項目式多粒度協作學習模型促進工程教育中高階認知參與的實證研究

摘 要：認知參與是協作學習中小組表現的一個重要指標。本研究提出了一種項目式多粒度協作學習模型，將項目式學習與多粒度協作學習策略結合起來，以提高工程教育中設計類課程的認知參與和學習績效。為了驗證模型的有效性，從一門工程設計類課程中采集了學習者進行數據庫系統設計時的協作會話數據。數據分析顯示，在基于項目式多粒度協作學習模型的小組合作過程中，學習者的高階認知參與被不斷提升。其中，反思活動可以極大地提高學習者的高階認知參與。此外，個體準備和同伴評估中的高階認知參與可以極大地提高協作中的小組表現。這些發現對協作學習活動的組織具有參考價值。項目式多粒度協作學習策略可以提升工程設計類課程中學習者的高階認知參與和小組績效。教師應重點關注個體準備和同伴評估活動，激發學習者在這兩類活動中的高階認知參與，這可以幫助學習者在小組協作中取得更大的進步。

關鍵詞：高階認知參與；項目式學習；多粒度協作；協作學習；工程教育

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）01-0041-07

引言

計算機支持的協作學習（Computer-Supported Collaborative Learning，簡稱CSCL）已經被廣泛用于混合式學習和在線學習。與個體學習相比，CSCL在提升學習成績、促進知識建構和批判性思維、培養協作精神等方面都可以發揮重要作用。然而，研究者同時也指出，僅僅把幾個學生放在一起并不能保證良好的學習效果。如果缺乏深度的高階認知參與，協作學習就會流于形式，難以發揮其應有的作用[1]。研究者嘗試了許多策略來支持和改善協作學習，如教師干預、情感支持、協作工具以及協作腳本等[2]。通過這些策略，學習者的學術表現、知識共享和人工制品的質量均得到了提高。然而，針對如何促進協作學習中學習者的高階認知參與的研究則相對較少。此外，項目式學習（Project-Based Learning，簡稱PBL）由于其情景的真實性和復雜的知識整合，被認為可以提高學習者的認知表現和學習質量。尤其是在工程教育領域，PBL被廣泛應用。因此，本研究試圖將項目式學習和多粒度協作策略整合起來，以提高工程教育中學習者的高階認知參與，從而進一步提升協作學習績效，為工程教育中協作學習活動的組織提供參考。

一、文獻綜述

（一）多粒度協作學習

CSCL中最常見的學習形式是將學生分成小組，要求他們合作討論一個話題或完成一項任務。與個體學習相比，CSCL有很多優勢，如促進思想交流、知識構建以及提高學習收益等。然而，參與協作學習并不能保證一定會產生高階的認知加工或知識改進，社交孤立和深度認知不足始終是困擾協作學習效果的難題之一。通過多粒度的協作可以更好地實現知識共享、深度合作和元認知技能提升。典型的協作粒度包括個體粒度、組內粒度、組間粒度和社區粒度。為了更好地開展協作學習，研究者提出可以綜合運用不同粒度的協作策略來組織協作活動[3]。此外，已有研究還指出，高水平的認知參與對協作學習活動的成功有著重要作用[4]。然而，多粒度協作學習活動對學習者高階認知參與的提升路徑尚不明確。

（二）工程教育中的項目式學習

項目式學習是一種基于建構主義理論的、以學生為中心的教學法。項目式學習有5個主要標準：項目是課程的中心，而非邊緣因素；項目能夠促使學生掌握學科的核心概念和基本原理；項目能夠讓學生參與具有建設性的學習過程；項目在一定程度上是由學生驅動的；項目來源于真實生活。由于這些特點，項目式學習被認為需要高水平的認知參與和復雜的學科知識應用，適合用于培養高級學習能力的可持續發展。項目式學習被廣泛地應用于工程教育中[5]，如機器人、大數據、游戲設計和編程、計算機科學、電氣工程等。其主要原因在于，工程學習以學生為絕對的核心、以解決實際問題為目的、需要綜合運用多種復雜技能和能力，這些特征正是項目式學習的核心特征。因此，項目式學習在工程設計類課程中被廣泛使用并被證明是有效的[6]。但是，當項目式學習與多粒度協作學習策略相結合時，這兩種學習策略對學習者高階認知參與的影響尚不明確，仍有待探討。

