STEM教育背景下學生問題解決能力的培養

發布時間：2020-03-03所屬分類：教育職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：問題解決能力是區分專家與新手的重要特征，在 STEM 教育中處于重要地位。文章首先通過分析問題解決的學習機制，以 Goldilocks Help 問題解決工作流為基礎，融入反省法、自我提問法，設計了包括理解、分析、規劃、執行與評價五個模塊的問題解決模型。隨

　　摘要：問題解決能力是區分專家與新手的重要特征，在 STEM 教育中處于重要地位。文章首先通過分析問題解決的學習機制，以 Goldilocks Help 問題解決工作流為基礎，融入反省法、自我提問法，設計了包括理解、分析、規劃、執行與評價五個模塊的問題解決模型。隨后，文章分析了問題解決模型的特點。最后，文章從學習任務設計、學習資源準備、活動過程設計和學習評估設計四方面，對 STEM 教育背景下學生問題解決能力的培養進行了案例設計。問題解決模型的構建，旨在培養學生的問題解決能力，并推動我國 STEM 教育的順利開展。

　　關鍵詞：STEM 教育;問題解決;反省法;自我提問法

　　STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics)強調以項目或問題為驅動，通過學生合作探究與自主學習相結合的方式完成項目或解決問題，旨在培養學生的創新意識、創新能力及問題解決能力。STEM 強調做中學，注重學生體驗學習任務或作品的完成過程，促進問題解決能力的發展。可見，問題解決能力在 STEM 教育中處于重要地位。

　　一 問題解決的學習機制分析

　　1 已有認知結構是問題得以解決的先決條件

　　從廣義上來講，問題是任何未能達成的目標;而從狹義上來講，問題可以代表解決方案規劃與實施的難度[1]。由此可知，問題產生的原因是當前狀態與目標狀態之間存在一定的差距—— 這一差距既與問題的性質有關，也與問題解決者的特征有關。其中，問題的性質是相對靜止不變的，而問題解決者的特征并非一成不變。面對同一問題，不同解決者的能力不同，會導致其對問題難易程度的理解不盡相同。如專家和新手在解決問題時的最大不同，就在于知識在其記憶中存儲和提取的方式[2]有所不同。一般來說，專家傾向于將知識分層次、分類別地組織起來，以便于存儲記憶;而新手更喜歡零散地記憶知識碎片。因此，在解決問題時，專家能更準確地提取相關知識，并能輕松地在多種不同呈現方式的內容(如言語、圖片、表格等)之間進行轉換;而雜亂無序的知識存儲會對新手造成一定的認知負荷。因此，問題解決者的已有認知結構是問題得以解決的先決條件。

　　2 反省法幫助探索問題解決中的決策機理

　　問題解決是一個發現未知的過程。針對這一過程，研究者紛紛提出了自己的觀點，如 Basadur 等[3]提出了問題解決的四個階段，即問題生成、問題界定、方案設計與方案實施;Newell 等[4] 構建的通用問題解決模型涉及理解與搜索兩個階段;而 Bransford 等[5]認為問題解決需要完成問題識別、問題定義與表征、策略探索、策略執行、回顧反思與效果評價等步驟。雖然不同研究者對問題解決過程的認識不盡相同，但總括起來，仍不外乎問題理解、方案設計、方案實施、效果評估四個階段。然而，對于問題究竟是如何解決的，即問題解決者在問題的具體解決過程中經歷了哪些思考、怎樣針對不同的問題表征選用不同的解決方案等，研究者仍然無從知曉。對此，反省法似乎能夠打破這一僵局，推動問題解決領域的發展[6]。反省，即反省問題解決的整個思路和過程。通過系統的自我反省，問題解決者能夠獲得新的問題解決體驗，并可能探索出新的問題解決計劃。自我觀察、自我監控、自我反思是問題解決者進行自我反省的三個關鍵策略，能夠幫助其設計問題解決方案，并最終生成問題解決思路。

　　3 自我提問是一種有效的問題解決策略

　　問題解決方法包括手段—目標分析法、問題歸約法、石川圖、生成測試法、試錯、排錯、歸納、推理等多種，而提問被普遍認為是問題解決的一項有效認知策略[7]。根據提問的主體不同，提問可被分為教師提問、同伴提問、系統提問、自我提問等多種類型。其中，自我提問是指學生自己提出問題，并嘗試給出解決方案，主要用于文字處理類課程中，以促進對閱讀材料的理解[8][9]。楊小洋[10]根據所提問題的表征深淺度，將自我提問的問題劃分為四個水平，即淺表征水平、中等表征水平、深表征水平與元認知表征水平。Joseph 等[11]認為，在閱讀前、中、后三個時期都應進行自我提問。Berkeley 等[12]指出，應根據材料中的各級主題進行提問，且反復重讀是一種有效的自我提問策略。許云秋[13]提出了自我提問的三種策略，即六何法、有層次提問與詰問作者。不同方面、不同層次的提問，可以幫助學生注意到文本中的重要信息，并對相關概念進行深度理解與思考。

