生成式人工智能促進認知臨場感發展研究

[中圖分類號]G434 [文獻標志碼]A

一、問題的提出

探究社區（CommunityofInquiry）框架是教育技術學領域的重要話題I。認知臨場感是探究社區框架三大核心要素之一，指學生通過持續反思以及與他人對話來構建意義的程度。認知臨場感包括觸發事件、探究、整合與解決四個階段。觸發事件是指吸引學生注意使其投人學習的一個問題或任務；探究是指學生尋找相關信息和資源，以回答觸發事件中提出的問題或解決任務的過程；整合是指學生將收集到的信息和不同的觀點進行整合和協調，形成對問題的全面理解；解決是指學生在新情境中運用新習得的知識[-2]。認知臨場感是評估學生認知發展水平的重要指標，其四個階段是否能順利進行直接決定深度有意義學習能否發生。認知臨場感的重點在于通過批判性反思對話發展高階思維4。然而，學生認知臨場感從低階水平（觸發事件與探究）向高階水平（整合與解決）發展時面臨困難，學生絕大多數認知活動停留在低階水平，難以發展至整合或解決兩個高階水平階段[6-8]。

認知臨場感發展的關鍵在于，學生需要通過參與批判性反思對話，對學習內容進行批判性思考，并在構建新知識的過程中提出問題9。生成式人工智能（GenerativeArtificialIntelligence，GAI）不僅能為學生提供多種視角的觀點，支持學生對其提供的觀點進行批判性思考，還支持學生提問與追問。此外，缺乏指導是認知臨場感停留在觸發事件和探究兩個低階階段的主要原因，而GAI能在識別學生思考的基礎上提供反饋指導。最后，GAI能促進學生批判性思維的發展[]，而批判性思維是認知臨場感發展的核心要素[]。因此，本研究推測GAI具備推動認知臨場感從低階階段向高階階段發展的可能。然而，目前國內外鮮有研究關注GAI是否能促進學生認知臨場感的發展。鑒于此，本研究首先將探討GAI能否有效促進在線協作知識建構中認知臨場感的整體發展，旨在驗證GAI在提升認知臨場感方面的總體效果。如果GAI能促進認知臨場感的整體發展，接下來將深入探析GAI支持的在線協作知識建構中，不同組學生認知臨場感是否存在差異。最后，進一步探討GAI支持的在線協作知識建構中認知臨場感發展水平的影響因素，并對其進行檢驗。

二、文獻綜述

（一）認知臨場感研究現狀

認知臨場感強調教師（或任意學習者）通過定義問題或任務觸發學生進入學習，學生在探究相關信息或知識的基礎上，通過分析、整合和理解不同觀點以確定問題解決方案。認知臨場感是一個動態過程，其四個階段會反復出現，并非線性發展。然而，研究發現，認知臨場感難以過渡到整合或解決階段，學生總是在探究向整合，以及整合向解決過渡時面臨困難[Il-12]。例如：Chen和Cheng 發現，探究的比例最高 53.5% ，其次是整合 （28.9% ）、觸發事件 （11.2%） （204號和解決 （1.1% ）[13]；Liu等發現，觸發事件、探究、整合與解決四個階段所占比例分別為 13%40%.24% 及6%^[7] 。因此，促進學生認知臨場感發展是當務之急[13]。近些年，認知臨場感促進策略成為一個備受關注的熱點[6，9，14-15]。例如：Al Mamun 和Lawrie研究了支架支持如何增強在線學習中學生與內容互動時的認知臨場感;Liu等則揭示了基于計算機的思維導圖對認知臨場感的影響[14]。

