智慧教室環境下的APT教學對小學生問題提出與問題解決能力的培養研究

張屹 董學敏等

摘要：在智慧教室環境下探討培養學生問題提出與問題解決能力的教學設計，既能夠有效突顯智慧教室環境對于促進學生培養的積極作用，又能夠有針對性地實現對教學活動的設計，提高學生的問題提出與問題解決能力。該文以三年級數學課《兩位數乘兩位數練習題》為例，基于APT教學模型設計了智慧教室中培養學生問題提出與問題解決能力的課程教學，并對其應用進行實證研究。結果發現，學生能夠提出一定數量的問題，但問題的類型局限于基礎問題且大部分學生提出的問題不夠新穎和深刻；在智慧教室環境下，基于APT教學模型提出的教學設計能夠有利于提高學生的問題解決態度：學生具有較高的問題解決能力和問題意識。

關鍵詞：智慧教室；APT教學模型；問題提出與問題解決；教學設計

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

美國21世紀技能（21st Century Skills）中包含生活和職業技能、學習和創新技能以及信息、媒體和技術技能，其中學習和創新技能強調了問題解決能力和創新能力的重要性。我國于2016年正式發布的《中國學生發展核心素養》提出了“實踐創新”這一核心素養，并將問題解決作為這一核心素養的重要因素，指出“問題解決的重點是善于發現和提出問題，有解決問題的興趣和熱情，能依據特定情境和具體條件，選擇制定合理解決方案。”由此可以看出，問題提出能力與問題解決能力等一些高階思維能力正逐漸引起關注。然而，我國的基礎教育往往注重解決問題卻忽視提出問題。隨著信息技術的發展，基于智慧教育環境對學生高階思維能力的培養也越來越受到重視。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》提出“鼓勵學生利用信息手段主動學習、自主學習，增強運用信息技術分析解決問題能力。”《小學數學新課程標準（修改稿）》也指出“數學課程的設計與實施應根據實際情況合理地運用現代信息技術，要注意信息技術與課程內容的有機結合。把現代信息技術作為學生學習數學和解決問題的強有力工具，致力于改變學生的學習方式。”移動學習技術既是一種知識載體又可以創設工作與生活的相關情境，將信息技術融入課堂教學能夠促進師生、生生之間的互動，促進學生高階思維能力的培養。信息技術在為生活帶來諸多便利的同時也為培養學生的高階思維能力提供了新的思路，對此，本研究基于APT教學模型設計智慧教育環境下培養學生問題提出與問題解決能力的課程教學，并以三年級數學課《兩位數乘兩位數練習題》為例進行應用效果的實證研究。

二、文獻綜述

（一）智慧教室環境下的教學與學習研究

眾多研究發現，促進資源個性化呈現、教學交互多元化的智慧教室環境，對于促進學生的課堂參與和課堂互動，提高學生的學習興趣、協作學習能力、探究能力、問題解決能力等都有著積極的作用。首先，技術作為支撐工具為教育教學提供了便捷性和無限的可能性，有效凸顯了對教學的輔助作用。智慧教室能更清晰更多樣地呈現教學信息，方便學生獲取信息，實現及時交流互動。“一對一”數字化教學環境為學習者問題解決提供了工具與資源支撐，能夠激發學生學習的積極性，提升學生的信息素養與解決問題的能力。將iPad等移動智能終端應用于教學，能夠為學生提供互動支持，便于開展協作學習，提高學生課堂學習的參與度，加深對知識的理解和認識，從而提高了學習效果。基于智慧學習環境的創造力培養模式在提升學生的創造力方面具有顯著的效果，促進學生對于問題的思考，推動學生思考出更多的問題解決方法。此外，將技術應用于教學策略不僅可以改變單一的傳統教學模式，還能夠有效提升課堂效率。Hooft M.V利用無線移動設備實施基于課堂內外的連接式教學策略，提升了學生的學習興趣，培養了學生的問題解決能力。在小學高年級數學課中，智慧教室環境下基于交互活動的體驗式教學對于學生的課堂參與度和積極性有著明顯的輔助作用，特別是提高了學生的協作學習能力。移動終端逐漸走入課堂，成為智慧學習環境下的重要學習手段，基于評價的移動學習方式有助于提升學生的學習態度、學習興趣與學習成效。基于移動終端的PBL教學模式能較好地提升學生的元認知能力并對學生的成績存在顯著的積極影響。可見，移動技術能夠有效提升學生獲得知識的效率和效果，并有助于學生將所學知識和技能轉化為現實世界所需的能力。綜上，基于智慧教室環境的教學與學習有助于學生能力和情感的提升，對于學生的培養有著顯著的積極作用。

