基于4C/ID 模型的面向綜合學習的實證研究

摘 要 本研究旨在探討兩種教學方法：4C/ID（A Four-Component Instructional Design）模型與傳統模式對物理專業大學生知識獲取和學習遷移的影響。實驗組使用4C/ID模型設計進行教學，而控制組則使用傳統模式，評估學生的學業表現，包括知識獲取與學習遷移，同時對學生的認知負荷及焦慮情緒進行調查。結果顯示，實驗組在知識獲取和學習遷移的評價上均優于控制組，但認知負荷和焦慮情緒也高于控制組，最后對產生的原因和進一步優化進行探討。

關鍵詞 4C/ID模型;綜合學習;實證研究

為應對社會和技術的快速發展，教育本身應該對學習者以及用人單位就教育價值何在所持有的堅定立場做出反應[1]。隨著新技術的發展，用人單位要求學習者不單單具備專業知識，更重要的是要具備問題解決、推理和創造等能力，即知識的遷移以保證學習者靈活地應對環境變化。大學作為學習者步入社會的預備場所，所培養的人才必須符合社會要求。然而，由于缺乏行之有效的教學設計，大學教育常常注重知識的傳授，對應用知識解決綜合問題的能力關注還不夠。目前，國內大多數教師是根據教育學家羅伯特·加涅的學習層級劃分和學習條件理論來設計教學，將整體分解為部分，采取由局部到整體的碎片化學習，導致學生的各要素學習情況良好，綜合技能的遷移表現較差[2]。

4C/ID（A Four-Component Instructional Design———四要素教學設計）就是面向綜合學習的一種教學模型，由Jeroen J.G.van Merrinboer等人在20世紀90年代提出，其特征是將整體性的目標植根于整體性的任務中，促使學習者圖式建構、圖式熟練和態度的同時形成。目前國內外對于4C/ID的研究主要集中于4C/ID 模型的文獻述評和有效性的實證研究。其中，典型的實證研究包括：Mário Melo基于4C/ID 模型以九年級“電路”為主題進行教學設計，并通過實驗組采用4C/ID教學、控制組采用傳統教學來研究對學生學習方式的影響，得出實驗組在深度學習方式上優于控制組，淺層學習方式上低于控制組[3];Frederick K等人在加納通過比較ICT（信息與通信技術）環境下的4C/ID教學、傳統環境下的4C/ID教學以及傳統環境下傳統模式來研究學生技能的獲得情況，得出4C/ID 模型下的技能表現優于傳統教學模式，同時得出有無ICT 媒體對于學生技能獲得無影響[4];Jung Lim 等人研究4C/ID全任務訓練和部分任務訓練對初學者和高級學習者復雜認知技能習得和遷移的影響，得出無論是初學者還是高級學習者，如果接受了全任務訓練，他們的整體任務表現和遷移表現都更好[5];許顯龍等人進行基于4C/ID 模型 “青花瓷鑒賞”教學設計的實證研究，其中實驗組采用4C/ID 教學模型控制組采用傳統模式，得出實驗組的學業表現優于控制組，但是焦慮情緒高于控制組[2];李爽等人進行基于4C/ID模型自主學習活動設計的實證研究，得出實驗組多項軟件操作知識和技能優于控制組，同時課堂觀察、問卷調查與訪談的結果也表明4C/ID模型的教學任務能更好地激發學生學習興趣[6]。總結上述研究，發現國內4C/ID 模型的教學設計較多用于職業教育，義務教育和大學階段的教學效果實證性研究較少。所以，本研究以某師范大學的學生為樣本，以電磁感應現象這一綜合學習任務為例進行教學活動設計，并進行教學實踐和效果分析。

1 4C/ID 模型

4C/ID是面向綜合學習的設計模式，目的是培養解決問題的綜合能力[7]。綜合學習包括知識、技能和態度的整合學習，涉及多個技能之間的協調與整合。除此之外，還要實現學習者的遷移，即將特殊環境中所學的知識遷移到日常生活與工作情境中。Jeroen J.G.van Merrinboer等人認為對于某一專業任務執行者來說，任務組成技能之間是有差異的。有的組成技能在不同的問題情景中能夠以多樣化的方式加以表現，即技能隨著具體任務的改變而改變;另外一些較低層次的組成技能在不同的問題情景中則以高度相似的方式表現，即隨著任務的變化顯示出高度相似性。因此，為了區分具有本質差異的技能，將組成技能分成“創生性技能”和“再生性技能”。區分這兩種技能是重要的，因為兩者的學習過程是各異的。創生性技能指向學習者圖式建構，要求學習者從所提供的案例中有意識地進行提煉;再生性技能指向學習者的圖式熟練，要求學習者程序化具體的信息從而形成技能自動化。例如，學習者將面對實際情境解決情境中力的分解問題，并判斷解決方案的合理性[8]。其中，創生性技能有將“等效替代”思想應用于力的分解，將“可逆”思想應用于問題轉化，將簡化思想應用于矢量運算;再生性技能是指掌握并運用平行四邊形定則。為了綜合技能的建構與熟練，Jeroen J.G.van Merrinboer等人提出支持綜合學習的四元教學設計模型（4C/ID模型），模型由四個基本元素構成，并且四個元素相關聯，如圖 1所示。

