整合知識與思維的結構化分析模式構建與應用

艾 靜 熊建文

（1.廣州市教育研究院，廣東 廣州 510062；2.華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

在教育領域，碎片化與結構化被視為兩種截然不同的樣態(tài)，碎片化會造成學生在學習過程中出現(xiàn)認識深度不夠、推理不暢、思維僵化等問題，當前學者多提倡從“整合”“結構化”等視角研究教育問題.

1 結構化分析的思考

1.1 “整體人”培養(yǎng)的構念對“整合”“結構化”分析的啟示

新課標在學科課程內(nèi)容上要求以學科大概念為核心，對學科課程內(nèi)容進行結構化整合，并借助結構化的情境設置，使學科核心素養(yǎng)得以落實，體現(xiàn)出對“整合”“結構化”的重視與應用.

在具體教學中，多數(shù)教師缺乏“整合”“結構化”的思維意識或教學設計與實施能力；在物理學習中，學生常因審題缺乏邏輯、解題無處下手、抓不住關鍵點等學習障礙而影響問題解決，其主要原因在于學生知識的零散化和思維的碎片化；［1］在命制試題時，命題雙向細目表或命題藍圖的設計，常要求將各試題包含的知識與思維分別以文字方式列出，以核驗知識點或思維能力考查的覆蓋情況，這一方式在表征試題考查信息時，難以直觀呈現(xiàn)試題考查的知識與思維間的內(nèi)在關聯(lián)，未能全面反映試題在知識與思維方面的考查目的.上述現(xiàn)象都反映出當前學科教學中，無論是教、學或是評價上，仍受到“碎片化”影響.

從對“整體人”素養(yǎng)的培養(yǎng)［2］來說，知識結構與思維結構存在緊密關聯(lián)，且具有內(nèi)在一致性，思維結構以既有的知識結構為基礎，思維過程反作用于知識結構，會引起知識結構的改變與重構，使其從線性關聯(lián)走向立體關聯(lián)，而知識結構需在問題解決過程中才能得以建構和發(fā)展.［3］因此，問題設計應整合解題涉及的知識與思維，使之形成關聯(lián)緊密、結構清晰的具有穩(wěn)定圖式表征的問題空間，以考查學生通過問題解決所形成的知識與思維結構，進而促進“整體人”素養(yǎng)的培養(yǎng).

1.2 整合知識與思維進行結構化分析的可能與可行

近年來，在“思維可視化”研究浪潮的推動下，借助知識結構的外化來發(fā)展思維能力的做法已受到廣泛認可，并付諸行動，研究者均意識到了知識水平與思維水平存在正相關，但對知識結構的樣態(tài)、水平與思維水平間如何建立清晰明確的關系仍存在較大疑惑.

比格斯SOLO 分類理論中的“思維結構”是指學習者為解決具體問題，對知識結構進行轉換、重組（知識結點的斷開與連接）而呈現(xiàn)出的動態(tài)結構.當下，“真實”的客觀世界被默認是普遍聯(lián)系、多層面多角度的復雜立體結構.就知識結構而言，比格斯5個水平反映出各水平由“線性結構”“平面結構”“立體結構”逐步逼近客觀世界之“真實結構”.在比格斯“思維結構”理論的啟發(fā)下，筆者認識到知識與思維兩者的結構存在內(nèi)在關聯(lián)和一致性.由此可初步推測，對具體問題所包含的知識與思維進行結構化分析是可能且可行的.

以評價促進教學的理念在當前教學中得到普遍認可，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)更多地依賴其評價的有效性.相似的試題形式下，核心素養(yǎng)評價的關注點已經(jīng)從知識點的“量”轉變?yōu)橹R點所形成的“結構”，［1］說明學習者所形成的內(nèi)部知識結構才是素養(yǎng)生成的內(nèi)在基礎，其目的是引領、促進核心素養(yǎng)要求的復雜關聯(lián)的高水平知識與思維結構的生成.

