What Kind of Failure is the Mother of Success?—Instructional Design of STEM under the Perspective of Productive Failure
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摘要: STEM作为创新能力培养的有效路径，在国内外受到了很大的关注，但当前对STEM教学设计的研究还不够，在实践中存在着许多误区。在STEM课堂上，学生面对的往往是高挑战性任务，因此，失败在所难免。然而，恰恰是失败，为我们提供了一个审视STEM教学设计的视角。本文运用设计研究的方法，在实践中对理论原型进行迭代，最终构建了STEM的有效指导范型。通过对比三种教学类型，我们发现在迁移效果上，有效指导型教学显著优于无指导型教学和有指导型教学。同时，我们还对有效失败、有效成功、无效失败和无效成功四种行为类型进行编码，进一步明确了不同行为类型的内涵，加深了对失败和成功的认识。我们发现，有效类行为能促进迁移，在有效指导型中出现的有效类行为最多。通过发展卡普尔的有效失败理论，我们从目标、评价和过程三方面对STEM教学设计提出了建议，这不仅对STEM教学，而且对当下正在进行的素养导向的教学变革都具有启发意义。Abstract: As a productive way to cultivate innovation, STEM has drawn a lot of attention domestically and abroad. However, there are few research on STEM instructional design and there are also many misunderstandings in practice. In the STEM class, students often face so demanding tasks that failure is inevitable. However, failure provides us a perspective to study STEM instructional design. In this paper, we use a design-based research method to iterate the theoretical prototype in practice and constructe a productive guiding paradigm of STEM. Then we compare three types of teaching, from which it is found that the productive guiding type is significantly better than the unsupervised and guided in the migration effect. At the same time, the four types of behaviors including productive failure, productive success, unproductive failure and unproductive success are coded to further clarify the connotation of different behavior types, thus deepening the understanding of failure and success. Effective class behavior can promote migration, while effective class behavior occurs in the effective guidance type. Our study develops Kapur’s theory of productive failure, and puts forward suggestions for STEM instructional design from the aspects of goal, evaluation and process, which have enlightenments for STEM teaching and the competency-oriented teaching reform at present.
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Key words:
- STEM /
- productive failure /
- instructional design
1) ①“Productive Failure”这一概念引入我国的时间较短，目前在中文译法上尚未统一。根据我们能检索到的文章发现，这个概念有四种中译法，它们分别是“启发性挫败”“有价值的失败”“有效失败”和“有成效失败”。2) ②该表整合自赵呈领，赵文君，蒋志辉（2018）和王健，李秀菊（2012）关于5E教学模式的相关阐述。3) ③加州理工大学多林•尼尔森（Dorren Nelson）提出的基于设计的学习（Design-based Learning，DBL）与此相似。4) ④因无指导型和有指导型以学生自扔降落伞的方式来测量降落伞的质量，较为随意，未获得精准数据，因此这两个类型仅呈现设计草图结果。5) ⑤课后填写小组评价表格，有沟通良好一项0—5分。6) ⑥实际编码时会发现许多小组在行为表现上趋同，所以M的数量会偏多。 -
表 1 四种行为类型的编码及解释
有效成功（PS） 有效失败（PF） 无效成功（US） 无效失败（UF） 设计
草图（D）构思（T） 有挑战意识，有充分的思考，有找全变量的意识，并能预测变量之间的关系（PP=PF/PS） 无挑战意识，无充分的思考，无找全变量的意识，不能预测变量之间的关系（UU=UF/US） 猜想（G） 有大胆的猜想，并能提出相应的依据（PP=PF/PS） 没有猜想的意识，或猜想没有相应的依据（UU=UF/US） 讨论（D） 团队能形成有益的讨论（PP=PF/PS） 团队合作没有冲突，但也没有形成有益的讨论（US） 团队合作中发生冲突（UF） 设计过程（P） 掌握设计草图的画法（PP=PF/PS） 模仿已有的方案，缺乏自己的思考（US） 不会画设计草图（UF） 设计结果（R） 设计草图完整、清晰、
可行（PS）设计草图有缺陷（PF） 设计草图完整、清晰、
可行（US）设计草图粗糙，制作模型时脱离设计草图（UF） 计划（S） 有计划和规划的意识，能考虑到时间、经费等限制条件（PP=PF/PS） 没有计划和规划的意识，没有考虑到时间、经费等限制条件（UU=UF/US） 制作
