基于4C/ID模型的复杂技能综合学习设计及成效*

徐显龙，周知恂，嵇 云，王敏红，顾小清

(1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海 200062；2.上海市商贸旅游学校 商贸财经专业组，上海 200001；3.香港大学 教育学院，香港 999077)

一、引言

美国21世纪技能联盟提出“新平衡学习”预期学习结果指向21世纪不可或缺的三套技能，即学习与创新技能、数字素养技能和职业与生活技能；阿波罗(Apollo)集团通过调研得出对人才能力结构的要求包括专业技能、批判性思维、创造性问题解决、团队协作精神和人际沟通[1]。这些都表明职业专业技能是人才培养的主要目标，在职业教育领域中尤为明显，因为职业教育是以就业为导向，以职业能力发展为目标，强调学生专业技能的实际应用[2]。职业技能是学生将来需要从事特定工作岗位需具备的个人能力的基础。“互联网+教育”时代的到来，使得学生的职业技能学习越来越依赖于学习环境、学生身体与大脑彼此之间的复杂的多维和多向互动，在这样的互动中涌现出学生具备集知识、能力和态度为一身的复杂技能，正是职业院校培养学生综合职业能力的根本出发点。

然而，复杂技能学习并不是孤立地学习各个不同技能的简单累加，而是体现复杂学习的“整体大于部分之和”，溢出的这一部分正是协调和综合这些“部分”能力。当前，国内大多数教师是根据美国著名教育心理学家罗伯特·加涅提出的学习层级划分和学习条件理论来设计教学过程和活动，但其设计思路是将整体分解为部分，然后采取自下而上、由局部到整体的顺序的碎片化学习，在培养学生复杂问题解决技能方面存在知识、理解力和技能等要素分离现象，导致虽各要素表现相对较好，但在解决问题时体现出来的复杂技能较差；而且，学生不能很好地将综合认知能力应用到真实世界的各类情景之中，很难顺利实现复杂技能学习的迁移[3][4]。同时，研究团队通过访谈、问卷调查、课堂观察等多种方法对上海商贸旅游学校、上海信息技术学校、上海电子信息职业技术学院等多所职业院校专业技能培养现状的调查，发现造成复杂技能掌握较差且难以实现迁移的问题根源在于不合理的学习设计，即学习目标不够明确、活动设计与组织不够合理、学习评价效果不佳等，为此，需要重构复杂技能学习活动设计，以提升学生综合应用知识和技能解决问题的能力。

综合学习设计是对各个组成技能的协调，包括了知识、技能和态度的整合。近年来，综合学习设计受到了国内外众多学者的广泛关注，探究学习、指导性发现学习、项目学习、案例学习、基于问题的学习等都体现了对综合学习设计的关注。四要素教学设计(Four-Component Instructional Design Model，4C/ID)模型作为实现综合学习设计的教学设计理论模式之一，采用构成性技能表示构成较为复杂认知技能的要素，有效地解决当前复杂技能学习中存在的分解和碎片化问题，实现复杂技能的顺利迁移，能为复杂技能学习提供很好的理论支持[5]。为此，本文提出将4C/ID模型应用于复杂知识技能学习设计之中，通过设计创生性技能、再生性技能学习活动，帮助学生进一步明确学习目标、掌握适合的学习理念、创设情境化的学习环境和完成任务综合表现的学习评价，提升学生完成较为复杂认知技能操作上的整体能力，以实现培养学生的职业专业技能的教育目标。

二、研究框架

(一)问题提出

当前，根据《教育信息化2.0行动计划》要求，新时代职业教育应始终贯穿“工匠精神”主线，强化以突出技能型为先的人才培养理念，将教育信息化作为职业教育系统性变革的内生变量，推动职业教育的理念更新、模式变革和体系重构。为此，职业院校都积极尝试利用信息技术手段来提升技能型人才培养的质量，重点从学习环境构建、学习资源建设、学习方式变革等方面变革课堂教学，以期提高学生解决实际问题的复杂技能，进而达到培养学生职业综合能力的目的[6]。运用信息技术手段促进复杂技能学习是当前职业教育信息化领域的研究热点之一，教师在信息化教学设计与实践时，为激发学生学习兴趣，大多采用以情景化形式来导入课程内容；接着，围绕复杂技能所要完成的最终任务，教师进行知识与技能的学习任务布置，将课本的知识点和技能点以PPT的形式列出；再者，教师给学生操练的任务，让学生自己尝试建构复杂技能的解决方法；最后，通过学生表现做出相应的结果性评价，以此往复多次，达到熟练任务的目的。然而，这种复杂技能学习在课程的前面环节，教师是通过情景化引出问题，以此确定要学习的任务，并将任务分解为分项知识和技能，整个教学过程主要是以教师为中心；而在课程后面任务实践环节则以学生为中心，学生在学习各个分项知识和技能之后，试图建构出复杂技能的学习认知图示，以解决完整情景下的实际问题。但当前这种复杂技能学习设计及实践教学，仍存在一些亟待解决的问题。

