STEM教育背景下学生问题解决能力的培养

作者:查重猫     发表时间:2020-09-10 16:04:24   浏览次数:15


  摘要:问题解决能力是区分专家与新手的重要特征,在 STEM 教育中处于重要地位。文章首先通过分析问题解决的学习机制,以 Goldilocks Help 问题解决工作流为基础,融入反省法、自我提问法,设计了包括理解、分析、规划、执行与评价五个模块的问题解决模型。随后,文章分析了问题解决模型的特点。最后,文章从学习任务设计、学习资源准备、活动过程设计和学习评估设计四方面,对 STEM 教育背景下学生问题解决能力的培养进行了案例设计。问题解决模型的构建,旨在培养学生的问题解决能力,并推动我国 STEM 教育的顺利开展。

  关键词:STEM 教育;问题解决;反省法;自我提问法

  STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics)强调以项目或问题为驱动,通过学生合作探究与自主学习相结合的方式完成项目或解决问题,旨在培养学生的创新意识、创新能力及问题解决能力。STEM 强调做中学,注重学生体验学习任务或作品的完成过程,促进问题解决能力的发展。可见,问题解决能力在 STEM 教育中处于重要地位。

  一 问题解决的学习机制分析

  1 已有认知结构是问题得以解决的先决条件

  从广义上来讲,问题是任何未能达成的目标;而从狭义上来讲,问题可以代表解决方案规划与实施的难度[1]。由此可知,问题产生的原因是当前状态与目标状态之间存在一定的差距—— 这一差距既与问题的性质有关,也与问题解决者的特征有关。其中,问题的性质是相对静止不变的,而问题解决者的特征并非一成不变。面对同一问题,不同解决者的能力不同,会导致其对问题难易程度的理解不尽相同。如专家和新手在解决问题时的最大不同,就在于知识在其记忆中存储和提取的方式[2]有所不同。一般来说,专家倾向于将知识分层次、分类别地组织起来,以便于存储记忆;而新手更喜欢零散地记忆知识碎片。因此,在解决问题时,专家能更准确地提取相关知识,并能轻松地在多种不同呈现方式的内容(如言语、图片、表格等)之间进行转换;而杂乱无序的知识存储会对新手造成一定的认知负荷。因此,问题解决者的已有认知结构是问题得以解决的先决条件。

  2 反省法帮助探索问题解决中的决策机理

  问题解决是一个发现未知的过程。针对这一过程,研究者纷纷提出了自己的观点,如 Basadur 等[3]提出了问题解决的四个阶段,即问题生成、问题界定、方案设计与方案实施;Newell 等[4] 构建的通用问题解决模型涉及理解与搜索两个阶段;而 Bransford 等[5]认为问题解决需要完成问题识别、问题定义与表征、策略探索、策略执行、回顾反思与效果评价等步骤。虽然不同研究者对问题解决过程的认识不尽相同,但总括起来,仍不外乎问题理解、方案设计、方案实施、效果评估四个阶段。然而,对于问题究竟是如何解决的,即问题解决者在问题的具体解决过程中经历了哪些思考、怎样针对不同的问题表征选用不同的解决方案等,研究者仍然无从知晓。对此,反省法似乎能够打破这一僵局,推动问题解决领域的发展[6]。反省,即反省问题解决的整个思路和过程。通过系统的自我反省,问题解决者能够获得新的问题解决体验,并可能探索出新的问题解决计划。自我观察、自我监控、自我反思是问题解决者进行自我反省的三个关键策略,能够帮助其设计问题解决方案,并最终生成问题解决思路。

  3 自我提问是一种有效的问题解决策略

  问题解决方法包括手段—目标分析法、问题归约法、石川图、生成测试法、试错、排错、归纳、推理等多种,而提问被普遍认为是问题解决的一项有效认知策略[7]。根据提问的主体不同,提问可被分为教师提问、同伴提问、系统提问、自我提问等多种类型。其中,自我提问是指学生自己提出问题,并尝试给出解决方案,主要用于文字处理类课程中,以促进对阅读材料的理解[8][9]。杨小洋[10]根据所提问题的表征深浅度,将自我提问的问题划分为四个水平,即浅表征水平、中等表征水平、深表征水平与元认知表征水平。Joseph 等[11]认为,在阅读前、中、后三个时期都应进行自我提问。Berkeley 等[12]指出,应根据材料中的各级主题进行提问,且反复重读是一种有效的自我提问策略。许云秋[13]提出了自我提问的三种策略,即六何法、有层次提问与诘问作者。不同方面、不同层次的提问,可以帮助学生注意到文本中的重要信息,并对相关概念进行深度理解与思考。

