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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(xué)習(xí)，基于真實(shí)設(shè)計(jì)任務(wù)開展科學(xué)概念教學(xué)時，學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)會有所不同嗎？為獲得答案，研究者基于中學(xué)科學(xué)課程中的電學(xué)相關(guān)概念教學(xué)，開發(fā)一門制作電子報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)踐性課程模塊，并且進(jìn)行了實(shí)際的教學(xué)與評估。該課程的實(shí)踐任務(wù)是完全真實(shí)的，它要求學(xué)生遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)者慣常采用的設(shè)計(jì)流程，包括提案、調(diào)查，以及開發(fā)滿足實(shí)際需求的具體解決方案。研究者選擇基于設(shè)計(jì)的方法的原因在于其效果已經(jīng)在基于設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)（Kolodner et al., 2003）、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Prince, 2004; Thomas, 2000）和基于問題的學(xué)習(xí)（Barrows, 1985）等研究文獻(xiàn)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(shè)計(jì)方法（Blanchard and Fabrycky, 1998; Gibson, 1968）來組織設(shè)計(jì)活動的順序。該方法的獨(dú)特之處在于增加了一個特殊環(huán)節(jié)，就是首先讓學(xué)生闡述自己對設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范。這樣一來，設(shè)計(jì)流程就從原來由課程或者教師提出設(shè)計(jì)需求與規(guī)范，轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪W(xué)生自主生成的方式。這樣，學(xué)生應(yīng)用的設(shè)計(jì)流程與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面對政府和商業(yè)機(jī)構(gòu)客戶所采用的設(shè)計(jì)流程就沒有什么不同了。表1總結(jié)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與腳本式探究之間的區(qū)別。研究者的假設(shè)是如果流程能夠始于學(xué)生自己的需求，那么他們的動機(jī)和參與感將會增加，因?yàn)檫@種方法解決了科學(xué)課中學(xué)生最核心的問題：我為什么要學(xué)這個？如果學(xué)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(xué)生關(guān)聯(lián)的教學(xué)任務(wù)就會成為學(xué)習(xí)的障礙。

在運(yùn)用設(shè)計(jì)支持學(xué)習(xí)方面，研究者們建構(gòu)了幾種被證明有效的方法。Kolodner將一種方法泛稱為設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)（LBD）。該方法整合了一些成功的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式，例如基于案例推理的研究，（kolodner，1993, 2002），基于問題的學(xué)習(xí)（Barrows，1985）。基于案例的推理指的是利用過去的解決方案和經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)未來問題解決的能力?；趩栴}的學(xué)習(xí)是一種從課堂管理角度指導(dǎo)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(gòu)主義學(xué)習(xí)方法一致。LBD的另一個種重要特點(diǎn)是遵循認(rèn)知學(xué)徒制（Roth and Bowen，1995），其關(guān)鍵特征是學(xué)習(xí)的發(fā)生主要通過對語言和行為的觀察與學(xué)習(xí)，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?yàn)樗鼈兌季邆淇蛇w移學(xué)習(xí)的特點(diǎn)（Klahr和Carver，1988）。學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和工程知識也是參與設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的另一項(xiàng)收獲。知道工程師設(shè)計(jì)創(chuàng)造設(shè)備和系統(tǒng)，這對學(xué)生來說很重要。不僅如此，讓學(xué)生知道設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)都是重要的思維過程，這也非常重要（國際技術(shù)教育協(xié)會，2000）。設(shè)計(jì)任務(wù)給學(xué)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(xué)和工程的大門。（薩德勒，科伊爾和施瓦茲，2000）。

這項(xiàng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)還有一個目的是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)電學(xué)的基本科學(xué)原理，提升他們像科學(xué)家那樣的推理能力，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)開展科學(xué)探究的技能。這些技能對學(xué)生未來的專業(yè)知識、能力和啟發(fā)式思維的形成都至關(guān)重要（Von der Weth出版社，1995）。國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了科學(xué)探究能力所必需的基本技能：

