入思考后的产物，也是思维发展的见证。在智慧课堂环境下，学生可以将自己的学习成果上传到学习平台，学生之间相互学习、相互评价，有助于学生进行课后自我反思，提高自我调节的学习能力。

二、基于学科知识图谱的问题设计要求及类型

在智慧课堂教学中，教师要想精确了解每位学生的学习状态和是否达成了知识、能力目标以及达成的程度，较为恰当的评价方式是给出能够检测知识能力水平的问题或任务。通过问题或任务的完成情况，确定学生的学习效果。要想全面、准确地检测诊断学习者的学习情况，需要建立系统完整的问题体系，且问题数量设置合理，问题过多会冗余，过少可能导致评定不全面，这样设计问题的集合能够有效评价学生的学习情况和目标达成情况。[11]其设计需要基于具体的学科知识体系，这个体系应该包含学科基础知识内容、复杂问题及其解决办法或措施，这样基于此体系设计的问题能够有效检测学生的知识水平与能力水平。

问题的确定需要针对知识点或知识片段，从记忆、理解、应用、分析、综合、评价、创造等层面，分别准备相应层次的核心问题。[12]在确定核心问题时，应充分考虑到训练、测试等实际学习需要，设计有效且数量合理的问题；要充分考虑到内容体系的重点程度，准备出相应层面的核心问题。而学科思维能力、学科精神、共性思维能力及品德修养等方面的评定，除了在学科知识与能力评定过程中完成以外，还应有专门的探究性问题来进行评价。构建学科知识图谱，不仅有利于学生对学科知识的整体把握，也有利于教师从整体上对学生的学科知识、学科素养等情况进行评估。将问题与问题的解决策略、解决方法相互联系在一起，形成一个完整的体系，这个体系便是学生学习的目标，智慧课堂教学的目的是将这个体系内化在学生的认知结构中，并转换为学生的问题解决能力，培养学生的思维能力、综合素养等。[13]学科知识图谱的构成不仅包含教材中的基础性知识和基本方法，还包括应用知识解决复杂问题的策略知识和方法知识等，其构成要素如图1所示。根据构成要素，设计智慧课堂教学问题的方法有以下几个方面。

图1 学科知识图谱的构成

(一)紧扣核心问题的结构化问题设计

在学科知识图谱中，每一小节或者单元的知识内容都具有一个核心的知识点，其他知识点是这个核心知识点的基础或延展。核心问题是指能整合学科知识图谱中的重点内容，能涵盖核心内容，并与学生实际经验和思维水平密切相关联，激发和推进学生探究学习，并贯穿整节课的那些问题。核心问题是教师教学活动围绕其展开的中心问题，是教学活动的中心任务。教师将核心问题作为教学主线，无论是教师课堂教学活动，还是学生自主学习过程，都以核心问题为中心原点而开展、发散，核心问题将课堂教学各部分有效连接起来，一边连接着核心内容、核心目标，另一边连接着学生活动。[14]核心问题的设计应该能够检测出学生对核心知识的理解与应用情况，最好是劣构性问题、发散性问题，以促使学生采用分析、比较、联想、归纳、推理等思维方法解决问题。基于不同的知识类型，核心问题可分为基础知识核心问题、方法知识核心问题、策略知识核心问题。每一类知识问题均可作出延伸式、结构化的详细设计，如图2所示。一节课中可能会涉及指向不同知识类型的问题，要将每一类知识、每一个问题之间的结构层次划分清楚，而指向不同类型知识的问题之间应该是相辅相成、紧密联系的。

(二)循序渐进的梯度化问题设计

问题的设计应遵循由简到繁、由浅入深的原则，既要有浅层次的直观问题，又要有推理、分析、归纳性的引发深度思考的问题。学科知识图谱中的基础知识、复杂问题及其策略知识、方法知识之间成为一个体系，为问题集的梯度设计提供了良好的依据。问题之间难度落差不宜太大，难度过大会打击学生的自信心，失去对问题探究的兴趣。合适的问题能让学生逐步掌握知识内容，使学生的思维活动逐渐活跃起来，走向深入。[15]问题间的难度应该建立合适的梯度，教师应依据学科知识图谱，设计出一系列层次化且相互关联的问题，层层深入，达到使学生掌握知识、发展智慧能力的目的。这样可以引导学生的学习从记忆、理解层面过渡到运用分析、综合评价层面，充分体现问题的梯度性。

(三)面向思维培养的劣构化问题设计

智慧课堂教学以培养学生高阶思维、发展学生能力为价值取向，所以课堂教学问题的设计应指向对思维的培养。高阶思维要求学习者能够将新知识和存储在记忆中的信息联系、重新组织起来，以便达到学习目标或在复杂情况下思考出问题答案。促进学生高阶思维发展的问题应尽可能指向分析、评价、创造等高层级认知水平，促使学生在解决问题的过程中发生高阶学习行为。学科知识图谱中包含的策略知识、方法知识为劣构问题的设计提供依据和指向，能够促使学生利用这些知识去解决问题。劣构问题是基于复杂情境的、生成性的、没有标准答案的问题，所以学生的思维不会受到局限，可以发散思维进行成果创造。复杂情境下的问题设定要能够促使学生分析问题、解决问题，这一分析过程同时也是学生知识建构和问题解决的过程，学生经历分析、评价、创造等一系列智慧学习活动才能生成智慧性学习成果。思维成果的分享能够使学生更加全面地认识自己，批判性地接受和学习别人的观点，从而提升高阶思维能力。

