基于翻转课堂的认知诊断在教学中的实践研究

过 珺

(安徽中医药高等专科学校基础教学部 安徽芜湖 241003)

信息化的快速发展给教育注入了强劲动力，信息化与教育的结合形成了很多新兴的教学方式，在一定程度上缓解了传统课堂的矛盾。 目前高校教师使用的混合式教学、翻转课堂等，使师生利用课余时间进行教学活动成为可能，从而课内时间可以更高效地帮助学生进行知识的内化；但是这些方法在实际使用过程中也存在一些问题。例如，教师在教学过程中缺少对学生学习情况的诊断，使教师对学生学习效果的掌握是滞后的。教师错过教学的最佳补救时间，学生的学习热情降低、学习效果减弱；另外教师对学生学情的把握大部分来源于测试成绩，当教师在面对有相同成绩的学生时，并不能分辨其认知结构、解题过程等信息，因此不能针对性地对学生实施补救教学和因材施教。在这种情形下以翻转课堂为背景的认知诊断方案可以有效解决当前在教学中出现的问题。认知诊断可以帮助教师精准地掌握每位学生的知识点掌握情况，分析学生的学习效果，方便教师及时改变教学策略，有效组织教学。

1 认知诊断及其过程

1.1 认知诊断及其相关概念

涂冬波教授认为认知诊断有广义和狭义之分，广义的认知诊断通常是指通过观察被试的分数，探索被试内部认知特征。狭义的认知诊断是指在教育领域中，根据相关理论和工具对认知诊断知识或技能进行的研究工作。

认知属性是认知诊断的基本单位，是被试正确完成给定测验时所必需的知识、技能等。认知属性之间的相互关联，使得其之间的层级关系有“直线型”“收敛型”“分散型”和“无结构型”四种结构。

Q矩阵是表示测验项目与属性间关系的矩阵，由J行K列的0-1矩阵组成(J表示测验项目数，K表示测验中所测量的属性的个数)。Qjk为0表示项目j没有测量k属性；反之则认为项目j测量了k属性。

邻接矩阵(A矩阵)是K行K列的0-1矩阵(K指属性个数)，表示认知属性间的关系；如果认知属性间是直接关系，则矩阵中对应的元素为“1”，否则为“0”。

理想测量模式是依据属性间的层级关系，确定所有符合逻辑的测验项目考核模式种类；理想掌握模式是以属性间的层级关系，推理符合逻辑的掌握模式，由一个K列的0-1矩阵组成。“1”代表掌握了该属性，“0”代表未掌握；理想反应模式表示被试只有掌握了项目考核的所有属性才能答对该题，否则被试将不能答对该题。其表示被试在不存在任何失误和猜测等误差条件下对项目的作答反应情况。

1.2 DINA模型

随着认知诊断概念的提出，相关模型层出不穷。其中DINA模型因为其简单及容易理解的模型架构，模型的拟合度好，而被广泛使用；其对二值计分的测验项目有很好的诊断效果。

该模型认为，如果被试完全掌握了试题考查的所有知识点，那么他就能够正确回答该试题；否则他将不能正确回答试题。在已知被试i的知识点掌握情况αi的条件下，答对试题j的概率如公式(1)所示：

(1)

其中Xij表示被试i在试题j上的得分情况，Xij=1表示被试回答正确，Xij=0表示被试回答错误；gj表示被试在并不完全掌握试题j所考查的所有知识点的情况下猜对的概率，sj表示被试在掌握了试题j所考查的所有知识点的情况下做错的概率。

1.3 认知诊断过程

认知诊断过程是通过分析各知识点的属性，找出其中符合逻辑的层级关系，并对其编码，以此计算被试的认知模型。

首先确定一节课的所有知识点，并分析各知识点之间的层级关系；其次依据层级关系对各知识点进行编码，形成本节课所有知识点的A矩阵。并将其输入至涂冬波教授的认知诊断分析平台(FlexCDMs)，得到所有知识点的理想测量模式、理想掌握模式、理想反应模式；再根据理想测试模式、试题来确定Q矩阵。并将Q矩阵和学生的实际测试成绩经过编码后输入认知诊断分析平台，得到被试属性掌握概率、模式反应概率等，以此判断被试在没有猜测和失误的情况下对相关知识点的掌握情况。