（二）培養學生問題提出與問題解決能力的相關研究

《義務教育數學課程標準（2011年版）》（以下簡稱《標準》）中對學生的問題解決能力的要求是“初步學會從數學的角度發現和提出問題，綜合運用數學知識解決簡單的實際問題；獲得分析問題和解決問題的一些基本方法，體驗解決問題方法的多樣性”。由此可見，學生的問題解決能力不僅是指學生能夠解決老師提出的問題，而是包括發現問題的能力、提出問題的能力、分析問題的能力和解決問題的能力。對于如何培養學生的這些能力，目前已有一些研究，涉及問題提出與問題解決能力的培養策略、利用技術促進問題解決能力的培養以及通過提供教學干預培養學生的問題解決能力等。郭新春構建了“問題情境—自主探索與合作交流—實踐運用—拓展創新—評價”的數學課堂教學模式，用來提高學生的問題解決能力。姚紅梅通過了解教師對學生培養的現狀，提出提高學生提出問題能力、解決問題能力以及創新突破能力的策略，構建出培養學生問題解決能力的教學模式。王小艾從問題意識、提問方法和思維方式人手，提出培養學生問題提出能力的策略。眾多研究發現，電腦游戲對于問題解決能力的提高有著積極作用。在多媒體學習中，積極的情感設計能夠提高學生學習的積極性并且有利于培養學生的數學問題解決能力。在數學問題解決能力的培養中，例題有助于學生概念性地理解問題、理解解題過程以及總結歸納問題解決的模式。通過為學生提供教學干預的方式能夠有利于學生問題解決能力的培養，如提供給學生合作規則和基于證據的討論框架、提供給學生制作小組計劃的思維導圖和模板、提示學生進行詳細闡述和反思等。基于以上研究和《標準》中對問題解決能力的界定，本研究將問題解決能力作為一種綜合能力，研究如何設計智慧教室環境下基于移動終端的數學教學來培養學生的問題解決能力和問題提出能力。

三、《兩位數乘兩位數練習題》課程的教學設計與實施

（一）APT教學模型

APT教學模型融合了評價手段（Assessment）、教學方法（Pedagogy）和技術工具（Technology）等要素，倡導“以評促學”的教學理念，依據教學目標、學習者特征和教學內容特征的綜合分析結果，選擇合適的評價手段、教學方法和技術工具，以實現課堂教學效果的提升和學生學習方式的轉變，促進教師信息技術應用能力的發展，培養21世紀學習者需具備的信息技術應用能力、主動學習能力和合作與創新能力。

在APT教學模型中，通過設計多元化的教學評價體系（Assessment），更加注重過程性評價，綜合運用診斷性評價、即時評價、同伴互評、教師評價、自我評價、量規等多種評價手段；在信息化環境下積極開展多樣化的教學（Pedagogy），包括課堂講授、PBL教學、合作學習、翻轉課堂等多種教學方式；充分利用多種技術工具（Technology），包括電子白板、液晶顯示屏、移動終端設備等硬件以及思維導圖、問卷星等軟件。另外，還要通過不同要素的有效整合實踐課堂教學，如基于LED顯示屏的教師評價（TA），基于Educreation的自主學習（TP），基于同伴互評的探究性學習（AP）以及體現三種要素融合（APT）的移動終端支持的基于即時評價的自主學習。因此，教師在進行教學設計時，既要考慮評價手段、教學方法和技術工具這三個要素，還要實現三個要素的有效融合，真正做到以評促學。

