什么樣的失敗才是成功之母？ ＊
——有效失敗視角下的STEM 教學設計研究

劉 徽 楊佳欣 徐玲玲 張 朋 王司閆

（1. 浙江大學教育學院，杭州 310058；2. 深圳市寶安區(qū)清平實驗學校，深圳 518104；3. 浙江大學數(shù)學科學學院，杭州 310007；4. 杭州市勝利實驗學校，杭州 310008）

一、引言：從失敗的視角看教學設計

隨著全球范圍對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重視，STEM 在當前中國也受到了普遍的關注，因此越來越多的教師也開始積極嘗試STEM 教學。然而，STEM 的課堂與以往教師們熟悉的學科教學有很大差異，這不僅因為STEM 具有跨學科的性質(zhì)，更為重要的是，STEM 主要呈現(xiàn)出的是以解決問題為導向的課堂形態(tài)。在當前的STEM 課堂上，存在著兩種極端的教學實踐模式。第一種是“全指導型”，即一些教師仍延續(xù)傳統(tǒng)的教學方式，詳細分解任務、講解并示范操作步驟。學生在這樣的指導下，往往也能順利地完成任務。第二種是“無指導型”，即一些教師意識到STEM 的教學應該與傳統(tǒng)的學科教學有所區(qū)別，因此在布置完任務后放任學生“瞎折騰”，很少甚至不提供幫助和支持。

在STEM 的教學設計研究中，雖然在“如何支持學習者進行問題解決”這一方面已經(jīng)積累了大量的成果，但主導思路都是在設計各種腳手架，即從成功的視角來思考教學設計（Brown & Collins，1989；Reiser，2004；Belland，2017；Jonassen，2011）。而2008 年，新加坡南洋理工大學摩奴?卡普爾（Manu Kapur）提出的“有效失敗”（Productive Failure）①概念引起了人們極大的關注，人們開始從“失敗”的視角來思考教學設計（Kapur，2008）。早先，卡普爾關注“問題類型”，用劣構問題為學生制造失敗的機會，結果發(fā)現(xiàn)，實驗組（解決劣構問題）在近遷移和遠遷移上的表現(xiàn)均優(yōu)于對照組（解決良構問題）（Kapur，2008）。后來，卡普爾轉向關注“教學順序”，通過無指導來制造失敗的機會，結果發(fā)現(xiàn)，實驗組（Productive Failure，簡稱PF，即先嘗試后指導）無論在解決良構問題還是劣構問題上的表現(xiàn)都優(yōu)于對照組（Lecture and Practice，簡稱LP，即先指導后練習）（Kapur，2010）。再后來，卡普爾又綜合“問題類型”和“教學順序”兩個因素來設計實驗，結果發(fā)現(xiàn)，實驗組（解決劣構問題且在PF 條件下）要優(yōu)于對照組1（Facilitated Complex Problem Solving，簡稱FCPS，即解決劣構問題且在教師的全程指導下）和對照組2（解決良構問題且在LP 條件下），而對照組1 和對照組2 則無顯著性差異。這說明，僅僅為學生提供復雜的劣構問題，而不讓他們經(jīng)歷掙扎和失敗，并不能有效促進學習，因此再次論證了問題解決中的失敗對于學習的價值（Kapur，2011）。卡普爾還通過實驗研究對比了有效失敗和“替代性失敗”（Vicarious Failure，簡稱VF，即學生通過評估其它學生解決方案來替代自己的嘗試，避免失?。?，結果發(fā)現(xiàn)，實驗組學生（在PF 條件下）優(yōu)于對照組學生（在VF 條件下）（Kapur，2014）。但安德魯?A?陶菲克（Andrew A. Tawfik）和戴維?H?喬納森（David H.Jonassen）則認為，“失敗經(jīng)歷不一定必須來自個人經(jīng)驗”，他們認為學習者可以從別人的失敗案例中學習，不過他們對比的是“向成功案例學習”和“向失敗案例學習”。他們的研究結果表明，“向失敗案例學習”組表現(xiàn)更好。也就是說，盡管親身經(jīng)歷失敗比替代經(jīng)歷失敗的效果更好，但替代經(jīng)歷失敗對學習也是有用的（Tawfik & Jonassen，2013）。宋艷杰（Yanjie Song）和卡普爾等人還在翻轉課堂環(huán)境下對有效失敗進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，實驗組（Productive Failure based Flipped Classroom，簡稱PFFC，即在第一階段先以小組合作的方式進行探索，第二階段為個人在家單獨觀看視頻）在概念理解上要優(yōu)于對照組（Traditional Flipped Classroom，簡稱TFC，即在第一階段先由個人在家單獨觀看視頻，后以小組合作的方式，并在教師的指導下學習）（Song & Kapur，2017）。

除了卡普爾本人的研究外，其他學者也對“有效失敗”進行了一系列的實驗研究，得出了類似的結論（Kennedy-Clark & Jacobson，2010；Loibl & Rummel，2014）。一些學者還分析了失敗之所以有效的原因。比如羅杰?尚克（Roger Schank）認為，失敗會讓人們感受到結果和期望之間的落差，從而更容易引發(fā)學習者的反思。也就是說，失敗提供了一個反思的契機，而自我解釋是反思的方法（Schank，1999）；安德斯?愛立信（Anders Ericsson）等研究者認為，失敗本身本不能帶來成效，而是需要通過學習者評估自己的表現(xiàn)，思考改進方案，才能讓失敗變得有價值（Ericsson，Krampe & Tesch-R?mer，1993）。巴里?齊默爾曼（Barry Zimmerman）也有類似的觀點，他認為是調(diào)節(jié)讓失敗變得有效（Zimmerman，1989）。蒂姆?希姆斯（Tim Heemsoth）和艾索?海因茲（Aiso Heinze）認為，失敗的案例能讓人學到更多東西的原因是，失敗讓學習者對主題有更為全面的了解（Heemsoth & Heinze，2013）。

事實上，失敗的有效性并不是卡普爾第一個發(fā)現(xiàn)的。在學術史上，有許多學者都提到過“失敗”的意義，只不過使用的術語各不相同。比如讓?皮亞杰（Jean Piaget）提出過“擾動”（Perturbations）的概念，認為學習由“擾動”引發(fā)，通過同化和順應來達到新的平衡（Piaget et al.，1985）。約翰?杜威（John Dewey）列舉說明了“試誤”（Trial and Error）的重要性：一只小雞孵出后幾小時就能準確地啄食，但之后就只停留在啄食的水平上；而嬰兒則要花上六個月的時間經(jīng)過反復的嘗試才能基本準確地抓握所看到的東西，但之后就能發(fā)展出各種各樣的動作聯(lián)合，原因在于嬰兒在大量的試誤中累積了應對不同情況的經(jīng)驗，學會了怎樣學習（杜威，2014，第146 頁）。愛莉諾?達克沃斯（Eleanor Duckworth）注意到了“哎呀！”“怎么辦呢？”“這真是太有趣了！”“怎么回事呢？”“等等……”“哦，我知道了！”等這些表示驚訝、困惑、斗爭、期望、茅塞頓開的語言構成了完整的思維形成過程，認為這些對于學生的思維發(fā)展是十分有價值的，即使有時它們最后不能帶來正確答案（達克沃斯，2005，第73 頁）。

