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原文：Middle-School Science Through Design- Based Learning versus Scripted Inquiry: Better Overall Science Concept Learning and Equity Gap Reduction；作者：Matthew M. Mehalik, Yaron Doppelt, Christian D. Schunn. 譯者：劉博；編輯：爾瑞.(圖片來源：百度圖片)

一、引言

相對于腳本式探究學習，基于真實設計任務開展科學概念教學時，學生的學習表現(xiàn)會有所不同嗎？為獲得答案，研究者基于中學科學課程中的電學相關概念教學，開發(fā)一門制作電子報警系統(tǒng)的實踐性課程模塊，并且進行了實際的教學與評估。該課程的實踐任務是完全真實的，它要求學生遵循系統(tǒng)設計者慣常采用的設計流程，包括提案、調查，以及開發(fā)滿足實際需求的具體解決方案。研究者選擇基于設計的方法的原因在于其效果已經(jīng)在基于設計學習（Kolodner et al., 2003）、基于項目的學習（Prince, 2004; Thomas, 2000）和基于問題的學習（Barrows, 1985）等研究文獻中給予了證明。與先前的方法不同，研究者本次采用的是系統(tǒng)設計方法（Blanchard and Fabrycky, 1998; Gibson, 1968）來組織設計活動的順序。該方法的獨特之處在于增加了一個特殊環(huán)節(jié)，就是首先讓學生闡述自己對設計的需求，然后再開發(fā)需求文檔作為后續(xù)流程所遵循的設計規(guī)范。這樣一來，設計流程就從原來由課程或者教師提出設計需求與規(guī)范，轉變?yōu)橛蓪W生自主生成的方式。這樣，學生應用的設計流程與系統(tǒng)設計師面對政府和商業(yè)機構客戶所采用的設計流程就沒有什么不同了。表1總結了系統(tǒng)設計方法與腳本式探究之間的區(qū)別。研究者的假設是如果流程能夠始于學生自己的需求，那么他們的動機和參與感將會增加，因為這種方法解決了科學課中學生最核心的問題：我為什么要學這個？如果學生無法回答這個問題，或者無法從老師和課程中獲得有說服力的答案，那么從一開始缺少與學生關聯(lián)的教學任務就會成為學習的障礙。

在運用設計支持學習方面，研究者們建構了幾種被證明有效的方法。Kolodner將一種方法泛稱為設計學習（LBD）。該方法整合了一些成功的經(jīng)驗學習模式，例如基于案例推理的研究，（kolodner，1993, 2002），基于問題的學習（Barrows，1985）?；诎咐耐评碇傅氖抢眠^去的解決方案和經(jīng)驗來指導未來問題解決的能力?；趩栴}的學習是一種從課堂管理角度指導課堂活動組織的方法。這些方法的理念都與Harel和Papert（1991），以及Kafai（1996）提出的建構主義學習方法一致。LBD的另一個種重要特點是遵循認知學徒制（Roth and Bowen，1995），其關鍵特征是學習的發(fā)生主要通過對語言和行為的觀察與學習，并且建立一個共同體行動方式的框架。研究者選擇這些方法以備使用，是因為它們都具備可遷移學習的特點（Klahr和Carver，1988）。學習設計和工程知識也是參與設計學習的另一項收獲。知道工程師設計創(chuàng)造設備和系統(tǒng)，這對學生來說很重要。不僅如此，讓學生知道設計和發(fā)現(xiàn)都是重要的思維過程，這也非常重要（國際技術教育協(xié)會，2000）。設計任務給學生帶來了挑戰(zhàn)，增加了他們的參與水平，也有助于他們在年輕時開啟了解科學和工程的大門。（薩德勒，科伊爾和施瓦茲，2000）。

這項設計學習還有一個目的是幫助學生學習有關電學的基本科學原理，提升他們像科學家那樣的推理能力，幫助學生學習開展科學探究的技能。這些技能對學生未來的專業(yè)知識、能力和啟發(fā)式思維的形成都至關重要（Von der Weth出版社，1995）。國家科學教育標準規(guī)定了科學探究能力所必需的基本技能：