（二）GAI研究現狀

隨著GAI技術的迅猛發展，它已經具備了與人類進行有意義多輪對話的能力。GAI何以促進教育教學受到了高度關注。例如：翟雪松等引入了逆向工程教學思維，分析了其在流程與機理上與GAI的相契互補性，并開展了教學實驗；毛剛等研究了GAI環境下學生數字創作實踐特征與學習體驗，發現GAI創作有助于激發學生更強的想象力、情感表達和視覺審美能力[；白雪梅等對GAI何以賦能生成式人工智能、何以賦能個性化學習與協作學習等進行了理論探討[19]。此外，GAI對于協作學習的支持是研究關注的重要話題之一。例如：王春麗等通過實證研究揭示了GAI促進創造性潛能的機理2；鄭蘭琴等進行了基于GAI的對話機器人能否促進在線協作學習績效的實證研究，發現基于GAI的對話機器人在知識激活量、貢獻度、在線協作學習績效和批判性思維意識方面明顯優于傳統媒體[。然而，目前尚未有研究關注GAI對在線協作知識建構中認知臨場感發展的促進作用及其影響因素。

三、研究設計

（一）實驗情境與工具

本研究在S省某211大學師范專業\"教育技術應用\"課程中開展，研究對象為42名本科生。研究使用扣子平臺，該平臺支持內容生成，且能夠針對學生的學習和理解程度定制化提問，從而激發學生的思考。同時，還能夠給予及時反饋，幫助學生糾正錯誤、深化理解，并鼓勵他們進一步探索相關知識。此外，通過提問支持多輪對話，從而構建出更加貼近真實人際互動的學習環境。

（二）實驗設計與流程

依據研究目的，本研究共開展了兩項實驗。第一項實驗旨在考察GAI是否能促進認知臨場感的整體發展，并著重分析不同群體在認知臨場感方面的表現是否存在差異；倘若存在上述差異，則需要進一步探究引發這些差異的潛在可能原因。第二項實驗旨在對第一項實驗發現的可能影響GAI促進認知臨場感發展的因素進行檢驗。

（三）數據分析方法與框架

研究采用認知網絡分析法與滯后序列分析法分析數據。首先，認知臨場感觸發事件與探究的二級維度（行為指標）完全按照原始認知臨場感編碼框架[2]。原始認知臨場感框架中的“解決\"強調學生使用建構的知識解決實踐問題，但這一過程往往較為復雜且難以實現。因此，一些研究者將“解決\"定義為“形成問題解決方案\"[4]。結合已有相關研究[4，21]，本研究對整合的最后一個指標“創建解決方案\"進行了調整，將其移動至“解決”，最終形成認知臨場感編碼框架，見表1。

四、研究實施與研究發現

（一）實驗1及其研究發現

1.實驗實施

第一次實驗前，42名研究對象均無GAI使用經歷，研究者隨機將他們分為實驗組和對照組，學生以4～5人的小組為單位開展在線協作知識建構學習。實驗組在完成任務的過程中通過使用GAI提供支持，而對照組則通過傳統方法（如檢索百度、查閱書籍和文獻等）獲取信息和支持。此外，實驗組和對照組學習任務和學習時長完全一致。

表1

認知臨場感編碼框架

2.數據收集與分析

研究收集了實驗組和對照組在線協作知識建構過程中的小組對話數據，以認知臨場感編碼框架（見表1）為指導，對收集到的數據進行了編碼。首先，四位編碼人員討論了編碼方案，重點對認知臨場感四個階段的范疇進行了討論，確保形成統一理解。其次，基于認知臨場感編碼框架對四名研究人員進行編碼訓練，隨機選取50條學生對話數據進行預編碼，編碼一致性達到0.85，再完成剩余數據編碼。

在此基礎上，通過認知網絡分析法，分析實驗組與對照組認知臨場感發展整體水平的差異，探究GAI能否促進認知臨場感整體發展水平。之后，針對實驗組進行認知網絡分析，旨在探究GAI支持的協作知識建構中，不同組認知臨場感是否存在差異，及其具體表現。最后，通過追溯實驗組的對話，探究GAI支持的協作知識建構中，認知臨場感存在差異的可能原因。