（三）協作學習中的高階認知參與

高階認知參與是協作學習績效的重要影響因素之一。測量認知參與最常用的量表之一是布魯姆的認知目標分類法[7]。布魯姆將認知目標定義為6個層次：記憶、理解、應用、分析、評價和創造。其中，記憶和理解被認為是低階認知參與；應用、分析、評價和創造則被認為是高階認知參與。在布魯姆認知分類的基礎上，研究者進一步提出了一個修訂版認知參與分類框架，以分析協作學習中的認知過程[8]。修訂后的框架在布魯姆認知目標分類的基礎上加入了問題、反思、指導和支架來分析認知參與，并被廣泛用于在線討論的分析中。該框架將認知參與定義為從問題到支架的逐級加深的認知過程，從更為深入和細致的角度對學習者的認知過程進行分析。高階認知參與對學習的重要作用已得到了廣泛的研究和證明。本研究試圖整合項目式學習與多粒度協作學習策略，以促進學習者的高階認知參與，并探索其影響機制。

二、項目式多粒度協作學習模型的構建

為了促進學習者的高階認知參與，本文提出了項目式多粒度協作學習（Project-Based Multi-Granularity Collaborative Learning， 簡稱PMGCL）模型。在該模型中，項目式學習被用于驅動整個學習過程，多粒度協作學習策略則被用于促進學習者的高階認知參與。PMGCL模型的基本結構如圖1所示。

PMGCL模型將項目式學習與3種不同的協作粒度相結合，共包含5個學習活動：個體準備、制作草稿、同伴評估、草稿提升和個體反思。從活動1到活動5，協作學習活動的粒度先逐漸變大（個體—小組—社區），然后逐漸變小（社區—小組—個體）。這一變化趨勢也體現了協作學習活動是起源于個體的知識儲備，最終結束于個體的反思進步。隨著項目式協作學習過程的不斷推進，高階認知參與被不斷激發，并逐步提升。

三、案例分析與應用

（一）研究設計和數據收集

為了驗證PMGCL模型的有效性及其運行機制，本研究在一門工程類課程“數據庫系統原理與實踐”中開展了實證研究。學生被要求以小組協作的形式設計一個數據庫系統。

根據PMGCL模型，整個學習過程包括5個學習活動。在個體準備學習活動中，學習者可以自由表達他們對數據庫系統設計的想法和對數據庫系統主題的偏好。第2個活動是數據庫系統的草稿設計。在這個活動中，同一個小組的學生需要相互協商設計一個數據庫系統的草稿。由兩位該課程的任課教師對各組草稿進行評估，并分別給草稿打分。兩位教師打分的平均成績作為第一版草稿的評分。第3個活動是組間的同伴評估。在該活動中，所有小組均可以看到其他小組的設計草稿，并被隨機分配對其中一個小組的設計草稿進行評價和給出建議。第4個活動是對數據庫設計草稿進行改進和提升。在這個活動中，每個小組的成員會相互討論，并根據他們所收到的評價和建議對草稿進行改進和提升。與對第一版的草稿進行評估相似，兩位老師再次評估修改后的草稿，并給出分數。兩位教師評分的平均值作為第二版草稿的得分。最后一個學習活動是個體反思。學生需要根據他們在整個設計過程中的體驗寫一篇文本反思。

實驗過程中收集到的數據包括QQ平臺中所有小組的聊天記錄，兩個版本的數據庫系統設計草稿，以及所有學習者撰寫的反思文本。

（二）被試的基本情況

共有41名教育技術學專業的大二學生注冊參加了該課程，包括10名男生和31名女生。在課程開始時，所有學生被隨機分配到9個小組，每組包含4～5名成員。

（三）認知參與的編碼框架

在本研究中，我們使用了由朱爾平（Erping Zhu）[8]基于布魯姆的認知目標分類理論提出的認知參與分析框架。該框架包含5個類別和12個子類別（見表1）。每個子類別均有一個認知參與深度得分。得分越高，意味著該子類別認知參與的程度越高。

所有的聊天記錄和反思文本根據認知參與程度的不同，被劃分成獨立的語義片段，然后按時間順序進行排序。兩位研究助理作為編碼員，對所有的語義片段進行編碼。首先從數據中隨機選取了200個片段，以測試兩位編碼員之間的編碼一致性。編碼者之間的可靠性系數為0.80（Cohen's Kappa），提示編碼達到了較高的一致性。隨后，所有剩下的片段均由這兩位編碼員進行編碼，并通過協商來保證編碼結果一致。

（四）數據分析

1.PMGCL模型中的認知參與分布情況

為了更好地了解學習過程中學習者的認知特征分布情況，本研究對各個認知參與特征的頻數和頻率分布進行了統計，結果如表2所示。

統計結果顯示，最頻繁的認知參與特征是“情報”和“回應”。而高階認知參與特征，如“反思”“監控”和“腳手架”，其出現的頻率要低于陳述類認知參與。這一現象表明，在協作學習過程中，陳述類認知參與仍然占據主導地位。由于“腳手架”在整個過程中只出現了一次，在后續分析中排除了該特征。

