基于IIS圖分析的教案質量評估指標體系的構建

楊開城，張媛媛

(北京師范大學 知識工程研究中心，北京 100875)

基于IIS圖分析的教案質量評估指標體系的構建

楊開城，張媛媛

(北京師范大學 知識工程研究中心，北京 100875)

教案的實質是設計態的教學系統，該文嘗試采用教學系統IIS圖分析法分析教案，在前期研究的基礎上，筆者結合教學系統的要素與功能特征，從概念層面提出教案的特征指標；其次，通過對教案的IIS圖分析，從教案的結構化設計及IIS圖的標記信息入手，構建教案特征指標的具體量化方式，對統計意義上顯著的9個子指標進行主成分分析，結合教案特征指標的具體含義，遵循簡潔的原則，構建一套既簡潔又有效的教案質量評估的指標體系，即整圖知識點總激活量、目標知識點激活度(目標知識點平均激活量與IIS整圖知識點平均激活量的比值)、學生參與度(目標知識點激活量)、媒體多元性(目標知識點表征形態數均值)、信息流類型完整性(信息類型數)、目標手段一致性。

教案；IIS圖分析法；指標體系

本文中教案質量評估指標體系的構建基于以下三點：其一，教案的實質是設計態的教學系統，從教學系統分析的角度分析教案是其應有之意，理想的教案質量評估須從教案的局部特征分析而不是宏觀分析，并能夠體現教案的真實特征及其背后所依附的信息流；其二，教案質量評估的指標須是具體的、客觀的、有效的，所謂具體的、客觀的，是指這些信息不是想法、認識，不帶主觀性，容易得到大家的共識，不論是誰，都有相同的結果[1]；其三，教案質量評估須服務于教案反思，從而增進教師的教學設計能力，不用于教案之間的橫向比較。通過分析教案評估的相關文獻及教學系統IIS圖分析法的可行性與有效性，本研究構建了基于教學系統IIS圖分析法的教案質量評估指標體系。

一、特征指標的預設

林凡[2]、張寧[3]、丁瑩[4]通過對教學視頻進行IIS圖分析，逐步形成了教學系統IIS圖分析法的理論體系和相關的分析技術，并驗證了知識點的激活量與它的學習效果成正相關。

教案的實質是設計態的教學系統，教學系統IIS圖分析法理應可以用到教案分析上，實踐也證明了這一點，徐梅[5]的研究驗證了教學系統IIS圖分析法分析教案的可行性。至此，我們找到了評估教案質量的新思路，即基于教學系統IIS圖分析法分析教案，從教案IIS圖的標記信息(如貢獻者、信息類型、表征形態、激活量等屬性)以及這些標記信息的綜合信息(如貢獻者與激活量的綜合信息等)入手，構建教案質量評估的特征指標及其量化方式。

目前我們嘗試提出了以下幾個特征指標。

(一)總激活量

激活量是由多個信息流激活所導致的知識點的信息墑的累加和，它反映的是信息流對某一個知識點的激活水平。前期的一系列研究已經證明了激活量與知識點的學習效果呈正相關，然而，單個知識點的激活量很難在整體上說明教案的激活水平，因此徐梅提出了總激活量[6]這一指標，用以反映教案IIS圖整體激活水平，即教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對知識點的總體激活水平，并構建了四個子指標，整圖知識點總激活量、目標知識點總激活量、整圖知識點平均激活量和目標知識點平均激活量，但考慮到成對教案的內容特征，本研究只采用了前兩個。

1.整圖知識點總激活量

整圖知識點總激活量，即教案IIS圖中所有知識點激活量的總和。它反映的是教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對所有知識點的總體激活水平。

2.目標知識點總激活量

目標知識點總激活量，即教案IIS圖中目標知識點激活量的總和。它反映的是教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對目標知識點的總體激活水平。

在教案的優化過程中，設計者會直接增加目標知識點的講解/運用/總結，導致目標知識點激活量的增加；或增加目標知識點的先決知識的講解/運用/總結，以增強學習者對目標知識點的理解與有意義連接，導致非目標知識點激活量的增加，最終實現教案內容的系統性、邏輯性、連貫性。因此，我們假設，優化后的教案在總激活量(整圖知識點/目標知識點)上會有所增加。