（二）《兩位數乘兩位數練習題》教學設計

文章基于APT教學模型，構建了如圖1所示的教學設計模式。

1.教學內容分析

《兩位數乘兩位數練習題》是根據三年級下冊數學課本第57頁練習題設計的一堂基于問題提出與問題解決的復習課。在《課程標準》中，對這部分內容的要求是能夠掌握兩位數乘兩位數的計算方法并能運用所學知識解決生活中的簡單問題。

2.學習者特征分析

該課程的教學對象為小學三年級的學生，小學兒童從以具體形象性的思維為主要形式逐漸過渡到以抽象邏輯思維為主要形式。雖然在這一時期逐漸呈現過渡，但這種邏輯思維在很大程度上仍然是直接與感性經驗相聯系。因此，教師要能夠抓住這一關鍵時期，根據學生特點有效引導學生，結合實際生活中的數學知識應用，培養學生數學思維的發展。

3.教學目標分析

基于教學內容分析、學習者特征分析和《標準》中對學生問題解決能力的要求，確立了該課程的教學目標：通過解決問題的練習，培養學生利用數學知識分析問題解決問題的能力，感受解決問題的策略多樣化，體會數學在生活中的應用，培養應用意識；通過練習，鍛煉學生分析處理信息的能力，培養學生用數學的眼光觀察周圍事物的習慣和發現問題提出問題的能力；通過合作探究的活動，培養學生的合作策略和技能。

4.評價手段

在本堂課的學習評價設計中，主要包括教師評價、同伴評價、量規評價、學生作品分析以及學生反思這幾種評價方式。學生作品分析用于評價學生的問題提出能力，學生反思則旨在通過這種自我評價方式讓學生反思與總結課堂收獲與不足。

5.教學方法

在《兩位數乘兩位數練習題》這堂課中，所用到教學策略有啟發式教學策略、PBL教學策略、合作學習策略以及自主學習策略。在啟發式教學中，調動學生學習的主動性，啟發學生獨立思考，培養學生獨立解決問題的能力。在PBL教學中，學生通過出題卡和答題卡完成問題的提出和解決。合作學習與自主學習策略貫穿本節課的核心環節，促進學生積極參與學習過程，實現自主建構學習。

6.技術工具

本堂課的教學實施環境為智慧教室，教室中覆蓋有無線網絡，且配備了裝載有Educreations Interactive Whiteboard應用的iPad以及Apple TV等智能設備。資源設計包括教學資源和學習資源，教學資源為教師上課用到的課件，學習資源包括小組合作學習任務單、發言卡、記記卡以及基于Educreations Interactive Whiteboard應用的素材等。

（三）《兩位數乘兩位數練習題》教學實施

“問題解決”的教學活動應突出“問題解決”過程的學習，讓學生經歷、體驗和探索“問題解決”的程序思維，形成基本的活動經驗。因此，在對教學活動進行設計時，我們將對學生能力的培養嵌入每一教學環節中。本次教學活動共包括三個大的教學環節，分別為回顧舊知、引入新知，提出問題與解決問題，總結拓展、活動評價。具體的活動實施如圖2所示。

1.回顧舊知、引入新知

奧蘇貝爾提出的有意義接受學習理論認為，能否建立新舊知識的聯系是影響學習的唯一的重要因素。因此，在問題提出與問題解決活動之前，首先讓學生回顧活動過程中所需要的基礎知識。《兩位數乘兩位數練習題》是一堂復習課，在這一環節教師主要利用課件演示與學生一起回顧兩位數乘兩位數的知識并通過典型例題來引導學生從不同的角度理解問題與解決問題，重視問題解決方式的多樣化，促進學生數學思維的發展，并總結出利用中間問題來解決問題的規律，為接下來的教學活動建立知識支持。