一是通过复杂技能学习任务分解，将通过情景引出一个完整的任务问题分解成为相关的子技能学习任务，忽视了学生在学习各项子技能任务之前，需要让其首先掌握这个完整的任务问题解决、推理与决策，帮助学生建构解决该任务问题的认知图式；二是在复杂技能学习任务碎片化时，经常忽视了各子技能学习任务所呈现出问题的完整性，造成学习各项子技能时没在完整情景之中，且对这些任务的类别和难度设计不合理；三是复杂技能学习难以实现迁移，即掌握的复杂技能难以在新的情境中应用，过分强调学习结果而忽略学生解决问题的思维过程，导致学生无法发现错误产生的认知图式和规则生成方面的原因。

(二)综合学习设计及其特点

4C/ID模型作为综合学习的重要理论模型，是由荷兰开放大学(Open University of the Netherlands)的麦里恩伯尔(Jeroen J.G.van Merrienboer)教授和特温特大学(University of Twente)的戴克斯特拉(Sanne Dijkstra)教授等人主持研究和开发的一种教学设计模型[7]。其采用构成性技能来表示构成较为复杂认知技能的要素，为旨在培养学生综合实践能力的教学设计提供良好支持，实现学生在“做”真实的学习任务时，以一种协调和综合的方式运用所有构成性技能，从而提高他们在较为复杂认知技能操作上的整体能力[8][9]。4C/ID模型将学习的复杂认知技能分解为两类基本的构成性技能，即再生性技能(Recurrent Skills)与创生性技能(Nonrecurrent Skills)，两者的区别如表1所示。

表1 再生性技能与创生性技能的本质区别

4C/ID模型以“学习任务”“相关知能”“支持程序”“专项训练”四个基本要素。其中，学习任务指学习者要学习的案例、要实施的项目、要解决的问题等；相关知能指帮助学习者学会完成学习任务时的非常规方面，包含问题解决、决策与推理，以支持培养创生性技能；支持程序则针对再生性技能，让学习者掌握任务的常规方面，例如学习任务中的公式、规则等，需要每次以相同方式使用；专项操练是指当学习者需要“熟练”地掌握学习任务中某些常规方面时所需的额外练习。各要素之间与两类技能的关联如图1所示，学习任务通常要为复杂技能中的创生性方面和再生性方面提供足够的练习机会。其中，支持程序主要是通过精制的编码促进图式的建构或重构，而相关知能则是通过有限制的编码来推动程序或规则的编汇。专项训练是支持编汇和强化所需的额外数量的练习，是对两类技能的关联与补充。整体来讲，教师在进行学习任务的设计时，必须关注构成较为复杂认知技能的所有构成性技能的综合和协调。

图1 4C/ID要素对两类技能的支持

(三)复杂技能综合学习设计研究框架

当前国内外对基于4C/ID模型的复杂技能学习开展了一些研究，国外主要集中在医学教育和物理教育领域中的教学设计和教学案例应用研究等方面。典型研究包括：Jeroen J.G.van Merriënboer等研究面向复杂技能培训计划设计的4C/ID模型，讨论复杂学习培训蓝图的结构和相关教学设计方法，每个要素教学方法与复杂学习的基本学习过程相对应，并以“文献检索”培训蓝图为例进行研究[10][11]。Mieke Vandewaetere等针对医学学生需要掌握临床推理与决策、沟通技巧和管理技巧的复杂技能学习，提出将4C/ID模型应用在医学教育之中，通过设计从相对简单但有意义且可靠的综合任务到设计更为复杂任务，建立了包括高血糖病人、发烧年轻孩子、中轴骨骼患者、老年人照料和物理上不明症状患者等五个学习模块，采用基于综合任务学习的教育项目设计提升学生的知识、技能与态度的统一获取[12]。Mário Melo以义务教育阶段九年级学生“电路”为学习主题开展4C/ID模型在物理教育中的实践应用，采用从原型到开发与实施两阶段，建立电路绘制和串并联特点两个学习模块；并通过实验组采用数字学习环境和控制组采用教师讲授来研究学习环境对学生学习影响，结果表明控制组在重复性测试中成绩略低于实验组，但在迁移测试中成绩显著低于实验组[13]。

