深度学习数字化资源表征方法与开发模式

胡航+董玉琦

【摘 要】

研究在“技术怎样促进学习”这一核心命题的多变量探索实验基础上，针对“学习内容及其资源”这一变量进行了深入的实证研究。依据实证研究的过程与结论及其相关理论基础，分析了S-DIP深度学习资源表征态，总结了与表征态映射的数字化学习资源表征方法及其特征，归纳了深度学习资源的五项开发原则，构建了CRF深度学习资源开发模式，最后对深度学习资源的内涵进行了深入理解，提出了其应用策略。

【关键词】 深度学习；数字化资源；表征；开发模式

【中图分类号】 G434 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009-458x（2017）12-0005-08

学与教的资源是有效教学开展的载体，是学习内容重构后的表征形式。AECT（2005）认为资源具有“技术性”属性，是人、工具、技术和体现学习者认知规律的学习材料的集合，目前包括诸如指导者、学习者及其关系，数字化学习材料，虚拟现实模拟情境，大数据分析技术等。钟志贤教授认为“学习资源是一个系统，包括人、材料、工具、实施和活动五大类，每个要素都有自在的和自为的特性”（钟志贤， 2001）。研究接受了上述观点，认为学习资源是在学与教的过程中，有效支持学习对象、学习活动与学习交互的所有资源，本文主要指数字化资源。数字化资源作为学习活动的“孪生兄弟”，与其相伴相生，因此，数字化资源应该是动态的，应该体现出学习者认知过程的规律和特征。研究依据认知科学、学习心理和教学设计等理论，构建了“S-ICIG深度学习（deeper learning）过程模型”，旨在开发出体现深度学习过程并具有良好效能的数字化学习资源。

一、研究综述

（一）现状与问题

研究分别以“数字化学习资源”和“数字化教学资源”为关键词在CNKI（2000-2016年）进行检索。“数字化学习资源”的研究现状：一是理论层面，主要包括数字化学习资源的含义、特点与分类的研究，数字化资源的表征方式，基于数字化学习资源的教学模式等。二是资源开发与建设层面，主要包括资源库、网络课程、微课等的设计与制作等。三是资源的应用层面，主要基于数学、物理、化学等学科，对其资源进行静态描述与分析，教学过程中的动态应用实践较少。可见，目前数字化学习资源的研究一是重硬件更新，轻资源配套；二是重资源积累，轻资源对认知规律的把握；三是重资源形式，轻资源在学科教学活动中的应用策略。因此，研究拟从以下三个方面进行设计与开发：一是依据深度学习的认知特征，开发多层次、多形式符合认知规律的学习资源；二是依据深度学习的认知过程，开发具有动态性、交互性、生成性的学习资源；三是统合上述两点，聚焦立体学习资源库的系统性和完整性。

（二）实证研究概述

研究基于依据CTCL教育技术研究框架，在“技术怎样促进学习”的多变量（学习方式、学习内容、学习资源、学习序列）探索性实验基础上（胡航， 董玉琦， 2017a），以小学数学“运算与问题解决”为载体，对“学习内容及其资源”单变量设计了“深度学习”在其“学习内容及其资源”层的验证性实验（胡航， 董玉琦， 2017c）。研究设计了C-S两类课堂，包含4个变量水平，于2016年在T市Y小学五年级4个班的数学课堂展开，为期4周，每天1学时，共20学时。

“学习内容及其资源”单变量验证性实验经过学业成绩比较、眼动和ERP脑电数据观测，得出了以下结论（胡航， 董玉琦， 2017b）：一是基于认知过程的学习内容及其资源重构具有较高有效性，主要包括三个方面：①学业成绩显著提高；②学习者差距缩小；③学习内容与其数字化资源配套应用比单项更为有效。二是认知与技术存在交互关系，主要包括四个方面：①在低、中、高三种注意力水平时，实验组学习内容与其资源的配套应用效果均最佳；②在低注意力水平时，多媒体技术比认知过程更能吸引学习者注意力；③在中等注意力水平时，认知与技术的合力发挥更大效用；④在高注意力水平时，认知的效用大于多媒体技术。三是“技术设计”而非“技术本身”促进了学习发展，主要包含三个方面：①多媒体技术能提高学习者注意力；②体现认知过程的学习技术设计更能促进学习者发展；③技术设计若能体现出认知过程便能达到最优效用，否则会增加认知负荷。可见，与经典学习内容以及重构后的学习内容单独应用相比，数字化学习资源配套应用改善了学习者学业成绩、吸引了学习者注意力、显性化了深度学习的认知过程、支持符合深度学习活动的有效开展。

