知识反转效应及其教学启示
作者:张冬梅 路海东
发布时间:2016/1/12 10:56:13 已经阅读1311次

摘要:自20世纪90年代开始,不同文化背景、学习领域和学习阶段均发现了随着学习者知识水平的提升,教学方法的有效性出现反转的现象即知识反转效应。效应的产生是由于学习者已有知识结构与提供的教学指导之间的关系出现了失衡。其教学含义是教学需适宜于学习者的先备知识水平,具体可考虑以降低外在负荷和增加相关负荷为优化教学设计的基本思路,从知识水平静态与动态差异分别开展教学设计,在集体教学环境、集体教学环境中融合个性化学习和基于知识水平动态测验的自适应学习三种模式中实施。

关键词:知识反转效应;认知负荷;教学启示

对学生的先备知识水平进行测量是连接教与学的重要教学评价和教学准备环节,是教学进一步有效开展的前提。20世纪90年代中期,教育心理学家发现学习者的先备领域知识水平能对教学方法的有效性可以起到调节作用,继而提出了知识反转效应(Expertise Reversal Effect),为基于个体差异的适宜性教学提供了一个新的研究框架。

一、教学中的知识反转现象

学习过程是学生已有知识与新知识之间建立联系的过程,传统集体教学中常出现学生已有知识掌握越好,教学效果越好的现象,即先备知识与教学效果呈正相关。然而,当采用不同的教学方法进行教学时发现,某种教学方法可能更有利于知识水平低的学生。近年来,汉语学习环境和非汉语学习环境、良构知识学习领域和非良构知识学习领域、不同学习阶段均发现了不同知识水平学习者有效教学方法的分离现象。

(一)汉语学习环境与非汉语学习环境中的知识反转现象

运用文章标记策略进行汉语阅读教学发现,低知识水平小学生在标记因果联系词教学条件下的阅读效果好于未标记因果词的教学条件,而对于高知识水平小学生是否标记因果词其阅读效果无差异,即标记因果联系词的教学方法促进了低知识水平者的学习。母语为英语的文本阅读教学环境中运用添加主题句与总结句、解释核心概念、添加连接词等策略来影响文本连贯性时,低知识水平学习者对于运用组织策略而形成的高连贯性文本的阅读效果更好,而高知识水平学习者对于低连贯性文本的阅读效果更好。

(二)良构知识学习领域和非良构知识学习领域的知识反转现象

运用多媒体动画进行动作技能教学时,低知识水平者在足球动画样例播放速度较慢条件下的学习效果更好,而高知识水平者在足球动画样例快速播放条件下的学习效果更好。非良构知识学习领域,运用书写学习日志策略促进发展心理学课程学习时,前半学期学生书写学习日志技能较低时,运用认知策略与元认知策略提示指导其书写学习日志积极促进了学生的认知策略与元认知策略的掌握和学习成绩的提升,书写学习日志技能较高的后半学期,将有策略提示的书写学习日志法转变为自发书写学习日志时,学习效果更好。

(三)不同学段教学中的知识反转现象

5年级与6年级的小学生在学习“磁与光”这两个科学话题时,其中对于科学话题没有相关知识的5年级小学生,在视觉与听觉两种形式呈现教学信息条件下的学习效果优于运用听觉通道一种形式进行呈现,而对于科学话题进行过预先学习的6年级小学生,他们在听觉通道一种形式呈现教学信息条件下的学习效果优于两种感觉通道同时呈现。中学生在伴有朗读的汉语学习中,低知识水平者对于汉字带拼音、部分汉字带拼音和仅有汉字的三种文本的学习效果没有差异,而高知识水平者对于部分汉字带拼音文本的学习效果较好,即部分汉字带拼音的教学只对高知识水平学习者有效。大学生进行超文本学习中,运用图片与文字两种形成呈现教学材料时,低先备知识的学生学习第二人称的文本效果更好,而高先备知识学生对于第三人称的文本学习效果更好。