2.提出問題與解決問題

提出問題與解決問題是這節課的核心環節，在這一環節旨在通過一系列豐富的自主學習與合作學習活動培養學生提出問題與解決問題的能力。

（1）教師提問、引發思考

本活動的目的是引導學生思考解決問題所需要的關鍵信息并考慮信息之間的相關性，培養其信息獲取能力。教師首先利用Apple TV出示問題和幾個相關條件，學生則思考利用已有條件能否解決現有問題，以此引發學生認知沖突；然后LED顯示屏上會隨機出現更多的信息，等學生發現現有信息能夠解決已有問題時教師則會停止信息的出示。

（2）信息提取、提出問題

本活動旨在讓學生對信息進行歸類，通過分析信息發現不同條件間的聯系，并通過提取有用信息提出有關問題。首先，學生利用Educreations Interactive Whiteboard應用軟件對信息歸類并向大家展示自己的歸類結果，如圖3和圖4所示；其次，教師引導學生思考利用現有信息能夠解決哪些問題；然后，學生自主提出盡可能多的問題并在小組交流之后完成合作記錄單，如圖5所示；最后每人選擇一個問題附于出題卡并將出題卡展示到出題墻。

（3）問題解決

本活動的目的是培養學生獨立解決問題的能力，要求學生前往出題墻自由摘取題目并進行獨立作答，如圖6、圖7所示。

（4）交流協商

本活動利用同伴互評、教師評價等方式，由出題者或教師對答題者的答案做出評價，如圖8、圖9所示。

在提出問題與解決問題環節，學生通過自主學習完成信息歸類與“記記卡”的制作、提出可解決的問題并獨立解決他人的題目，通過分析提取情境材料中有價值的信息，明確信息與問題的關系，培養其分析處理信息的能力以及從材料出發去發現、提出問題，并能夠分析與解決問題的能力；通過合作學習與同伴分享更多可解決的問題，開拓提出問題的思路，并與出題人交流協商問題的答案，檢驗結果的正確與否，在合作過程中遵循坐莊法的合作學習策略、監控策略以及問候禮儀，培養學生的合作學習能力。

3.活動評價、總結拓展

評價是課堂教學的重要組成部分，學生自評是學生進行學習回顧與反思的過程。在這一環節，重點培養學生問題解決后的反思意識和反思習慣，學生通過自我評價總結問題解決的活動經驗、反思活動過程中的不足，實現學生之間經驗的相互交流與借鑒。最后，教師對課堂教學活動做出總結并進行拓展延伸，達成知識點的深化與升華。

四、實驗設計及數據分析

（一）研究目標

本研究旨在將智慧教育環境下的資源與設施應用于教學，注重以評促學，通過啟發式教學、PBL教學、合作學習以及自主學習等方式引導學生在提出問題與解決問題的過程中培養和提高發現問題、提出問題、分析問題以及解決問題的能力。

（二）研究工具

本研究將通過作品（材料）分析、訪談等質性研究方式來細致、具體地分析學習者的問題提出能力，并采用問卷測量形式對學習者的問題解決能力進行量化。

1.提出問題能力PTA量表

PTA（Primary Trait Analysis的縮寫，基本要素分析）量表是由美國教師Barbara E.Walvoord和Virginia Johnson Anderson以及同事們所倡導和開發的評價學生開放性作業的標準。PTA量表將學生的行為表現分解為若干個基本要素，通過對這些基本要素的評定來對學生的水平做出評價。PTA量表具有深入的理論和實踐基礎，被廣泛應用于開放性試題的評價和表現性評價，其中，高岱亮等人依據PTA量表編制原則編制了評價學生問題提出能力的PTA量表。本研究根據實際情況對該量表做出適當修改，具體如下頁表1所示，并利用修改后的提出問題能力PTA（基本要素分析）量表對學生的合作記錄單和記記卡進行編碼，從而對學生的問題提出能力做出評價。

2.問題解決能力問卷設計

前測后測問卷均共有14道題，參考了由臺灣教育研究院和臺灣師范大學的黃茂在、陳文典兩位學者提出的“問題解決能力評分指標”，從“面對問題的態度”“處理問題的方式”和“問題解決的品質”這三個方面來評量問題解決能力，問卷結構如表2所示。問卷采用李克特5級量表，通過SPSS19.0對問卷信度進行分析，前測問卷的克隆巴赫α系數為0.856，后測問卷的克隆巴赫α系數為0.892，表明前測后測問卷均具有較好的信度。