意識到了“失敗”的價值后，研究者們也提出了一系列和“失敗”相關的教學設計理論，通過將“失敗”設計到教學中來提高學習效能。比如庫爾特?范冷（Kurt VanLehn）提出的“困境驅(qū)動的學習”（Impasse-drive Learning）理論擴展了對皮亞杰所提出的“擾動”的討論（VanLehn，1988）。根據(jù)這一理論，當學習者缺乏對與當前問題相關的特定知識的完全理解時，就會出現(xiàn)困境，而正是這一困境促使學習者有動力進行深入探究，審視和修正現(xiàn)有的心理模型，從而更有效地處理類似的未來困境（D’Mello et al.，2014）。羅伯特?A?施密特（Robert A. Schmidt）和羅伯特?A?比約克（Robert A. Bjork）也相應地提出了“值得追求的困難”（Desirable Difficulties）理論。他們在經(jīng)過多次實驗后發(fā)現(xiàn)，在訓練過程中表現(xiàn)好的學生不一定能長期保持學習效果并進行遷移，而當在教學中通過打亂任務順序或減少反饋等方式有意設計一些“困難”時，學生雖然在訓練中的表現(xiàn)較差，但卻能在訓練結束幾天后的再次測試中表現(xiàn)得很好。這種為了提高學習的長期保持和遷移效果而在教學中有意增加的“困難”被定義為“值得追求的困難”（Schmidt & Bjork，1992）。丹尼爾?L?施瓦茨（Daniel L. Schwartz）等人提出的“為未來學習做準備”（Preparation for future learning）理論，主要聚焦于討論學習在“現(xiàn)在”和“未來”維度上的區(qū)別。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在講授目標概念前，要求大學生自行分析案例異同點，比直接采取講授等教學方法的效果要好，有了自行探索的鋪墊后，在后面的講授中學生能獲益更多（Schwartz & Martin，2004）。也就是說，盡管在“現(xiàn)在”的學習中困難重重，但卻是在為“未來”作準備，因此，教學設計應該立足于對學生未來的意義?？ㄆ諣栆苍谝幌盗袑嶒灪筇岢隽擞行〗虒W設計理論，構建了相應的教學設計模型，并通過在新加坡3 所成績水平不同的公立學校重復實驗，證明了該理論不僅適用于優(yōu)秀學生，也適用于學業(yè)水平較低的學生，使之獲得進步（Kapur，2012）。

卡普爾的理論也受到了國內(nèi)學者的關注（楊玉芹，2014；張瀾等人，2015；張忠華等人，2018），有些學者還嘗試在教學中使用了該理論。如崔蘭玉（2017）將有效失敗教學設計理論應用于初中數(shù)學的教學實踐，發(fā)現(xiàn)其對學生的解答多樣性、學習興趣和成績等均有有利影響。再如李明萱（2018）基于有效失敗教學設計理論，設計和構建了學習干預原型和框架，并通過設計研究法在實踐中收集數(shù)據(jù)并對框架進行修正和完善，驗證了有效失敗教學設計理論有利于提高學生的學習成績、問題解決能力等。

雖然卡普爾的主要研究領域是數(shù)學教育，但已經(jīng)有學者將有效失敗理論與有效失敗的教學設計模型應用于STEM 教學中。如喬安娜?P?韋弗（Joanna P. Weaver）等人將有效失敗理論運用于大學STEM 課堂后發(fā)現(xiàn)，與對照組（先聽講座后自行探索）相比，實驗組（先自行探索后聽講座）在學習興趣和概念理解上都更優(yōu)（Weaver，2018）?？死锼雇?A?塞爾（Kristin A. Searle）等人則通過訪談發(fā)現(xiàn)，高中生認為有效失敗能促進STEM 課堂中開放性任務的解決（Searle，2018）。國內(nèi)雖然沒有直接在STEM 中運用有效失敗理論，但在創(chuàng)客和項目化學習中已經(jīng)有所嘗試（郭婧遠，2016；劉新陽，2018）。

然而，失敗一定是有效的嗎？除了有效失敗外，卡普爾還提出了另外一個概念，即無效失?。║nproductive Failure）?？ㄆ諣栔赋觯骸氨M管實驗證明，過多的指導不利于學生的學習，但這并不意味著教師不需要提供任何支持，并不是所有的失敗都是有效的，因此我們需要提供不同形式的支持幫助學生避免無效失敗。”（Kapur，2012）

失敗對于學習，特別是對STEM 這類問題解決的學習是十分有必要的。在“全指導型”的STEM 課堂上幾乎不會有失敗，這顯然不利于學生學習遷移能力的發(fā)展；“無指導型”的STEM 課堂上幾乎全失敗，這些失敗既有可能是“有效”的，也可能是“無效”的，也就是說，不是所有的失敗都值得提倡。那么，在STEM 課堂上，哪些失敗是有效的？哪些失敗是無效的？如何從失敗的視角來設計教學，讓學習產(chǎn)生長期的遷移效果？換言之，本文要重點解決的，就是“什么樣的失敗是成功之母”這一問題。

二、概念界定與研究設計

（一）概念界定和編碼系統(tǒng)

卡普爾認為，短期的學習表現(xiàn)和長期的學習效果具有“不可通約性”（Incommensurability），也就是說，短期學習表現(xiàn)好并不代表一定能取得長期的學習效果，反之，能取得長期學習效果的學習行為也不一定有好的短期學習表現(xiàn)。因此，他將短期學習表現(xiàn)和長期學習效果分別作為橫軸和縱軸，劃分了學習的四種行為類型，分別在四個象限（如圖1 所示），它們是有效成功（Productive Success，短期學習表現(xiàn)好、長期學習效果好）、有效失敗（Unproductive Failure，短期學習表現(xiàn)差、長期學習效果好）、無效成功（Unproductive Success，短期學習表現(xiàn)好、長期學習效果差）和無效失?。║nproductive Failure，短期學習表現(xiàn)差、長期學習效果差）。

圖1 四種行為類型

我們結合STEM 的學習特性對卡普爾的四象限進行了調(diào)整和細化：1. 因為STEM 是問題解決類的學習，所以可以從過程和結果兩個維度來編碼四種行為類型；2. 因為在STEM 學習的“設計草圖”和“制作模型”兩個步驟中，學生表現(xiàn)比較活躍，會產(chǎn)生大量學習行為，所以我們主要對這兩個步驟的行為進行編碼。值得一提的是，當我們從過程和結果兩個維度來看四種行為類型時，會發(fā)現(xiàn)結果類的行為類型只占六分之一，更多的是過程類的行為類行，而這種行為類型的劃分很大程度上就是看學生的行為是指向長期的學習效果還是追求短期的學習表現(xiàn)。也就是我們通俗講的，是想“做得好”，還是想“做得快”。比如在構思時，學生自行降低挑戰(zhàn)性任務的難度，草草思考就開始著手畫設計草圖，這就屬于無效失敗；又比如在設計過程中，學生為了做得快，抄襲鄰組同學的作品，或者模仿教師示范的作品，就屬于無效成功。據(jù)此，本文對STEM 中的四種行為類型進行編碼，具體解釋如表1 所示。

表1 四種行為類型的編碼及解釋

（二）研究設計

卡普爾的有效失敗理論有兩大貢獻：一是提出了四種行為類型，二是提出了有效失敗教學設計模型。結合STEM 的特性，我們的研究又對卡普爾的理論進行了補充、修正和發(fā)展。如圖2 所示，研究1 在有效失敗教學設計模型的基礎上設計了STEM 有效指導型的理論原型（以下簡稱“理論原型”），并通過設計研究進行迭代（理論原型→無指導型→有指導型→有效指導型），最后得出STEM 有效指導型的最終范型。研究2 進一步對三種教學類型進行比較研究。研究3 對三種教學類型與四種行為類型的關系進行研究。

圖2 研究設計

三、研究1：STEM 有效指導范型的設計研究

卡普爾雖然提出了有效失敗教學設計模型，但一方面，卡普爾的理論主要運用在數(shù)學概念的學習上，因此，當它被運用于STEM 課堂時，則需要做出相應的調(diào)整。另一方面，卡普爾有效失敗教學設計模型盡管有兩階段和三層次的描述，但是比較模糊，需要對它們進行更為細致地討論。所以，研究1 運用設計研究的方法構建STEM 有效指導范型。