2 认知诊断在教学中的应用

2.1 翻转课堂背景下的认知诊断实施方案

整个教学过程分为课前、课中、课后三个阶段。课程的翻转是课前翻转，所有教学任务的发布和数据回收均通过教学平台完成，具体如表1所示。

表1 翻转课堂下的认知诊断实施过程

翻转课堂是将学习进程前移的一种新型的教学模式。具体而言：由教师在课前给学生提供教学相关视频、教学课件等各种形式的学习资料，学生在课前完成对所有学习资源的学习，并根据实际情况自主查阅相关文献资料以补充学习；在课堂上师生则共同对作业中的问题进行探究和互动交流等，帮助学生完成知识的吸收内化过程。

2.2 认知诊断在教学中的实际应用

以高等教育出版社出版的《医学计算机应用基础》(第三版)中的“Excel2010公式与函数”为授课内容举例。本节知识点有：① 公式和函数的基本概念及组成；② 相对引用、绝对引用、混合引用的概念；③ 常用函数的使用；④ 利用公式和函数解决实际问题。

1) 自测题编制。本节内容中“公式和函数的基本概念及组成”非常简单，通过对近5年学生的学习调查发现，他们都已很好地掌握了该知识点，所以在课前测试中并没有考量这个知识属性。列出该部分知识点(如表2所示)以及其层级关系(如图1所示)，并梳理A矩阵(如表3所示)。将A矩阵输入认知诊断平台，得到理想测量模式、理想掌握模式(如表4、5所示)；以理想测量模式为标准并考量测试时间等因素，编制相应的测试卷发布到教学平台，便于学生课前自测。

表2 属性编码表

图1 属性层次图

表3 课程A矩阵

表4 理想测量模式

表5 理想掌握模式

通过对表4的理想测量模式分析可知，第1种理想测量模式是题目将只考核“相对引用”这个知识点，第3种理想测量模式是题目将考核三种引用方式；依此类推，第10种理想测量模式是题目将考核除“函数的综合应用”之外的其他四个知识点。

而表5是理想掌握模式，第1种符合逻辑的理想掌握模式(00000)表示学生对所有知识点都一无所知；第4种理想掌握模式(00010)表示学生只掌握了“常用函数的使用”这个知识点；第9种理想掌握模式(01010)表示学生掌握了“绝对引用”及“常用函数的使用”这两个知识点。

2) 认知诊断的应用。将学生自测成绩经过0-1编码后输入认知诊断平台，得到基于DINA模型的学生知识掌握模式，该模式的数据是在排除了学生猜测和失误的前提下得到对知识点的掌握情况。

表6显示的是部分学生的知识掌握模式，其中第一列是每位学生的编号，通过分析该表可以看到每位学生对每个知识点的掌握情况，1表示已掌握，0表示未掌握。表6显示大部分学生对知识点的掌握情况是符合之前的理想掌握模式，但还有少部分学生不在其中，比如ID5(10101)。数据显示该学生掌握了“相对引用”“混合引用”和“函数的综合应用”，但没有掌握“绝对引用”和“常用函数的使用”这两个知识点。这个结论很明显不符合逻辑，因为“混合引用”建立在“相对引用”和“绝对引用”的基础上，没有掌握“绝对引用”无法通过“混合引用”的测试。因此这类学生可以考虑是出现了猜测或是失误等问题，需要教师对这部分学生进行单独谈话并了解数据的真实性。

表6 学生实际反应模式(部分学生)

另外教师可以通过有针对性地给学生发布点对点的习题和资料，帮助学生个性化地学习。例如ID6(11100)学生对“常用函数的使用”“函数的综合应用”掌握得不好，那么教师可以在课后针对性地对推送相关习题和资料，让其在课堂教学之后检测自己的学习效果，通过对相关资料的复习以加深学习的内化程度。

在表6中，除去不符合逻辑的部分学生之外，数据显示班级大部分学生对“相对引用”“绝对引用”掌握情况良好，对其他知识点则表现欠佳，教师在上课时就可以对后三个知识点进行重点讲解并辅之以习题，帮助学生理清思路；同时教师利用组内讨论的方式，通过学生的互帮互助，帮助对常规知识点掌握不好的学生解决学习上的困惑。利用课前诊断，教师不仅可以更高效地利用课堂时间帮助学生内化知识，而且教师还可以根据每位学生不同的学情，针对性地开展教学活动。

