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基于有效失敗的STEM學習活動設計與研究
發布時間：2022-10-12 15:29
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
第一節 研究背景 1
一、 STEM學習活動中存在的主要問題之一：重成功而輕失敗 1
二、 學習科學為利用“失敗”促進學習提供了理論和方法 2
三、 有效失敗的設計取向與 STEM 教育情境相契合 4
第二節 研究問題 5
第三節 研究意義 5
第四節 本研究的章節結構 6
第二章 文獻綜述 8
第一節 與失敗相關的學習理論 8
第二節 有效失敗的相關研究 1 0
一、 關鍵要素設計的相關研究 10
二、 不同教學場景中的應用效果研究 13
第三節 文獻綜述小結 1 6
一、 失敗對學生學習的促進作用 16
二、 已有研究的局限 16
第三章 理論基礎及啟示 18
第一節 概念界定 1 8
一、 有效失敗 18
二、 STEM 教育 20
三、 學習活動 20
第二節 有效失敗的理論與研究 20
III
第三節 有效失敗學習設計框架 23
第四節 有效失敗對STEM學習活動設計的啟示 25
一、 有效失敗的關注重點：次優的問題表征和解決方案 25
二、 次優 RSMs 的生成關鍵：設計失敗驅動的腳手架 26
三、 次優 RSMs 的性質及其在學習活動設計中的應用 26
第四章 研究設計 28
第一節 研究方法 29
第二節 研究環境與參與者 32
第三節 研究工具 33
一、 學習單的設計 33
二、 學生學習效果的檢驗框架：學習現象分類框架 33
三、 學生學習過程的分析框架：學習行為編碼框架 35
第四節 數據收集與處理 38
一、課堂觀察 38
二、 小組討論錄音 39
三、 學習單 39
第五節 數據分析方法 39
一、 內容分析法 39
二、 互動分析法 40
三、 滯后序列分析法 41
第五章 STEM 學習活動的設計與實施 43
第一節 整體設計 43
一、 STEM學習活動的迭代過程設計 43
二、 STEM學習活動內容設計 44
第二節第一輪STEM學習活動設計與研究 47
一、 第一輪STEM學習活動的設計 47
二、 第一輪STEM學習活動的實施效果分析 49
IV
第三節 第二輪 STEM 學習活動設計設計與研究 55
一、 第二輪 STEM 學習活動的改進嘗試 55
二、 第二輪 STEM 學習活動的實施效果分析 57
第四節 第三輪 STEM 學習活動的設計與研究 62
一、 第三輪 STEM 學習活動的改進嘗試 62
二、 第三輪 STEM 學習活動的實施效果分析 63
第六章 研究結果與討論 66
第一節 學生的學習結果分析 67
一、 RSMs 多樣性 67
二、 遷移效果 69
三、 結果討論 71
第二節 學生的學習現象分析 72
一、 學生小組的學習現象 72
二、 結果討論 76
第三節 學習過程的特征分析 77
一、 靜態特征——學習行為頻次 77
二、 動態特征——學習行為模式 80
三、 結果討論 85
第七章 結論與展望 86
第一節 研究結論 86
一、理論發展 86
二、實踐啟示 88
第二節 研究局限 91
第三節 研究展望 92
參考文獻 93
附錄 100
附錄 I 方案設計單 1 00
V
附錄II遷移測試單 101
附錄III “意面棉花糖”活動設計方案 102
附錄IV第一輪STEM學習活動設計方案 104
附錄V第二/三輪STEM學習活動設計方案 109
后記 113
VI
表目錄
表3-1 成功驅動的腳手架與失敗驅動的腳手架 26
表4-1 三輪STEM學習活動基本情況 31
表4-2 學習現象分類框架 34
表 4-3 方案設計活動中的學習現象333333333333333333353
表 4-4 模型建造活動中的學習現象333333333333333333353
表 4-5 學習行為編碼框架（初步設計）3333333333333333363
表 4-6 學習行為編碼框架3333333333333333333333373
表 4-7 數據收集方式與目的333333333333333333333383
表 4-8 音頻轉錄表格333333333333333333333333393
表 4-9 遷移測試單的評價量規3333333333333333333 40
表 5-1 “意面棉花糖塔”學習活動目標3333333333333333463
表5-2 第一輪STEM學習活動達成的學習目標 49
表5-3 第二輪STEM學習活動的改進設計 55
表5-4 前兩輪STEM學習活動達成的學習目標 58
表5-5 三輪STEM學習活動達成的學習目標 63
表6-1 三輪STEM學習活動各組的RSMs多樣性 68
表 6-2 第一輪 STEM 學習活動各組遷移測試得分………………………… 70
表 6-3 第二輪 STEM 學習活動各組遷移測試得分………………………… 70
表 6-4 第三輪 STEM 學習活動各組遷移測試得分………………………… 70
表 6-5 三輪 STEM 學習活動各組學習現象編碼數量………………………… 73
表6-6 三輪STEM學習活動各組行為頻次 78
VII
圖目錄
圖1-1 本研究的章節結構圖 6
圖 3-1 學習現象的四種可能………………………………………………………19
圖 3-2 有效失敗學習設計框架……………………………………………………24
圖 3-3 有效失敗學習設計在三個層面的設計要點………………………………25
圖 3-4 學習活動中次優 RSMs 的多樣性和導向性………………………………27
圖 4-1 研究設計結構圖……………………………………………………………28
圖 4-2 本研究的 DBR 實施過程……………………………………………………30
圖 4-3 S 校科學實驗室教室布局……………………………………………………32
圖5-1 STEM學習活動的三輪迭代過程 43
圖5-2 三輪STEM學習活動的側重點 44
圖5-3 第一輪STEM學習活動流程 49
圖5-4 D1G2組和D1G4組繪制的設計方案 50
圖5-5 第二輪STEM學習活動中使用的方案設計圖對比案例 56
圖5-6 第二輪STEM學習活動流程 57
圖5-7 第二輪STEM學習活動中學生繪制的四種類型的塔 59
圖5-8 D2G2組和D2G3組建造的模型 59
圖5-9 D2G1—S2繪制的方案設計圖 60
圖5-10 D2G3—S4繪制的方案設計圖 60
圖5-11 第三輪STEM學習活動流程 63
圖 5-12 各組補充繪制的方案設計圖………………………………………………65
圖 6-1 研究證據及結果關系圖……………………………………………………66
圖6-2 三輪STEM學習活動各組的RSMs多樣性 69
圖6-3 三輪STEM學習活動遷移測試得分箱線圖 70
圖6-4 三輪STEM學習活動各組學習現象數量柱狀圖 74
圖6-5 三輪STEM學習活動各組行為占比柱狀圖 79
圖 6-6 分析導向型行為模式………………………………………………………81
VIII
圖 6-7 交織型行為模式 82
圖 6-8 方案導向型行為模式 83
圖 6-9 進程引導型行為模式 84
圖7-1 有效失敗對STEM學習的促進模型 87
IX
第一章 緒論
STEM 教育可以培養學生的科學探究能力和創新思維，其成效取決于學生是 否真正體驗到問題解決的過程，以及學習是否在此過程中有效發生。我國中小學 在開展 STEM 學習活動過程時，往往過于強調成功，忽視了失敗對學習者問題解 決能力和創新思維的促進作用。因此，本研究關注并利用學生學習過程中的失敗， 探究失敗對學生學習的促進作用。作為論文的第一章，本章的目的在于引入和介 紹本研究。本章將系統介紹本文的研究背景，闡述本研究的研究問題，論述研究 的意義，并展示論文的整體章節結構。
第一節 研究背景
一、STEM學習活動中存在的主要問題之一：重成功而輕失敗
STEM 教育旨在培養面向未來的創新型人才，以提高學生的科學探究能力和 創新思維為目標，逐漸成為21世紀各國家實施教育新變革的戰略選擇①。中國教 育科學研究院于 2020 年 5 月發布的《中國 STEM 教育 2029 創新計劃》強調了 STEM 學習活動的重要性，提出要“進一步優化 STEM 教育活動，提高相關活動 的吸引力、科學性和教育質量，為每一位學生參與 STEM 活動提供保障②”。 STEM 教育實踐的支點在于 STEM 學習活動，其教育成效有賴于學習者在學習過程中 是否真正經歷問題解決的過程和發生有效學習。
然而，我國基礎教育階段的 STEM 學習活動設計和實踐情況并不理想。許多 研究者注意到STEM學習活動中存在“重成功而輕失敗”的傾向③，如“教師極 力避免學生遭遇失敗”、“學生對失敗的畏懼”等，具體表現如下：
(一)STEM學習活動設計中極力避免學生遭遇失敗
楊開城等人的研究顯示，教師在進行 STEM 學習活動設計時極力避免學生
①祝智庭，雷云鶴.STEM教育的國策分析與實踐模式J].電化教育研究,2018,39(01):75-85.
②中國教育科學研究院.中國STEM教育白皮書(精華版)[R].北京:中國教育科學研究院,2017.
③曹培杰.高質量教育需要一場結構性學習變革[J].人民教育,2020(23):55-58.
1
遭遇失敗，主要表現在大幅度降低任務難度以及有意、無意幫助學生解決問題兩 個方面①。絕大多數STEM課堂中都包含問題解決環節，但多是要求學生通過閱 讀材料、觀察現象、查找資料等方式解決教師提出的問題，實際情況往往僅限于 收集一定的信息，偶爾包含有限的信息處理。如果課堂時間較為緊張，為了控制 教學進度，教師還會采用快捷單一的方式為學生提供詳細的說明指導和操作步驟， 把探究實踐變成簡單模仿，幫助學生在短時間內“成功”解決問題。
(二)學生對失敗的畏懼 曹培杰在實地聽評課過程中發現，學生為了完成教師布置的任務，隨意更改 科學實驗過程中觀察到的數據，甚至弄虛作假，從而獲得實驗中的“成功”②。 這樣的實驗過程將一個探究任務變成了簡單驗證，學生是否真正經歷了科學探究 的過程、能否在探究的過程中發現并解決疑惑，幾乎完全取決于學生自己的意識、 選擇、能力和習慣。
此外，據2018年的國際學生評估項目(Programme for International Student Assessment,簡稱PISA)的調查結果顯示，中國京、滬、蘇、浙四省市學生對失 敗的恐懼指數高于芬蘭和愛沙尼亞等總分表現同樣卓越的國家。當遭遇失敗時， 中國四省市的學生擔心自己無法完成任務、害怕暴露自己的問題、更擔憂其他同 學和教師對自己會有異樣的看法③。
以上種種問題引起了研究者深入思考：失敗是否必然會阻礙學生的學習？只 有成功才應該是 STEM 學習活動追求的目標？應該如何設計學習活動才能真正 促進學生的有效學習？
二、學習科學為利用“失敗”促進學習提供了理論和方法
在學習和問題解決過程中無法成功、遭遇失敗是一種不可避免的現象，對失 敗的診斷和克服是學生切實參與問題解決過程的重要體現，是學生在學習過程中 需要重點發展的必備能力，影響著學生問題解決能力和創新思維的發展④。
①楊開城，竇玲玉，李波，公平.STEM教育的困境及岀路J].現代遠程教育研究,2020,32(02):20-28.
②曹培杰，本報記者黃蔚.STEM教育在學校如何真正落地[N].中國教育報.2018.10.27(第03版：信息化)
③OECD. PISA 2018 results (Volume III): What school life means for students' lives [M]. OECD, 2019.
④TAWFIK A A, RONG H, CHOI I. Failing to learn: towards a unified design approach for failure-based learning
[J]. Etr&D-Educational Technology Research and Development, 2015, 63(6): 980-992.
2
從成功走向成功并不是學習的常態，學習及其設計需要改變只追求成功的價 值取向。長期以來，學習科學領域的眾多研究者圍繞“如何支持學習者的學習和 問題解決”進行了大量深入的研究。面對超出學習者現有知識和技能的問題，研 究者的主導思路是為學習者提供不同類型和水平的腳手架，以引導學習者關注成 功解決問題的路徑，使他們能夠順利完成任務，達成學習目標①。腳手架可以有 多種形式，例如問題或者任務本身的結構化、學習資源、學習工具、微觀或者宏 觀的腳本、專家的幫助等。然而，不管是何種類型和程度的腳手架，都在一定程 度上減少了學生在問題解決活動中的自由度②，縮減了學生思維在某些方面的拓 展可能性。
包容失敗并發揮失敗效用的學習設計有新的思路和方法。自 2008 年起，卡 普爾(Manu Kapur)開拓了另一種研究思路，即不直接為學生提供腳手架，而是 給予學生充足的探索空間，并通過準實驗研究發現和證明了學習者在問題解決過 程中經歷的失敗可以促進有效學習，在此基礎上總結了“有效失敗(Productive Failure)”的概念和理論③。之后卡普爾又通過多項實證研究總結了有效失敗在實 踐中的學習設計方法：通過為學習者提供真實問題、改變教學活動的順序、減少 教學支持等方法，引導學生在學習新概念之前經歷失敗，營造寬容和開放的學習 氛圍，增加學習者的交流互動和比較反思，學生將會獲得更好的概念理解和遷移 結果。后續的研究也證明了有效失敗對于學生的興趣、參與度④、科學探究技能⑤ 等具有促進作用。
有效失敗強調利用失敗促進有效學習，為突破 STEM 學習活動中的困境提 供可能。但目前，該理論多應用于單一學科的概念學習中，對于其在 STEM 等跨 學科課程中的應用還有待探索⑥。因此，探明有效失敗在STEM學習活動中的作
①QUINTANA C, REISER B J, DAVIS E A, et al. A scaffolding design framework for software to support science inquiry [J]. The Journal of the Learning sciences, 2004, 13(3): 337-386.
②VOSS J F. Toulmin's model and the solving of ill-structured problems [M]. Arguing on the Toulmin model. Springer. 2006: 303-311.
③KAPUR M. Productive failure [J]. Cognition and Instruction, 2008, 26(3): 379-425.
④REYNOLDS R, CAPERTON I H. Contrasts in student engagement, meaning-making, dislikes, and challenges in a discovery-based program of game design learning [J]. Etr&D-Educational Technology Research and Development, 2011, 59(2): 267-289.
⑤JAcObSON M J, TAyLoR C E, RICHARDS D. Computational scientific inquiry with virtual worlds and agent-based models: new ways of doing science to learn science [J]. Interactive Learning Environments, 2016, 24(8): 2080-2108.
⑥TAWFIK A A, RONG H, CHOI I. Failing to learn: towards a unified design approach for failure-based learning
3
用，對于促進學生的有效學習以及實現STEM教育目標具有重要意義。
三、有效失敗的設計取向與 STEM 教育情境相契合
有效失敗設計取向與 STEM 教育有著相似的核心理念。 STEM 教育注重教 學和現實世界的聯系，聚焦于現實世界存在的問題和困難，要求學生通過協作學 習的方式進行開放式探索，在“做中學”的過程中，鼓勵學生產生多種答案，并 將失敗作為教學的必要部分，肯定失敗的積極意義①②，這都與有效失敗設計取向 相契合。
有效失敗理論的應用可以在一定程度上克服 STEM 學習活動中的不足。許 多研究者利用有效失敗對學習活動進行了縝密的檢驗，例如學習活動的結構③、 腳手架的強度和類型④、角色腳本的設計⑤、信息化技術手段的參與⑥等。針對現 今學習活動中對失敗的忽略，應用有效失敗理論可以引導教師不再將教學評價的 重心放在問題答案上，而是關注學生在學習過程中表現岀的各項能力的發展情況。
STEM學習活動的設計和實施也將增強有效失敗的應用效果。有效失敗鼓勵 學生在弱結構化支持的條件下探索超岀自身能力水平的問題，而后通過教師的直 接教學實現學生對目標概念的深層理解。學生在探索的過程中常常會遭遇失敗， 失敗的經歷會降低學生的自我效能感，更可能導致學生放棄探索，而STEM教育 允許并認可學生接觸失敗。有效失敗理論與 STEM 學習活動相結合可以鼓勵學 生堅持不懈地解決問題，進一步增強有效失敗的應用效果，也可以促進研究者深 入理解有效失敗理論。
基于此，為了在STEM學習活動中充分用好“失敗”之價值，進一步理解有 效失敗理論，本研究利用基于設計的研究方法，基于有效失敗設計STEM學習活
[J]. Etr&D-Educational Technology Research and Development, 2015, 63(6): 975-980 .
①范文翔，趙瑞斌,張一春•美國STEAM教育的發展脈絡、特點與主要經驗[J]•比較教育研究,2018,40(06):17- 26.
②JOLLY A. Six characteristics of a great STEM lesson [J]. Education Week, 2014: 1-11.
③LAI P K, PORTOLESE A, JACOBSON M J. Does sequence matter? Productive failure and designing online
authentic learning for process engineering [J]. British Journal of Educational Technology, 2017, 48(6): 1217-1227.
④LIKOUREZOS V, KALYUGA S. Instruction-first and problem-solving-first approaches: alternative pathways to learning complex tasks [J]. Instructional Science, 2017, 45(2): 195-219.
⑤WESTERMANN K, RUMMEL N. Delaying instruction: evidence from a study in a university relearning setting [J]. Instructional Science, 2012, 40(4): 673-689.
⑥SONG Y, KAPUR M. How to flip the classroom-" productive failure or traditional flipped classroom" pedagogical design? [J]. Educational Technology & Society, 2017, 20(1): 292-305.
4
動，并在初中 STEM 課堂中實施，探究學生的學習效果。
第二節 研究問題
目前已有諸多研究證明了有效失敗有利于學生的數學、物理等單一學科的學 習，但是少有研究檢驗有效失敗對 STEM 學習的促進作用。本論文將研究聚焦于 以下兩個問題：
研究問題一：有效失敗對 STEM 學習的促進作用體現在哪些方面？
該問題又可以分為兩個子問題：
①學生產生了怎樣的學習結果？
②學生的學習現象有哪些變化？
研究問題二：有效失敗促進 STEM 學習的過程具有什么特征？
研究問題一關注學生產生的學習結果和學習現象，是研究問題二的前提，只 有在研究問題一得到證實的情況下，才能回應研究問題二。研究問題二著力描繪 學生學習過程的特征。
本研究的主要工作將圍繞兩個研究問題展開，在學習活動的迭代過程中收集 學生的學習結果和過程數據，分析和解釋研究數據，形成相應的研究結果來回答 兩個研究問題。
第三節 研究意義
相較于關注學生成功的研究，本文關注了學生失敗的表現和意義。本研究采 用的有效失敗是近些年來興起的一種學習設計理論，在 STEM 跨學科學習活動 中應用這一學習設計的研究尚不多見。有效失敗的理念與 STEM 教育情境相契 合，對于提升學生的創新思維和實踐能力具有積極作用。本研究的目的是利用有 效失敗設計和改進初中 STEM 學習活動，并在真實課堂教學環境中實施，通過分 析學生的學習結果和學習過程，探究有效失敗對學生學習的效果。
具體來看，本研究的意義體現在以下兩個方面：
在理論層面，本研究關注失敗在學習中的重要作用，梳理了失敗相關的學習
5 理論，提煉了有效失敗對STEM學習活動設計的啟示。本研究界定了有效失敗、 有效成功、無效成功和無效失敗四種學習現象在 STEM 學習活動中的特征和表 現，發展建構了有效失敗對STEM學習的促進模型。
在實踐層面，本研究在基于設計的研究方法論指導下設計了 STEM 學習活 動，并在教學實踐中對這一活動進行檢驗、調整和改進，推動了實驗班級學生的 學習質量，得到優化的STEM學習活動案例，同時為學校STEM課程優化提供 案例參考。
第四節 本研究的章節結構
本研究的章節結構如圖 1-1：
圖 1-1 本研究的章節結構圖
第一章緒論部分對本研究進行了概括性介紹，梳理了研究背景、研究目的和
6
研究問題，描繪了研究的意義和技術路線。
第二章文獻綜述分為兩部分：首先回顧了與失敗相關的學習理論，然后總結 了有效失敗的相關實證研究，具體分為關鍵要素設計的相關研究和有效失敗在不 同教學場景中的應用效果研究。
第三章理論基礎部分首先界定了有效失敗、 STEM 教育和學習活動的概念， 然后梳理了有效失敗理論的發展脈絡，接下來對有效失敗理論在實踐中的應用進 行了詳細介紹，最后汲取了有效失敗對 STEM 學習活動設計的啟示。
第四章到第六章是本研究的實證研究部分。第四章研究設計介紹了本研究的 研究方法、研究環境和參與者、研究工具、數據收集與處理和數據分析方法。第 五章詳細報告了三輪 STEM 學習活動設計與研究的結果，分析了每一輪學習活 動的設計和實施效果，反思與改進了學習活動的不足之處。第六章挖掘了學習者 學習結果和學習過程的數據，回答了研究問題一和研究問題二。
第七章結論與展望部分總結了本研究的理論發展和實踐啟示，同時指出了研 究中存在的局限，展望了未來研究的可能方向。
第二章 文獻綜述
長期以來， STEM 學習活動側重于引導學習者通過成功的問題解決來學習， 忽視了失敗在學習過程中的重要意義。本研究利用失敗促進學生的學習，這一獨 特的視角決定了本研究必須要對失敗的相關研究進行梳理、分析和總結。本章第 一節從失敗相關的學習理論出發，梳理不同學者對失敗的描述，論證失敗的價值 所在；第二節總結有效失敗的關鍵設計要素及其在不同學科中的應用，為利用有 效失敗這一理論設計初中 STEM 學習活動奠定基礎；第三節梳理和總結相關研 究的發現，反思現有研究的局限，闡明本研究的意義。
第一節 與失敗相關的學習理論
卡普爾于2008年首次提出有效失敗(Productive Failure)的概念。在這以前 已有研究者關注到學習者在學習過程中遇到的失敗對學習的重要作用，雖然研究 者使用了不同的術語表示失敗的狀態，但都認同失敗帶來了更多的學習機會，使 學生更有效地參與到學習過程中。
施密特(Richard Schmidt)和比約克(Robert BjOrk)在研究動作技能領域的 學習時發現，那些能夠激發學習者在訓練過程中取得最佳成績的學習方法并不利 于學習者的長期發展，甚至降低了學習者的遷移能力。研究者還發現，學習評價 應該根據學習效果能否長期保持和遷移，而非短期內的最佳成績①。比約克經過 多次實驗和測試后，提出了 “值得追求的困難” (Desirable Difficulties)理論。該 理論建議在動作技能的學習過程中制造一些“困難”，例如調整教學任務的順序、 增加任務的復雜性、延遲或者減少教師的反饋等。雖然這些“困難”降低了學習 者在訓練過程中的表現，但有效提高了學習者的后測成績。
范萊恩(Kurt VanLehn)分析了學生解決問題的過程，發現當學生對問題相 關的特定知識缺乏全面理解時，他們將會遭遇“困境”(Impasse)，這種“困境” 可以提高學生的學習動機，促使學生深入探索和思考。范萊恩認為，“沒有困境，
①SCHMIDT R A, BJORK R A. New conceptualizations of practice: common principles in three paradigms suggest new concepts for training [J]. Psychological Science, 1992, 3(4): 207-218.