（一）研究方法

基于設計的研究（Design-Based Research），也被稱為“設計研究”（Design Research），最初由安·布朗（Ann Brown）和阿倫?柯林斯（Allan Collins）于1992 年提出，是與學習科學相配套的方法論體系。“設計的過程不僅僅讓研究者簡單地了解世界是什么樣的，而且還包括如何有效地改變世界，以及檢驗系統(tǒng)的變化是如何影響學習和實踐的?！保ㄋ饕?010，第177 頁）也就是說，基于設計的研究，其目的是運用理論解決實踐中的問題，同時對理論進行優(yōu)化，是理論與實踐的雙向匯通。基于設計的研究不僅關心“是什么”的問題，還要研究“為什么”和“如何做”的問題。因此，與傳統(tǒng)的實驗研究相比，基于設計的研究有以下特點：第一，以解決問題為導向。基于設計的研究最終要看研究結論在真實的實踐中是否有用，而不像實驗研究主要是檢驗預先的假設。第二，變量雜多，具有動態(tài)性。在真實的實踐情境中有各種變量，而且在研究過程中變量會發(fā)生各種變化，包括新增變量以及變量改變等。第三，研究者的參與性強。在基于設計的研究中，研究者會主動積極地收集研究進程中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的反饋對研究進行再設計，完成迭代的過程。第四，具有迭代精煉過程。在基于設計的研究中，每一次迭代都是對整體設計的一次精煉，因此，基于設計的研究有一個逐漸細化的過程，也可以理解為它有一個層級，慢慢地接近問題的核心。第五，方法靈活多樣。準確地來講，基于設計的研究是一種方法論，而不是具體的方法。在基于設計的研究下，可以根據(jù)實際需要運用各種方法，包括質(zhì)的方法和量的方法，在研究的不同階段運用的方法也不同（劉徽，2017）。

如圖3 所示，STEM 有效指導型的設計研究先在現(xiàn)有理論的基礎上構建理論原型，再以“降落傘”一課為例，經(jīng)過了三個設計周期的迭代，每一個設計周期都經(jīng)歷了“集體備課→課堂教學→證據(jù)收集→課后反思→重新設計”這五個階段。改進設計的主要目的是促進學生的長期遷移，這也是設計的迭代方向。改進設計的主要依據(jù)是教學過程中出現(xiàn)的問題，而這些問題主要是無效類行為，包括無效成功和無效失??；問題收集方式為課堂觀察和話語分析，同時輔以非正式的師生訪談。每一個設計周期結束后都有修正，最后確定STEM 有效指導型的最終范型。

圖3 設計研究的過程和方法

（二）研究過程

1.理論原型的構建

理論原型是在已有理論的基礎上構建的?？ㄆ諣柕挠行〗虒W設計理論是重要的參考，但同時我們還參考了當前世界上影響較為廣泛的兩種STEM 教學模式，即5E 模式和”設計型學習”模式。

（1）卡普爾的有效失敗教學設計模型

卡普爾在一系列實驗研究后提出了有效失敗教學設計理論（Kapur，2012），并在此基礎上提出了兩階段三層次的教學設計模型，如圖4 所示。兩階段是指“生成—探索”階段和“整合—鞏固”階段。不難發(fā)現(xiàn)，“生成—探索”階段給予學生比較大的自主學習空間，鼓勵他們激活舊知、積極嘗試。“失敗”主要出現(xiàn)在“生成—探索”階段。而“整合—鞏固”階段則主要是幫助學生不斷整合、總結和提升。兩個階段都有三個層次：第一個層次“設計活動”主要是指要設計具有吸引力的復雜任務。值得一提的是，卡普爾根據(jù)球類運動的術語提出了“最佳位置”（張忠華，張?zhí)K，2018）的概念，其英文是“Sweet Spot”（Kapur，2012），也有學者將其直譯為“甜蜜點”（劉新陽，2018），類似于維果斯基所說的最近發(fā)展區(qū)。第二個層次“設計參與結構”主要指組織學生進行合作學習，促進課堂參與。第三個層次“設計社交環(huán)境”是指要營造安全的探索空間。三個層次的具體內(nèi)容會因階段的不同而有所不同。

（2）5E 教學模式

5E 教學模式是美國生物科學課程研究所（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）根據(jù)阿特金-卡普拉斯（Atkin-Karplus）學習環(huán)節(jié)開發(fā)出的科學教育領域的教學模式，旨在幫助學生構建科學概念、實現(xiàn)概念遷移、培養(yǎng)科學探究能力等，現(xiàn)已廣泛運用于STEM 教學之中。如表2 所示，5E 包括引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）和評價（Evaluate）五個環(huán)節(jié)（Bybee，2014）。②

國際技術和工程教育者協(xié)會（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）在5E 教學模式的基礎上增加了“Engineer”環(huán)節(jié)，即工程設計的過程，形成了6E 教學模式（ITEEA，2014）。

（3）“設計型學習”模式

設計型學習（Learning by Design，LBD）③由佐治亞大學珍妮特?L?克羅德納（Janet L. Kolodner）提出。如圖5 所示，LBD 包括兩個互相關聯(lián)的循環(huán)。在該設計中，“創(chuàng)意”是核心，呈發(fā)散態(tài)，因此學習者需要不斷地在兩個循環(huán)中穿梭。但是創(chuàng)意需要依據(jù)，而依據(jù)往往來自于調(diào)查研究中，因此“求證”是調(diào)查研究的核心，呈聚合態(tài)。再設計也反映了設計迭代的特性，需要不斷從“調(diào)查研究”中獲得新的依據(jù)。“設計型學習”強調(diào)不斷收集“證據(jù)”以完成“迭代”，在這個過程中協(xié)調(diào)“發(fā)散”和“聚合”兩種思維方式。

圖4 有效失敗教學設計模型

表2 5E 教學模式

（4）構建理論原型建

綜合以上三種模型，我們初步構建了理論原型。如圖6 所示，在5E（6 E）和“設計型學習”模式的啟發(fā)下，我們歸納了六個關鍵步驟，同時延用了卡普爾的“兩階段”模型。其中，明確任務、激活思路、設計草圖和制作模型屬于“生成—探索”階段，闡述作品和反饋總結屬于“整合—鞏固”階段。同時，我們還將卡普爾的“三層次”調(diào)整為設計的三個“維度”，使其內(nèi)涵更為明確，即“設計教學目標、設計參與結構、設計課堂氛圍”。

迭代主要考查兩個問題：第一，兩階段六步驟是否合適？如何細化和調(diào)整？第二，設計三維度是否合適？如何細化和調(diào)整？

圖5 設計型學習模式

圖6 理論原型

2.設計周期1：理論原型→無指導型

（1）第一次迭代

第一次實踐，教師給予了學生很大的自主學習空間，按照六個步驟一一進行，但基本上不干預學生的學習，只在上課開始時布置高挑戰(zhàn)性的任務（創(chuàng)設相關的問題情境），并在課程結束時進行評價，其他時候只是提醒學生各個步驟的開始時間。理論原型的第一次實踐，最大限度地開放“失敗”的空間，給學生較少的指導，因此稱為無指導型，如圖7 所示。

（2）參與者

無指導型教學的研究對象為杭州S 學校的五年級學生，共40 人，其中男生20 人，女生20 人，以異質(zhì)分組（異質(zhì)分組的標準為科學成績）的方式分為10 組，每組4 名學生。

（3）數(shù)據(jù)收集和結果

我們對課堂進行觀察，并對每個小組分別錄音，無指導型各個小組錄音時長如表3 所示，整理出錄音文字39724 字，再進行話語分析。

圖7 無指導型

表3 無指導型班級各組錄音時長（單位：分鐘）

從圖8 中的設計草圖的結果來看，根據(jù)“完整、清晰、可行”三條標準，可以發(fā)現(xiàn)大部分小組不太明白設計草圖的意義，存在變量不全、數(shù)據(jù)不全、標注不規(guī)范的情況。很多小組在設計草圖中標注了價格，比如U2、U5、U6、U8、U10，但變量的數(shù)據(jù)不全，其中U2 只有價格；一些小組還在設計草圖中標出了時間，如U3，而這些元素都不是設計草圖的核心要素。U7 只標出了變量，但沒有數(shù)據(jù)。同時，還存在著設計方案不可行的情況，如U5 的設計草圖不符合科學原理④。

圖8 無指導型的學生設計草圖

（4）存在的問題

無指導型的課堂存在一系列問題，具體如下：

第一，目標模糊，缺乏問題引導。因為缺乏必要的引導，學生的討論往往停留在比較低的層次上，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：首先，對情境中降落傘的制作要求不清楚，以致于在后期設計和制作時出現(xiàn)盲目性，很少有小組在討論時談到具體的問題情境；其次，思考不全面，停留在對單一變量的思考上，未深入研究變量之間的關系。典型情境如下：