二、理论基础

（一）图式

图式是一种对概念、命题和表象等表征方式进行综合的表征方法，是指有组织的知识结构用以组织零散的刺激、信息和数据及其关系并形成认知结构。图式包括个人图式、自我图式、团体图式、角色图式和事件图式等，分别表示不同主体或客体的认知结构。思维导图是图式可视化的有效工具。

（二）认知负荷理论

认知加工最主要的因素是认知负荷（Cognitive Load），指“在对待某种工作、作业或任务的过程中，所感受到心智负荷与心智努力的负载状态”（孙崇勇， 李淑莲， 2017）。包含三个假设（Jeroen J.G.， 2005）：一是人类信息加工系统由视觉和听觉两个通道构成，信息在双通道中选择并呈送到短时记忆中；二是短时记忆（工作记忆）的信息容量是有限的，有意义学习必须在短时记忆中进行大量认知加工；三是加工后的信息被送到长时记忆，长时记忆的容量几乎是无限的。可见，短时记忆处理信息的单位数量是有限的，但人们可以通过扩大每个单位所包含的信息量达到“扩容”的目的。扩容的最基本方法就是采用“结构”形式合理、有效地组织必要的关联信息，成为“组块”，即图式表征，使之有可能让更多的独立信息浓缩进组块而进入工作记忆，即通过图式表征资源，减小相同知识量的认知负荷。

（三）教育信息化资源观

黎加厚教授提出教育信息化的“生命环境观”，将其分为五个层次论述，其中一个层次阐述了教学信息化的资源观。该理论认为信息技术的基本属性能为学生的学习提供丰富的学习资源，促进学习者发展，主要包含以下三个观点（黎加厚， 2002）：一是资源具有“多样性”特点。新媒体与新技术都不是万能的，媒体间互为补充，取长补短。二是资源具有“流动性”特点。人的活动是发展变化的，具有动态性，教育資源的运行必须与人的活动相统一。三是资源具有“共享性”。在学习过程中，资源共享促进师生/生生互动、交流，最后完成意义建构，在此共享过程中会生成新的资源。endprint

（四）深度学习认知过程

在对课堂深度学习技术进行研究的过程中，解析了深度学习的认知过程，构建了S-ICIG深度学习过程模型，如图1所示，具体阐释如下：①深度学习认知过程是图式构建的全过程，包含内化、调和、归纳和迁移四个阶段；②调和、归纳和迁移任意一个阶段可根据学习者个体情况回溯并呈现；③内化阶段是学习的入口，即学习者通过PCL活动，参与、感知、体验和理解学习内容的过程；④调和阶段主要在内化的基础上进行，学习者在这一阶段会产生多种理解、疑惑甚至误解，需要对多种认知进行选择、重组和反思，进而开始构建自己的认知结构；⑤归纳阶段主要对调和阶段逐渐统一的认知进行反思和整理，这一阶段具有两项功能：一是形成合理的认知结构，二是在科学认知结构的基础上融合和选择不同策略去解决同一问题，从而形成最优路径，为达到“自动化”做准备；⑥迁移阶段逐渐形成稳定的图式，并能迁移到不同的情境和问题解决中去，同时在这一过程中也会不断修正和改良已有图式。

综上所述，学与教的数字化资源建设应该紧紧围绕学习的认知过程展开，学习者图式与认知结构的构建过程即是认知发展与学习活动发生与进阶的过程；认知负荷理论明确了通过图式表征而“组块化”的数字化资源设计要领；教育信息化资源观强调了数字化资源的特征；深度学习认知过程为数字化资源的动态设计与阶段性应用提供了具有指导性和操作性的核心线索。研究依据上述图式、认知与数字化资源观点进行深度学习资源的表征与开发。