在設計一套評價試卷時，教師基于知識與思維視角，需要依次考慮如下問題：本次評價需要考查學生掌握的知識點有哪些？ 對知識點的水平分布有何要求？ 會考查到何種思維？ 知識點與思維之間有何關聯(lián)？ 這些知識點和思維能力需要在學生頭腦中形成什么樣的結構？ 整套試卷所包含的多個試題，每個試題是否實現(xiàn)對預設知識與思維結構的考查，這些試題是否共同達成對考查范圍內(nèi)所涉及的知識與思維結構的全面覆蓋？ 知識與思維的結構化分析，旨在以直觀、立體的方式呈現(xiàn)各試題所包含的上述信息，以便于對試卷進行質(zhì)量分析.

2 結構化分析理論模式的構建

2.1 結構化分析的要素

不同學科的問題設計，其背后運用的學科知識和思維要素不同，知識和思維的相互關聯(lián)與作用，會產(chǎn)生不同的障礙點.結構化分析的要素包含3個方面：知識、思維、障礙點.

（1）知識點與知識層級.

“整合”成為基礎教育階段課程改革的核心理念，是當前教育研究的一種思維方式，為學科大觀念的提出奠定了基礎.2017版普通高中物理課程標準中的物理觀念即學科大觀念，各物理觀念之間存在相互關聯(lián)，構成了整個高中階段知識體系.依據(jù)高中物理知識層級關系構建的方法，［4］可將知識點劃分為由低到高的4 個水平層級，圖1 為動力學知識體系的知識層級關系圖.

圖1 “動力學”知識層級關系圖

各知識點在構建問題空間時的作用表現(xiàn)出強或弱的差異.強作用的知識點主要是關聯(lián)到問題解決視角，如水平4的知識點，即觀念層的核心知識；弱作用的知識點則是對問題空間創(chuàng)設起到支撐作用的基礎知識，如水平2和水平1的知識.問題的設問往往多為水平1到水平3的各層級具體知識點.在問題設計中，各知識點或各知識層級之間存在直接或間接的聯(lián)系，低水平層級的知識點是高水平層級知識點構建的知識基礎，以具體試題為例，分析其所包含的知識點及知識層級如表1所示.

表1 具體試題知識點、知識層級分析示例

對傾向于考查基礎性的試題，其多考查較低水平層級的知識，包含的知識點少、知識點之間的關聯(lián)簡單；對傾向于考查綜合性的試題，則多會具有整合性特征，考查的知識點多且知識點之間的關聯(lián)復雜.因此，判斷試題對基礎性或綜合性等考查的傾向性時，也可結合具體試題中所包含的知識點在各層級考查的數(shù)量及知識結構框架的復雜與否等進行評定.

（2）思維種類與思維層級.

安德森等人（2001）對布魯姆教育目標分類學修訂，安德森作出的修訂主要是將布魯姆分類法中由使用名詞變?yōu)檫\用動詞界定思維種類，即記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造.當前教育研究中普遍將前三者稱為低階思維，將后三者稱為高階思維，說明各思維要素具有一定的層級性.在2017版高中物理課程標準中，將解決物理問題所需的科學思維，從建模、推理、論證、質(zhì)疑等4個維度劃分為由低到高的5個水平.［5］

對問題解決過程中所涉及的思維要素及思維層級的分析，可將上述兩者均納入到思維結構化分析中，前者更多的表現(xiàn)為將知識與思維整合后的認知過程要求，后者表現(xiàn)為物理學科領域對思維的具體要求，兩者從不同角度表現(xiàn)學科問題解決過程中的思維特征.

（3）障礙點的分類.

試題中障礙點設計的分析主要分為3 類：一是由于關系理解困難出現(xiàn)的障礙點；二是因邏輯推理的嚴謹與深度要求較高出現(xiàn)的障礙點；三是在重要知識的遷移應用中出現(xiàn)的障礙點.