1.    明確可以通過科學(xué)調(diào)查獲得答案的問題；

2.    設(shè)計(jì)并開展科學(xué)調(diào)查；

3.    運(yùn)用技術(shù)采集、分析和解釋數(shù)據(jù)；

4.    利用證據(jù)進(jìn)行描述、解釋、預(yù)測和建模；

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

6.    發(fā)現(xiàn)并分析可替代的解釋和預(yù)測；

7.     ?交流科學(xué)程序與解釋；

8. ?在科學(xué)探究的各個方面應(yīng)用數(shù)學(xué)。

通常，在主要學(xué)區(qū)采用的是腳本式或者引導(dǎo)式探究方法學(xué)習(xí)電學(xué)等科學(xué)內(nèi)容。課程設(shè)計(jì)者根據(jù)自己對學(xué)生完成學(xué)習(xí)目標(biāo)的需求分析，為學(xué)生提供物料和學(xué)習(xí)腳手架（例如教學(xué)指南包括數(shù)碼、口頭和圖片等在內(nèi)的各種提示信息），幫助學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”電的屬性和電學(xué)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(xué)生“體驗(yàn)”科學(xué)的基本概念，提供給學(xué)生類似菜譜的具有細(xì)致方法指導(dǎo)的支架，為學(xué)生指明將具體實(shí)驗(yàn)作為一種數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)該如何組織與實(shí)施。腳本式探究在科學(xué)探究的第一步和第二步上，對培養(yǎng)學(xué)生確定問題和設(shè)計(jì)科學(xué)調(diào)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(shè)計(jì)學(xué)習(xí)法則賦予了學(xué)生深度體驗(yàn)的機(jī)會，有利于培養(yǎng)他們的設(shè)計(jì)能力和科學(xué)調(diào)查能力。然而，大多數(shù)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)法經(jīng)常是始于設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，而不是從提出學(xué)生自己富有熱情研究，且值得進(jìn)行科學(xué)調(diào)查的問題開始，這樣就限制了他們的能力培養(yǎng)。

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

A. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)法在K12科學(xué)教育中尚未普及，所以這里我們首先對這種方法進(jìn)行介紹，特別針對強(qiáng)調(diào)與腳本式探究的區(qū)別進(jìn)行說明?！峨娮訄?bào)警系統(tǒng)：設(shè)計(jì)、建構(gòu)與反思》課程是由科學(xué)項(xiàng)目官員、科學(xué)課程支持團(tuán)隊(duì)和教師合作開發(fā)。除了滿足州立課程標(biāo)準(zhǔn)對電學(xué)概念的要求之外，該課程模塊專門設(shè)計(jì)學(xué)區(qū)要求滿足的兩個州立和國家標(biāo)準(zhǔn)。一個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注設(shè)計(jì)問題：了解與使用技術(shù)設(shè)計(jì)流程解決問題。另一個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)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(guān)系。該課程模塊設(shè)計(jì)用于補(bǔ)充和部分替代原有四到五周的腳本式探究的電學(xué)教學(xué)。

研究者開發(fā)了學(xué)生指南和教師指南，提供閱讀資料和支持物料。實(shí)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(shí)施前，三個小時在實(shí)施中，實(shí)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(xué)的概念問題、教學(xué)問題和實(shí)施細(xì)節(jié)問題。工作坊組織教師以小組為單位，以學(xué)習(xí)者的身份親自測試課程，分享課堂經(jīng)驗(yàn)，對教師和學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行反思。研究者多次深入課堂提供現(xiàn)場指導(dǎo)，并且針對課堂動態(tài)進(jìn)行了人種志記錄。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程模塊涉及的科學(xué)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(fèi)教師四到五周時間，涉及的電學(xué)基本內(nèi)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(shè)計(jì)課程模塊替換系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組春季學(xué)期的四個單元課程。在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)單元教學(xué)后，小組還將采用腳本式探究完成后續(xù)關(guān)于電容、電荷、功率和其他電學(xué)概念的學(xué)習(xí)。