8
也就沒有學習"①，并提出了 “困境驅動的學習"(Impasse-driven Learning)。 該理論探討了如何通過延遲結構化教學或減少教科書課本等外部資源支持來促 使學生陷入“困境”，鼓勵學習者解決“困境”。同時，該理論認為，當學習者無 法獨立突破“困境”時，教師需要給予必要的教學指導。
施瓦茲(Daniel Schwartz)和布蘭思福特(John Bransford)提出了 “為未來 的學習做好準備"(Preparation for Future Learning)理論，該理論探討了推遲結構 化教學的影響②。施瓦茲和布蘭思福特比較了“先分析材料后教學”和“先教學 后分析材料”兩種教學形式中，本科生理解材料文本的差異。結果表明在前一種 教學條件下，學生在結構化教學過程中對材料有更深刻的理解，促進了學生學習 活動后的學習遷移。
之后，施瓦茲推進了 “推遲結構化教學”的研究，與馬汀(Taylor Martin) 一同提出了“培養面向未來的學習力"(Inventing to Prepare for Learning)理論， 該理論提倡學生通過發明活動，針對未曾接觸過的全新問題生成原創的解決方案。 施瓦茲認為，雖然學生產生的是不完善的解決方案，但都將有利于提高學生在教 學階段的參與度。研究者利用九年級統計學課程，考察了發明活動如何為學生的 學習做好準備。研究發現，當發明活動與教師提供的后續學習資源(例如針對性 教學)相結合時，學生對程序性知識的掌握、數學論證能力和解釋能力都有顯著 提升③。
加特梅爾(Martin Gartmeier)等人通過分析專家的實踐與學習提出了 “消極 知識”(Negative Knowledge)理論。消極知識是指學習者從經驗中獲得的關于什 么是錯的和什么是應該避免的知識。該理論認為，學習者在學習過程中難免要經 歷失敗，重要的是從失敗中學習，詳細分析失敗的原因，總結“消極知識”，制 定新的策略，避免再犯錯誤。“消極知識”是學習者修正認知結構的心理警告， 對學習者具有三方面的潛在價值：增加行動的確定性、提高活動過程中的有效性、
①VANLEHN K, SILER S, MURRAY C, et al. Why do only some events cause learning during human tutoring? [J]. Cognition and Instruction, 2003, 21(3): 209-249.
②SCHWARTZ D L, BRANSFORD J D. A time for telling [J]. Cognition and Instruction, 1998, 16(4): 475-522.
③SCHWARTZ D L, MARTIN T. Inventing to Prepare for Future Learning: The hidden efficiency of encouraging original student production in statistics instruction [J]. Cognition and Instruction, 2004, 22(2): 129-184.
9
提升反思的質量①。
以上有關失敗的學習理論雖然對教學設計提供了一些啟示，例如推遲結構化 教學、減少學習資源等腳手架支持等，但是都未能形成系統的框架，較難應用到 教學實踐中。此外，這些學習理論也未能深入描述學生的失敗，較難識別出學生 的狀態。
第二節 有效失敗的相關研究
基于以上學習理論，卡普爾經過一系列準實驗研究后提出了有效失敗，這一 概念指學生在問題解決過程中雖然無法成功解決問題，但是通過充分的探索增進 了對目標概念的理解，從而發生了有效學習。卡普爾總結了有效失敗應用于教學 實踐的有效失敗學習設計框架，分為兩個學習階段、三個設計原則和四個核心機 制，具體詳見第三章第三節。
國內也有研究者介紹和闡述了有效失敗及其重要意義。國內第一位介紹有效 失敗理論的研究者是楊玉芹，她將"Productive Failure”譯為“啟發性挫敗”，詳 細論述了有效失敗的原則、原理以及機制，并結合我國翻轉課堂存在的問題，提 出了適合翻轉課堂教學組織形式的有效失敗教學設計②。 張瀾和王婷將 "Productive Failure”譯為“有價值的失敗”，介紹了有效失敗的步驟、設計原則 以及設計策略③。曹鷺從底層理論、核心機制和設計原則三個方面對有效失敗進 行了細致的梳理和總結，并討論如何利用有效失敗幫助學生學習知識、促進學習 者的知識遷移能力④。
一、關鍵要素設計的相關研究
(一)問題情境設計的相關研究
卡普爾提到，當利用有效失敗進行學習活動設計時，問題情境的設計至關重
①GARTMEIER M, BAUER J, GRUBER H, et al. Negative Knowledge: Understanding professional learning and expertise [J]. Vocations and Learning, 2008, 1(2): 87-103.
②楊玉芹.啟發性挫敗的設計研究——羽轉課堂的實施策略J].中國電化教育,2014(11):111-115.
③張瀾，王婷.淺析課堂中“有價值的失敗”的機制及設計原則J].教學與管理,2015(18):94-96.
④曹鷺.有效失敗與知識遷移:理論、機制與原則J].開放教育研究,2021,27(03):4-14.
10
要。教師需要在教學設計和實踐過程中不斷校準，直至找到最適合的問題情境設 計。卡普爾等人針對初中數學平均速度的概念，用對話的形式構建了問題情境： 兩人相約從不同地點同時抵達博覽會，但由于途中的突發狀況，二人不得已更換 通行方式，學生要計算他們如何才能按時抵達。卡普爾發現，當問題情境以對話 敘事或者連環漫畫的形式呈現時，學生更感興趣，也會更加投入①。李茜針對信 息技術中的 Access 教學單元，控制教師提供問題的“條件/數據”維度，通過減 少給定條件和學習提示的方法(例如在學生建立查詢操作時，減少操作提示，促 使學生對數據和需求進行全面分析)，在綜合活動過程中設計了多個結構不良問 題。研究證明，結構不良問題引導學生產生了多樣化的問題表征和解決方案，提 高了學生在遷移測試中的表現②。洛伊布爾(Katharina Loibl)等人利用了對比案 例的形式設計問題情境，并用紙質學習單的形式呈現高中數學中方差的概念③。 學習單中以表格的形式列出了三名虛構的足球運動員在過去十年內每個賽季的 進球數，要求學生使用多種方法，判斷出誰是進球最為穩定的球員。三名球員的 進球數的取值范圍和平均值均相同，迫使學習者思考其它可能的解決方案。洛伊 布爾認為，對比案例可以突出目標概念的深層特征，從而引導學習者發現自己的 知識缺口。通過準實驗研究發現，在解決問題的過程中提供對比案例并不能顯著 地促進學生對問題的概念理解，學生也未能提出多種解決方案。這一研究恰恰證 明了應用有效失敗設計相關學習活動時提供必要的腳手架支持的重要性。
(二)腳手架設計的相關研究
關于有效失敗的研究證明，在學生進行問題解決過程之前提供結構化教學不 利于學生進行深入探究，但這不意味教師就不需要為學生提供任何支持、放任學 生不管。學生在解決問題的過程中經歷過多無效的失敗將增加學生的挫敗感和認 知負荷，教師需要提供必要的腳手架幫助學生避免無效失敗。有效失敗理論中的 腳手架設計是設計要素中最為多產的研究領域，主要分為腳手架的類型和強度兩 個方面的研究。
①KAPUR M. Productive failure in mathematical problem solving [J]. Instructional Science, 2010, 38(6): 523-550.
②李茜.有效失敗教學中的問題設計研究[D].南京：南京師范大學,2019: 12-32.
③LOIBL K, TILLEMA M, RUMMEL N, et al. The effect of contrasting cases during problem solving prior to and after instruction [J]. Instructional Science, 2020, 48(2): 115-136.
11
首先是腳手架的類型。為了提高本科生在高等數學課堂中的互動參與，韋斯 特曼（Katharina Westermann ）設計了“思考一提問一理解"（Think Ask Understand， 簡稱TAU）的協作角色腳本，其中規定了思考者和提問者的角色，這些角色分別 由小組內學生輪流擔任。思考者需要說出思考的過程，提問者仔細聆聽并提出問 題①。實驗結果顯示，學生小組按照TAU腳本進行了卓有成效的合作，表現出更 優的學習效果。辛哈（Tanmay Sinha）和卡普爾再次審視了學生經歷失敗的重要 性，為本科生的數據科學課程設計了失敗驅動的腳手架。在學生學習變量間的相 關性時，為學生提供柱狀圖和條形圖作為腳手架，引導學生產生失敗的解決方案 ②。研究結果表明，失敗驅動的腳手架具有提高學生建設性推理質量、促進學習 遷移的價值。王小玲為小學信息技術技能課，設計了八種常用的腳手架："同伴 支架、情感支架、解釋支架、提示支架、提問支架、工具支架、激勵支架、強調 支架③”，這些腳手架具有明確任務、提出解決方案和促進小組合作三種功能，進 一步激活了學生的先前知識，培養了學習者的問題解決能力和學習遷移能力。
第二是腳手架的強度。利庫雷佐斯（Vicki Likourezos）等人為了促進初中生 對幾何圖形的識別、分析和應用，結合有效失敗和認知負荷理論，設計了三種強 度的腳手架：全指導（詳細繪制步驟和說明）、部分指導（部分操作提示）和無 指導（無操作提示）④。實驗結果顯示，部分指導小組和無指導小組表現出了更 高的學習興趣、挑戰意愿和后測分數，但也表現出了更高的認知負荷水平。劉新 陽建構了"利用有效失敗的腳手架設計參照框架”，依據與核心概念關聯性的強 弱和問題情境的結構化程度為學生提供恰到好處的腳手架，并在真實教學情境中 探究了不同腳手架在支持學生經歷問題解決過程中所發揮的作用⑤。研究者與授 課教師通過協商和互動，不斷調整腳手架，設計了三輪學習活動，促進了學生的 概念理解以及創造性思維發展，這一研究也揭示了為教師提供動態教學設計策略
①WESTERMANN K, RUMMEL N. Delaying instruction: evidence from a study in a university relearning setting [J]. Instructional Science, 2012, 40(4): 673-689.
②SINHA T, KAPUR M. Robust effects of the efficacy of explicit failure-driven scaffolding in problem-solving prior to instruction: A replication and extension [J]. Learning and Instruction, 2021, 75: 101488.
③王小玲.小學信息技術技能課“有效失敗”教學中支架設計研究[D].南京：南京師范大學,2020:38-78.
④LIKOUREZOS V, KALYUGA S. Instruction-first and problem-solving-first approaches: alternative pathways to learning complex tasks [J]. Instructional Science, 2017, 45(2): 195-219.
⑤劉新陽•利用有效失敗的創客學習活動設計一一一項探索性研究[J]•中國電化教育,2018(04):82-90.
12
的重要性。
(三)學生分組的相關研究
將學生分組以獲得最佳的學習結果也是研究者關注的一個領域。魏德曼 (Michael Wiedmann)探究了學生小組的能力水平對數學學習的影響①。60名本 科生每三人一組，依據大學入門數學考試成績分配到三類小組：全低能力( All Low)水平(5個組)、混合能力(Mixed)水平(13個組)、全高能力(AllHigh) 水平(2 個組)。三類小組對同一問題進行了探究后，教師進行總結并測試了學生 小組的學習效果。測試結果顯示，混合能力水平組產生了最多樣的問題表征和解 決方案，其次是全高能力水平組，最后是全低能力水平組。同時，在概念理解和 學習遷移方面，學生得分高低為：混合能力水平組的高水平學生、全高能力水平 組學生、混合能力水平組的低水平學生、全低能力水平組學生。托赫(Pee Toh) 檢驗了先前知識水平對生物學習的影響②。 64 名九年級學生被隨機分配到高水平 小組和低水平小組，高水平小組首先接受了遺傳實驗的微觀知識教學，隨后兩組 均解決同一個問題。過程數據和后測結果表明，高水平小組表現出了更高的知識 詮釋能力，低水平能力小組表現出了更高的學習參與度和概念理解。
二、不同教學場景中的應用效果研究
(一)理科教學中的應用效果研究 有效失敗多用于理工科的教學。數學是有效失敗應用最廣泛的學科， 2010— 2014年五年間，卡普爾總共進行了六項將有效失敗應用于數學概念學習的研究， 證明了有效失敗理論可以促進學生的概念理解、問題解決能力和學習遷移能力。 齊格勒(Esther Ziegler)將有效失敗應用于簡化代數表達式的數學學習，設計了 多項失敗引發點以證明有效失敗對程序性知識習得的促進作用③。霍姆斯
(Natasha Holmes )將有效失敗應用于本科生物理學實驗教學中，要求學生擬合
①WIEDMANN M, LEACH R C, RUMMEL N, et al. Does group composition affect learning by invention? [J]. Instructional Science, 2012, 40(4): 711-730.
②TOH P L L, KAPUR M. Is having more prerequisite knowledge better for learning from productive failure? [J]. Instructional Science, 2017, 45(3): 377-394.
③ZIEGLER E, TRNINIC D, KAPUR M. Micro productive failure and the acquisition of algebraic procedural knowledge [J]. Instructional Science, 2021, 49(3): 313-336.
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出一個數學公式并進行應用，實驗發現，學生在過程中發明了多種方法，表現出 了較高的學習遷移能力①。雅各布森(Michael Jacobson )利用有效失敗改進小學 生的科學學習，引導學生通過探索天氣和氣候的系統性促進概念理解和知識遷移 ②。姜婷婷利用有效失敗設計和改進了高中信息技術的課程活動，經過四輪教學 實踐，她發現有效失敗可以改善學生對信息技術課程的認識，提升學生對于信息 技術的實踐應用能力③。
(二)文科教學中的應用效果研究
一些研究者探索了有效失敗應用于文科類的教學效果。納希蓋爾(Valentina Nachtigall)將有效失敗應用于高中生的社會科學學習中④。教學中部分學生扮演 教育研究者，其他學生扮演教師和家長，通過調查、收集意見和建議，改善九年 級歷史教學。納希蓋爾對學生學習過程進行分析后發現，有效失敗的應用促使學 生提出多種調查和收集方式。徐天戍采用有效失敗對英語精讀課詞匯進行了教學 設計⑤。學生通過在調查、街頭采訪和視頻制作等多種問題解決活動中的探索， 鍛煉了英語語言的創新性運用。魏笑利用有效失敗進行了高中生英語語法學習的 教學設計和實踐，實踐證明，有效失敗可以應用于文科類課程，能夠激發學生的 語法學習興趣和提高學生的英語綜合運用能力⑥。
(三)跨學科教學中的應用效果研究
有效失敗大多應用在單一學科的教學中，近年來，也有一些研究者關注將有 效失敗應用到創客教育、STEM等跨學科教學中。迪克森(Brandon Dickson)探 討了如何利用有效失敗將3D打印機引入初中生的創客學習活動中⑦。迪克森發
①HOLMES N G, DAY J, PARK A H K, et al. Making the failure more productive: scaffolding the invention process to improve inquiry behaviors and outcomes in invention activities [J]. Instructional Science, 2014, 42(4): 523-538.
②JACOBSON M J, GOLDWATER M, MARKAUSKAITE L, et al. Schema abstraction with productive failure and analogical comparison: Learning designs for far across domain transfer [J]. Learning and Instruction, 2020, 65: 101222.
③姜婷婷.有效失敗理論下高中信息技術課程教學過程設計與實踐[D].沈陽：沈陽師范大學,2020: 29-55.
④NACHTIGALL V, SEROVA K, RUMMEL N. When failure fails to be productive: probing the effectiveness of productive failure for learning beyond STEM domains [J]. Instructional Science, 2020, 48(6): 651-697.
⑤徐天戍•有效失敗:英語專業精讀課詞匯教學案例研究[J].合肥學院學報(綜合版),2019,36(01):127-131.
⑥魏笑.有效失敗法在高中英語語法教學中的應用研究[D].開封：河南大學,2018: 25-46.
⑦DICKSON B, WEBER J, KOTSOPOULOS D, et al. The role of productive failure in 3D printing in a middle school setting [J]. International Journal of Technology and Design Education, 2021, 31(3): 489-502.
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現，學生在探索階段經歷的有效失敗激發了學生的興趣和參與度。郭婧遠開發了 關注有效失敗的創客校本課程，通過一學期的教學研究和分析，發現“關注有效 失敗的教學”這一方式提升了學生的學習，促進了學生的自主學習能力和遷移能 力①。韋弗(Joanna Weaver)應用有效失敗，為本科生STEM課堂設計了探索優 先的條件，引導學習者在課前合作完成學習活動，學生表現出了更高的概念理解 和興趣度②。劉徽等人運用設計研究，構建了 STEM有效指導型教學模式，并通 過教學實踐證明該模式可以促進學生的概念理解和學習遷移。該研究還發現，學 生進行有效討論和掌握一定程序性知識能夠進一步發揮有效失敗的效果③。
(四)信息化場景的應用效果研究
有效失敗在信息化場景中的應用也是研究者的關注焦點之一。 2008 年，卡 普爾在計算機支持的協作學習(Computer Supported Collaborative Learning，簡稱 CSCL)環境中提出了有效失敗理論并驗證了其有效性。在這之后，也有許多研 究者探索有效失敗學習設計在信息化場景中的應用效果。宋燕捷在移動學習環境 中使用有效失敗理論改進了生物學的翻轉課堂教學設計：課堂上學生小組協作解 決復雜的問題，課下通過移動設備觀看教師授課視頻實現知識鞏固④。研究證明 了有效失敗與翻轉課堂教學設計的整合能帶來學生更好的概念理解表現。雅各布 森(Michael Jacobson)應用有效失敗理論設計NetLogo可視化學習環境，通過引 導學生在該環境中自由操作，理解“蝴蝶效應”模型，提升了學習者的學習參與 和遷移⑤。曹鷺等人介紹了以有效失敗為理論支撐的3D虛擬世界學習環境。在 這一環境當中，學生首先在沒有指導的情況下自行生成想法和發起探索，其后在 腳手架支持下開展探究，實證結果證明學生科學探究能力得到了明顯提升⑥。
①郭婧遠.創客教育中利用有效失敗促進學習的研究[D].上海：華東師范大學,2016: 26-53.
②WEAVER J P, CHASTAIN R J, DECARO D A, et al. Reverse the routine: Problem solving before instruction improves conceptual knowledge in undergraduate physics [J]. Contemporary Educational Psychology, 2018, 52: 36-47.
③劉徽,楊佳欣，徐玲玲等•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[J]•華 東師范大學學報(教育科學版),2020,38(06):43-69.
④SONG Y J, KAPUR M. How to Flip the Classroom - "Productive Failure or Traditional Flipped Classroom" Pedagogical Design? [J]. Educational Technology & Society, 2017, 20(1): 292-305.
⑤JACOBSON M J, MARKAUSKAITE L, PORTOLESE A, et al. Designs for learning about climate change as a complex system [J]. Learning and Instruction, 2017, 52: 1-14.
⑥曹鷺,Michael J.Jacobson,徐光濤•利用虛擬世界及基于代理的模型學習科學探究——計算機化科學探究模 型淺析[幾中國電化教育,2017(07):33-41.
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第三節 文獻綜述小結
一、失敗對學生學習的促進作用
學習活動的設計需要支持學生充分激活新知識，讓學生通過問題解決來學習。 傳統的“講授一練習”課堂教學避免學生經歷失敗，引導學生順利完成任務，達 成學習目標。“值得追求的困難”、“困境驅動的學習”等學習理論已經證明，問 題解決過程中經歷的失敗有助于促進學生的學習，具體體現在：(1)促進學生的 長期遷移效果；(2)提高學生對概念的理解；(3)增強學生的學習動機；(4)提 高學生在教師直接教學過程中的積極性和參與水平。
雖然這些學習理論強調了失敗的重要性，并對教學設計提供了一些啟示，但 仍存在一些不足：(1)僅提供了設計失敗的策略，未能提供系統化的設計框架； (2)未能對學生的失敗現象作進一步闡述。對此，有效失敗的改進之處在于： 第一，識別和描述了學生可能的四種學習現象；第二，為教學實踐提供了可行的 設計框架。
在此基礎上，有效失敗是將失敗應用于學習活動的典型代表，推動失敗與學 習活動的融合。有效失敗能夠幫助學生切實通過問題解決來學習，其學習設計能 夠適應動態的課堂環境，對學習現象的識別和描述也幫助了教學實踐者改進教學， 這闡明了本研究選擇有效失敗設計和實施學習活動的意義。
二、已有研究的局限
有效失敗的研究始于 2008 年，十幾年來，相關研究證明了有效失敗可以提 升學生的概念理解和問題解決等能力。但已有研究仍存在一些局限，表現為缺乏 對學生STEM學習活動過程的相關研究。
有效失敗的相關研究多關注以下兩個問題：第一，與傳統的“講授一練習” 課堂相比，有效失敗能否提高學生的學習？第二，如何在具體的學科教學中應用 有效失敗以促進學習者的學習？這兩個問題的相關研究通常對學生進行前后測， 有量化分析結果的支持，但無法深入描繪學生遇到的失敗的現象，也未能充分挖 掘學生學習過程的數據。在有效失敗的具體應用中，就應用學科來看，許多研究 者關注的是如何將有效失敗應用于數學、物理等單一學科而非跨學科學習。就研
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究對象來看，許多研究者側重于在高中課堂、大學課堂中應用有效失敗，而 K—
12 基礎教育階段則較少。
有效失敗改變了傳統“講授—練習”的“高—低”教學結構，變成了“問題 解決—教學”的“低—高”教學結構，這必然導致了學生學習過程和方式的改變， 因此需要聚焦學生學習過程展開探索。結合現有的實證研究，本研究擬設計和改 進基于有效失敗的 STEM 學習活動，通過對學生學習結果、學習現象和學習過程 的描繪，總結該學習活動在初中課堂中的應用效果。
17
第三章 理論基礎及啟示
有關失敗的學習理論指明失敗對學習具有重要意義，有效失敗使得在學習活 動中應用失敗成為可能。從有效失敗的視角設計和實施初中STEM學習活動，需 要對有效失敗理論進行深入剖析。在第二章文獻綜述的基礎上，本章將界定有效 失敗的相關概念，梳理有效失敗自提出到完善的發展脈絡，闡述有效失敗學習設 計的兩個學習階段、三個設計原則和四個核心機制，最后萃取有效失敗對于學習 活動設計的啟示，為實證研究奠定理論基礎。
第一節 概念界定
一、有效失敗
本研究的核心概念之一是有效失敗(Productive Failure)。有效失敗是指學生 在學習和問題解決活動中，由于某種教學干預而發生的一種學習現象，表現為學 生同時產生了表現上的失敗和學習的發生①。
有效失敗認為，學生的表現和學習的發生并不具有內在一致性②。教學干預 具有兩個層面的實施效果，其一是學生的表現，例如課堂上教學任務的完成情況； 其二是學生的學習發生，例如學生認知結構的發展情況。通常學生的表現在短期 內即可被觀測到，而學生認知結構的適應與調整較難被觀測到，因此教師多借助 學生的表現評價學生的學習效果。學生完成課堂教學任務可以被稱為外顯表現上 的成功，但是學生外顯表現成功并不等同于發生了學習，也并不必然導致學生的 有效學習，這也是表現和學習之間的“不可通約性”。
表現和學習的“不可通約性”產生了四類學習現象：有效成功(Productive Success)> 有效失敗(Productive Failure)> 無效成功(Unproductive Success) 和 無效失敗(Unproductive Failure)，如圖 3-1 所示。
①郭婧遠.創客教育中利用有效失敗促進學習的研究[D].上海：華東師范大學,2016: 4.
②KAPUR M. Examining Productive Failure, Productive Success, Unproductive Failure, and Unproductive Success in Learning [J]. Educational Psychologist, 2016, 51(2): 289-299.