3.研究發現與討論

（1）GAI能促進認知臨場感整體發展水平

實驗組和對照組認知臨場感認知網絡分析結果如圖1所示。圖中的線條和節點共同構成了學生認知臨場感發展的網絡結構。線條代表節點之間的共現關系，線條越粗，表明兩個節點之間的共現頻率越高；反之，則共現頻率較低。節點則對應認知臨場感各個要素，節點越大，表示該要素在群體認知中的重要性越顯著。從圖1（c）來看，實驗組和對照組在X軸上存在顯著性差異 （t=2.81，d=0.86，p=0.01） 。實驗組[圖1（a）]在觸發事件、探究、整合和解決四個階段均表現出較強的節點強度，對照組「圖1（b）]在觸發事件、探究和整合三個階段表現出較強的節點強度。從要素之間的連接來看，實驗組在“觸發事件—探究\"“探究—整合”以及“探究一解決”上的連接較為緊密，連接系數分別為0.27、0.52和0.50，對照組在“觸發事件—探究\"\"探究一整合\"和“探究—解決”上的連接較為緊密，連接系數分別為0.30、0.60和 0.11 。

圖1實驗組與對照組認知臨場感認知網絡對比

可見，實驗組與對照組之間的差異主要體現在解決階段的節點強度和“探究一解決\"的連接強度上。在節點強度方面，實驗組在解決階段的節點強度明顯強于對照組，這表明實驗組在解決階段的認知臨場感表現更為突出。已有大量研究發現，認知臨場感總是停留在探究或整合階段，難以發展到解決階段[6-8，12-13]，本研究發現，GAI可以有效促進認知臨場感發展到解決階段。首先，在認知臨場感的各個階段，豐富的信息至關重要，GAI為實驗組提供了豐富的信息資源，而對照組需查閱網絡資源、文獻或書籍，過程繁瑣且耗時。GAI能快速定位與解決問題相關的信息，并根據學生的需求篩選出關鍵內容。相比之下，對照組可能在大量雜亂無章的信息中迷失方向，難以精準獲取有用信息。其次，GAI提供不同的思考角度，幫助學生打破常規思維，而對照組則依賴已有知識和思維模式，容易受限于固定思維。同時，GAI通過提問和提供分析框架，引導學生深入思考問題的邏輯關系，從而更好地解決問題，對照組可能僅從表面分析信息，難以深入挖掘內在邏輯。最后，GAI提供實時反饋，幫助實驗組學生及時調整學習策略和解決問題的方法，糾正錯誤并優化方案，對照組主要依賴同伴反饋，這可能導致他們在錯誤的路徑上進一步深入，從而不利于問題解決。

在連接強度方面，實驗組在“探究一解決\"的連接強度高于對照組，前者在“探究一解決\"的連接系數為0.50，而后者僅為0.11。這一發現與前人的研究發現相似，Liu等發現在思維導圖的支持下，學生認知臨場感在“探究—解決\"上具有較強的關聯[4。這說明實驗組在探究與解決之間的銜接越緊密，能夠更有效地將探究階段所獲得的知識、思路等有效地用于問題解決。“探究”是學生對觸發事件進行深入思考、挖掘各種觀點和信息的過程，而“解決”是達成結論或共識。實驗組在“探究一解決\"環節的連接強度優于對照組，本研究認為這與GAI支持的學習過程密切相關。首先，GAI的提問與追問機制，引導學生對所學內容進行全面深入的探索，從而有助于問題解決。其次，GAI還能幫助學生對這些信息進行初步整合，如按重要性或相關性排序。進入解決階段時，這些經過整合的信息能夠被學生更高效地應用。學生可以直接將合適的信息納人解決方案，從而加強了“探究一解決\"的連接強度。而對照組由于缺乏強大工具支持，獲取的信息較為零散，難以在解決階段有效利用。

（2）實驗組學生認知臨場感表現存在差異

為進一步比較實驗組不同小組認知臨場感差異，本研究利用ENA繪制了認知網絡結構圖和減差圖，結果如圖2所示。從圖中可知，A組[圖2（a）]在\"觸發事件—探究\"\"探究—整合\"“探究—解決\"\"整合—解決\"和“觸發事件—解決\"之間具有較強關聯。B組[圖2（b）]在\"觸發事件—探究\"“探究—整合\"\"探究—解決\"和“整合一解決\"之間具有較強關聯。C組[圖2（c）]在\"觸發事件—探究\"\"探究—整合\"和\"探究—解決\"之間具有較強關聯。

