基于學科知識圖譜的智慧課堂教學問題設計方法及舉隅

蔣禹飛，唐燁偉，孫宏志

“問題教學法”作為一種發展學生思維、培養學生問題解決能力的重要教學方法，能有效促進學生經歷智慧學習過程，發展智慧。在傳統的課堂教學中“問題教學”的效果往往并不理想，究其原因，主要在“問題”本身的設計上，主要表現為：問題的提出盲目性較強，問題之間缺少系統性和層次性，導致學生思維活動缺乏有效的指向性；問題數量設計不合理，數量不均衡，問題缺乏結構性和聯系性，容易使學生思維活動偏離主題；問題難度設計不恰當，淺層次的問題缺少思維含量，難以促進學生深入思考問題；問題的設計缺乏情境性和新意，難以激發學生的興趣。[1]學科知識圖譜是一系列用來展示學科知識組織結構和內在邏輯的圖形，[2]能為智慧課堂中教學問題的設計提供有效依據，而基于學科知識圖譜設計的問題具有深度性、生成性、劣構性等特點，問題的設計目標指向發展學生的高階思維，培養學生分析問題、解決問題的能力，這與智慧課堂的教學理念不謀而合。因此，本文嘗試從學科知識圖譜出發，從基礎知識、策略知識、方法知識三個角度列舉不同學科案例進行問題設計的分析。

一、研究概述

(一)學科知識圖譜

知識圖譜在發展伊始主要服務于自然語言處理、推薦系統、機器學習、問答系統等方面。[3]近年來，隨著大數據、人工智能等技術的發展，知識圖譜逐漸成為教育領域中知識可視化的研究熱點，在自適應學習、個性化學習、深度學習等方面的應用備受關注，并且逐漸出現了教育知識圖譜、學科知識圖譜、課程知識圖譜等概念。[4]

對于知識圖譜的界定，我國學者給出了不同見解。有學者認為知識圖譜是根據知識點之間潛在的邏輯關聯性而構建的網狀知識結構圖，它為教育者和學習者提供了從知識的角度去認知事物的能力；[5]還有學者認為學科知識圖譜是基于結點之間的關系構成的知識庫，結點是由知識點或與知識點相關的教學資源組成，不同的結點以標識符作為區分，結點之間的關系表現的是知識點與知識點之間、知識點同教學資源之間以及教學資源之間的關系；[6]也有學者認為知識圖譜是以學科具體問題或任務為線索，將解決問題或完成任務可能的策略與方法有序組織，將所涉及的學科基礎知識與策略和方法有機關聯，在此基礎上，由學科基本問題或任務逐步迭代出復雜問題或任務的解決策略和方法，建立復雜問題或任務解決策略和方法。[7]學科知識圖譜是知識圖譜在具體學科知識中的顯現，有利于學生對學科知識進行系統學習和整體把握，借助它能夠充分衡量出學生的學科知識與技能、學科思維能力、學科精神、共性思維能力等方面情況。從某種程度上說，學科知識圖譜是學科教學的基石，是學生在該學科中應學習的所有內容，是學科教學優劣的量化評價標準。

學科知識圖譜基于不同學科的課程標準與要求、學科知識體系結構進行構建，并充分考慮學生的認知規律、學習特點、內容的難易程度和關聯關系、學習知識點呈現的先后順序、同一個知識點在不同學習階段的不同要求等。[8]比如，初中物理知識點“牛頓第一定律”的教學目標是知道力與運動的關系，理解牛頓第一定律的內容，能夠利用慣性解釋日常生活中的現象；而高中物理知識點“牛頓第一定律”的教學目標要求學生能夠理解理想實驗法，在了解實驗過程的基礎上，領悟學科思維，通過實驗建立起對牛頓第一定律的深層次認知。可見，同一個知識點，面對不同認知水平、不同階段的學生，其教學目標也存在很大差異，這些都要在學科知識圖譜的構建中有所體現。[9]

(二)智慧課堂

智慧課堂是基于智能技術構建的智能、高效、精準的課堂，以實現學生的個性化發展為價值追求，其目的是推動智慧教學的創新，促進學習者轉識為智、智慧發展。[10]與傳統課堂教學所倡導的“智慧教學”不同的是，智慧課堂環境下的教學能夠有效整合各種先進的技術與優質的資源，為學習者打造一個具身化、泛在式的智能學習環境，使教學更有針對性、更加精準化，以促進學習者進行智慧學習，為學習者精準推薦學習資源，以學定教，培養學生的高階思維與智慧學習能力。智慧課堂的教學以教學目標多元化、學習內容個性化、學習資源優質化、教學組織多樣化、教學評價智能化為主要特征，智慧課堂的教學更加注重對學生情感、態度、價值觀、信息素養等方面的培養，學習內容根據學生學習風格與認知水平進行個性化推送，在智能技術支撐下的智慧課堂教學能精準監測學生的學習情況，為學習者和教師及時提供反饋，動態調整學習節奏，學習的過程數據與結果數據為教學評價提供有效的依據。