而国内主要集中在4C/ID模型述评、复杂学习的4C/ID模式和平台架构等方面。典型研究包括：何克抗教授介绍学习“四成分教学设计模型(4C/ID)”内容的心得和体会，并阐述了关于在各种不同条件下的贯彻实施方式与实施效果[14]。邱飞岳教授从4C/ID模式的属性、原理和核心要素出发，探究了面向复杂学习的4C/ID模式，并以此为依据通过分析当前网络学习平台存在的不足，提出基于4C/ID模式的复杂学习平台架构，设计平台的体系结构和功能模块以及基于平台的学习流程[15]。

与国外对基于4C/ID模型的复杂技能学习研究相比，国内缺少相应的教学案例来表明4C/ID模型对复杂技能学习带来受益的实践应用研究[16][17]。为弥补这一领域的研究空白，在与上海×中职学校文物保护技术专业深度合作的基础上，笔者所在研究团队试图从专业、课程和单元层次对复杂技能学习开展系统化的案例实践研究，本文正是先从单元层次对复杂技能学习实践应用研究开始，下页图2给出复杂技能综合学习研究框架。通过基于4C/ID模型的综合学习设计能有助于解决当前复杂技能学习中的存在的主要问题。一方面，为了解决当前复杂技能学习存在的任务分解化、任务碎片化和难以实现迁移的问题，相应地，综合学习设计能够实现构建问题解决图式、熟练问题解决规则和问题解决综合技能的学习目标。另一方面，以这些学习目标为核心，从学习理论、学习环境、学习活动和学习评价来设计综合学习过程，以四要素教学设计理论为学习理论，在由物理环境、网络环境和课堂教学环境构成的学习环境支持下，开展创生性学习活动、再生性学习活动和综合应用学习活动，并通过图式构建测试、规则形成测试和复杂技能综合应用测试的学习评价来确保学习目标掌握[18]。

三、研究设计

(一)学习过程

本研究选取上海×中职学校文物保护技术专业核心课程“中国陶瓷”中“元代青花瓷鉴赏”单元为学习内容，选取该内容的原因是青花瓷鉴赏是一种典型的复杂技能，它不仅向学生传授青花瓷的基本知识，更强调学生对青花瓷鉴赏的认知图式和规则的理解与运用，目的在于培养学生利用图式和规则鉴赏青花瓷的综合应用技能。

首先，青花瓷鉴赏技能适合采用综合学习方式开展，并通过归纳、精细加工、编辑和强化四个子学习过程的组织完成青花瓷鉴赏技能的图式建构和图式熟练两个主过程；接着，四要素教学设计中的学习任务、相关知能、支持程序和专项操练四个要素分别支持青花瓷鉴赏技能的归纳、精细加工、编辑和强化四个子过程学习；最后，学校已有的智慧教室提供的教学资源、多媒体系统、无线网络、“中国陶瓷”课程“格古问道古玩鉴定要素分析系统”实训软件等能较好地完成学习任务的呈现、相关知能的提供、支持程序的帮助和专项操练的完成，进而完成青花瓷鉴赏技能的图式建构与图式熟练目的，确保学生掌握青花瓷鉴赏技能。基于4C/ID模型的青花瓷鉴赏技能综合学习过程如图3所示。

图2 复杂技能综合学习研究框架

图3 青花瓷鉴赏技能综合学习过程

(二)案例设计

围绕培养学生青花瓷鉴赏这一综合应用技能的学习目标，根据前面提出的智慧教室支持的青花瓷鉴赏技能综合学习过程，本节课学习“元代青花瓷鉴赏”技能需要创生性技能学习、再生性技能学习两类学习活动和五个学习任务，如表2所示。