A、B、C三組的共性表現為都在“觸發事件—探究”“探究—整合\"以及“探究—解決\"之間具有較強關聯。然而，從圖2（d）（e）（f）可知，三組之間存在差異。A組在“觸發事件—解決\"（連接系數為0.21）和\"整合—解決\"（連接系數為0.25）的連接強度高于B和C組，B組在\"整合—解決\"（連接系數為0.13）的連接強度高于C組。首先，A組在“觸發事件—解決\"的連接強度高于B、C兩組，表明A組在解決問題過程中，觸發事件與解決問題共現的頻率最高。其次，A組在“整合一解決\"的連接強度也高于B、C兩組，且B組高于C組。這說明A組認知臨場感整合與解決的共線頻率最高，其次是B組，C組最小。這說明A組在整合觀點時有很強的針對性和系統性，認知臨場感從整合向問題解決邁進的概率最大。B組在“整合一解決\"的連接強度高于C組，這表明該組在整合信息與解決問題之間存在一定的關聯能力，能夠在一定程度上認識到信息梳理對于解決問題的重要性，并嘗試將整合后的內容與解決問題相聯系。但可能在整合的全面性、系統性和深度方面仍不及A組。最后，C組在“觸發事件—解決\"和“整合一解決\"的連接強度相對較低，反映出C組在從觸發事件向解決過渡以及在整合觀點與解決問題的銜接方面存在困難。

圖2實驗組不同組認知臨場感認知網絡結構圖和減差圖

為了探究 _A，B，C 三組認知臨場感表現存在差異的背后原因，本研究借鑒Ba等的研究，通過對小組討論原始話語的追溯22，發現A組具有較強的共享元認知能力，B組次之，C組最弱。共享元認知指成員對學習過程有清晰的意識，承擔起對學習過程進行監控和管理的責任。舉例而言，A組在討論信息化教學評價相關內容時，成員S提出：“大家可以說一下自己的理解嗎？”這種追問方式有效地引導和監督了其他成員參與討論。成員J表示：“我覺得認識一個名詞首先要了解它的概念。\"在成員J的推動下，小組成員先討論了信息化教學評價的概念和內涵，隨后深人探討了方法、策略與案例。在討論信息化教學評價的優勢時，成員J提出利用學生學習數據進行評價，且認為這既是優勢也是缺點。成員T回應：“這個是缺點嗎？我覺得數據能很直觀準確地反映學生學習情況。”這些互動說明A組具備較強的共享元認知能力。B組在討論評價量規時，有成員詢問：“有沒有量規的相關案例啊，概念還是有點難以理解。\"另有成員提出：“我們大多都提到了用信息技術手段進行評價，具體的手段有哪些呢？”“誰還有要補充的內容嗎？”這些話語體現了B組的共享元認知能力，但在引導和監控學習過程的力度與深度上，仍不及A組。然而，在對小組討論原始話語進行追溯的過程中，明顯可以看出C組在整個討論中極少有能夠體現共享元認知的表現，幾乎很難發現C組成員在對學習過程具備清晰意識的基礎上，對群體學習過程進行監控和管理的情況。與A組和B組相比，C組在共享元認知方面的表現明顯較弱。

綜上所述，本研究初步推測共享元認知能力是影響GAI支持的在線協作知識建構中認知臨場感發展的因素。

（二）實驗2及其研究發現

1.實驗實施

基于實驗1的研究發現，實驗2旨在檢驗共享元認知水平對GAI支持下的在線協作知識建構中認知臨場感發展的影響。實驗開始前，研究者使用共享元認知測量量表[23對學生進行了前測，并根據前測結果將其分為高、中、低三個元認知能力水平組。在整個實驗過程中，所有被試的學習任務、技術支持和學習時長均保持一致。

2.數據收集與分析

本研究收集了高、中、低三種不同共享元認知水平學生，第二次在線協作知識建構會話數據。數據編碼方案與實驗一致，不再贅述。隨后，采用認知網絡分析法，深入探討了不同共享元認知水平組在認知臨場感方面的差異。此外，通過滯后序列分析法，進一步分析了不同共享元認知水平組認知臨場感的發展軌跡差異。