U3-2：現(xiàn)在面臨兩個選擇：第一是將十根繩子連在一起，第二是用兩根繩子把四根連接起 來，要選哪個？

U3-3：我們可以把粗繩細繩連起來用。

U3-1：不不不，是上面的粗繩下面的細繩，還是上面的細繩下面的粗繩，這個問題要考慮好。

U3-3：沒有，上面是粗細交替，下面用粗繩。

U3-1：那么我們發(fā)現(xiàn)，上面粗細交替的話有八根，那就是六粗四細。

U3-3：六粗四細的話就購買一捆50cm 的。那16+60 就是76cm。

U3-1：（看著圖引導討論）這里我覺得不能這么直接連，要延伸一下。

U3-3：我覺得應該是這兩個先連，再這兩根連接一下，然后這兩根也連，這兩根也連。

U3-1：不不不，我看過降落傘，就是手拉著兩根，背后再掛了一根。

U3-3：但是我們現(xiàn)在是要保護鵪鶉蛋降落。

U3-1：現(xiàn)在我在想一個問題，到底是把這兩根先連接成一根呢還是分別連呢？

U3-3：我覺得這兩根可以分開，一根往上連，一根往下連。

U3-1：我懂了，首先我們把這兩根做成一個節(jié)點，然后兩根掉下來，然后再來一根。所以我 們需要7 根粗繩，4 根細繩。

通過話語分析我們可以發(fā)現(xiàn)，U3 在“傘繩”這一變量上耗費了大量的時間，幾乎沒有談到和傘面有關的問題。而且U3 對傘繩的討論也比較隨意，表現(xiàn)在話題經(jīng)常跳躍（一會兒討論粗細，一會討論價格），提出的假設也沒有足夠的理由支撐。出現(xiàn)這種狀況的主要原因在于，制作的目的不明確，討論沒有確定的方向，中間有一個學生（U3-3）涉及到了問題的核 心（保護鵪鶉蛋降落），但并沒有引起組員的重視。

第二，小組合作低效。小組合作低效存在的問題主要表現(xiàn)在以下三個方面：

問題一，沒有建立良好的合作機制，分工混亂。典型情境如下：

U7-1：小組分工不明確，這個肯定是，不用講。

U7-2：誰讓你們搞內(nèi)訌啊。

U7-1：小組缺乏溝通。我都想打0 分了⑤。

U7-3：但是我們兩個很團結，你們兩個也很團結，要不打3 分吧。

問題二，沒有形成良好的合作氛圍，出現(xiàn)互相貶損的情況。典型情境如下：

U2-1：我發(fā)現(xiàn)，原來4 號的手工那么差。

U2-2：我發(fā)現(xiàn)我們組沒有一個人能干活。

U2-3：第二次試驗再次結束，挑戰(zhàn)再次失敗。我們正在思考有哪些方法能使降落傘更好地降落。

U2-4：現(xiàn)在4 號已經(jīng)失去了信心，開始摔降落傘。

U2-5：我們組有一個只會說不會做的人，那就是×××。

U2-1：我不同意4 號的觀點，我有在做，并且3 號也沒有在做。

問題三，由小組中的“強者”占主導地位，別的組員成為跟隨者和旁觀者。其中，一些“強者”（如U10-2）會向組員解釋。典型情境如下：

U10-1：傘面材料是什么？

U10-2：我選的材料是塑料膜，不透氣。

U10-1：你覺得用什么繩子？

U10-2：粗繩，因為如果重物很重的話，細繩可能會斷掉

而另一些“強者”（如U7-2）則甚至可能不解釋。典型情境如下：

U7-1：為什么要用粗繩？

U7-2：只可意會不可言傳。

第三，寬松但隨意的課堂氛圍。無指導型的課堂做到了寬松，把大量的時間留給了學生，但因為缺乏必要的指導，課堂秩序混亂，一些學生無所事事。同時教師也沒有引導學生對失敗形成正確認識，表現(xiàn)為：

問題一，存在著大量無效失敗，學生在沒有思考的情況下盲目試錯。典型情境如下：

U2-1：材料管理員，再去拿塊布。

U2-2：防雨布50cm。

U2-3：我們就放這吧，如果不成功了再做。

U1-1：我來幫你。其實不用圓形的，橢圓形和方形更好，你覺得呢？

U1-2：這是真的。

U1-3：而且方形還更好剪一點。那待會兒咱們再改成方形的吧。

問題二，當出現(xiàn)失敗時，學生往往也手足無措。典型情境如下：

U6-1：扔降落傘的時候降落傘就是打不開呀。（求助教師，自己沒有討論）

T：你們沒思路啦？沒人帶領你們就沒思路啦？

U6-2：因為他語文本來就不好，我也不太好。

U6-3：我也不太好。

U8-1：我們的降落傘好像打開又合上了，哈哈哈。

U8-2：我們可能是最失敗的一個了。

U8-3：為什么會這樣啊？怎么修改?。?/p>

U8-2：不知道啊。

U8-1：我們的降落傘很厲害的，打開了又合上了。我們再來一次，還是沒打開。

第四，六步驟與兩個階段存在不匹配情況。在實際操作中，我們發(fā)現(xiàn)“闡述作品”和“反饋總結”這兩個步驟存在著很大的時間重合性。比如，在某組學生闡述作品時，教師和其他小組的同學就同時在進行反思和反饋等，因此，將這兩個步驟合并為“展示反饋”。此外，我們還發(fā)現(xiàn)制作模型和前面三個步驟還是有所不同，如果說前面三個步驟都是在不斷打開思路、不斷嘗試可能性的話，那么制作模型就應該是假設檢驗這樣一個相對聚合的過程。

3.設計周期2：無指導型→有指導型

（1）第二次迭代

經(jīng)過了設計周期1 之后，我們做了如下幾個方面的修正：修正1，在激活思路階段，設計了三個關鍵問題引導小組討論；修正2，要求學生分清合作角色，提高合作的效率；修正3，教師全程引導學生，建立良好的課堂秩序；修正4，將六步驟并為五步驟，其中“生成—探索”階段包括“明確任務”“激活思路”和“設計草圖”，“整合—鞏固”階段包括“制作模型”“展示反饋”兩個步驟。因為第二次實踐是在無指導型的基礎上增加了指導的成分，因此我們稱之為有指導型，如圖9 所示。

（2）參與者

有指導型教學的研究對象為杭州S 學校的五年級學生，共39 人，其中男生20 人，女生19 人，以異質(zhì)分組的方式分為8 組，每組4—5 名學生。

圖9 有指導型

（3）數(shù)據(jù)收集和結果

有指導型各小組的錄音時長如表4 所示，共整理錄音文字39028 字。

表4 有指導型班級各組錄音時長（單位：分鐘）

我們通過課堂觀察和話語分析發(fā)現(xiàn)，有指導型課堂變得更加有序，而且小組合作產(chǎn)生的矛盾明顯減少，對問題的思考也更深入了。比如，有小組開始綜合思考傘繩長度、傘面材料、傘面大小這三個變量之間的關系，考慮了空氣阻力和摩擦力等科學原理。如圖10 所示，從學生的設計草圖的結果來看，仍有一些不規(guī)范的地方，他們還是會遺漏對部分變量及數(shù)據(jù)的處理。例如，G8 的學生只畫了圖；G1、G4、G6 的學生只標記了數(shù)字，但沒有標示材質(zhì)；G2、G3、G7 的設計要素相對齊全，但G2 標記直徑數(shù)據(jù)的方式不對，G3 則沒有標記直徑數(shù)據(jù)，也沒有標明傘繩的數(shù)量；G5 是設計草圖畫得比較好的一組。此外，也還存在著一些不可行的情況，例如G1 的設計草圖不符合科學原理，沒有可行性。

（4）存在的問題

有指導型的課堂也存在一系列問題，具體如下：

第一，提問目標不明確，在實際課堂中進行問答的開放性不夠，反映的教學目標模糊。這三個關鍵問題設計的初衷是要推動學生進行主動連續(xù)的思考，因此問題應該具有開放形態(tài)。但在實際操作時，教師會習慣性地尋求快而準的答案，因此在小組討論后就會直接請優(yōu)秀同學來回答。典型情境如下：