1.    明確可以通過科學調查獲得答案的問題；

2.    設計并開展科學調查；

3.    運用技術采集、分析和解釋數(shù)據(jù)；

4.    利用證據(jù)進行描述、解釋、預測和建模；

5.    運用邏輯思維和批判思維在證據(jù)與解釋之間建立關聯(lián)；

6.    發(fā)現(xiàn)并分析可替代的解釋和預測；

7.     ?交流科學程序與解釋；

8. ?在科學探究的各個方面應用數(shù)學。

通常，在主要學區(qū)采用的是腳本式或者引導式探究方法學習電學等科學內容。課程設計者根據(jù)自己對學生完成學習目標的需求分析，為學生提供物料和學習腳手架（例如教學指南包括數(shù)碼、口頭和圖片等在內的各種提示信息），幫助學生“發(fā)現(xiàn)”電的屬性和電學原理，例如使用萬用表測量不同電子元件的電壓、電阻和電流。

腳本式探究課程為了讓學生“體驗”科學的基本概念，提供給學生類似菜譜的具有細致方法指導的支架，為學生指明將具體實驗作為一種數(shù)據(jù)采集的方式應該如何組織與實施。腳本式探究在科學探究的第一步和第二步上，對培養(yǎng)學生確定問題和設計科學調研能力給予了很大的限制，而對探究流程的其他環(huán)節(jié)給予了過度的支持。采用這種方式可能是出于對課堂時間限制，教師能力（例如課堂管理能力）或者其他原因的考慮。

設計學習法則賦予了學生深度體驗的機會，有利于培養(yǎng)他們的設計能力和科學調查能力。然而，大多數(shù)設計學習法經(jīng)常是始于設計上的挑戰(zhàn)，而不是從提出學生自己富有熱情研究，且值得進行科學調查的問題開始，這樣就限制了他們的能力培養(yǎng)。

系統(tǒng)設計法讓學生從闡明設計需求開始，進一步讓學生自己提出值得研究的問題。我們將系統(tǒng)設計法與腳本式探究進行比較，來考察它們之間對于學生學習影響的不同。雖然系統(tǒng)設計法明顯有利于提升學生的參與度，但是否有利于學生科學概念的學習就不能輕易斷言了。此外，我們還將調查系統(tǒng)設計法是否能夠減少因性別、種族和社會經(jīng)濟狀態(tài)不同造成的學生學業(yè)成就差異。例如，設計學習法會像教師猜想的那樣，僅僅對最優(yōu)秀的學生有幫助嗎？該方法只能夠提升平時不愛參與的學生的參與度嗎？讓學生從闡述自己的設計需求為起點的流程能夠幫助學生取得更高水平的學習成就嗎？這些都是本文研究的問題。

A. 系統(tǒng)設計方法

因為系統(tǒng)設計法在K12科學教育中尚未普及，所以這里我們首先對這種方法進行介紹，特別針對強調與腳本式探究的區(qū)別進行說明?！峨娮訄缶到y(tǒng)：設計、建構與反思》課程是由科學項目官員、科學課程支持團隊和教師合作開發(fā)。除了滿足州立課程標準對電學概念的要求之外，該課程模塊專門設計學區(qū)要求滿足的兩個州立和國家標準。一個標準關注設計問題：了解與使用技術設計流程解決問題。另一個標準關注系統(tǒng)思考：解釋一個簡單系統(tǒng)的組成部分以及各部分之間的關系。該課程模塊設計用于補充和部分替代原有四到五周的腳本式探究的電學教學。

研究者開發(fā)了學生指南和教師指南，提供閱讀資料和支持物料。實施過程中，研究者為教師提供四到五小時的專業(yè)開發(fā)（PD）工作坊，其中一小時在課程實施前，三個小時在實施中，實施后還有一個小時。大部分教師均參與了全部的工作坊。工作坊解決電學的概念問題、教學問題和實施細節(jié)問題。工作坊組織教師以小組為單位，以學習者的身份親自測試課程，分享課堂經(jīng)驗，對教師和學生的學習進行反思。研究者多次深入課堂提供現(xiàn)場指導，并且針對課堂動態(tài)進行了人種志記錄。