2. 在基于PMGCL模型的協作學習過程中，高階認知參與的提高情況

本研究按時間順序對所有語義片段進行排列，然后根據研究設計中不同的協作學習活動將數據切分成5個部分，分別對應5個不同的協作學習活動。認知網絡分析（Epistemic Network Analysis，簡稱ENA）被用于對5個學習活動的認知參與軌跡進行分析。

圖2（見下頁）展示了5個協作學習活動的ENA分析結果，并顯示了5個協作學習活動的認知參與特征的質心。整體來看，活動1、2、3、4的質心位于ENA網絡結構圖的右邊，主要集中在“回應”上，屬于低階認知參與特征。活動5的認知參與特征均值則位于結構圖的左邊，主要集中在“綜合”“分析”和“反思”上，屬于高階認知參與特征。這一現象表明，與其他活動相比，活動5在認知程度上有極大的提高。

結合ENA結果對每個學習活動的認知參與特征進行細粒度分析：第一，活動2的認知模式比活動1要更加多樣化，具有更為復雜的認知網絡結構，在“回應”“情報”“尋找信息”“探究或開啟一個討論”“分析”之間有更強的聯系。第二，活動3比活動4具有更為多樣化的認知模式。活動3在“分析”“情報”“回應”“評價”“解釋”和“反思變化”之間具有更強的聯系，而活動4在“回應”和“尋找信息”“回應”和“探究或開啟一個討論”之間有更強的聯系。第三，對比活動4和活動5的認知參與結構，活動4更多的是低階認知特征，如“情報”“回應”和“尋找信息”，而活動5在“分析”“反思變化”“反思認知策略的使用”“評價”和“監控”等高階認知參與特征之間有更強的聯系。

從總體趨勢來看，隨著協作學習活動的不斷進行，高階認知思維特征呈現逐漸增加的趨勢。尤其是活動3和活動5呈現出了較多的高階認知參與特征。這一現象也說明，在后期的學習活動中，高階認知參與特征得到了較好的激發。

3. 在PMGCL模型的5個學習活動中，學習活動對提高小組績效起到了關鍵性的作用

為了進一步考察PMGCL模型是如何促進學習者提升其項目設計成果的，本研究將所有小組按照兩次草稿的評分差異劃分為進步較大組和進步較小組。根據兩次評估成績的差值對小組進行排序，前4組被標記為進步較大組，其余組被標記為進步較小組。

為了探索PMGCL模型中哪些活動對于提高小組的績效至關重要，本研究對PMGCL模型中兩種不同類型的小組的5個學習活動進行了認知網絡軌跡分析，結果如圖3所示（見下頁）。圖3中實心的點表示進步較小的小組的5個學習活動的認知網絡質心，空心的點則表示進步較大的小組。從這5個學習活動的質心的分布位置可以發現，活動2、4和5的質心位置在兩類群體之間是相似的，但是活動1和活動3的位置在這兩類群體之間卻相差甚遠。這一現象說明，兩類群體在活動2、4和5中的認知模式是相似的，而在活動1和活動3中的認知模式則是不同的。進步較大的小組在活動1和活動3中的認知網絡質心位于坐標系的右側，具有更多“反思認知策略的使用”和“監控”等高階認知參與特征；進步較小的組則位于坐標系的左側，具有更多“探究或開啟一個討論”和“情報”等低階認知參與特征。這種區別意味著，進步較大的小組在活動2、4和5中與進步較小的組的認知模式相似，但在活動1和活動3 中表現出了更為高階的認知參與特征。

這一結果意味著，在協作學習過程中，活動1和活動3對提高小組績效起著重要作用。那些在活動1和活動3中具有更多高階認知參與的小組往往在小組表現上能夠得到更多的提高。

（五）結論與啟示

1. 研究結論

（1）低階認知參與是協作學習中認知過程的基石，而高階認知參與有待進一步提升。描述性統計分析的結果顯示，在協作學習過程中，“情報”（36.03%）和“回應”（25.95%）仍然是最常見的認知參與特征。這表明低階認知參與仍然是協作問題解決過程中的認知基礎。然而，缺乏高階認知參與和元認知，如“分析”“綜合”“評價”“反思”“監控”和“腳手架”，是協作學習中值得關注的問題。如何采取行之有效的干預措施提高學生在協作學習中的高階認知參與，仍然是未來需要進一步關注的問題。