　　4 挖掘問題與原有認知結構之間的關聯關系能夠促進問題解決

　　目前，教育學、心理學、計算機等多個領域的研究者紛紛進行了問題解決的相關研究，但研究成果在提升學生問題解決能力方面的有效應用卻很少。姚梅林[14]認為，造成這一問題的原因是其忽視了問題解決與學習規律之間的關系。實際上，問題解決是一個經驗獲得與知識遷移的過程，而在這一過程中，問題解決者原有的認知結構會影響其對問題的理解及其對問題所涉及的新知識的吸收。因此，挖掘并理清問題與原有認知結構之間的關聯關系，便能促進問題解決者對問題的理解、更好地吸收新知識，從而有效實現知識遷移，進而促進問題的順利解決。

　　二 STEM 教育背景下問題解決模型的設計與特點分析

　　1 問題解決模型設計

　　本研究認為，Yuriev 等[15]設計開發的 Goldilocks Help 問題解決工作流基本符合本研究對問題解決模型設計的初衷——該工作流是依據大多數學生所遇到的問題及其原因，基于對已有問題解決的相關研究成果而設計出來的。該工作流的目標是通過為學生提供一定的策略，幫助他們從解決問題時經常遇到的困境中解脫出來，如死胡同(Dead Ends)和錯誤的開始(False Starts);同時，為學生提供建設性的提示信息，以避免造成認知負荷。總的來說，該工作流符合且屬于 STEM 的教學范疇，以流程的形式直觀地展現了問題解決的各個步驟，可為學生解決問題提供具體的策略參考和支架支持。但是，該工作流也存在一些不足，如沒有將反省法納入其中、沒有考慮選擇合適的問題解決方法等。基于上述對 Goldilocks Help 問題解決工作流優點和不足的分析，結合上文對問題解決學習機制的分析，本研究設計了問題解決模型，如圖 1 所示。需要說明的是，考慮到 STEM 跨學科的特點，問題解決模型不僅涉及對不同知識之間關聯關系的挖掘，還涉及對各學科及其內容之間關聯關系的分析。本研究構建問題解決模型的目的，主要在于通過具體、可視化的問題解決流程，讓學生不斷回顧、反思自己的問題解決過程，深化對任務所涉及的各學科或各章節知識之間關聯關系的認識與理解，逐漸培養其問題解決能力。

　　問題解決模型包括理解、分析、規劃、執行與評價五個模塊。其中，理解模塊是對任務或問題進行理解，因為充分地理解問題是問題得以解決的前提。此模塊中的步驟③是指將問題與已有知識相關聯，即初步挖掘新知與舊知之間的關系。分析模塊是對問題進行分析，主要涉及對已知條件與未知條件的區分、辨別與再次描述。規劃模塊是規劃問題解決思路，其中對新知與舊知之間關聯關系的詳實分析、記錄既是為發現問題解決思路做充足的準備，也是對學生認知結構的重組和改造。執行模塊是嚴格執行問題解決計劃，并考慮此計劃是否符合實際的問題解決過程、是否存在需要改進的地方、在后續問題解決過程中需要注意什么問題等。評價模塊是評判自己的思路能否完全解決原問題，并進行反思總結和問題歸類，以梳理出此問題解決的詳細步驟。

　　在問題解決模型中，反省法體現在對問題是否解決進行評判之后對各步驟進行逐一排查與梳理的過程中，即反省整個問題解決的過程。除了應用反省法，本研究還將自我提問法融入了問題解決模型——自我提問法并未限定于在問題解決模型中的哪一步驟加以應用，而是在每一步驟都強調引導學生進行自我提問、養成不斷自我提問的習慣，從而使問題解決思路逐漸清晰。