1） 學習任務

給學習者呈現多個真實與綜合任務，整合學習者的知識、技能與態度。并基于認知負荷理論將一個綜合學習任務設計成多個學習任務，并要求每個學習任務都為真實、綜合的。除此之外，要求各個任務之間具有相當的變式度，并按照任務的難易與支持力度進行學習任務排定。

2） 相關知能

呈現對學習任務中創生性技能學習和表現具有支持作用的信息。在學習者已有知識和需要達成知識之間搭建橋梁，通過精細加工聯系新舊知識，幫助學習者圖式建構。

3） 支持程序

呈現學習任務中再生性技能予以掌握和表現的前提信息，通過知識編輯中“程序化”和“合成”兩個子過程，將新信息嵌入到能夠直接操控行為的認知圖式中，幫助學習者圖式熟練。

4） 專項操練

呈現一定量的專項練習，通過重復訓練促進學習者再生性技能的規則自動化。

其中，任務學習是4C/ID模型元素的核心，其他三元素圍繞學習任務進行組織。劃分學習任務中所包含的創生性技能和再生性技能，分析、呈現相關知能和支持程序并指向兩種技能的學習。同時，為了再生性技能的熟練化，設計專項操練進行強化。

2 研究方法

2.1 樣本

研究對象為陜西某高校的60名大學二年級物理專業學生（其中男生29名，女生31名），隨機分成A 組和B組。兩組學生由同一名老師以不同教學方式授課，教學內容選取電磁感應中的“法拉第電磁感應定律”和“動生、感生電動勢” 兩節內容。

2.2 測量變量

1） 學習者前知識水平

學習者前知識水平是通過使用前知識測試題（前測）獲得的。兩組學生在教學前完成前測，總共8道題，滿分為10分。例如，在“法拉第電磁感應定律”課程研究的前測主要關注兩點：一是學習者對于電磁感應相關概念的掌握情況，比如磁通量的影響因素。二是學習者是否掌握教學重點的某些知識內容，比如法拉第電磁感應定律的簡單應用。根據試題內容特點和學生總體答題情況，將實驗組學生的前測成績進行排序，取前50%為高前知識水平，取后50%為低前知識水平。

2） 學業表現

根據4C/ID模型的教學目標，本研究將學業表現分成兩部分去測評，即知識獲得和遷移水平。知識獲得是學習者對于課程內容中基礎定律、公式的理解;遷移是學習者對已獲得知識的可用性、普遍性程度的價值判斷。例如“法拉第電磁感應定律”課程中，知識獲得主要關注學習者對于新學知識方面的獲得情況，如感應電動勢的大小計算及方向判斷;遷移主要關注學生對于生活中電磁感應現象原理分析及積分思想的運用，如電磁爐的工作效率問題。兩者都通過使用滿分為10分問卷（后測）獲得。

3） 認知負荷與焦慮

為了探討兩種教學模式下，學生認知負荷和焦慮情緒的差異以及和學生學業表現的相關性，選擇CLT 理論（Cognitive Load Theory）關于認知負荷的分類進行項目設計，即從內部認知負荷、關聯認知負荷、外部認知負荷三方面反應學習者的總體認知負荷。項目采用李克特五點量表，學生根據題意選擇符合自己情況的選項，從1～5選項賦分為1～5分，具體結構細目如表1所示。

3 教學過程

3.1 基于4C/ID 模型的教學設計

電磁學是物理學專業學生的必修課之一，其中的電磁感應現象內容較為抽象，需要學習者在所學知識基礎上綜合模型建構、數學推導、積分轉化等多種技能解決實際問題。然而，大多數教學設計以現象描述、規律呈現、本質分析、實際運用的教學順序呈現。教師將知識進行分割，以碎片化的形式呈現給學生，最后卻以綜合任務形式呈現，讓學生自行綜合解決實際問題，缺乏各個知識點和技能的綜合協調學習過程，致使學習者不能較好地完成知識的遷移[9]。基于此，采用面向綜合學習的4C/ID模型進行教學設計，解決目前傳統教學設計碎片化的問題。

3.1.1 學習任務設計

研究選擇電磁感應內容中“法拉第電磁感應定律”和“動生電動勢與感生電動勢”兩節課程內容。在本研究中，將學習者的學業表現作為常規任務呈現給學習者。以“法拉第電磁感應定律”為例，在該課程完成后，學習者需要運用所學的電磁感應知識解決生活中的綜合問題，即在創生性層面，學習者需要運用積分思想、補償思想將生活中復雜模型轉化為簡單的線性閉合電路模型;在再生性技能層面，學習者需要掌握電磁感應定律以及楞次定律解決計算瞬時電動勢的大小和方向判斷問題。根據課程目標中學習者所學技能構成分析，確定了四種學習任務，分別為案例任務、模擬任務、補全任務、常規任務。其中這四種任務的支持力度大小或者數量逐步減少，最終指向反應學習者學習效果的常規任務，如表2所示。