B. 整體設(shè)計(jì)流程

整個課程按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的程序?qū)嵤?，為期大概四到五周?；谙到y(tǒng)工程師實(shí)際采用的設(shè)計(jì)與分析方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的梳理，同時也結(jié)合了設(shè)計(jì)實(shí)證研究中對最佳實(shí)踐的總結(jié)。在典型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)法實(shí)施過程中，“反思與評估”階段是將對前面各階段進(jìn)行回顧，以優(yōu)化和調(diào)整設(shè)計(jì)規(guī)范，從而便于解決新知識和新問題。盡管讓學(xué)生對全部流程進(jìn)行檢查并不現(xiàn)實(shí)，但是對如圖1中箭頭所示，整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程是鼓勵學(xué)生和教師不斷對前一階段的工作進(jìn)行回顧、反思完善的。

C. 設(shè)計(jì)流程步驟示例

研究者為學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個階段以個人和團(tuán)隊(duì)方式開展設(shè)計(jì)工作提供了支架。如圖2所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的“生成多種方案”階段，為學(xué)生提供的支架用于說明團(tuán)隊(duì)如何為設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生首先分析自己的設(shè)想：一個提醒用戶何時應(yīng)該服藥的設(shè)備應(yīng)該需要哪些材料，能量和信息輸入才能進(jìn)行分析判斷，才能實(shí)現(xiàn)其預(yù)設(shè)的功能——為老年人健康提供幫助。同時，支架材料也會引導(dǎo)學(xué)生思考他們的設(shè)備可能會具有哪些未曾意料到的，潛在的負(fù)面影響。

圖2 支架材料——警報(bào)系統(tǒng)模型

從支架提供的練習(xí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)到如何進(jìn)一步明確新增功能的細(xì)節(jié)，如何詳細(xì)描述清楚特定子系統(tǒng)之間是如何協(xié)調(diào)，以便能夠完成他們設(shè)想的功能。通常情況下，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)他們的報(bào)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(guān)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(bào)警系統(tǒng)還必須包含一個“指示器”子系統(tǒng)，它在值得關(guān)注事件發(fā)生時，發(fā)出某種形式的警報(bào)。最后，他們發(fā)現(xiàn)還需要一個“能源（power）”子系統(tǒng)用于調(diào)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(jìn)學(xué)生分析思維技巧的發(fā)展，因?yàn)樗麄冃枰粩嗌钊胨伎?，將最初的想法分解成更具體的功能細(xì)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(bào)方式更能夠吸引人的注意？同時，設(shè)計(jì)也會促進(jìn)他們開展綜合思維，因?yàn)樗麄冊O(shè)法將這些子系統(tǒng)整合在一起，協(xié)同工作。在這個階段，學(xué)生最終地開始思考哪些具體的電子和機(jī)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(guān)還是熱感應(yīng)器？為什么燈泡、LED、蜂鳴器等等可以作為指示器？關(guān)于科學(xué)內(nèi)容的思維始終于學(xué)生初始的目標(biāo)關(guān)聯(lián)在一起，并且思考的深入一點(diǎn)點(diǎn)的融入到設(shè)計(jì)之中。

圖3顯示了“選擇方案階段”的支架資料，其中學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)他們所構(gòu)建的一套性能標(biāo)準(zhǔn)對他們的幾個設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了評價(jià)。學(xué)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(xué)生在第一列列出他們的需求。他們的需求可以具體到相應(yīng)的功能，例如“電量耗盡蜂鳴警報(bào)”，以及他們?nèi)蝿?wù)設(shè)計(jì)所需要模塊，例如“容積比較”或者“充電電池”。他們的三個設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)在第一行的最后三列：需要手動復(fù)位和藥物配方的設(shè)備、自動復(fù)位和藥物配方的設(shè)備和手動與自動的組合。學(xué)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(xué)生分析思考每種設(shè)備的性能，綜合思考需求與性能，并且運(yùn)用評價(jià)模型衡量設(shè)想與性能標(biāo)準(zhǔn)的差距。