T：好的降落傘應該滿足哪些標準？

G4-2：（不到2 秒就舉手）平穩(wěn)、慢、打開速度快。

T：很好。（寫在黑板上）

我們在課堂觀察中發(fā)現(xiàn)，學生在填寫小組討論單時，G2、G3、G6 小組都會照搬此答案，而沒有對自己的答案進行反思，這就使得原本開放性的問題變成了封閉性的問題，很難激發(fā)學生進行更深入的思考。出現(xiàn)這個問題的原因在于，教師實際上并不太明確提問的目的。這也表明，在STEM 教學中，很多老師并不明確STEM 教學的目標。

第二，如果將兩階段分開，會截斷元認知的生成?？ㄆ諣柕摹吧伞剿鳌彪A段和“整合—鞏固”這兩個階段，是按時間的前后來分的。他認為，失敗的體驗主要集中在第一階段，第二階段是對失敗的反思。但實際上，這兩個階段是互補的，它們構成了一個完整且有意義的學習行為。如果強制將兩者分開，會帶來兩方面的問題：一方面，學生往往很難自覺對學習行為進行反思；另一方面，前一個學習行為的失敗會引發(fā)一系列的低級失敗，這很可能讓學生始終停留在一個比較低的學習水平上。上述問題，有兩種具體表現(xiàn)：

圖10 有指導型的學生設計草圖

問題一，小組在遇到失敗時根本就沒有思路，處于束手無策的境地，不知道下一步如何推進。典型情境如下：

G4-1：問題太大了。這個布根本張不開。

G4-2：不要再重新試驗了。

G4-3：那么怎么辦？

問題二，小組盲目試錯，沒有清晰的思路。典型情境如下：

G3-1：我覺得還要改進，我覺得可以再加一個傘，一秒多感覺不是很好。

G3-2：再加一根傘繩。

G3-3：沒時間了吧。

G3-4：這個可以上色耶。

第三，合作也會剝奪學生的學習機會。一般認為，合作會提高學生的參與度，但事實并非都如此。如果合作小組中有“強勢人物”的存在，其他學生也會處于被動的接受狀態(tài)。比如在無指導型課堂中，就有個別學生“獨當一面”的現(xiàn)象。而在有指導型課堂中，教師給每個組員都分配了角色，即總策劃、財務人員、設計人員、制作人員、計時員、記錄員等角色，并要求學生嚴格執(zhí)行；總策劃往往就是優(yōu)等生，這種“賦權”更加弱化了其他學生參與的積極性。

第四，缺乏鼓勵深度思考的課堂氛圍。因為缺乏對失敗和成功的正確認識，所以會導致課堂上出現(xiàn)下面這些大量的無效成功和無效失敗的問題：

問題一：無效失敗。大多數(shù)無效失敗是學生缺乏思考造成的，比如在小組討論時，學生往往只提出“假設”，而不提出支持假設的理由，其他學生也沒有追問假設的理由。這種隨意性不僅往往會導致“失敗”，而且即使“成功”，也存在著偶然性。典型情境如下：

G4-1：我們現(xiàn)在要先確定，傘面是什么圖形。

G4-2：我覺得一開始傘面應該是長方形的。你們覺得是圓形好還是長方形好？

G4-3：當然是圓形。

問題二：除了無效失敗外，還存在無效成功的問題。學生通過模仿教師或其他同學，很快達到“（無效）成功”。典型情境如下：

G7-1：我們用哪個布呀？

G7-2：防水布。

G7-3：紗布吧。

G7-4：塑料膜吧。

G7-5：紗布好?？吹?jīng)]？

G7-1：老師用的是藍色的，藍色的是什么？

G7-2：藍色的是防水布。

G7-5：不是，是紗布。

G7-1：那我們用紗布吧。

G7-2：防水布也可以呀。

G7-1：我們用紗布吧，老師用的就是紗布的。

4.設計周期3：有指導型→有效指導型

（1）第三次迭代

經(jīng)過設計周期2，我們對教學設計做了多處修正。修正一，設計教學目標。這里很重要的是我們提出了大概念的目標，以及相應的知識與技能目標，如表5 所示。同時，為了能更好地引導教師不偏離教學目標，我們設計了與教學目標相對應的評價。而達成大概念目標的方式是多種多樣的，既可以通過學生在設計和制作中的探索來實現(xiàn)，也可以通過研討來促進學生對大概念的理解。比如，教師指導學生如何提出“假設”，通過年齡和身高等具體案例來幫助學生理解。修正二，將“生成—探索”階段和“整合—鞏固”階段結合起來，作為一個完整學習行為的兩個階段。修正三，不同的階段采用合作（cooperation）和協(xié)作（collaboration）兩種不同的方式。在激活思路、設計草圖階段采用協(xié)作的方式，即不分解任務；而在制作模型階段則采用合作的方式，指導學生分解任務，分工高效完成。修正四，建立有效失敗的課堂氛圍。通過愛迪生、三只小豬的故事讓學生理解什么是無效失敗、無效成功和有效失敗（學生對“有效成功”很熟悉，就不再舉例）；通過延長提問等待時間、在小組合作前增加獨立思考時間等措施來提高學生的參與度。

第三次教學實踐在兩次迭代后取得了很好的效果，因此被稱為有效指導型，如圖11 所示。

表5 有效指導型的教學目標

圖11 有效指導型

（2）參與者

有效指導型的研究對象為杭州S 學校五年級學生，共39 人，其中男生20 人，女生19 人，以異質(zhì)分組的方式分為8 組，每組4—5 名學生。

（3）數(shù)據(jù)收集

有效指導型的各組錄音時長如表6 所示，共整理錄音文字42040 字。

表6 有效指導型教學班級各組錄音時長（單位：分鐘）

（4）結果與反饋

從課堂觀察和話語分析的數(shù)據(jù)來看，與“無指導型”和“有指導型”相比，“有效指導型”的小組在以下幾方面表現(xiàn)突出：

第一，考慮到了更多的變量，并普遍思考了變量和變量之間的關系。典型情境如下：

P2-1：哦，對，假如這個傘面厚一點的話，就不容易被風吹過去。

P2-2：假設傘面越輕，就越緩慢。

P2-1：傘面越輕是要在保證它的質(zhì)量的前提下。

P2-2：傘面越大就越平穩(wěn)了呀。

P2-1：如果用塑料膜的話就“砰”的一下掉下去了。

P2-3：傘面重一點的話不容易被風吹翻。

P2-1：對，所以我覺得傘面應該適當?shù)剌p，但不能太輕，不然風輕輕一吹……

P2-2：那傘面形狀哪種最好？

P2-3：我覺得下雨的話用防水布，如果不下雨的話……

P2-1：我覺得防水布可以疊個兩層。

P2-2：防水布會不會太重？

P2-1：剛剛不是說了不能太重也不能太輕嗎？

……

P2-3：這個傘面一定要大，因為這樣阻力會大，還有傘繩要長一點，不然降落傘的阻力不能很好地發(fā)揮出來，但是也不能太長，因為不然掛著，傘面弧度太大，阻力也會太小。

第二，提出的假設基本都有理由。典型情境如下：

P4-3：這么短的繩子要完蛋了，至少要50。

P4-2：有點短啊，50 是多少，40 就夠了吧。

P4-1：我去拿40 的。

P4-2：50 保險一點。

P4-5：我們?yōu)槭裁催x擇兩層布??？

P4-1：因為兩層布飛得比較好。

P4-2：對啊，我們?yōu)槭裁从脙蓪硬及。?/p>

P4-4：是你告訴我要兩層的。

P4-5：那你們到底用幾層啊？

P4-2：兩層。

P4-5：為什么?。?/p>

P4-2：因為兩層不可能完全封死，兩層中間會有空隙，可以控制重心。

第三，思考更加周密，考慮到了制作細節(jié)，防止無效失敗。典型情境如下：

P2-1：我們怎么把兩層布固定在一起？

P2-2：我覺得就用繩子串起來固定住。

P2-3：那我們得先畫好。

P2-2：我們兩層不能一起畫。

P2-3：那就分開畫。

P2-2：可是分開畫不重疊怎么辦？我們得先固定四個點，旁邊的四個中點先固定住，然后再剪下來。

……

P2-2：有什么好的方法畫圓嗎？

P2-3：對折。

P2-4：畫一筆，然后往反方向?qū)φ邸?/p>

第四，設計草圖要素更為齊全，并且降落傘試飛的結果數(shù)據(jù)也不錯。如圖12 所示，大多數(shù)小組的標注都比較規(guī)范，考慮到了多個變量，既標注了傘面和傘繩的材質(zhì)，標注了傘面的層數(shù)、直徑、傘繩的數(shù)量和長度等，也沒有前兩種教學類型里出現(xiàn)的不符合科學原理的設計草圖。降落傘試飛數(shù)據(jù)顯示，所有小組都成功了，如表7 所示。