然而，該指標存在以下風險：

(1)非目標知識點的增加

在教案知識建模和結構化設計的過程中，設計者在原來教案的基礎上增加了非目標知識點及其講解/運用/總結，這必然會導致整圖知識點總激活量的增加，但如果設計者只是單純增加知識點內容來優化教案，即整個教案中增加了相當大比例的非目標知識點及其講解/運用/總結，就相對削弱了目標知識點所占的比例，畢竟教案的出發點和歸宿是對目標知識點的建構，而非所有知識點的建構。雖然整圖知識點總激活量是增加的，但不一定說明教案已優化。

(2)非目標知識點的減少

設計者在知識建模的過程中，發現原來教案中出現了不必要的知識點而將其刪除，可能會導致整圖知識點總激活量的減少，而這不一定說明教案未優化。

(3)教案的詳略

一般而言，教案I是設計著嘗試設計的教案，盡管要求設計者設計一份詳細的教案，但不能保證其詳細，而教案II是設計者經過實訓、反復迭代設計的結果，詳細程度高，會導致總激活量(整圖知識點/目標知識點)的增加，但不一定說明教案已優化。

(二)目標知識點激活度

為了規避總激活量(整圖知識點/目標知識點)存在的風險，筆者提出了目標知識點激活度，它反映的是教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對目標知識點的激活程度，并構建了兩個子指標：目標知識點激活度和目標知識點激活度。

目標知識點激活度，即教案IIS圖中目標知識點總激活量與IIS整圖知識點總激活量的比值，它反映的是教案中教師、學目標知識點生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對目標知識點的激活程度。

目標知識點激活度，即教案IIS圖中目標知識點平均激活量與IIS整圖平均激活量的比值，它反映的是教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對目標知識點的平均激活程度。

筆者提出的目標知識點激活度這一指標，既考慮了目標知識點個數及其總激活量，又考慮了IIS整圖知識點個數及其總激活量，在一定程度上規避著教案知識點個數、教案詳略所帶來的影響，反映了教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對目標知識點的激活程度。

在教案的優化過程中，無論是增刪目標知識點及其講解/運用/總結，還是增刪非目標知識點及其講解/運用/總結，教案設計的出發點和最終歸宿是其教學目標，因此，我們假設，優化后的教案在目標知識點激活度上會有所增加。

(三)學生參與度

建構主義認為，學習是一種意義的主動建構過程，無論是皮亞杰的同化順應說，還是維果斯基的社會文化說，學習都離不開學習者的參與、學習者的自我建構。教學系統的總體功能是通過教師的有效干預來幫助學生完成對知識、技能和價值觀的自我建構。因此，我們提出學生參與度作為評估教案質量的一個特征指標，并構建了四個子指標：學生參與的整圖知識點總激活量、學生參與的目標知識點總激活量、學生參與的整圖知識點激活度、學生參與的目標知識點激活度。

學生參與的整圖知識點激活量，即教案IIS圖中學生參與的整圖知識點激活量的總和，它反映的是教案中學生參與的信息流動對所有知識點的總體激活水平。學生參與的目標知識點激活量，即教案IIS圖中學生參與的目標知識點激活量的總和，它反映的是教案中學生參與的信息流動對目標知識點的總體激活水平。學生參與的整圖知識點激活度，即教案IIS圖中學生參與的所有知識點總激活量與教案IIS圖中教師、學生、媒體這三類主體參與的所有知識點總激活量的比值，它反映的是教案中學生參與的信息流動對所有知識點的激活程度。學生參與的目標知識點激活度，即教案IIS圖中學生參與的目標知識點總激活量與教案IIS圖中教師、學生、媒體這三類主體參與的目標知識點總激活量的比值，它反映的是教案中學生參與的信息流動對目標知識點的激活程度。

