学习科学视域下的案例推理学习设计研究*

黄 璐 章苏静



学习科学视域下的案例推理学习设计研究*

黄 璐1章苏静2

（1．浙江树人大学信息科技学院，浙江杭州 310015；2．杭州师范大学教育学院，浙江杭州 310036）

学习科学视域下的案例推理机制为案例教学带来了新的行动方向，其核心思想是“类似的问题有类似的解决方案”。文章通过梳理五种案例推理认知模型后，建构了案例推理学习模型，研发了基于案例推理的学习模型以及供学习者自主学习的游戏化学习平台。学习结果分析表明，基于案例推理的学习模型是以学习者为中心，关注学习过程，可以促进学习者主动推理反思，实现知识迁移，探索复杂多变的现实问题的解决方法。

案例推理；学习科学；学习过程；案例教学

引言

案例作为一种隐性知识体现了人们的实践经验，被广泛地应用于教学中，让学习者沉浸在真实、有意义的学习体验中，达到以“例”明“理”的目的。案例如同一个个被存储在大脑中的故事，不断地被检索和利用，从这个角度来说，案例教学不仅是一种教学方法，更是一种对人类思维习惯的组织和陈述。在教学中，教师一般会按照知识表述的逻辑去讲解案例，而不是依照学生发现问题的思维把知识打散，更难以用一个个真实有趣的案例任务将这些知识进行重组。同时，现实问题一般都比较复杂、多变、界定含糊，如果通过一般的案例教学来解决复杂问题时显然势单力薄。因此，探索符合学习者逻辑思维和解决复杂问题的方法显得很有必要。案例推理机制是模仿人类专家解决复杂问题的认知过程来建立问题解决模式[1]，从而解决复杂多变的现实问题。据此，本研究认为将案例推理机制应用到教学中，可以使学习者通过相关案例的经验来解决学习问题，避免单纯的案例模仿和现实知识迁移。基于此，本文通过对五种案例推理认知模型的梳理，设计了基于案例推理的学习模型及游戏化学习平台，学习者可以在此平台上自主探究、推理反思，从而掌握知识和技能。

一案例推理认知模型

基于案例的推理（Case-based Reasoning，CBR）始于20世纪70年代，美国耶鲁大学的罗杰·尚克（Roger Schank）等从观察人们理解日常用语的方式中发现了类似图式（Scheme-like）的知识结构，这些知识结构可以通过推理的过程产生[2]。目前对案例推理比较统一的认识是，它是区别于基于规则推理的模式，核心思想是利用过去解决问题的经验来解决新问题[3]。在学习科学视域里，基于案例的推理被认为是对认知表征、问题解决和思维等研究的重要内容，国内外的学者们将CBR作为一种认知理论应用到教育中，认为可从新的教学方法、案例库设计、学习经验的反思和表达三个方面提升学习效果[4]。

为了了解案例推理的发展脉络并指导教育教学活动，本研究对已有的案例推理认知模型进行了梳理。主要包含以下五种：Aamodt & Plaza、Allen、Hunt、Kolodner & Leake、GavinFinnie & SunZhaohao，它们的核心内容如表1所示。

表1 五种案例推理模型的核心内容[5][6][7][8][9]

从表1可见，五种案例推理的核心内容基本相似，都采取类似人类专家回忆与当前问题相类似的问题处理方式，并适当修改解决方案来处理新问题，他们都重视案例库的建设、检索以及更新。但他们在案例推理过程中有所侧重，如Allen & Kolodner、Leake注重案例检索前的描述和回忆；而在区分知识系统、检索效率方面，Gavin Finnie & SunZhaohao的R5模型更为专注。

二基于案例推理的学习模型及学习平台设计

通过对五种案例推理认知模型的分析后发现，在教学中可以利用相关教学案例的经验来学习相似的案例并实现知识迁移，但还需考虑教学层面的问题：①在初学者对课程知识了解甚少的情况下，如果没有前导知识和案例初步分析，如何检索案例会成为最棘手的问题。②学习者搜索到相似案例后，如果对相关案例的学习不够深入，总结的解决方案不够完善，那么新案例也就无从下手。因此，本研究在Aamodt & Plaza的R4模型的基础上，结合“Flash动画制作”这门课程的特点和教学规律，设计了基于案例推理的学习模型，主要有案例审查与分析、检索案例、重用案例、指导实验和存储案例等五个阶段，其学习模型及学习平台设计如图1所示。

1 新案例审查与分析

这个阶段也是学习的启动阶段，起引起学生注意和交代学习目标的作用。当学习者遇到一个新问题时，为了有效完成检索工作，可先在学习平台的“知识列表”中对相关的知识进行了解，查看该案例归属哪个章节知识，了解该章节基本信息，做到有的放矢。

