劉 徽 楊佳欣 徐玲玲 張 朋 王司閆

（1. 浙江大學(xué)教育學(xué)院，杭州 310058；2. 深圳市寶安區(qū)清平實(shí)驗(yàn)學(xué)校，深圳 518104；3. 浙江大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，杭州 310007；4. 杭州市勝利實(shí)驗(yàn)學(xué)校，杭州 310008）

一、引言：從失敗的視角看教學(xué)設(shè)計(jì)

隨著全球范圍對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重視，STEM 在當(dāng)前中國(guó)也受到了普遍的關(guān)注，因此越來越多的教師也開始積極嘗試STEM 教學(xué)。然而，STEM 的課堂與以往教師們熟悉的學(xué)科教學(xué)有很大差異，這不僅因?yàn)镾TEM 具有跨學(xué)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(dǎo)向的課堂形態(tài)。在當(dāng)前的STEM 課堂上，存在著兩種極端的教學(xué)實(shí)踐模式。第一種是“全指導(dǎo)型”，即一些教師仍延續(xù)傳統(tǒng)的教學(xué)方式，詳細(xì)分解任務(wù)、講解并示范操作步驟。學(xué)生在這樣的指導(dǎo)下，往往也能順利地完成任務(wù)。第二種是“無指導(dǎo)型”，即一些教師意識(shí)到STEM 的教學(xué)應(yīng)該與傳統(tǒng)的學(xué)科教學(xué)有所區(qū)別，因此在布置完任務(wù)后放任學(xué)生“瞎折騰”，很少甚至不提供幫助和支持。

在STEM 的教學(xué)設(shè)計(jì)研究中，雖然在“如何支持學(xué)習(xí)者進(jìn)行問題解決”這一方面已經(jīng)積累了大量的成果，但主導(dǎo)思路都是在設(shè)計(jì)各種腳手架，即從成功的視角來思考教學(xué)設(shè)計(jì)（Brown & Collins，1989；Reiser，2004；Belland，2017；Jonassen，2011）。而2008 年，新加坡南洋理工大學(xué)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(guān)注，人們開始從“失敗”的視角來思考教學(xué)設(shè)計(jì)（Kapur，2008）。早先，卡普爾關(guān)注“問題類型”，用劣構(gòu)問題為學(xué)生制造失敗的機(jī)會(huì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組（解決劣構(gòu)問題）在近遷移和遠(yuǎn)遷移上的表現(xiàn)均優(yōu)于對(duì)照組（解決良構(gòu)問題）（Kapur，2008）。后來，卡普爾轉(zhuǎn)向關(guān)注“教學(xué)順序”，通過無指導(dǎo)來制造失敗的機(jī)會(huì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組（Productive Failure，簡(jiǎn)稱PF，即先嘗試后指導(dǎo)）無論在解決良構(gòu)問題還是劣構(gòu)問題上的表現(xiàn)都優(yōu)于對(duì)照組（Lecture and Practice，簡(jiǎn)稱LP，即先指導(dǎo)后練習(xí)）（Kapur，2010）。再后來，卡普爾又綜合“問題類型”和“教學(xué)順序”兩個(gè)因素來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組（解決劣構(gòu)問題且在PF 條件下）要優(yōu)于對(duì)照組1（Facilitated Complex Problem Solving，簡(jiǎn)稱FCPS，即解決劣構(gòu)問題且在教師的全程指導(dǎo)下）和對(duì)照組2（解決良構(gòu)問題且在LP 條件下），而對(duì)照組1 和對(duì)照組2 則無顯著性差異。這說明，僅僅為學(xué)生提供復(fù)雜的劣構(gòu)問題，而不讓他們經(jīng)歷掙扎和失敗，并不能有效促進(jìn)學(xué)習(xí)，因此再次論證了問題解決中的失敗對(duì)于學(xué)習(xí)的價(jià)值（Kapur，2011）?？ㄆ諣栠€通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了有效失敗和“替代性失敗”（Vicarious Failure，簡(jiǎn)稱VF，即學(xué)生通過評(píng)估其它學(xué)生解決方案來替代自己的嘗試，避免失?。Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生（在PF 條件下）優(yōu)于對(duì)照組學(xué)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(rèn)為，“失敗經(jīng)歷不一定必須來自個(gè)人經(jīng)驗(yàn)”，他們認(rèn)為學(xué)習(xí)者可以從別人的失敗案例中學(xué)習(xí)，不過他們對(duì)比的是“向成功案例學(xué)習(xí)”和“向失敗案例學(xué)習(xí)”。他們的研究結(jié)果表明，“向失敗案例學(xué)習(xí)”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(duì)學(xué)習(xí)也是有用的（Tawfik & Jonassen，2013）。宋艷杰（Yanjie Song）和卡普爾等人還在翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)境下對(duì)有效失敗進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組（Productive Failure based Flipped Classroom，簡(jiǎn)稱PFFC，即在第一階段先以小組合作的方式進(jìn)行探索，第二階段為個(gè)人在家單獨(dú)觀看視頻）在概念理解上要優(yōu)于對(duì)照組（Traditional Flipped Classroom，簡(jiǎn)稱TFC，即在第一階段先由個(gè)人在家單獨(dú)觀看視頻，后以小組合作的方式，并在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)）（Song & Kapur，2017）。

除了卡普爾本人的研究外，其他學(xué)者也對(duì)“有效失敗”進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，得出了類似的結(jié)論（Kennedy-Clark & Jacobson，2010；Loibl & Rummel，2014）。一些學(xué)者還分析了失敗之所以有效的原因。比如羅杰?尚克（Roger Schank）認(rèn)為，失敗會(huì)讓人們感受到結(jié)果和期望之間的落差，從而更容易引發(fā)學(xué)習(xí)者的反思。也就是說，失敗提供了一個(gè)反思的契機(jī)，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(rèn)為，失敗本身本不能帶來成效，而是需要通過學(xué)習(xí)者評(píng)估自己的表現(xiàn)，思考改進(jìn)方案，才能讓失敗變得有價(jià)值（Ericsson，Krampe & Tesch-R?mer，1993）。巴里?齊默爾曼（Barry Zimmerman）也有類似的觀點(diǎn)，他認(rèn)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(rèn)為，失敗的案例能讓人學(xué)到更多東西的原因是，失敗讓學(xué)習(xí)者對(duì)主題有更為全面的了解（Heemsoth & Heinze，2013）。

事實(shí)上，失敗的有效性并不是卡普爾第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的。在學(xué)術(shù)史上，有許多學(xué)者都提到過“失敗”的意義，只不過使用的術(shù)語各不相同。比如讓?皮亞杰（Jean Piaget）提出過“擾動(dòng)”（Perturbations）的概念，認(rèn)為學(xué)習(xí)由“擾動(dòng)”引發(fā)，通過同化和順應(yīng)來達(dá)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(shí)就能準(zhǔn)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(gè)月的時(shí)間經(jīng)過反復(fù)的嘗試才能基本準(zhǔn)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(dòng)作聯(lián)合，原因在于嬰兒在大量的試誤中累積了應(yīng)對(duì)不同情況的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)了怎樣學(xué)習(xí)（杜威，2014，第146 頁）。愛莉諾?達(dá)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(zhēng)、期望、茅塞頓開的語言構(gòu)成了完整的思維形成過程，認(rèn)為這些對(duì)于學(xué)生的思維發(fā)展是十分有價(jià)值的，即使有時(shí)它們最后不能帶來正確答案（達(dá)克沃斯，2005，第73 頁）。