(三)智慧課堂中的教學問題設計

智慧課堂教學中的問題，是能夠引領學生經歷發現、構想、推理、抉擇、歸納、創造、評價、反思等一系列思維活動的問題，是教師依據學生特點，結合教學內容和知識間的關聯設計的問題。問題的提出能夠較好地引發學生的思維活動，促使學生深度思考，自主探究，產生良好的思維成果。在解決問題的過程中進行知識建構，提升思維，提高能力。基于此，智慧課堂教學中的問題設計應具備以下幾點特征：

1.指向學生高階思維發展

思維是學科教學的核心，培養學生的高階思維是智慧課堂的目標所在，通過問題引領，讓學生產生學習的興趣，激發思維的火花。根據布盧姆對教學目標的分類，智慧課堂中的教學問題設計應該指向高層次的認知水平，即分析、評價、創造。問題的解決需要學生進行發現、構想、分析、推理、決策、歸納、評價、創造、反思等思維活動，而不是僅僅通過對知識的簡單遷移應用就能得到答案，高階問題的設計能夠有效地將學生的思維從低階引向高階，促使思維水平的提升。

2.引領學生經歷智慧學習過程

在智慧課堂教學中，學生問題解決的過程正是思維發展的過程，是經歷智慧學習的過程。高階問題的設計要能夠有效激發學生解決問題的欲望，依托智慧課堂環境中的學習資源對問題進行深入剖析，在解決問題的過程中運用多種策略和方法，運用對比、分析、歸納、推理等思維活動解決問題。問題的解決方式、解決過程表征著學生的智慧學習效果，深度性、劣構性、生成性的問題能夠較好地引領學生智慧學習過程。

3.生成具有思維含量的學習成果

在經歷智慧學習過程后，學生的學習成果不僅僅體現在知識的獲得和技能的習得方面，更重要的應該是生成有思維含量的、能夠體現一定的思維價值和創造性的學習成果。學生學習風格、學習內容不同，其成果表現形式也是不同的，比如概念原理類課程的學習成果可能是繪制思維導圖，物理、科學等課程的學習成果可能是設計實驗方案、制作實驗作品，文史類課程的學習成果可能是撰寫文章、發表見解等，這些學習成果是學生解決問題時深入思考后的產物，也是思維發展的見證。在智慧課堂環境下，學生可以將自己的學習成果上傳到學習平臺，學生之間相互學習、相互評價，有助于學生進行課后自我反思，提高自我調節的學習能力。

二、基于學科知識圖譜的問題設計要求及類型

在智慧課堂教學中，教師要想精確了解每位學生的學習狀態和是否達成了知識、能力目標以及達成的程度，較為恰當的評價方式是給出能夠檢測知識能力水平的問題或任務。通過問題或任務的完成情況，確定學生的學習效果。要想全面、準確地檢測診斷學習者的學習情況，需要建立系統完整的問題體系，且問題數量設置合理，問題過多會冗余，過少可能導致評定不全面，這樣設計問題的集合能夠有效評價學生的學習情況和目標達成情況。[11]其設計需要基于具體的學科知識體系，這個體系應該包含學科基礎知識內容、復雜問題及其解決辦法或措施，這樣基于此體系設計的問題能夠有效檢測學生的知識水平與能力水平。

問題的確定需要針對知識點或知識片段，從記憶、理解、應用、分析、綜合、評價、創造等層面，分別準備相應層次的核心問題。[12]在確定核心問題時，應充分考慮到訓練、測試等實際學習需要，設計有效且數量合理的問題；要充分考慮到內容體系的重點程度，準備出相應層面的核心問題。而學科思維能力、學科精神、共性思維能力及品德修養等方面的評定，除了在學科知識與能力評定過程中完成以外，還應有專門的探究性問題來進行評價。構建學科知識圖譜，不僅有利于學生對學科知識的整體把握，也有利于教師從整體上對學生的學科知識、學科素養等情況進行評估。將問題與問題的解決策略、解決方法相互聯系在一起，形成一個完整的體系，這個體系便是學生學習的目標，智慧課堂教學的目的是將這個體系內化在學生的認知結構中，并轉換為學生的問題解決能力，培養學生的思維能力、綜合素養等。[13]學科知識圖譜的構成不僅包含教材中的基礎性知識和基本方法，還包括應用知識解決復雜問題的策略知識和方法知識等，其構成要素如圖1所示。根據構成要素，設計智慧課堂教學問題的方法有以下幾個方面。