在教案的優化過程中，設計者往往通過增加教師—學生之間的雙向交互，如增加提問環節、練習環節、任務環節等提高學習者參與學習的積極性、主動性，因此，我們假設，優化后的教案在學生參與度上會有所增加。

(四)媒體多元性

從信息的表征形式來看，不同的表征形態具有不同的教學功能，教學中應提倡采用多種教學媒體形式來呈現信息。同時，信息表征的多元性為教學環境創造了不同的可能空間，為視覺型、聽覺型、動覺觸覺型學習者提供了一定程度的可選擇性，學習者可以依據自己的偏好選擇適于自己的信息接收方式，即多元形態的信息空間有助于滿足學習者的主體地位，提高學習者的學習動力。因此，我們提出媒體多元性作為評估教案質量的一個特征指標，它反映的是激活目標知識點的教案信息流的表征形態的多樣性，并構建了兩個子指標：目標知識點的表征形態數和目標知識點的表征形態均值。

目標知識點表征形態數，即教案IIS圖中目標知識點所含有的表征形態①IIS圖分析方法中，輸入信息項的表征形態的取值范圍為{文本T、聲音S、圖形G、圖像P、圖表Tb、視頻V、動畫A、實物R、肢體語言B}。種類數。目標知識點的表征形態均值，即教案IIS圖中目標知識點的表征形態數的均值。

在教案的優化，尤其是動力優化過程中，設計者會根據教學內容的實際需要、考慮學習者的信息接收偏好，增加目標知識點的呈現形式，如增加板書，清晰描述目標知識點；如增加動畫、視頻，形象、直觀、動態的信息表征緊抓學習者的注意力；又如增加演示實驗或動手操作，給予學生真實體驗，使得學生以一種參與者的狀態深入其中，增加學生的學習參與性與積極性等。因此，我們假設，優化后的教案在媒體多元性上會有所增加。

(五)信息流類型完整性

與知識網絡子圖存在對應關系的信息類型固然重要，但那些與知識點本身關系不大的信息類型卻在保證知識信息的順利傳遞、優化傳遞方面起著重要的作用。因此，我們提出信息類型完整性作為評估教案質量的一個特征指標，它反映的是整個教案信息流中所含的信息類型的豐富完整性，并構建了兩個子指標，信息類型數、信息類型分布熵。信息類型數，即整個教案中信息流的信息類型數②IIS圖分析方法中，輸入信息項的信息類型的取值范圍為{目標描述、情境、知識語義、事實和范例、答案、方法指導、線索提示、管理指令、其他相關信息、不相關信息}。，反映的是教案信息流的表征形態的豐富性。信息流的信息類型分布熵，反映的是教案信息流的表征形態的豐富性和均衡性。計算公式如下：

其中，Ri指信息類型i占整個教案信息流的信息類型數的比例，N為教案信息流的表征形態類型數。

在教案的優化，尤其是動力優化過程中，設計者會參照學習動力設計模型[7](CASPER-POP-CRC模型)中的12個要素(自信、注意、滿意、好伙伴、尊重、相關、利益、結果、權利、代價、職責、認可)及其設計要點來優化教案，如增加目標描述來明確告知學習目標，使學習者能夠很好地進入學習預備狀態；如增加情境設計，為先決知識點的回憶、目標知識點的學習以及學習任務的執行提供鋪墊，增加信息的鮮明性、有趣性、重要性；如增加方法指導，促進學習的有效習得與遷移；如增加線索提示，喚醒學習者的先決知識，增強新知識的有意義學習；如增加管理指令，保證知識信息的順利傳遞等。因此，我們假設，優化后的教案在信息類型完整性上會有所增加。

(六)目標—手段一致性

行動必然帶來結果，但是結果未必與目標相符。教案是教學設計的產物，是從教學目標出發，根據對學習者、學習內容、資源條件的分析，按照一定的結構設計出來的一種設計態的教學系統，這也就決定了目標與手段的一致性是其需要關注的一部分。