意識(shí)到了“失敗”的價(jià)值后，研究者們也提出了一系列和“失敗”相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)理論，通過將“失敗”設(shè)計(jì)到教學(xué)中來提高學(xué)習(xí)效能。比如庫爾特?范冷（Kurt VanLehn）提出的“困境驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)”（Impasse-drive Learning）理論擴(kuò)展了對(duì)皮亞杰所提出的“擾動(dòng)”的討論（VanLehn，1988）。根據(jù)這一理論，當(dāng)學(xué)習(xí)者缺乏對(duì)與當(dāng)前問題相關(guān)的特定知識(shí)的完全理解時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)困境，而正是這一困境促使學(xué)習(xí)者有動(dòng)力進(jìn)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(yīng)地提出了“值得追求的困難”（Desirable Difficulties）理論。他們?cè)诮?jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在訓(xùn)練過程中表現(xiàn)好的學(xué)生不一定能長(zhǎng)期保持學(xué)習(xí)效果并進(jìn)行遷移，而當(dāng)在教學(xué)中通過打亂任務(wù)順序或減少反饋等方式有意設(shè)計(jì)一些“困難”時(shí)，學(xué)生雖然在訓(xùn)練中的表現(xiàn)較差，但卻能在訓(xùn)練結(jié)束幾天后的再次測(cè)試中表現(xiàn)得很好。這種為了提高學(xué)習(xí)的長(zhǎng)期保持和遷移效果而在教學(xué)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(xué)習(xí)做準(zhǔn)備”（Preparation for future learning）理論，主要聚焦于討論學(xué)習(xí)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(biāo)概念前，要求大學(xué)生自行分析案例異同點(diǎn)，比直接采取講授等教學(xué)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(xué)生能獲益更多（Schwartz & Martin，2004）。也就是說，盡管在“現(xiàn)在”的學(xué)習(xí)中困難重重，但卻是在為“未來”作準(zhǔn)備，因此，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)該立足于對(duì)學(xué)生未來的意義?？ㄆ諣栆苍谝幌盗袑?shí)驗(yàn)后提出了有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)理論，構(gòu)建了相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)模型，并通過在新加坡3 所成績(jī)水平不同的公立學(xué)校重復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明了該理論不僅適用于優(yōu)秀學(xué)生，也適用于學(xué)業(yè)水平較低的學(xué)生，使之獲得進(jìn)步（Kapur，2012）。

卡普爾的理論也受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注（楊玉芹，2014；張瀾等人，2015；張忠華等人，2018），有些學(xué)者還嘗試在教學(xué)中使用了該理論。如崔蘭玉（2017）將有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于初中數(shù)學(xué)的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)其對(duì)學(xué)生的解答多樣性、學(xué)習(xí)興趣和成績(jī)等均有有利影響。再如李明萱（2018）基于有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了學(xué)習(xí)干預(yù)原型和框架，并通過設(shè)計(jì)研究法在實(shí)踐中收集數(shù)據(jù)并對(duì)框架進(jìn)行修正和完善，驗(yàn)證了有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)理論有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)、問題解決能力等。

雖然卡普爾的主要研究領(lǐng)域是數(shù)學(xué)教育，但已經(jīng)有學(xué)者將有效失敗理論與有效失敗的教學(xué)設(shè)計(jì)模型應(yīng)用于STEM 教學(xué)中。如喬安娜?P?韋弗（Joanna P. Weaver）等人將有效失敗理論運(yùn)用于大學(xué)STEM 課堂后發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組（先聽講座后自行探索）相比，實(shí)驗(yàn)組（先自行探索后聽講座）在學(xué)習(xí)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(rèn)為有效失敗能促進(jìn)STEM 課堂中開放性任務(wù)的解決（Searle，2018）。國(guó)內(nèi)雖然沒有直接在STEM 中運(yùn)用有效失敗理論，但在創(chuàng)客和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中已經(jīng)有所嘗試（郭婧遠(yuǎn)，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(gè)概念，即無效失敗（Unproductive Failure）?？ㄆ諣栔赋觯骸氨M管實(shí)驗(yàn)證明，過多的指導(dǎo)不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)，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(xué)生避免無效失敗?！保↘apur，2012）

失敗對(duì)于學(xué)習(xí)，特別是對(duì)STEM 這類問題解決的學(xué)習(xí)是十分有必要的。在“全指導(dǎo)型”的STEM 課堂上幾乎不會(huì)有失敗，這顯然不利于學(xué)生學(xué)習(xí)遷移能力的發(fā)展；“無指導(dǎo)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(shè)計(jì)教學(xué)，讓學(xué)習(xí)產(chǎn)生長(zhǎng)期的遷移效果？換言之，本文要重點(diǎn)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(shè)計(jì)

（一）概念界定和編碼系統(tǒng)

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

圖1 四種行為類型

我們結(jié)合STEM 的學(xué)習(xí)特性對(duì)卡普爾的四象限進(jìn)行了調(diào)整和細(xì)化：1. 因?yàn)镾TEM 是問題解決類的學(xué)習(xí)，所以可以從過程和結(jié)果兩個(gè)維度來編碼四種行為類型；2. 因?yàn)樵赟TEM 學(xué)習(xí)的“設(shè)計(jì)草圖”和“制作模型”兩個(gè)步驟中，學(xué)生表現(xiàn)比較活躍，會(huì)產(chǎn)生大量學(xué)習(xí)行為，所以我們主要對(duì)這兩個(gè)步驟的行為進(jìn)行編碼。值得一提的是，當(dāng)我們從過程和結(jié)果兩個(gè)維度來看四種行為類型時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)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(xué)生的行為是指向長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)效果還是追求短期的學(xué)習(xí)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(gòu)思時(shí)，學(xué)生自行降低挑戰(zhàn)性任務(wù)的難度，草草思考就開始著手畫設(shè)計(jì)草圖，這就屬于無效失??；又比如在設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生為了做得快，抄襲鄰組同學(xué)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(duì)STEM 中的四種行為類型進(jìn)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(shè)計(jì)

卡普爾的有效失敗理論有兩大貢獻(xiàn)：一是提出了四種行為類型，二是提出了有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)模型。結(jié)合STEM 的特性，我們的研究又對(duì)卡普爾的理論進(jìn)行了補(bǔ)充、修正和發(fā)展。如圖2 所示，研究1 在有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了STEM 有效指導(dǎo)型的理論原型（以下簡(jiǎn)稱“理論原型”），并通過設(shè)計(jì)研究進(jìn)行迭代（理論原型→無指導(dǎo)型→有指導(dǎo)型→有效指導(dǎo)型），最后得出STEM 有效指導(dǎo)型的最終范型。研究2 進(jìn)一步對(duì)三種教學(xué)類型進(jìn)行比較研究。研究3 對(duì)三種教學(xué)類型與四種行為類型的關(guān)系進(jìn)行研究。

圖2 研究設(shè)計(jì)

三、研究1：STEM 有效指導(dǎo)范型的設(shè)計(jì)研究

卡普爾雖然提出了有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)模型，但一方面，卡普爾的理論主要運(yùn)用在數(shù)學(xué)概念的學(xué)習(xí)上，因此，當(dāng)它被運(yùn)用于STEM 課堂時(shí)，則需要做出相應(yīng)的調(diào)整。另一方面，卡普爾有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)模型盡管有兩階段和三層次的描述，但是比較模糊，需要對(duì)它們進(jìn)行更為細(xì)致地討論。所以，研究1 運(yùn)用設(shè)計(jì)研究的方法構(gòu)建STEM 有效指導(dǎo)范型。

（一）研究方法

基于設(shè)計(jì)的研究（Design-Based Research），也被稱為“設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)科學(xué)相配套的方法論體系?！霸O(shè)計(jì)的過程不僅僅讓研究者簡(jiǎn)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(yàn)系統(tǒng)的變化是如何影響學(xué)習(xí)和實(shí)踐的?！保ㄋ饕?，2010，第177 頁）也就是說，基于設(shè)計(jì)的研究，其目的是運(yùn)用理論解決實(shí)踐中的問題，同時(shí)對(duì)理論進(jìn)行優(yōu)化，是理論與實(shí)踐的雙向匯通?；谠O(shè)計(jì)的研究不僅關(guān)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(shí)驗(yàn)研究相比，基于設(shè)計(jì)的研究有以下特點(diǎn)：第一，以解決問題為導(dǎo)向?；谠O(shè)計(jì)的研究最終要看研究結(jié)論在真實(shí)的實(shí)踐中是否有用，而不像實(shí)驗(yàn)研究主要是檢驗(yàn)預(yù)先的假設(shè)。第二，變量雜多，具有動(dòng)態(tài)性。在真實(shí)的實(shí)踐情境中有各種變量，而且在研究過程中變量會(huì)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(qiáng)。在基于設(shè)計(jì)的研究中，研究者會(huì)主動(dòng)積極地收集研究進(jìn)程中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的反饋對(duì)研究進(jìn)行再設(shè)計(jì)，完成迭代的過程。第四，具有迭代精煉過程。在基于設(shè)計(jì)的研究中，每一次迭代都是對(duì)整體設(shè)計(jì)的一次精煉，因此，基于設(shè)計(jì)的研究有一個(gè)逐漸細(xì)化的過程，也可以理解為它有一個(gè)層級(jí)，慢慢地接近問題的核心。第五，方法靈活多樣。準(zhǔn)確地來講，基于設(shè)計(jì)的研究是一種方法論，而不是具體的方法。在基于設(shè)計(jì)的研究下，可以根據(jù)實(shí)際需要運(yùn)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(yùn)用的方法也不同（劉徽，2017）。