圖1 學科知識圖譜的構成

(一)緊扣核心問題的結構化問題設計

在學科知識圖譜中，每一小節或者單元的知識內容都具有一個核心的知識點，其他知識點是這個核心知識點的基礎或延展。核心問題是指能整合學科知識圖譜中的重點內容，能涵蓋核心內容，并與學生實際經驗和思維水平密切相關聯，激發和推進學生探究學習，并貫穿整節課的那些問題。核心問題是教師教學活動圍繞其展開的中心問題，是教學活動的中心任務。教師將核心問題作為教學主線，無論是教師課堂教學活動，還是學生自主學習過程，都以核心問題為中心原點而開展、發散，核心問題將課堂教學各部分有效連接起來，一邊連接著核心內容、核心目標，另一邊連接著學生活動。[14]核心問題的設計應該能夠檢測出學生對核心知識的理解與應用情況，最好是劣構性問題、發散性問題，以促使學生采用分析、比較、聯想、歸納、推理等思維方法解決問題。基于不同的知識類型，核心問題可分為基礎知識核心問題、方法知識核心問題、策略知識核心問題。每一類知識問題均可作出延伸式、結構化的詳細設計，如圖2所示。一節課中可能會涉及指向不同知識類型的問題，要將每一類知識、每一個問題之間的結構層次劃分清楚，而指向不同類型知識的問題之間應該是相輔相成、緊密聯系的。

(二)循序漸進的梯度化問題設計

問題的設計應遵循由簡到繁、由淺入深的原則，既要有淺層次的直觀問題，又要有推理、分析、歸納性的引發深度思考的問題。學科知識圖譜中的基礎知識、復雜問題及其策略知識、方法知識之間成為一個體系，為問題集的梯度設計提供了良好的依據。問題之間難度落差不宜太大，難度過大會打擊學生的自信心，失去對問題探究的興趣。合適的問題能讓學生逐步掌握知識內容，使學生的思維活動逐漸活躍起來，走向深入。[15]問題間的難度應該建立合適的梯度，教師應依據學科知識圖譜，設計出一系列層次化且相互關聯的問題，層層深入，達到使學生掌握知識、發展智慧能力的目的。這樣可以引導學生的學習從記憶、理解層面過渡到運用分析、綜合評價層面，充分體現問題的梯度性。

(三)面向思維培養的劣構化問題設計

智慧課堂教學以培養學生高階思維、發展學生能力為價值取向，所以課堂教學問題的設計應指向對思維的培養。高階思維要求學習者能夠將新知識和存儲在記憶中的信息聯系、重新組織起來，以便達到學習目標或在復雜情況下思考出問題答案。促進學生高階思維發展的問題應盡可能指向分析、評價、創造等高層級認知水平，促使學生在解決問題的過程中發生高階學習行為。學科知識圖譜中包含的策略知識、方法知識為劣構問題的設計提供依據和指向，能夠促使學生利用這些知識去解決問題。劣構問題是基于復雜情境的、生成性的、沒有標準答案的問題，所以學生的思維不會受到局限，可以發散思維進行成果創造。復雜情境下的問題設定要能夠促使學生分析問題、解決問題，這一分析過程同時也是學生知識建構和問題解決的過程，學生經歷分析、評價、創造等一系列智慧學習活動才能生成智慧性學習成果。思維成果的分享能夠使學生更加全面地認識自己，批判性地接受和學習別人的觀點，從而提升高階思維能力。

三、基于學科知識圖譜的問題設計舉隅

(一)指向基礎知識的問題設計

基于學科知識圖譜的基礎知識教學中的問題設計，關鍵是對知識內容進行深入分析，首先確定基礎知識核心問題，針對核心問題，結合教學目標中指向的不同思維活動水平，對基礎知識進行劃分，設計出從低階到高階的問題集。根據布盧姆教學目標劃分的六個層次和學科知識圖譜中的基礎知識，以人教版英語七年級Unit 9“What does he look like?”中的一部分Section B“Reading An Interesting Job”為例，構建圍繞基礎知識核心問題的問題設計，見表1。