18
圖 3-1 學習現象的四種可能①
接下來以建筑結構課程為例，分析以上四類學習現象：
第一類學習現象是有效成功，即學生實現了表現上的成功，并且發生了學習。 例如在學生通過腳手架的支持，成功設計出了堅固的橋梁建設方案，本質原因是 其理解了橋梁的建筑結構，學生可以成功遷移應用到日常生活中。這種情況可以 稱學生發生了有效成功。
第二類學習現象是有效失敗，是指學生雖然短期未能取得成功的學習表現， 但是產生了充分的認知互動，促進了學習的發生。例如當學生尚未接觸過橋梁結 構的相關知識時，要求學生構思橋梁建設方案，學生經過了長時間的合作探究， 產生一系列設計方案，但是均不完善。雖然不能解決問題，但是學生通過比較和 反思，明晰了每種解決方案的優勢和局限，同時對橋梁建筑結構有了更深入的理 解，再遇到此類情況時可以進行快速選擇和遷移。這種情況可以稱學生發生了有 效失敗。
第三類學習現象是無效失敗，指學生既無法在短期內獲得成功的學習表現， 也未能發生學習。例如在學生尚不具備素描能力的情況下，要求學生繪制精細的 橋梁素描圖，學生既無法完成繪圖任務，對建筑結構的學習也沒有任何助益。這
①注：圖片來自郭婧遠.創客教育中利用有效失敗促進學習的研究[D].上海：華東師范大學,2016: 5.
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便是無效失敗。
無效成功是指學生短期的外顯表現是成功的，但是尚未激發學習效果。例如， 學生通過閱讀和背誦的方式記下了建筑結構的相關知識，卻難以應用于方案設計 過程中，學生僅發生了淺層學習，尚未理解建筑結構知識的本質。這類情況便是 學生發生了無效成功。
本研究所指的“有效失敗”是指在學習和問題解決過程中，在學生自身尚不 具備解決問題所需要的特定知識和技能，且教師不提供相關支持的情況下，通過 小組合作探索和激活相關先前知識，嘗試解決問題而發生的失敗。這種失敗具體 表現為學生在解決問題過程中生成了失敗或次優的問題表征和解決方案。
二、 STEM教育
STEM 教育整合了科學(Science)> 技術(Technology) > 工程(Engineering) 和數學(Mathematics)四門學科①，是一種基于建構主義教育理念，以學習者為 中心，使用跨學科的方法培養學生問題解決能力和創新實踐能力的創新教育②。
本研究中的 STEM 教育特指學校中開展的基于跨學科課程的教育活動，此 類課程強調在真實項目驅動的合作探究中，培養學生的問題解決能力和創新思維。
三、 學習活動
本研究所指的學習活動(Learning Activity)是指學習者以及與之相關的學習 伙伴和教師為了完成特定的學習目標而進行的操作總和③。在進行學習活動設計 時，需要考慮學習活動的目標 活動的任務(主題) 基本流程和步驟 腳手架 的內容和類型以及學習評價的規則。
第二節 有效失敗的理論與研究
學生在學習活動中經歷的失敗給學生帶來了巨大的學習機會，促進學生參與 到學習過程中來，產生了更為有效的學習。越來越多研究者關注如何在活動中設
①秦瑾若，傅鋼善.STEM教育:基于真實問題情景的跨學科式教育J].中國電化教育,2017(04):67-74.
②黃璐,裴新寧.科學理性主義視野下的STEM教育思考:知識融通J].比較教育研究,2018,40(06):27-34.
③楊開城.學生模型與學習活動的設計[J].中國電化教育,2002(12):16-20.
20 計失敗和利用失敗，常用的方法是推遲結構化教學、減少腳手架支持等，為學生 形成自己的理解和表征提供機會。雖然學生的理解有可能是錯誤的，但這一現象 本身是有效的。這些研究雖然未能形成系統的理論，也較難應用到實際教學中， 但都為卡普爾提出有效失敗概念和有效失敗理論提供了支持。
卡普爾在其研究中討論了過早提供結構化教學和腳手架的弊端。前者的弊端 在于學生還不具備知識區分能力，難以理解特定學科的表征和方法。此外，當概 念、表征和方法以組織良好、結構化的方式呈現時，學生也難以理解為何要如此 組織①。后者的弊端在于為學生提供腳手架時，教師更多是關注于學生可以從腳 手架中獲得什么知識，而沒有關注學生失去了何種學習機會②。腳手架構建了問 題解決的順序，卻限制了學生的探索思路。腳手架的理論指出，探明學習者何時、 何處以及為何遭遇失敗，才能提供更為適合的腳手架③。
2008 年，卡普爾首次提出“有效失敗”的概念，并在 CSCL 環境中對其功效 進行了驗證④。本次實驗共有309名十一年級的學生參與，隨機分配到50個實驗 組和 53 個對照組中，學習內容是牛頓運動學的概念和應用。小組合作之前，所 有學生均完成了 25 道選擇題（前測）。小組合作過程中不提供任何腳手架，實驗 組需要完成兩個結構不良問題，對照組需要完成兩個結構良好問題。小組合作之 后，所有學生需要單獨完成結構良好問題（后測 1）和結構不良問題（后測 2）。 實驗結果表明，與對照組相比，實驗組在合作解決結構不良問題過程中經歷了更 多的掙扎與失敗，卻表現出了更高的后測成績。由此，研究總結并論證了有效失 敗理論：不為學習者提供腳手架，讓學習者在問題解決過程中經歷掙扎和失敗， 這樣的失敗對學習是有效的。
2009年，卡普爾對有效失敗的理論進行了驗證性研究⑤。本次實驗選擇了 177 名十一年級的學生，重復了 2008 年的研究過程，分析了學生的先前知識差異、
① KAPUR M, BIELACZYC K. Designing for Productive Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2012, 21(1): 45-83.
②KAPUR M, LEE J. Designing for productive failure in mathematical problem solving; proceedings of the Proceedings of the Annual Meeting of the Cognitive Science Society, F, 2009 [C].
③REISER B J. Scaffolding complex learning: The mechanisms of structuring and problematizing student work [J]. The Journal of the Learning sciences, 2004, 13(3): 273-304.
④KAPUR M. Productive failure [J]. Cognition and Instruction, 2008, 26(3): 379-425.
⑤KAPUR M, KINZER C K. Productive failure in CSCL groups [J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 2009, 4(1): 21-46.
21
小組的解決方案質量以及學習遷移效果。研究結果顯示，實驗組的解決方案質量 更高，遷移效果更佳，同時證明了小組產生的問題解決方案可以增進學生的概念 理解和學習遷移。
2009 年的研究還額外檢驗了學生的問題解決過程。卡普爾改編了普爾 （Marshall Poole）等人提出的話語功能分類系統（Functional Category System）， 對學生小組的話語行為進行編碼分析。改編后的話語功能分類系統將學生行為分 為問題分析 問題評判 進程引導 參數制定 方案生成 方案評價 非任務相 關七個類型。量化分析的結果顯示，實驗組的問題分析 問題評判和參數制定三 種行為顯著高于對照組，對照組的方案生成這一行為顯著高于實驗組。這一分析 揭示了失敗使學生小組進行了額外的分析和探究，促進了有效學習的發生。同時， 該研究證明了話語功能分類系統在分析學生學習過程中話語行為的有效性，為分 析學生小組的學習過程提供了有力框架。
從2010年開始，卡普爾將有效失敗的教學實驗從CSCL環境拓展到了真實 教學中，使有效失敗理論更為系統化，并向學習設計模式的方向發展①。本次共 有 75 名七年級的學生參與了實驗研究，學習內容主題是數學學科的速率和速度 概念。研究中，實驗組采用“有效失敗”（Productive Failure，簡稱PF）的教學條 件，首先是學生小組在沒有外部支持的情況下合作解決問題，隨后教師面向全班 進行鞏固和總結教學；對照組采用傳統的“講授-練習”（Lecture and Practice，簡 稱LP）教學條件。實驗結果顯示，PF條件下的學生產生了多個問題表征和解決 方案，激活了更豐富的先前知識，而且在結構良好的問題（后測1）和高階應用 問題（后測2） 上的表現均好于LP條件下的學生。研究得出這樣的結論：有效 失敗引導學習者持續探索問題空間，尋找問題的表征和解決方案，由此提升學習 效果。
但是， 2010 年的研究難以說明實驗組中的學生探索和經歷失敗是因為教師 指導的缺失還是問題的不良結構。 2011 年，卡普爾進行了延伸研究，細致化了實 驗條件，將109名學生分為三種教學條件小組：有效失敗（PF）、有指導的問題
① KAPUR M. Productive failure in mathematical problem solving [J]. Instructional Science, 2010, 38(6): 523-550. 22
解決(Facilitated complex problem solving，簡稱 FCPS)和講授一練習(LP)組
①。三組的區別在于，PF和FCPS組為結構不良問題，LP組為結構良好問題；PF 組推遲結構化教學， FCPS 和 LP 組的結構化教學貫穿全過程。實驗后測的表現 為：PF組＞FCPS組〉LP組。此外，PF組學生產生了更為多樣化的問題的表征和 解決方案。研究證明了：不僅要為學生提供結構不良問題，更要讓學生經歷探索 和失敗。
由以上研究可以看出，學生在探究問題解決的過程中所產生的問題表征和解 決方案對于學習者的有效學習有著一定程度的推動作用。 2014 年，卡普爾利用 實驗對比，進一步證明了問題表征和解決方案必須由學習者經過掙扎和失敗而產 生②。卡普爾提出了“替代性失敗”(Vicarious Failure，簡稱VF)的概念，指學 生跳過問題解決的步驟，直接學習其他學生小組生成的問題表征和解決方案。本 次實驗比較了 PF 組和 VF 組的學習效果，共有 136 名八年級學生參與，學習內 容為數學中的方差概念。實驗結果顯示， PF 組學生在概念理解和學習遷移方面 的表現優于 VF 組學生，且表現出了更高的學習興趣和參與度。
第三節 有效失敗學習設計框架
在對以上實驗研究進行總結之后,卡普爾和貝茲克拉克(Katerine Bielaczyc) 提出了有效失敗學習設計框架，為應用有效失敗理論設計學習活動提供了操作指 南③。有效失敗學習設計框架包括兩個學習階段、三個設計原則和四個核心機制， 它們各自包含的內容和相互之間的關系如圖 3-2 所示。
有效失敗學習設計框架包括對如下兩個學習階段的設計。
階段一：生成一探索(Generation and Exploration)階段。該階段學生沒有任 何與學習內容直接相關的腳手架，學生們以小組合作的形式嘗試解決問題，生成 多樣化的問題表征和解決方案(Representations and Solution Methods，簡稱RSMs)；
① KAPUR M. A further study of productive failure in mathematical problem solving: unpacking the design components [J]. Instructional Science, 2010, 39(4): 561-579.
②KAPUR M. Comparing learning from Productive Failure and Vicarious Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2014, 23(4): 651-677.
③KAPUR M, BIELACZYC K. Designing for Productive Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2012, 21(1): 45-83.
23
階段二：整合(Consolidation)階段。該階段中教師引導學生通過全班討論， 將本小組產生的問題表征和解決方案與其它小組的方案相對比，分析不同問題表 征和解決方案的優勢和局限。
兩個學習階段都涉及學習活動 參與結構以及社會環境三個層面的設計，需 要由圖3-2所示的三個設計原則指導，并體現四個相互依賴的核心機制。具體設 計要點如圖 3-3 所示。
① 注：圖片中的文字整理自 KAPUR M, BIELACZYC K. Designing for Productive Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2012, 21(1): 48-53.
24
設計復雜問題情境
•問題的復雜性
-學蛛前知識
•問題描述方式
設計學習活動
比較和分析不同解決方案 的優謝和限制
圖 3-3 有效失敗學習設計在三個層面的設計要點①
第四節 有效失敗對 STEM 學習活動設計的啟示
STEM 教育旨在培養學生運用跨學科的知識解決現實生活中的困難和問 題，但這些問題往往比較復雜，而且沒有唯一固定的解決方案，學生在解決的 過程中必然會經歷失敗。有效失敗強調利用失敗促進學生的有效學習，對 STEM 學習活動設計具有重要的啟示。
一、有效失敗的關注重點：次優的問題表征和解決方案
在問題解決的過程中學生會遇到兩種類型的失敗：其一是學生表現上的失敗， 即學生未能按照預期計劃成功解決問題；其二是學生在學習過程中發生的失敗， 即學生未能提出正確的解決方案，但生成了多個不完善的、甚至是失敗的問題表 征和解決方案（即RSMs）。有效失敗關注的是后者，并將學生生成的不完善或失 敗的問題表征和解決方案稱為次優RSMs，認為正是這些次優RSMs促進了學生 的有效學習。這是因為，學生生成多樣的 RSMs 的過程正是學生的先前知識與目 標概念及其關鍵特征進行認知互動的過程，多樣的 RSMs 為學生理解和應用遷移 目標概念奠定了堅實基礎。學生生成的 RSMs 越多樣，前知識激活就越充分，學
①注：圖片中的文字改編自劉徽,楊佳欣,徐玲玲等.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[J].華東師范大學學報（教育科學版）,2020,38（06）:49.
25
生在學習活動結束后的概念性理解和學習遷移效果就越好①。
二、次優RSMs的生成關鍵：設計失敗驅動的腳手架
如果將腳手架導向的結果分為成功和失敗，腳手架可以分為成功驅動的腳 手架和失敗驅動的腳手架兩類。傳統的腳手架設計多以成功為導向，旨在引導 學生發現最優解決方案，帶來高水平表現。但成功驅動的腳手架不能充分挑戰 學生的已有知識，減少了學生探索的自由度。與此相對，失敗驅動的腳手架挑 戰了學生目前對知識的理解，促進學生對問題空間進行更為全面的探索，而非 遵循孤立唯一的解決路徑。在有效失敗視角之下，學生不僅要在學習中經歷有 效的失敗，還要在這個過程中生成多樣的次優RSMs。教師需要為學生提供更 具有針對性和導向性的腳手架，導向有效失敗的結果。也就是說，在應用有效 失敗設計學習活動時，教師應有意識地為學生提供失敗驅動的腳手架，引導學 生經歷失敗。對兩類腳手架的具體描述如表3-1所示：
表 3-1 成功驅動的腳手架與失敗驅動的腳手架
類別 設計目標 說明及舉例
成功驅
動的腳
手架 減少學生失敗， 指明問題解決的 路徑，引導學生 成功解決問題。 該類型腳手架是對目標概念的直接提示，指 出學生的問題 告訴學生應該做什么，甚至 提供精確的操作步驟。例如當學生分析兩個 數字變量之間的關系時，提示學生思考是否 相關 使用散點圖等。
失敗驅
動的腳
手架 有意設計失敗， 促進學生全面思 考，引導學生產 生次優解決方 案。 該類型腳手架多以引發學生反思和表達的問 題的形式提供，并明確要求學生提出多種解 決方案。例如當學生學習速度的概念時，為 學生提供兩人約定見面的情境，要求學生采 用多種方法計算兩人分別應何時出門。
三'次優RSMs的性質及其在學習活動設計中的應用
在有效失敗理論指導的學習活動中，生成—探究階段的設計目標是為學生
① KAPUR M. Comparing Learning From Productive Failure and Vicarious Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2014, 23(4): 651-677.
26
提供機會讓其自由探索，生成多種多樣的問題表征和解決方案，也就是所說的 次優RSMs。整合階段的設計目標是讓學生互相比較產生的次優RSMs，教師針 對學生暴露出的知識體系中的錯誤和空白進行教學。由此可見，次優 RSMs 在 有效失敗學習設計的兩個學習階段中都起到了至關重要的作用。
結合以上闡述，本研究認為，學生所產生的次優 RSMs 具有多樣性和導向 性兩種密不可分的性質。多樣性表現為學生經過廣泛的探索以及小組協作交 流，生成了多樣化的次優RSMs。導向性是指次優RSMs凸顯了學生的知識缺y 口，引導學生在比較分析不同 RSMs 的過程中識別目標概念的深層特征。當利 用有效失敗設計學習活動時，必須全面考慮和發揮次優 RSMs 的作用。
圖 3-4 展示了學習活動中次優 RSMs 的多樣性和導向性。學習活動的生成一 探究階段的目的是增強次優 RSMs 的多樣性，教師為學生提供了一定的問題情 境，學生通過小組合作，激活了相關先前知識和經驗，圍繞目標概念展開了充分 探索，生成了多樣的RSMs。為了發揮整合階段中RSMs的導向性，教師需要提 供給學生小組展示RSMs的機會，幫助學生對比和分析不同的RSMs。在這一階 段中，學生依據自己產生的RSMs，分析不同RSMs的優勢和局限，識別出目標 概念的關鍵特征，形成對目標概念的深度理解。
27
第四章 研究設計
本研究探索基于有效失敗的學習活動對 STEM 學習的促進作用，采用基于
設計的研究方法（即DBR），在七年級真實教學環境中進行三輪學習活動迭代。
在DBR方法論的指導下，本研究將進行三方面的研究設計工作，如圖4-1所示。
針對研究問題一，本研究設計和使用方案設計單和遷移測試單，并通過對學 習單進行內容分析回答子問題一；針對子問題二，本研究將建構學習現象分類框 架，收集課堂觀察和小組討論錄音的數據，利用互動分析法識別小組討論過程中 的學習現象。針對研究問題二，本研究設計學習行為編碼框架，利用滯后序列分 析法對小組討論錄音進行編碼和分析，總結典型的學習行為模式。本章將從研究 方法、研究環境和參與者、研究工具、數據收集和處理以及數據分析方法五方面 展開論述。
28
第一節 研究方法
本研究采用基于設計的研究(Design-based Research，簡稱DBR)方法， 這一方法也被稱為“設計研究"(Design Research)> “設計實驗"(Design Experiments)①、“發展研究"(Development Research)②等，術語稱謂不同，但 有著相似的目標和途徑③。安德森(Terry Anderson)等人認為，DBR是一種由 教師設計并為其服務的方法，旨在提高教育研究的影響和改進實踐④。基于設計 的研究聯盟(Design-based Research Collective)認為DBR整合了教育實踐研究 和學習理論設計，對于理解實踐中的教育創新改革提供了方法論指導⑤。DBR 與其說是一個方法，不如說是一系列方法，可用于創造新的教育理論、教育產 品和實踐，并解釋自然情境潛在影響下的學習和教學。 DBR 具有雙重目的，其 一是為教育實踐中的復雜問題提供基于研究的解決方案，其二致力于開發或者 驗證學習過程、學習環境等相關的理論⑥。本研究的目的在于利用有效失敗構建 STEM 學習活動，檢驗學生的學習效果，促進 STEM 教學實踐的發展，深入理 解有效失敗理論。本研究與 DBR 的特征和目的相吻合，適合采用 DBR 的方法 進行研究。
DBR 的核心在于干預的迭代發展，需要在真實的情境中不斷對干預進行檢 驗和改進。盡管不同學者對于 DBR 的細節描述有所不同，但都認同 DBR 由若 干階段組成。通過多個周期對教育干預措施進行設計、實施、評估和完善，發 展出實用的設計原則和案例，促進基礎教育理論的發展⑦。格雷梅杰(Koeno Gravemeijer)和柯布(Paul Cobb)將DBR的過程劃分為以下三個階段⑧：
①BROWN A L. Design experiments: Theoretical and methodological challenges in creating complex interventions in classroom settings [J]. The Journal of the Learning sciences, 1992, 2(2): 141-178.
②AKKER J V D. Principles and methods of development research [M]. Design approaches and tools in education and training. Springer. 1999: 1-14.
③WANG F, HANNAFIN M J. Design-based research and technology-enhanced learning environments [J]. Educational technology research and development, 2005, 53(4): 5-23.
④ANDERSON T, SHATTUCK J. Design-based research: A decade of progress in education research? [J]. Educational researcher, 2012, 41(1): 16-25.
⑤COLLECTIVE D-B R. Design-based research: An emerging paradigm for educational inquiry [J]. Educational researcher, 2003, 32(1): 5-8.
⑥王其云，祝智庭，顧小清主編.教育設計研究理論與案例[M].上海：華東師范大學岀版社.2017.
⑦ALGHAMDI A H, LI L. Adapting design-based research as a research methodology in educational settings [J]. International Journal of Education and Research, 2013, 1(10): 1-12.
⑧GRAVEMEIJER K, COBB P. Design research from a learning design perspective [M]. Educational design research. Routledge. 2006: 29-63.
29
1.準備實驗：結合教學設計理論與學習目標，制定初步的教學設計；
2.設計實驗：實施、改進和完善教學設計，結合本土實踐結果完善教學理 論，深入理解教學理論及其機制；
3.回顧性分析：通過整理和分析整個實驗過程中的數據，來優化教學設 計，促進教學理論的本土化發展。
借鑒此階段劃分，本研究的DBR實施過程描述如下，見圖4-2。
接下來，筆者進一步介紹本研究DBR實施的三個階段：
1.準備實驗
在準備實驗階段，本研究基于STEM教育理念，分析國內外已有的STEM學 習項目的實施情況，選擇了“意面棉花糖塔”作為學習活動項目。筆者與團隊成 員進行了多次討論，確定了學習目標與任務。此外，筆者再次梳理了有效失敗學 習設計框架的學習階段、設計原則和核心機制，為重構“意面棉花糖塔”學習活
30 動奠定基礎。
2.三輪學習活動迭代
本研究在真實的七年級課堂中通過三輪 STEM 學習活動迭代過程，檢驗有 效失敗應用于初中 STEM 學習活動的效果。本研究收集了 369 分鐘課堂錄像和 682 分鐘小組討論錄音，以此檢驗學習活動效果，深度反思不足之處，提高和完 善學習活動設計。
三輪 STEM 學習活動基本情況如表 4-1。
表 4-1 三輪 STEM 學習活動基本情況
輪次 班級 人數 節數 日期 每節課時長
第一輪 七年級 A 班 20 2 2021.9.22
2021.9.23 64分鐘
59 分鐘
第二輪 七年級 B 班 20 2 2021.9.29
2021.9.30 67分鐘
61 分鐘
第三輪 七年級 C 班 20 2 2021.10.8
2021.10.9 60 分鐘
58 分鐘
3.回顧性分析 本研究綜合分析學生小組的學習結果和學習過程的數據，回應兩個研究問題。 針對研究問題一的子問題①，歸納分析學生小組在生成一探究階段生成 RSMs 的數量和種類，檢測學生在學習活動后的遷移效果；針對研究問題一的子 問題②，識別、編碼和分析學生小組學習過程中的學習現象。
針對研究問題二，探析學生小組學習過程中的學習行為頻次和學習行為模式， 總結學生學習過程的特征。
31
第二節 研究環境與參與者
本研究在真實的教學環境中開展，實施地點為上海市某區一所公立初中 S 校的科學實驗室。該校已進行了三年多的STEM教育實踐，積累了豐富的 STEM學習活動設計和開發經驗。S校的科學實驗室內共有八張分散排布的六 邊形桌子（如圖 4-3所示），方便學生以小組的形式就坐和學習。同時，這一課 桌排布方式可以將以教師為中心的知識授受方式轉變為以學生為中心的小組協 作知識建構方式①，契合本研究的學習活動設計理念。本次研究主要使用距離講 臺較近的五張課桌（G1-G5）,另外三張桌子不作為教學使用。
參與者為七年級 A、B、C 三個班的學生。筆者與三個班的班主任溝通之 后，對學生按照性別和學習成績進行異質分組，減少無關變量的干擾。每輪學 習活動分為5個小組，每組4名學生，同時對每輪學習活動中的小組進行編 號，編號規則為：輪次+小組，例如第一輪STEM學習活動的第一小組編號為 D1G1。三輪學習活動均由同一名STEM教師任教。
①熊和平，王碩.小組合作教學的課桌哲學[J].北京教育（普教版）,2017（06）:16-19.