可见,先备知识水平低的学生在后继学习中也有可能获得成功。这种因先备知识水平差异而出现的有效教学方法的分离现象,即“知识反转效应”。

二、知识反转效应的内涵与产生机制

(一)知识反转效应的内涵

随着学习者先备领域知识水平的提升,已有教学方法的有效性下降或产生负面影响的现象称为知识反转效应,其研究范式起源于能倾与教学处置交互作用观( Aptitude-Treatment Interaction,ATI)。ATI教学观认为,应该使用不同的教学处置来使教学处置与能倾变量的交互作用最大化,当不同的教学处置因学生的能倾不同而出现学习效果的差异时,ATI效应发生了,知识反转效应是ATI效应的一种变异形式,包含部分反转效应和完全反转效应两种类型。部分反转效应表现为某种教学方法仅对低知识水平者有效或仅对高知识水平者有效。完全反转效应表现为一种教学方法对于低知识水平者有效,而另一种教学方法对于高知识水平者有效。

(二)知识反转效应的产生机制

知识反转效应的产生是由于学习者已有知识结构与提供的教学指导之间的关系出现了失衡。根据认知负荷理论,教学设计需要通过有效运用容量有限的工作记忆与容量无限的长时记忆之间的关系来优化对复杂任务的学习,图式的建构与自动化加工均可降低工作记忆负荷。长时记忆系统中的图式在知识的精致加工过程中提供执行指导的功能,缺乏执行指导可能导致学习者浪费认知负荷,导致工作记忆超载;提供充分的执行指导与避免高认知负荷和工作记忆超载紧密相联系。低知识水平者长时记忆中缺乏相关图式,容易出现工作记忆超载,接受外在支持较多的教学可降低其认知负荷;高知识水平者由于长时记忆系统中存在大量相关知识的图式,学习新知识时图式起到执行指导功能,接受冗余教学存在重复加工,反而产生过高的认知负荷。

认知负荷包含内在负荷、外在负荷和相关负荷三种类型,内在认知负荷由学习材料内在关联性决定;外在认知负荷由教学设计不良所引起,是一种无效的负荷;相关认知负荷由学习者的学习活动所决定,是一种积极的认知负荷;教学设计中三类认知负荷的总和不能超出工作记忆载荷,优化教学设计的思路是在高内在认知负荷的前提下,降低外在认知负荷与增加相关认知负荷。

“支架”与“最近发展区”是近年来关于教与学研究的核心概念,涉及教与学两个变量的知识反转效应与这两个概念存在密切联系。学习者能独立解决问题的实际发展水平与在教师指导或同伴合作下解决问题的潜在发展水平之间的距离即为最近发展区(the Zone of Proximal Development,ZPD),最近发展区的下限为学习者能独立成功解决的最难任务,上限为通过获得教师或同伴最大可能的帮助所能解决的最难任务。教育心理学领域广泛认可教学应在最近发展区内实施。支架( Scaffolding)指当学习者不能独立解决问题时而获得的来自教师或同伴所给予的认知支持。不同先备知识的学习者其“最近发展区”的上下限不同,对教学支架的需要也存在差异,完成相同学习任务并施予相同的教学支架,教学效果必然出现分离。基于此,知识反转效应的产生也可解释为学习者的“最近发展区”与实施的教学“支架”之间关系的失衡。

三、知识反转效应的教学启示

知识反转效应的主要教学含义在于要开展适宜于学习者知识水平的有效教学。此教学含义与国内新课程改革的理念相一致,也是国外能倾与教学处置交互作用观的新发展。与ATI研究中的能力、人格特质、认知风格等能倾变量相比.先各知识可容易测量,因此适宜于学习者知识水平的有效教学在实际教学情境中更容易实现。

基于知识水平的有效教学设计需要以学生先备知识水平的科学测查为前提与依据,以降低外在认知负荷与增加相关认知负荷为优化教学设计的基本思路。由于学习者知识水平既存在静态的个体间差异,又存在动态的个体内变化,因此需要从学习者知识水平静态与动态差异两个角度分别开展教学设计。