表1 “Reading An Interesting Job”問題設計

這節課包含著多個知識點，知識點之間有著一定的邏輯關系。不同層級問題的設計有效地將知識間的邏輯關系梳理清晰，通過解決從低階到高階的問題，一步步引導學生解決核心問題。從表1可以看出，對于低階問題，學生通過閱讀課文、對課文進行淺層次分析就能直接找到答案，學生問題解決情況能夠有效地反映學生基礎知識掌握情況。而高階問題的解決需要學生在掌握知識的基礎上進行歸納、推理、聯想等思維活動后，形成自己對于文本內容的深刻理解，從而解決問題。低階問題為高階問題的解決打下基礎，問題之間難度層層遞進，相互聯系，通過解決這些問題，形成對知識深刻、全面的理解，從而理解文章主旨，解決核心問題。

(二)指向策略知識的問題設計

策略知識問題的設計要體現對學生智慧能力的培養，問題間需要有明確的指向性、結構性，不同問題對學生的思維能力的培養層次是不同的，但是問題間需要有明確的聯系，或并列，或分化，或因果，或包容，或遞進，所有問題間的關系共同為解決核心問題、引領學生經歷智慧學習過程、發展思維而服務。以高中語文《我與地壇》這篇散文為例，為了使學生明確地壇景物和作者認知的關系，設計策略知識的核心問題：通過對文章的分析與思考，聯系生活實際，總結文章給了自己什么啟示與感悟，圍繞這一核心問題對策略知識進行問題的設計(如圖3所示)。

圖3 《我與地壇》問題設計

從以上問題可以看出，歸納策略、推理策略、聯想策略的問題設計都是相互關聯和遞進的，比如歸納策略中問題1和2互相并列，推理、聯想策略中問題3至6層層遞進，各個問題彼此關聯，學生在解決了推理策略中的問題后，能夠從作者的視角出發理解命運，推理策略有助于學生對文本內容進行深入探索。在此基礎上，運用聯想策略促使學生聯系自身的實際生活感悟生命價值，并逐漸從景物和對生命感悟的關聯中探究更具深度的問題，這樣學生的思維活動既植根于文本又不局限于文本。解決指向上述策略的子問題是解決核心問題的基礎，對子問題分析、歸納后學生能夠形成個人對文本內容的理解與認知，但不同學生的原有經驗、認知特點、生活背景各不相同，解讀相同的文本內容會產生不同的理解和感悟，學生在解決核心問題的過程中運用聯想、歸納等策略，聯系自己的實際情況得出感悟，最終實現學科知識、能力與情感等目標的各個擊破。[16]

(三)指向方法知識的問題設計

指向方法知識的問題可以讓學生在解決問題的過程中回顧、整合、巧用已掌握的知識、方法、規律等，在分析、解決問題的同時，訓練其歸納、分析、綜合等思維。以初中物理“探究影響壓力作用效果的因素”這一知識點為例，設計如下問題。

核心問題——“探究影響壓力作用效果的因素”這一實驗過程中所用到的物理方法與思想。

問題1——實驗：兩根手指以同樣大小的力分別抵住鋼筆的頭和尾，感覺哪根手指更疼？

問題2——思考：根據實驗感受，兩根手指受力大小一樣嗎？

問題3——實驗：用一只手的掌心和另一只手的一根手指對氣球施加同樣大小的力，觀察掌心、手指表面和氣球兩側的形狀變化情況，闡述自己的發現，逐漸增大力度，形狀會有怎樣的變化？

問題4——小組討論：針對上述現象，說一說自己的發現，你能提出什么有價值的、可探究的問題？

問題5——小組討論：思考“探究影響壓力作用效果的因素”這一實驗所用到的實驗方法，深入思考如何改變實驗要探究的影響因素？怎樣對比壓力的作用效果？

問題6——小組合作：選擇合適的器材設計實驗，來驗證自己的猜想，對比看哪個小組的方法多。

從上述問題可以看出，解決核心問題有一定的難度，若沒有子問題鋪墊直接解決核心問題，會讓學生難以找到解題方向，也容易失去探究學習的興趣。案例中將核心問題劃分為多個子問題，前三個子問題由生活中的現象引出，較為簡單，學生通過實驗感受總結就能作答，較好地激發了學生的學習興趣。問題4逐漸走向深入，引發學生深層次思考并提出問題。問題5運用控制變量法來設計實驗，并運用轉換法來比較，前面問題的鋪墊有效地為學生指明解決問題的方向。問題5能夠提高學生利用轉化方法解決問題的能力。問題的難度層層遞進，一步步引導學生對核心問題的理解，讓學生調動自己的思維解決核心問題，在解決子問題的過程中理解實驗所運用的物理思想和方法。問題6為開放性實驗設計問題，學生類比前面的探究過程可以進行本次實驗的設計，培養學生利用類比思想解決問題的能力，激發學生的積極性和創造性。

智慧課堂教學可以有效提升教育教學質量，探索與現代教育技術相適應的教學新策略、新方法，是教育發展的要求和題中之義。