32
第三節 研究工具
一、學習單的設計
（一） 方案設計單
有效失敗鼓勵學習者生成并記錄下多種問題表征和解決方案，引導學生主動 解釋問題，進行深度思考，學生生成的問題表征和解決方案的數量和種類可以預 測有效失敗的學習效果以及學生的概念理解水平①。結合學習設計框架的指導以 及本研究的數據收集要求，本研究為每名學生提供了“方案設計單”，旨在收集 學生生成—探究階段生成的問題表征和解決方案。“方案設計單”由說明文字和 空白方框組成，學生可以在空白方框內繪制設計方案，借助說明文字對設計方案 做進一步說明，詳見附錄 I。
（二） 遷移測試單
STEM 學習的一個重要目標是幫助學習者理解目標概念關鍵特征之間的關 系，運用所學的新知識解決新的問題，也就是實現學習遷移②。本研究根據“意 面棉花糖”的學習活動目標設置遷移目標，促進學生對目標概念的理解，形成 “明確問題一功能分析一材料分析一方案原型設計一方案改進一建造與測試”的 思維，設計了“建設高架橋”的遷移題目，要求學生小組結合青海三江源地區 青藏公路的藏羚羊的遷徙生物情況和現實地理情況設計高架橋的建造方案，推 測影響橋梁建設的材料的性質。遷移測試單由兩個子問題組成，詳見附錄II。
二、學生學習效果的檢驗框架：學習現象分類框架
有效失敗視角下，學生的表現和學習之間的“不可通約性”引向了有效成功 （Productive Success，簡稱 PS）、有效失敗（Productive Failure，簡稱 PF）、無效 成功（Unproductive Success，簡稱 US）和無效失敗（Unproductive Failure，簡稱 UF）四種可能的學習現象。在本研究的STEM學習活動中，當然也存在著這四 種學習現象。有效學習現象的增加和無效學習現象的減少，是證明 STEM 學習過
①KAPUR M. Examining Productive Failure, Productive Success, Unproductive Failure, and Unproductive
Success in Learning [J]. Educational Psychologist, 2016, 51（2）: 289-299.
②ENGLE R A. The resurgence of research into transfer: An introduction to the final articles of the transfer strand
[J]. Journal of the Learning Sciences, 2012, 21（3）: 347-352.
33
程有效性的重要指標。
按照卡普爾的分類標準，結合對有效失敗理論的梳理，可以對外顯表現的成 功和學習的發生作進一步的定義：學生外顯表現的成功是指學生在學習活動的規 定時間內，按照標準完成了相應的學習任務；學生發生學習是指學生在學習活動 中圍繞目標概念展開了充分探究，通過小組內的討論引發了多種探索的可能，挖 掘并抓住了深入學習的機會。
由此出發，本研究構建了 STEM學習活動中學生的學習現象分類框架，如表
4-2 所示：
表 4-2 學習現象分類框架
維度 有效失敗
（PF） 有效成功
（PS） 無效成功
（US） 無效失敗
（UF）
能夠圍繞目標概念充
分展開探索 ＋ ＋ － －
小組的討論引向了多 個探究的可能方向 ＋ － － －
規定時間內按照標準
完成任務 － ＋ ＋ －
注：“＋”表示學生小組達成相應表現，“－”表示學生小組未能達成相應表 現，下同。
在本研究的STEM學習活動中，“方案設計”和“模型建造”這兩個子活動 是學生實現深度理解目標概念并進行有效遷移的重要活動，分析這兩個活動中學 生的學習現象尤為重要。在“方案設計”中，學習者需要掌握的目標概念是“建 筑的結構”，在“模型建造”中，學習者需要掌握的目標概念是建筑材料的“壓 力”和“張力”的具體性質及其應用。對這兩個活動按照表4-2進行梳理，可以 得到方案設計活動中的學習現象（表4-3）和模型建造活動中的學習現象（表4- 4）。
34
表 4-3 方案設計活動中的學習現象
維度 有效失敗 (PF) 有效成功 (PS) 無效成功
(US) 無效失敗
(UF)
能夠圍繞建筑結構充
分展開探索 ＋ ＋ － －
小組的討論引向了多 個可能的建筑結構 ＋ － － －
規定時間內繪制出結 構清晰、標注合理的 信號塔方案設計圖 － ＋ ＋ －
表 4-4 模型建造活動中的學習現象
維度 有效失敗
(PF) 有效成功 (PS) 無效成功
(US) 無效失敗
(UF)
能夠圍繞“張力”和“壓
力”充分展開探索 ＋ ＋ － －
小組的討論引發了目標 概念的多個特征 ＋ － － －
規定時間內建造出了高
且堅固的信號塔模型 － ＋ ＋ －
表 4-3 和表 4-4 這也是本研究在識別和判定學生在學習活動中的學習現象的 重要依據。筆者和一名同方向的學術型碩士研究生按照學習現象分類框架進行編 碼，一致性為 88%。所有編碼差異均已解決。
三、學生學習過程的分析框架：學習行為編碼框架
本研究要對學生的學習過程進行分析，必然要對繁雜的過程數據進行編 碼。卡普爾的研究說明了話語功能分析系統在分析學生小組問題解決過程的有 效作用。話語功能分析系統植根于問題解決的認知和教育理論，專門為研究小 組協作過程中學生的問題解決能力而開發，通過編碼和分析話語行為，闡釋小 組的互動行為。
35
學生小組學習過程的外顯行為折射出了認知行為，更需要采用一定的行為 編碼框架進行編碼，將外顯行為翻譯為相應的認知行為。本研究擬使用話語功 能分析系統對學生學習過程中的學習行為進行分析。考慮到中國文化情境和 STEM課堂教學環境的差異，本研究對此分析框架進行了修訂，改編為學習行 為編碼框架，以更好適應研究情境和需求。
（一）學習行為編碼框架的初步設計 本研究根據普爾首次提出的話語功能分析系統①以及卡普爾②等人的研究， 初步確定了“學習行為編碼框架”，具體編碼和含義如表4-5所示。
表 4-5 學習行為編碼框架（初步設計）
學習行為 編碼 含義
問題分析
Problem Analysis PA 定義或者陳述問題背后的原因
問題評判
Problem Critique PC 對他人的問題分析陳述進行評價
進程引導 OO 試圖引導小組進程，包括簡單重復他人
Orientation 的話語、評價小組進展
參數制定 CD 涉及影響小組決策和問題解決方案的
Criteria Development 參數的陳述
方案生成 SD 為解決問題而提出的方案、想法或者建
Solution Development 議；提供方案的細節
方案評價 SE 評估解決方案并給出理由，總結陳述最
Solution Evaluation 終問題解決方案
非任務
Non task NT 與學習任務無關的話語，例如笑話
①POOLE M S, HOLMES M E. Decision development in computer-assisted group decision making [J]. Human Communication Research, 1995, 22(1): 90-127.
②KAPUR M, KINZER C K. Productive failure in CSCL groups [J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 2009, 4(1): 21-46.
36
（二）學習行為編碼框架的修正
本研究在正式編碼之前，對學習行為編碼框架進行了修正。首先，筆者與 同專業方向的一名研究生隨機選擇了某一輪次的某一課堂環節，利用表 4-5 的 編碼框架進行了背靠背編碼，標注和總結編碼不一致的話語。然后，兩位編碼 者與專家一同討論，決定話語的最終編碼。在充分討論的情況下，多位專家認 為需要刪除“非任務（NT）”話語行為編碼，豐富完善“進程引導（00）”和
“方案評價（SE）”話語行為的含義。在背靠背編碼中，除去“非任務（NT）” 話語行為后的編碼一致性為 85%，具有較好的一致性結果。最終的編碼框架如 表 4-6 所示。
表 4-6 學習行為編碼框架
學習行為 編碼 含義 本研究編碼示例
問題分析
Problem Analysis PA 定義或者陳述問題背后的原因 我認為要先考慮 塔的牢固程度。
問題評判
Problem Critique PC 對他人的問題分析陳述進行評價
和判斷 你為什么認為牢
固性更重要？
進程引導
0rientation 00 試圖引導小組進程,包括對他人陳 述的重復和澄清；對小組進程進行 反思或者評價 我們先各自想一
下，然后再一起 討論，可以嗎？
參數制定
Criteria Development CD 涉及影響小組決策和問題解決方
案的參數的陳述 我們要考慮這個 棉花糖也是有重 量的。
方案生成
Solution Development SD 提出問題解決的方案或者建議;補 充解決方案的細節；進一步闡述解 決方案 使用三角形結構
就可以了。
方案評價
Solution Evaluation SE 對解決方案進行完善，并給出明確 或者隱含的理由;同意解決方案與 否的陳述和理由;邀請他人對問題 方案表態。 是的，但是我們 如何構建這樣的 三角結構呢？
37
第四節 數據收集與處理
本研究共進行了三輪STEM學習活動，每輪兩節課，第一節課對應有效失 敗學習設計的生成—探索階段，第二節課對應整合階段。本研究通過觀察課 堂、錄音小組討論過程、掃描歸納學習單的方式收集了學生學習過程和學習結 果的數據，如表4-7所示。
表 4-7 研究數據的收集與目的
數據收集方式 數據收集時間 目的
課堂觀察 第一+第二節課 檢驗學習現象
小組討論錄音 第一節課 ①檢驗學習現象
②分析學生的學習過程
方案設計單 第二節課 歸納學生的RSMs多樣性
遷移測試單 第二節課 評價學生的學習遷移效果
一、課堂觀察
本研究使用錄音筆和攝像機收集課堂現場的音、視頻資料。第一節課以學 生合作探究為主，在教室左上角設置一臺攝像機，拍攝課堂全局畫面，同時在 課堂的右端放置一臺攝像機，彌補第一臺攝像機可能存在的拍攝死角。第二節 課以學生小組展示和教師總結教學為主，在教室后端和左上角各放置一臺攝像 機。兩節課中均在講臺放置一支錄音筆，采集課堂全局聲音。數據收集之后， 利用視頻編輯軟件將攝像機拍攝的視頻和錄音筆采集的音頻進行合成。本研究 共采集了六節課的課堂視頻，共計369分鐘。
本研究對課堂視頻的轉錄側重于學習活動設計的流程和師生互動過程，對 學習活動的流程進行了識別與標記，對于師生互動方面的信息進行了逐字轉 錄。按照音頻轉錄表格（表 4-8）進行轉錄，共轉錄25879 字。
38
表 4-8 音頻轉錄表格
序號 關鍵事件畫面 話語內容 備注
1 課堂視頻截圖 詳細記錄話語內容以及節點 反映出的學習 現象
二、小組討論錄音
本研究使用錄音筆錄制學生小組討論過程的音頻。每個小組的桌面上均放置 一支錄音筆，錄制第一節課中小組進行合作問題解決的討論過程，第二節課不作 錄制處理。音頻收集之后，利用視頻編輯軟件剪輯出小組討論的音頻，并在第一 階段中錄制的課堂視頻中定位學生小組討論事件，完成視頻的合成。本研究共采 集了三節課 15 個小組的交流討論音頻，共計682 分鐘。
小組討論錄音是本研究的重要研究數據，用于檢驗學生學習活動中的學習效 果以及分析學習過程，所有的小組討論音頻全部逐字轉錄為文本。筆者依據學生 音色，盡可能區分標記小組內的學生，最大限度地還原小組討論對話。小組學生 的編號規則為：小組編號和學生編號之間用“—”連接，每一位小組成員有獨立 唯一的編號。例如第一輪學習活動中第一小組的第一名同學為D1G1—S1。按照 表4-8進行逐字轉錄，三輪學習活動中 15個小組的討論話語共轉錄 76308字。
三、學習單
在第一節課結束之后，本研究收集了每個學生的方案設計單，共計60份。 第二節課結束之后，收集了每個小組的遷移測試單，共計15份。每輪活動結束 之后，本研究使用掃描全能王v6.0軟件對收集的全部學習單進行了掃描與歸檔 處理。
第五節 數據分析方法
一、內容分析法
內容分析法(Content Analysis)是分析人類傳播媒介所記錄信息的研究方法,
其“內容”可以包括書籍、雜志、網頁、信件以及其它任何類似的成分或者集合
39
①。通過深入分析這些研究數據，透過現象看到本質②，得出描述性或解釋性的結 論。
內容分析法在本質上是一種編碼。分析過程中，首先提取內容材料中的關鍵 信息進行質性編碼，然后將編碼內容轉換為統計數字，最后對統計數字進行量化 歸類，從而實現定性數據的量化分析③。本研究中收集的方案設計單和遷移測試 單均為定性數據，需要應用內容分析法對其進行量化統計和分析，以回答研究問 題一的子問題①。
針對方案設計單，本研究首先對完整的方案設計圖進行統計，得出學生生成 的 RSMs 的數量;然后結合建筑學中對塔的結構分類，對方案設計圖的結構進行 歸類，得出學生生成的 RSMs 的類型。由以上得出學生生成的 RSMs 的多樣性。
針對遷移測試單，本研究首先制定了詳細的評價量規(表 4-9)，關注小組在 多大程度上可以結合建筑的結構和建筑材料的性質來設計解決方案，評分單位為 1 分，范圍為 0-3 分;然后提取學生遷移測試單中問題表征和解決方案的有效要 素，對其進行評分。由此檢驗學生在三輪學習活動后的學習遷移效果。
表 4-9 遷移測試單的評價量規
質量水平 描述
0 解決方案未綜合建筑結構或者材料的性質。
1解決方案僅參考了建筑結構或者材料其中之一的性質。
2解決方案綜合了建筑結構以及材料的性質，但不夠全面細致。
3解決方案全面綜合了建筑結構以及材料的性質。
二、互動分析法
互動分析法(Interaction Analysis)用于分析和研究小組間自然發生的連續互
①(美)艾爾•巴比著.社會研究方法第11版[M].北京：華夏岀版社.2009, 318-320.
②邱均平，鄒菲.關于內容分析法的研究[J].中國圖書館學報,2004(02):14-19.
③陳向東，余錦鳳.在線交流的內容分析框架研究[J].圖書情報知識,2007(01):87-90.
40 動行為①，這些互動行為包括學生的話語、手勢、在線交流文本等外顯行為②。通 過編碼和分析行為數據，來解釋或推斷行為發生的背景，揭示小組互動的發展。
采用互動分析法分析課堂教學中的小組活動有三點優勢：（1）描繪小組對話 過程中的學習行為的分布；（2）展現對話的互動結構；（3）理解互動序列和互動 模式。因此，本研究利用互動分析法探尋學生小組學習過程的學習現象。
本研究的互動分析法分為三個步驟。第一步，識別并劃分小組討論過程的分 析單位一一學習片段（Episode）,在討論過程中學生小組圍繞問題生成了一個解 決方案即劃定為一個學習片段。例如，學生小組圍繞信號塔的方案設計這一問題， 通過小組內的討論生成了一個方案，這就是一個學習片段。學生小組進一步討論， 這時小組某個成員提出了相關想法，其他成員圍繞這一想法進行了完善，又生成 了一個方案，這是第二個學習片段。第二步，將學習片段內的對話進行逐字轉錄， 結合學生小組的互動，利用學習現象的分類框架對其進行編碼。在這一過程中， 由筆者和另一名研究生一同判斷和編碼學習現象。第三步，對編碼數據進行統計 和分析。
三、滯后序列分析法
內容分析法用于分析和檢驗學生的學習結果，互動分析法用于識別學生在學 習過程中經歷了何種學習現象。學習活動設計不僅要關注學生的學習成果和學習 現象，更要重視學生經由怎樣的學習過程產生了這樣的學習結果和學習現象。通 過分析學生學習過程的特征，筆者可以推斷得出學習結果和學習互動之間的內在 機制，為預測和檢驗學習活動的成效提供新的形成性分析視角。筆者選擇滯后序 列分析法（Lag Sequential Analysis，簡稱LSA），結合學生在學習過程中的行為 數據，歸納學生的學習行為分布和學習行為轉換的動態過程，以此來揭示學習活 動中學生的行為模式以及學習結果和學習現象之間的聯系。
滯后序列分析法由塞克特（Gene Sackett）在1978年提出③，是一種根據統
①KEYTON J. Interaction Analysis: An Introduction [M]//BRAUNER E, BOOS M, KOLBE M. The Cambridge Handbook of Group Interaction Analysis. Cambridge; Cambridge University Press. 2018: 3-19.
②JORDAN B, HENDERSON A. Interaction analysis: Foundations and practice [J]. The Journal of the Learning sciences, 1995, 4(1): 39-103.
③楊現民，王懷波,李冀紅•滯后序列分析法在學習行為分析中的應用[幾中國電化教育,2016(02):17-23+32.
41
計學理論研究行為之間的順序關系的方法①。 LSA 可以檢驗一種行為之后發生另 一種行為的概率以及是否存在統計意義上的顯著性，幫助研究者發現行為轉換的 關系以及潛在的行為模式。
LSA 可以幫助研究者探索和總結復雜的交互序列中的行為關系鏈，從行為 視角闡釋學生學習現象背后的原因。與此同時，許多研究者關注LSA,將其用于 學習行為分析。在分析思維導圖工具對小學生學習洋流知識的影響時，賴秋琳 (Chiu-Lin Lai)等人用LSA總結了兩種能力水平小組學生的學習行為分布和學 習行為模式；埃里馬茲(Evren Eryilmaz)將學生小組討論過程中的話語編碼為解 釋、提問、澄清、肯定、沖突、建設一致性和支持七種知識建構行為，并利用 LSA 分析了學生小組的知識建構行為模式。因此，本研究利用LSA，分析學生行為的 靜態頻次分布和動態行為模式，探索有效失敗促進 STEM 學習的過程的特征。
本研究應用滯后序列分析法的過程主要分為四步。第一步，劃分分析單位。 以互動過程中的話輪(Turn)作為話語分析單位，“話輪”是會話最小的話語結 構，也是日常會話的基本構造單位②。在具體的劃分過程中，本研究將討論同一 方面(例如討論材料的長度、塔的高度改進等)的對話作為一個話輪。第二步， 進行行為編碼。按照學習行為編碼框架，對話輪中的有效話語要素進行質性編碼。 為了提高研究的嚴謹客觀，兩位研究者共同編碼，編碼一致性約為 89%，對不一 致的編碼進行討論，確定最終的編碼結果。結合這一編碼結果，統計總結學生各 小組學習過程的學習行為分布。第三步，進行頻率轉換。筆者將得到的編碼結果 導入 GSEQ( General Sequential Querier) 5.1 工具中，生成學習行為轉換頻率表 和殘差表，殘差值大于 1.96 則表明該行為路徑具有顯著意義。第四步，呈現學習 行為模式。筆者篩選出具有顯著意義的行為路徑，使用節點、連線及箭頭分別表 示學生的學習行為和具有顯著意義的行為轉換，繪制每個小組的行為模式圖，歸 納總結典型的行為模式。
①胡丹妮，章夢瑤,鄭勤華.基于滯后序列分析法的在線學習者活動路徑可視化分析[J].電化教育研 究,2019,40(05):55-63.
②SACKS H, SCHEGL0FF E A, JEFFERS0N G. A simplest systematics for the organization of turn taking for conversation [M]. Studies in the organization of conversational interaction. Elsevier. 1978: 7-55.
