基于翻轉(zhuǎn)課堂的認(rèn)知診斷在教學(xué)中的實(shí)踐研究

過 珺

(安徽中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)教學(xué)部 安徽蕪湖 241003)

信息化的快速發(fā)展給教育注入了強(qiáng)勁動(dòng)力，信息化與教育的結(jié)合形成了很多新興的教學(xué)方式，在一定程度上緩解了傳統(tǒng)課堂的矛盾。 目前高校教師使用的混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等，使師生利用課余時(shí)間進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)成為可能，從而課內(nèi)時(shí)間可以更高效地幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的內(nèi)化；但是這些方法在實(shí)際使用過程中也存在一些問題。例如，教師在教學(xué)過程中缺少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的診斷，使教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的掌握是滯后的。教師錯(cuò)過教學(xué)的最佳補(bǔ)救時(shí)間，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情降低、學(xué)習(xí)效果減弱；另外教師對(duì)學(xué)生學(xué)情的把握大部分來源于測試成績，當(dāng)教師在面對(duì)有相同成績的學(xué)生時(shí)，并不能分辨其認(rèn)知結(jié)構(gòu)、解題過程等信息，因此不能針對(duì)性地對(duì)學(xué)生實(shí)施補(bǔ)救教學(xué)和因材施教。在這種情形下以翻轉(zhuǎn)課堂為背景的認(rèn)知診斷方案可以有效解決當(dāng)前在教學(xué)中出現(xiàn)的問題。認(rèn)知診斷可以幫助教師精準(zhǔn)地掌握每位學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握情況，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，方便教師及時(shí)改變教學(xué)策略，有效組織教學(xué)。

1 認(rèn)知診斷及其過程

1.1 認(rèn)知診斷及其相關(guān)概念

涂冬波教授認(rèn)為認(rèn)知診斷有廣義和狹義之分，廣義的認(rèn)知診斷通常是指通過觀察被試的分?jǐn)?shù)，探索被試內(nèi)部認(rèn)知特征。狹義的認(rèn)知診斷是指在教育領(lǐng)域中，根據(jù)相關(guān)理論和工具對(duì)認(rèn)知診斷知識(shí)或技能進(jìn)行的研究工作。

認(rèn)知屬性是認(rèn)知診斷的基本單位，是被試正確完成給定測驗(yàn)時(shí)所必需的知識(shí)、技能等。認(rèn)知屬性之間的相互關(guān)聯(lián)，使得其之間的層級(jí)關(guān)系有“直線型”“收斂型”“分散型”和“無結(jié)構(gòu)型”四種結(jié)構(gòu)。

Q矩陣是表示測驗(yàn)項(xiàng)目與屬性間關(guān)系的矩陣，由J行K列的0-1矩陣組成(J表示測驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)，K表示測驗(yàn)中所測量的屬性的個(gè)數(shù))。Qjk為0表示項(xiàng)目j沒有測量k屬性；反之則認(rèn)為項(xiàng)目j測量了k屬性。

鄰接矩陣(A矩陣)是K行K列的0-1矩陣(K指屬性個(gè)數(shù))，表示認(rèn)知屬性間的關(guān)系；如果認(rèn)知屬性間是直接關(guān)系，則矩陣中對(duì)應(yīng)的元素為“1”，否則為“0”。

理想測量模式是依據(jù)屬性間的層級(jí)關(guān)系，確定所有符合邏輯的測驗(yàn)項(xiàng)目考核模式種類；理想掌握模式是以屬性間的層級(jí)關(guān)系，推理符合邏輯的掌握模式，由一個(gè)K列的0-1矩陣組成?！?”代表掌握了該屬性，“0”代表未掌握；理想反應(yīng)模式表示被試只有掌握了項(xiàng)目考核的所有屬性才能答對(duì)該題，否則被試將不能答對(duì)該題。其表示被試在不存在任何失誤和猜測等誤差條件下對(duì)項(xiàng)目的作答反應(yīng)情況。

1.2 DINA模型

隨著認(rèn)知診斷概念的提出，相關(guān)模型層出不窮。其中DINA模型因?yàn)槠浜唵渭叭菀桌斫獾哪Ｐ图軜?gòu)，模型的擬合度好，而被廣泛使用；其對(duì)二值計(jì)分的測驗(yàn)項(xiàng)目有很好的診斷效果。

該模型認(rèn)為，如果被試完全掌握了試題考查的所有知識(shí)點(diǎn)，那么他就能夠正確回答該試題；否則他將不能正確回答試題。在已知被試i的知識(shí)點(diǎn)掌握情況αi的條件下，答對(duì)試題j的概率如公式(1)所示：

(1)

