大數據的知識發現：促進課堂深度學習的策略

馬如霞 王陸 彭玏

[摘? ?要] 深度學習的理論只有應用于課堂實踐，才能真正促進教育教學的變革。為了探究課堂深度學習的現狀以及促進課堂深度學習的策略，文章基于布魯姆認知目標分類理論，對174節中小學課堂師生對話采用統計分析方法、滯后序列分析法、社會網絡分析方法、數據挖掘和知識發現方法，研究發現并得出如下結論：第一，當前課堂教學呈現淺層教學的樣態，課堂教學存在理解層級的固化等問題;第二，增加批判性問題，提升反思指導，是促進深度學習有效發生的教學策略;第三，彌補評判和執行等關鍵教學行為，將其作為知識建構過程中的中介和橋梁，構建層進式學習;第四，轉變教育信念，增強與創造認知層級中生成、計劃和產生有關的創生性教學活動，開展生成性教學。

[關鍵詞] 深度學習; 布魯姆認知目標分類; 課堂對話分析; 課堂教學行為大數據

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 馬如霞（1977—），女，江蘇鹽城人。副教授，博士，主要從事教育大數據分析與智能學習支持環境研究。E-mail：maruxia@126.com。

一、引? ?言

近年來，“深度學習”已經成為當前教育領域中的熱詞，基于深度學習發展核心素養和21世紀技能是新世紀以來全球范圍內課堂教學變革的方向[1]。深度學習的理論探討需要得到課堂實踐的積極呼應才能獲得持久的生命力[2]。在大力倡導深度學習的同時，目前課堂仍存在種種問題：課堂學習停留在知識的表層，專注于知識的獲取[3]，呈現表面教學、表層教學和表演教學的“三表教學”現象[4]。深度學習在課堂中的有效達成，首先需要回答兩個問題：當前課堂的深度學習達成了嗎？如何才能促進課堂深度學習的達成。本研究以課堂師生對話行為作為研究對象，運用布魯姆認知目標分類理論，通過實證研究聚焦當前課堂深度學習的現狀以及探究促進課堂深度學習的策略，力圖促進深度學習理論向具體課堂實踐的過渡，實現課堂深度學習真正的發生。

二、文獻綜述

（一）深度學習的內涵

深度學習的內涵比較豐富，既有涉及理論層面的方法論、學習觀、價值觀和世界觀等多個方面，也有涉及實踐層面的內部動機、信息加工、問題解決和高階思維等方面[5]。但當前學術界對深度學習的內涵還沒有統一的界定。整體來看，深度學習的內涵可以分為廣義和狹義兩類。

廣義深度學習是從多維度、多取向的方式勾勒深度學習的理想圖景，將深度學習從價值觀、方法論和世界觀的角度加以定位[2]。邁克爾·富蘭等人在《深度學習：參與世界，改變世界》一書中將深度學習定義為獲得六大全球化能力的過程：品格、公民意識、協作、溝通、創造力和批判性思維。狹義深度學習則是以知識和學習的本質為基礎，從學習結果、方式、目標、過程等視角，將深度學習目標指向對知識的深度理解、問題的解決和高階思維的達成。馬頓和塞爾喬（Marton & Saljo）強調對信息的深度加工，認為深度學習是對內容的理解和將新知識與已有知識、經驗進行聯結[6]。埃里克和利恩（Eric & LeAnn）將深度學習的基本特征描述為高階思維、深度加工、深刻理解、主動建構和問題解決五個方面[3]。周序認為深度學習是對知識有了足夠的掌握，進行深度理解和深度認知的學習[7]。康淑敏認為深度學習是一種基于高階思維發展的理解性和持續性學習[8]。