如圖3 所示，STEM 有效指導(dǎo)型的設(shè)計(jì)研究先在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建理論原型，再以“降落傘”一課為例，經(jīng)過了三個(gè)設(shè)計(jì)周期的迭代，每一個(gè)設(shè)計(jì)周期都經(jīng)歷了“集體備課→課堂教學(xué)→證據(jù)收集→課后反思→重新設(shè)計(jì)”這五個(gè)階段。改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要目的是促進(jìn)學(xué)生的長(zhǎng)期遷移，這也是設(shè)計(jì)的迭代方向。改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是教學(xué)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(shí)輔以非正式的師生訪談。每一個(gè)設(shè)計(jì)周期結(jié)束后都有修正，最后確定STEM 有效指導(dǎo)型的最終范型。

圖3 設(shè)計(jì)研究的過程和方法

（二）研究過程

1.理論原型的構(gòu)建

理論原型是在已有理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建的?？ㄆ諣柕挠行〗虒W(xué)設(shè)計(jì)理論是重要的參考，但同時(shí)我們還參考了當(dāng)前世界上影響較為廣泛的兩種STEM 教學(xué)模式，即5E 模式和”設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)”模式。

（1）卡普爾的有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)模型

卡普爾在一系列實(shí)驗(yàn)研究后提出了有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)理論（Kapur，2012），并在此基礎(chǔ)上提出了兩階段三層次的教學(xué)設(shè)計(jì)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(xué)生比較大的自主學(xué)習(xí)空間，鼓勵(lì)他們激活舊知、積極嘗試?！笆　敝饕霈F(xiàn)在“生成—探索”階段。而“整合—鞏固”階段則主要是幫助學(xué)生不斷整合、總結(jié)和提升。兩個(gè)階段都有三個(gè)層次：第一個(gè)層次“設(shè)計(jì)活動(dòng)”主要是指要設(shè)計(jì)具有吸引力的復(fù)雜任務(wù)。值得一提的是，卡普爾根據(jù)球類運(yùn)動(dòng)的術(shù)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(xué)者將其直譯為“甜蜜點(diǎn)”（劉新陽，2018），類似于維果斯基所說的最近發(fā)展區(qū)。第二個(gè)層次“設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)”主要指組織學(xué)生進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)課堂參與。第三個(gè)層次“設(shè)計(jì)社交環(huán)境”是指要營(yíng)造安全的探索空間。三個(gè)層次的具體內(nèi)容會(huì)因階段的不同而有所不同。

（2）5E 教學(xué)模式

5E 教學(xué)模式是美國(guó)生物科學(xué)課程研究所（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）根據(jù)阿特金-卡普拉斯（Atkin-Karplus）學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)開發(fā)出的科學(xué)教育領(lǐng)域的教學(xué)模式，旨在幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念、實(shí)現(xiàn)概念遷移、培養(yǎng)科學(xué)探究能力等，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于STEM 教學(xué)之中。如表2 所示，5E 包括引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）和評(píng)價(jià)（Evaluate）五個(gè)環(huán)節(jié)（Bybee，2014）。②

國(guó)際技術(shù)和工程教育者協(xié)會(huì)（International Technology and Engineering Educators Association，ITEEA）在5E 教學(xué)模式的基礎(chǔ)上增加了“Engineer”環(huán)節(jié)，即工程設(shè)計(jì)的過程，形成了6E 教學(xué)模式（ITEEA，2014）。

（3）“設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)”模式

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（Learning by Design，LBD）③由佐治亞大學(xué)珍妮特?L?克羅德納（Janet L. Kolodner）提出。如圖5 所示，LBD 包括兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的循環(huán)。在該設(shè)計(jì)中，“創(chuàng)意”是核心，呈發(fā)散態(tài)，因此學(xué)習(xí)者需要不斷地在兩個(gè)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(shè)計(jì)也反映了設(shè)計(jì)迭代的特性，需要不斷從“調(diào)查研究”中獲得新的依據(jù)?！霸O(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)”強(qiáng)調(diào)不斷收集“證據(jù)”以完成“迭代”，在這個(gè)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(xué)設(shè)計(jì)模型

表2 5E 教學(xué)模式

（4）構(gòu)建理論原型建

綜合以上三種模型，我們初步構(gòu)建了理論原型。如圖6 所示，在5E（6 E）和“設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)”模式的啟發(fā)下，我們歸納了六個(gè)關(guān)鍵步驟，同時(shí)延用了卡普爾的“兩階段”模型。其中，明確任務(wù)、激活思路、設(shè)計(jì)草圖和制作模型屬于“生成—探索”階段，闡述作品和反饋總結(jié)屬于“整合—鞏固”階段。同時(shí)，我們還將卡普爾的“三層次”調(diào)整為設(shè)計(jì)的三個(gè)“維度”，使其內(nèi)涵更為明確，即“設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)課堂氛圍”。

迭代主要考查兩個(gè)問題：第一，兩階段六步驟是否合適？如何細(xì)化和調(diào)整？第二，設(shè)計(jì)三維度是否合適？如何細(xì)化和調(diào)整？

圖5 設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式

圖6 理論原型

2.設(shè)計(jì)周期1：理論原型→無指導(dǎo)型

（1）第一次迭代

第一次實(shí)踐，教師給予了學(xué)生很大的自主學(xué)習(xí)空間，按照六個(gè)步驟一一進(jìn)行，但基本上不干預(yù)學(xué)生的學(xué)習(xí)，只在上課開始時(shí)布置高挑戰(zhàn)性的任務(wù)（創(chuàng)設(shè)相關(guān)的問題情境），并在課程結(jié)束時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其他時(shí)候只是提醒學(xué)生各個(gè)步驟的開始時(shí)間。理論原型的第一次實(shí)踐，最大限度地開放“失敗”的空間，給學(xué)生較少的指導(dǎo)，因此稱為無指導(dǎo)型，如圖7 所示。

（2）參與者

無指導(dǎo)型教學(xué)的研究對(duì)象為杭州S 學(xué)校的五年級(jí)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)為科學(xué)成績(jī)）的方式分為10 組，每組4 名學(xué)生。

（3）數(shù)據(jù)收集和結(jié)果

我們對(duì)課堂進(jìn)行觀察，并對(duì)每個(gè)小組分別錄音，無指導(dǎo)型各個(gè)小組錄音時(shí)長(zhǎng)如表3 所示，整理出錄音文字39724 字，再進(jìn)行話語分析。

圖7 無指導(dǎo)型

表3 無指導(dǎo)型班級(jí)各組錄音時(shí)長(zhǎng)（單位：分鐘）

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

圖8 無指導(dǎo)型的學(xué)生設(shè)計(jì)草圖

（4）存在的問題

無指導(dǎo)型的課堂存在一系列問題，具體如下：

第一，目標(biāo)模糊，缺乏問題引導(dǎo)。因?yàn)槿狈Ρ匾囊龑?dǎo)，學(xué)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(gè)方面：首先，對(duì)情境中降落傘的制作要求不清楚，以致于在后期設(shè)計(jì)和制作時(shí)出現(xiàn)盲目性，很少有小組在討論時(shí)談到具體的問題情境；其次，思考不全面，停留在對(duì)單一變量的思考上，未深入研究變量之間的關(guān)系。典型情境如下：