系統(tǒng)設計課程模塊涉及的科學概念，與原有的九個腳本探究式課程模塊中的四個相同。在過去，這四個課程模塊通常會花費教師四到五周時間，涉及的電學基本內容包括電壓、電流、電阻、并行電路、串行電路、電池、電燈、電阻器和歐姆定律。系統(tǒng)設計課程模塊替換系統(tǒng)設計小組春季學期的四個單元課程。在完成系統(tǒng)設計單元教學后，小組還將采用腳本式探究完成后續(xù)關于電容、電荷、功率和其他電學概念的學習。

B. 整體設計流程

整個課程按照系統(tǒng)設計法的程序實施，為期大概四到五周?；谙到y(tǒng)工程師實際采用的設計與分析方法，系統(tǒng)設計法由七個階段組成，如圖1所示：

這些階段的劃分來自研究者對過往系統(tǒng)工程設計經(jīng)驗的梳理，同時也結合了設計實證研究中對最佳實踐的總結。在典型的系統(tǒng)設計法實施過程中，“反思與評估”階段是將對前面各階段進行回顧，以優(yōu)化和調整設計規(guī)范，從而便于解決新知識和新問題。盡管讓學生對全部流程進行檢查并不現(xiàn)實，但是對如圖1中箭頭所示，整個系統(tǒng)設計流程是鼓勵學生和教師不斷對前一階段的工作進行回顧、反思完善的。

C. 設計流程步驟示例

研究者為學生在系統(tǒng)設計的每個階段以個人和團隊方式開展設計工作提供了支架。如圖2所示，在系統(tǒng)設計流程的“生成多種方案”階段，為學生提供的支架用于說明團隊如何為設計方案中某一功能模塊制定系統(tǒng)輸入輸出規(guī)范。在本示例中，支架材料引導學生首先分析自己的設想：一個提醒用戶何時應該服藥的設備應該需要哪些材料，能量和信息輸入才能進行分析判斷，才能實現(xiàn)其預設的功能——為老年人健康提供幫助。同時，支架材料也會引導學生思考他們的設備可能會具有哪些未曾意料到的，潛在的負面影響。

圖2 支架材料——警報系統(tǒng)模型

從支架提供的練習中，學生學習到如何進一步明確新增功能的細節(jié)，如何詳細描述清楚特定子系統(tǒng)之間是如何協(xié)調，以便能夠完成他們設想的功能。通常情況下，學生會發(fā)現(xiàn)他們的報警系統(tǒng)必須具備一個“檢測器（detector）”子系統(tǒng)。該系統(tǒng)要能夠檢測到一些值得關注的事件或活動是否發(fā)生，如一天中需要服藥的時間。

他們還發(fā)現(xiàn)，報警系統(tǒng)還必須包含一個“指示器”子系統(tǒng)，它在值得關注事件發(fā)生時，發(fā)出某種形式的警報。最后，他們發(fā)現(xiàn)還需要一個“能源（power）”子系統(tǒng)用于調動指示器和檢測器子系統(tǒng)工作。這些發(fā)現(xiàn)過程都會促進學生分析思維技巧的發(fā)展，因為他們需要不斷深入思考，將最初的想法分解成更具體的功能細節(jié)。例如，到吃藥時間時需要檢測什么？如何保障供電？什么樣的警報方式更能夠吸引人的注意？同時，設計也會促進他們開展綜合思維，因為他們設法將這些子系統(tǒng)整合在一起，協(xié)同工作。在這個階段，學生最終地開始思考哪些具體的電子和機械元件可以用于建立自己的子系統(tǒng)：哪些電子元件可以作為探測器，光電池、開關還是熱感應器？為什么燈泡、LED、蜂鳴器等等可以作為指示器？關于科學內容的思維始終于學生初始的目標關聯(lián)在一起，并且思考的深入一點點的融入到設計之中。