教師鼓勵學(xué)生在思維方式上再進(jìn)行挑戰(zhàn)：對過程中的選擇進(jìn)行反思。這個結(jié)果對你有意義嗎？如果沒有，結(jié)果哪里不符合你的想法？然后，學(xué)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(diào)整他們的思維。最終，學(xué)生做出的決策是建立在廣泛思考的基礎(chǔ)之上。這種思考包括確定清晰的決策準(zhǔn)則，對不同想法的實(shí)現(xiàn)方式和功能進(jìn)行深入分析，以及思考此過程中應(yīng)用的科學(xué)內(nèi)容。

D. 設(shè)計(jì)中的科學(xué)概念學(xué)習(xí)

圖2和圖3展示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)小組中學(xué)生們作品集中的典型示例。它們表明設(shè)計(jì)方法在不同階段為學(xué)生實(shí)踐提供支持，而不必具體說明每位學(xué)生和每個小組選擇達(dá)到的內(nèi)容項(xiàng)。按照這種進(jìn)行設(shè)計(jì)的決策程序，后面學(xué)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(guān)，每一個功能模塊與每個學(xué)生的設(shè)想相聯(lián)，科學(xué)內(nèi)容的探究思維與整個設(shè)計(jì)流程有機(jī)融合。由于學(xué)生需要選擇使用不同的可用元件，并將他們的設(shè)計(jì)計(jì)劃體現(xiàn)在可工作的設(shè)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(xué)生們的需求和興趣密切相關(guān)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維中發(fā)生的。

E. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)法與腳本式探究的比較

與腳本式探索相比較，系統(tǒng)設(shè)計(jì)法為學(xué)生提供可以驗(yàn)證自己想法的學(xué)習(xí)框架，這是兩者的重要差別。兩者的其他差異在表1中進(jìn)行了比較。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)法引導(dǎo)學(xué)生們思考的設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)需求、多種設(shè)計(jì)方案、選擇標(biāo)準(zhǔn)，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(jià)思維。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)法中，針對科學(xué)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(xué)概念主要集中在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的最后兩個階段，并且沒有提供腳本，學(xué)生需要繪制嘗試性的電路圖，并且在建造過程中進(jìn)行解釋。系統(tǒng)設(shè)計(jì)鼓勵老師在學(xué)生多次嘗試在電路設(shè)計(jì)中探索概念和嘗試的想法和配置后，才向?qū)W生解釋科學(xué)概念。這是與腳本式探究主要區(qū)別，因?yàn)槟_本式探究對調(diào)查各個方面都提供了逐步的指導(dǎo)。腳本式探究主要是由課程設(shè)計(jì)者決定科學(xué)概念的出現(xiàn)，而不是以思維模式選擇的科學(xué)概念的提出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為一種項(xiàng)目學(xué)習(xí)，因?yàn)槭菑膶W(xué)生興趣和生活經(jīng)驗(yàn)展開需求分析，所以能夠提升學(xué)生的參與水平（Hake, 1998）。

前面內(nèi)容主要強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)法相比較腳本式探究的積極效益：學(xué)生從自身需求開始展開工作，發(fā)展自己的方案，并且進(jìn)行多種模式的思維。此外，學(xué)生必須負(fù)起責(zé)任，為自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)。每個學(xué)生都要負(fù)責(zé)管理支持設(shè)計(jì)活動、草圖及反思的資料。他們要能夠與團(tuán)隊(duì)成員分享想法，然而，他們有責(zé)任將他們的作品呈現(xiàn)在不同階段進(jìn)行評估，此外當(dāng)他們呈現(xiàn)最終產(chǎn)品時也需要教師評價(jià)和同學(xué)互評。