U3-2：現(xiàn)在面臨兩個(gè)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(gè)？

U3-3：我們可以把粗繩細(xì)繩連起來用。

U3-1：不不不，是上面的粗繩下面的細(xì)繩，還是上面的細(xì)繩下面的粗繩，這個(gè)問題要考慮好。

U3-3：沒有，上面是粗細(xì)交替，下面用粗繩。

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

U3-3：六粗四細(xì)的話就購(gòu)買一捆50cm 的。那16+60 就是76cm。

U3-1：（看著圖引導(dǎo)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(yīng)該是這兩個(gè)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(hù)鵪鶉蛋降落。

U3-1：現(xiàn)在我在想一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，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(xì)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(fèi)了大量的時(shí)間，幾乎沒有談到和傘面有關(guān)的問題。而且U3 對(duì)傘繩的討論也比較隨意，表現(xiàn)在話題經(jīng)常跳躍（一會(huì)兒討論粗細(xì)，一會(huì)討論價(jià)格），提出的假設(shè)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(gè)學(xué)生（U3-3）涉及到了問題的核 心（保護(hù)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(gè)方面：

問題一，沒有建立良好的合作機(jī)制，分工混亂。典型情境如下：

U7-1：小組分工不明確，這個(gè)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(gè)很團(tuán)結(jié)，你們兩個(gè)也很團(tuán)結(jié)，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(hào)的手工那么差。

U2-2：我發(fā)現(xiàn)我們組沒有一個(gè)人能干活。

U2-3：第二次試驗(yàn)再次結(jié)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(hào)已經(jīng)失去了信心，開始摔降落傘。

U2-5：我們組有一個(gè)只會(huì)說不會(huì)做的人，那就是×××。

U2-1：我不同意4 號(hào)的觀點(diǎn)，我有在做，并且3 號(hào)也沒有在做。

問題三，由小組中的“強(qiáng)者”占主導(dǎo)地位，別的組員成為跟隨者和旁觀者。其中，一些“強(qiáng)者”（如U10-2）會(huì)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?yàn)槿绻匚锖苤氐脑?，?xì)繩可能會(huì)斷掉

而另一些“強(qiáng)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(huì)不可言傳。

第三，寬松但隨意的課堂氛圍。無指導(dǎo)型的課堂做到了寬松，把大量的時(shí)間留給了學(xué)生，但因?yàn)槿狈Ρ匾闹笇?dǎo)，課堂秩序混亂，一些學(xué)生無所事事。同時(shí)教師也沒有引導(dǎo)學(xué)生對(duì)失敗形成正確認(rèn)識(shí)，表現(xiàn)為：

問題一，存在著大量無效失敗，學(xué)生在沒有思考的情況下盲目試錯(cuò)。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(shí)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(diǎn)。那待會(huì)兒咱們?cè)俑某煞叫蔚陌伞?/p>

問題二，當(dāng)出現(xiàn)失敗時(shí)，學(xué)生往往也手足無措。典型情境如下：

U6-1：扔降落傘的時(shí)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(lǐng)你們就沒思路啦？

U6-2：因?yàn)樗Z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(gè)了。

U8-3：為什么會(huì)這樣??？怎么修改啊？

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?cè)賮硪淮?，還是沒打開。

第四，六步驟與兩個(gè)階段存在不匹配情況。在實(shí)際操作中，我們發(fā)現(xiàn)“闡述作品”和“反饋總結(jié)”這兩個(gè)步驟存在著很大的時(shí)間重合性。比如，在某組學(xué)生闡述作品時(shí)，教師和其他小組的同學(xué)就同時(shí)在進(jìn)行反思和反饋等，因此，將這兩個(gè)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(gè)步驟還是有所不同，如果說前面三個(gè)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(yīng)該是假設(shè)檢驗(yàn)這樣一個(gè)相對(duì)聚合的過程。

3.設(shè)計(jì)周期2：無指導(dǎo)型→有指導(dǎo)型

（1）第二次迭代

經(jīng)過了設(shè)計(jì)周期1 之后，我們做了如下幾個(gè)方面的修正：修正1，在激活思路階段，設(shè)計(jì)了三個(gè)關(guān)鍵問題引導(dǎo)小組討論；修正2，要求學(xué)生分清合作角色，提高合作的效率；修正3，教師全程引導(dǎo)學(xué)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(wù)”“激活思路”和“設(shè)計(jì)草圖”，“整合—鞏固”階段包括“制作模型”“展示反饋”兩個(gè)步驟。因?yàn)榈诙螌?shí)踐是在無指導(dǎo)型的基礎(chǔ)上增加了指導(dǎo)的成分，因此我們稱之為有指導(dǎo)型，如圖9 所示。

（2）參與者

有指導(dǎo)型教學(xué)的研究對(duì)象為杭州S 學(xué)校的五年級(jí)學(xué)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(xué)生。

圖9 有指導(dǎo)型

（3）數(shù)據(jù)收集和結(jié)果

有指導(dǎo)型各小組的錄音時(shí)長(zhǎng)如表4 所示，共整理錄音文字39028 字。

表4 有指導(dǎo)型班級(jí)各組錄音時(shí)長(zhǎng)（單位：分鐘）

我們通過課堂觀察和話語分析發(fā)現(xiàn)，有指導(dǎo)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(duì)問題的思考也更深入了。比如，有小組開始綜合思考傘繩長(zhǎng)度、傘面材料、傘面大小這三個(gè)變量之間的關(guān)系，考慮了空氣阻力和摩擦力等科學(xué)原理。如圖10 所示，從學(xué)生的設(shè)計(jì)草圖的結(jié)果來看，仍有一些不規(guī)范的地方，他們還是會(huì)遺漏對(duì)部分變量及數(shù)據(jù)的處理。例如，G8 的學(xué)生只畫了圖；G1、G4、G6 的學(xué)生只標(biāo)記了數(shù)字，但沒有標(biāo)示材質(zhì)；G2、G3、G7 的設(shè)計(jì)要素相對(duì)齊全，但G2 標(biāo)記直徑數(shù)據(jù)的方式不對(duì)，G3 則沒有標(biāo)記直徑數(shù)據(jù)，也沒有標(biāo)明傘繩的數(shù)量；G5 是設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)草圖不符合科學(xué)原理，沒有可行性。

（4）存在的問題

有指導(dǎo)型的課堂也存在一系列問題，具體如下：

第一，提問目標(biāo)不明確，在實(shí)際課堂中進(jìn)行問答的開放性不夠，反映的教學(xué)目標(biāo)模糊。這三個(gè)關(guān)鍵問題設(shè)計(jì)的初衷是要推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)連續(xù)的思考，因此問題應(yīng)該具有開放形態(tài)。但在實(shí)際操作時(shí)，教師會(huì)習(xí)慣性地尋求快而準(zhǔn)的答案，因此在小組討論后就會(huì)直接請(qǐng)優(yōu)秀同學(xué)來回答。典型情境如下：

T：好的降落傘應(yīng)該滿足哪些標(biāo)準(zhǔn)？

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?cè)谡n堂觀察中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在填寫小組討論單時(shí)，G2、G3、G6 小組都會(huì)照搬此答案，而沒有對(duì)自己的答案進(jìn)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(xué)生進(jìn)行更深入的思考。出現(xiàn)這個(gè)問題的原因在于，教師實(shí)際上并不太明確提問的目的。這也表明，在STEM 教學(xué)中，很多老師并不明確STEM 教學(xué)的目標(biāo)。

第二，如果將兩階段分開，會(huì)截?cái)嘣J(rèn)知的生成?？ㄆ諣柕摹吧伞剿鳌彪A段和“整合—鞏固”這兩個(gè)階段，是按時(shí)間的前后來分的。他認(rèn)為，失敗的體驗(yàn)主要集中在第一階段，第二階段是對(duì)失敗的反思。但實(shí)際上，這兩個(gè)階段是互補(bǔ)的，它們構(gòu)成了一個(gè)完整且有意義的學(xué)習(xí)行為。如果強(qiáng)制將兩者分開，會(huì)帶來兩方面的問題：一方面，學(xué)生往往很難自覺對(duì)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行反思；另一方面，前一個(gè)學(xué)習(xí)行為的失敗會(huì)引發(fā)一系列的低級(jí)失敗，這很可能讓學(xué)生始終停留在一個(gè)比較低的學(xué)習(xí)水平上。上述問題，有兩種具體表現(xiàn)：