鑒于上述對深度學習概念的辨析，本文采用狹義深度學習的概念，即要求學習者達到深度的認知[9]。

（二）深度學習測量的理論基礎

深度學習的測量是深度學習領域重要的研究問題，通過對深度學習達成程度的判斷，助力深度學習達成方法與策略的發現與實施。狹義的深度學習內涵關注學習過程中的認知深度，旨在讓學生的認知思維達到深度認知。長期以來，布魯姆認知目標分類理論被視為認知發展的重要工具，尤其是在促進高階思維方面具有深遠的影響[10]。布魯姆認知目標分類主要基于建構主義的理論和有意義學習的理論，充分體現了對學生主動知識建構這一認知目標的重視。在深度學習的研究中許多學者基于布魯姆教育目標分類進行深度學習的評價研究。美國教育學家特內（Turney）基于布魯姆六個認知層級，按照學生思維類型和水平的不同，將教學提問分成由低到高的六個水平，評估教師課堂提問的深度。晉樹利通過將深度學習特征與布魯姆認知目標分類進行對比和分析，驗證布魯姆認知目標分類作為深度學習評價的可行性[11]。周平紅等人利用布魯姆認知目標分類體系，從認知類型和認知過程維度表征學生的認知水平[12]。綜上所述，布魯姆認知目標分類理論奠定了深度學習測量的理論基礎。

（三）深度學習的實證研究

近年來，國外深度學習的研究由理論分析走向了實踐探索，使用實證研究的方法來分析深度學習的策略、方式和評價等，從而促進了深度學習理論與實踐的融合。在國內深度學習的研究中，鮮有課堂實踐方面的實證研究[13]。張光陸基于課堂會話分析，對《麋鹿》課例的兩個教學片段進行定性分析，發現深度學習視角下課堂話語的互動特征[14]。陳薇等人通過對4位專家教師16節課的觀察，采用描述性統計方法和定性分析方法，歸納出專家教師課堂教學中深度問題設計的策略[15]。優質教學是課堂教學對深度學習的積極呼應，是促進深度學習理念融入課堂教學實踐的必然選擇。面向課堂教學的深度學習實證研究從研究方法來看，主要采用案例研究法、課堂觀察法進行研究;數據分析方法主要采用定量分析法、定性分析法和混合分析法，其中定量分析方法主要以簡單的統計分析方法為主，較少采用數據挖掘和知識發現等大數據分析方法;從量化研究的樣本量來說，以單個或少量課堂教學案例為主，缺乏大規模課堂教學案例的分析與發現。

三、研究方法

（一）數據來源

本研究所選用的視頻課例來源于靠譜COP項目（The Teacher’s Online Communities of Practice，簡稱靠譜COP）的視頻課例庫。入選的視頻課例需要滿足以下三個條件：（1）視頻課例來源于研究者深入課堂進行觀察時錄制的現場課;（2）視頻課例具有完整的課堂教學行為觀察數據;（3）視頻課例的錄制時間為近3年。研究者從滿足條件的1000余節課例中按語文、數學和英語三門學科采用分層抽樣法抽取了174節視頻課例。

（二）課堂對話編碼

高質量的課堂對話以知識建構為目的，通過師生和生生的交流互動促進學生深度理解、高階思維發展與認知能力提高，促進深度學習的發生[16]。因此，師生對話的質量反映了課堂知識建構的深度，進一步反映了深度學習的成效。編碼是課堂對話量化研究的主要方法，本研究采用2001年版布魯姆教育目標分類學中的認知過程維度作為課堂對話的編碼框架，將學習的認知目標分為記憶、理解、運用、分析、評價和創造六個大類，并將前三個大類視為低認知層級，后三個大類視為高認知層級，其中每個大類又包含了多個亞類，具體見表1。

圍繞布魯姆認知過程維度課堂對話編碼框架，本研究采用人工編碼的方法對視頻課例進行分析。為了保證編碼的可靠性，參與編碼的7位研究人員先后經過了編碼培訓、預編碼、按學科分組編碼、編碼一致性檢驗等階段，編碼的內在一致性較高（Kappa=0.85，p<0.01），并對不一致的內容進行了校驗。