三、深度学习资源表征

（一）深度学习资源的表征态

表征态是依据学习内容的“生态流操作范式”（胡航， 董玉琦， 2017d）而映射的深度学习资源表征状态，是数字化资源在认知过程中某一时间内相对稳定的表征水平与形态。这种表征形态处在连续不断的变动中。态，就是相对稳定性，不是确定的“阶段”或“层次”，与学习内容和课程的生成过程对应。研究使用“态”的主要目的就是要与“阶段”或“层次”相区分。紧紧围绕深度学习认知过程和学习内容的线索，深度学习资源表征态如图2所示。

由图2可知，资源表征态随着认知过程而流动，与学习内容映射，充分体现了学习内容重构及其与数字化资源的一体性。同时，S-DIP资源表征态不是单纯的数字资源，认知过程体现了人及其活动，在实施过程中所生成的新信息与数字资源融合，体现出学习资源系统观。研究依据认知过程具体阐释如下：①资源紧围绕图式（S）构建过程，对应着“4S”学习内容①（胡航， 董玉琦， 2017d），并在不同认知过程处于不同的水平。选择状态中的核心词汇：呈现、交互和问题，将其命名为“S-DIP”深度学习资源表征态。②内化阶段主要聚焦“SK”内容，应用知识呈现（knowledge demenstration）、课件演示、内容类比等形式的数字化学习资源，强调陈述性知识的记忆与理解。③调和阶段为了选择、重组和反思等认知环节的有效性，采用“辐射式交互”（radiation interaction）表征，主要学习“SK”“KS”“SS”内容，其中以“SK”为载体，促进学习者协作、讨论、批判等深度学习品质的主动构建与发展，促进学习者在抛锚式教学为中心的基础上能有效进行讨论、头脑风暴、情境表演等活动的开展。④归纳阶段学习内容主要是“CS”，帮助学习者开始有意识地构建认知结构，采用“聚合式交互”（aggregation interaction）资源。⑤迁移阶段提供“问题情境”（problems situation），学习者通过综合应用的方式进行变式（variation）训练，从而提高问题解决能力，进而培养设计和创造性思维。

（二）深度学习资源的表征方法

依据认知过程中每一个阶段的学习内容及其资源表征态的特性，结合实证研究中的资源存在形式与应用范式，研究归纳了深度学习资源的表征方法。表1根据资源表征态映射了课堂深度学习过程中采用的教学媒体及其配套资源形式，并阐释了其支持教学的方法与过程。由表1可知：①经典教学媒体与信息化设备相结合，如黑板板书与利用平板操作的在线平台交互；②静态与动态资源交替使用，如文本、动画、游戏等；③资源支持教学的过程中与学习内容、学习方式等相匹配，如通过头脑风暴、游戏、情境表演等合作方式融合学科内容、理解策略和社会技能；④教学媒体与对应资源按照资源表征态“流动”运行。

表2依据教学媒体特性划分维度（何克抗， 李克东， 2003），分析了研究中所应用的教学媒体及资源特性。由表2可知不同的媒体及资源具有不同的特性，在实际教学过程中要根据学习者情况、学习内容和学习环境进行实时调节和选择。