三類障礙點都體現(xiàn)出知識與思維的緊密關聯(lián).關系理解需要通過思維建立相關知識點之間的聯(lián)系，要區(qū)分知識點的區(qū)別，要明了其在解決具體問題、構建思路中的作用；邏輯推理的嚴謹與深度對知識點的量、知識本質(zhì)的理解、思維的種類與水平要求更高；重要知識往往關聯(lián)多個低層級知識點，其遷移建立在理解、應用、分析等基礎上，對思維要求較高.三類障礙點的形成不能簡單地歸為知識障礙或思維障礙，而是由兩者共同作用形成.

2.2 結構化呈現(xiàn)的方法

（1）SOLO 分類理論對結構化呈現(xiàn)的啟示.

SOLO 分類理論將學生學習結果表現(xiàn)出來的思維結構分為前結構、單點結構、多點結構、關聯(lián)結構和拓展抽象結構，學生在學習中普遍存在5種思維結構.SOLO 分類體系是思維之樣態(tài)、水平從結構視角的詮釋，如圖2（a）所示.由圖2（a）啟示，知識與思維結構化分析，可根據(jù)具體試題內(nèi)容構建不同的立體圖形，以直觀呈現(xiàn)其知識與思維的內(nèi)容與水平，以題目1 內(nèi)容為例，可得到如圖2（b）所示結構化圖形.

圖2

知識與思維結構的形成與發(fā)展是結構頂點和邊的變化，頂點和邊的狀態(tài)上記載了思維水平的足跡.在內(nèi)容層面考查頂點的豐富性，在結構層面考察邊的建立與連接情況.在具體分析中，首先關注重要知識結點是否有效覆蓋，即看頂點的建立，問題涉及的知識點會發(fā)生結構層次上的關聯(lián)，進入多點之間連接，生成更豐富的知識結構.若不同的頂點與邊構成方向明確、清晰的立體結構的時候，學生在問題解決過程中也會經(jīng)歷頂點的生成與調(diào)整，邊的生成與強化等.

問題設計會呈現(xiàn)知識與思維結構的應然狀態(tài)，應預設好各問題的預期結構.在解決特定問題時，學生知識與思維結構中所包含的知識點數(shù)量眾多，就目標描述而言，試圖全面列舉顯然不可能，本研究中只關注作為問題解決主要知識點.

（2）立體結構設計說明.

知識的點樣狀態(tài)會隨著時間推移，容易遺忘，線性思維缺乏靈活性，知識與思維的結構化能緊密聯(lián)系相關內(nèi)容，將問題解決的時間、空間維度整合起來，構成具備穩(wěn)定結構的問題空間.［6］在問題的知識與思維結構化分析中，主要理清4 個方面的問題，其內(nèi)容及具體做法如表2所示.

表2 立體結構設計的問題與做法說明

由表2可知，不同問題繪制的立體圖形不同，立體圖形的繪制能直觀呈現(xiàn)問題涉及知識、思維和障礙點信息.通過上述結構化分析，可知：（1）立體圖形頂點數(shù)越多，綜合性越強.尤其是上底面頂點數(shù)越多、其圖形結構越復雜，綜合性越強；一般上底面的頂點數(shù)會少于下底面的頂點數(shù)，主要在于水平3 各知識點是水平4 知識點的基礎.（2）繪制的圖形可能會受到個體主觀因素影響.因此，在設計試題時，應采用集體研討或采用統(tǒng)一標準等方式來進行結構化分析，以減少因個體主觀評價或評價標準不一致導致的偏差.