（三）數據分析方法

本研究綜合采用統計分析法、滯后序列分析法、社會網絡分析法以及回歸分析法，以期全面深入地透析課堂深度學習的現狀以及促進深度學習的方法策略。其中，描述性統計方法用于發現課堂對話認知層級的分布結構，差異性分析發用于發現高認知課堂與低認知課堂中課堂對話的認知層級差異;滯后序列分析法用于發現教師提問行為的序列特征;社會網絡分析法以及回歸分析用于發現課堂關鍵教學行為，探析促進課堂深度學習的方法與策略。

四、研究結果與討論

（一）課堂對話整體認知層級分布特征分析

圖1和圖2呈現了課堂中不同認知層級對話出現的頻率。在整體課堂中，理解層級的對話頻率最高，記憶層級的對話次之，表明課堂中的師生對話仍舊以低階認知為主，對話的主要功能是鞏固已學知識，并通過從口頭、書面和圖畫傳播的教學信息中建構意義，建立新舊知識之間的連接，呈現了以低階認知目標達成為主的學習樣態。在理解層級中，以推論和說明的對話為主，表明教師注重培養學生的邏輯推理能力，在邏輯推理的過程中加深學生對問題的理解，以促進知識的建構。但在高階認知對話中，評價和創造層級的對話比例較低，尤其是評價層級的核查、創造層級的計劃和產生類的對話缺乏，表明課堂中教師較少引導學生相互評價和質疑，對知識的遷移應用不足，不利于學生批判質疑能力以及遷移創造能力的培養。綜合上述數據表明，當前課堂中仍以淺層對話為主，深度對話明顯缺乏。

（二）不同認知水平課堂的教師提問認知層級差異性分析

為了深入破解深度學習改進的著力點，本研究根據布魯姆認知過程的綜合得分，從174節視頻課例中選出認知層級均值大于等于3且得分最高的30節課例，將其命名為高認知課堂;將認知層級均值位于理解層以下（即均值小于3）且得分最低的30節課例作為低認知課堂，采用獨立樣本t檢驗方法對兩類課堂不同認知層級的教師提問頻率進行差異性檢驗，具體結果見表2和表3。

表2和表3表明，高認知課堂和低認知課堂的教師提問行為存在顯著差異，高認知課堂在分析、評價和創造三個高認知層級的提問行為顯著高于低認知課堂（p<0.01），而在低認知層級上記憶與理解的提問行為顯著低于低認知課堂（p<0.01），兩類課堂在運用層級上的提問行為無顯著差異。具體從二級指標來看，高認知課堂教師提問在理解層的區分、分析層的組織、評價層的核查和評判以及創造層的生成五個方面頻率顯著高于低認知課堂，而在記憶層的識別和回憶、理解層的推論這三個方面頻率顯著低于低認知課堂，反映了高認知課堂較低認知課堂呈現更多批判性思維核心的評判行為。

（三）課堂對話認知水平影響因素分析

本研究將174節視頻課例的課堂教學行為、59個維度[18]數據與課堂師生對話認知層級均值數據用逐步回歸法進行分析，得到以課堂平均認知層級Y為因變量，以批判性問題比例X1、集體齊答比例X2、記憶性問題比例X3和對話深度四比例X4為自變量的回歸方程Y=2.402X1-0.839X2-0.687X3+2.263X4+2.820，回歸分析結果見表4。

由回歸方程系數可以看出，批判性問題和對話深度四對課堂對話認知層級有顯著正效應，表明教師提出越多的批判性問題，深度四對話越多，則課堂的平均認知層級越高;集體齊答和記憶性問題對課堂對話認知層級有顯著負效應，集體齊答的挑選回答方式通常對應課堂中認知層級較低問題。課堂中師生的對話深度可以使用級數來表示，對話深度一指的是教師與學生之間的一問一答;對話深度二指教師與學生之間的兩問兩答，以此類推[19]。說明課堂中教師提出批判性問題以及師生間的深度對話可以顯著提升課堂師生對話的認知層級，有效引導學生進行深度學習。