（2）PMGCL模型能夠促進學習者的高階認知參與不斷提升。從活動1到活動5，學習者的認知參與程度逐漸提高。尤其是活動5中包含大量的高階認知參與，如“分析”“綜合”“反思變化”和“反思認知策略的使用”。這一結果證明，在工程學習中應用PMGCL模型能夠提升協作學習的認知參與。

（3）個體準備和同伴評估活動對提高小組績效有著關鍵性的作用。認知網絡分析的結果顯示，在個體準備和同伴評估活動中，進步較大的小組和進步較小的小組在認知模式上存在顯著差異。進步較大的小組擁有更多“反思認知策略的使用”和“監控”等高階認知參與；進步較小的小組則擁有更多“情報”和“探究或開啟一個討論”等低階認知參與。這一現象表明，進步較大的小組比進步較小的小組在個體準備和同伴互評活動中擁有更為高階的認知參與行為。已有的研究表明，準備工作和同行評議可以改善協作學習，在協作前單獨準備的學生比沒有準備就進行協作的學生能夠學得更多。因此，個體準備和同伴評估對于提升小組的學習績效有著至關重要的作用。

2. 對工程教育中協作學習的啟示

上述發現對教師組織協作學習活動有重要意義。第一，教師應該采取策略以促進協作學習中的高階認知參與。低階認知參與如“陳述”等，在協作學習中仍占據主導地位，而那些有較多高階認知參與的小組可以獲得更好的小組表現。第二，將項目式學習和多粒度協作整合起來，可以提高協作學習中的高階認知參與。項目式學習與多粒度協作學習各有優勢，將它們整合在一起以組織學習過程，非常適用于工程教育和設計類課程，可以有效地提高學習者的高階認知參與。第三，教師應該更加關注個人準備和同伴評估活動，在這兩個活動中為學習者提供更多的支持，激發其在這兩個活動中產生更多的高階認知特征。研究結果顯示，在個體準備和同伴評估活動中，具有更多高階認知參與的小組能夠取得更大的進步和提升。因此，這兩個活動中全面深入的教師支持可以幫助學習者在協作學習中獲益更多。

四、結論、局限性和未來研究

認知參與是協作學習的一個重要指標。本研究整合了PBL和多粒度協作學習策略，提出了一個項目式多粒度協作學習模型，以提高協作學習的高階認知參與，并探討了學習過程中不同活動的認知參與軌跡。結果顯示，反思可以極大地提高協作話語的認知參與程度；個人準備和同行評議活動中的高階認知參與可以極大地提高協作學習中的小組表現，使得小組獲益更多。本研究有兩個局限性：第一，樣本量相對小，而且所有學生都來自一個專業，這可能會限制結果的普遍性。第二，在學習過程中僅收集了單一格式的文本數據，其他格式的數據，如問卷調查、視頻記錄和訪談，可以提供更多關于協作中的認知參與的信息。基于這些局限性，我們計劃在未來擴大樣本的規模，收集不同專業的數據，對其他的數據收集方法，如問卷調查和視頻記錄，也可以納入研究中，以獲取更多關于認知參與的額外信息。

參考文獻

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（責任編輯 孫興麗）

An Empirical Study of PMGCL Model to Promote Higher-Order Cognitive Engagement

in Engineering Education

Wu Linjing1， Ma Xinqian1， Li Yuxin1， Gao Yu1， Wang Jianhu2

（1. Faculty of Artificial Intelligence Education， Central China Normal University， Wuhan， Hubei， China 430079;

2. College of Educational Science， Xinjiang Normal University， Urumqi， Xinjiang， China 830054）

Abstract： Cognitive engagement is an important indicator of group performance in collaborative learning. The study proposes a project-based multi-granularity collaborative learning model （PMGCL） that combines project-based learning with multi-granularity collaborative learning strategies to improve cognitive engagement and learning performance in design courses in engineering education. To validate the effectiveness of the model， data on learners’ collaborative sessions while performing database system design are collected from an engineering design course. Data analysis shows that learners’ higher-order cognitive engagement is continuously enhanced during group work based on the PMGCL model. In particular， reflective activities can greatly enhance learners’ higher-order cognitive engagement. In addition， higher-order cognitive engagement in individual preparation and peer assessment can greatly improve group performance in collaboration. These findings are informative for the organization of collaborative learning activities. PMGCL strategies can enhance learners’ higher-order cognitive engagement and group performance in engineering design courses. Teachers should focus on individual preparation and peer assessment activities to stimulate learners’ higher-order cognitive engagement in these two types of activities， which can help learners make more progress in group collaboration.

Key words： Higher-order cognitive engagement; Project-based learning; Multi-granular collaboration; Collaborative learning; Engineering education