表3依据基于知识分类的视觉表征方法（朱永海， 2013），归纳了实证研究中用于深度学习内容的数字化表征方法，并提供了對应的案例，供在实践中修正、检验和进一步推广。资源表征方法的具体形式阐释如下：①“SK”学习知识部分主要采取了概念图、图解法和等级目标分级三种表征形式。其中，概念图主要是将四则混合运算规则、运算定律等零散、孤立的事实性知识通过各种关系形成一个有意义的网络结构，最后形成“组块类”。图解法主要用直观的图形方式揭示简单问题解决中的相关要素及其关系，如“SK”列举中用三个图表明了A、B、C、D、E五位同学循环比赛的关系。等级目标分级是认知技能中问题解决的典型方法，每个操作阶段都有明确的目标并指向最终的问题解决；小学数学中四则混合运算和应用题都属于问题的解决，只是表现的方式有所区别。②“KS”是“SK”的对应策略，其中“SK”是显性的，“KS”是隐形的。为了促使学习者理解并深入挖掘显性和隐形之间的关系及其运用策略，研究主要采用了“冰山图”。冰山图实际是将一个事物的构成因素分成两个方面：可见的与不可见的。借用冰山模型来表征同一事物中各显性和隐性要素之间的关系及其转换特征。例中列举了“提公因式策略”在四则混合运算中的典型运用。③“SS”社会技能部分主要提升学习者个体表达技能、协调团队成员之间沟通与合作的能力，主要采取了隐喻法、四格漫画和联觉法。其中，隐喻法作为一种修辞手法，在类似物的暗示之下让学习者感知、想象并体验沟通、合作的心理过程，如游戏模拟中的活动。四格漫画是一种古老的“用图说事”表征形式，用开端、发展、高潮和结局四个画面给出意想不到的结果。学习者在趣味和出奇制胜中体会人际技巧，例中用“熊猫眼”展示了学习态度。联觉法是指各种感觉之间产生相互作用的心理现象，即对一种感觉的刺激触发另一种感觉的现象，如情境模拟通过视觉隐喻、烘托等触发学习者的多种感官，从而激发其情感共鸣。④“CS”认知结构主要用思维导图可视化学习者大脑中的图式，例中展示了“整数运算”性质，包含概念、关系和应用题目等，从而形成立体的系统化图式结构。⑤变式训练中主要提供不同的情境问题，以促进学习者知识迁移。研究采取了“蒙太奇”手法，原意是一系列画面的不同“组装”会产生不同的效果，用来提供给学习者不同的情境问题。列举中主要展示了“植树问题”的不同应用领域。endprint

（三）深度学习资源的特征

综合深度学习资源的表征态和表征方法，具有六大特征，具体阐释如下：①多样性：表2中呈现了七种资源，并且在表3中有九种表征方法，足见深度学习资源的多样性，且研究还只是管中窥豹。多样性能丰富地表征“4S”知识构成的复杂性，同时满足学习者多感官通道的需要。②流动性：资源不是静态的，而是随着认知过程主线索的进阶而动态变化，有效支撑学习者认知过程的发展。③共享性：每一位学习者虽然有自己根据认知诊断后的个性化学习资源，但“群簇”内外均存在个体表达、讨论与合作等行为，资源共享提高了资源的利用率和教学有效性。 ④交互性：在资源共享的过程中，人机、师生和生生之间均存在着丰富的交互行为，包含知识传递、思维碰撞、情感交流、灵感偶发等过程。⑤生成性：在交互的过程中，随着对资源传递、理解与感知，学习者在思维批判中创造出新的观点、方法和策略，从而生成新的资源，创造性思维在此萌芽并发展。⑥情境性：上述各类活动并不是零散和孤立的，而是面对真实情境问题的解决，促进学习者举一反三能力的发展。

四、深度学习资源开发

（一）深度学习资源开发原则

依据深度学习资源的表征态和表征方法，研究数字化学习资源的开发，在资源开发过程中遵守以下五项原则。

1. 事实性知识组块化，降低认知负荷

事实性知识具有零散性、孤立性等特征，其数据和信息常因琐碎和信息量大而难以直接辨认出其关系，从而增加学习者认知负荷。因此，在资源开发过程中需要设计者找到其内在逻辑关系，做“结构化”处理而形成组块化体系，从而降低认知负荷，促进新知识向“原有认知结构”同化和顺应，最终构建新的图式。

2. 认知技能程序化，体现认知过程

认知技能是认知过程序列，通过若干个“产生式”——“条件（C）-行动（A）”构成复杂的“产生式系统”而形成复杂的心理机制。该系统通过“控制流”形成相互关系。资源开发要可视化出这种程序化过程，让学习者厘清复杂的心理认知过程，为“自动化”做好准备。

3. 问题解决模态化，提升“自动性”