图1 基于案例推理的学习模型及学习平台

2 检索案例

该阶段是学习的展开阶段，也是重要阶段。学习者通过对新案例知识点的审查与分析后，大致知道了新案例的关键信息，在搜索引擎中填入关键词搜索相似案例，检索到相似案例后进行深入学习。为了适应学习者的学习习惯，学习平台提供了两种学习模式：自主探究模式和程序学习模式，学习者可以自选或依次进行相似案例的学习。

3 重用案例

学习者深入学习相关案例后，完成相关案例的验证实验和巩固练习。学习者可以结合学习平台上专家总结版块提供的知识点总结、制作技巧总结、素材和自己学习相关案例后的经验，总结出相关案例的知识体系和操作技能，讨论新案例的解决方法。

4 指导实验

学习者用案例的解决方法来指导新案例的实验操作，如果是综合性或设计性实验则需要多个案例解决方案组合完成。重用案例和指导实验这两个过程是学习的结束阶段，也是学习提升阶段，实现了知识迁移。

5 存储案例

学习者可以将自己完成的实验作品、综合实验作品、设计性实验作品或竞赛作品等上传到教学案例库中。游戏化的冲关测验还包含复习旧知、冲关测验、师生/生生在线交互等功能，可以实现学习评价和反馈，了解学习者的学习状态和学习效果。

三基于案例推理的学习过程设计

本研究以“Flash动画制作”这门课程为例，将教学内容按从易到难的顺序分为九个章节，笔者选择了重点章节第三章“利用动画技术制作动态课件”中“波的衍射”作为相似案例来阐述基于案例推理的学习过程设计。本次学习主要有课外和课内两个部分——在课外，学习者在学习平台上深入自主学习“波的衍射”相关案例并搜集素材，内容有相似案例描述、相似案例展示、相似案例分析、相似案例推理、相似案例巩固和了解更多相关案例等；在课内，首先验证“波的衍射”实验，然后小组讨论新案例“认识椭圆”或“氧气实验室制作”的制作方案，最后将制作好的新案例存储在案例库中。具体学习过程流程如图2所示。

图2 学习过程流程图

1 案例审查与分析“遮罩层”基础知识

学习者了解本次学习任务后，课外登陆学习平台主页，如果是初次学习，点击“是”后将模拟Flash CS3的界面环境进行交互式认识。进入“知识列表”模块后，选择第三章第五节遮罩层的相关内容，对知识点进行了解，分析遮罩层的知识结构，这对相关案例“波的衍射”进行快速准确的检索起到了重要的作用。操作界面如图3所示。

图3 审查与分析遮罩层等知识点

图4 “波的衍射”相关案例检索

2 检索相似案例“波的衍射”

学习者在审查与分析遮罩层、交互控制等相关知识点以后，单击“案例推理”模块，可以从“难易程度/所属学科/教学顺序/推荐指数”四种检索方式中选择一种方式，再选择“波的衍射”这个案例，选择后会有该案例的简要介绍，操作界面如图4所示。选择自主学习模式或程序学习模式进入“波的衍射”案例推理学习，分为相似案例描述、相似案例展示、相似案例分析、相似案例推理、相似案例巩固和了解更多相关案例等六个步骤。其中，相似案例推理是重难点，它将案例知识脉络设计成逻辑推理，学习者参照思维导图的模式和六个子步骤的提示依次进行思考。对相关案例自主学习是整个学习过程的重点，它为课堂小组合作学习奠定了基础。界面如图5所示。

图5 “波的衍射”案例推理过程

图6 新案例的储存

3 重用案例讨论新案例制作方案

学习者在课外完成自主学习后，课内将有一节课的时间完成相关案例“波的衍射”的验证实验、知识巩固练习和知识总结。其中，知识总结可以单击“专家总结”模块，查看“波的衍射”知识体系和制作技巧进行总结反思，教师进行个别辅导。第二节课教师布置新案例“认识椭圆”或“氧气实验室制作”的学习任务，学习者将有5分钟进行小组讨论新案例的制作方案。

4 指导新案例的实验

小组讨论新案例的解决方案，首先在课内完成简单版，然后课后整理填写电子表并发送到教师邮箱，以此作为该小组平时成绩的重要依据。依据新案例的解决方案，学习者课内完成该实验的主要部分，允许课外练习和完善，如果有疑问，教师可以提供在线课外辅导。

5 存储新案例到学习平台

根据教学大纲的要求，学习者上交不少于5个验证性实验/综合性实验到“冲关测验”模块中。这些将存储到案例库中，作为学习成绩的重要组成部分，并供学习者日后学习交流。“氧气的实验室制法”新案例的存储操作如图6所示。

四基于案例推理的学习结果讨论

根据上述基于案例推理的学习过程设计，本课程在学习平台上进行了基于案例推理的学习活动，综合该平台的相关数据、问卷调查和访谈，学习结果分析如下：

1 自主学习和合作学习明显提升

通过学习平台数据分析，可知学习者平均每周有15.3分钟用于学习相关案例，进行自主学习；课内平均有8.4分钟进行推理总结、小组讨论，得出重用方案。说明学习者课内外的自主性大大提升了，学习资源和学习平台的使用率也明显提高。本研究发现，界面精美、设计独特的案例推理模式和游戏化测验的学习平台在一定程度上能够吸引学习者，这种深度学习能让学习者有身临其境之感，使学习不再枯燥乏味。