1.目標—手段一致性I

目標—手段一致性I，指目標知識點的學習水平與任務類型之間的一致性。

教學設計技術理論中設定的學習水平包含記憶、理解、運用三個水平，其中，記憶、理解屬于意義建構層次，運用屬于能力生成層次。意義建構的任務類型有：A(回憶聯想與當前知識點有關的知識點)、B(鑒別知識點的特征或構成要素以及知識點與其特征要素之間的橫向縱向聯系)、C(尋找知識點與其他知識點之間的異同點)、D(對概念進行分類)、E(知識點的理論證明或者用事實范例歸納出、解釋知識點)、F(觀察知識點運用示范)；能力生成任務類型有：分析實例(案例分析、閱讀理解、解題過程分析等)、創建實例(編寫程序、制作文檔、設計方案、設計和操作實驗等)、補充修改拓展實例(程序改錯、修訂文章、續寫故事、改寫故事等)、問題解決[8]。

單個任務的目標知識點的學習水平與任務類型之間的一致性，指的是目標知識點的學習水平若是意義建構層次，則設計該目標知識點的任務類型也應該是意義建構層次的；目標知識點的學習水平若是能力生成層次，則設計該目標知識點的任務類型也應該是能力生成層次的。一致取0，不一致取1。則整個教案的目標-手段一致性I的計算公式如下：

其中，N為活動中任務的個數。

2.目標—手段一致性II

目標—手段一致性II，指在特定任務中，被激活的IIS子圖與任務設計所依據的知識組塊的一致性。基于Tversky提出的相似度計算公式[9]，本研究提出的單個任務的目標—手段一致性II的計算公式如下：

其中，N1指的是在特定任務中，任務設計所依據的知識組塊中的知識結點，N2指的是在特定任務中，被激活的IIS子圖中的知識結點；f(N1∩N2)指的是被激活的IIS子圖與任務設計所依據的知識組塊的共有的知識結點個數；f(N1－N2)指的是任務設計所依據的知識組塊所具有的，而被激活的IIS子圖所不具有的知識結點的個數；f(N2－N1)指的是被激活的IIS子圖所具有的，而任務設計所依據的知識組塊所不具有的知識結點的個數。此處，假定f(N1－N2)與f(N2－N1)的權重相同，即α=β=0.5，則整個教案的目標—手段一致性II的計算公式如下：

其中，N為活動中任務的個數。

下面對目標—手段一致性II這一指標進行詳細量化說明。數據來源于教案“動能和勢能的轉化”教案II的結構化設計部分章節，如表1所示。

表1 教案“動能和勢能的轉化”的結構化設計部分章節

激活的知識子圖如下圖所示。則f(N1∩N2)=5，f(N1－N2)=2，f(N2－N1)=0，兩者的一致性：

教案“動能和勢能的轉化”的結構化設計部分章節激活的知識子圖

由于手段—目標一致性的量化依賴于結構化設計的教案，對于教案I則無法量化，所以，該特征指標的有效性不能通過教案I、教案II的配對t檢驗進行驗證。但是從上述指標含義及量化方式來看，手段—目標一致性的有效性是不證自明的。其中，手段—目標一致性I，即目標知識點的學習水平與任務類型之間的一致性是教案自身的基本要求；手段—目標一致性II的量化則依賴于Tversky提出的相似度計算公式，該公式已得到普遍的認可并被廣泛應用。另一方面，知識組塊與知識網絡圖是嚴格按照知識建模圖的規范繪制的，即知識點與知識點之間的關系都是事先規定好的，所以只需要考慮相同類型的知識結點的相同數量與不同數量即可。因此，本研究提出的手段—目標一致性具有可行性、客觀性及有效性，且不需實證驗證。

二、特征指標有效性的驗證

教案IIS圖分析法不是對教案整體進行宏觀分析，而是依據教案信息流的局部特征對教案進行分析，因此，我們要求設計者編寫詳細的教案，并要求他們以T—S(教師—學生)行為序列來編寫教案。本次分析的42對教案分別來自2012暑假教育碩士的8對樣本，2012年秋季教學設計實訓的8對樣本，2013年春季實訓的6對樣本，2013年秋季實訓的10對樣本及徐梅之前的10對樣本，其中，包含7對物理學科、1對博弈論、5對化學學科、7對計算機學科、3對生物學科、19對數學學科。按照教案IIS圖分析操作規范，筆者通過對這42對教案進行切分，獲得教案I、教案II在預設特征指標上的量化數據，通過對這些量化數據進行配對樣本T檢驗來驗證特征指標的有效性，有效性檢驗結果如表2所示。