42
第五章 STEM 學習活動的設計與實施
結合有效失敗對 STEM 學習活動的理論啟示以及教學實踐修正的需要，本 研究的STEM學習活動將迭代三輪。本章將報告基于設計的研究(DBR)的實施 過程。首先，筆者提綱挈領地論述DBR的整體設計以及STEM學習活動的內容 設計。隨后按照學習活動的三輪迭代過程，闡述每輪學習活動的設計，依據學習 目標評價學習效果，反思和總結不足之處。
第一節 整體設計
一、STEM學習活動的迭代過程設計
本研究選擇了 S校七年級的A、B、C三個班的學生進行了三輪STEM學 習活動。學習活動主題均為“意面棉花糖塔”，每次活動用時兩節課，每節課約 為60分鐘。STEM學習活動的三輪迭代過程如圖5-1所示。
如圖 5-1 所示，本研究結合有效失敗學習設計和“意面棉花糖塔”的學習 活動目標，設計了第一輪STEM學習活動，并在STEM課堂中進行了實施。依 據學習活動的學習目標，評價學習活動的效果，反思改進其不足之處，同時進 行下一輪STEM學習活動的設計，梳理活動設計和改進過程中的理論啟示，以 改進第二輪STEM學習活動設計方案，如此進行三輪STEM學習活動，最后形 成優化的“意面棉花糖塔”學習活動案例。
結合有效失敗對STEM學習活動設計的啟示，三輪STEM學習活動的側重 點如圖 5-2所示。第一輪學習活動關注學習活動整體設計的科學性，評測學習
43
活動的效果，特別是問題情境的吸引力以及學習活動的效果。在第一輪學習活 動實施過程中收集課堂錄像和學生小組討論會話數據，對學習活動進行反思與 修正。第二輪學習活動主要是為學習者的生成—探索階段設計相應的學習活動 和學習支持，鼓勵學生進行全面的探索，產生多樣化的RSMs。第三輪學習活 動再設計了師生互動和生生互動的學習支持，發揮了 RSMs 在整合階段的導向 性。
圖 5-2 三輪 STEM 學習活動的側重點
二、STEM學習活動內容設計
(一)STEM學習活動項目的選擇
STEM 學習活動的項目為“意面棉花糖塔”，選擇該項目的主要原因有以下 三點：
* 八'、•
第一，“意面棉花糖塔”活動目標契合 STEM 課程目標。這一活動源于國 外的經典合作項目 “棉花糖挑戰”(Marshmallow Challenge)，活動要求項
目成員使用 20 根長形意大利面、一卷膠帶、一卷繩子和一粒棉花糖，搭建出一 個盡可能高的穩定結構，并將棉花糖置于頂部。這個項目被廣泛運用到商業培 訓、建筑師訓練和創新課程中，用于培養學員的創造力、實踐能力和團隊協作 精神，并引發了基礎教育對這一活動項目的關注。許多 STEM 教師開始在中小 學課堂中探索和完善“棉花糖挑戰”的學習活動設計，以此來培養學生的問題 解決能力和創造能力。
第二，國外許多課程和教學機構對此項目進行了探索，提煉了背后的科學內 容，發展出了多個課程項目。美國斯坦福大學設計學院面向小學低年級學生對項 目進行了針對性改良，將學習活動調整為小組合作完成塔的構建和測試，激發學
44 生進行批判性思考①。美國科羅拉多大學工程學院結合美國《下一代科學標準》 （Next Generation Science Standards，簡稱NGSS），面向初中低年級的學生，將 活動拓展為“意面棉花糖塔”，加入更多的材料，要求學生利用 20根長形意大利 面和 30 個迷你棉花糖建造高且堅固的塔。學生從中學習壓力和張力的概念以及 建筑的基本結構②。
第三，我國校內外教育機構也關注到了這一項目，但在本土化的過程中仍 遇到了前述所說的“無腳手架支持”、“問題難度偏低”、“僅僅追求成功”等問 題。例如，上海STEM云中心2017年將“棉花糖挑戰”項目改進為“意面搭 建”和“小小橋梁建筑師”兩節STEM課程活動，學生通過使用材料建造高 塔，來了解結構力學的相關知識。教師在活動過程中極大降低了問題的難度， 先為學生提供設計良好的結構方案（使用幻燈片呈現三角形和四邊形的結構）， 再由學習者使用長形意大利面制作出相應的結構模型③。還有許多學校也使用此 項目開展STEM學習活動，教學對象覆蓋幼兒園到高中各教育階段的學生，但 活動以完成塔的搭建為主要目標，而非挖掘其科學內涵，忽略了活動中存在的 巨大學習可能性④⑤。
（二）STEM學習活動目標的設計
在學習活動實施之前，筆者與團隊合作成員、一線科學教師對學習活動設 計進行了多次商討。本研究參照美國科羅拉多大學工程學院改良后的“意面棉 花糖塔”活動設計（詳見附錄III）以及國內外相關實踐案例，確定了學習活動 的目標，如表 5-1 所示。
①d.School. Spaghetti Marshmallow Challenge[EB/OL]. [2022-03-25]. https://dschool.stanford.edu/resources/spaghetti-marshmallow-challenge
②TeachEngineering. Learning Tower of Pasta [EB/OL]. [2022-03-25]. https://www.teachengineering.org/activities/view/cub_mechanics_lesson10_activity1
③上海 STEM 云中心 . 【 STEM 課程】風靡歐美的意面棉花糖 “ 塔 ” 里藏著怎樣的建筑奧秘？ [EB/OL]. (2017-06-17) [2022-03-25]. https://mp.weixin.qq.com/s/0Jcju7-6T9xJMxgPig6XCw
④洛陽市第二外國語學校. 棉花糖挑戰”寓教于樂，課還能這么上，洛陽二外 STEAM 撬動傳統課堂~
[EB/OL]. (2017-12-28) [2022-03-25]. http://www.ly2y.com/newsshow.php?cid=21&id=1317
⑤波士頓國際學校. 棉花糖挑戰 [EB/OL]. (2018-10-18) [2022-03-25]. http://www.bostonis.org/zh-hans/the- marshmallow-challenge/
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表 5-1 “意面棉花糖塔”學習活動目標
目標維度 學習活動目標
目標概念 1.1學生繪制方案設計圖，了解塔的基本結構
1.2 學生建造信號塔模型，理解建筑材料的“壓力”和“張 力”的含義及其對建筑結構的影響
2.1學生繪制方案設計圖，掌握方案設計圖的繪制方法
2.2學生建造信號塔模型，掌握特定建筑結構的建造和加 目標能力 固方法
2.3學生通過展示、匯報和交流，利用多種方式清晰呈現
學習過程和結果，反思個人學習過程
3.1學生寬容和淡化失敗，養成失敗安全的意識
3.2學生樂于探索問題，養成解決問題的能力
3.3通過小組合作解決復雜問題，培養個人的責任意識和 小組協作能力
（三）STEM學習活動任務的設計
為了實現以上學習目標，筆者以“疫情期間云南小米地村因無寬帶，學生爬 山上網課導致感冒”為問題情境，設計了學習活動總任務：學生接受中國鐵塔部 門的任務要求，化身工程設計師，為云南小米地村建設信號基塔。該總任務可分 解成三個子任務：
子任務 1：方案設計。學生需要結合云南地區小米地村的地理特點，繪制信
號基塔的設計方案，從中了解塔的基本結構;
子任務 2：建造模型。學生結合方案設計圖，利用 20 根長形意大利面和 30 個迷你棉花糖制作出相應的模型，探索建筑材料的性質（長形意大利面具有良好 的壓力，但是張力不足;棉花糖具有很好的張力，也可承受一定壓力）;
子任務 3：展示交流。各學生小組展示自己的方案設計圖和塔的建筑模型，
其他小組的學生提出問題，展示小組作解釋。
46
第二節第一輪STEM學習活動設計與研究
一、第一輪STEM學習活動的設計
有效失敗學習設計主要包含兩個學習階段的設計。第一輪 STEM 學習活動 圍繞兩個學習階段中的學習活動、參與結構和社會環境三個層面進行了設計，接 下來將具體描述。
（一）生成—探索階段的學習設計
1.設計學習活動：設計復雜問題情境
本學習活動的問題情境根植于現實生活中的困難。教師為學生提供了一則新 聞報道視頻：新冠肺炎疫情期間，全國推行了“停課不停學”的倡議。云南昭通 小米地村尚未覆蓋網絡信號，學生只能爬山尋找信號上網課，因天氣冷導致感冒。 隨后發布任務：學生作為中國鐵塔工程部門的設計師，需要為小米地村設計和建 造信號基站塔。
考慮到不同的問題描述方式對學生的吸引力，本學習活動采用工程設計師和 不同部門同事之間進行對話的形式構建問題情境，提示學生完成“方案設計”和 “模型建造”兩個學習活動。在活動過程中，為學生提供相應的學習單作為失敗 驅動的腳手架。
筆者通過與各任課教師的溝通和與學生的課下交流，探悉了學生所具備的 先前知識。七年級的學生對于日常生活中常見的塔的結構和功能有一定認識， 并對不同形狀的結構穩定性較為熟悉，對簡單的結構也可以進行初步的受力分 析，但是對于材料的性質（主要指張力和壓力）及其在結構中的應用不夠了 解。
2.設計參與結構：實現小組協作
在本學習活動進行分組之前，筆者首先與七年級A班的班主任就學生的能 力水平進行了溝通了解，結合學生在常規課堂中的分組，筆者對學生進行了異 質分組，混合了高、低學習成績以及不同性別的學生，盡可能發揮學生潛力。
學習活動過程中，教師需要不斷監控學生的合作過程，為學生合作提供更 多支持。例如，主動詢問合作存在問題的小組是否需要幫助，提醒小組關注未
47
參與合作的組員等。
3.設計社會環境：安全的探索環境
生成—探究階段的社會環境設計的目標是營造安全的探索環境，讓學生意 識到出現錯誤也沒有關系，但是要盡力嘗試多種解決方案。本研究采用了多種 方式創設安全的探索環境。首先，問題情境本身具有多種解決方案，并且沒有 標準答案；其次，在學生進行問題探索之前，教師反復對學生強調“多進行嘗 試，信號塔不夠高或不夠堅固都沒有關系”；最后，當學生遇到問題向教師求助 時，教師并不立刻給予幫助，而是鼓勵學生嘗試自行解決問題。
（二）整合階段的學習設計
1.設計學習活動：比較和分析不同解決方案的優勢和限制
整合階段的活動設計的重點在于教師和學生合作互動，通過全班討論，比
較不同解決方案的優勢和限制。此外，本學習活動要求學生小組在活動過程
中，利用 A3 紙記錄小組的設計方案、建造過程以及可改進之處，為學生比較 和分析不同的解決方案奠定反思基礎。通過比較不同小組的建筑結構穩定性， 引導學生關注長形意大利面和迷你棉花糖的“張力”和“壓力”兩種性質及其 在建筑結構中的應用。
2.設計參與結構：促進學生參與
本學習活動設計了展示交流的活動環節和“小組互評單”學習單（詳見附錄 IV）促進學生參與。首先，學生小組被邀請向其他同學展示小組的工作（可以借 助 A3 紙），教師使用問題引導學生的注意力集中在塔的結構以及長形意大利面 和迷你棉花糖的性質上；然后，教師鼓勵其他同學進行提問，引導學生利用“小 組互評單”思考自己小組和展示小組的兩種解決方案的差異。
3.設計社會環境：安全的探索環境
整合階段的課堂討論中，教師和學生需要將注意力集中在目標概念上，而 非評選出最優的解決方案。在比較解決方案的過程中，教師不斷通過“為什 么”的問題引導學生理解為何某些解決方案優于其他解決方案，以此發揮 RSMs 的導向性。
48
第一輪STEM學習活動的流程如圖5-3,具體學習活動設計方案詳見附錄
IV。
圖 5-3 第一輪 STEM 學習活動流程
二、第一輪STEM學習活動的實施效果分析
在七年級A班開展了第一輪STEM學習活動的兩節課教學，每節課為60 分鐘。根據課堂觀察、課后研討和學生反饋等方面的信息分析，第一輪STEM 學習活動設計取得了一定的教學效果，也有一些不足之處，如表5-2所示。具 體分析如下。
表5-2第一輪STEM學習活動達成的學習目標
目標概念 目標能力 目標價值
1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3
第一輪學習活 動目標達成 扌 V 扌 V X X V V
注：“V ”表示學生完全達成相應目標，“,”表示未能完全達成目標，“X”表示 未能達成目標，下同。
（一）第一輪STEM學習活動達成的目標
1.學生通過合作探索，達成了目標概念1.2，目標能力2.2和目標價值3.2，
部分達成了目標概念1.1 和目標能力 2.1
在方案設計活動中，學生小組合作討論了生活中常見的塔的形態，結合問 題情境和任務要求設計了不同的信號塔方案，初步掌握了方案設計圖的繪制方 法。在方案設計過程中，有的小組設計了“集裝箱”的原型（如圖5-4左），以 塔的堅固程度為重，理由是“抵御云南地區偶發的惡劣嚴寒天氣，而且大大減
49
少了損耗，增長了使用年限”。有的小組以現有的塔為原型，設計了三足支撐的 高塔（如圖 5-4 右），原因是“山區較多，而且山也高，學生的家離山比較遠， 所以需要更高的塔，這樣才能提供更大的覆蓋范圍，為整個地區提供網絡”。
圖 5-4 D1G2 組和 D1G4 組繪制的設計方案
在模型建造的過程中，學生小組按照方案設計圖建造了信號塔模型的雛
形，結合問題情境檢驗和改進建筑模型，培養了解決問題的能力。例如 D1G3 組在建造出簡單模型之后，小組內四人結合云南地區的地理情況，測試了信號 塔模型的堅固程度。
D1G3 組在模型建造活動中的一個互動片段
（D1G3—S1 已經使用意大利面和迷你棉花糖制作了一個簡單的三足結 構，小組四人準備對此結構進行測試。）
D1G3—S1:（搭好建筑之后看向其他三人）這樣做一個簡單的，咱們可以 先看一下，再繼續按照這個方案放意大利面就行了。這個當底座？是不是就可 以？
D1G3—S2 :這樣肯定是不行的，還要繼續往上面做。現在這個就是不夠穩 固的，很容易就倒了。
D1G3—S3 :云南是不是地震比較多？而且山上會不會有泥石流什么的？
D1G3—S4 :那我拍拍桌子試一試，看看現在的塔會不會倒塌就好了。
（D1G3—S4 用手用力拍桌子模擬地震發生，塔沒有發生變化。）
50
D1G3—S1 :那看來這個底座的質量還是很不錯的。
D1G3—S2 :看視頻的時候不是還有大風？呼呼的，我再吹吹試試。
（D1G3—S2 對塔用力吹氣模擬大風，塔還是沒有變化。）
D1G3—S3 :咱們現在塔的底座還是真的很不錯的，沒有倒。就這樣就很不 錯，但是我們還是得繼續想一下怎么才能繼續完善，才能有挺過這些風險和完 成任務的性質啊。
2.學生進行了有效溝通，實現了核心價值 3.2 和 3.3
在解決問題的過程中，學生小組不斷提出和完善問題方案，進行了有效的 溝通和合作。比如， D1G1 組進行方案設計的一個片段中，通過分析小組內的 話語和外顯行為，筆者發現小組內雖然一直沒有產生出一個較為完整的解決方 案，但出現了協作問題解決的意識和表現。小組內性格比較內斂的學生
（D1G1—S4）也提出了自己的想法，這體現了 D1G1組學生強調知識共享和理 解傾聽。
D1G1 組學生在方案設計活動中的一個互動片段
D1G1—S1:我有想法了！聽了你們兩個的我也有了新的啟發，就是我們可 以搭多個方塊，然后把它們放到一起去。
（D1G1—S1 向眾人展示自己的設計方案）
D丄G1—S2：—.這樣的話要使用好多材料,.我們要先計算出需要多少材料。..
D1G1—S3:我也有想法。
D1G1—S1/ D1G1——S2：（點頭）快說快說！
D1G1—S3 :我覺得可以這樣，就是使用1、2、3、4，4根意大利面我們搭 建兩層，然后上面做出三角形的樣子。
D1G1—S2：感覺你現在像是在做房子，但是我們現在丕是在做房子，—為什 A要做一.個三角形的樣子出來？不需要的吧^
D1G1—S1:D1G1—S3的方案里面再插一根意大利面吧^
D1G1—2:中間再插一根是＞了更加穩固吧，但是真的好嗎？好操作嗎？
51
（眾人陷入一小段思考的沉默）
D1G1—S2 :我想還可以做一個機器人形狀的出來，然后上面就是這樣
子……（同時用手臂從內向外畫圈，表現機器人的輪廓）
D1G1—S3 :不要光說給我們聽呀，畫出來，我們也更容易理解呀！你把你 的想法畫出來。
D1G1—S1 :剛才說到的可以建一個樓房型的，這個也可以。
D1G1—S3 :剛才說到的那個方案？建好幾層出來，最上面可以稍微尖一 些。
D1G1—S2:這個房型需要多少材料呢？
（D1G1—S3 開始按照設計方案圖上面的意大利面數）
D1G1—S3:差不多十根左右。
D1G1—S4:其實 我也有一個想法
D1G1—S2/ D1G1—S3：（鼓勵的眼神）快說快說！
D1G1—S4 :就是，我們可以做一些房子的設計，也是我們之前學過的數 學，就是我們先做一個方形結構出來，這時候就是用四根意大利面作為地基來 撐著上面的結構。
D1G1—S2：對對對，我也是這樣想的^然后呢？你覺得還可以再怎A加 固?
D1G1一S4:里面再加入意大利面，然后連接處使用棉花糖進行加固。
D1G1—S3：這樣很不錯1,
D1G1—S1j_那們總結二下，―就是這個塔要足夠堅固的話，還是需要地基 打得很好，咱們.的?地基采用的就是方形的結構，對吧?一可以用正方形的。
由此片段可以看出， D1G1 組全部成員都能夠積極參與討論，并通過“我 有想法了/我覺得……”（詳見單下劃橫線的話語）的話語提出想法，形成了有 次序的討論，每位成員都能有機會表達觀點，而且其他成員也可以做到認真聽 取，積極參與思考，對他人的觀點給出反饋，做出一定的補充或者回應（詳見 波浪下劃線的話語）。小組內也存在一定的監控和反思行為（詳見雙下劃線的話
52
語），通過這種有效討論，學生可以在一定程度上達成解決問題的共識，形成對 觀點和解決方案的共同理解（詳見虛下劃線話語）。
3.學生注意到了目標概念的關鍵特征，實現了目標概念 1.2
在教師對建筑材料的“壓力”和“張力”兩種性質進行講解時，學生能夠 結合模型建造過程，討論兩種性質在建造過程中的影響。這說明學生小組在問 題解決過程中已經激活了相應前知識，注意到了目標概念的關鍵特征，實現了 目標概念 1.2。互動片段如下（教師用 T 表示，學生用“小組編號—學生編號” 表示）。
第一輪 STEM 學習活動中教師小結的一個互動片段
T:我們來一起思考，為什么有的塔很高，但是卻不夠堅固，為什么有的塔 很矮，卻可以承受很多重量呢？
D1G2—S3 :重心的問題。就是說意大利面太長了，太高了之后重心的位置 比較高，所以一壓就非常容易折斷。
D1G5—S1:就是意大利面太脆了，其實承受不了很多…重量。短了之后好 像沒有那么脆了。
T:大家建造的時候已經發現了，意大利面很脆弱，那為什么它們還是支撐 了那么重的奧利奧呢？
D1G5—S1 :因為它們是與棉花糖連起來的，插在棉花糖上之后里利用棉花 糖的軟站起來了，有好多個就能把奧利奧放上去了。
T:對的，同學們說的“壓”、“站”其實反映在建筑設計中，就是建筑材料中 廣泛運用的兩種性質——“壓力”和“張力”。 ……
（二）第一輪 STEM 學習活動未達成的目標
1.學生沒有意識到失敗的價值，未能實現目標價值 3.1 學習活動過程中學生未保留失敗的問題表征和解決方案，沒有意識到失敗 帶來的學習機會，第一輪學習活動未能充分營造安全的探索環境，未能實現核 心價值 3.1。在學習活動的過程中，盡管教師已多次強調設計方案沒有正確與
53
否，并在方案設計單中預留了多處空白，學生仍然不愿意記錄下次優方案。比 如在進行方案設計的過程中，教師注意到D1G4—S3用橡皮擦去了已經繪制一 半的設計方案，于是有了這樣一段對話。
教師與D1G4—S3學生在方案設計活動中的一段對話
T:你為什么要擦掉呀？畫得很好呀。
D1G4—S3 :我覺得這個畫得不夠好。
T:覺得哪里不夠好呢？
D1G4—S3 :就是我現在覺得這個，嗯，現在這個就是，擦掉吧。
T:這個可不可以從哪里改進一下呢？
D1G4—S3 :我覺得這個也用不上，擦掉重新畫一個，還是重新畫一個。
有效失敗學習設計十分重視學生所產生的各種解決方案，尤其是失敗的解 決方案。D1G4—S3的兩次設計方案繪制其實并不完全相同，第一次學生繪制 了三棱錐形的結構，第二次為立體梯形的結構，兩種結構都已經初步激活了學 生相關的前知識，但學生并沒有意識到自己繪制的不完善的三棱錐形結構的價 值，錯失了可能的學習機會。此外，學生對“擦掉”這一行為的執著（詳見下劃 線的話語）也反映出學生對失敗、對不完美的拒絕，這同樣不利于對錯誤安 全、贊賞失敗等有效失敗社會環境的營造。
2.學生的方案設計圖比較粗糙，未能完全實現目標概念1.1 和目標能力2.1
從回收的方案設計單、課堂觀察和以及小組討論過程的錄音來看，大部分 學生的方案設計圖比較粗糙，雖能夠辨識出所使用的材料類型，但是對于長 度、數量等并未完全標明。實際上，這也給模型建造過程中的材料數量預估帶 來了困難。此外，D1G4組并不重視繪制方案設計圖的過程，小組內一些成員 在進行了材料的測試后便著手進行模型的建造，未進行更加深入的思考。
3.學生未能充分反思，未能完全實現目標能力 2.3
在整合階段的交流互動中，教師為學生提供了小組互評單，旨在幫助學生 利用關鍵詞的形式對其他小組的作品進行簡單評析，進而反思自己作品的可改
54
進之處。從回收的課堂文本資料和課堂錄像回溯來看，學生對小組互評單的利 用率較低，大部分學生既沒有在課堂上提出相應的問題，也沒有在學習單上留 下關鍵詞。
第三節 第二輪 STEM 學習活動設計設計與研究
一、第二輪 STEM 學習活動的改進嘗試
針對第一輪 STEM 學習活動中的不足之處，第二輪 STEM 學習活動進行了 改進，具體見表 5-3。
表 5-3 第二輪 STEM 學習活動的改進設計
第一輪學習活動中未能
(完全)達成的目標 第二輪學習活動中的改進設計
目標概念 1.1 添加“畫一個塔”的學習活動
①對方案設計單進行再設計
目標能力 2.1 ②講解方案設計圖的要素的時候，使用對
比案例作為失敗驅動的腳手架
目標能力 2.3 將寬泛的小組互評單改為較為細致的問題
提示腳手架
目標價值 3.1 增加一節師生互動交流，探討失敗的經歷
以及失敗之后的做法
第二輪的學習活動設計著重改進學習活動和學習支持，增強學生產生的
RSMs 多樣性。具體改進措施如下：
第一，在保持原有教學結構的基礎之上，在生成—探究階段增加“畫一個 塔”的學習活動。利用這一活動幫助學生思考塔的基本結構和功能，同時通過 簡單繪畫，規避學生在方案設計活動中產生的無效失敗。
第二，對方案設計活動中使用的學習單進行再設計。弗萊沃(Kelsie
Fowler)認為，可以利用“大塊空白+解釋性問題”的學習單布局促進學生對單
55 一或者系統主題的闡述和理解①。本研究采用這一學習單布局設計，添加了“材 料使用情況：意大利面___根，棉花糖 個”、“為什么要這樣設計呢？”和 “這樣設計的優勢在于”三個解釋性問題，并提供兩份學習單，將學生的思維 推向新的方向。
第三，為了增進學生對目標概念1.1和目標能力2.1 的掌握程度，教師利用 對比案例講解方案設計圖的要素，引導學生關注目標概念的深層特征②。對比案 例支持學生自主發現自己的解決方案中存在的缺點，并進行相應改進。本次學 習活動實施中將方案設計圖作為對比案例（如圖 5-5 所示），為學生展示優良兩 種設計方案，強調方案設計圖中“具體結構名稱”、“材料數量”和“材料類 型”三個要素。
第四，將寬泛的小組互評單改為較為細致的問題提示腳手架，促進目標能
力2.3 的實現。第二節課的學習活動將提供給學生問題提示腳手架，引導學習 者進行互相提問和解釋，進一步澄清核心概念的深層特征。問題提示腳手架如 下：
?這一小組的設計方案有何優點？
•這一小組的建造過程是否合理？
①FOWLER K, WINDSCHITL M, AUNING C. A Layered Approach to Scientific Models [J]. The Science Teacher, 2020, 88(1): 24-36.
②ROLL I, WIESE E S, LONG Y, et al. Tutoring self-and co-regulation with intelligent tutoring systems to help students acquire better learning skills [J]. Design recommendations for intelligent tutoring systems, 2014, 2: 169 182.
③對比案例中的兩個對比設計圖參考自劉徽,楊佳欣,徐玲玲,張朋,王司閆.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[J]•華東師范大學學報(教育科學版),2020,38(06):51-59.