其中Xij表示被試i在試題j上的得分情況，Xij=1表示被試回答正確，Xij=0表示被試回答錯(cuò)誤；gj表示被試在并不完全掌握試題j所考查的所有知識(shí)點(diǎn)的情況下猜對(duì)的概率，sj表示被試在掌握了試題j所考查的所有知識(shí)點(diǎn)的情況下做錯(cuò)的概率。

1.3 認(rèn)知診斷過程

認(rèn)知診斷過程是通過分析各知識(shí)點(diǎn)的屬性，找出其中符合邏輯的層級(jí)關(guān)系，并對(duì)其編碼，以此計(jì)算被試的認(rèn)知模型。

首先確定一節(jié)課的所有知識(shí)點(diǎn)，并分析各知識(shí)點(diǎn)之間的層級(jí)關(guān)系；其次依據(jù)層級(jí)關(guān)系對(duì)各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行編碼，形成本節(jié)課所有知識(shí)點(diǎn)的A矩陣。并將其輸入至涂冬波教授的認(rèn)知診斷分析平臺(tái)(FlexCDMs)，得到所有知識(shí)點(diǎn)的理想測量模式、理想掌握模式、理想反應(yīng)模式；再根據(jù)理想測試模式、試題來確定Q矩陣。并將Q矩陣和學(xué)生的實(shí)際測試成績經(jīng)過編碼后輸入認(rèn)知診斷分析平臺(tái)，得到被試屬性掌握概率、模式反應(yīng)概率等，以此判斷被試在沒有猜測和失誤的情況下對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

2 認(rèn)知診斷在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂背景下的認(rèn)知診斷實(shí)施方案

整個(gè)教學(xué)過程分為課前、課中、課后三個(gè)階段。課程的翻轉(zhuǎn)是課前翻轉(zhuǎn)，所有教學(xué)任務(wù)的發(fā)布和數(shù)據(jù)回收均通過教學(xué)平臺(tái)完成，具體如表1所示。

表1 翻轉(zhuǎn)課堂下的認(rèn)知診斷實(shí)施過程

翻轉(zhuǎn)課堂是將學(xué)習(xí)進(jìn)程前移的一種新型的教學(xué)模式。具體而言：由教師在課前給學(xué)生提供教學(xué)相關(guān)視頻、教學(xué)課件等各種形式的學(xué)習(xí)資料，學(xué)生在課前完成對(duì)所有學(xué)習(xí)資源的學(xué)習(xí)，并根據(jù)實(shí)際情況自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以補(bǔ)充學(xué)習(xí)；在課堂上師生則共同對(duì)作業(yè)中的問題進(jìn)行探究和互動(dòng)交流等，幫助學(xué)生完成知識(shí)的吸收內(nèi)化過程。

2.2 認(rèn)知診斷在教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

以高等教育出版社出版的《醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》(第三版)中的“Excel2010公式與函數(shù)”為授課內(nèi)容舉例。本節(jié)知識(shí)點(diǎn)有：① 公式和函數(shù)的基本概念及組成；② 相對(duì)引用、絕對(duì)引用、混合引用的概念；③ 常用函數(shù)的使用；④ 利用公式和函數(shù)解決實(shí)際問題。

1) 自測題編制。本節(jié)內(nèi)容中“公式和函數(shù)的基本概念及組成”非常簡單，通過對(duì)近5年學(xué)生的學(xué)習(xí)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他們都已很好地掌握了該知識(shí)點(diǎn)，所以在課前測試中并沒有考量這個(gè)知識(shí)屬性。列出該部分知識(shí)點(diǎn)(如表2所示)以及其層級(jí)關(guān)系(如圖1所示)，并梳理A矩陣(如表3所示)。將A矩陣輸入認(rèn)知診斷平臺(tái)，得到理想測量模式、理想掌握模式(如表4、5所示)；以理想測量模式為標(biāo)準(zhǔn)并考量測試時(shí)間等因素，編制相應(yīng)的測試卷發(fā)布到教學(xué)平臺(tái)，便于學(xué)生課前自測。

表2 屬性編碼表

圖1 屬性層次圖

表3 課程A矩陣

表4 理想測量模式

表5 理想掌握模式

通過對(duì)表4的理想測量模式分析可知，第1種理想測量模式是題目將只考核“相對(duì)引用”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，第3種理想測量模式是題目將考核三種引用方式；依此類推，第10種理想測量模式是題目將考核除“函數(shù)的綜合應(yīng)用”之外的其他四個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

而表5是理想掌握模式，第1種符合邏輯的理想掌握模式(00000)表示學(xué)生對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)都一無所知；第4種理想掌握模式(00010)表示學(xué)生只掌握了“常用函數(shù)的使用”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)；第9種理想掌握模式(01010)表示學(xué)生掌握了“絕對(duì)引用”及“常用函數(shù)的使用”這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