（5）最終設計范型

經(jīng)過三個設計周期，最后得到的有效指導范型如圖13 所示，具體包括“明確任務→激活思路→設計草圖→制作模型→展示反饋”五個步驟。兩個階段“生成—探索”和“整合—鞏固”構成了完整的學習行為，貫穿于整個學習過程。這兩個階段協(xié)同作用，共同提升學生的認知能力和元認知能力。設計教學目標、設計參與結構、設計課堂氛圍構成設計的三個維度。無論是知識目標還是技能目標，所有的階段、步驟和維度都圍繞大概念教學目標，都要上升到大概念的層次，才能達成長期遷移的效果。而評價設計則是教學目標的具體化。

四、研究2：三種教學類型的比較研究

經(jīng)過了前一階段的設計研究，我們得到了有效指導型的范型，認為有效指導型要優(yōu)于無指導型和有指導型。但設計研究的主要目的是收集過程中的數(shù)據(jù)，并沒有就所得的結果對三種教學類型進行比較。因此，我們在這一部分對三種范型教學實施的結果，包括遷移效果、認知負荷和學生感受進行比較研究，并提出了如下研究假設：

H1：有效指導型在遷移效果上優(yōu)于無指導型和有指導型。

H2：有效指導型在認知負荷上低于無指導型和有指導型。

H3：三種教學類型下的學生主觀感受、反思內(nèi)容各不相同。

圖12 有效指導型的學生設計草圖

表7 有效指導型班級各組降落傘試飛數(shù)據(jù)表

圖13 有效指導范型

（一）研究方法和工具

1.遷移后測題

遷移能力被認為是把“在一個情境中學到的東西遷移到新情境”的能力（布蘭思福特等，2013，第45 頁）。因此，根據(jù)《降落傘》一課的主要大概念，我們設計了“格列佛的小船”這一遷移后測題，由小組合作完成，如表8 所示。同時我們還制定了量規(guī)，如表9 所示，由4 位研究者獨立打分，然后再討論得出一致同意的分數(shù)。由于第一題和第二題相比于第三題和第四題而言，難度較低，為了更加準確地反映學生的遷移水平，我們對四道題的得分進行加權處理，以1∶1∶2∶2 的比例算出各個小組的總分，然后進行數(shù)據(jù)分析。

表8 遷移后測題

表9 遷移后測題量規(guī)

2.認知負荷問卷

我們的認知負荷問卷改編了弗雷德?G?W?C?帕斯（Fred G.W.C.Paas）和約翰?斯威勒（John Sweller）等人已有的量表（Paas，1992；Sweller，Van Merrienboer & Paas，1998），采用李克特五點計分法，包括心理負荷和心理努力兩個維度，共8 道題。兩個維度的Cronbach’s alpha 值分別為0.86 和0.85，題項分別為：“這節(jié)STEM 課中的學習內(nèi)容對我來說很難”“我不得不花很多精力解決這節(jié)STEM 課中的問題”“對我來說，解決這節(jié)STEM 課中的問題很麻煩”“在這節(jié)STEM 課中解決問題時，我感到很沮喪”“我沒有足夠的時間來解決這節(jié)STEM 課中的問題”和“在這節(jié)STEM 課中，老師的教學方式和學習內(nèi)容的呈現(xiàn)方式給我?guī)砹撕芏嘈睦砩系呢摀薄霸谶@節(jié)STEM 課中，我需要付出很多努力來完成學習任務或?qū)崿F(xiàn)學習目標”“這節(jié)STEM 課的教學方式讓人難以跟進和理解”。

3.主觀收獲開放題

通過“在學習了《降落傘》這節(jié)課后，你有什么感想和收獲？”這道開放題來收集學生的主觀感受，并將學生回答中的關鍵詞進行了歸類統(tǒng)計。

（二）研究結果

1.遷移效果

方差分析顯示，在后測得分上三種教學類型之間存在顯著差異，如表10 所示。為了檢驗兩兩之間的關系，我們同時也做了T 檢驗。結果顯示，有效指導型和有指導型后測得分之間存在顯著差異（T=2.96，DF=13.97，P=0.01）、有效指導型和無指導型后測得分之間也存在顯著差異（T=73，DF=15.79，P=0.001）。

表10 三種教學類型后測得分方差分析結果

而箱線圖則可以更為直觀地看到三種教學類型后測得分的差別，如圖14 所示。后測得分的中位數(shù)從高到低分別為：有效指導型（P）、有指導型（G）和無指導型（U）；而無指導型出現(xiàn)異常值，也就是說有特別優(yōu)秀的小組存在。

圖14 三種教學類型后測得分箱線圖

2.認知負荷結果

我們通過方差分析發(fā)現(xiàn)，三個班級學生在認知負荷上并沒有顯著差異。整體而言，三個班級學生學習的認知負荷都較低（小于3 分，共5 分）。但通過比較均值可以發(fā)現(xiàn)，在心理負荷維度上，有效指導型教學班級分數(shù)（1.85）低于有指導型教學班級分數(shù)（1.98）和無指導型教學班級分數(shù)（1.99）；在心理努力維度上，有效指導型教學班級分數(shù)（0.74）低于有指導型教學班級分數(shù)（0.76）。

3.主觀感受結果

三種教學類型的學生在“感想和收獲”的回答中，人次排列前三的關鍵詞統(tǒng)計如表11 所示。無指導型和有指導型學生提到“合作”的人次是最多的，而在有效指導型中學生們對“有效成功/失敗”印象深刻。此外，在有效指導型中提到“思考”的人次很多，這是另兩個類型中提到人次較少的，說明在有效指導型中，學生在有意識地加強思考。

表11 主觀感受關鍵詞及人次

五、研究3：三種教學類型和四種行為類型的關系研究

研究2 對三種教學類型的實施結果進行了比較，發(fā)現(xiàn)有效指導型是更優(yōu)的教學類型。那么三種教學類型中四種行為類型的表現(xiàn)如何？兩者之間是否存在相關關系？我們在這節(jié)內(nèi)容中將對三種教學類型和四種行為類型的關系進行探索，并提出如下研究假設：

H4：有效指導型中有效失敗和有效成功這兩種行為類型多于無指導型和有指導型。

H5：四種行為類型與后測得分之間存在相關性。

H6：三種教學類型與四種行為類型之間存在相關性。

（一）研究方法

研究3 采取話語分析的方法，對收集的小組錄音進行編碼分析，具體分為以下五個步驟。步驟一，將所有錄音（總時長約66 個小時）轉錄為文字稿（共約12 萬字）。步驟二，根據(jù)意義將對話劃分為多個“話輪”（turn）?！霸捿啞笔侨藗?nèi)粘挼幕窘Y構單位，同時也是話語分析中的一個重要概念。本文將一個意義片斷視為一個“話輪”，比如討論同個變量（如傘面的材質(zhì)、大小等）、同一方面（如猜想變量與變量之間的關系）或著重體現(xiàn)某個編碼（如小組合作發(fā)生沖突等）都是一個話輪。步驟三，為了提高研究的客觀性，我們根據(jù)“四種行為類型的編碼及解釋”進行編碼標記，由三位研究者背對背進行編碼，然后比對各自的編碼結果（一致性約為91.1%），再通過討論確定最終的編碼結果。步驟四，對每一小組的編碼進行次數(shù)和深度的統(tǒng)計，橫向?qū)Ρ雀鱾€小組，將次數(shù)轉換為低、中、高三個等級，三個等級的小組數(shù)量基本控制在8、10、8 左右⑥。需要注意的是，由于等級是通過橫向比較其他小組而得出來的，所以即使是同一行為的相反類型（有效和無效），也不一定是H 和L，有時同一小組會出現(xiàn)有效和無效行為都較多的現(xiàn)象，這也是為什么要對所有指標都逐一進行編碼的原因。步驟五，選擇統(tǒng)計分析方法對編碼結果和后測得分進行回歸分析。為了更準確地描述變量之間的關系，我們通過賦值的方式將定性描述轉換為相應的數(shù)值型數(shù)據(jù)，即高（H）記為3、中（M）記為2、低（L）記為1。