3.研究發現與討論

（1）高、中、低共享元認知水平組認知臨場感的認知網絡存在差異

圖3不同元認知水平組學生認知臨場感的認知網絡質心圖

首先，本研究繪制了不同共享元認知水平組學生的認知網絡結構圖，如圖3所示，發現各小組學生認知網絡質心分別處于不同位置，表明不同小組認知臨場感的認知網絡結構存在較大差異。其中，高水平組和中水平組在X軸上存在顯著差異（ （t=-2.72，d=1.71，p= 0.03），高水平組和低水平組在X軸上存在顯著性差異（t=-4.19，d=2.58，p=0.01） ，中水平組和低水平組在X軸上存在差異但不顯著 （t=-1.85，d=0.08，p=0.10） 。

為了更加深入且細致地對比不同共享元認知水平組認知臨場感各階段的差異，采用ENA繪制了認知網絡結構圖以及減差圖，如圖4所示。從圖中可知，高水平組認知臨場感[圖4（a）]在“觸發事件—探究”“探究—整合\"“觸發事件—整合\"“探究—解決\"\"整合一解決\"之間均呈現較強關聯；中水平組認知臨場感[圖4（b）]在“觸發事件—探究\"“探究—整合\"\"觸發事件—整合\"“整合—解決”之間具有較強關聯；低水平組認知臨場感[圖4（c）]在“觸發事件—探究”“探究—整合\"“觸發事件—整合\"之間存在較強關聯。

高、中、低水平組的共性為均在“觸發事件—探究\"\"探究—整合\"以及“觸發事件一整合\"之間具有關聯。然而，從圖4下半部分可知，高水平組在“探究—解決\"（連接系數為0.16）的連接強度高于中、低水平組。同時，高、中水平組在\"整合—解決\"（連接系數分別為0.16、0.14）的連接強度高于低水平組。本研究認為，高水平組共享元認知能力較強，能夠監控和引導小組成員對討論話題或問題進行更深入和全面的探究，這為解決問題創造了有利條件，故而其“探究一解決”的連接強度高于中、低水平組。其次，協作知識建構的核心是構建個人意義和共享理解的批判性思維，所有成員都要承擔促進、監控和管理知識建構過程的職責。有價值的學習依賴于成員對探究過程的監控和管理能力[24。共享元認知是認知臨場感和有效協作探究的關鍵。高、中水平組的共享元認知能力較強，能在關鍵節點及時引導，促使認知臨場感從整合邁向解決，因此“整合一解決\"的連接強度高于低水平組。

圖4高、中、低共享元認知組認知臨場感認知網絡

圖5不同共享元認知水平組認知臨場感行為序列圖

（2）高、中、低共享元認知水平組認知臨場感的發展軌跡存在差異

為深入探究GAI支持下，不同共享元認知水平組認知臨場感發展過程模式差異，本研究對高、中、低三個組的認知臨場感發展軌跡進行了滯后序列分析，結果如圖5所示。首先，高水平組的顯著行為轉換主要聚焦在整合與解決兩個高階水平階段。這表明，高水平組的認知臨場感不僅能順利發展至整合階段，而且能解決絕大多數觸發事件（問題）。中水平組的顯著行為轉換主要集中于探究到探究以及探究到整合。這意味著中水平組的認知臨場感呈現出探究到探究的自我循環，以及從探究向整合過渡的特點。探究是一個發散過程，主要特征包括頭腦風暴、提問和信息交換[25]。這一過程要求成員對他人觀點進行批判性思考，并在此基礎上發表自己的見解。中水平組之所以陷入探究“自循環”，主要是因為成員缺乏必要的元認知技能，無法超越低階思維階段，從而阻礙了認知臨場感的發展[26-27]。盡管如此，中水平組仍具備一定的共享元認知能力，這使得他們在某些情況下能夠從探究階段逐步過渡到整合階段。然而，低水平組的顯著行為轉換主要集中在觸發事件到觸發事件，以及解決到觸發事件，反映出低水平組學生在多數情形下處于不斷觸發問題的狀態。這可能因為當面對觸發事件時，低水平組學生難以精準把握問題的關鍵所在，在討論過程中極易偏離主題，進而觸發新的問題。此外，值得一提的是，高中水平組均存在整合顯著引發解決的路徑，而低水平組卻并無此路徑，這說明低水平組難以從整合階段順利過渡到解決階段。在整合階段，低水平組可能僅僅是簡單地羅列觀點，而無法有效地將這些觀點有機結合，最終實現問題解決。這一現象表明，針對GAI支持的協作知識建構學習來說，教師應當著重為低共享元認知能力水平組的學生給予額外的支持與幫助，以推動這部分學生的認知臨場感朝著整合與解決兩個高階學習階段發展。