(一)基于学生先备知识水平静态差异的有效教学设计

1.集体教学环境中基于学生知识水平静态差异开展分层教学

传统的分层教学提倡根据学生的能力、人格特质、学习风格等开展分班学习,然而基于知识反转效应研究,可考虑根据学生的知识水平差异开展分层分班教学,促进不同知识水平学生的共同发展。

(1)施予先备知识水平较低的学生更丰富的教学支持

知识反转效应研究显示,低知识水平的学生对于高连贯性文本的学习效果优于低连贯性的文本,运用较多教学媒体形式呈现教学材料的学习效果优于运用单一媒体呈现,按顺序以分离的形式呈现学习材料的学习效果优于整体性一次呈现,运用更多指导的探索学习、完整样例、分割动画样例、有提示的想象等策略的学习效果优于无相关策略运用时的学习效果。因此,从降低外在负荷的角度优化教学设计,对于低知识水平学习者,可考虑选择高连贯性的学习材料、运用多样化的教学媒体以分离形式呈现教学材料,而同一学习内容的多种表征同时呈现时,如文本与注释信息、文本与图片、文本与动画等,采用空间上接近或加以整合呈现等,这些细节性的教学呈现与组织方式更有利于提高其学习效果。从增加相关负荷的角度优化教学设计,对于低先备知识水平的学习者,可考虑在教学过程中要求学生运用多种学习策略帮助其学习,如做笔记、注释、划线、提供先行组织者、标记、复述、书写日志、自我解释等认知与元认知策略,同时在学习策略运用过程中给予学生最大化的教师指导与同伴支持,这些外在支持更多的教学方法更有利于提高其学习效果。低先备知识水平学习者更适宜于细节性的、外在支持更多的教学。

(2)针对先备知识水平较高的学生适当减少教学支持

知识反转效应研究显示,高知识水平的学生阅读低连贯性文本的学习效果优于阅读高连贯性文本,教学材料运用较少或单一媒体呈现时学习效果更好,整体性一次呈现学习材料的学习效果优于按顺序依次呈现;运用低指导的探索学习、问题解决练习、连续动画样例、无提示的想象策略等的学习效果优于运用有更多教学指导的学习。因此,遵循教学最优化原则和冗余原则,从降低外在负荷的角度优化教学设计,对于高先备知识水平者可考虑提供低连贯的学习材料、运用较少教学媒体整体性呈现教学材料、同一学习内容以较少的表征方式空间上分离呈现等,这些简洁的教学呈现与组织方式更有利于提高其学习效果。从增加相关负荷的角度优化教学设计,对于高先备知识水平者可考虑在学生运用学习策略的过程中给予其最小化的教师指导与同伴支持,如自发书写学习日志、自发记笔记、无提示的自我解释等。高知识水平的学习者更适宜于简洁的、外在支持少的教学。

(3)对低知识水平学习者适当提前训练以缩小高低知识水平学习者之间的差距

样例学习研究显示,低知识水平学习者在由教师控制的固定渐减样例条件下的学习效果更好,而高知识水平学习者在学习者自主控制的渐减样例条件下学习效果更好。可见,低知识水平的学习者的自主学习能力较差,表现出对教师控制的依赖性。一方面,对于低知识水平学习者,我们需要培养和提升其自主学习能力,而不是更多依赖教师的外部控制完成学习;另一方面,在班级集体授课制的教学条件下,面对不同知识水平的学习者,如果能够缩小其知识水平之间的差距,就能够更好地开展同步教学,提高教学效率。因此,可考虑在教学前对低知识水平学习者进行领域知识提前训练与熟悉,使其具备较丰富的领域知识。