（二）研究結果

1.三種教學類型中四種行為類型的分析結果

三種教學類型中四種行為類型的編碼如表12 所示。從編碼結果可以初步發(fā)現(xiàn)：有效指導型中的“有效成功”和“有效失敗”高（H）的比例要大于無指導型和有指導型。為了進一步驗證這一發(fā)現(xiàn)，我們對四種行為類型中H 的次數(shù)進行了統(tǒng)計（如表13 所示）發(fā)現(xiàn)有效指導型的有效成功要遠遠多于無指導型和有指導型，有效失敗也多于無指導型和有指導型。

表12 三種教學類型中四種行為類型的編碼

續(xù)表12

表13 三種教學類型下四種行為類型的高值（H）數(shù)量統(tǒng)計表

2.四種行為類型與后測得分的線性回歸分析結果

我們采用了兩種回歸分析方法，即簡單線性回歸（考慮單個行為變量對后測得分的影響）和多元線性回歸（考慮所有行為變量對后測得分的影響），進一步探究四種行為類型對后測得分的影響。簡單線性回歸的結果顯示（見表14），有10 個變量對后測得分有顯著影響。其中，DTP1（在設計草圖階段能思考傘面這一變量）+DTP2（在設計草圖階段思考傘繩這一變量，因傘面和傘繩均為單一變量，故此處中間用加號連接），DTP3（在設計草圖階段能思考傘面和傘繩之間的關系），DGPP（在設計草圖階段有大膽的猜想，并能提出相應的依據(jù)），DDPP（在設計草圖階段團隊能形成有益的討論），DPPP（在設計草圖階段掌握設計草圖的畫法），DPUS（在設計草圖階段模仿已有的方案，缺乏自己的思考），DSPP（在設計草圖階段有計劃和規(guī)劃的意識，能考慮到時間、經(jīng)費等限制條件）與后測得分呈正相關關系。這些編碼除了DPUS 之外都是屬于有效失敗或有效成功類別的編碼，而DTUU，DGUU，DPUF 這三個屬于無效失敗或無效成功類別的編碼結果與后測得分呈負相關關系。除了上述指標外，還有一些有效類指標接近顯著，如MSPP（在制作模型階段努力尋求最優(yōu)解決方案，綜合考慮性價比）的P 值為0.053。

表14 簡單線性回歸結果

多元線性回歸結果顯示（見表15），經(jīng)過模型選擇得到的最終模型為：S=1.9234+2.0297*DDPP+2.0369*DPPP。我們可以發(fā)現(xiàn)，后測得分與DDPP（團隊能形成有益的討論）和DPPP（掌握了設計草圖的畫法）呈正相關關系。

表15 多元線性回歸結果

六、思考與建議

（一）STEM 教學目標設計

卡普爾有效失敗教學模型的三層次中，并未明確提到設計教學目標，但實際上，設計活動的核心就是設計教學目標。因此，在有效指導型中，我們將“設計活動”改為“設計教學目標”。需要明確的是，雖然“失敗”可能是有效的，但從教學設計的視角來看，我們?yōu)椤罢嬲某晒Α倍O計，只不過這里的成功指的不是短期的表現(xiàn)，而是長期的效果，這和卡普爾有效失敗理論的初衷是一致的。真正的成功（長期效果而非短期表現(xiàn)）意味著要迎接高挑戰(zhàn)性任務，因此，在這一過程中失敗是在所難免的，但失敗不是目的本身。通過研究，我們也對卡普爾所說的“長期學習效果”有了更為深刻的認識。所謂的“長期學習效果”就是指遷移的效果。盡管從廣義上講，遷移包括近遷移（遷移到與先前相似的情景中）和遠遷移（遷移到與先前不相似的情景中），但從狹義上來說，遷移指的是遠遷移，是難度比較大的遷移。正如費希爾等人所說的：“遷移是終極目標，也是一個難以實現(xiàn)的目標。學習只有在學生達到遷移水平時才算完成?！保‵isher，F(xiàn)rey & Hattie，2016，p. 19）而大概念是遷移的錨點（威金斯，麥克泰格，2017，第69 頁）。大概念是指反映專家思維方式的概念、觀念或論題，是從“具體”中提取的“抽象”，因此可以遷移到更多的“具體”中去（布蘭思福特等，2013，第27 頁）。大概念甚至可以打通長期效應和短期效應。威金斯等人在進行教學目標界定時，就區(qū)分了長期遷移目標和短期遷移目標，而中間的粘合劑就是大概念（威金斯，麥克泰格，2018，第18 頁）。因此，有效指導型區(qū)別于無指導型和有指導型的關鍵點就在于以大概念為教學目標。STEM 教育中既包括知識目標也包括技能目標，但正如埃里克森等人所言，無論是知識還是技能，都是受大概念統(tǒng)攝的（Erickson，Lanning & French，2017，pp.25-38），這也是對卡普爾有效失敗理論的重要補充和發(fā)展。評判是否形成了長期學習效果的標準在于“是否形成了可遷移的大概念”。也就是說，會做、會講，不一定是“有效的”，因為無論是知識目標還是技能目標，只有達到抽象的大概念層面，才能遷移。除了認知能力外，卡普爾的有效失敗理論通過“生成—探索”和“整合—鞏固”兩個階段來提高學生的元認知，但事實上，“生成—探索”和“整合—鞏固”應該作為一種完整的“學習行為鏈”，學生通過挑戰(zhàn)、探索、反思、總結，才能不斷提升自己的元認知能力。元認知是隱含的教學目標，這與以往學者的觀點是一致的（Ericsson，Krampe & Tesch-R?mer，1993；Schank，1999；Zimmerman，1989）。

（二）STEM 教學評價設計

目標要用評價設計來使其具體化，如威金斯等人所提倡的“像評估員一樣思考”，思考如何確定學生是否已達到了預期的理解（威金斯，麥克泰格，2017，第19 頁），因為只有這樣，才能更加明確教學方向，保障目標實現(xiàn)。因此，威金斯逆向設計三步驟（明確預期學習結果→確定恰當評估方法→規(guī)劃相關教學過程）的一個重要調(diào)整就是將評價設計前置（威金斯，麥克泰格，2018，第20—21 頁）。實際上，學評教一體化已經(jīng)成了當前學者們的共識（安德森，2008，第9 頁；梅耶，2016，第93—94 頁；崔允漷，2019），因此，我們將評價設計歸入設計教學目標之中。評價設計是教學目標設計的隱含項，也就是說，只有設計了評價，才是真正設計了目標，才能保證所有的教學活動圍繞目標進行。如梅耶所言：“總之，教育評估要將‘證據(jù)’納入‘有實證依據(jù)的實踐’之中。教育研究面臨的一個基本挑戰(zhàn)是開發(fā)有效的評估工具—測驗，以便真正了解學習者學到了什么。我們實施一項評估時，要設法描述學習結果（即知識）、學習過程（即建構知識的認知過程）或者學習特征（即建構知識的能力）。”（梅耶，2016，第93—94 頁）在這里，梅耶所說的學習特征就是指遷移的能力。當前STEM 教學的評價已經(jīng)趨于多元化，包括評價對象的多元化（既有對作品本身的評價，又有對學生表現(xiàn)的評價）、評價主體的多樣化（既有學生自評，也有他評）等。未來需要增加對遷移能力的評價，這也是有效失敗理論所關注的。卡普爾在2012 年的論文中，就附了遷移能力評價的試題（Kapur，2012）。遷移能力可以通過解決新問題來體現(xiàn)，比如設計一個隱含大概念的新問題讓學生解決，以測評學生對大概念的掌握程度。指向大概念遷移能力的評價手段能強有力地引導教師的教學，使他們不將教學目標僅停留于培養(yǎng)學生知識與技能的淺層目標上，而是努力追求長期的學習效果。