56
•這一小組如何利用了棉花糖/意大利面的特點？
•自己小組還可以如何改進？
第五，因為部分同學仍然沒有意識到失敗的價值，在導入環節增加一節師 生互動交流，探討失敗的經歷以及失敗之后的做法，并盡可能營造失敗安全的 課堂互動氛圍。
最后，相較于第一輪 STEM 學習活動流程，第二輪 STEM 學習活動流程如 圖5-6所示，學習活動設計方案詳見附錄V。
第一輪
STEM
學習活動
二、第二輪 STEM 學習活動的實施效果分析
在七年級 B 班開展了第二輪 STEM 學習活動，同樣為兩節課，每節課 60 分鐘。根據課堂觀察、課后研討和學生反饋等方面的信息反饋，相較于第一輪 STEM 學習活動，第二輪 STEM 學習活動達成的學習目標如表 5-4 所示。
57
表5-4前兩輪STEM學習活動達成的學習目標
目標概念 目標能力 目標價值
1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3
第一輪學習活 動目標達成 扌 V 扌 V X X V V
第二輪學習活 動目標達成 V V V V 扌 V V V
（一）第二輪 STEM 學習活動達成的目標
1.“畫一個塔”學習活動激活了學生的相關知識，幫助學生實現了目標概
念 1.1
“畫一個塔”的學習活動引導學生繪制生活中見到的塔的形態，促進了學 生理解塔的基本結構和功能，激活了學生的相關前知識。在方案設計活動中， 學生繪制了四種類型的塔，如圖5-7所示。其中包括：
①多筒式結構塔。主要以上海東方明珠形狀的電視塔為代表，三根立柱、
斜撐、塔座、不同大小的球體和發射天線組成，例如圖 5-7 中 D2G1—S1 繪制
的塔，他認為這樣塔的主要應用于電視信號等的發射與接收。
②柱式結構塔。部分同學采用了柱式結構塔的結構，例如可以起到照明作 用的海岸邊燈塔。D2G2—S3同學同樣使用了柱形的結構，她認為這種結構的 塔更有利于承重，塔本身更為堅固。
③塔桅式結構塔。 D2G3—S1 等同學繪制了上塔下桅式結構的結構，此類
結構的塔在移動通訊網絡工程中應用更為廣泛，可以擴大信號的有效范圍。
④錐形結構塔。D2G4S2同學參考埃及金字塔的結構，設計了錐形結構的
塔，并認為這樣的塔適合存放一定物品，為存儲帶來方便。
58
圖 5-7 第二輪 STEM 學習活動中學生繪制的四種類型的塔
（依次為 D2G1S1、D2G2S3、D2G3S1 和 D2G4S2 所繪制）
在之后的方案設計中，同樣可以看到這些塔的簡筆畫帶來的影響。例如
D2G2 組從錐形結構塔中獲得了靈感，最終設計和建造了以三棱錐形狀為底座 的模型（如圖 5-8 左）。 D2G3 同學認為柱形結構的塔更為堅實，小組在討論中 最終選擇了以柱形結構作為基礎，建造最后的塔（如圖 5-8 右）。
圖 5-8 D2G2 組和 D2G3 組建造的模型
2.改進后的學習單與對比案例引導學生實現了目標能力 2.1
在方案設計環節中，教師運用對比案例引導學生關注方案設計圖的繪制要 點，幫助學生對于方案設計圖的作用有了更為深入的了解，同時引起學生對這 一環節的重視。改進后的學習單為學習者提供了更多發揮的空間，學生自發利 用多種繪制方法增強方案設計圖的易讀性和可理解性。
59
圖5-9 D2G1—S2繪制的方案設計圖
圖5-10 D2G3—S4繪制的方案設計圖
如圖5-9所示，D2G1—S2繪制了設計塔的側視、俯視等不同角度的視圖， 形成更為立體的方案設計圖。圖5-10展示了 D2G3—S4繪制的方案設計圖，她 標注了不同結構中建筑材料的使用情況，同時解釋了這一方案的設計原因、可能 遇到的問題以及解決方案：“高，但不足的是粘合時用的棉花糖會不足，可以通 過揪開棉花糖來解決問題”。
3.問題提示腳手架提升了生生互動有效性，學生實現了目標能力2.3和2.4 在第二階段的學習活動中，當小組在講臺上展示完成設計方案和模型建造 之后，其他小組的同學結合問題提示腳手架提出問題。同時，教師也通過提問 的方式引導學習者進一步解釋。下面所示的片段展示了 D2G2組展示交流完之 后，其他小組進行有序發問，教師僅對于提問秩序進行維持，并在必要時期補 充提問的場景。
60
D2G2 組展示交流活動中的一個全班互動片段
D2G5—S3 :你們小組是如何進行分工合作的呢？
D2G2—S4:（稍遲疑）我們主要是一部分在做意大利面和棉花糖連接起 來，一部分人把意大利面折半，然后其他的人主要負責揉棉花糖。
T:你們是怎么折意大利面的呢？
D2G2—S2 :就是比較一下長度。不比較的話就不一樣長，就容易歪了。
T:大家還有什么問題想要提問第二小組呢？
D2G4—S1 :為什么設計成這樣子？設計原理？
D2G2—S2 :正方體較為堅固。
D2G4—S2:但是不是三角形更為牢固一些嘛？
D2G2—S2 :還要考慮奧利奧的放置問題，要把奧利奧放上去。
D2G2—S3 :（連忙進行補充）但是我們把正方體各個面都連接了對角線， 所以其實還是把正方形變成了三角形，結果就還是三角形更為穩固一些的。
D2.G3—S2:如果要增加高度的話，你們小組將會如何改進？.
D2G2—S3 :在正方體上面增加一層。
D2G1—S2:你們怎么能在增加高度的時候，同時保持那個重量的就可承受 重量不變？
D2G2—S2 :這方面我們暫時沒有辦法，我們也希望可以再聽聽其他小組的 做法。
從片段中可以看出，全班同學進入了比較自治的學習氛圍。每個小組均對 D2G2 組的作品和設計過程進行了提問， D2G4 組最初使用了教師提供的示例問 題進行提問（詳見下劃線的話語），隨后也進行了針對性追問（詳見雙下劃線的 話語）。 D2G3 組和 D2G1 組的提問話語之間也有著緊密的聯系（詳見波浪下劃 線的話語）。
4.學生未逃避失敗，實現了目標價值 3.1 課堂伊始，師生共同就科學實驗過程中的失敗進行了討論。學生一致認 為，失敗并不可怕，重要的是要對失敗的經歷進行反思，從中進行學習。在第
61
二輪 STEM 學習活動的兩節課學習中，均未出現學生逃避失敗等現象。
（二）第二輪STEM學習活動未達成的目標 改進后的第二輪學習活動設計實現了預期效果，但在對課堂錄像視頻進行 分析過程中發現，目標能力2.3仍需要進一步加強，仍然需要進一步發揮RSMs 的導向性，引導學生小組有意識結合自己的方案進行提問。第二輪學習活動 中，D2G3組僅在D2G2組展示交流完之后提出了“如果要增加高度的話，你們 小組將會如何改進？”的問題，并沒有參與到與其它小組的交流討論之中。這說 明問題提示腳手架仍然還可以改進，促進學生之間充分的交流與互動，推進科 學概念的澄清。
第四節第三輪STEM學習活動的設計與研究
一、第三輪STEM學習活動的改進嘗試
第二輪STEM學習活動中，學生未能完全實現整合階段的交流與反思。針 對部分學生仍無法有效參與討論的問題，第三輪學習活動仍采取提問交流的方 式，同時，教師和學生共同商討和建立起“每個小組都要提出一個問題”并且 “問題要從自己小組的作品出發”的課堂交流規則。最終商討結果如下：
作為聽眾，我們要做到認真聆聽每一組同學的匯報， 每個小組結合自己的作品，至少提出一個問題：
•與我們的方案相比，他們小組的方案的優點是 ，缺點是 ；
?與我們的建造過程相比，他們小組的 （步驟）更為合理；
•與我們相比，他們小組還發現可以 利用棉花糖/意大利面；
•與他們相比，我們小組還可以從 繼續改進和加油。
第三輪STEM學習活動僅優化了展示交流活動中的問題提示腳手架，相較 于第一輪和第二輪STEM學習活動，第三輪STEM學習活動流程如圖5-11。第 三輪STEM學習活動設計詳見附錄V。
62
二、第三輪 STEM 學習活動的實施效果分析
第三輪 STEM 學習活動在七年級 C 班進行，同樣為兩節課，每節課 60 分 鐘。相較于第二輪 STEM 學習活動，第三輪 STEM 學習活動達成了全部的學習 目標，如表 5-5 所示。由此可見，基于有效失敗的初中 STEM 學習活動能夠引 導學生達成全部學習目標，可以應用于初中 STEM 課堂中。
表 5-5 三輪 STEM 學習活動達成的學習目標
目標概念 2.1 目標能力
2.2 2.3 目標價值
1.1 1.2 3.1 3.2 3.3
第一輪學習活
動目標達成 扌 V 扌 V X X V V
第二輪學習活
動目標達成 V V V V 扌 V V V
第三輪學習活
動目標達成 V V V V V V V V
在整合階段中，學生更為積極地參與到了匯報交流過程中。學生小組結合問
題提示，根據方案生成了至少一個問題。學生之間形成了更自治的探究共同體，
63
RSMs 的導向性得到充分發揮。例如， D3G1 組展示了利用建造的錐形結構塔， D3G3組對其提出問題，隨后全班同學共同針對D3G3組的方案進行了改進，全 班同學有序提出了自己的意見，并自主進行提問和提供替代方案。
第三輪STEM學習活動中全班交流的一個片段
D3G3—S1:我們小組是金字塔型的結構，在建造的過程中我們也在思考怎 么通過修改形狀來增加堅固度。聽完這兩個小組的匯報也給了我們一些啟發。
D3G1—S1 :是什么啟發呢？
D3G3—S1 :我們小組也想通過改進上半部分的三角結構，也設置成可以承 重更多的立方體結構。
D3G4—S3 :你們組也上去講講吧不然。
T:可以呀，歡迎第三小組上來講一下你們的方案，大家歡迎。
D3G3—S3 :我們小組主要也使用了金字塔的結構，首先是用兩個正方形打 一個地基出來，然后再用三角形把整個建筑給加起來，然后再利用棉花糖把兩 個弄起來。再做第二層是為了不讓這個結構三角，然后再向上搭一個三角體， 接著再把它變成一個正方形，就可以把整個結構變得更加牢固。我們小組總共 是用了 24根意大利面和23個棉花糖。
D3G4—S2 :其實我覺得你們小組也挺穩固的了。
D3G4—S3 :他們小組的結構很好，我覺得我們小組要進一步簡化結構了。
T:對的，這個小組的結構非常清晰，用的就是剛才我們也一直強調的三角 形的結構，是最為穩定的。包括第一小組當時也在中間添加了兩根意大利面來 增加堅固程度。
D3G2—S2 :剛才你說到要改進，是怎么改進啊？
D3G3—S2 :主要還是對形狀進行改進，比如把三角形改造成四邊形。
D3G3—S1:就主要還是可以把頂部改進得稍微大一些，這樣也可以去承受 重量了。
D3G5—S2 :這好像也不行，因為即使頂部加固了，底部不加固，還是非常 容易倒塌的。
64
T:那要怎么辦呢？
D3G3—S2 :我們可以繼續加固底部和頂部，讓他更加穩固一些。
D3G5—S3 :但是這樣的話你們要怎么保證材料呢？還夠嗎？
D3G4—S2:（連忙說）而且還有時間的問題。
D3G3—S2 :那我們還是可以從底部進行改進，底部足夠穩固也可以。
T:要怎么進行改進呢？對比一下你們的和剛才的塔，有什么區別呢？（教 師示意桌面上的D3G3組和D3G1組兩個小組的塔）兩個分別是什么樣子的 呢？
D3G4—S3 : 一個是方形的，一個是三角形的。
T:（教師將兩種底座的設計方案畫在黑板上）第三小組想一想該如何進行 改進呢？
D3G4—S1 :我知道了！讓我來！（用紅色的粉筆畫出了輔助線）
D3G5—S3:我覺得這樣也可以啊！（使用藍色的粉筆畫出輔助線）
T:還有其他同學有不同的建議嗎？
D3G2—S2:我也有！（上臺使用黃色的粉筆進行補充）
圖 5-12 各組補充繪制的方案設計圖
65
第六章 研究結果與討論
在第四章所建立的研究設計以及第五章基于設計的研究實施過程的基礎上， 通過細致處理和分析研究數據，本章節將依次回應兩個研究問題。圖 6-1 展示了 研究證據和研究結果之關系。
圖 6-1 研究證據及結果關系圖
如圖 6-1 所示，針對研究問題一，本研究收集學生的方案設計單和遷移測試 單，分析得出學生生成的問題表征和解決方案的數量和種類均有增加，學生在學 習活動后的遷移測試的得分有所提高，證明基于有效失敗的 STEM 學習活動能 夠有效促進學生的學習，回答子問題①；本研究利用學習現象分類框架，識別出 學生在學習活動中產生的四種學習現象，并得出有效失敗學習現象增加，無效失 敗學習現象減少，回答子問題②。本研究通過學習行為編碼框架，編碼學生學習 過程的學習行為，總結學生的行為頻次和行為模式，回答研究問題二。
66
第一節 學生的學習結果分析
第五章基于設計的研究實施過程已表明，基于有效失敗的 STEM 學習活動 引導學生達成目標概念、目標能力和目標價值三維度的學習活動目標，可以應用 于初中STEM課堂教學中。
本節是對研究問題一的子問題①的回應。本研究設計并使用了兩種學習單， 從兩方面檢驗學生的學習結果。第一是方案設計單，收集了學生在生成—探究階 段生成的問題表征和解決方案，用于檢驗學生小組的RSMs多樣性；第二是遷移 測試單，測試了學生在學習活動結束后的對相似問題的遷移水平。以下是具體的 研究數據及結果。
―、RSMs多樣性
經過三輪STEM學習活動，本研究共收集了 60份方案設計單。通過內容 分析法對 60 份方案設計單進行分析，析出了 99 個設計方案，也就是學生在學 習過程中生成了 99個問題表征與解決方案（即RSMs）。結合塔的建筑結構分 類，歸納出了 16種類型。三輪STEM學習活動各組的RSMs多樣性如表6-1和 圖6-2所示。
67
表 6-1 三輪 STEM 學習活動各組的 RSMs 多樣性
輪次 組號 寸匕i=r
數量 種類 具體結構類型(數量)
D1G1 4 3 立方體柱形(1)、梯形(1)、多筒(2)
D1G2 8 4 立方體柱形(4)、直筒(1)、錐形(2)、
其它(1)
第 D1G3 6 4 梯形(2)、柱形(2)、立方體+棱錐組合
輪 (1 )、其它(1 )
D1G4 4 2 錐形(2)、梯形(2)
D1G5 6 4 錐形(3)、三棱柱柱形(1)、立方體柱形
(1)、塔桅(2)
D2G1 8 4 錐形(3)、梯形(2)、棱錐+梯形組合(1)、 多筒(2)
塔桅(2)、直筒(1)、立方體柱形(1)、
D2G2 7 6 三棱柱柱形(1)、梯形(1)、立方體+棱
錐組合(1)
第
輪 D2G3 6 4 梯形(1)、錐形(3)、立方體柱形(1)、 塔桅(1)
D2G4 8 3 錐形( 4)、柱形( 2)、立方體+棱錐組合
( 2)
D2G5 6 3 錐形( 3)、立方體柱形( 2)、立方體+棱 錐組合(1)
D3G1 7 4 錐形(2)、梯形(1)、立方體柱形(1)、 塔桅( 3)
直筒(1)、棱錐(1)、三棱柱形(2)、
D3G2 8 5 梯形(2)、梯形+三棱錐組合(1)、其它
(1)
第
輪 D3G3 6 4 錐形( 2)、立方體柱形( 2)、立方體+棱 錐組合(1)、梯形(1)
D3G4 8 5 錐形(2)、梯形(1)、塔桅(3)、棱錐
+立方體平面組合(1)、其它(1)
立方體+棱錐組合(1)、梯形+立方體組合
D3G5 7 5 ( 1)、三棱柱形( 2)、錐形( 2)、塔桅
(1)
68
•第一輪STEM學習活動•第二駝STEM學習活動 第三輅STEM學習活動
圖 6-2 三輪 STEM 學習活動各組的 RSMs 多樣性
從RSMs的數量和類型的整體情況來看，15個小組均產生了多樣化的 RSMs。多樣性最高的是D2G2組，產生了 7個、6種類型的塔，分別為塔桅、 直筒、立方體、三棱柱、梯形和立方體+棱錐組合；最低的是D1G4組，產生了 錐形和梯形兩種類型，共4個塔。
從三輪STEM學習活動的迭代過程來看，學生小組產生的RSMs數量越來 越多，類型也越來越豐富復雜。第一輪STEM學習活動時，學生小組的RSMs 的數量處于4—8個，類型處于2—4種。而第三輪STEM學習活動時，學生小 組的RSMs的數量處于6—8個，類型處于4—5種。
這說明在基于有效失敗的STEM學習活動實施中，學生小組能夠產生多樣 化的RSMs。在生成一探索階段中，學生小組未能得到與學習內容直接相關的 腳手架支持，而是嘗試從多個角度探索和解決問題。通過小組的合作交流，學 生充分激活了相關前知識，擴展了思維的廣度和深度，對問題的深層結構有了 更加充分的理解。
二、遷移效果
依據遷移測試單的評價量規，筆者與另一名研究生共同對三輪STEM學習 活動中 15 個小組生成的解決方案打分，得分如表6-2、表6-3、表6-4所示。
69
表 6-2 第一輪 STEM 學習活動各組遷移測試得分
輪次 第一輪 STEM 學習活動
組號
得分 D1G1
2 D1G2 D1G3 D1G4
3 1 1 D1G5
2
表6-3第二輪STEM學習活動各組遷移測試得分
輪次 第二輪 STEM 學習活動
組號 D2G1 D2G2 D2G3 D2G4 D2G5
得分 2 3 2 1 2
表 6-4 第三輪 STEM 學習活動各組遷移測試得分
輪次 第三輪 STEM 學習活動
組號 D3G1 D3G2 D3G3 D3G4 D3G5
得分 3 3 2 3 2
圖6-3三輪STEM學習活動遷移測試得分箱線圖
70
通過表6-2、表6-3和表6-4可知，在第一輪STEM學習活動中，D1G3和
D1G4 兩組的解決方案只考慮到建筑結構或者建筑材料其中一方面，僅得 1 分。D1G1和D1G5兩組雖然能夠綜合考慮方面進行方案設計，但是不夠全面 細致，得 2 分。僅有 D1G3 一組能夠全面綜合建筑結構和建筑材料的性質進行 設計，得 3 分。而第三輪 STEM 學習活動中，所有的小組均能綜合建筑結構和 建筑材料的性質進行方案設計， D3G1 和 D3G4 兩組均得 3 分。箱線圖（圖 6- 3）也證明了，經過三輪 STEM 學習活動，學生小組的遷移測試得分有所提 高，而且得分也更為穩定。
從研究數據和結果來看，基于有效失敗的 STEM 學習活動引導學生識別并 理解了目標概念的關鍵特征，促進了學生的遷移效果。在生成—探究階段中， 學生小組認識到了塔的不同建筑結構，了解了建筑材料的性質和應用。在整合 階段中，通過全班討論，學生分析了各種建筑結構的優勢和局限性，并利用建 筑材料的性質改進建筑結構。這樣的 STEM 學習活動過程引導學生理解目標概 念的具體含義，促進學生將對概念的學習正確地遷移到相關的問題情境中。
三、結果討論
本研究拓展并證明了有效失敗在 STEM 跨學科學習活動設計和實施中的效 果。在以往的研究中，有效失敗多應用于數學、物理等單一學科的概念學習，通 過學生的前后測對比驗證有效失敗的應用效果。本研究通過三輪學習活動迭代， 證明了基于有效失敗的 STEM 學習活動可以促進學生小組產生多樣化的問題表 征和解決方案，提升了學生在學習活動結束后的相似問題遷移效果。有效失敗學 習設計采用“解決問題—教學”的“低—高”教學結構，引導學生在尚未學習相 關概念之前嘗試對問題進行探索。學生對問題進行表征，生成和檢驗相應解決方 案的過程，既包含學生激活相關前知識，也包括學生運用這些先前知識解讀和理 解新的目標概念①。當學生的先前知識被盡可能激活卻仍然不能解決問題時，學 生更有可能意識到自己的知識缺口所在，提高在直接教學階段的參與度和學習積
① JONASSEN D H. Learning to solve problems with technology: A constructivist perspective [M]. Prentice Hall, 2003.
71
極性，從而形成聯系緊密、組織完整的知識，促進學習遷移效果的提升①。
第二節 學生的學習現象分析
一、學生小組的學習現象
為了達成培養學生創新實踐能力和創新思維的目標，教師需要引導學習者經 歷問題解決的過程并發生有效學習。換句話說，利用有效失敗設計和改進初中 STEM 學習活動，不僅是為了導向學生達成相應的學習目標，實現有效學習的發 生，還要引導學生切實經歷有效的學習過程。此外，以往有關失敗的研究僅檢驗 學生前后測，未能對學生的失敗現象作進一步闡述。有效失敗理論識別和描述了 有效失敗、有效成功、無效成功和無效失敗四種學習現象，為檢驗學生的學習現 象提供了有力工具。
基于此，本研究編碼和分析了學生可能的學習現象。筆者收集了三輪 STEM 學習活動中各個小組的音視頻數據，對有效失敗、有效成功、無效成功和無效失 敗四類學習現象進行了識別和編碼，通過對學習現象的分析和討論，探索學生小 組的學習過程中學習現象種類和數量發生的變化，回答研究問題一的子問題②, 進一步證明基于有效失敗的初中 STEM 學習活動能夠引導學生經歷有效的學習 過程。
根據第四章建構的學習現象分類框架，筆者對三輪學習活動中 15 個學生小 組的學習活動（方案設計和模型建造兩個學習活動）過程進行了編碼，共得到了 193個編碼。筆者分類統計了這些編碼，制作了三輪 STEM 學習活動各小組學習 現象編碼數量表（如表 6-5）和三輪 STEM 學習活動各小組學習現象數量柱狀圖 （如圖 6-4）。
①LOIBL K, ROLL I, RUMMEL N. Towards a Theory of When and How Problem Solving Followed by Instruction Supports Learning [J]. Educational Psychology Review, 2017, 29(4): 693-715.