并非系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)課程是試驗(yàn)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(shí)地測試和優(yōu)化方法更加成熟，而且許多理科教師對其應(yīng)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(zhǔn)備時間，既包括專業(yè)培訓(xùn)，又包括課程前準(zhǔn)備工作。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)法還涉及花費(fèi)很多課堂時間組建學(xué)生團(tuán)隊(duì)，以教師作為一個催化師，而不是管理學(xué)生。因?yàn)閷W(xué)生獲得更多的自主性，所以得確保學(xué)生把時間投入到相關(guān)的課堂任務(wù)中，這種轉(zhuǎn)換會提高教師的焦慮感，。教師發(fā)現(xiàn)不會像原來教學(xué)中那樣，花費(fèi)更多的時間來講授諸如歐姆定律這樣的科學(xué)概念。系統(tǒng)設(shè)計(jì)不會直接在科學(xué)概念的教授上花費(fèi)時間，而是在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行指導(dǎo)，這種原先科學(xué)師范教育中沒有的訓(xùn)練也會增加現(xiàn)有教師的焦慮。最后，對于中學(xué)科學(xué)教師而言，許多科學(xué)教師沒有接受過電子電荷的教學(xué)訓(xùn)練，電學(xué)教學(xué)本身會產(chǎn)生教師焦慮，再加上不熟悉的概念、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法交織在一起，焦慮就更為明顯。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的應(yīng)用會面臨教師方面的直接風(fēng)險(xiǎn)和學(xué)生方面的間接風(fēng)險(xiǎn)。

F. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與腳本式探究的假設(shè)與研究問題

研究者假設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)法會全面提升學(xué)生學(xué)業(yè)成就，同時他們還假設(shè)可以通過提供教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)和實(shí)施過程的支持來規(guī)避可能的風(fēng)險(xiǎn)。之前的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)實(shí)踐表明可以促進(jìn)概念學(xué)習(xí)（Barton, 1998; Kolodner, 2002; Kolodner et al., 2003; Penner, Lehrer, and Schauble, 1998）。設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)之前沒有與腳本式探究進(jìn)行直接比較，本文開展研究嘗試對兩者進(jìn)行對比分析。

最后，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)法及其效果，以及公平差距進(jìn)行一下說明。除了整體上的低學(xué)業(yè)表現(xiàn)之外，美國中小學(xué)科學(xué)教育在低和高SES（社會經(jīng)濟(jì)地位）學(xué)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(xué)生之間差異學(xué)業(yè)表現(xiàn)差異巨大（馬丁等，1997, 2000）。此外，男女在科學(xué)上的表現(xiàn)的顯著差異從初中開始，在高中加劇（馬丁等人，2000）。允許學(xué)生選擇他們設(shè)計(jì)的東西可以減少公平差異。此外，學(xué)生們需要相互交流自己的想法，這被看作是促進(jìn)學(xué)生擁有自主想法的過程，而且這也將有助于減少學(xué)業(yè)表現(xiàn)的差距。另一個公平差距問題涉及平等獲得設(shè)計(jì)材料的機(jī)會。研究者創(chuàng)建了系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)模塊，這樣所有的動手操作都在教室里進(jìn)行，所有學(xué)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(xiàng)目學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生被允許使用從家里帶來的材料時，他們的學(xué)業(yè)表現(xiàn)可能會由于獲取資源的不平等和課堂外實(shí)踐的不平等而導(dǎo)致差異加劇。