圖10 有指導(dǎo)型的學(xué)生設(shè)計(jì)草圖

問題一，小組在遇到失敗時(shí)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(jìn)。典型情境如下：

G4-1：?jiǎn)栴}太大了。這個(gè)布根本張不開。

G4-2：不要再重新試驗(yàn)了。

G4-3：那么怎么辦？

問題二，小組盲目試錯(cuò)，沒有清晰的思路。典型情境如下：

G3-1：我覺得還要改進(jìn)，我覺得可以再加一個(gè)傘，一秒多感覺不是很好。

G3-2：再加一根傘繩。

G3-3：沒時(shí)間了吧。

G3-4：這個(gè)可以上色耶。

第三，合作也會(huì)剝奪學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。一般認(rèn)為，合作會(huì)提高學(xué)生的參與度，但事實(shí)并非都如此。如果合作小組中有“強(qiáng)勢(shì)人物”的存在，其他學(xué)生也會(huì)處于被動(dòng)的接受狀態(tài)。比如在無指導(dǎo)型課堂中，就有個(gè)別學(xué)生“獨(dú)當(dāng)一面”的現(xiàn)象。而在有指導(dǎo)型課堂中，教師給每個(gè)組員都分配了角色，即總策劃、財(cái)務(wù)人員、設(shè)計(jì)人員、制作人員、計(jì)時(shí)員、記錄員等角色，并要求學(xué)生嚴(yán)格執(zhí)行；總策劃往往就是優(yōu)等生，這種“賦權(quán)”更加弱化了其他學(xué)生參與的積極性。

第四，缺乏鼓勵(lì)深度思考的課堂氛圍。因?yàn)槿狈?duì)失敗和成功的正確認(rèn)識(shí)，所以會(huì)導(dǎo)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(xué)生缺乏思考造成的，比如在小組討論時(shí)，學(xué)生往往只提出“假設(shè)”，而不提出支持假設(shè)的理由，其他學(xué)生也沒有追問假設(shè)的理由。這種隨意性不僅往往會(huì)導(dǎo)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(yīng)該是長(zhǎng)方形的。你們覺得是圓形好還是長(zhǎng)方形好？

G4-3：當(dāng)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(xué)生通過模仿教師或其他同學(xué)，很快達(dá)到“（無效）成功”。典型情境如下：

G7-1：我們用哪個(gè)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(lán)色的，藍(lán)色的是什么？

G7-2：藍(lán)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(shè)計(jì)周期3：有指導(dǎo)型→有效指導(dǎo)型

（1）第三次迭代

經(jīng)過設(shè)計(jì)周期2，我們對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)做了多處修正。修正一，設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)。這里很重要的是我們提出了大概念的目標(biāo)，以及相應(yīng)的知識(shí)與技能目標(biāo)，如表5 所示。同時(shí)，為了能更好地引導(dǎo)教師不偏離教學(xué)目標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)了與教學(xué)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)。而達(dá)成大概念目標(biāo)的方式是多種多樣的，既可以通過學(xué)生在設(shè)計(jì)和制作中的探索來實(shí)現(xiàn)，也可以通過研討來促進(jìn)學(xué)生對(duì)大概念的理解。比如，教師指導(dǎo)學(xué)生如何提出“假設(shè)”，通過年齡和身高等具體案例來幫助學(xué)生理解。修正二，將“生成—探索”階段和“整合—鞏固”階段結(jié)合起來，作為一個(gè)完整學(xué)習(xí)行為的兩個(gè)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(shè)計(jì)草圖階段采用協(xié)作的方式，即不分解任務(wù)；而在制作模型階段則采用合作的方式，指導(dǎo)學(xué)生分解任務(wù)，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(xué)生理解什么是無效失敗、無效成功和有效失敗（學(xué)生對(duì)“有效成功”很熟悉，就不再舉例）；通過延長(zhǎng)提問等待時(shí)間、在小組合作前增加獨(dú)立思考時(shí)間等措施來提高學(xué)生的參與度。

第三次教學(xué)實(shí)踐在兩次迭代后取得了很好的效果，因此被稱為有效指導(dǎo)型，如圖11 所示。

表5 有效指導(dǎo)型的教學(xué)目標(biāo)

圖11 有效指導(dǎo)型

（2）參與者

有效指導(dǎo)型的研究對(duì)象為杭州S 學(xué)校五年級(jí)學(xué)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(xué)生。

（3）數(shù)據(jù)收集

有效指導(dǎo)型的各組錄音時(shí)長(zhǎng)如表6 所示，共整理錄音文字42040 字。

表6 有效指導(dǎo)型教學(xué)班級(jí)各組錄音時(shí)長(zhǎng)（單位：分鐘）

（4）結(jié)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(dǎo)型”和“有指導(dǎo)型”相比，“有效指導(dǎo)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(guān)系。典型情境如下：

P2-1：哦，對(duì)，假如這個(gè)傘面厚一點(diǎn)的話，就不容易被風(fēng)吹過去。

P2-2：假設(shè)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(diǎn)的話不容易被風(fēng)吹翻。

P2-1：對(duì)，所以我覺得傘面應(yīng)該適當(dāng)?shù)剌p，但不能太輕，不然風(fēng)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(gè)兩層。

P2-2：防水布會(huì)不會(huì)太重？

P2-1：剛剛不是說了不能太重也不能太輕嗎？

……

P2-3：這個(gè)傘面一定要大，因?yàn)檫@樣阻力會(huì)大，還有傘繩要長(zhǎng)一點(diǎn)，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(zhǎng)，因?yàn)椴蝗粧熘?，傘面弧度太大，阻力也?huì)太小。

第二，提出的假設(shè)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(diǎn)短啊，50 是多少，40 就夠了吧。

P4-1：我去拿40 的。

P4-2：50 保險(xiǎn)一點(diǎn)。

P4-5：我們?yōu)槭裁催x擇兩層布啊？

P4-1：因?yàn)閮蓪硬硷w得比較好。

P4-2：對(duì)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?。?/p>

P4-2：兩層。

P4-5：為什么?。?/p>

P4-2：因?yàn)閮蓪硬豢赡芡耆馑?，兩層中間會(huì)有空隙，可以控制重心。

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

P2-1：我們?cè)趺窗褍蓪硬脊潭ㄔ谝黄穑?/p>

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(gè)點(diǎn)，旁邊的四個(gè)中點(diǎn)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(duì)折。

P2-4：畫一筆，然后往反方向?qū)φ邸?/p>

第四，設(shè)計(jì)草圖要素更為齊全，并且降落傘試飛的結(jié)果數(shù)據(jù)也不錯(cuò)。如圖12 所示，大多數(shù)小組的標(biāo)注都比較規(guī)范，考慮到了多個(gè)變量，既標(biāo)注了傘面和傘繩的材質(zhì)，標(biāo)注了傘面的層數(shù)、直徑、傘繩的數(shù)量和長(zhǎng)度等，也沒有前兩種教學(xué)類型里出現(xiàn)的不符合科學(xué)原理的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)范型

經(jīng)過三個(gè)設(shè)計(jì)周期，最后得到的有效指導(dǎo)范型如圖13 所示，具體包括“明確任務(wù)→激活思路→設(shè)計(jì)草圖→制作模型→展示反饋”五個(gè)步驟。兩個(gè)階段“生成—探索”和“整合—鞏固”構(gòu)成了完整的學(xué)習(xí)行為，貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過程。這兩個(gè)階段協(xié)同作用，共同提升學(xué)生的認(rèn)知能力和元認(rèn)知能力。設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)課堂氛圍構(gòu)成設(shè)計(jì)的三個(gè)維度。無論是知識(shí)目標(biāo)還是技能目標(biāo)，所有的階段、步驟和維度都圍繞大概念教學(xué)目標(biāo)，都要上升到大概念的層次，才能達(dá)成長(zhǎng)期遷移的效果。而評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)則是教學(xué)目標(biāo)的具體化。