（四）課堂教師提問行為轉換特征分析

1. 課堂教師提問行為轉換特征分析

教師提問行為的轉換反映了不同認知層級提問的先后次序關系，圖3呈現了布魯姆認知過程維度一級指標教師提問行為轉換頻次的熱力圖，其中行表示給定事件，即先出現提問的認知層級;列則表示目標事件，表示后出現提問的認知層級。

從圖3可以發現，課堂中教師的提問多數在同一認知層級進行轉換，尤其是理解層級的內部轉換最為明顯;理解層級與其他認知層級之間的轉換較為頻繁，如理解與記憶、理解與運用、理解與分析之間的轉換較為明顯;很少發生高認知層級中的評價和創造與其他層級的行為轉換。進一步分析發現，理解層級的推論與其他層級的轉換較為頻繁，表明課堂中教師注重讓學生從提供的信息得出邏輯結論，培養學生的邏輯推理能力。

以上數據反映出，理解層是不同認知層級轉換的關鍵層級，正如布魯納指出任何課程的主題都應該由發展學生的基本理解能力而確定，整體課例呈現出“為理解而教”（Teaching for Understanding）的鮮明特征[20]。理解層中的推論是不同認知層級之間轉換的“引擎”。推論是指在一系列例子或事例中發現模式，在教學中推論常常出現在為一個背景或上下文提供可以推導的情境，常常與運用層級中的實施在一起聯合使用[17]。然而，在當前課堂中教師卻較少的將二者聯系在一起，出現了推論層級“固化”的典型特征。

2. 不同認知課堂教師提問行為轉換特征分析

為了進一步探尋教師行為轉換的特征規律，本研究對不同認知課堂提問行為轉換特征從轉換頻次分布和轉換路徑特征兩方面進行綜合對比分析，如圖4和圖5所示。

圖4表明，在低認知課堂中教師提問行為轉換主要集中在記憶層和理解層，且同層級的內部轉換較為明顯。在高認知課堂中教師提問行為轉換主要集中在理解、運用、分析和評價四個層級中，并且出現了理解層作為多層級轉換引擎的特征，尤其是理解層和分析層兩個層級之間的轉換比較顯著。

在轉換頻次的基礎上，本研究進一步采用滯后序列分析方法探索教師提問的過程演化規律，從而探索課堂知識建構的途徑。依據滯后序列分析原理，選擇殘差值大于1.96（p<0.05）的行為序列，繪制了如圖5所示的不同認知課堂教師提問序列圖譜。

圖5中圓點的大小代表此類問題出現的頻次大小;線條的粗細代表問題類型轉換的殘差大小，反映了某類問題發生后有多大可能出現另一類問題。分析發現，兩類課堂存在共性特征：理解與分析層級的行為轉換均較為顯著，教師通過理解層級的概要與分析層級的組織建立起理解與分析層級之間的建構，在理解的基礎上通過分析促進學生更深層次的理解，例如低認知課堂中的概要→組織、組織→比較，高認知課堂中的推論→歸屬、說明→歸屬;教師提出運用和分析的問題后會繼續推動學生對結果進行評價，例如低認知課堂中的實施→核查、區分→評判，高認知課堂中的實施→評判、區分→核查;推論層級的自我轉換都是概率最大的，尤其是在低認知課堂中推論的自我轉換特征十分突出;層級之間的轉換并非逐層遞進，跨層級的行為轉換也較為顯著。兩類課堂存在的差異表現為：與低認知課堂不同，高認知課堂中的推論除了自我轉換外，也存在一定的向分析層級中的歸屬進行轉換的現象;高認知課堂中理解層除了與記憶、運用層級的轉換顯著外，與分析、創造層級間的轉換也較為顯著;高認知課堂中評價與運用、分析和創造層級均有顯著的行為轉換。