此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)方式，10名教師和587名學(xué)生（26個班）開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的報(bào)警系統(tǒng)課程（簡稱設(shè)計(jì)組），5名教師和466名學(xué)生（20個班）采用腳本式探究學(xué)習(xí)電學(xué)單元（簡稱探究組）。上述兩組是從美國東北部城區(qū)學(xué)校八年級的27位科學(xué)教師中選出的。研究者在2004春季學(xué)期為八年級全體科學(xué)教師開設(shè)了一個專業(yè)發(fā)展工作坊，幫助他們了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)法。與這個工作坊同時開始的還有其他四個學(xué)習(xí)項(xiàng)目供教師選擇。盡管不是必修項(xiàng)目，但是學(xué)區(qū)強(qiáng)烈鼓勵教師在區(qū)內(nèi)參加某種形式的專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)。十九名教師參加了工作坊，12名教師初步同意參加設(shè)計(jì)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(xué)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(xùn)，雖然教師也有選擇其他形式教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)的機(jī)會，但是參與者參與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動機(jī)部分是由這個因素導(dǎo)致的。第二，教師為在專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)中所花費(fèi)的時間，可以按學(xué)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)率活動專業(yè)發(fā)展補(bǔ)償。雖然是象征性的費(fèi)用，這確實(shí)成為刺激教師參與的經(jīng)濟(jì)獎勵。最后，與參加其他形式的培訓(xùn)一樣，教師參加系統(tǒng)設(shè)計(jì)教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)也會獲得繼續(xù)教育學(xué)分。

在項(xiàng)目的課程實(shí)施過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。每位老師都按照學(xué)生最終完成的方法完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程。每個工作坊強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的不同階段，其中包括使用學(xué)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(shè)想和制作成果，并在相互交流思想的同時，反思他們的設(shè)計(jì)和過程。教師們還能夠在課程實(shí)施過程中交換一些在課堂中幫助學(xué)生更好學(xué)習(xí)的想法。教師專業(yè)發(fā)展工作坊的重點(diǎn)不在于通過電子和電學(xué)原理方面的講座提供課程內(nèi)容方面的支持。

調(diào)查組是從該學(xué)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(xué)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(xué)項(xiàng)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(jié)果，盡管七名教師可能來自不同的學(xué)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?yàn)闆]有學(xué)區(qū)推薦、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，也沒有賦予繼續(xù)教育學(xué)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(xùn)。一名教師出于好奇，自愿同時參加設(shè)計(jì)小組和調(diào)查小組，從而成為一名重點(diǎn)研究對象。該老師決定在一個班實(shí)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)校社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài)不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)組和探究組存在一定差異，如表2所示。根據(jù)學(xué)區(qū)各個學(xué)校的整體社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài)（SES）數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)組的成員有較高比例的學(xué)生來自低SES范圍內(nèi)的學(xué)校（53%的587名學(xué)生與32%的466學(xué)生相比）。社會經(jīng)濟(jì)類別是基于被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)上處于弱勢地位的學(xué)生比例確定的，其中低組涉及的學(xué)校超過66%的學(xué)生經(jīng)濟(jì)處于不利地位，高組的學(xué)生低于40%，剩下的是中等地位組。該學(xué)區(qū)四個最低的SES學(xué)校在設(shè)計(jì)組。設(shè)計(jì)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(nèi)相差不大。

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

學(xué)生參加了前后測用于檢測學(xué)生電學(xué)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(xué)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(shè)計(jì)組和調(diào)查組掌握的科學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(shè)計(jì)組開始四到五周的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)小組完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)組的四至五周系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行了后測試（即第二天）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊和腳本查詢單元的前四個單元都在四到五周內(nèi)完成。后測一般是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)組完成四到五周系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程后，以及腳本式探究完成前四個模塊課程后馬上實(shí)施，一般為第二天。系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程和腳本式探究前四個課程模塊均會在四到五周之內(nèi)完成。

三、結(jié)論

A. 科學(xué)概念測驗(yàn)整體比較

總體而言，設(shè)計(jì)組在科學(xué)知識內(nèi)容前后測出成績提升是探究組的兩倍增量，如圖5所示。設(shè)計(jì)組平均提升16%，調(diào)查組為7%（t=2.02，p<0.01）。該數(shù)據(jù)分析包括計(jì)算每個班級的平均成績值，再計(jì)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(yīng)值（ES）是不同條件下成績差除以聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算所得的。