表2 教案特征指標的有效性驗證

以上實證結果表明，我們提出的總激活量(整圖激活量/目標激活量)、目標知識點激活度(目標知識點平均激活量與IIS整圖知識點平均激活量的比值)、學生參與度(整圖激活量/目標激活量)、媒體多元性(表征形態數/表征形態數均值)、信息流類型完整性(信息類型數/信息類型分布熵)這9個子指標均是有效的，并且，總激活量依然是有效的，結果與徐梅的研究是一致的。但是，目標知識點激活度(目標知識點總激活量與IIS整圖知識點總激活量的比值)、學生參與度(整圖知識點激活量比值)、學生參與度(目標知識點激活量比值)這3個子指標是無效的。

究其原因，回顧分析的教案樣本，筆者發現，教案體現在激活量屬性上的優化主要是目標/非目標知識點的講解/運用/總結，且優化的教案往往增加了非目標知識點(包括先決知識點)及其講解/運用/總結，以增強與目標知識點的有意義連接，而不太會單純增加目標知識點的講解/運用/總結。因此，非目標知識點激活量的增加會大于目標知識點激活量的增加，導致優化后教案的目標知識點激活度(目標知識點總激活量與IIS整圖知識點總激活量的比值)的增加是不顯著的，但這不影響教案的優化，只說明了該量化方式的無效。

另一方面，教案體現在學生參與度上的優化主要是增加教師—學生之間的雙向交互，如增加提問、練習、任務等環節，這本身就意味著教師行為的增加與學生行為的增加至少是同步的，更何況教案的優化還體現在激活量屬性上的優化，即對目標或非目標知識點的講解/運用/總結，而這往往會由教師行為引起的，因此，教師參與的目標/非目標知識點激活量的增加會大于學生參與的目標/非目標知識點激活量的增加，導致優化后的教案的學生參與度(整圖知識點激活量比值)、學生參與度(目標知識點激活量比值)的增加是不顯著的，但這同樣不影響教案的優化，只說明了該量化方式的無效。

三、教案質量評估指標體系的構建

通過對教案特征指標的有效性驗證，我們剔除不顯著的指標，保留顯著的指標，但是剩下的9個顯著指標項之間是否獨立，是否出現冗余呢？我們知道，指標項越多，教案評估的誤差就越大。因此，最后，我們需要對各個顯著的指標項進行主成分分析，構建出一套既簡潔又有效的教案質量評估指標體系。

首先，筆者以特征根＞1為因素抽取方法時，SPSS自動提取出3個主成分，其轉軸后因子負荷表如表 3所示。

表3 特征根＞1時的主成分分析

但SPSS只是依據數據的統計意義進行的主成分分析，并未考慮到指標本身的含義，因此，筆者以固定主成分個數的方法再次進行了主成分分析，考慮到預設指標的5個維度，故設定主成分的個數為5，并以此作為抽取因素的方法，其轉軸后因子負荷表如下頁表4所示。

表4 固定主成分個數(5)時的主成分分析

可見，這五個主成分內部所含指標的公共內涵是一致的，五個主成分之間的內涵是不一致的，所以，我們可以壓縮教案的特征指標為5個，壓縮的原則是：能更契合特征指標的含義、計算公式更為簡潔，故筆者確定以下五個指標：整圖知識點總激活量、目標知識點激活度(目標知識點平均激活量與IIS整圖知識點平均激活量的比值)、學生參與度(目標知識點激活量)、媒體多元性(目標知識點表征形態數均值)、信息流類型完整性(信息類型數)，加上無需驗證即有效的目標手段一致性這一指標，筆者構建了一套既簡介又有效的教案質量評估指標體系，該指標體系的具體指標及其含義解釋如下：