（三）STEM 教學過程設計

根據(jù)設計研究中的發(fā)現(xiàn)，我們對卡普爾有效失敗理論教學設計模型三層次中的“設計參與結構”和“設計社交環(huán)境”進行了修正、細化和豐富，將“設計社交環(huán)境”修改為“設計課堂氛圍”，并對“設計課堂氛圍”和“設計參與結構”的內(nèi)涵作出了闡釋，具體如下：1.設計課堂氛圍。STEM 鼓勵學生迎接挑戰(zhàn)、勇于嘗試、不懼失敗，因此，課堂氛圍的營造十分重要，要讓學生有一種“放松的警覺”。這種興奮感與安全感能讓學生在增強容忍模糊性、不確定性以及延遲滿足能力的同時，去探索新的思想和聯(lián)系（凱恩，2004，第121—132 頁）。因此，我們一方面要營造“潤澤”（佐藤學，2003，第24 頁）的課堂氛圍，讓學生感受到來自教師和同學的信任和支持，另一方面，也要引導學生形成正確的態(tài)度以迎接高挑戰(zhàn)性任務。研究發(fā)現(xiàn)，一些學生的失敗之所以是無效的，是因為他們不愿意接受挑戰(zhàn)，只想“做完”而不想“做好”，這就需要教師積極地加以引導。在有效指導型中，教師對四種行為類型作了介紹，強調(diào)了思考的重要性，隨后，我們從課堂觀察、話語分析和學生的主觀感受結果中，都明顯看出學生立刻就有了相應的意識。也就是說，學生正確態(tài)度的形成，是需要教師有意識地加以引導的。如馬扎諾等人所言：“得力的教師總是持續(xù)不斷地影響學生的態(tài)度與感受，這是一項有意識的教學決策?！保R扎諾 &皮克林，2015，第15 頁）。2.設計參與結構。設計參與結構又可以分為三個部分，即課堂結構、教學方法、合作方式。（1）課堂結構。通過設計研究得出的“明確任務→激活思路→設計草圖→制作模型→展示反饋”五個步驟符合解決問題的思維規(guī)律?？ㄆ諣柕挠行±碚摲浅娬{(diào)以高挑戰(zhàn)性任務吸引學生進行學習。實際上，高挑戰(zhàn)性任務引發(fā)的是學習心向，這也是當前各種教學設計理論都關注的（喬納森，豪蘭 & 摩爾，2007，第7 頁；麥卡錫，2012，第18—19 頁；梅里爾，2016，第20 頁）。在杜威的思維五步法中，第一步就是感受問題，“思維的緣由是遇到了某種困惑或懷疑”（杜威，2015，第14—16頁）。當前的學生學習存在的一大問題就是，在沒有產(chǎn)生學習心向前就開始學習。明確任務和激活思路這兩步十分重要，因此我們要設計相應的復雜問題情境，讓學生產(chǎn)生困惑，引導學生主動投入學習中，積極思考，保證高質(zhì)量的學習。STEM 是問題解決式的學習，因此一般都會提供高挑戰(zhàn)性問題，但如果學生只是追求低標準的“做完”，就容易人為地降低高挑戰(zhàn)性任務的難度。因此，教師要正確引導學生，通過明確任務和激活思路來保證學生具有強烈的學習心向。（2）教學方法?？ㄆ諣柕挠行±碚撝攸c對教學順序進行了探討，這實質(zhì)是對教學方法的討論?？ㄆ諣栒J為，概念的形成要采用“發(fā)現(xiàn)法”，即讓學生自行探索。在當前的STEM 實踐中，有很大部分的教師施行無指導型教學。奧蘇貝爾認為，“接受學習是機械的”，而“發(fā)現(xiàn)學習是有意義的”，這種觀點和一個錯誤信條有關，即“一個人真正擁有并且理解了的知識都是由他自己發(fā)現(xiàn)的”（奧蘇貝爾，2018，第57 頁）。但實際上，如奧蘇貝爾所言，知識的形成包括“概念形成”和“概念同化”這兩條路徑，與之相對應的學習方式是“接受學習”和“發(fā)現(xiàn)學習”。當前學校中的STEM 教學頻次一般為一周2 節(jié)課，教學時間較少，加之STEM 面對的是較為復雜的高挑戰(zhàn)性任務，因此在所有階段、所有任務上都采用“發(fā)現(xiàn)法”顯然不合適。所以，在積極鼓勵學生探索的同時，教師也應提供一系列的教學支架。也有學者專門討論過STEM 教學支架（Belland，2017），即要使學生的探索變?yōu)橛幸饬x的嘗試，而非盲目的試錯。實際上，卡普爾后期也提出，要給學生提供各種形式的幫助（Kapur，2012）。（3）合作方式。為了發(fā)揮合作學習的優(yōu)勢，即在保證任務能高質(zhì)量完成的前提下，又讓所有的學生都得到發(fā)展，我們應該根據(jù)STEM 不同階段的任務特性，區(qū)分合作與協(xié)作兩種方式（Rutherford & Stephen，2015）。合作和協(xié)作的區(qū)別在于是否對任務進行拆分：在設計階段，面對高挑戰(zhàn)性的任務，每個人都需要貢獻智慧，此時宜采用協(xié)作的方式；而在制作階段，需要對任務進行分解，統(tǒng)籌安排，分工高效地完成任務，此時應該采用合作的方式來完成任務。

七、結語

失敗在打開教學設計研究視域的同時，也讓教學設計研究呈現(xiàn)出了更多的問題。比如長期學習效果和短期學習表現(xiàn)之間的不一致、表面看似一樣的學習行為卻存在著本質(zhì)差別等，這對思考STEM 的教學設計很有啟示?？ㄆ諣柛鶕?jù)兩個維度（短期學習表現(xiàn)和長期學習效果）劃分了四種行為類型（Kapur，2008），卻沒有對這些行為類型進行具體描述。本文通過話語編碼的方式，加深了對四種行為類型的認識。學生的實際表現(xiàn)證明，失敗不一定是無效的，但也不一定是有效的；同理，成功不一定是有效的，但也不一定是無效的。從回歸分析（無論是簡單線性回歸還是多元線性回歸）人結果來看，兩個階段中的結果變量（即DRPS、MRSS）都對后測得分沒有顯著性影響。也就是說，無論是設計還是制作的結果都不影響長期效應，這在一定程度上印證了卡普爾（2010）、施密特（1992）、施瓦茨（2004）等人的觀點?；貧w分析的結果也證明，過程中的有效類行為（有效成功或有效失?。┱蝻@著影響后測得分，而無效類行為（無效成功或無效失?。﹦t負向顯著影響后測得分，說明了有效類行為的有效性。這在一定程度上也證實了卡普爾對四種行為類型的劃定。無論是有效成功還是有效失敗行為的出現(xiàn)，都不是一個隨機事件，而是可以預先設計的。因此，本文通過設計研究等方法構建了STEM 有效指導范型，在比較三種教學類型后發(fā)現(xiàn)，有效指導型的長期效應（遷移后測得分）顯著優(yōu)于無指導型和有指導型，而有效成功的行為數(shù)量也顯著高于無指導型和有指導型，這在一定程度上驗證了STEM 有效指導范型的有效性。綜上所述，本文發(fā)展和豐富了卡普爾有效失敗理論的兩個重要創(chuàng)見（四種行為類型和有效失敗教學設計模型），從目標、評價和過程三個角度提出對STEM 教學設計的建議，這不僅能指導STEM 的教學實踐，而且對當前的教學改革也具有啟示意義。當然，本文也存在一些不足，比如，因為時間關系，遷移后測題主要涉及設計草圖，而沒有涉及制作模型，所以可能會和設計步驟中各項指標的關聯(lián)性更大。我們后期將對這些問題進行進一步的細化研究。

（本文通訊作者為張朋，pengz@zju.edu.cn。）