2) 認(rèn)知診斷的應(yīng)用。將學(xué)生自測成績經(jīng)過0-1編碼后輸入認(rèn)知診斷平臺(tái)，得到基于DINA模型的學(xué)生知識(shí)掌握模式，該模式的數(shù)據(jù)是在排除了學(xué)生猜測和失誤的前提下得到對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

表6顯示的是部分學(xué)生的知識(shí)掌握模式，其中第一列是每位學(xué)生的編號(hào)，通過分析該表可以看到每位學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，1表示已掌握，0表示未掌握。表6顯示大部分學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況是符合之前的理想掌握模式，但還有少部分學(xué)生不在其中，比如ID5(10101)。數(shù)據(jù)顯示該學(xué)生掌握了“相對(duì)引用”“混合引用”和“函數(shù)的綜合應(yīng)用”，但沒有掌握“絕對(duì)引用”和“常用函數(shù)的使用”這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。這個(gè)結(jié)論很明顯不符合邏輯，因?yàn)椤盎旌弦谩苯⒃凇跋鄬?duì)引用”和“絕對(duì)引用”的基礎(chǔ)上，沒有掌握“絕對(duì)引用”無法通過“混合引用”的測試。因此這類學(xué)生可以考慮是出現(xiàn)了猜測或是失誤等問題，需要教師對(duì)這部分學(xué)生進(jìn)行單獨(dú)談話并了解數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

表6 學(xué)生實(shí)際反應(yīng)模式(部分學(xué)生)

另外教師可以通過有針對(duì)性地給學(xué)生發(fā)布點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的習(xí)題和資料，幫助學(xué)生個(gè)性化地學(xué)習(xí)。例如ID6(11100)學(xué)生對(duì)“常用函數(shù)的使用”“函數(shù)的綜合應(yīng)用”掌握得不好，那么教師可以在課后針對(duì)性地對(duì)推送相關(guān)習(xí)題和資料，讓其在課堂教學(xué)之后檢測自己的學(xué)習(xí)效果，通過對(duì)相關(guān)資料的復(fù)習(xí)以加深學(xué)習(xí)的內(nèi)化程度。

在表6中，除去不符合邏輯的部分學(xué)生之外，數(shù)據(jù)顯示班級(jí)大部分學(xué)生對(duì)“相對(duì)引用”“絕對(duì)引用”掌握情況良好，對(duì)其他知識(shí)點(diǎn)則表現(xiàn)欠佳，教師在上課時(shí)就可以對(duì)后三個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解并輔之以習(xí)題，幫助學(xué)生理清思路；同時(shí)教師利用組內(nèi)討論的方式，通過學(xué)生的互幫互助，幫助對(duì)常規(guī)知識(shí)點(diǎn)掌握不好的學(xué)生解決學(xué)習(xí)上的困惑。利用課前診斷，教師不僅可以更高效地利用課堂時(shí)間幫助學(xué)生內(nèi)化知識(shí)，而且教師還可以根據(jù)每位學(xué)生不同的學(xué)情，針對(duì)性地開展教學(xué)活動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

1) 研究目標(biāo)。假設(shè)：基于DINA模型的認(rèn)知診斷應(yīng)用于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的翻轉(zhuǎn)課堂是可行的；其實(shí)施可以提升教師精準(zhǔn)教學(xué)的程度，提升課堂教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)自變量是基于翻轉(zhuǎn)課堂的認(rèn)知診斷的應(yīng)用；實(shí)驗(yàn)因變量是提升教師精準(zhǔn)教學(xué)的程度，提升課堂教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)采用單因素等組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2) 實(shí)驗(yàn)條件處理。實(shí)驗(yàn)對(duì)象：選擇安徽中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校2020級(jí)藥劑專業(yè)1班為實(shí)驗(yàn)組、2020級(jí)藥劑專業(yè)2班為控制組；兩組由同一位教師授課。實(shí)驗(yàn)組的班級(jí)實(shí)施翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，并在課前引入了認(rèn)知診斷測試；控制組的班級(jí)僅實(shí)施了翻轉(zhuǎn)教學(xué)。兩者的實(shí)施因素如表7所示。在單元結(jié)束后，兩個(gè)班級(jí)均參加單元測驗(yàn)，試卷內(nèi)容相同，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)相同。