整圖知識點總激活量，即教案IIS圖中所有知識點激活量的總和，它反映的是教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對所有知識點的總體激活水平。

目標知識點激活度，即教案IIS圖中目標知識點平均激活量與IIS整圖平均激活量的比值，它反映的是教案中教師、學生和信息媒體這三類主體之間的信息流動對目標知識點的平均激活程度。

學生參與度，即教案IIS圖中學生參與的目標知識點激活量的總和，它反映的是教案中學生參與的信息流動對目標知識點的總體激活水平。

媒體多元性，即教案IIS圖中目標知識點的表征形態數的均值，它反映的是激活目標知識點的教案信息流的表征形態的多樣性。

信息流類型完整性，即整個教案中信息流的信息類型數，它反映的是整個教案信息流中所含的信息類型的豐富完整性。

目標手段一致性：目標手段一致性I指目標知識點的學習水平與任務類型之間的一致性，取值0或1；目標手段一致性II指在特定任務中，被激活的IIS子圖與任務設計所依據的知識組塊的相似度，0～1。

四、結束語

本研究的特征指標都是基于IIS圖分析提取出來的，然而教案本身的特征不僅僅體現在IIS圖指標上，也體現在非IIS圖指標上，如目標內容與交互設計的一致性、學習過程的可選擇性、學習目標的可選擇性、設計完整性、學生權力的賦予情況等，這些也是教案評估需要考慮的方面，有待于教案文本的進一步分析。

教案質量評估是服務于教案反思的，在具體的運用過程中，該評估方法適用于教案的縱向比較，而非橫向比較，即對教師設計某一課時的教案進行評估，給予該教師教案優化策略方面的培訓，再次對教案進行評估，具體的量化數據標明了教案在哪些方面得到了優化，在哪些方面仍需要改進等，從而有助于教師對教案進行反思與優化，增進教師的專業發展。

[1] 傅德榮,章慧敏.教育信息處理[M].北京：北京師范大學出版社,2001.

[2] 林凡.教學系統IIS圖分析法[D].北京：北京師范大學碩士學位論文,2009.

[3] 張寧.教學系統IIS圖分析法實證研究[D].北京：北京師范大學碩士學位論文,2012.

[4] 丁瑩.中學學科教學的教學系統IIS圖分析法的實證研究[D].北京：北京師范大學碩士學位論文,2013.

[5][6] 徐梅.教學方案IIS圖分析研究[D].北京：北京師范大學碩士學位論文,2012.

[7][8] 楊開城.教學設計——一種技術學的視角[M].北京：電子工業出版社,2010.

[9] Tversky.A. Features of similarity[J]. Psychological Review,1977,84(4):327-352.

楊開城：教授，博士生導師，研究方向為教育技術學基本理論(yangkc_beijing@bnu.edu.cn)。

張媛媛：在讀碩士，研究方向為教學設計與分析(18810441627@163.com)。

2014年11月5日

責任編輯：宋靈青

A Research on Building Teaching Plan’ Characteristic Indicator System Based on IIS Map

Yang Kaicheng, Zhang Yuanyuan
(R&D Center for Knowledge Engineering, Beijing Normal University, Beijing 100875)

In essence, teaching plan is the designed instructional system, the paper tries to analyze the teaching plan based on IIS Map. Firstly, based on the previous studies, considering the elements and functional characteristics of the teaching system, the paper proposes teaching plan’s characteristic indicators conceptually; secondly, based on the structured design of teaching plan and the tag information of IIS map, the paper constructs teaching plan’s characteristic indicators quantitatively; then, by principal component analysis for the 9 significant indicators, considering the specific meaning of the characteristic indicators and following the simple principle, the paper builds a both simple and effective teaching plan’s characteristic indicator system, that is, the total quantity of activation(all points), target points’degree of activation, the degree of student engagement(target points’ quantity of activation), the diversity of the media (the average of target points’ representation types), the integrity of the information flow type (the number of information flow types) , target-means consistency.

Teaching Plan; IIS Map; Indicator System

G434

A

1006—9860(2015)01—0124—07