2 推理反思和知识迁移能力有所提高

数据统计显示，学习平台中“案例推理”模块使用率最高，实验作业完成率达到97.6%，综合性、设计性实验优秀率达到38.4%，相似案例学习完成率达到91.2%，新案例解决方案完成率达到82.2%。这些数据说明，虽然本课程对非计算机专业学生来说有一定的困难，但通过基于案例推理的学习后，在很大程度上激发了他们的学习兴趣，促使他们主动推理反思，并积极投入作品创作之中。学习者通过相关案例的自主学习、小组讨论和教师的指导，能够推理反思、举一反三，其中部分优秀学习者进入后续的科技竞赛创作学习中。

3 参与度和自控力增强

通过学习过程流程图可以看出，无论是课外还是课内，基于案例推理的学习过程几乎都是以学习者为主线；由原来教师在课堂内的讲授、演示和操作案例，转变为学习者在学习平台上通过丰富的学习资源进行自主学习。如果存在学习困难，可以在线讨论或课堂内帮助解决，这不仅增加了学习者的操作时间，还能大大提高教师监管教学秩序和个别辅导的机会，这正是当下热门的“翻转课堂”影响下的教学尝试。当然，这样的改革给教师带来了很多的课外工作量，每周在线交互时间是改革前的十几倍。在未来的教学中，将考虑高年级的“助手”帮助低年级的学习者，形成学习梯队。

五结束语

案例教学是计算机应用课程重要的教学方法之一，即教师演示案例，学习者模仿操作，从而掌握相应操作技能，但学习者对案例与其它案例如何建立联系的思考很少。案例推理将学习过程交给了学习者，让他们进行自主学习、逻辑推理、反思总结。学习者在吃透相关案例后，自己搭建通往新案例解决的桥梁，实现知识迁移。本研究在前期学习平台研发上投入了较多精力，精选案例，制作教学案例，设计推理案例过程。教学活动后发现，该教学平台基本达到了预期的效果。在未来的研究中，需要进一步扩充案例库的数量，提供更丰富的教学资源，并用实证研究方法来分析学习者的学习过程，以促进有效学习。

参考文献：

[1]冯锐,杨红美.基于案例推理的问题解决[J].现代远程教育研究,2011,(2):14-21.

[2][3]索耶.剑桥学习科学手册[M].教育科学出版社,北京,2010:192-232.

[4]高文等. 学习科学的关键词[M].华东师范大学出版社,上海, 2009:210-211.

[5]Hunt J. Evolutionary case based design[M]. Berlin: Springer, 1995:17-31.

[6]Allen B P. Case-based reasoning: Business applications[J]. Communications of the ACM 37, 1994,(3):40-42.

[7]Leake D B, Case-based reasoning: Experiences, lessons and future direction[M]. AAAI Press / MIT Press, Menlo Park, CA, 1996:25-32.

[8]Aamodt A, Plaza E. Case-based reasoning: foundational issues, methodological variations, and system approaches [J]. Artificial Intelligence Communications, 1994,(7):39-59.

[9]Gavin F, Sun Z H, R5model for case-based reasoning[J]. Knowledge-based Systems, 2003,(16):59-65.

编辑：小西

Research on the Case-Based Reasoning Learning Designunderthe domain of Learning Science

HUANG Lu1ZHANG Su-jing2

Case-based reasoning mechanismunder the domain of learning scienceand whose core idea is “similar problems have similar solutions”brings about new direction to case teaching. In this paper, after analyzing several typical models of case-based reasoning, case-based reasoning learning model was designed, a gamofication learning platform based on case-based reasoning learning model was developed,and learners’autonomous learning activity was conducted under this environment. The results shown that the case-based reasoning learning model was centered on learner and focused on learning process, which can promote learners' active reasoning reflection, realize the knowledge migration, and explore the solution of complicated and volatile realistic situation.

case-based reasoning; learning science; learning process; case teaching

G40-057

A

1009—8097（2016）06—0067—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.06.010

本文为国家自然科学基金项目“虚拟学习社区中信息资源建设模式变革研究”（项目编号：71473079）、湖南省社科基金“信息技术环境下教师群体专业发展模式研究”（项目编号：20121205）、2013年浙江省高等教育课堂教学改革项目“‘案例推理+项目合作’教学模式在公共选修课程“Flash动画制作”课堂教学改革中的研究与实践”(项目编号：kg2013338)的阶段性研究成果。

黄璐，讲师，研究方向为网络教育应用、学习科学，邮箱为yellow0209@qq.com。

2015年12月26日