表7 實(shí)驗(yàn)組、控制組實(shí)驗(yàn)因素比較

3) 統(tǒng)計(jì)學(xué)原理。采用柯克蘭-柯克斯t檢驗(yàn)，將兩個(gè)班學(xué)生本章節(jié)的單元測驗(yàn)成績進(jìn)行差異顯著性比較?？驴颂m-柯克斯t檢驗(yàn)。公式如下：

(2)

(3)

3.2 結(jié)果分析

1) 實(shí)驗(yàn)組與控制組單元測驗(yàn)成績數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 實(shí)驗(yàn)組與控制組單元測驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

2) 實(shí)驗(yàn)組與控制組學(xué)習(xí)信心的比較，見表9。

在單元結(jié)束后，筆者對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心進(jìn)行問卷調(diào)查，兩個(gè)班的反饋如表9所示。數(shù)據(jù)顯示：加入了認(rèn)知診斷的班級(jí)，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)更有信心。學(xué)生的反饋是：有了課前診斷，教師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)他們?cè)趯W(xué)習(xí)中的問題并利用課堂時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)講解，讓他們?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)解決學(xué)習(xí)中的疑問；減少他們以前在學(xué)習(xí)上的挫敗感，重塑學(xué)習(xí)的信心，也提升他們的學(xué)習(xí)興趣。

表9 實(shí)驗(yàn)組與控制組學(xué)習(xí)信心對(duì)比

3) 實(shí)驗(yàn)組對(duì)這種教學(xué)方法的滿意度調(diào)查，見表10。

表10 實(shí)驗(yàn)組學(xué)生滿意度調(diào)查

課后筆者對(duì)加入認(rèn)知診斷的班級(jí)進(jìn)行了教學(xué)滿意度調(diào)查，滿意度如表10所示。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生大部分對(duì)使用認(rèn)知診斷的教學(xué)更為滿意。學(xué)生認(rèn)為這種教學(xué)方案讓其在課前就意識(shí)到自己知識(shí)的漏洞，在課堂上他們就會(huì)更加有針對(duì)性地學(xué)習(xí)，這種方式提升了其學(xué)習(xí)效率；另外教師會(huì)根據(jù)學(xué)生個(gè)人情況推送不同的學(xué)習(xí)資源，也滿足了其對(duì)學(xué)習(xí)的不同需求。

4) 教師的教學(xué)體會(huì)。本單元結(jié)束后，教師反饋加入認(rèn)知診斷的教學(xué)，比之前更能從客觀上抓住教學(xué)的重難點(diǎn)。之前對(duì)于教學(xué)重難點(diǎn)的把握很多都是通過教學(xué)大綱或是教師多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，是主觀認(rèn)知。但隨著學(xué)生的信息化水平的提高，教師發(fā)現(xiàn)這幾年對(duì)于教學(xué)重難點(diǎn)的把握并不是很準(zhǔn)確。在加入認(rèn)知診斷之后，學(xué)生的反饋數(shù)據(jù)幫助教師及時(shí)調(diào)整教學(xué)重難點(diǎn)。

同時(shí)教師還認(rèn)為，認(rèn)知診斷的結(jié)果可以幫助他們客觀地了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并根據(jù)客觀數(shù)據(jù)實(shí)施因材施教，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提升了教學(xué)效率，也提升了課堂教學(xué)的幸福指數(shù)。但是認(rèn)知診斷工作的加入，不僅要求教師有扎實(shí)的教學(xué)功底和豐富的教學(xué)理論，還增加了教師的工作量，對(duì)教師的教學(xué)能力和教學(xué)素養(yǎng)都提出了更高的要求。

4 研究結(jié)果

通過對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂和認(rèn)知診斷進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知診斷是深化翻轉(zhuǎn)課堂的有效途徑。本研究在翻轉(zhuǎn)課堂基礎(chǔ)上，構(gòu)建了融入認(rèn)知診斷的教學(xué)設(shè)計(jì)。選取公式和函數(shù)課程進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象在學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)信心、滿意度方面進(jìn)行調(diào)研。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明以翻轉(zhuǎn)課堂為背景的認(rèn)知診斷在促進(jìn)課堂教學(xué)效率、提升學(xué)生學(xué)習(xí)信心等方面起到一定的作用。

受研究時(shí)間和個(gè)人能力的限制，本研究具有以下局限性：首先，本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)是以2個(gè)藥劑班的學(xué)生為研究對(duì)象，研究對(duì)象少，研究對(duì)象專業(yè)單一；其次，本次實(shí)驗(yàn)由于參與的教師少，對(duì)教師的反饋缺少數(shù)據(jù)支持。如果要進(jìn)一步驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)課堂背景下的認(rèn)知診斷對(duì)學(xué)習(xí)效果的促進(jìn)作用，則需要在不同的學(xué)科以及大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的支持下進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，這也是未來的研究方向。