五、結束語

認知臨場感代表高階認知建構過程，強調學習者通過持續的批判性反思與對話，整合并重構多元觀點，從而實現深度知識建構與意義生成，是評估認知發展水平的重要指標之一。本研究通過兩次實驗，深入探討了GAI對于認知臨場感發展的促進作用。首先，實驗一的研究結果表明，GAI對在線協作知識建構中的認知臨場感的發展具有促進作用。實驗二進一步分析發現，共享元認知水平高的學生，在GAI支持的在線協作知識構建中表現出更高的認知臨場感發展水平。本質上，本研究通過兩項實驗，系統地回答了GAI“是否\"以及“何以\"促進在線協作知識建構中認知臨場感的發展。未來研究可以進一步深入探討GAI支持的協作知識建構情境中，共享元認知對于認知臨場感的具體作用機制，例如其如何影響小組成員的知識協商過程與策略調整行為，從而進一步影響認知臨場感的發展。同時，如何設計有效的干預措施以提高群體共享元認知能力，進而優化GAI支持下的協作知識建構過程，并最終促進群體認知臨場感的發展，也是未來研究值得深入探討的重要方向之一。

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Study on Generative Artificial Intelligence Facilitating Cognitive Presence Development

BAI Xuemei1，HUO Yuli'，SUN Yu¹ ，GU Xiaoqing2， SU Ruil， LU Jiayuel （1.Department of Educational Technology， Ningxia University， Yinchuan Ningxia 750021; 2.Department of Educational Information Technology，East China Normal University，Shanghai 200062）

[Abstract] Cognitive presence is an important indicator of how well students construct knowledge， yet itsdevelopment continues toface challenges.Generative Artificial Intelligence （GAl）） providesan unprecedented opportunity to facilitate the development of cognitive presence. To this end，the study explored theroleof GAIin facilitatingthe development of cognitive presence inonline collaborative knowledge construction and its influencing factors through two experiments.The study used cognitive network analysis and lag sequential analysis to analyze students'conversational data in online collaborative knowledge construction learning. It is found that：（1） the experimental group （with GAI support） perform better than the control group （without GAI support） in terms of cognitive presence，and the node strength of the experimental group in the'\"resolution\" phase and the connection strength of the \"exploration-resolution\" phase are higher than those of the control group. （2） Variations in cognitive presence are observed across experimental subgroups，specifically nanifested in the connection strengths of \"triggering event-solution\" phase，\"exploration-solution\" phase and \"integration-solution\" phase. （3） Shared metacognition is the key to the development of cognitive presence in GAI-supported online collaborative knowledge construction. The high shared metacognition group demostrates a higher connection strength in \"exploration-solution\" phase than the medium and low shared metacognition groups， while both high and medium shared metacognition groups have a higher connection strength in \"integration—resolution\" phase than the low shared metacognition group.（4） Thereare significant diffrences in the developmental trajectories of cognitive presence between different shared metacognition groups： the high -level group mainly operate in the integration and solution phases; the medium-level group primarily engage in the exploration phase; and the low-level group frequently triggers new problems and struggle to transition from integration to solution.

[KeyWords] Cognitive Presence; Generative Artificial Intelligence; Cognitive Network Analysis; Lag Sequential Analysis