圖3顯示了“選擇方案階段”的支架資料，其中學生團隊根據(jù)他們所構建的一套性能標準對他們的幾個設計思想進行了評價。學生們分析需求，基于需求開發(fā)具體的決策規(guī)范，參與開發(fā)了幾種不同的方案之后，按照流程選擇最符合需求的方案。

圖3中，學生在第一列列出他們的需求。他們的需求可以具體到相應的功能，例如“電量耗盡蜂鳴警報”，以及他們任務設計所需要模塊，例如“容積比較”或者“充電電池”。他們的三個設計方案呈現(xiàn)在第一行的最后三列：需要手動復位和藥物配方的設備、自動復位和藥物配方的設備和手動與自動的組合。學生下一步使用五分評分來量規(guī)對每一種方案需求的滿足程度，評分最高的方案即為最能滿足需求的方案。該聯(lián)系幫助學生分析思考每種設備的性能，綜合思考需求與性能，并且運用評價模型衡量設想與性能標準的差距。

教師鼓勵學生在思維方式上再進行挑戰(zhàn)：對過程中的選擇進行反思。這個結果對你有意義嗎？如果沒有，結果哪里不符合你的想法？然后，學生們再去檢查他們整體的系統(tǒng)需求和替代方案，根據(jù)反思來調整他們的思維。最終，學生做出的決策是建立在廣泛思考的基礎之上。這種思考包括確定清晰的決策準則，對不同想法的實現(xiàn)方式和功能進行深入分析，以及思考此過程中應用的科學內容。

D. 設計中的科學概念學習

圖2和圖3展示了系統(tǒng)設計小組中學生們作品集中的典型示例。它們表明設計方法在不同階段為學生實踐提供支持，而不必具體說明每位學生和每個小組選擇達到的內容項。按照這種進行設計的決策程序，后面學生從已有的探究工具箱中選擇電線、跳板（springboards）、電阻、LED等部件，以及輔以其他電阻元件（蜂鳴器、光電池、熱敏電阻）組裝成電子元件來完成他們的方案。

因此，每個電子元件與具體的子系統(tǒng)相關，每一個功能模塊與每個學生的設想相聯(lián)，科學內容的探究思維與整個設計流程有機融合。由于學生需要選擇使用不同的可用元件，并將他們的設計計劃體現(xiàn)在可工作的設備中，他們就必須理解每個元件如何工作，以及如何改善他們的性能。這是的一個探究與發(fā)現(xiàn)的過程，而且是在與學生們的需求和興趣密切相關的創(chuàng)造性設計思維中發(fā)生的。

E. 系統(tǒng)設計法與腳本式探究的比較

與腳本式探索相比較，系統(tǒng)設計法為學生提供可以驗證自己想法的學習框架，這是兩者的重要差別。兩者的其他差異在表1中進行了比較。系統(tǒng)設計法是根據(jù)不同類型的思維方式組織起來的。在圖2和圖3的示例中，我們可以看到系統(tǒng)設計法引導學生們思考的設計目的、設計需求、多種設計方案、選擇標準，這些思考涉及生成和分析思維。診斷系統(tǒng)參數(shù)的思考，如材料、能量和信息輸入和輸出等，涉及分析思維和綜合思維。在多種方案和選擇方案中涉及到了評價思維。在系統(tǒng)的設計法中，針對科學材料、方法和原理的探究，成為另一種腳手架系列的思維模式。

通過探究引入科學概念主要集中在系統(tǒng)設計過程的最后兩個階段，并且沒有提供腳本，學生需要繪制嘗試性的電路圖，并且在建造過程中進行解釋。系統(tǒng)設計鼓勵老師在學生多次嘗試在電路設計中探索概念和嘗試的想法和配置后，才向學生解釋科學概念。這是與腳本式探究主要區(qū)別，因為腳本式探究對調查各個方面都提供了逐步的指導。腳本式探究主要是由課程設計者決定科學概念的出現(xiàn)，而不是以思維模式選擇的科學概念的提出。系統(tǒng)設計作為一種項目學習，因為是從學生興趣和生活經(jīng)驗展開需求分析，所以能夠提升學生的參與水平（Hake, 1998）。