模型（M）思考最优解决方案（S） 努力寻求最优解决方案，综合考虑性价比（PP=PF/PS） 简单模仿或盲目听从别人的意见，力求尽快做完（US） 简单试错，力求尽快做完（UF） 细节问题（D） 考虑各种细节问题（PP=PF/PS） 没有考虑各种细节问题（UU=UF/US） 变量之间的关系 （V） 制作时验证设计草图的猜想，深入考虑变量的关系（PP=PF/PS） 制作时只考虑变量的表面特征，忽视变量之间的关系（UU=UF/US） 反思（I） 制作过程顺利，能及时进行反思和总结（PS） 制作过程出现失败，能及时进行反思和调整（PF） 制作过程顺利，但不能及时进行反思和总结（US） 制作过程出现失败，但不能及时进行反思和调整，处于束手无策的境地（UF） 团队分工（C） 团队能合理分工，配合良好（PS） 即使出现一定的问题，团队也能合理分工（PF） 由个别或少数学生主导完成（US） 团队分工混乱，配合不佳（UF） 制作结果（R） 在规定时间内按标准完成模型（SS=PS） 在规定时间内未按标准完成模型或者失败（FF=PF） 在规定时间内按标准完成模型（SS=US） 在规定时间内未按标准完成模型或者失败（FF=UF） 
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表 2 5E教学模式
环节 教师 学生 重点 引入 提供有意义的学习活动，吸引学生兴趣，激发学生参与 针对问题、情境或现象进行思考，联系已有知识和经验，暴露错误概念 引进前概念 探究 引导探究 观察现象、建立联系、概括规律、识别变量 构建新概念 解释 给出科学解释或清晰简洁的概念或术语 用自己的语言解释探究结果，形成初步解释 生成新概念 精致 提出开放性问题，提供时间和空间让学生参与讨论和获取信息，以加强对新概念的理解 利用新概念尝试解决问题或解释新现象 迁移新概念 评价 观察和评价学生如何应用新的概念和方法来解决问题 自评和互评
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表 5 有效指导型的教学目标
大概念 知识目标 技能目标 根据问题情境和用户需求来
确定制作目标根据“国家航天局要采购一批新型降落伞”这一问题情境，结合提供的材料，明确制作降落伞的目标。 考虑影响因素要尽可能全面 认识降落伞的组成部分，并考虑影响降落伞平稳而缓慢降落的影响因素。 假设需要有合理的理由作为支持，
要考虑各种变量之间的关系能提出降落伞降落这一结果变量与影响变量之间的关系假设，以及影响变量相互之间的关系假设。 设计草图是制作模型的准备，
因此要完整、清晰、可行能标出降落伞的各个组成部分，并在相应的位置醒目标注名称和数据。
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表 7 有效指导型班级各组降落伞试飞数据表
组号 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 降落时长（秒） 1.45 1.5 1.9 1.8 1.79 1.42 1.53 2 平稳度 2 2 4 4 3 2 3 4 制作速度排名 8 5 1 6 3 4 2 7 注：平稳度以1—5分计分，5分为满分。
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表 8 迁移后测题
格列佛的小船 1699年，外科医生格列佛随“羚羊号”出航南太平洋。不幸中途遇险，格列佛死里逃生，漂到利立浦特（小人国），被小人捆住。利立浦特人用专车把体积巨大的格列佛运到京城献给国王，他的出现几乎吸引了小人国所有人的注意。 国王：我给你出一道难题，如果你能顺利解决就可以重获自由。 格列佛：我体型庞大，想必你们这没什么难题能难倒我。 国王：我们工厂有几种材质的原料，分别是蜡光纸和铝箔纸，形状都是边长为30厘米的正方形，你需要挑选其中一种，在不剪裁的情况下制作一个容器，使它能承载尽可能多的金币（直径2厘米）漂泊在水面上。 格列佛：这难不倒我，不过我得先用它们测试一下…… 同学们，你们来帮帮格列佛解决下面的问题吧！ 1. 格列佛需要研究的问题是_______________________________ 2. 影响这个研究问题的变量有_______________________________ 3. 针对这些变量，你们认为可以提出哪些假设？ 4. 尝试画一下设计草图。
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表 9 迁移后测题量规
题目序号 题目内容 对应的大概念 评价标准 题目1 需要研究的问题 根据问题情境和用户需求来
确定制作目标1.明确客户要求（做容器使其承载金币漂泊在水面上）；2.明确条件（不剪裁；材质可选）；3.表述清晰 题目2 影响研究问题的变量 考虑影响因素要尽可能全面 考虑到全部相关变量 题目3 针对变量可以提出哪些假设 假设需要有合理的理由作为支撑，
要考虑各种变量之间的关系。1.假设合理；2. 假设既要考虑影响因素与被影响因素的关系，同时也要考虑影响因素之间的关系 题目4 画设计草图 设计草图是制作模型的准备 1.设计草图完整，标出制作模型需要参考的数据；2.设计草图清晰，简洁准确地传递信息；3.设计草图符合科学原理
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表 10 三种教学类型后测得分方差分析结果
（DF） 平方和 均方 F 显著性 组间 2 90.22 45.11 8.28 0.002*** 组内 23 125.24 5.45 总数 25 215.46 注：***P<0.001。
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表 11 主观感受关键词及人次
排序
教学班级第一 第二 第三 无指导型 合作/23 喜欢这门课/11 学会制作降落伞/11 有指导型 合作/20 学习知识/15 实践动手/10 有效指导型 有效成功/失败/16 思考/14 学习知识/12
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表 12 三种教学类型中四种行为类型的编码
组别