2.基于学生静态知识水平差异在教学各环节融合个性化学习范式

集体教学提倡所有学生采用统一教学方法,其教学效率高,然而却容易忽视学生的个体差异,在划一性集体教学环境中融合个性化学习范式更有利于实现基于知识水平的静态差异性教学。针对不同知识准备的学习者在课堂集中授课外的其他教学环节实施开放与可选择的教学内容、方法和组织形式,采用差异化的教学反馈等。

课前预习环节中,设计或选择适宜于高、低知识水平学生的多样化的预习材料指导其选择。从降低外在负荷的角度优化教学设计,对于低知识水平者可考虑提供对新内容讲解详细、慢速播放、分割的视频材料和高连贯性、详解的、分割的文本预习学案;而高知识水平者可考虑提供对新内容讲解简洁、快速播放或自我控制播放的视频材料形式和低连贯性、简洁的、整体性的文本预习学案。

课堂练习环节中,从降低外在负荷的角度优化教学设计,可设计适宜于不同知识水平学生的多样化的练习学案指导其选择。例如,可指导低知识水平的学生选择配有完整样例、步骤更多样例或补全样例的练习材料,而指导高知识水平的学生选择无样例辅助或样例步骤较少的练习材料;从增加相关负荷的角度优化教学设计,可考虑要求低知识水平学习者在完成练习材料的过程中运用自我解释、想象、标记、复述等学习策略辅助练习,并给予其更多教师指导和同伴支持,指导高知识水平者在完成练习材料的过程中自主运用学习策略或教师指导与同伴支持较少的运用学习策略。课堂合作学习环节,可以将知识水平不同的学习者组成异质搭配的学习小组,使他们在合作学习中取长补短、共同进步。

课后复习环节中,从降低外在负荷的角度优化教学设计,对于低知识水平者,可考虑先提供问题解决练习的完整样例、步骤更多样例或补全样例后再进行问题解决练习,而对于高知识水平者可考虑采用问题解决的反复训练的形式;从增加相关负荷的角度优化教学设计,可考虑要求低知识水平者在完成复习材料的过程中运用自我解释、想象、标记、复述等学习策略辅助问题解决并给予更多教师指导和同伴支持,同时可考虑运用有提示的总结、书写学习日志等策略促进知识的建构;而对于高知识水平者,可考虑在完成复习题的过程中运用自发的自我解释、想象、标记、复述等教师指导和同伴支持较少的学习策略辅助问题解决,同时可考虑运用自发总结和书写学习日志等教学指导较少的学习策略促进知识的建构。教学反馈环节,从降低外在负荷的角度,可针对不同知识水平学习者设计不同的反馈形式与反馈内容,低知识水平者,运用个别反馈效果更好,高知识水平者,运用合作反馈效果更好;反馈内容方面,高知识水平的学习者可能更适合简单反馈而低知识水平的学习者可能更适合精细化的反馈。

(二)基于知识水平动态差异的有效教学设计

1.根据学习者知识水平的动态变化适当增减教学支架

根据知识反转效应的含义,随着学习者知识水平的提升需要不断调整教学方法,这建立在教学进程中对学生的知识水平进行动态测量的基础上。集体教学情境中,随着教学的推进,教师的教学方法不会一成不变,总会根据学生的学习状态、知识掌握水平等不断进行教学方法的调整。

首先,在同一学期的不同学习阶段采用不同的教学策略。例如,运用书写学习日志策略促进发展心理学课程学习时,前半学期运用认知策略与元认知策略提示指导学生书写日志有效促进了学生的认知策略与元认知策略的掌握和学习成绩的提升,其中认知策略提示包括组织策略与精加工策略提示,元认知策略提示包括监控提示和计划与补救提示;然而在后半学期的学习中,将有策略提示的书写学习日志法转变为自发书写学习日志时,学习效果更好。教学的初期施予多样性的教学媒体、高连贯性的学习材料,并在教学进程中给予更多的教学指导等能更好促进学习效果的提升;而随着教学推进,在对学生知识水平进行动态测验的基础上,及时进行教学方法的调整,即按照媒体多样性、材料连贯性、教学指导等渐减的原则进行方法的调整,能更好促进学生的学习。