前面內容主要強調了系統(tǒng)設計法相比較腳本式探究的積極效益：學生從自身需求開始展開工作，發(fā)展自己的方案，并且進行多種模式的思維。此外，學生必須負起責任，為自己的學習負責。每個學生都要負責管理支持設計活動、草圖及反思的資料。他們要能夠與團隊成員分享想法，然而，他們有責任將他們的作品呈現(xiàn)在不同階段進行評估，此外當他們呈現(xiàn)最終產(chǎn)品時也需要教師評價和同學互評。

并非系統(tǒng)設計法的各方面都明顯優(yōu)于腳本式探究，特別從教師的角度而言更是如此。首先，系統(tǒng)設計課程是試驗課程，需要更多的測試和優(yōu)化，而腳本式探究這種經(jīng)過廣泛的實地測試和優(yōu)化方法更加成熟，而且許多理科教師對其應用成效更好。許多教師更加熟悉腳本式探究，因此如果要求教師改用不同的方法，則需要投入額外的準備時間，既包括專業(yè)培訓，又包括課程前準備工作。該系統(tǒng)設計法還涉及花費很多課堂時間組建學生團隊，以教師作為一個催化師，而不是管理學生。因為學生獲得更多的自主性，所以得確保學生把時間投入到相關的課堂任務中，這種轉換會提高教師的焦慮感，。教師發(fā)現(xiàn)不會像原來教學中那樣，花費更多的時間來講授諸如歐姆定律這樣的科學概念。系統(tǒng)設計不會直接在科學概念的教授上花費時間，而是在設計過程中進行指導，這種原先科學師范教育中沒有的訓練也會增加現(xiàn)有教師的焦慮。最后，對于中學科學教師而言，許多科學教師沒有接受過電子電荷的教學訓練，電學教學本身會產(chǎn)生教師焦慮，再加上不熟悉的概念、系統(tǒng)設計方法交織在一起，焦慮就更為明顯。因此，系統(tǒng)設計法的應用會面臨教師方面的直接風險和學生方面的間接風險。

F. 系統(tǒng)設計與腳本式探究的假設與研究問題

研究者假設系統(tǒng)設計法會全面提升學生學業(yè)成就，同時他們還假設可以通過提供教師專業(yè)發(fā)展培訓和實施過程的支持來規(guī)避可能的風險。之前的設計學習實踐表明可以促進概念學習（Barton, 1998; Kolodner, 2002; Kolodner et al., 2003; Penner, Lehrer, and Schauble, 1998）。設計學習之前沒有與腳本式探究進行直接比較，本文開展研究嘗試對兩者進行對比分析。

最后，對系統(tǒng)設計法及其效果，以及公平差距進行一下說明。除了整體上的低學業(yè)表現(xiàn)之外，美國中小學科學教育在低和高SES（社會經(jīng)濟地位）學生之間的差異很大，另外白種人、亞裔與拉丁裔和非裔美國學生之間差異學業(yè)表現(xiàn)差異巨大（馬丁等，1997, 2000）。此外，男女在科學上的表現(xiàn)的顯著差異從初中開始，在高中加?。R丁等人，2000）。允許學生選擇他們設計的東西可以減少公平差異。此外，學生們需要相互交流自己的想法，這被看作是促進學生擁有自主想法的過程，而且這也將有助于減少學業(yè)表現(xiàn)的差距。另一個公平差距問題涉及平等獲得設計材料的機會。研究者創(chuàng)建了系統(tǒng)設計學習模塊，這樣所有的動手操作都在教室里進行，所有學生都使用相同的材料（這與腳本式探究相同）。這種安排并不總是適用于項目學習。當學生被允許使用從家里帶來的材料時，他們的學業(yè)表現(xiàn)可能會由于獲取資源的不平等和課堂外實踐的不平等而導致差異加劇。