設(shè)計(jì)組科學(xué)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(shè)計(jì)組和探究組學(xué)校社會經(jīng)濟(jì)地位差異造成的。后測的成績設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)均不考慮天花板效應(yīng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)法總體上對學(xué)生學(xué)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(xué)生在設(shè)計(jì)組的科學(xué)知識測驗(yàn)成績比探究組高出八倍（M =0.16vs.0.02，T =2.05，P<0.01）。設(shè)計(jì)組非裔之外的美國學(xué)生獲得的分?jǐn)?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(shè)計(jì)法并沒有消除這種差距，但它確實(shí)使非裔美國學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)從成績墊底進(jìn)步到取得比調(diào)查組的非裔之外美國學(xué)生更好的成績。

圖6b顯示設(shè)計(jì)組和探究組的男生和女生的成績提升情況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)組的女生和男生的進(jìn)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(nèi)。這一結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不會產(chǎn)生性別之間的成績差距。設(shè)計(jì)組的男生取得進(jìn)步比探究組更顯著（M=0.16 VS 0.05；T=2.04，P<0.01）。設(shè)計(jì)組女生的也取得進(jìn)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(shè)計(jì)方法對低成就的非裔美國學(xué)生在科學(xué)知識測試成績的影響最大。根據(jù)成績，非裔學(xué)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(xué)生。前測后測均使用這種分類方法。如圖7所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)組的非洲裔美國學(xué)生后測成績相對前測成績而言實(shí)現(xiàn)了向上流動，從較低分檔提升至較高分檔的學(xué)生數(shù)量占總數(shù)的21%，而且增加的高分檔人數(shù)占總?cè)藬?shù)的15%。相比之下，探究組學(xué)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(shè)計(jì)法對非裔學(xué)生可能特別有效。

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

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

圖7和圖8是基于前測后測的高中低三個分?jǐn)?shù)檔的整體人數(shù)比例變化。圖中沒有捕捉到學(xué)生個體的軌跡。這樣，圖中就無法顯示出從低分?jǐn)?shù)檔直接升至高分檔的學(xué)生比例（或者說，高分檔學(xué)生直接降至低分檔，或其他任何特定的學(xué)生軌跡也無法顯示）。相反，圖中只能顯示的是前測全部學(xué)生分布的比例和后測全部學(xué)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(shè)計(jì)組對低分段的非裔美國學(xué)生最有幫助，對實(shí)現(xiàn)非裔之外美國學(xué)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(shè)計(jì)方法與腳本式探究的效果相似。

B. Summary 總結(jié)

采用真實(shí)設(shè)計(jì)任務(wù)教授科學(xué)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(shè)計(jì)組的測試分?jǐn)?shù)比腳本式探究組明顯高，前者達(dá)到后者的兩倍。對于種族和性別而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)法對低分段的非裔學(xué)生幫助最大，對非裔之外美國學(xué)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(shè)計(jì)方法與腳本式探究的效果相似。

四、結(jié)論

這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，與腳本式探究相比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)法教授科學(xué)概念時，在知識獲取、學(xué)生參與度和知識保持性等方面具有優(yōu)勢。系統(tǒng)設(shè)計(jì)法對低分段的非裔美國學(xué)生是最有幫助的，盡管該方法對所有學(xué)生來說都比腳本式探究好。作者們描述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的獨(dú)特之處在于，學(xué)生就像系統(tǒng)分析師和設(shè)計(jì)師進(jìn)行新產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，從自己的設(shè)計(jì)需求來開始設(shè)計(jì)過程。通過讓學(xué)生從他們自己的需要開始學(xué)習(xí)程序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)法解決了學(xué)生經(jīng)常表達(dá)的問題，并且常常成為學(xué)習(xí)的障礙“為什么我需要知道這個呢？“。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程允許學(xué)生問自己的問題進(jìn)行調(diào)查，以便設(shè)計(jì)他們的報(bào)警系統(tǒng)，并且還允許學(xué)生設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)來調(diào)查他們的想法。研究結(jié)果表明，當(dāng)科學(xué)探究過程融入到設(shè)計(jì)環(huán)境中，以滿足學(xué)生的需求為動機(jī)時，就可以實(shí)現(xiàn)更高的科學(xué)概念學(xué)習(xí)。

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