　　2 問題解決模型的特點分析

　　問題解決具有領域性，不存在適用于所有問題的問題解決模型。但是，本研究構建的這種具有通用性的問題解決模型因其具有以下特點，而對學生解決問題具有重要的參考價值：

　　①整個模型遵循點(知識)、線(關系)、面(關系網)的規則，強調新舊知識之間的關聯關系，注重對各學科內容之間關聯關系的分析與挖掘。

　　②多數問題解決模型是開環的，即強調無論問題解決是否成功，都需要學生對問題解決的整個過程進行反省與總結。

　　③作為學生在問題解決能力培養初期的輔助性框架，問題解決模型中針對每一步驟的問題設計僅供學生參考。在問題解決的具體過程中，學生會應用反省法和自我提問法，逐漸明晰問題解決的思路。隨著問題解決能力的不斷提升，學生會不斷調整問題解決的思路、優化問題解決的策略，最終個性化地解決問題。

　　三 STEM 教育背景下學生問題解決能力培養的案例設計

　　STEM 是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)與數學(Mathematics)四門學科的融合，但在實際教學應用中又不單指這四門學科。在本案例中，STEM 也并非單指這四門學科，涵蓋兩門及其以上學科內容的學習均可被認為是 STEM 學習。

　　1 學習任務設計

　　學習任務的設計主要基于對個性化學習的探索。個性化學習除了要在學習方式、內容等方面適應學生的學習特征和學習需求，也應在教室空間設計方面滿足學生的學習需要，以改善學生的學習參與情況。基于此，本案例中學習任務的主題被設計為：3D 打印“你的理想教室”。

　　任務要求：作品以 3D 成品展示，并附以報告說明，主要包括設計意圖、設計思路、產品自我評價、設計理念來源以及對問題解決過程的詳細記錄等內容。

　　2 學習資源準備

　　首先，準備一張學習需求表，讓學生回憶在學習過程中對教室布局、物理結構的不滿情況;同時，讓學生對未來教室進行想象，如未來教室的布局是怎樣的、對自己的學習會產生哪些幫助和影響等。然后，學生針對教室的不足，按照自己的需求和想象進行理想教室設計。最后，學生操作 3D 打印機，將設計好的理想教室打印出來。

　　設計之初，學生可以參考教師提供的有關教室設計的經典方案、視頻、成品等樣例，也可以自行在相關網站上搜索資料。教師應當提供 3D 打印機、3D 打印軟件、打印所需材料、計算機以及良好的網絡環境等。

　　3 活動過程設計

　　本案例要求 3～5 個學生自由組合成一個學習小組，小組成員分享自己的設計思路并進行融合，最終以一個組合式的“理想教室”3D 模型進行展示。具體來說，作品的設計過程要求遵循問題解決模型，小組成員在問題解決的過程中需詳細記錄每一步的學習成果和存在的困惑、學習感受等，并形成學習報告;每位小組成員都需要完成各自的“理想教室”設計，并將其通過 3D 打印機打印出來;最終，各小組將小組成員的作品組合在一起，形成一個組合式的“理想教室”3D 模型并進行展示。需要指出的是，小組內的任務分工與學習時間安排，可按各小組的實際情況由小組成員自行商定。

　　4 學習評估設計

　　學習評估主要從以下方面進行考察：①評估 3D 打印成品的實用性、功能性、美觀性、經濟性等;②考察學習報告的規范性、整潔性和詳細性;③對學生的學習參與情況、小組合作情況進行評估;④從作品展示、匯報交流等方面對學生的表現進行測評。其中，對學習報告中有關問題解決模型的詳細記錄和說明是本案例學習評估的重點，旨在考察學生對問題解決模型的掌握和應用情況、在問題解決過程中反思問題和自我提問能力的發展情況等。

　　相關期刊推薦：《現代教育技術》(月刊)創刊于1991年，由教育部主管，清華大學主辦，為中國教育技術協會會刊。本刊秉承“立足學術研究、帶動實踐探索、促進教育技術發展、推動教育現代化”的辦刊宗旨，本刊面向教育理論研究和教學實踐探索的諸多領域，尤其關注教育信息化、現代化建設，為教育技術理論研究和實踐探索提供學術園地。

　　四 結語

　　問題解決能力是每一位學生必須了解并掌握的關鍵能力之一。本研究通過分析問題解決的學習機制，基于 Goldilocks Help 問題解決工作流，設計了問題解決模型。該模型考慮了 STEM 跨學科的特點，旨在培養學生的問題解決能力。此外，本研究將問題解決模型應用于 STEM 學習過程中，進行了具體的案例設計。后續研究將重點進行此案例設計的實踐應用，以通過實踐的反饋與檢驗，不斷完善問題解決模型。