3. 不同認知課堂教師提問關鍵行為分析

本研究對不同認知課堂的教師提問行為序列進行社會網絡分析，計算不同認知層級提問行為的中間中心度和接近中心度，并根據中間中心度和接近中心度進行聚類分析得到教師提問行為的四象限分布圖，如圖6所示。圖中間的橫向和縱向直線分別表示接近中心度均值和中間中心度均值;教師提問行為根據中間中心度和接近中心度數值采用k-means方法分為四類，相同形狀的節點屬于同一類。中間中心度是指一個節點擔任其他兩個節點之間最短路徑橋梁的次數，反映了教師提問行為在行為轉換中的中介作用。接近中心度是指一個節點到達其他節點最短路徑距離之和的倒數，其數值越大表示節點越接近網絡中心，越是核心節點。所謂關鍵教學行為是指在行為序列網絡關系圖中既接近行為序列網絡的中心，又在行為轉換中起到重要橋梁作用的教學行為。

圖6表明，在低認知課堂中，推論和回憶的中間中心度和接近中心度的數值均很高，表明這兩個提問行為既在提問行為序列網絡的中心，同時又在行為轉換中起到重要的橋梁作用，因此是低認知課堂中教師提問的關鍵行為，它們都屬于低認知教學行為;而在高認知課堂中，評判和執行是教師提問行為轉換的關鍵行為，此外還有一組次關鍵行為推論、說明和實施，在教師提問行為序列網絡中重要性僅次于關鍵節點。

五、研究結論

（一）當前課堂教學呈現淺層教學的樣態

隨著課程改革的不斷深入，推動了學習方式和教學方式的變革，傳統的以知識識記為主的課堂已經向為理解而教的課堂轉變。教育的兩個最重要的目標是：促進保持和促進遷移，遷移的出現是有意義學習的標志[17]。保持是將教學內容原封不動記住的能力，而遷移則是運用所學知識去解決新問題、回答新問題或促進新材料學習的能力。在認知過程中，記憶層級強調保持，理解層級以上強調遷移。理解層級是遷移學習的基礎，在新舊知識之間建立起聯結，是通向更高認知層級的前提條件。深度學習強調學習過程中新舊知識的聯系，形成知識體系，并在此基礎上進行知識的深度理解和遷移[21]。當前以理解而教的課堂轉變凸顯了教學改革的成效，體現了教學目標從“記憶性教學”到“理解性教學”的發展。但“理解”只是深度學習在認知方面的起點層級[22]。深度學習已不再僅僅是為了理解基本知能而采用的學習方式，它更多是一種基于理解、追求遷移應用的有意義學習[23]。通過對課堂中深度學習現狀的分析發現，當前課堂教學整體仍以低階認知為主，存在著淺層學習與深度學習的分化現象，不同認知課堂的教師提問在認知層級和提問行為轉換上均存在差異;課堂教學存在理解層級的固化問題，尤其是推論層級的固化較為明顯。因此，在促進課堂深度學習方面教學還需要發生很多改變，這種改變既包括內隱層中的教師信念和個人理論上的改變，也包括外顯層的教師專業行為和教學活動上的改變。

（二）促進課堂深度學習的教學策略

1. 增加批判性問題，提升反思指導

高水平的課堂提問是促進學生高認知水平達成的重要舉措，因此必須找到使教師能夠提高課堂提問認知水平的方法[24]。多項研究表明，教師提出更多開放性問題的課堂對話可以比其他形式產生更多有意義的學習。讓教師認識到不同的問題對應不同的認知水平，可以顯著提高教師提出高階問題的頻率[18]。通過課堂對話認知水平影響因素分析發現，批判性問題是影響課堂對話認知水平的正向因素。批判性問題是指需要學生變換角度做深層次思考和反思的問題，其核心是：解釋、分析、評價、推論、說明和自我調節。教師提出批判性問題是將反思知識引入到教學中最簡單直接的方法，也是促進課堂深度對話的有效辦法。學習反思的發生對促進學生深度學習具有重要意義[25]。瞄準反思水準的“反思指導”是深度學習不可或缺的支撐[26]。只有當學習者能夠清晰地意識到自己的思維，更加知曉自己的認識，并且作用于這種意識時，才會學習的更好，才能達到意義性教學的標準。增加批判性問題的教學行為改進，勢必會引起教學方法的改進，從而變革教學模式，形成新的促進深度學習有效發生的教學策略。