3 实验结果分析

3.1 实验方法

1) 研究目标。假设：基于DINA模型的认知诊断应用于计算机基础的翻转课堂是可行的；其实施可以提升教师精准教学的程度，提升课堂教学效果。实验自变量是基于翻转课堂的认知诊断的应用；实验因变量是提升教师精准教学的程度，提升课堂教学效果。实验采用单因素等组实验设计。

2) 实验条件处理。实验对象：选择安徽中医药高等专科学校2020级药剂专业1班为实验组、2020级药剂专业2班为控制组；两组由同一位教师授课。实验组的班级实施翻转教学模式，并在课前引入了认知诊断测试；控制组的班级仅实施了翻转教学。两者的实施因素如表7所示。在单元结束后，两个班级均参加单元测验，试卷内容相同，评分标准相同。

表7 实验组、控制组实验因素比较

3) 统计学原理。采用柯克兰-柯克斯t检验，将两个班学生本章节的单元测验成绩进行差异显著性比较。柯克兰-柯克斯t检验。公式如下：

(2)

(3)

3.2 结果分析

1) 实验组与控制组单元测验成绩数据统计见表8。

表8 实验组与控制组单元测验统计表

2) 实验组与控制组学习信心的比较，见表9。

在单元结束后，笔者对学生的学习信心进行问卷调查，两个班的反馈如表9所示。数据显示：加入了认知诊断的班级，学生对学习更有信心。学生的反馈是：有了课前诊断，教师可以及时发现他们在学习中的问题并利用课堂时间进行详细讲解，让他们在较短的时间内解决学习中的疑问；减少他们以前在学习上的挫败感，重塑学习的信心，也提升他们的学习兴趣。

表9 实验组与控制组学习信心对比

3) 实验组对这种教学方法的满意度调查，见表10。

表10 实验组学生满意度调查

课后笔者对加入认知诊断的班级进行了教学满意度调查，满意度如表10所示。实验组的学生大部分对使用认知诊断的教学更为满意。学生认为这种教学方案让其在课前就意识到自己知识的漏洞，在课堂上他们就会更加有针对性地学习，这种方式提升了其学习效率；另外教师会根据学生个人情况推送不同的学习资源，也满足了其对学习的不同需求。

4) 教师的教学体会。本单元结束后，教师反馈加入认知诊断的教学，比之前更能从客观上抓住教学的重难点。之前对于教学重难点的把握很多都是通过教学大纲或是教师多年的教学经验，是主观认知。但随着学生的信息化水平的提高，教师发现这几年对于教学重难点的把握并不是很准确。在加入认知诊断之后，学生的反馈数据帮助教师及时调整教学重难点。

同时教师还认为，认知诊断的结果可以帮助他们客观地了解每位学生的学习情况，并根据客观数据实施因材施教，满足不同层次学生的学习需求，提升了教学效率，也提升了课堂教学的幸福指数。但是认知诊断工作的加入，不仅要求教师有扎实的教学功底和丰富的教学理论，还增加了教师的工作量，对教师的教学能力和教学素养都提出了更高的要求。

4 研究结果

通过对翻转课堂和认知诊断进行研究，发现认知诊断是深化翻转课堂的有效途径。本研究在翻转课堂基础上，构建了融入认知诊断的教学设计。选取公式和函数课程进行教学实验，然后对实验对象在学习效果、学习信心、满意度方面进行调研。经过对实验数据分析，证明以翻转课堂为背景的认知诊断在促进课堂教学效率、提升学生学习信心等方面起到一定的作用。

受研究时间和个人能力的限制，本研究具有以下局限性：首先，本次教学实验是以2个药剂班的学生为研究对象，研究对象少，研究对象专业单一；其次，本次实验由于参与的教师少，对教师的反馈缺少数据支持。如果要进一步验证翻转课堂背景下的认知诊断对学习效果的促进作用，则需要在不同的学科以及大量的实验对象的支持下进行教学实验，这也是未来的研究方向。