要素有效指导型 无指导型 有指导型 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 DTP1 H H H H M H H L H M L L M H H M L L L M M L M L M M DTP2 H H H M M M M H M M L M L M L M L H L M L L M H M L DTP3 M H H M H M H H H L L L L M M L L M M H M L L M M H DTUU M L L M L M M M M H H H H M L M H M H L L H H M L L DGPP H H H M M H M N M M L L L L H M H H M M M L L M L M DGUU L L L L M L M N M H H H H H L M L L M M M H H M M M DDPP H H H M M H H M H L L L L L M M L L H M M L M M M M DDUS H L L H H M M M L M H H H M H H M H L L M H L L H H DDUF M L L L H L L L L H L L L L L L L L H L M L L L L H DPPP L M H L M L M H L L L L L L M M N M L M N L L M L L DPUS M L L H L M M M L L L L L L L L N L L L N L M M L L DPUF M M L M M M L L H M M M M M L L N L M L H M M M H H DRPS H H H M M M H H M L L M H L L M N H L M N L H L M L DRPF L L M L M L L L L L L L L L L L N L L L N L L L L L DRUS M L L L L L L M L L L L L L L L N L L L N L M L L M DRUF L M M M M L M M M M M M M M M H N M M M N M M M M H DSPP M H H M H M H M H L L L L M H H L H H H M L H M M H DSUU M M M L M L L L L M M M M M L L M M M L L M L M L L MSPP M H H H H M M M H M L L M L L M M M M M M M H M H M MSUS M L L H M M M H M H L H L L M L L M L H M L L M M L MSUF L L M L M M L L L M M L L M M L L M L M L L L L L L MDPP M M H M H H M H H M M M M M M M M M H L L L H M M M MDUU M L L L L M L L L M L M L L L H L L H M M H M L L L MVPP M H M M M M M M H M M M M M M M M H M M M M H M M M MVUU M L M M M H M H M M M H M M H M M M M M H M M M M M MIPS H L M L L L L L H L L L L L L L H L L M M L L L L L MIPF M H M H M M M M H M H L L M L M M M H L M M H L H H MIUS L L L L L L L H L M L L M L L L L L L L L L L H L L MIUF L M L L H H L M L M L M L H H M L L M H L H M L M L MCPS M H M L L M L H H M M M M M L M M M L M L L M L H L MCPF H L M M H H M M L M M L M L M L M H L M M M M L L L MCUS L L L M M L M L L L M L M L L M L L L L L H L M L L MCUF L L L H M L H L L H M L M L H L L L M L M L L L L H MRPP L M H H M L M H H H H L H L L L M M M L M L L H M M MRUU H L L L L M L L L L L M L M M H M L L M L M M L L L 题1 3 3 3 3 2.5 3 2.5 1.5 3 1 0 1 1 1 1 1.5 1 2 1.5 1 1 1 2.5 3 1 2 题2 1 2.5 3 2 2 1 1 3 1 1 0 1 1 0 1.5 2.5 1 1 2 2 3 2 2.5 2 2 1 题3 4 5 3 6 2 4 5 3 2 4 4 3 2 4 4 5 4 4 5 5 4 1 1 2 2 1 题4 1 3 5 3 2 4 4 3 1 1 1 2 0 1 2 4 1 2 1 3 3 2 1 3 3 1 注：P1—P8指有效指导型班级的第一组至第八组；U1—U10指无指导型班级的第一组至第十组；G1—G8指有指导型班级的第一组至第八组。H=高；M=中；L=低；N=资料缺失。
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表 13 三种教学类型下四种行为类型的高值（H）数量统计表
组别
行为有效指导型 无指导型 有指导型 有效成功（PS） 18 8 4 有效失败（PF） 5 3 4 无效成功（US） 7 8 6 无效失败（UF） 5 7 9
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表 14 简单线性回归结果
估计值 标准误 T值 P值 DTP1+DTP2 1.39 0.40 3.47 0.002 ** DTP3 1.63 0.67 2.42 0.023 * DTUU −1.69 0.67 −2.54 0.018 * DGPP 2.14 0.67 3.20 0.004 ** DGUU −2.40 0.60 −4.01 0.0005 *** DDPP 2.38 0.60 3.93 0.0006 *** DPPP 2.53 0.77 3.29 0.0031 ** DPUS 2.04 0.96 2.12 0.045 * DPUF −1.91 0.83 −2.30 0.030 * DSPP 1.70 0.65 2.63 0.015 * 注：* P<0.01，** P<0.005，*** P<0.001。
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表 15 多元线性回归结果
估计值 标准误 T值 P值 DDPP 2.0297 0.5206 3.899 0.000723 *** DPPP 2.0369 0.6226 3.272 0.003351 ** 注：* P<0.01，** P<0.005，*** P<0.001。
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图(14) / 表(15)
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