2. 彌補關鍵教學行為，構建層進式學習

層進式學習是指對知識內在結構的逐層深化學習，表現為多層次認知目標的達成。課堂教學是一個動態的、不斷建構生成的過程。在此過程中，教師需要通過高質量的問題設計，引導學生進行知識建構，促進學生思維的發展，實現課堂真正的深度學習。高質量的問題設計可以激發學生的思考，引導思維逐步向深層次發展，知識建構的鏈條應該較長，并且呈現螺旋上升的樣態[27]。通過課堂教師提問行為轉換特征分析發現，高認知課堂呈現出較多低認知層級和高認知層級跨層級的相互轉換，評判和執行是促進教師行為轉換正向改進的關鍵行為，低認知課堂需要提升與“執行”和“評判”有關的教學行為。教師應該以理解層級的教學行為為基礎，增加評判和執行教學行為，以及增加實施、推論、說明等教學行為，將這些關鍵行為作為知識建構過程中的中介和橋梁，促進學生逐層深化地完成知識建構，構建層進式學習與高投入式學習。

3. 轉變教育信念，生成性教學是根本方式

羅米索斯基的學習過程模型認為學習的發生共有四種機制在起著作用：（1）接收器（Receptors），用來支持接收所感知刺激的機制;（2）貯存器（Memory）， 用來支持在大腦中存儲和調用知識的機制;（3）加工器（Processor），用于支持學習者進行分析、綜合、評價等智力活動的思維機制;（4）效應器（Effectors），用于支持學習者實際執行行動的機制[28]。對應于布魯姆教育目標分類認知過程維度，貯存器用于支持學習者進行記憶和理解;加工器支持學習者進行分析、評價和創造中的生成和計劃;效應器支持學習者進行運用和創造中的產生，如圖7所示。在課堂教學行為轉換分析中，整體課堂以理解層內部行為轉換為主，呈現出在新舊信息間創設新聯系的內部認知加工過程，其目的仍然是構建或存貯新知識。羅米索斯基將教學活動分為“再生性”和“創生性”兩類。布魯姆教育目標分類也可以精確地分為兩組：認知、理解和應用是再生性的;分析、評價和創造是創生性的。前者強調所學知識技能的再現，后者強調將所學知識應用于新的情境和任務，解決新的問題。目前，課堂中雖然存在一定比例的理解與運用、理解和分析之間的層級轉換，在貯存器與加工器、貯存器與效應器機制之間建立了連接，但是教學仍然屬于再生性的教學，缺乏對學生創生性思維的培養。

教師不能把教學理解為是單純知識傳授的過程，需要轉變教育信念，改變把學生視為接收器和貯存器的隱喻，充分發揮加工器和效應器機制，開展更多的支持學習者進行分析、綜合、評價等創生性認知活動，強化知識的遷移與建構。增加教學中的創造性設計或新穎獨特的決策活動，為學生發展基于自我控制的矯正性評價提供學習條件和情境;增強與創造認知層級中生成、計劃和產生有關的問題，設計并實施發展學生聚合型和順應型思維的學習活動，再通過效應器輸出信息加工結果而獲得高水平的課堂生成。

六、結? ?語

本研究由于各學科樣本數量有限，故沒有對各學科的課堂深度學習現狀以及改進策略進行分析和探究。有研究發現，不同學科背景下深度學習的具體表征、促進策略和應用成效不盡相同[6]。未來將進一步探索不同學科深度學習的教學改進策略，探尋有效的深度學習實踐路徑。

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