  4 挖掘问题与原有认知结构之间的关联关系能够促进问题解决

  目前,教育学、心理学、计算机等多个领域的研究者纷纷进行了问题解决的相关研究,但研究成果在提升学生问题解决能力方面的有效应用却很少。姚梅林[14]认为,造成这一问题的原因是其忽视了问题解决与学习规律之间的关系。实际上,问题解决是一个经验获得与知识迁移的过程,而在这一过程中,问题解决者原有的认知结构会影响其对问题的理解及其对问题所涉及的新知识的吸收。因此,挖掘并理清问题与原有认知结构之间的关联关系,便能促进问题解决者对问题的理解、更好地吸收新知识,从而有效实现知识迁移,进而促进问题的顺利解决。

  二 STEM 教育背景下问题解决模型的设计与特点分析

  1 问题解决模型设计

  本研究认为,Yuriev 等[15]设计开发的 Goldilocks Help 问题解决工作流基本符合本研究对问题解决模型设计的初衷——该工作流是依据大多数学生所遇到的问题及其原因,基于对已有问题解决的相关研究成果而设计出来的。该工作流的目标是通过为学生提供一定的策略,帮助他们从解决问题时经常遇到的困境中解脱出来,如死胡同(Dead Ends)和错误的开始(False Starts);同时,为学生提供建设性的提示信息,以避免造成认知负荷。总的来说,该工作流符合且属于 STEM 的教学范畴,以流程的形式直观地展现了问题解决的各个步骤,可为学生解决问题提供具体的策略参考和支架支持。但是,该工作流也存在一些不足,如没有将反省法纳入其中、没有考虑选择合适的问题解决方法等。基于上述对 Goldilocks Help 问题解决工作流优点和不足的分析,结合上文对问题解决学习机制的分析,本研究设计了问题解决模型,如图 1 所示。需要说明的是,考虑到 STEM 跨学科的特点,问题解决模型不仅涉及对不同知识之间关联关系的挖掘,还涉及对各学科及其内容之间关联关系的分析。本研究构建问题解决模型的目的,主要在于通过具体、可视化的问题解决流程,让学生不断回顾、反思自己的问题解决过程,深化对任务所涉及的各学科或各章节知识之间关联关系的认识与理解,逐渐培养其问题解决能力。

  问题解决模型包括理解、分析、规划、执行与评价五个模块。其中,理解模块是对任务或问题进行理解,因为充分地理解问题是问题得以解决的前提。此模块中的步骤③是指将问题与已有知识相关联,即初步挖掘新知与旧知之间的关系。分析模块是对问题进行分析,主要涉及对已知条件与未知条件的区分、辨别与再次描述。规划模块是规划问题解决思路,其中对新知与旧知之间关联关系的详实分析、记录既是为发现问题解决思路做充足的准备,也是对学生认知结构的重组和改造。执行模块是严格执行问题解决计划,并考虑此计划是否符合实际的问题解决过程、是否存在需要改进的地方、在后续问题解决过程中需要注意什么问题等。评价模块是评判自己的思路能否完全解决原问题,并进行反思总结和问题归类,以梳理出此问题解决的详细步骤。

  在问题解决模型中,反省法体现在对问题是否解决进行评判之后对各步骤进行逐一排查与梳理的过程中,即反省整个问题解决的过程。除了应用反省法,本研究还将自我提问法融入了问题解决模型——自我提问法并未限定于在问题解决模型中的哪一步骤加以应用,而是在每一步骤都强调引导学生进行自我提问、养成不断自我提问的习惯,从而使问题解决思路逐渐清晰。

  2 问题解决模型的特点分析

  问题解决具有领域性,不存在适用于所有问题的问题解决模型。但是,本研究构建的这种具有通用性的问题解决模型因其具有以下特点,而对学生解决问题具有重要的参考价值:

  ①整个模型遵循点(知识)、线(关系)、面(关系网)的规则,强调新旧知识之间的关联关系,注重对各学科内容之间关联关系的分析与挖掘。

  ②多数问题解决模型是开环的,即强调无论问题解决是否成功,都需要学生对问题解决的整个过程进行反省与总结。

  ③作为学生在问题解决能力培养初期的辅助性框架,问题解决模型中针对每一步骤的问题设计仅供学生参考。在问题解决的具体过程中,学生会应用反省法和自我提问法,逐渐明晰问题解决的思路。随着问题解决能力的不断提升,学生会不断调整问题解决的思路、优化问题解决的策略,最终个性化地解决问题。

  三 STEM 教育背景下学生问题解决能力培养的案例设计

  STEM 是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)与数学(Mathematics)四门学科的融合,但在实际教学应用中又不单指这四门学科。在本案例中,STEM 也并非单指这四门学科,涵盖两门及其以上学科内容的学习均可被认为是 STEM 学习。

  1 学习任务设计

  学习任务的设计主要基于对个性化学习的探索。个性化学习除了要在学习方式、内容等方面适应学生的学习特征和学习需求,也应在教室空间设计方面满足学生的学习需要,以改善学生的学习参与情况。基于此,本案例中学习任务的主题被设计为:3D 打印“你的理想教室”。

  任务要求:作品以 3D 成品展示,并附以报告说明,主要包括设计意图、设计思路、产品自我评价、设计理念来源以及对问题解决过程的详细记录等内容。

  2 学习资源准备

  首先,准备一张学习需求表,让学生回忆在学习过程中对教室布局、物理结构的不满情况;同时,让学生对未来教室进行想象,如未来教室的布局是怎样的、对自己的学习会产生哪些帮助和影响等。然后,学生针对教室的不足,按照自己的需求和想象进行理想教室设计。最后,学生操作 3D 打印机,将设计好的理想教室打印出来。

  设计之初,学生可以参考教师提供的有关教室设计的经典方案、视频、成品等样例,也可以自行在相关网站上搜索资料。教师应当提供 3D 打印机、3D 打印软件、打印所需材料、计算机以及良好的网络环境等。

  3 活动过程设计

  本案例要求 3~5 个学生自由组合成一个学习小组,小组成员分享自己的设计思路并进行融合,最终以一个组合式的“理想教室”3D 模型进行展示。具体来说,作品的设计过程要求遵循问题解决模型,小组成员在问题解决的过程中需详细记录每一步的学习成果和存在的困惑、学习感受等,并形成学习报告;每位小组成员都需要完成各自的“理想教室”设计,并将其通过 3D 打印机打印出来;最终,各小组将小组成员的作品组合在一起,形成一个组合式的“理想教室”3D 模型并进行展示。需要指出的是,小组内的任务分工与学习时间安排,可按各小组的实际情况由小组成员自行商定。

  4 学习评估设计

  学习评估主要从以下方面进行考察:①评估 3D 打印成品的实用性、功能性、美观性、经济性等;②考察学习报告的规范性、整洁性和详细性;③对学生的学习参与情况、小组合作情况进行评估;④从作品展示、汇报交流等方面对学生的表现进行测评。其中,对学习报告中有关问题解决模型的详细记录和说明是本案例学习评估的重点,旨在考察学生对问题解决模型的掌握和应用情况、在问题解决过程中反思问题和自我提问能力的发展情况等。

  相关期刊推荐:《现代教育技术》(月刊)创刊于1991年,由教育部主管,清华大学主办,为中国教育技术协会会刊。本刊秉承“立足学术研究、带动实践探索、促进教育技术发展、推动教育现代化”的办刊宗旨,本刊面向教育理论研究和教学实践探索的诸多领域,尤其关注教育信息化、现代化建设,为教育技术理论研究和实践探索提供学术园地。

  四 结语

  问题解决能力是每一位学生必须了解并掌握的关键能力之一。本研究通过分析问题解决的学习机制,基于 Goldilocks Help 问题解决工作流,设计了问题解决模型。该模型考虑了 STEM 跨学科的特点,旨在培养学生的问题解决能力。此外,本研究将问题解决模型应用于 STEM 学习过程中,进行了具体的案例设计。后续研究将重点进行此案例设计的实践应用,以通过实践的反馈与检验,不断完善问题解决模型。

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