四、研究2：三種教學(xué)類型的比較研究

經(jīng)過了前一階段的設(shè)計(jì)研究，我們得到了有效指導(dǎo)型的范型，認(rèn)為有效指導(dǎo)型要優(yōu)于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型。但設(shè)計(jì)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(jié)果對(duì)三種教學(xué)類型進(jìn)行比較。因此，我們?cè)谶@一部分對(duì)三種范型教學(xué)實(shí)施的結(jié)果，包括遷移效果、認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)生感受進(jìn)行比較研究，并提出了如下研究假設(shè)：

H1：有效指導(dǎo)型在遷移效果上優(yōu)于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型。

H2：有效指導(dǎo)型在認(rèn)知負(fù)荷上低于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型。

H3：三種教學(xué)類型下的學(xué)生主觀感受、反思內(nèi)容各不相同。

圖12 有效指導(dǎo)型的學(xué)生設(shè)計(jì)草圖

表7 有效指導(dǎo)型班級(jí)各組降落傘試飛數(shù)據(jù)表

圖13 有效指導(dǎo)范型

（一）研究方法和工具

1.遷移后測(cè)題

遷移能力被認(rèn)為是把“在一個(gè)情境中學(xué)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?cè)O(shè)計(jì)了“格列佛的小船”這一遷移后測(cè)題，由小組合作完成，如表8 所示。同時(shí)我們還制定了量規(guī)，如表9 所示，由4 位研究者獨(dú)立打分，然后再討論得出一致同意的分?jǐn)?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(zhǔn)確地反映學(xué)生的遷移水平，我們對(duì)四道題的得分進(jìn)行加權(quán)處理，以1∶1∶2∶2 的比例算出各個(gè)小組的總分，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表8 遷移后測(cè)題

表9 遷移后測(cè)題量規(guī)

2.認(rèn)知負(fù)荷問卷

我們的認(rèn)知負(fù)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(diǎn)計(jì)分法，包括心理負(fù)荷和心理努力兩個(gè)維度，共8 道題。兩個(gè)維度的Cronbach’s alpha 值分別為0.86 和0.85，題項(xiàng)分別為：“這節(jié)STEM 課中的學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)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(duì)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(shí)，我感到很沮喪”“我沒有足夠的時(shí)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(xué)方式和學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式給我?guī)砹撕芏嘈睦砩系呢?fù)擔(dān)”“在這節(jié)STEM 課中，我需要付出很多努力來完成學(xué)習(xí)任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)”“這節(jié)STEM 課的教學(xué)方式讓人難以跟進(jìn)和理解”。

3.主觀收獲開放題

通過“在學(xué)習(xí)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(xué)生的主觀感受，并將學(xué)生回答中的關(guān)鍵詞進(jìn)行了歸類統(tǒng)計(jì)。

（二）研究結(jié)果

1.遷移效果

方差分析顯示，在后測(cè)得分上三種教學(xué)類型之間存在顯著差異，如表10 所示。為了檢驗(yàn)兩兩之間的關(guān)系，我們同時(shí)也做了T 檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，有效指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型后測(cè)得分之間存在顯著差異（T=2.96，DF=13.97，P=0.01）、有效指導(dǎo)型和無指導(dǎo)型后測(cè)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(xué)類型后測(cè)得分方差分析結(jié)果

而箱線圖則可以更為直觀地看到三種教學(xué)類型后測(cè)得分的差別，如圖14 所示。后測(cè)得分的中位數(shù)從高到低分別為：有效指導(dǎo)型（P）、有指導(dǎo)型（G）和無指導(dǎo)型（U）；而無指導(dǎo)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(xué)類型后測(cè)得分箱線圖

2.認(rèn)知負(fù)荷結(jié)果

我們通過方差分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)班級(jí)學(xué)生在認(rèn)知負(fù)荷上并沒有顯著差異。整體而言，三個(gè)班級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)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(fù)荷維度上，有效指導(dǎo)型教學(xué)班級(jí)分?jǐn)?shù)（1.85）低于有指導(dǎo)型教學(xué)班級(jí)分?jǐn)?shù)（1.98）和無指導(dǎo)型教學(xué)班級(jí)分?jǐn)?shù)（1.99）；在心理努力維度上，有效指導(dǎo)型教學(xué)班級(jí)分?jǐn)?shù)（0.74）低于有指導(dǎo)型教學(xué)班級(jí)分?jǐn)?shù)（0.76）。

3.主觀感受結(jié)果

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

表11 主觀感受關(guān)鍵詞及人次

五、研究3：三種教學(xué)類型和四種行為類型的關(guān)系研究

研究2 對(duì)三種教學(xué)類型的實(shí)施結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)有效指導(dǎo)型是更優(yōu)的教學(xué)類型。那么三種教學(xué)類型中四種行為類型的表現(xiàn)如何？?jī)烧咧g是否存在相關(guān)關(guān)系？我們?cè)谶@節(jié)內(nèi)容中將對(duì)三種教學(xué)類型和四種行為類型的關(guān)系進(jìn)行探索，并提出如下研究假設(shè)：

H4：有效指導(dǎo)型中有效失敗和有效成功這兩種行為類型多于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型。

H5：四種行為類型與后測(cè)得分之間存在相關(guān)性。

H6：三種教學(xué)類型與四種行為類型之間存在相關(guān)性。

（一）研究方法

研究3 采取話語分析的方法，對(duì)收集的小組錄音進(jìn)行編碼分析，具體分為以下五個(gè)步驟。步驟一，將所有錄音（總時(shí)長(zhǎng)約66 個(gè)小時(shí)）轉(zhuǎn)錄為文字稿（共約12 萬字）。步驟二，根據(jù)意義將對(duì)話劃分為多個(gè)“話輪”（turn）?！霸捿啞笔侨藗?nèi)粘?huì)話的基本結(jié)構(gòu)單位，同時(shí)也是話語分析中的一個(gè)重要概念。本文將一個(gè)意義片斷視為一個(gè)“話輪”，比如討論同個(gè)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(guān)系）或著重體現(xiàn)某個(gè)編碼（如小組合作發(fā)生沖突等）都是一個(gè)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(jìn)行編碼標(biāo)記，由三位研究者背對(duì)背進(jìn)行編碼，然后比對(duì)各自的編碼結(jié)果（一致性約為91.1%），再通過討論確定最終的編碼結(jié)果。步驟四，對(duì)每一小組的編碼進(jìn)行次數(shù)和深度的統(tǒng)計(jì)，橫向?qū)Ρ雀鱾€(gè)小組，將次數(shù)轉(zhuǎn)換為低、中、高三個(gè)等級(jí)，三個(gè)等級(jí)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(jí)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(shí)同一小組會(huì)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(duì)所有指標(biāo)都逐一進(jìn)行編碼的原因。步驟五，選擇統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)編碼結(jié)果和后測(cè)得分進(jìn)行回歸分析。為了更準(zhǔn)確地描述變量之間的關(guān)系，我們通過賦值的方式將定性描述轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(jié)果

1.三種教學(xué)類型中四種行為類型的分析結(jié)果

三種教學(xué)類型中四種行為類型的編碼如表12 所示。從編碼結(jié)果可以初步發(fā)現(xiàn)：有效指導(dǎo)型中的“有效成功”和“有效失敗”高（H）的比例要大于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)四種行為類型中H 的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（如表13 所示）發(fā)現(xiàn)有效指導(dǎo)型的有效成功要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型，有效失敗也多于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型。