此外，系統(tǒng)設計課程工具箱有85%的物料與腳本式探究課程是一樣的，包括燈泡、LED和電線等等，而與之不同的物料包括兩個蜂鳴器、兩個電池座、一個熱敏電阻和兩個光電阻。

二、方法

研究人員使用了一種對比實驗方式，10名教師和587名學生（26個班）開展系統(tǒng)設計法的報警系統(tǒng)課程（簡稱設計組），5名教師和466名學生（20個班）采用腳本式探究學習電學單元（簡稱探究組）。上述兩組是從美國東北部城區(qū)學校八年級的27位科學教師中選出的。研究者在2004春季學期為八年級全體科學教師開設了一個專業(yè)發(fā)展工作坊，幫助他們了解系統(tǒng)設計學習法。與這個工作坊同時開始的還有其他四個學習項目供教師選擇。盡管不是必修項目，但是學區(qū)強烈鼓勵教師在區(qū)內參加某種形式的專業(yè)發(fā)展培訓。十九名教師參加了工作坊，12名教師初步同意參加設計組，但是由于兩位教師因各種行政原因不能參加，最終有10名教師參加了本次研究。

這10位教師的參與過程基本上是自我選擇，出于自愿的。研究者告知教師們可以出于任何原因隨時中斷。然而，選擇教師時必須考慮以下幾個因素。首先，學區(qū)必須鼓勵所有教師參與某種形式的專業(yè)發(fā)展培訓，雖然教師也有選擇其他形式教師專業(yè)發(fā)展培訓的機會，但是參與者參與系統(tǒng)設計的動機部分是由這個因素導致的。第二，教師為在專業(yè)發(fā)展培訓中所花費的時間，可以按學區(qū)標準費率活動專業(yè)發(fā)展補償。雖然是象征性的費用，這確實成為刺激教師參與的經(jīng)濟獎勵。最后，與參加其他形式的培訓一樣，教師參加系統(tǒng)設計教師專業(yè)發(fā)展培訓也會獲得繼續(xù)教育學分。

在項目的課程實施過程中，系統(tǒng)設計小組的教師參加了一個系列的五個專業(yè)發(fā)展工作坊，每次持續(xù)四小時。工作坊聚焦于允許教師親身體驗系統(tǒng)設計學習。每位老師都按照學生最終完成的方法完成系統(tǒng)設計課程。每個工作坊強調系統(tǒng)設計過程的不同階段，其中包括使用學生的電子元件工具箱動手制作自己的方案。教師們相互展示自己的設想和制作成果，并在相互交流思想的同時，反思他們的設計和過程。教師們還能夠在課程實施過程中交換一些在課堂中幫助學生更好學習的想法。教師專業(yè)發(fā)展工作坊的重點不在于通過電子和電學原理方面的講座提供課程內容方面的支持。

調查組是從該學區(qū)其余教師中招募來的。研究者發(fā)送一封請求信（和測試材料）給學區(qū)其他教師，和教師管理者開展前測和后測也作為研究的一部分。地區(qū)科學項目官也發(fā)出參與請求，盡管沒有指定的要求。從剩下的教師中，七名教師提交了前測，也有七名教師提交了后測結果，盡管七名教師可能來自不同的學校。這兩個組有五位教師同時提交了前測與后測，他們組成了探究組。探究組的成員自愿的程度更高，因為沒有學區(qū)推薦、經(jīng)濟補償，也沒有賦予繼續(xù)教育學分。所有探究組在過去三年中參加過腳本式探究的不少于三、四個小時的教師專業(yè)發(fā)展培訓。一名教師出于好奇，自愿同時參加設計小組和調查小組，從而成為一名重點研究對象。該老師決定在一個班實施系統(tǒng)設計課程，在另外三個班使用腳本探究法。