(三)研究过程

为检验基于4C/ID模型的青花瓷鉴赏技能学习设计的应用效果，将研究对象上海×中职学校文物保护技术专业40名学生分为实验组和控制组。首先，通过对班级的前测试题以了解学生先验知识掌握情况，发现40人中没有学生对青花瓷鉴定技能有深入了解，因此，将40名学生随机分成实验组20人和控制组20人，前测问卷统计测得两组间没有差异。接着，实验组接受基于4C/ID模型的青花瓷鉴赏技能综合学习活动；控制组则接受传统教学，即教师讲课、学生听讲、根据实物进行观察、归纳，同时，为了减少其他变量对实验的影响，实验严格控制了教学内容、课时等其他因素，使用的实物、教材、视频素材等均相同。最后，经过为期两周、共计6学时的教学活动后，统一对实验组和控制组进行了综合测试：包括知识、问题解决方法、规则、技能应用四个方面。

表2 “元代青花瓷鉴赏”技能综合学习设计

续表2

(四)研究假设

为检验综合学习设计的应用成效，采用学生问卷调查和开放问题访谈相结合的方法，并利用SPSS独立样本t检验方法分析实验组和控制组在学业表现、自信心和认知负荷是否存在显著差异。研究假设主要包括：一是实验组的学业表现优于控制组；二是实验组的自信心提升显著高于控制组；三是实验组的认知负荷显著低于控制组。

四、数据处理与讨论

(一)学业表现

课程单元结束后，对实验组与控制组进行统一的综合测试，其测试题结构模块与分值明细如表3所示，共分为知识、规则、图示、技能四个维度。

表3 青花瓷鉴赏技能学习测试题结构模块

综合测试的分数结果统计及独立样本t检验如表4所示，可看出，总体上实验组的表现(M=65.53)要优于控制组(M=59.87)，尤其是在技能应用上，实验组的差异性十分显著(p＜0.01)。然而，在知识技能上，传统教学则给学生留下了更为深刻的印象，这也符合实验的预期结果，即传统的复杂技能学习更注重于知识的记忆，而基于4C/ID模型的综合学习设计的优势立足于知识的应用。

表4 测试分数统计

图4中的数据来自于实验组(20人)，前测成绩前10名的学生与前测成绩后10名的学生分别组成实验组1和实验组2，在技能测试与总成绩中的成绩差异(均分差值的绝对值)如图4所示，可看出，两组在青花瓷基础知识方面存在着明显差异(p＜0.01)，但在经过综合学习后，由技能测试及测试总成绩可发现，实验组中的组内之间差异被减少(p＞0.05)，同样在控制组学习的过程中，综合学习设计对基础较差的学生有更好的学习效果。而对控制组进行同样分析发现，组内之间的差异并没有被减少；但实验组通过教学设计可有效、且稳定地减少了组间差异，而在技能方面效果更加显著。

图4 实验组内前后测试结果分析

学习结束后，对学生进行开放式提问调查，下页表5中是学习内容对青花瓷鉴赏技能培养的影响调查，学生们从鉴赏要素、知识、方法等因子中表达，从编码的结果中发现，实验组有4人认为鉴定方法是他们收获最多的，其对应的正是旨在重点培养的创生性技能；而按照传统教学方法的控制组则没有学生提到这点，这与学业表现的数据分析结果是高度一致的。

表5 开放式提问质性分析

(二)自信心和认知负荷

除学业表现测试之外，在学习结束后还对学生的自信心和认知负荷状况进行调查，问卷结构如表6所示，旨在反应学生在参与课堂学习及综合学习测试过程中的心理情况，问卷采用五级李克特量表，包括自信心、焦虑情况、内部认知负荷和外部认知负荷四个板块。

表6 问卷结构模块

问卷数据处理结果如表7所示，可看出，实验组在学习技能方面的自信心显著低于控制组(p＜0.05)，其原因可能是是在实验组，学生学习动手比较多，但老师的讲解比较少，如果老师不给足够的反馈，学生不知到自己做的是否正确；而在训练中控制组的焦虑情绪要高于实验组(p＜0.05)，由学业表现的数据分析可得知，控制组的技能掌握情况较弱，因此而感到焦虑；在认知负荷方面，实验组在知识掌握、链接知识和技能所需付出时间、对教学的外部认知负荷三个方面都显著高于控制组，其中后两者的显著水平更高(p＜0.01)，在总体认知负荷均值上也普遍高于对照组，可见在课时相等的情况下，基于4C/ID模型的复杂技能综合学习由于紧凑的任务设计，对学生的要求也有所提高，让学生在课堂中花费更多的时间来思考，特别是将知识与技能相关联，需要学生付出比传统教学更多的努力和时间达到内化。