问题解决是认知技能的辨别、概念、规则和高级规则综合运用的高级形态，包括运用知识进行问题解决的智慧技能和运用元认知策略不断调节的过程，本质上是一种思维构建过程。因此，在深度学习中，支撑资源应帮助学习者进行思维建模，便于在理解认知过程的基础上，对问题各层面及要素关系进行系统思考，最后形成“专家知识”，“自动化”处理问题。

4. 策略性知识融合化，实现“知-策一体”

策略性知识是学科知识的“孪生兄弟”，是问题解决的润滑剂，与学科知识相伴相生却又最容易被教师和学生所忽略，或即使了解却不会流畅应用。因此，在资源开发过程中应该深入挖掘“KS”知识，将其与 “SK” 融合，实现“知识-策略一体化”。资源表征中“冰山图”即是为了强调“深入挖掘”潜在的策略并与表象知识一体化融合。

5. 情感知识可感化，产生“情-意-行”共鸣

学习过程不只是认知，而是知、情、意協调发展。个性化-合作学习既需要个体表达、成员沟通和情感融合等要素的支撑，同时也是发展这些人际能力的方式。资源开发不只是知识的传递与理解过程，而是学习品质的协调发展，这也是深度学习的重要体现。那么，资源开发应运用多种手法来引起学习者“情感-意境-行为”等多重感官通道的共鸣，表3中运用了隐喻、联觉等手法。

（二）深度学习资源开发模式

纵观深度学习资源的开发与应用过程，可以看出在紧紧围绕认知过程主线索的过程中，重点关注以下三个方面：一是强调内容（content）选择与重组的适切性；二是重视资源表征（representation）的多样化和合理性；三是关注学习者学习效果的反馈（feedback）与修正。因此，研究将深度学习资源开发模式总结为“CRF模式”，如图3所示。

由图3可知，深度学习资源开发过程包含以下五个阶段：一是内容选择与重组，主要包含四个方面：①资源开发从学科内容“SK”筛选出发，并不是所有的学习内容都要开发成数字化学习资源，主要针对经典的需要可视化的认知过程进行选择；②在“SK”筛选的基础上，进行对应学习策略“KS”的深度挖掘，并且选择与重组与其相适切的社会技能“SS”；③在上述基础上，进行“SK”和“KS”的有机融合；④两两之间在进行单向和双向流程中都必须注意适切性，即实证研究中的结论——“技术设计”而非“技术本身”促进了学习发展。二是教学目标分析，该阶段依据学习者认知诊断的群簇①特征进行分析，以便将选择与重组的“4S”内容分层和分类。三是表征方法选择与画面设计，依据不同群簇的特征和内容，选择合适的表征方法并进行多媒体画面设计。在此过程中，应重点关注问题情境、认知过程、交互方式和评价机制四方面的设计。四是在技术设计基础上进行资源的制作并教学应用。五是反馈和修改阶段，依据学习者学业成绩和学习品质的反馈进一步修改和完善资源，为深度学习的大规模推广积累经典素材。在上述资源开发过程中，强调适切、认知诊断、交互和反馈等行为，一方面体现了资源开发的多态性与生成性，另一方面体现了人在学习资源系统中的角色、活动及其与数字资源本身的适切性，强调了学习资源的系统化特征。

五、深度学习资源内涵及应用策略

（一）深度学习资源的内涵

研究接受了钟志贤教授的学习资源系统思想（钟志贤， 2001），认为“学习资源是一个系统，包括人、材料、工具、实施和活动五大类”。根据实证研究的操作内容构建了深度学习系统架构，如表4所示。

表4 深度学习资源系统架构表

[核心观点 构成要素 运行机理 表现形式 主要目的 深度学习资源是一个系统运行体 人、内容、材料与活动 认知过程外化与学习者内化的状态转换器 支撑学习者认知过程进阶的载体 支持PCL实施，改善学习绩效 ]endprint