2.3 結構化呈現(xiàn)的樣例

對試題所承載的知識與思維進行結構化分析，主要包含以下4個方面：（1）知識點（層級）及認知水平；（2）思維樣態(tài)，包含建模、推理、論證、質(zhì)疑等，以及對應水平層次；（3）試題中障礙點設計的數(shù)量及種類分析；主要是面向關系的理解、邏輯推理的嚴謹與深度、還是重要知識的遷移應用等三類障礙；（4）知識與思維關聯(lián)結構及障礙點分布簡圖.通過具體試題的結構化分析，可立體、直觀地呈現(xiàn)試題承載的知識認知負荷與思維多樣化及深度，具體見表3所示.

表3 知識與思維結構化分析示例與內(nèi)容

題目 知識與思維關聯(lián)結構及障礙點分布簡圖與說明題目2.（2022年廣東物理）“祝融號”火星車需要“休眠”以度過火星寒冷的冬季.假設火星和地球的冬季時長約為地球的1.88倍.火星和地球繞太陽的公轉均可視為勻速圓周運動.下列關于火星、地球公轉的說法正確的是（A）火星公轉的線速度比地球的大.（B）火星公轉的角速度比地球的大.（C）火星公轉的半徑比地球的小.（D）火星公轉的加速度比地球的小（1）知識（層級）與認知負荷水平：①牛頓第二定律（4）：應用；②圓周運動（3）：應用；③萬有引力定律（3）：應用；④向心加速度（3）：理解；⑤線速度（2）：理解；⑥角速度（2）：理解；⑦周期（1）：理解；⑧半徑（1）：記憶.（2）思維樣態(tài)（水平層級）：建模（水平Ⅱ）；推理（水平Ⅱ）.（3）可能的障礙點分析：★1.無法從題設信息中獲得火星與地球繞太陽做勻速圓周運動的周期、半徑等關系；★2.無法靈活應用各物理量表示萬有引力提供向心力的表達式，并結合火星與地球繞太陽的周期大小關系推理其他各物理量大小關系images/BZ_40_1724_1495_2148_1869.png

3 基于結構化分析評價問題設計質(zhì)量

3.1 結構化分析的評價要點

試題知識與思維結構化分析可間接反映問題設計特征，進行評價時，可從以下方面進行分析：（1）立體圖形的復雜程度.立體圖形越復雜，該題綜合性越強，其難度一般越大.立體圖形的復雜程度主要看其上、下表面頂點數(shù)，其對應的是知識層級中，水平較高的知識點數(shù)量，往往會涉及更復雜的關系的建構，綜合性強、難度大.（2）立體圖形中標識的科學思維種類越多、水平越高，問題越復雜.這類問題往往對應較復雜的立體圖形.（3）障礙點的數(shù)量與類型間接反映問題的難度.障礙點數(shù)量越多問題越復雜.（4）立體結構圖形越復雜的問題，認知要求越高.

3.2 通過結構化分析比較不同問題設計的特征與啟示

依據(jù)結構化分析與評價方法，對2021 年和2022年廣東物理卷中4道題進行對比分析，從而明晰命制的試題特征，以獲得教學啟示.

由表4 所示結構化分析中的立體圖形，可清晰表征并區(qū)分各試卷所考查的知識、思維等方面的差異，初步評定試題質(zhì)量與難度，核查整卷知識、思維、認知等方面信息，以便快速形成對整卷內(nèi)容的初步認識.

表4 結構化分析橫、縱向比較的實例與啟示

綜上，從試題所承載知識的認知負荷、思維的多樣化與深度視角分析試題質(zhì)量時，可以從知識層級水平、認知負荷水平、所考查思維的種類與水平、障礙點的設計等多個方面建立標準，從上表實例可初步得出（1）試題承載的知識點及知識點水平層級、認知負荷水平可間接判斷試題的難度；（2）試題所考查的思維的種類與水平也可間接判斷難度與能力的匹配情況；（3）試題中障礙點的設計分析可間接反映試題的難度、信度等；（4）繪制的試題知識與思維關聯(lián)結構及障礙點分布簡圖，可間接反映試題難度、信度、難度與能力匹配情況.［7-8］