表12 三種教學(xué)類型中四種行為類型的編碼

續(xù)表12

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

2.四種行為類型與后測(cè)得分的線性回歸分析結(jié)果

我們采用了兩種回歸分析方法，即簡(jiǎn)單線性回歸（考慮單個(gè)行為變量對(duì)后測(cè)得分的影響）和多元線性回歸（考慮所有行為變量對(duì)后測(cè)得分的影響），進(jìn)一步探究四種行為類型對(duì)后測(cè)得分的影響。簡(jiǎn)單線性回歸的結(jié)果顯示（見表14），有10 個(gè)變量對(duì)后測(cè)得分有顯著影響。其中，DTP1（在設(shè)計(jì)草圖階段能思考傘面這一變量）+DTP2（在設(shè)計(jì)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(hào)連接），DTP3（在設(shè)計(jì)草圖階段能思考傘面和傘繩之間的關(guān)系），DGPP（在設(shè)計(jì)草圖階段有大膽的猜想，并能提出相應(yīng)的依據(jù)），DDPP（在設(shè)計(jì)草圖階段團(tuán)隊(duì)能形成有益的討論），DPPP（在設(shè)計(jì)草圖階段掌握設(shè)計(jì)草圖的畫法），DPUS（在設(shè)計(jì)草圖階段模仿已有的方案，缺乏自己的思考），DSPP（在設(shè)計(jì)草圖階段有計(jì)劃和規(guī)劃的意識(shí)，能考慮到時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等限制條件）與后測(cè)得分呈正相關(guān)關(guān)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(gè)屬于無效失敗或無效成功類別的編碼結(jié)果與后測(cè)得分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。除了上述指標(biāo)外，還有一些有效類指標(biāo)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(jià)比）的P 值為0.053。

表14 簡(jiǎn)單線性回歸結(jié)果

多元線性回歸結(jié)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(cè)得分與DDPP（團(tuán)隊(duì)能形成有益的討論）和DPPP（掌握了設(shè)計(jì)草圖的畫法）呈正相關(guān)關(guān)系。

表15 多元線性回歸結(jié)果

六、思考與建議

（一）STEM 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

卡普爾有效失敗教學(xué)模型的三層次中，并未明確提到設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)，但實(shí)際上，設(shè)計(jì)活動(dòng)的核心就是設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)。因此，在有效指導(dǎo)型中，我們將“設(shè)計(jì)活動(dòng)”改為“設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)”。需要明確的是，雖然“失敗”可能是有效的，但從教學(xué)設(shè)計(jì)的視角來看，我們?yōu)椤罢嬲某晒Α倍O(shè)計(jì)，只不過這里的成功指的不是短期的表現(xiàn)，而是長(zhǎng)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(zhǎng)期效果而非短期表現(xiàn)）意味著要迎接高挑戰(zhàn)性任務(wù)，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(duì)卡普爾所說的“長(zhǎng)期學(xué)習(xí)效果”有了更為深刻的認(rèn)識(shí)。所謂的“長(zhǎng)期學(xué)習(xí)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(yuǎn)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(yuǎn)遷移，是難度比較大的遷移。正如費(fèi)希爾等人所說的：“遷移是終極目標(biāo)，也是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。學(xué)習(xí)只有在學(xué)生達(dá)到遷移水平時(shí)才算完成?！保‵isher，F(xiàn)rey & Hattie，2016，p. 19）而大概念是遷移的錨點(diǎn)（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(zhǎng)期效應(yīng)和短期效應(yīng)。威金斯等人在進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)界定時(shí)，就區(qū)分了長(zhǎng)期遷移目標(biāo)和短期遷移目標(biāo)，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(dǎo)型區(qū)別于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型的關(guān)鍵點(diǎn)就在于以大概念為教學(xué)目標(biāo)。STEM 教育中既包括知識(shí)目標(biāo)也包括技能目標(biāo)，但正如埃里克森等人所言，無論是知識(shí)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(duì)卡普爾有效失敗理論的重要補(bǔ)充和發(fā)展。評(píng)判是否形成了長(zhǎng)期學(xué)習(xí)效果的標(biāo)準(zhǔn)在于“是否形成了可遷移的大概念”。也就是說，會(huì)做、會(huì)講，不一定是“有效的”，因?yàn)闊o論是知識(shí)目標(biāo)還是技能目標(biāo)，只有達(dá)到抽象的大概念層面，才能遷移。除了認(rèn)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(gè)階段來提高學(xué)生的元認(rèn)知，但事實(shí)上，“生成—探索”和“整合—鞏固”應(yīng)該作為一種完整的“學(xué)習(xí)行為鏈”，學(xué)生通過挑戰(zhàn)、探索、反思、總結(jié)，才能不斷提升自己的元認(rèn)知能力。元認(rèn)知是隱含的教學(xué)目標(biāo)，這與以往學(xué)者的觀點(diǎn)是一致的（Ericsson，Krampe & Tesch-R?mer，1993；Schank，1999；Zimmerman，1989）。

（二）STEM 教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

目標(biāo)要用評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)來使其具體化，如威金斯等人所提倡的“像評(píng)估員一樣思考”，思考如何確定學(xué)生是否已達(dá)到了預(yù)期的理解（威金斯，麥克泰格，2017，第19 頁），因?yàn)橹挥羞@樣，才能更加明確教學(xué)方向，保障目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。因此，威金斯逆向設(shè)計(jì)三步驟（明確預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果→確定恰當(dāng)評(píng)估方法→規(guī)劃相關(guān)教學(xué)過程）的一個(gè)重要調(diào)整就是將評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)前置（威金斯，麥克泰格，2018，第20—21 頁）。實(shí)際上，學(xué)評(píng)教一體化已經(jīng)成了當(dāng)前學(xué)者們的共識(shí)（安德森，2008，第9 頁；梅耶，2016，第93—94 頁；崔允漷，2019），因此，我們將評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)歸入設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)之中。評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)是教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)的隱含項(xiàng)，也就是說，只有設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)，才是真正設(shè)計(jì)了目標(biāo)，才能保證所有的教學(xué)活動(dòng)圍繞目標(biāo)進(jìn)行。如梅耶所言：“總之，教育評(píng)估要將‘證據(jù)’納入‘有實(shí)證依據(jù)的實(shí)踐’之中。教育研究面臨的一個(gè)基本挑戰(zhàn)是開發(fā)有效的評(píng)估工具—測(cè)驗(yàn)，以便真正了解學(xué)習(xí)者學(xué)到了什么。我們實(shí)施一項(xiàng)評(píng)估時(shí)，要設(shè)法描述學(xué)習(xí)結(jié)果（即知識(shí)）、學(xué)習(xí)過程（即建構(gòu)知識(shí)的認(rèn)知過程）或者學(xué)習(xí)特征（即建構(gòu)知識(shí)的能力）?！保芬?，2016，第93—94 頁）在這里，梅耶所說的學(xué)習(xí)特征就是指遷移的能力。當(dāng)前STEM 教學(xué)的評(píng)價(jià)已經(jīng)趨于多元化，包括評(píng)價(jià)對(duì)象的多元化（既有對(duì)作品本身的評(píng)價(jià)，又有對(duì)學(xué)生表現(xiàn)的評(píng)價(jià)）、評(píng)價(jià)主體的多樣化（既有學(xué)生自評(píng)，也有他評(píng)）等。未來需要增加對(duì)遷移能力的評(píng)價(jià)，這也是有效失敗理論所關(guān)注的?？ㄆ諣栐?012 年的論文中，就附了遷移能力評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)一個(gè)隱含大概念的新問題讓學(xué)生解決，以測(cè)評(píng)學(xué)生對(duì)大概念的掌握程度。指向大概念遷移能力的評(píng)價(jià)手段能強(qiáng)有力地引導(dǎo)教師的教學(xué)，使他們不將教學(xué)目標(biāo)僅停留于培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)與技能的淺層目標(biāo)上，而是努力追求長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)效果。