這樣的選擇過程會由于學校社會經(jīng)濟狀態(tài)不同，導致設計組和探究組存在一定差異，如表2所示。根據(jù)學區(qū)各個學校的整體社會經(jīng)濟狀態(tài)（SES）數(shù)據(jù)，設計組的成員有較高比例的學生來自低SES范圍內的學校（53%的587名學生與32%的466學生相比）。社會經(jīng)濟類別是基于被認為是經(jīng)濟上處于弱勢地位的學生比例確定的，其中低組涉及的學校超過66%的學生經(jīng)濟處于不利地位，高組的學生低于40%，剩下的是中等地位組。該學區(qū)四個最低的SES學校在設計組。設計組與探究組的差異在中等SES范圍偏差較大（14%對38%）。在高SES范圍內相差不大。

在性別方面，設計組相對探究組而言女生比例略高（54%對51%），非裔美國學生的比例是兩倍（66%比33%），接受免費午餐的學生比例較高（64%比58%）。

學生參加了前后測用于檢測學生電學概念掌握的情況變化。研究者開發(fā)了一個知識測試主要圍繞電學的核心概念，如電阻、電流、電壓、串聯(lián)和并聯(lián)電路，以確保對設計組和調查組掌握的科學內容進行有效評估。圖4顯示了知識測試中的部分試題。知識測試的完整版本在附錄A。前測（一天）即時開始，是在系統(tǒng)設計組開始四到五周的系統(tǒng)設計課程前一天，以及腳本探究式開始第一個課程模塊之前。在系統(tǒng)設計小組完成了系統(tǒng)設計組的四至五周系統(tǒng)設計模塊和腳本查詢小組完成前四個腳本詢問課程模塊后，立即進行了后測試（即第二天）。系統(tǒng)設計模塊和腳本查詢單元的前四個單元都在四到五周內完成。后測一般是在系統(tǒng)設計組完成四到五周系統(tǒng)設計課程后，以及腳本式探究完成前四個模塊課程后馬上實施，一般為第二天。系統(tǒng)設計課程和腳本式探究前四個課程模塊均會在四到五周之內完成。

三、結論

A. 科學概念測驗整體比較

總體而言，設計組在科學知識內容前后測出成績提升是探究組的兩倍增量，如圖5所示。設計組平均提升16%，調查組為7%（t=2.02，p<0.01）。該數(shù)據(jù)分析包括計算每個班級的平均成績值，再計算每個班級成績提升量，然后比較不同條件下班級平均提升量之差。如圖5以及后面的分析中，效應值（ES）是不同條件下成績差除以聯(lián)合標準偏差計算所得的。

設計組科學知識前測的整體平均分為29，而探究組前測成績?yōu)?8分。初始考試成績的差異可能是由于在教師選擇過程中，設計組和探究組學校社會經(jīng)濟地位差異造成的。后測的成績設計組為45%，探究組為46%，兩組從前測的9%的差距下降至不到1%的差距。從成績的提升率來看，設計組比前測成績提高了22.5%。探究組提高11.3%。此外，前測和后測的平均分數(shù)均不考慮天花板效應。

系統(tǒng)設計法總體上對學生學業(yè)成就提升的表現(xiàn)更好。它對公平差距的影響如何？如圖6A所示，非裔美國學生在設計組的科學知識測驗成績比探究組高出八倍（M =0.16vs.0.02，T =2.05，P<0.01）。設計組非裔之外的美國學生獲得的分數(shù)比探究組高出近一倍（M 0.21對0.11，T 2.06，P 0.07）。因此，系統(tǒng)設計法并沒有消除這種差距，但它確實使非裔美國學生的學習實現(xiàn)從成績墊底進步到取得比調查組的非裔之外美國學生更好的成績。

圖6b顯示設計組和探究組的男生和女生的成績提升情況。系統(tǒng)設計組的女生和男生的進步幾乎相同（女生0.14，男生為0.16），兩者差距在測量誤差范圍內。這一結果表明，系統(tǒng)設計方法不會產(chǎn)生性別之間的成績差距。設計組的男生取得進步比探究組更顯著（M=0.16 VS 0.05；T=2.04，P<0.01）。設計組女生的也取得進步，但是與探究組相比不是很明顯（M=0.14 vs 0.08; T= 2.03，P<0.25）。