72
表 6-5 三輪 STEM 學習活動各組學習現象編碼數量
輪次 組號 PF PS US UF
D1G1 2 4 2 4
D1G2 3 4 4 5
D1G3 2 5 5 2
第一輪 D1G4 1 1 2 5
D1G5 2 6 3 3
總 10 20 17 19
D2G1 3 4 3 3
D2G2 4 4 2 2
D2G3 3 4 4 2
第二輪 D2G4 3 6 4 2
D2G5 2 5 3 2
總 15 23 16 10
D3G1 3 5 3 0
D3G2 4 5 2 2
D3G3 3 4 3 3
第三輪 D3G4 4 6 2 1
D3G5 3 4 4 2
總 17 24 14 8
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圖 6-4 三輪 STEM 學習活動各組學習現象數量柱狀圖 注：PF=有效失敗、PS=有效成功、US=無效成功、口卩=無效失敗
對表6-5和柱狀圖（圖 6-4）進行分析得到的結果如下：
1.第一輪 STEM 學習活動中各小組的學習現象數量差別較大，第二/三輪學 習活動中趨于穩定
總體來看，四類學習現象在三輪學習活動中均有體現，但是數量有所變化。 在第一輪STEM學習活動中，四類學習現象的數量高低為：有效成功（20）、無 效失敗（19）、無效成功（17）、有效失敗（10）；學生小組間差異較大。例如 D1G2 組產生了 3個有效失敗學習現象和4個有效成功學習現象，但是D1G4組僅產生 了 1個有效失敗學習現象和1個有效成功學習現象；D1G3組產生了 2個無效失 敗學習現象，但是D1G2和D1G4組的無效失敗學習現象較多。第二輪和第三輪 STEM學習活動中的學習現象數量有所變化，第二輪的學習現象由多到少的順序 為有效成功（23）、無效成功（16）、有效失敗（15）、無效失敗（10），第三輪為 有效成功（24）、有效失敗（17）、無效成功（14）、無效失敗（8），且學生組間差 異減小，學生小組表現較為穩定，趨于一致。這說明基于有效失敗的STEM學習 活動可以改善學生的學習過程，促進學生小組通過小組討論，圍繞問題概念展開 充分的探索。
2.三輪STEM學習活動中，有效失敗學習現象有了較大增加
74
有效失敗學習現象是指在學習活動過程中，學生小組雖然未能產生解決問題 的成功方案，但是通過合作討論，不斷圍繞目標概念進行了充分分析，并嘗試從 不同角度解決問題。這一學習行為可以促進學生的有效學習，也是學習活動改進 的目標。由圖 6-4 可以看出，第一輪 STEM 學習活動僅有 10 個有效失敗學習現 象，小組內最多產生3個（D1G2組），最少僅為1個（D1G4組）。改進學習活 動之后，第二輪 STEM 學習活動中的有效失敗現象有了大幅增加，達到了 15 個， 全部小組均產生了 2 個以上的有效失敗學習現象。第三輪 STEM 學習活動較第 二輪有小幅增加，為 17 個，全部小組均能產生 3—4 個有效失敗學習現象。這說 明學習活動迭代過程中所采取的改進設計能夠有效促進學生產生有效失敗學習 現象，再設計后的學習單等失敗驅動的腳手架有效促進了學生對問題進行分析， 失敗安全的學習氛圍的營造減輕了學習者對失敗的恐懼，鼓勵學習者進行多次嘗 試。
3.三輪 STEM 學習活動中，無效失敗學習現象有了大幅減少
無效失敗學習現象是指學生在學習活動過程中，學生小組未能產生成功解決 問題，也未能圍繞目標概念展開探索。這一學習現象既無法解決問題，也無法引 導學生進行問題分析，需要在學習活動改進中避免。由表 6-5 和圖 6-4 可以看出， 第一輪STEM學習活動產生了 19個無效失敗學習現象，其中D1G1組、D1G2 組和 D1G4 組分別產生了 4、 5 和 5 個無效失敗學習現象。經過學習活動改進之 后，第二輪 STEM 學習活動中僅產生了 10 個無效失敗學習現象，每個小組的無 效失敗學習現象均在 3 個以下。第三輪 STEM 學習活動中僅有 8 個無效失敗學 習現象，而 D3G1 組未產生無效失敗學習現象， D3G4 組僅產生 1 個無效失敗學 習現象。這說明學習活動的改進設計能夠減少學生小組的無效失敗學習現象，引 導學生小組的注意力聚焦目標概念，減少學習者不必要的學習負擔和無效失敗。
4.三輪 STEM 學習活動中，有效成功和無效成功學習現象改善效果有限
有效成功學習現象是指學生在學習活動過程中，圍繞目標概念生成了解決問 題的成功方案，但是未能延伸出多種討論的可能。無效成功學習現象中學生小組 同樣生成了解決問題的方案，但是沒有圍繞目標概念展開討論。這兩種現象雖然
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能夠解決問題，但沒有盡可能激活學生相關的前知識，特別是無效成功學習現象 更是減小了學生討論的可能性，因此要在學習活動改進過程對其進行改善。在第 一輪 STEM 學習活動中，有效成功和無效成功兩種學習現象分別為 20 個和 17 個，第二輪STEM學習活動中分別為23個和26個，第三輪STEM學習活動分 別為24個和14個。這一數據和結果表明，有效成功和無效成功兩種學習現象雖 然有所改善，但是效果有限。
二、結果討論
本研究細致地界定了學生STEM學習活動過程中的有效失敗、有效成功、無 效成功和無效失敗的特征，通過對課堂音視頻數據的編碼和統計分析，分析了學 生小組遇到的學習現象的具體表現，并從學習現象的角度檢驗了學生學習過程的 有效性。在學習活動中，學生小組產生了四類學習現象，但隨著學習活動的改進， 有效失敗學習現象不斷增加，無效失敗學習現象不斷減少，這兩類學習現象的變 化，說明了學生小組討論愈發多元，目標概念的關鍵特征愈發聚焦。本研究補充 完善了有效失敗的應用效果研究。
本研究闡明了失敗驅動的腳手架在改善學生小組的無效失敗現象的價值性 和必要性。失敗驅動的腳手架挑戰了學生現有的知識和經驗，誘發了學生短期內 的失敗的表現，迫使學習者使用次優的問題表征和解決方案進行科學推理，而非 提供給學生解決問題的成功路徑。失敗驅動的腳手架導致學生無法快速解決問題， 使得學生更加細致和嚴謹地處理相關信息和經驗①，學生表現出了更高的科學推 理質量②。問題解決過程中的失敗經歷有可能引發學生的負面情緒體驗，但是這 樣的負面情緒未必一定是消極的③。這些負面情緒促進了學生小組從不同角度和 方向對問題進行定位，激活了盡可能多的相關知識和經驗。
①KNoRZER L, BRuNKEN R, PARK B. Facilitators or suppressors: Effects of experimentally induced emotions on multimedia learning [J]. Learning and Instruction, 2016, 44: 97-107.
②BRAND S, REIMER T, OPWIS K. How do we learn in a negative mood? Effects of a negative mood on transfer and learning [J]. Learning and Instruction, 2007, 17(1): 1-16.
③SINHA T, KAPUR M. Robust effects of the efficacy of explicit failure-driven scaffolding in problem-solving prior to instruction: A replication and extension [J]. Learning and Instruction, 2021, 75: 16.
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第三節 學習過程的特征分析
有效失敗將傳統的“講授—練習”的“高—低”教學結構變成了“問題解決 —教學”的“低—高”教學結構，這必然導致了學生學習過程的改變，因此，本 研究聚焦于學生的學習過程，展開了深入的探索。
本研究通過挖掘學生小組的學習行為數據，分析學生小組的學習過程。學生 小組在問題解決過程中的學習行為是對認知行為加工后外顯化的、有一定目標指 向的行為選擇結果，以及行為選擇結果之間轉移的過程。學生小組的學習行為具 有靜態特征和動態特征兩類：①靜態特征表現為學習者不同的行為選擇結果，可 以通過學習行為分布頻次總結；②動態特征表現在學生的行為選擇過程，通過總 結學生不同學習行為之間的轉換過程得出。
本研究利用第四章中建構的學習行為編碼框架，以學生小組討論過程中的話 輪為分析單位，對學生的學習行為進行了編碼和統計，通過學習行為分布頻次分 析學生小組學習過程的靜態特征，并利用滯后序列分析法（LSA）總結各小組的 行為模式，分析學習過程的動態特征。
一、靜態特征——學習行為頻次
經過三輪 STEM 學習活動，本研究收集了 15 個小組的討論過程的音視頻 數據。根據學習行為編碼框架，對 15 個小組討論過程的音視頻的轉錄文本進行 編碼和統計，共得到 1797 個學習行為編碼。三輪 STEM 學習活動各小組行為 頻次如表 6-6 所示。進一步統計各學生小組的行為占比情況，得到了圖 6-5。
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表6-6三輪STEM學習活動各組行為頻次
輪次 組號 PA PC OO CD SD SE 總
D1G1 9 16 6 5 16 22 74
D1G2 19 40 10 9 37 45 160
D1G3 6 22 7 7 29 35 106
第 D1G4 4 15 8 9 27 34 109
輪 D1G5 10 25 20 12 21 35 111
總 48 118 51 42 130 171 560
占比 8.57% 21.07% 9.11% 7.50% 23.21% 30.54% 100.00%
D2G1 20 18 19 22 39 11 129
D2G2 39 64 7 5 19 29 163
D2G3 17 27 11 3 29 39 126
第 D2G4 7 19 18 6 41 39 130
輪 D2G5 19 28 11 6 24 63 151
總 102 156 66 42 152 181 699
占比 14.59% 22.32% 9.44% 6.01% 21.75% 25.89% 100.00%
D3G1 17 30 10 11 18 33 119
D3G2 18 32 6 16 28 31 131
第 D3G3 10 8 6 6 23 23 76
D3G4 19 29 5 12 25 26 116
輪 D3G5 10 25 4 3 22 32 96
總 74 124 31 48 116 145 538
占比 13.75% 23.05% 5.76% 8.92% 21.56% 26.95% 100.00%
注：各學習行為編碼的含義為：PA=問題分析、PC=問題評判、00=進程引導、
CD=參數制定、SD=方案生成、SE=方案評價
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從學習行為編碼的頻次總體來看，每一輪 STEM 活動中均體現出了 6 類學 習行為，第一、二、三輪 STEM 學習活動中的學習行為編碼分別為 560、 699、 538 個。三輪學習活動中，發生頻次最高的是方案評價學習行為，其次是方案 生成和問題評判學習行為，進程引導和參數制定兩種學習行為較少，問題分析 學習行為則不斷增加。此外，各小組之間存在較大的差異，例如， D1G4 組僅 產生 4 個問題分析學習行為，占 D1G4 組全部學習行為的 3.7%，而 D2G2 組則 產生了 39 個問題分析學習行為，占 D2G2 組全部學習行為的 23.9%； D2G1 組 的方案評價行為僅有 11 個，占比 8.5%，而 D2G5 組則有 63 個方案評價行為， 占比 41.7%。
從三輪學習活動迭代的過程來看，隨著一二三輪學習活動的改進，學生小 組的問題分析行為和問題評判行為均有增加，尤其是問題分析行為增幅較大， 第一輪時只有 8.57%，而第二輪時已經增長到了 14.59%。方案評價和方案生成 兩種學習行為則有減少，例如，第一輪 STEM 學習活動中方案評價學習行為占
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比為 30.54%，而第二輪時減少到了 25.89%。另外兩種學習行為變化不明顯。
以上數據和分析說明，在靜態行為方面：①生成和評價解決方案兩種“方 案精制”類行為是學生小組進行問題解決的主要學習行為；②基于有效失敗的 STEM學習活動促進了學生小組的問題的分析和評判兩種“問題探索”類行 為；③各學生小組學習活動過程中的行為分布差異較大，有的小組偏向于不斷 完善問題解決方案，有的小組對問題情境進行了深入分析。靜態的學習行為僅 能揭示學生在學習過程的學習行為分布情況，展示學生做了什么，并不能探究 學生如何做和為何做。因此，本研究以學生小組為單位，分析了每個小組的動 態學習行為特征，即每個學生小組的學習行為模式。
二、動態特征——學習行為模式
在本研究中，筆者建構了學習行為編碼框架，將學生小組的學習行為劃分為 問題分析、問題評判、進程引導、參數制定、方案生成和方案評價六種學習行為， 并在上文中描述了學生小組六種學習行為的分布。筆者將進一步利用這些編碼， 使用滯后序列分析法研究學生小組在學習過程的行為模式。
學習行為模式的研究過程大致分為兩步：首先，將每個小組的學習行為編碼 導入 GSEQ5.1 工具，生成每個小組行為轉換的殘差值，并繪制各個小組的行為 模式圖；其次，識別每個小組具有顯著性的行為轉換序列，歸納總結典型的學習 行為模式。本研究使用節點和箭頭表明學生小組出現的顯著性行為轉換序列，例 如問題分析f問題分析（PA—PA）、問題分析一問題評判（PA—PC）、問題評 判一問題評判（PCfPC）、方案生成f方案生成（SD-SD）、方案生成f方案 評價（SDfSE）、進程引導f方案生成（OOfSD）等。最后，本研究歸納得出 四種典型的行為模式，分別為：分析導向型行為模式、交織型行為模式、方案導 向型行為模式和進程引導型行為模式。下面將分別闡述：
（一）分析導向型行為模式
D2G2組、D2G3組、D3G2組和D3G4組屬于分析導向型行為模式，如圖6- 6所示。在這一模式中，具有顯著性的行為轉換序列為：問題分析f問題分析（PA
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-PA），問題分析一問題評判（PA-PC），問題評判一問題評判（PC-PC）, 這表明分析導向型行為模式的小組的互動重心在于對問題的深層結構進行探索， 幾乎所有的學習行為都圍繞對問題進行分析和評判展開。以上三種行為轉換序列 在 D3G2 組中均有體現：例如繪制信號塔方案時，學生小組內對信號塔的結構不 夠熟悉，小組結合云南小米地村的地理環境，反復定位塔的結構和功能（這體現 了 PA-PA，以下均簡寫）；當學生依據環境規劃了塔的結構之后，其他學生就 這一結構分析進行了深入的評價，并給出肯定或者否定的理由（PA-PC）；隨 后，學生從不同角度，針對塔的結構、相應功能和改進方面進行了深層的討論（PC -PC） o除了這三種顯著性的行為轉換序列之外，分析導向型行為模式圍繞問題 分析行為產生了較為豐富的學習行為轉換序列，例如 D2G2 組和 D3G2 組出現了 進程引導一問題分析（OO-PA）、其它兩組出現了參數制定一問題分析（CD- PA），前者說明小組成員有意識把控進程，引導學生小組對問題進行分析；后者 說明學生在思考到相關參數時，能夠回到問題本身，進行再次分析，從不同角度 對問題進行定位。學生對于目標概念的理解本就是不斷發展提升的，重復的分析 和評判將會幫助學生全面了解問題的深層結構。
（二）交織型行為模式
D1G2 組、 D1G3 組、 D2G1 組和 D3G3 組屬于交織型行為模式，如圖 6-7 所示。這一模式中具有顯著性的行為轉換序列為：問題分析f問題分析（PA f PA），問題評判f問題評判（PCfPC），方案生成f方案生成（SDfSD），方 案評價f方案評價（SEf SE）,每個小組的顯著行為轉換序列都同時涉及到了 問題相關和解決方案相關的行為，同時，該模式下的行為轉換序列更加多樣且 富有變化。這說明學生小組的互動重心在問題情境和相應的解決方案兩個方 面，呈現出兩類學習行為交織的特點。例如D1G2組中，出現顯著性的行為轉 換序列的是問題評判f問題評判（PCfPC）和方案評價f方案評價（SEf SE）。學生在進行模型建造時，不斷討論意大利面和棉花糖的性質（PCfPC）； 針對小組成員提出的修改方案，不斷對其進行完善（SEfSE）,并通過引導邀 請其他成員發表對方案的意見（OOfSE）。D1G3組中還出現了方案生成f方 案生成（SDfSD）的顯著行為轉換序列，當該小組在進行方案設計時，小組內 氣氛非常活躍，紛紛提出解決方案，并不斷對細節進行補充（SDfSD）,同時 小組內成員還對進行了重復和澄清（OOfSD）。D3G3組還出現了問題分析f 問題分析（PAfPA）的顯著性行為轉換序列，該小組在進行模型建造之前，對 已有的方案設計進行了綜合分析，最終確定可行的信號塔方案。
D1G2 組 D1G3 組
D2G1 組 D3G3 組
圖6-7交織型行為模式
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（三）方案導向型行為模式
D1G1 組、 D1G4 組、 D2G5 組和 D3G5 組同屬于方案導向型行為模式，如 圖6-8所示。這一模式具有顯著性的學習行為轉換序列為：方案評價一方案評 價（SE-SE）,方案生成一方案生成（SD-SD）,方案生成一方案評價（SD- SE）和進程引導一方案生成（OO-SD）,這說明學生小組的互動重心落在對解 決方案的提出和完善上，小組內的學習行為圍繞方案生成和方案評價兩種學習 行為展開。D2G5組出現了進程引導一方案生成（OO-SD）和方案生成一方案 評價（SD-SE）兩種顯著行為轉換序列，小組內同學有意通過協調引導，使用 “你們覺得還可以怎么做？”、“有沒有更好的方法呢？”等話語提示小組成員 提出一定的解決方案（O0-SD）,隨后對這些方案表達自己的看法，給出理由
（SD-SE）o D1G4組還出現了方案生成一方案生成（SD-SD）的顯著性行 為，是因為小組成員提出一個解決方案之后，不斷對方案的細節進行補充，做 進一步闡述。D1G1組出現了方案評價一方案評價（SE-SE）的顯著行為序 列， D1G1—S3 設計了梯形結構的信號塔方案，小組成員不斷對此方案進行完 善， D1G1—S1 再給出改進意見的同時，邀請 D1G1—S2 對方案發表看法， D1G1—S3對所有意見做出回應，同時進一步闡述解決方案。
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（四）進程引導型行為模式
D1G5組、D2G4組和D3G1組均屬于進程引導型學習行為模式，如圖6-8 所示。在這一模式中，僅D3G1組具有進程引導一問題分析（00—PA）這一條 顯著性的學習行為轉換序列， D1G5 組和 D2G4 組雖未出現顯著性的行為轉換 序列，但是學習行為圍繞進程引導展開。D3G1組在學習活動過程中多次通過
“你們覺得云南那邊是怎么樣的呢？ ”、“我覺得他剛才說的……”、“什么樣的 塔最堅固啊？ ”等話語引導小組對問題進行分析。其它小組也多通過進程引導 型話語把控進程，例如“你們有沒有其它想法？ ”、“我也覺得棉花糖是軟的， 可以掰開”、“我們要加快速度了，沒有時間了 ”等。進程引導型行為模式的互 動重心在于進程引導，小組雖然未出現與問題情境和方案相關的顯著性行為轉 換序列，但是每一學習行為均有相應的轉換序列，產生了較為豐富和多樣的學 習互動。
靜態特征揭示了學生學習行為的頻次分布情況，動態特征探究了學生小組
內進行問題解決的行為模式。以上數據和分析證明，基于有效失敗的STEM學
習活動中，學生學習過程的動態特征表現為：①學生小組圍繞問題解決，產生
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了豐富而且多樣化的學習互動；②學生充分發揮了自主性，采用了不同的行為 模式進行學習，如本研究中學生出現了“分析導向型”“交織型”“方案導向 型”和“進程引導型”四種行為模式。
三、結果討論
對學生小組學習活動過程中靜態特征的分析揭示了學生學習行為的分布頻 次，進一步驗證了問題探索（包括問題分析和問題評判）和方案精制（包括方案 生成和方案評價）兩類學習行為對于問題解決的重要作用：有效失敗學習設計提 倡在學生尚未學習目標概念時解決相應問題，這一過程必然決定了學生對于問題 的深層結構、解決方案的成功與否保持敏感。當學生能夠解釋和思考目標概念和 自己已有知識之間的相互聯系時，學生的學習將會更加深入和有效①。
動態的行為模式是學生小組進行行為選擇的過程，是組織各種靜態行為的過 程。本研究是對有效失敗應用于 STEM 學習活動中學生小組的行為模式的首次 探索，并發現學生小組充分發揮了自主性，采用了不同的行為模式進行問題解決， 有的小組將重心放在問題情境的分析上；有的小組落腳于解決方案的生成與評價； 有的小組兩者皆重、呈現交織的特點；有的小組時刻把控進程，確保任務的完成。 這也啟發教育工作者，學生小組具有很強的自主性，能夠高質量完成前知識的激 活和問題的探索，教師需要給予學生更多的信任，轉變自身角色，真正成為學生 學習的伙伴。
① CHI M T. Active-constructive-interactive: A conceptual framework for differentiating learning activities [J]. Topics in cognitive science, 2009, 1(1): 73-105.