（三）STEM 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)研究中的發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)卡普爾有效失敗理論教學(xué)設(shè)計(jì)模型三層次中的“設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)”和“設(shè)計(jì)社交環(huán)境”進(jìn)行了修正、細(xì)化和豐富，將“設(shè)計(jì)社交環(huán)境”修改為“設(shè)計(jì)課堂氛圍”，并對(duì)“設(shè)計(jì)課堂氛圍”和“設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)”的內(nèi)涵作出了闡釋，具體如下：1.設(shè)計(jì)課堂氛圍。STEM 鼓勵(lì)學(xué)生迎接挑戰(zhàn)、勇于嘗試、不懼失敗，因此，課堂氛圍的營(yíng)造十分重要，要讓學(xué)生有一種“放松的警覺”。這種興奮感與安全感能讓學(xué)生在增強(qiáng)容忍模糊性、不確定性以及延遲滿足能力的同時(shí)，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(yíng)造“潤(rùn)澤”（佐藤學(xué)，2003，第24 頁）的課堂氛圍，讓學(xué)生感受到來自教師和同學(xué)的信任和支持，另一方面，也要引導(dǎo)學(xué)生形成正確的態(tài)度以迎接高挑戰(zhàn)性任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，一些學(xué)生的失敗之所以是無效的，是因?yàn)樗麄儾辉敢饨邮芴魬?zhàn)，只想“做完”而不想“做好”，這就需要教師積極地加以引導(dǎo)。在有效指導(dǎo)型中，教師對(duì)四種行為類型作了介紹，強(qiáng)調(diào)了思考的重要性，隨后，我們從課堂觀察、話語分析和學(xué)生的主觀感受結(jié)果中，都明顯看出學(xué)生立刻就有了相應(yīng)的意識(shí)。也就是說，學(xué)生正確態(tài)度的形成，是需要教師有意識(shí)地加以引導(dǎo)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(xué)生的態(tài)度與感受，這是一項(xiàng)有意識(shí)的教學(xué)決策?！保R扎諾 &皮克林，2015，第15 頁）。2.設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)參與結(jié)構(gòu)又可以分為三個(gè)部分，即課堂結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法、合作方式。（1）課堂結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)研究得出的“明確任務(wù)→激活思路→設(shè)計(jì)草圖→制作模型→展示反饋”五個(gè)步驟符合解決問題的思維規(guī)律?？ㄆ諣柕挠行±碚摲浅?qiáng)調(diào)以高挑戰(zhàn)性任務(wù)吸引學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)際上，高挑戰(zhàn)性任務(wù)引發(fā)的是學(xué)習(xí)心向，這也是當(dāng)前各種教學(xué)設(shè)計(jì)理論都關(guān)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(dāng)前的學(xué)生學(xué)習(xí)存在的一大問題就是，在沒有產(chǎn)生學(xué)習(xí)心向前就開始學(xué)習(xí)。明確任務(wù)和激活思路這兩步十分重要，因此我們要設(shè)計(jì)相應(yīng)的復(fù)雜問題情境，讓學(xué)生產(chǎn)生困惑，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)投入學(xué)習(xí)中，積極思考，保證高質(zhì)量的學(xué)習(xí)。STEM 是問題解決式的學(xué)習(xí)，因此一般都會(huì)提供高挑戰(zhàn)性問題，但如果學(xué)生只是追求低標(biāo)準(zhǔn)的“做完”，就容易人為地降低高挑戰(zhàn)性任務(wù)的難度。因此，教師要正確引導(dǎo)學(xué)生，通過明確任務(wù)和激活思路來保證學(xué)生具有強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)心向。（2）教學(xué)方法?？ㄆ諣柕挠行±碚撝攸c(diǎn)對(duì)教學(xué)順序進(jìn)行了探討，這實(shí)質(zhì)是對(duì)教學(xué)方法的討論。卡普爾認(rèn)為，概念的形成要采用“發(fā)現(xiàn)法”，即讓學(xué)生自行探索。在當(dāng)前的STEM 實(shí)踐中，有很大部分的教師施行無指導(dǎo)型教學(xué)。奧蘇貝爾認(rèn)為，“接受學(xué)習(xí)是機(jī)械的”，而“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)是有意義的”，這種觀點(diǎn)和一個(gè)錯(cuò)誤信條有關(guān)，即“一個(gè)人真正擁有并且理解了的知識(shí)都是由他自己發(fā)現(xiàn)的”（奧蘇貝爾，2018，第57 頁）。但實(shí)際上，如奧蘇貝爾所言，知識(shí)的形成包括“概念形成”和“概念同化”這兩條路徑，與之相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)方式是“接受學(xué)習(xí)”和“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”。當(dāng)前學(xué)校中的STEM 教學(xué)頻次一般為一周2 節(jié)課，教學(xué)時(shí)間較少，加之STEM 面對(duì)的是較為復(fù)雜的高挑戰(zhàn)性任務(wù)，因此在所有階段、所有任務(wù)上都采用“發(fā)現(xiàn)法”顯然不合適。所以，在積極鼓勵(lì)學(xué)生探索的同時(shí)，教師也應(yīng)提供一系列的教學(xué)支架。也有學(xué)者專門討論過STEM 教學(xué)支架（Belland，2017），即要使學(xué)生的探索變?yōu)橛幸饬x的嘗試，而非盲目的試錯(cuò)。實(shí)際上，卡普爾后期也提出，要給學(xué)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(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，即在保證任務(wù)能高質(zhì)量完成的前提下，又讓所有的學(xué)生都得到發(fā)展，我們應(yīng)該根據(jù)STEM 不同階段的任務(wù)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(duì)任務(wù)進(jìn)行拆分：在設(shè)計(jì)階段，面對(duì)高挑戰(zhàn)性的任務(wù)，每個(gè)人都需要貢獻(xiàn)智慧，此時(shí)宜采用協(xié)作的方式；而在制作階段，需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解，統(tǒng)籌安排，分工高效地完成任務(wù)，此時(shí)應(yīng)該采用合作的方式來完成任務(wù)。

七、結(jié)語

失敗在打開教學(xué)設(shè)計(jì)研究視域的同時(shí)，也讓教學(xué)設(shè)計(jì)研究呈現(xiàn)出了更多的問題。比如長(zhǎng)期學(xué)習(xí)效果和短期學(xué)習(xí)表現(xiàn)之間的不一致、表面看似一樣的學(xué)習(xí)行為卻存在著本質(zhì)差別等，這對(duì)思考STEM 的教學(xué)設(shè)計(jì)很有啟示?？ㄆ諣柛鶕?jù)兩個(gè)維度（短期學(xué)習(xí)表現(xiàn)和長(zhǎng)期學(xué)習(xí)效果）劃分了四種行為類型（Kapur，2008），卻沒有對(duì)這些行為類型進(jìn)行具體描述。本文通過話語編碼的方式，加深了對(duì)四種行為類型的認(rèn)識(shí)。學(xué)生的實(shí)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(jiǎn)單線性回歸還是多元線性回歸）人結(jié)果來看，兩個(gè)階段中的結(jié)果變量（即DRPS、MRSS）都對(duì)后測(cè)得分沒有顯著性影響。也就是說，無論是設(shè)計(jì)還是制作的結(jié)果都不影響長(zhǎng)期效應(yīng)，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(diǎn)?；貧w分析的結(jié)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(cè)得分，而無效類行為（無效成功或無效失?。﹦t負(fù)向顯著影響后測(cè)得分，說明了有效類行為的有效性。這在一定程度上也證實(shí)了卡普爾對(duì)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(gè)隨機(jī)事件，而是可以預(yù)先設(shè)計(jì)的。因此，本文通過設(shè)計(jì)研究等方法構(gòu)建了STEM 有效指導(dǎo)范型，在比較三種教學(xué)類型后發(fā)現(xiàn)，有效指導(dǎo)型的長(zhǎng)期效應(yīng)（遷移后測(cè)得分）顯著優(yōu)于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型，而有效成功的行為數(shù)量也顯著高于無指導(dǎo)型和有指導(dǎo)型，這在一定程度上驗(yàn)證了STEM 有效指導(dǎo)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(gè)重要?jiǎng)?chuàng)見（四種行為類型和有效失敗教學(xué)設(shè)計(jì)模型），從目標(biāo)、評(píng)價(jià)和過程三個(gè)角度提出對(duì)STEM 教學(xué)設(shè)計(jì)的建議，這不僅能指導(dǎo)STEM 的教學(xué)實(shí)踐，而且對(duì)當(dāng)前的教學(xué)改革也具有啟示意義。當(dāng)然，本文也存在一些不足，比如，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，遷移后測(cè)題主要涉及設(shè)計(jì)草圖，而沒有涉及制作模型，所以可能會(huì)和設(shè)計(jì)步驟中各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性更大。我們后期將對(duì)這些問題進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化研究。

（本文通訊作者為張朋，pengz@zju.edu.cn。）