系統(tǒng)設計方法對低成就的非裔美國學生在科學知識測試成績的影響最大。根據(jù)成績，非裔學生被分為三個成績檔，低分檔為得分低于30%，30–60%之間的為中間檔，高分檔為正答率超過60%的學生。前測后測均使用這種分類方法。如圖7所示，系統(tǒng)設計組的非洲裔美國學生后測成績相對前測成績而言實現(xiàn)了向上流動，從較低分檔提升至較高分檔的學生數(shù)量占總數(shù)的21%，而且增加的高分檔人數(shù)占總人數(shù)的15%。相比之下，探究組學生在低分檔中所占比例略有增加。這一發(fā)現(xiàn)表明，系統(tǒng)設計法對非裔學生可能特別有效。

非裔之外美國學生中又發(fā)生了從低分檔到高分檔的重大轉變；然而，設計組中最大的變化發(fā)生中間檔，其中29%的學生進入高分檔，與探究組相比這一比例要高得多。系統(tǒng)設計方法并提高低分檔的非洲裔美國學生和中間檔的非裔之外美國學生比腳本式探究好，對于其他分數(shù)檔而言也并不比腳本式探究差。這一發(fā)現(xiàn)對于設計組中的學校和學生尤其重要。

如圖8所示，女學生在探究組和設計組中表現(xiàn)出相似的進步曲線，盡管在設計組中的提升情況略優(yōu)。男性學生似乎表現(xiàn)出對系統(tǒng)設計法的更高參與度，提升至高分檔的人數(shù)相當多。

圖7和圖8是基于前測后測的高中低三個分數(shù)檔的整體人數(shù)比例變化。圖中沒有捕捉到學生個體的軌跡。這樣，圖中就無法顯示出從低分數(shù)檔直接升至高分檔的學生比例（或者說，高分檔學生直接降至低分檔，或其他任何特定的學生軌跡也無法顯示）。相反，圖中只能顯示的是前測全部學生分布的比例和后測全部學生的分布比例。

總體而言，從種族和性別的角度來看，系統(tǒng)設計組對低分段的非裔美國學生最有幫助，對實現(xiàn)非裔之外美國學生和低分檔和中分檔男生也有較大幫助。在種族和性別的其他維度中，系統(tǒng)設計方法與腳本式探究的效果相似。

B. Summary 總結

采用真實設計任務教授科學概念與利用腳本式探究相比成績一樣嗎？從整體成績而言，系統(tǒng)設計組的測試分數(shù)比腳本式探究組明顯高，前者達到后者的兩倍。對于種族和性別而言，系統(tǒng)設計法對低分段的非裔學生幫助最大，對非裔之外美國學生和低分檔和中分檔男生也有較大幫助。在種族和性別的其他維度的比較中，系統(tǒng)設計方法與腳本式探究的效果相似。

四、結論

這項研究的結果表明，與腳本式探究相比，系統(tǒng)設計法教授科學概念時，在知識獲取、學生參與度和知識保持性等方面具有優(yōu)勢。系統(tǒng)設計法對低分段的非裔美國學生是最有幫助的，盡管該方法對所有學生來說都比腳本式探究好。作者們描述了系統(tǒng)設計法的獨特之處在于，學生就像系統(tǒng)分析師和設計師進行新產(chǎn)品或系統(tǒng)設計一樣，從自己的設計需求來開始設計過程。通過讓學生從他們自己的需要開始學習程序，系統(tǒng)設計法解決了學生經(jīng)常表達的問題，并且常常成為學習的障礙“為什么我需要知道這個呢？“。系統(tǒng)設計過程允許學生問自己的問題進行調查，以便設計他們的報警系統(tǒng)，并且還允許學生設計自己的實驗來調查他們的想法。研究結果表明，當科學探究過程融入到設計環(huán)境中，以滿足學生的需求為動機時，就可以實現(xiàn)更高的科學概念學習。

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