85
第七章 結論與展望
本研究的目的在于運用有效失敗，設計和實施初中STEM學習活動，檢驗學 習活動的效果，并探索學習過程的特征。筆者利用基于設計的研究方法，在初中 真實 STEM 課堂中進行三輪學習活動，收集和分析學生學習過程和學習結果的 數據，回答本研究的研究問題，建構有效失敗對STEM學習的促進模型。同時， 本研究從學習活動設計和實施兩方面總結有效失敗在 STEM 學習活動中的實踐 啟示。結合本研究的研究過程和數據，筆者指出研究中存在的局限，展望未來研 究的可能方向。
第一節 研究結論
一、理論發展
從相關文獻的綜述以及有效失敗的理論框架出發，經過三輪學習活動的設計、 實施和改進，以研究數據的分析結果和討論為基礎，回應了研究問題一：“有效 失敗對STEM學習的促進作用體現在哪些方面？ ”和研究問題二：“有效失敗促 進STEM學習的過程具有什么特征？ ”。本研究得出這樣的結論：
基于有效失敗的初中 STEM 學習活動能夠充分激發學生的認知互動，促進 學生生成多樣化的次優問題表征和解決方案（即次優RSMs），提高學生對相似 問題的遷移水平，促進學生的有效學習。多樣化的次優RSMs引導學生圍繞核心 概念展開多種角度的探索，增加了有效失敗學習現象。有效失敗促進STEM學習 的過程具有兩方面的特征：靜態特征表現為“方案精制”和“問題探索”是學生 小組進行問題解決的主要學習行為；在動態特征方面，學生小組產生了豐富多樣 的學習互動，出現了“分析導向型”“交織型”“方案導向型”和“進程引導型” 四種行為模式。
基于此，本研究發展建構了有效失敗對STEM學習的促進模型（圖7-1），回 應研究問題，發展現有理論。
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圖 7-1 有效失敗對 STEM 學習的促進模型
對這一模型的進一步解釋如下：
（一） 有效失敗學習設計能夠促進 STEM 學習
相較于傳統課堂教學，有效失敗學習設計能夠更好地激活學生的先前知識和 經驗，促進學生產生多樣化的次優RSMs。在傳統課堂教學中，教學結構為“高 —低”的“講授—練習”，學生的學習活動起始于教師對目標概念及關鍵特征的 直接教學，隨后學生利用教師講授的知識進行問題解決練習。因此，學生的先前 知識和經驗未被完全激活，習慣于用課堂教學知識應對常規的問題解決，而面臨 生活中的問題時則束手無策。與之不同的是，有效失敗倡導“解決問題—教學” 的“低—高”教學結構，引導學生在尚未學習相關概念時，合作解決現實世界中 的真實問題，產生多樣化的RSMso雖然這些RSMs可能無法成功解決問題，但 是生成 RSMs 的過程激活了學生的相關先前知識。隨后，教師結合學生生成的 RSMs，對目標概念及關鍵特征進行詳細闡述與解釋，幫助學生形成聯系緊密、 組合完整的知識。此時學生已經對目標概念有了深度認識，能夠認識到知識中的 關鍵特征，在需要的時候便可以迅速檢索，實現知識遷移。
（二） 次優 RSMs 導向了有效失敗學習現象
學生在學習和問題解決過程中遇到的種種失敗可以歸結為兩種，一是學生未 能成功解決問題；二是學生在解決過程中生成了失敗的、不完善的解決方案，也 就是次優RSMso有效失敗關注并倡導后一種類型的失敗。本研究證明，這些次 優RSMs導向了有效失敗學習現象，引導學習者經歷有效的問題解決過程。
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真實的問題情境為學生提供了一定的問題空間，學生小組通過合作討論和相 關知識和經驗的激活，生成了一系列RSMs。這些RSMs無法成功解決問題，挑 戰了學生的現有理解，同時為學生小組創造了額外的探究空間。學生小組需要針 對目標概念的關鍵特征，搜索和探索能夠解決問題的相關資源，思考和解釋目標 概念與已有知識的相關性，從不同角度和方向分析和討論問題情境。如此一來， 學習者切實經歷了分析和探索問題、形成問題表征和解決方案、規劃和檢驗解決 方案以及監控和反思的問題解決過程。
（三）學生利用問題探索和方案精制兩類學習行為展開多樣化探索
在進入問題情境之前，每個學生、每個小組都具有多樣化的知識和經驗，同 時有著個性化的學習方式。有效失敗學習設計并不提供給學生成功解決問題的唯 一路徑，而是允許學生在問題空間中進行自主探索。在這樣的學習活動中，學生 是主動的問題解決者，有助于學生提高問題解決能力和交流協作能力，發展對 STEM學習的興趣。
本研究對學生學習過程的學習行為進行了編碼和分析，發現在靜態特征方面， 問題探索和方案精制是學生進行問題解決的主要學習行為，伴隨著學習活動的改 進，問題探索類學習行為不斷增加。在動態特征方面，學生小組產生了豐富且多 樣化的學習行為，同時，學生小組充分發揮了自主性，產生了四種不同的學習行 為模式：第一種是分析導向型行為模式，這一行為模式注重探索問題的深層結構， 幾乎所有的學習行為都圍繞對問題的分析和評判展開；第二種是交織型行為模式， 該模式呈現出問題探索和方案精制兩類學習行為交織的特點；第三種是方案導向 型行為模式，學生小組目標更明確，表現出更強的問題解決能力，持續推動解決 方案的完善進程；第四種是進程引導型行為模式，該小組中學生對于活動進程具 有更強的把控性，圍繞進程引導型話語產生了較為豐富的學習互動行為。
二、實踐啟示
在有效失敗學習設計的第一個學習階段，即生成—探索階段中，教師為學生 提供自由探索的機會，而非提供與學習內容直接相關的幫助。同時，教師需要及
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時精準診斷學生的失敗現象，當學生經歷失敗時，鼓勵學生不斷嘗試，支持學生 的主動學習過程。在整合階段中，教師參考學生的RSMs進行針對性教學，引導 學生完成知識整合。有效失敗學習設計顛覆了傳統課堂的教學結構，將其正確且 有效地應用于課堂實踐對教師來說是一項挑戰。因此，本研究結合有效失敗的關 注重點以及基于設計的研究的實施過程，從學習活動設計和實施兩方面總結了以 下實踐啟示：
（一）學習活動設計方面的啟示
有效失敗學習設計框架從學習活動、參與結構和社會環境三個層面，對生成 —探索階段和整合階段兩個學習階段進行了較為系統的描述。本研究基于有效失 敗理論，設計了“意面棉花糖塔”的學習活動，并通過三輪學習活動的實施、補 充和改進，總結了有效失敗在 STEM 學習活動設計方面的四點啟示：
1.運用現實世界中的真實問題啟發學生思考 在利用有效失敗理論進行學習設計時，教師應當為學生提供具有多種表述
和解決方案的問題情境，而且還需要在實踐過程中反復調整問題的難度。解決 現實世界中的困難和問題是 STEM 教育實踐的核心，這些困難和問題沒有固定 答案，學生可以從多個角度解讀和評估問題，十分契合有效失敗的設計目標。 在將現實世界中的真實問題作為問題情境時，還需要注意以下三點：第一，真 實問題要靠近學生的日常生活經驗，并且蘊含科學知識；第二，問題情境中不 要涉及過多的未知目標概念，否則將會加重學生的認知負荷，分散學生的注意 力；第三，通過溝通、商討和評估，來確定學生先前知識與經驗水平。
2.營造失敗安全的學習氛圍
有效失敗學習設計強調要對社會環境進行設計，為學生創造安全的探索環 境，幫助學生在STEM學習活動中充分探索。當學生在生成一探究階段中遇到 困難時，教師要鼓勵學生進行嘗試。在整合階段時，讓學生認識到比較不同的 解決方案是為了進一步理解目標概念，而非評選出最佳方案。在進行設計和實 施過程中，可以通過兩種方式實現：第一，在學生學習過程中，教師不斷使用 話語、眼神和動作等鼓勵學生不斷嘗試；第二，在學習活動開始前，師生可以
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一同分享失敗的經歷，構建成長型心智模式，改變只追求成功的學習觀念。
3.運用失敗驅動腳手架促進RSMs的多樣性 有效失敗認為要有意識地為學生設計失敗，讓學生在失敗的經歷中激活盡
可能多的前知識，從而產生多樣化的次優RSMs，暴露知識體系中的空白與錯 誤。在實踐過程中，可以使用失敗驅動的腳手架為學生設計失敗，例如，在設 計學習單的時候預留出空白，引導學生自由探索和自主規劃；在引入目標概念 時，通過對比案例的形式引導學生關注和總結目標概念的關鍵特征，而非直接 講授。
4.利用 RSMs 的導向性促進學生反思與改進 在有效失敗學習設計的整合階段中，教師要建立全班討論的環境，引導學
生基于小組產生的次優RSMs進行思考，促進學生反思自己存在的局限并進行 改進，修復學生不完整的、錯誤的想法，引導學生明確目標概念的深層特征。 在發揮RSMs的導向性的時候需要注意：第一，將學生自己產生的解決方案與 其它小組產生的解決方案進行對比，梳理不同解決方案的優勢和局限；第二， 確保每名學生都參與到全班討論中。
（二）學習活動實施方面的啟示
在三輪STEM學習活動設計與改進的過程中，本研究總結了基于有效失敗 的STEM學習活動在真實課堂中實施的兩條建議：
1.教師與學生一同經歷有效失敗 傳統的教學當中，教師通過學生在課堂上的成果產出，切實感受到學生的
“成功”。而有效失敗學習設計中，學生在問題解決過程中生成了許多次優問題 表征和解決方案，經歷失敗和掙扎。教師難以直接精準看到學生的學習效果， 極有可能陷入焦慮和挫敗之中。與此同時，教師要克服教學過程中出現的挫敗 和焦慮，與學生一同經歷有效失敗，觀察學生在學習過程中表現出的無效成功 和無效失敗，積極調整學習活動和腳手架，將無效學習逆轉為有效學習。
2.建立起師生之間的信任關系 有效失敗學習設計中，教師的主要角色是課堂管理者，是學生學習的促進
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者。有效失敗學習設計中，失敗是不可避免的現象，教師還要有意為學生設計 失敗。為了減輕學生的負面情緒，教師需要積極轉變自身角色，真正成為學生 學習的伙伴，建立起師生之間的信任關系。在STEM學習活動的實施過程中， 筆者深深感受到了學生所具備的巨大潛力。學生小組可以實現有效合作和自 治，探尋解決問題的多種方案。當教師認可學生的潛力，并提供足夠的機會引 導學生發揮潛力時，學生也會提升自信心和責任心，相信教師將會對自己的知 識、情感和能力需求有所裨益，同時展現出對課堂活動更高的興趣水平和參與 水平。
第二節 研究局限
盡管本研究在文獻梳理、研究設計和實施方面做了大量工作，但是由于研 究條件、時間等的限制，本研究仍然存在一些不足，具體如下：
第一是學習評價方式的局限性。本研究總結了學生小組在生成一探索階段 生成的問題表征和解決方案的數量和類型，檢測了學習活動后對相似問題的近 遷移效果。囿于研究精力和條件的限制，本研究未能測試學生小組在不同類型 問題的遠遷移效果（例如引導學生思考材料的性質對于城市建設和財政的影響 等），未能做進一步深入的分析，這是本研究的一大局限。
第二是參與者的選擇所帶來的局限。本研究設計和開展了三輪學習活動， 雖然學生屬于同一學校同一年級，但仍舊存在某些差異（例如，通過課堂錄像 發現，相比于 A 班和 C 班學生， B 班學生更為活躍，產生了最多的學習行為編 碼），所以實踐結果和研究結果可能會受到班級內學生差異的影響。
第三是學習活動主題上的局限。本研究的DBR設計和實施過程僅針對S校 七年級學生，迭代精制了一個STEM學習活動主題，即“意面棉花糖塔”本 研究所得出的結論是否對其它主題的 STEM 學習活動同樣有效，需要在后續的 研究中設計和檢驗更多的學習活動主題來驗證。
第四是學習過程中學習行為的編碼與分析。學生的學習過程中蘊含海量信 息，本研究僅選擇了與研究問題緊密相關的六種學習行為，未能全面考察學生
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在有效失敗下的學習行為及其對學習結果的影響。這同樣需要在之后的研究當 中通過更精致的編碼或者更為精細質性的分析來進行完善和精煉。
第三節 研究展望
本研究利用有效失敗對初中 STEM 學習活動進行了設計和改進，擴展和證 明了有效失敗的應用場景和效果。以本研究為起點，結合本研究的結論與局限， 筆者認為圍繞有效失敗，以下幾方面值得進一步探究：
第一，深入探索有效失敗對于學生學習遠遷移的效果。本研究發現，基于有 效失敗的學習活動設計可以促進學生短期內對相似問題的學習遷移，引導學生圍 繞目標概念，實現對問題情境的全面深層思考。現實世界中的問題通常包含的知 識可以在不同領域、不同情境、不同功用的場景中應用，因此，檢驗遠遷移效果 至關重要。同時，該方面的相關研究能夠展現有效失敗學習設計對學生解決不同 類型問題的影響，有助于研究者進一步認識有效失敗及其作用。第二，深度描繪 學生小組的互動過程。本研究從學習行為的角度，對學生小組學習行為的靜態特 征和動態特征進行了探究，并發現學生在學習過程中充分發揮自主性，采用了多 種行為模式進行學習。學生小組在學習過程中會留下大量的數據，依靠這些數據， 研究者可以更加全面地描繪學生小組的互動過程。未來研究一方面可以探索學習 者的認知行為模式（例如知識建構）；一方面可以深入研究不同水平學習在有效 失敗學習中的學習行為模式差異；另一方面，還可以利用不同的數據挖掘技術分 析學生小組的行為模式。
第三，探究有效失敗對教師專業發展的促進作用。有效失敗學習設計不僅是 一套學習活動設計方案，也是一種學習設計策略，引導教師在教學過程中及時診 斷學生遇到的成功和失敗現象，利用教學實踐智慧進行診斷和改進。STEM課程 具有更加靈活的教學內容、教學組織形式和教學評價方式，為教師利用有效失敗 提供了便利。教師如何設計和利用有效失敗、教師如何反思學生遇到的失敗現象、 教師如何提高教學診斷能力等問題都需要研究者從理論和實踐兩方面給予回應。
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參考文獻
中文文獻
[1](美)艾爾•巴比著.社會研究方法第11版[M].北京：華夏出版社.2009, 318-320.
[2]王其云，祝智庭，顧小清主編.教育設計研究理論與案例[M].上海：華東師范大學出版 社.2017.
⑶曹鷺,Michael J.Jacobson，徐光濤.利用虛擬世界及基于代理的模型學習科學探究 計算
機化科學探究模型淺析[J].中國電化教育,2017(07):33-41.
[4]曹鷺.有效失敗與知識遷移:理論、機制與原則[J].開放教育研究,2021,27(03):4-14.
[5]曹培杰.高質量教育需要一場結構性學習變革[J].人民教育,2020(23):55-5 8.
[6]陳向東，余錦鳳.在線交流的內容分析框架研究[J].圖書情報知識,2007(01):87-90.
[7]范文翔，趙瑞斌,張一春.美國STEAM教育的發展脈絡、特點與主要經驗[J].比較教育研 究,2018,40(06):17-26.
[8]胡丹妮，章夢瑤,鄭勤華.基于滯后序列分析法的在線學習者活動路徑可視化分析[J].電化 教育研究,2019,40(05):55-63.
[9]黃璐,裴新寧.科學理性主義視野下的STEM教育思考:知識融通[J].比較教育研 究,2018,40(06):27-34.
[10]劉徽,楊佳欣,徐玲玲等.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[J].華東師范大學學報(教育科學版),2020,38(06):43-69.
[11]劉新陽.利用有效失敗的創客學習活動設計 ——一項探索性研究[J].中國電化教 育,2018(04):82-90.
[12]秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J].中國電化教 育,2017(04):67-74.
[13]邱均平，鄒菲.關于內容分析法的研究[J].中國圖書館學報,2004(02):14-19.
[14]熊和平，王碩.小組合作教學的課桌哲學[J].北京教育(普教版),2017(06):16-19.
[15]徐天戍.有效失敗：英語專業精讀課詞匯教學案例研究[J].合肥學院學報(綜合 版),2019,36(01):127-131.
[16]楊開城，竇玲玉，李波，公平.STEM教育的困境及出路[J].現代遠程教育研
93
究,2020,32(02):20-28.
[17]楊開城.學生模型與學習活動的設計J].中國電化教育,2002(12):16-20.
[18]楊現民,王懷波,李冀紅.滯后序列分析法在學習行為分析中的應用[J].中國電化教 育,2016(02):17-23+32.
[19]楊玉芹.啟發性挫敗的設計研究——翻轉課堂的實施策略J].中國電化教育,2014(11):111- 115.
[20]張瀾，王婷.淺析課堂中“有價值的失敗”的機制及設計原則J].教學與管理,2015(18):94-96.
[21]祝智庭，雷云鶴.STEM教育的國策分析與實踐模式J].電化教育研究,2018,39(01):75-85.
[22]郭婧遠.創客教育中利用有效失敗促進學習的研究[D].上海：華東師范大學,2016.
[23]姜婷婷.有效失敗理論下高中信息技術課程教學過程設計與實踐[D].沈陽：沈陽師范大 學,2020.
[24]李茜.有效失敗教學中的問題設計研究[D].南京：南京師范大學,2019.
[25]王小玲.小學信息技術技能課“有效失敗”教學中支架設計研究[D].南京：南京師范大 學,2020.
[26]魏笑.有效失敗法在高中英語語法教學中的應用研究[D].開封：河南大學,2018.
[27]曹培杰，本報記者黃蔚.STEM教育在學校如何真正落地[N].中國教育報.2018.10.27(第 03 版：信息化)
[28]中國教育科學研究院.中國STEM教育白皮書(精華版)[R].北京：中國教育科學研究 院, 2017.
[29]波士頓國際學校. 棉花糖挑戰 [EB/OL]. (2018-10-18) [2022-03-25]. http://www.bostonis.org/zh-hans/the-marshmallow-challenge/
[30]洛陽市第二外國語學校.棉花糖挑戰”寓教于樂，課還能這么上，洛陽二外STEAM撬 動傳統課堂~ [EB/OL]. (2017-12-28) [2022-03-25].
http://www.ly2y.com/newsshow.php?cid=21&id=1317
[31]上海STEM云中心.【STEM課程】風靡歐美的意面棉花糖“塔”里藏著怎樣的建筑奧 秘? [EB/OL]. (2017-06-17) [2022-03-25]. https://mp.weixin.qq.eom/s/0Jcju7- 6T9xJMxgPig6XCw
94
英文文獻
[1]AKKER J V D. Principles and methods of development research [M]. Design approaches and tools in education and training. Springer. 1999: 1-14.
[2]GRAVEMEIJER K, COBB P. Design research from a learning design perspective [M]. Educational design research. Routledge. 2006: 29-63.
[3]JONASSEN D H. Learning to solve problems with technology: A constructivist perspective [M]. Prentice Hall, 2003.
[4]OECD. PISA 2018 results (Volume III): What school life means for students' lives [M]. OECD, 2019.
[5]VOSS J F. Toulmin's model and the solving of ill-structured problems [M]. Arguing on the Toulmin model. Springer. 2006: 303-311.
[6]ALGHAMDI A H, LI L. Adapting design-based research as a research methodology in educational settings [J]. International Journal of Education and Research, 2013, 1(10): 1-12.
[7]ANDERSON T, SHATTUCK J. Design-based research: A decade of progress in education research? [J]. Educational researcher, 2012, 41(1): 16-25.
[8]BRAND S, REIMER T, OPWIS K. How do we learn in a negative mood? Effects of a negative mood on transfer and learning [J]. Learning and Instruction, 2007, 17(1): 1-16.
[9]BROWN A L. Design experiments: Theoretical and methodological challenges in creating complex interventions in classroom settings [J]. The Journal of the Learning sciences, 1992, 2(2): 141-178.
[10]CHI M T. Active-constructive-interactive: A conceptual framework for differentiating learning activities [J]. Topics in cognitive science, 2009, 1(1): 73-105.
[11]COLLECTIVE D-B R. Design-based research: An emerging paradigm for educational inquiry [J]. Educational researcher, 2003, 32(1): 5-8.
[12]DICKSON B, WEBER J, KOTSOPOULOS D, et al. The role of productive failure in 3D printing in a middle school setting [J]. International Journal of Technology and Design Education, 2021, 31(3): 489-502.
95
[13]ENGLE R A. The resurgence of research into transfer: An introduction to the final articles of the transfer strand [J]. Journal of the Learning Sciences, 2012, 21(3): 347-352.
[14]FOWLER K, WINDSCHITL M, AUNING C. A Layered Approach to Scientific Models [J]. The Science Teacher, 2020, 88(1): 24-36.
[15]GARTMEIER M, BAUER J, GRUBER H, et al. Negative Knowledge: Understanding professional learning and expertise [J]. Vocations and Learning, 2008, 1(2): 87-103.
[16]HOLMES N G, DAY J, PARK A H K, et al. Making the failure more productive: scaffolding the invention process to improve inquiry behaviors and outcomes in invention activities [J]. Instructional Science, 2014, 42(4): 523-538.
[17]JACOBSON M J, GOLDWATER M, MARKAUSKAITE L, et al. Schema abstraction with productive failure and analogical comparison: Learning designs for far across domain transfer [J]. Learning and Instruction, 2020, 65: 101222.
[18]JACOBSON M J, MARKAUSKAITE L, PORTOLESE A, et al. Designs for learning about climate change as a complex system [J]. Learning and Instruction, 2017, 52: 1-14.
[19]JACOBSON M J, TAYLOR C E, RICHARDS D. Computational scientific inquiry with virtual worlds and agent-based models: new ways of doing science to learn science [J]. Interactive Learning Environments, 2016, 24(8): 2080-2108.
[20]JOLLY A. Six characteristics of a great STEM lesson [J]. Education Week, 2014: 1-11.
[21]JORDAN B, HENDERSON A. Interaction analysis: Foundations and practice [J]. The Journal of the Learning sciences, 1995, 4(1): 39-103.
[22]KAPUR M, BIELACZYC K. Designing for Productive Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2012, 21(1): 45-83.
[23]KAPUR M, KINZER C K. Productive failure in CSCL groups [J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 2009, 4(1): 21-46.
[24]KAPUR M, LEE J. Designing for productive failure in mathematical problem solving; proceedings of the Proceedings of the Annual Meeting of the Cognitive Science Society, F, 2009 [C].
96
[25]KAPUR M. A further study of productive failure in mathematical problem solving: unpacking the design components [J]. Instructional Science, 2010, 39(4): 561-579.
[26]KAPUR M. Comparing learning from Productive Failure and Vicarious Failure [J]. Journal of the Learning Sciences, 2014, 23(4): 651-677.
[27]KAPUR M. Examining Productive Failure, Productive Success, Unproductive Failure, and Unproductive Success in Learning [J]. Educational Psychologist, 2016, 51(2): 289-299.
[28]KAPUR M. Productive failure [J]. Cognition and Instruction, 2008, 26(3): 379-425.
[29]KAPUR M. Productive failure in mathematical problem solving [J]. Instructional Science, 2010, 38(6): 523-550.
[30]KEYTON J. Interaction Analysis: An Introduction [M]//BRAUNER E, BOOS M, KOLBE M. The Cambridge Handbook of Group Interaction Analysis. Cambridge; Cambridge University Press. 2018: 3-19.
[31]KNoRZER L, BRuNKEN R, PARK B. Facilitators or suppressors: Effects of experimentally induced emotions on multimedia learning [J]. Learning and Instruction, 2016, 44: 97-107.
[32]LAI P K, PORTOLESE A, JACOBSON M J. Does sequence matter? Productive failure and designing online authentic learning for process engineering [J]. British Journal of Educational Technology, 2017, 48(6): 1217-1227.
[33]LIKOUREZOS V, KALYUGA S. Instruction-first and problem-solving-first approaches: alternative pathways to learning complex tasks [J]. Instructional Science, 2017, 45(2): 195-219.
[34]LOIBL K, ROLL I, RUMMEL N. Towards a Theory of When and How Problem Solving Followed by Instruction Supports Learning [J]. Educational Psychology Review, 2017, 29(4): 693-715.
[35]LOIBL K, TILLEMA M, RUMMEL N, et al. The effect of contrasting cases during problem solving prior to and after instruction [J]. Instructional Science, 2020, 48(2): 115-136.
[36]NACHTIGALL V, SEROVA K, RUMMEL N. When failure fails to be productive: probing the effectiveness of productive failure for learning beyond STEM domains [J]. Instructional Science, 2020, 48(6): 651-697.
97
[37]POOLE M S, HOLMES M E. Decision development in computer-assisted group decision making [J]. Human Communication Research, 1995, 22(1): 90-127.
[38]QUINTANA C, REISER B J, DAVIS E A, et al. A scaffolding design framework for software to support science inquiry [J]. The Journal of the Learning sciences, 2004, 13(3): 337-386.
[39]REISER B J. Scaffolding complex learning: The mechanisms of structuring and problematizing student work [J]. The Journal of the Learning sciences, 2004, 13(3): 273-304.
[40]REYNOLDS R, CAPERTON I H. Contrasts in student engagement, meaning-making, dislikes, and challenges in a discovery-based program of game design learning [J]. Etr&D-Educational Technology Research and Development, 2011, 59(2): 267-289.
[41]ROLL I, WIESE E S, LONG Y, et al. Tutoring self-and co-regulation with intelligent tutoring systems to help students acquire better learning skills [J]. Design recommendations for intelligent tutoring systems, 2014, 2: 169-182.
[42]SCHMIDT R A, BJORK R A. New conceptualizations of practice: common principles in three paradigms suggest new concepts for training [J]. Psychological Science, 1992, 3(4): 207-218.
[43]SCHWARTZ D L, BRANSFORD J D. A time for telling [J]. Cognition and Instruction, 1998, 16(4): 475-522.
[44]SCHWARTZ D L, MARTIN T. Inventing to Prepare for Future Learning: The hidden efficiency of encouraging original student production in statistics instruction [J]. Cognition and Instruction, 2004, 22(2): 129-184.
[45]SINHA T, KAPUR M. Robust effects of the efficacy of explicit failure-driven scaffolding in problem-solving prior to instruction: A replication and extension [J]. Learning and Instruction, 2021, 75: 101488.
[46]SONG Y J, KAPUR M. How to Flip the Classroom - "Productive Failure or Traditional Flipped Classroom" Pedagogical Design? [J]. Educational Technology & Society, 2017, 20(1): 292 305.
[47]TAWFIK A A, RONG H, CHOI I. Failing to learn: towards a unified design approach for failure-based learning [J]. Etr&D-Educational Technology Research and Development, 2015,
98
63(6): 975-994.
[48]TOH P L L, KAPUR M. Is having more prerequisite knowledge better for learning from productive failure? [J]. Instructional Science, 2017, 45(3): 377-394.
[49]VANLEHN K, SILER S, MURRAY C, et al. Why do only some events cause learning during human tutoring? [J]. Cognition and Instruction, 2003, 21(3): 209-249.
[50]WANG F, HANNAFIN M J. Design-based research and technology-enhanced learning environments [J]. Educational technology research and development, 2005, 53(4): 5-23.
[51]WEAVER J P, CHASTAIN R J, DECARO D A, et al. Reverse the routine: Problem solving before instruction improves conceptual knowledge in undergraduate physics [J]. Contemporary Educational Psychology, 2018, 52: 36-47.
[52]WESTERMANN K, RUMMEL N. Delaying instruction: evidence from a study in a university relearning setting [J]. Instructional Science, 2012, 40(4): 673-689.
[53]WIEDMANN M, LEACH R C, RUMMEL N, et al. Does group composition affect learning by invention? [J]. Instructional Science, 2012, 40(4): 711-730.
[54]ZIEGLER E, TRNINIC D, KAPUR M. Micro productive failure and the acquisition of algebraic procedural knowledge [J]. Instructional Science, 2021, 49(3): 313-336.
[55]d.School. Spaghetti Marshmallow Challenge[EB/OL]. [2022-03-25]. https://dschool.stanford.edu/resources/spaghetti-marshmallow-challenge
[56]TeachEngineering. Learning Tower of Pasta [EB/OL]. [2022-03-25]. https://www.teachengineering.org/activities/view/cub_mechanics_lesson10_activity1
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