其次,在同一学科的不同学年段的学习中采用不同的教学策略。研究发现,添加额外图片对于高、低知识水平初中生的化学学习均起到了促进作用,并未出现知识反转效应;而对于高中生来讲,添加额外图片仅提高了低知识水平学习者的学习效果,对于高知识水平学习者并未起到促进作用,出现了部分知识反转效应。可能的原因是学习材料对于初中生来讲难度过高,添加图表与未添加图表两种呈现条件下,对于不同先备知识水平的学习者来讲,学习材料的难度均未超出学习者的最近发展区上限,未出现支架与最近发展区的失衡。可见,在领域知识学习的初期,对于不同先备知识水平的学习者均实施细节性和更多指导的教学,其学习效果会更好,随着年级的提高,学习者先备知识达到自动化水平,学习者的最近发展区的差异进一步加大时,开展基于知识水平差异的教学才会产生预期效果。 2.运用多媒体智能终端设备设计自适应学习与教学系统

近年来,数学学习领域出现了基于知识水平动态测验的自适应学习软件,在人机交互过程中实现了随学习者知识水平的提升有效教学方法的动态转变,最大化促进了每个学习者学习效果的提升。其基本程序为:先进行知识水平的初始诊断测验,然后按照初测测验得分由低到高,将学生分配到不同的组别中学习,分组学习的任务按照完整样例学习至问题解决练习一步一步递减的原则进行设计,每一组内的学习遵循先学习再诊断再学习,直至达到下一步学习的条件,最后一步的问题解决练习后进行最终测验。这种知识水平快速动态测验将学习准备、教学实施和教学评价有效地连接起来,体现了教学的连续性。

目前已有的知识水平快速动态测验主要依据图式理论和样例渐减原则而设计,未来可探索基于教学材料连贯性、教学媒体多样性、辅助策略运用的教学指导性、教学反馈的精细化等渐减原则,利用新媒体与新技术设计涉及真实教学各个环节的系统化的自适应学习与教学系统。

(三)以学校精细化管理为保障探索走班制教学模式 集体教学环境中融合个性化学习范式需要以学校精细化管理为保障,需要学校管理者认同基于知识水平差异的个性化教学理念,针对教师开展注重学生知识水平差异的有效教学设计理念并开展优秀课例研讨,备课环节推进集体备课和资源共享,教学的组织更为灵活,采用过程性评价方式等。走班制教学模式可以作为一种供选择的组织与管理模式。由于中小学生各科知识水平存在差异,且同一科目不同学生的知识水平也存在差异,实行行政班与教学班双轨制的走班教学模式可以实现尊重不同科目和同一科目学生知识水平差异的有效教学,同一科目教学班按照学生知识水平进行分层设计,对于高知识水平的学生所在教学班更多实行教师对重点知识精讲、自主探究、合作学习、合作反思等教学方法,而对于低知识水平学生所在教学班则更多实行教师引导、注重知识建构步骤的精细化讲解、基于详解样例的练习、教师精细化反馈基础上的自我反思等教学方法。

四、结语

从20世纪90年代开始关注学生先备知识与教学方法之间的交互作用以来,知识反转效应在不同学段、不同学习领域、不同文化背景中得到了广泛的探索,研究越来越接近真实教学情境,多媒体教学情境中的研究也越来越注重对于新媒体、新技术的运用并研发了诸多基于知识水平差异的自适应学习与教学系统。此领域的研究成果使得基于认知负荷理论和最近发展区理论的教学设计原则产生了相对性,给予个性化教学设计的推进理论和实践支持。汉语文化背景中的知识反转效应研究尚处于初始阶段,随着课程改革的推进,以学生为本的个性化学习日益受到关注,国内对知识反转效应及其机制的深入探讨,将有利于更好地推进课程改革中开展基于学生知识水平差异的个性化教学设计,一定程度上更好地实现教育公平。

(来源:《教育发展研究》2015.12)