三、基于学科知识图谱的问题设计举隅

(一)指向基础知识的问题设计

基于学科知识图谱的基础知识教学中的问题设计，关键是对知识内容进行深入分析，首先确定基础知识核心问题，针对核心问题，结合教学目标中指向的不同思维活动水平，对基础知识进行划分，设计出从低阶到高阶的问题集。根据布卢姆教学目标划分的六个层次和学科知识图谱中的基础知识，以人教版英语七年级Unit 9“What does he look like?”中的一部分Section B“Reading An Interesting Job”为例，构建围绕基础知识核心问题的问题设计，见表1。

表1 “Reading An Interesting Job”问题设计

这节课包含着多个知识点，知识点之间有着一定的逻辑关系。不同层级问题的设计有效地将知识间的逻辑关系梳理清晰，通过解决从低阶到高阶的问题，一步步引导学生解决核心问题。从表1可以看出，对于低阶问题，学生通过阅读课文、对课文进行浅层次分析就能直接找到答案，学生问题解决情况能够有效地反映学生基础知识掌握情况。而高阶问题的解决需要学生在掌握知识的基础上进行归纳、推理、联想等思维活动后，形成自己对于文本内容的深刻理解，从而解决问题。低阶问题为高阶问题的解决打下基础，问题之间难度层层递进，相互联系，通过解决这些问题，形成对知识深刻、全面的理解，从而理解文章主旨，解决核心问题。

(二)指向策略知识的问题设计

策略知识问题的设计要体现对学生智慧能力的培养，问题间需要有明确的指向性、结构性，不同问题对学生的思维能力的培养层次是不同的，但是问题间需要有明确的联系，或并列，或分化，或因果，或包容，或递进，所有问题间的关系共同为解决核心问题、引领学生经历智慧学习过程、发展思维而服务。以高中语文《我与地坛》这篇散文为例，为了使学生明确地坛景物和作者认知的关系，设计策略知识的核心问题：通过对文章的分析与思考，联系生活实际，总结文章给了自己什么启示与感悟，围绕这一核心问题对策略知识进行问题的设计(如图3所示)。

图3 《我与地坛》问题设计

从以上问题可以看出，归纳策略、推理策略、联想策略的问题设计都是相互关联和递进的，比如归纳策略中问题1和2互相并列，推理、联想策略中问题3至6层层递进，各个问题彼此关联，学生在解决了推理策略中的问题后，能够从作者的视角出发理解命运，推理策略有助于学生对文本内容进行深入探索。在此基础上，运用联想策略促使学生联系自身的实际生活感悟生命价值，并逐渐从景物和对生命感悟的关联中探究更具深度的问题，这样学生的思维活动既植根于文本又不局限于文本。解决指向上述策略的子问题是解决核心问题的基础，对子问题分析、归纳后学生能够形成个人对文本内容的理解与认知，但不同学生的原有经验、认知特点、生活背景各不相同，解读相同的文本内容会产生不同的理解和感悟，学生在解决核心问题的过程中运用联想、归纳等策略，联系自己的实际情况得出感悟，最终实现学科知识、能力与情感等目标的各个击破。[16]

(三)指向方法知识的问题设计

指向方法知识的问题可以让学生在解决问题的过程中回顾、整合、巧用已掌握的知识、方法、规律等，在分析、解决问题的同时，训练其归纳、分析、综合等思维。以初中物理“探究影响压力作用效果的因素”这一知识点为例，设计如下问题。

核心问题——“探究影响压力作用效果的因素”这一实验过程中所用到的物理方法与思想。

问题1——实验：两根手指以同样大小的力分别抵住钢笔的头和尾，感觉哪根手指更疼？

问题2——思考：根据实验感受，两根手指受力大小一样吗？

问题3——实验：用一只手的掌心和另一只手的一根手指对气球施加同样大小的力，观察掌心、手指表面和气球两侧的形状变化情况，阐述自己的发现，逐渐增大力度，形状会有怎样的变化？

问题4——小组讨论：针对上述现象，说一说自己的发现，你能提出什么有价值的、可探究的问题？

问题5——小组讨论：思考“探究影响压力作用效果的因素”这一实验所用到的实验方法，深入思考如何改变实验要探究的影响因素？怎样对比压力的作用效果？

问题6——小组合作：选择合适的器材设计实验，来验证自己的猜想，对比看哪个小组的方法多。

从上述问题可以看出，解决核心问题有一定的难度，若没有子问题铺垫直接解决核心问题，会让学生难以找到解题方向，也容易失去探究学习的兴趣。案例中将核心问题划分为多个子问题，前三个子问题由生活中的现象引出，较为简单，学生通过实验感受总结就能作答，较好地激发了学生的学习兴趣。问题4逐渐走向深入，引发学生深层次思考并提出问题。问题5运用控制变量法来设计实验，并运用转换法来比较，前面问题的铺垫有效地为学生指明解决问题的方向。问题5能够提高学生利用转化方法解决问题的能力。问题的难度层层递进，一步步引导学生对核心问题的理解，让学生调动自己的思维解决核心问题，在解决子问题的过程中理解实验所运用的物理思想和方法。问题6为开放性实验设计问题，学生类比前面的探究过程可以进行本次实验的设计，培养学生利用类比思想解决问题的能力，激发学生的积极性和创造性。

智慧课堂教学可以有效提升教育教学质量，探索与现代教育技术相适应的教学新策略、新方法，是教育发展的要求和题中之义。