其中的案例任務就是從生活實際中的火力、水力、風力發電機出發，建立模型，將其原理抽象為矩形線圈在磁場中運動，引導學生理解線圈中的電動勢的大小和方向是時刻變化的，在學生現有認知“平均感應電動勢”的基礎上發展到“瞬時感應電動勢”，同時啟發引導學生利用微積分思想進行拓展，教師總結提供“相關知能”支持—電磁感應定律及其理解，發展其創生性技能。然后教師引導學生對案例任務進行具體計算，分析發電機中感應電動勢的變化規律，學習再生性技能，期間教師會提供一些計算技巧、判斷方向等支持程序。之后學生再通過模擬任務進一步強化。“補全任務”依然是從實際問題出發，但與前兩個相比，感應電流從線電流到面電流再到體電流，逐步拓展加深再生性技能。“常規任務”就是學業表現測評，包括基礎知識的掌握和遷移應用。其中的遷移應用中有一道題目計算電磁爐上導電圓形截面的鍋“底部”中感應電流瞬焦耳熱功率，考查學生遷移應用能力的獲得情況。

3.1.2 相關知能、支持程序、專項操練設計

根據4C/ID模型，在每個學習任務中均設計了幫助學習者完成任務的相關知能、支持程序、專項操練。相關知能幫助學習者提煉問題解決的思路和認知策略，包括教師準備的學習材料和案例學習中的視頻，指向創生性技能的培養。支持程序提供學習者學習所需的前知識和程序化的問題解決規則，主要包括電磁感應現象的規律、公式等指向再生性技能的培養。呈現專項操練，包括教師準備的練習題，幫助學習者熟練掌握常規知識，指向再生性技能的強化。

3.2 研究過程

本研究是在一所大學的智能教室中進行，一個自然班的學生被隨機分成A 班和B班進行干預，實驗分為兩次課程。第一次A 班為實驗組（4C/ID模型），B班為控制組（常規教學）;第二次A 班為控制組（常規教學），B班為實驗組（4C/ID模型）。正如前面提到的，兩次實驗都由同一名教師進行授課且兩次實驗研究過程相同。在開始前，對所有學習者進行前測，以確定他們的前知識水平。隨后對學習者進行實驗干預，兩個班級都被安排在同一天授課，每個班級各進行2次60分鐘的課程。課程都結束后，進行學業表現測試和認知負荷及焦慮情緒的問卷調查，以獲得兩種教學模型的效果，具體教學過程安排如表3所示。

4 研究結果

4.1 學業表現

根據課后測試結果，不同教學模型對于學習者的學業干預效果如表 4所示。從“知識獲得”上的分數統計結果可以看出，兩節課程中實驗組的表現均稍優于控制組。但是沒有顯著性差異，說明4C/ID模型與傳統教學設計在學習知識層面方面差異不顯著;在“知識遷移”應用方面，兩節課程結果也相一致，都表現為實驗組優于控制組，且具有顯著性差異（plt;0.05）。與實驗預期相符合，證明了基于4C/ID模型教學設計的優勢在于學習者遷移應用及解決綜合問題的能力的培養。

4.2 不同前知識水平的學習者的遷移能力表現差異

不同前知識水平學生的學業表現如表5所示。根據統計兩次實驗中不同前知識水平的遷移表現，可以發現前知識水平低的學習者遷移表現稍低于前知識水平高的學習者，但兩個無顯著性差異（pgt;0.05）。

同時，分析前知識水平與學習者遷移表現是否存在相關性，進行相關性分析，結果如表 6所示，表明學習者的前知識水平與學業表現不存在顯著相關性。

4.3 認知負荷與焦慮

為了了解學生在4CID 模型下的認知負荷和焦慮情緒，調查結果如圖 2所示。可以看出實驗組學習者的認知負荷和焦慮情緒均高于控制組。分析數據呈現原因，認為在總體認知負荷上，由于4C/ID模型一開始就給學習者呈現綜合性任務，學習者需要綜合歸納的信息高于傳統學習的控制組，要求學習者進行積極思維，從解決實際問題中學習新知識，需要付出更多的精力，在做中學習，因而導致認知負荷高于控制組。在焦慮情緒方面，學習者首次面對4C/ID模式，上課首先接觸真實、綜合的學習任務，加上課堂學習任務緊湊，學習者在課堂學習中的焦慮較高于控制組。

5 結語

4C/ID教學模式關注整體目標、實際任務、學生綜合能力發展，實現學生在實際情境下的有效遷移[10]。基于此，在分析4C/ID 模型的內涵和構成要素的基礎上，設計基于模型的教學活動并初步證實了其在學生知識獲得和遷移方面的有效性。但研究也發現4C/ID模型下學生的總體認知負荷和焦慮情緒均高于傳統教學。這可能與實施時間及學生的適應過程有關，同時也提示應在教學設計進一步改善，強化教學過程中的支持力度，優化內容呈現，從而降低學生的認知負荷和焦慮情緒，激發學習者的內在學習動機，養成積極主動、勇于探索的學習態度。

參 考 文 獻

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