表7 问卷结果统计

五、总结与展望

学习设计是直接影响学生综合应用知识和技能解决实际问题能力培养的关键因素，本文以创造驱动学习理念为指导，提出利用4C/ID模型的综合学习设计变革传统复杂技能学习设计的新思路。通过对上海多所职业院校的实地调研，剖析当前复杂技能学习中主要存在的问题，这些问题的解决归于重新构建新的学习活动。正是基于此，在分析4C/ID模型的内涵、理论基础和构成要素的基础上，提出了基于4C/ID模型的复杂技能学习设计整体框架，以上海市商贸旅游学校文物保护专业教学内容“青花瓷鉴赏”为目标技能，设计了青花瓷鉴赏技能学习过程，并以“元代青花瓷鉴赏”技能为学习内容，设计了其学习活动，并初步证实了在技能培养方面的有效性。

但在实验的实施过程中，本研究仍然存在学习周期短、研究变量难以控制等问题。同时，从学业表现数据分析的结果可看出，学习设计还存在着一定的缺陷，虽然学生的技能掌握有较明显的提升，但实验组在知识的记忆和运用则明显低于控制组。其次，学习设计还导致了实验组学生较高的认知负荷，意味着以学生动手为主的综合学习设计之中，在学生动手练习后，教师应给予反馈和评价，并及时纠正学生的问题，在实际课程教学中需要进一步优化改善。最后，通过开放式问卷的质性分析可看出，学生们主要从教学内容、活动设计、课时安排和课件四个方面提出了各自的观点，其中控制组对于教学内容的改善愿望更加强烈，说明了基于4C/ID模型的综合学习设计能更使得学生熟悉和掌握所要求习得的复杂技能。

从整体上看，基于4C/ID模型的复杂技能综合学习设计的应用研究无疑是积极且有效的。但是，本研究还存在值得进一步讨论和完善之处，具体如下：

一是如何合理地规避综合学习设计对学生带来的认知负荷。在综合学习设计的应用中，教师和学生往往脱离了陈旧的教学习惯，反而导致了心理上的不自信、焦虑等。因此，在学习设计变革的过程中，需要逐步地进行，需要对学生的学习心理模式做深入的斟酌，能做到使学生在学习高效的同时，对所学的知识产生兴趣和自信，以此养成长期的良好学习心态。

二是将基于4C/ID模型的综合学习设计如何常态化。研究面向任务的综合学习活动的设计及成效，在实践中发现基于4C/ID模型的综合学习设计可以在各方面提升课堂效果。虽然一个单元的设计成效得以证实，但在实际教学活动中，需长期有效地实现教学设计的改善，系统地发挥4C/ID模型的优势。例如学习活动设计的多样性、学习评价的过程性等，都需要依靠教师长期的教学经验来调动学生在任务学习中的积极性，实现“做”中学。

三是如何将4C/ID模型与信息技术更好地结合起来。在设计学习活动的过程中，如何掌握信息技术的各方面技术、实现数字化学习环境的搭建；如何利用信息技术实现更便捷的师生交互、生生交互、以及学生与教学内容的人机交互、社会交互等；如何发挥数据智慧，更客观地进行学习评价以及规避教师主观性等，都是教师面临的挑战。技术丰富的信息化环境如智慧教室为综合学习设计提供了便捷的平台，也证实了其在教育领域中存在应用价值。

四是发现4C/ID模型驱动的综合学习设计与实践的普遍意义。综合学习设计是面向复杂的认知技能，本实验的职业学校教学内容就在其应用的普遍范围之内。然而，并不是所有的课程内容都适合采用任务教学，比如实践操作难以实现的、具有一定危险性的、受到教学空间限制等等。其次，一些较为简单的知识技能，或其两者或多种的组合应用，4C/ID模型是否也存在应用价值，来长期培养学生在创造和实践中的综合能力，还有待进一步的研究。