由表4对其内涵可理解如下：①深度学习资源是一个动态运行系统，各要素之间相互协作、共同发力。②深度学习资源系统由人、内容、材料与学习活动四要素构成。本研究中的人指教师、学习者、家长以及与学校教育相关人员；内容指“4S”学习内容；材料指数字化资源、文本、平板、在线学习平台等；学习活动指个性化-合作学习（PCL）范畴内的各种活动，如游戏、头脑风暴等。③深度学习资源系统的主要运行机理是外化或可视化学习者的认知过程，进而促进学习者内化知识而构建个体的图式（认知结构），是一个内外状态转换器。④深度学习资源以“S-DIP”进阶状态表征与存在，与认知过程相互融合而发展。⑤学习资源是支持PCL顺利实施的有效工具，最终改善学习绩效。

（二）深度学习资源的应用策略

依据深度学习资源的六项特征以及实证研究中的应用方式，研究认为，深度学习资源在应用过程中应重点关注其系统性、认知性和动态性，具体包含三种应用策略。在实际应用过程中，由于研究所构建的S-DIP深度学习资源表征态基于图式的构建而“流动”，因此，重点从图式的角度来体现其应用方法。

1. 树立学习资源系统观并构建其运行体

学习资源系统观是深度学习资源应用的指导性策略，要求摒弃学习资源工具观，深入理解“系统”内涵，树立系统化思维并理解学习资源系统在学习系统中的角色、地位及与其他系统的关系。在此基础上构建深度学习资源系统运行体，把握该系统运行机理和机制，使其在深度学习系统中发挥良好的支撑作用。此过程主要体现为图式监控策略的应用，是元认知在学习过程中的应用与发展。新的信息进入大脑后，大脑会搜索原有图式并将其与新信息进行对比、筛选与判断，当两者发生冲突时，图式监控策略会从系统化的角度，充分考虑新旧信息的角色、功能与关系并不断调整。在资源应用过程中，可构建图式监控器，如引导学习者记录学习标注、学习者之间进行头脑风暴和反思等，实现师-生、生-生和学生自我的三重监控，及时保证资源应用的系统性和有效性。

2. 关注学习者认知过程并理解其发展机制

理解学习者认知过程及其发展机制是深度学习资源应用的机理性策略，要求教师或指导者深入理解学习者认知过程及其机制，是学习资源应用阶段和方式的准绳，也是学习资源设计、开发和实践需要遵守的机理。此过程主要体现为图式激活及新旧交互策略，依据学习者认知过程而发展。当学习内容对学习者来说是全新领域时，提供整体图式——概貌性知识，以激活下一级图式；当学习者认知结构中有适当知识基础，那么就呈现并列的先行自织者以引起对同类认知领域的共鸣。图式激活后，事实性知识进入学习者原有的命题网络，然后通过在问题情境中的实践操作将其转化为程序性知识，后续当对外操作的程序性知识转换为对内调控的知识时，也就形成了策略知识。因此，在实际应用中“导入”“问题情境”“练习”等资源构成都应放在适切的表征阶段，体现出学习者的认知过程。

3. 动态应用学习资源并适时把控其生成状态

动态应用并适时把控其生成状态是深度学习资源应用的实践性策略，要求在深度学习系统运行过程中让学习资源“流淌”起来，在实践中依据认知规律在学习活动中合理选择和实施，并根据学习过程中师生、生生和人机交互所生成的动态资源适时调整、合理把控。此过程主要体现为图式重建策略，主要表现为练习与实践。学习者通过练习与多样态的实践将新知识整合进原有的知识体系，以修正和完善原有图式，形成新的图式。这一过程既包括重复和强化已形成的图式，也包括促进知识迁移的变式练习，如通过学习者个体与群体相结合的方式解决新情境中的问题，以促进变式迁移；填写思维导图空缺，构建个体的思维导图，通过群体讨论调整自己的思维导图等，以把控认知结构的生成状态。

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收稿日期：2017-03-25

定稿日期：2017-04-27

作者簡介：胡航，东北师范大学教育学部在读博士，讲师，天津职业技术师范大学教育技术系（ 300222）。

董玉琦，博士，教授，博士生导师，本文通讯作者，上海师范大学教育技术系（200234）。

责任编辑 郝 丹 邓幸涛endprint