（三）研究過程

本研究的研究方法為準實驗研究法，組織華中科技大學附屬小學三年級的51名學生在智慧教室中開展教學活動2課時，具體的研究過程如圖10所示。

（四）實驗研究數據分析

1.學生的問題提出能力水平一般，雖能夠提出一定數量的問題，但問題的類型較為局限且大部分學生的問題不夠新穎和深刻

教學結束后，收集學生提交的小組合作學習記錄單并對學生提出的問題從提出問題數量、提出問題質量以及問題表述質量三方面進行編碼。對編碼后的數據進行分析，分析結果如表3所示，問題提出能力總分為10分，學生的問題提出能力得分在0—8.67分之間，最低分為0分，最高分為8.67分，平均分為6.04分。學生的問題提出能力均值處于5.5—6.99分這一分段，由評價標準可知，學生總體的問題提出能力水平為一般水平。

首先對學生提出問題數量進行了統計：學生提出的問題數量集中在0—8之間，其中有30%的學生提出了3個問題，24%的學生提出了2個問題，18%的學生提出了4個問題，大多數學生以2—4個問題為主，占總人數的72%。其問題提出數量得分如圖11所示，大部分學生都能夠得到提出問題數量維度的滿分（2分），占總人數的62%，可見大多數學生能夠提出較多的問題。

從靈活性、創新性和深刻性三方面對學生的提出問題質量進行分析，有46%的學生能夠從不同的角度提出問題，比如“每個方陣有多少人？”“學校一共買了多少個蘋果？”和“每個人一本書，夠嗎？”等，表明具有較高的靈活性；創新性的均值為0.66分，說明學生們還不能很好地提出新穎、獨特的問題；深刻性的均值為0.94分，可見根據條件提出深度思考的問題的能力還有待提高。總體來看，學生的提出問題質量并不是很理想，具體結果如表4所示。

從對問題表述質量的分析中可以看出，學生在問題表述的明確性和語言的簡潔流暢性方面表現得還不錯（M=1.82分，總分為2分），具有較高的問題表述質量。

2.學生具有較高的問題解決能力；在后測中，學生的問題解決態度、問題解決方法和策略的得分均值高于前測，且問題解決態度的得分均值在前測和后測中存在顯著性差異

在SPSS中對學生的前后測問題解決能力進行了兩配對樣本t檢驗，結果如表5所示。

由表5可知，不論是在問題解決能力的總體水平還是問題解決態度、問題解決方法和策略、問題解決品質這三個維度上，學生的能力均值都接近于4，這表明學生具有較好的問題解決態度、問題解決方法和策略，較高的問題解決能力、問題解決品質。

另外，從表5也可以看出，在后測中學生的問題解決能力得分均值高于前測中的問題解決能力得分均值，但二者之間不存在顯著性差異（t=-1.63，p>0.05），可能是教學干預時間較短導致了對問題解決能力的提升效果不太明顯。在問題解決能力的三個維度中，學生的問題解決態度、問題解決方法和策略的得分均值在后測中有了提高，且問題解決態度的得分均值在前測和后測中存在顯著性差異（t=-4.57，p<0.01），這表明基于智慧教室的課堂教學明顯提高了學生的問題解決態度，這與問題解決能力的整體發展趨勢是一致的。

前測后測問題解決能力顯著性差異比較結果如表6所示，教學結束后學生面對問題的感受和情意發生了變化，問題“我能堅持很長一段時間來專心解決某個數學難題”的后測得分均值比前測的得分均值高0.61分且二者存在顯著性差異（t=-4.62，p<0.01），學生面對問題的態度更加積極；問題“我會同時想出多種解決數學問題的思路，并且合理地進行選擇”在前測后測的得分均值存在顯著性差異（t=-2.28，p<0.01），學生解決問題的思路更加開闊，能夠想出更多樣的問題解決方法并合理選擇解決策略，這與課堂上注重培養學生從不同角度分析問題與解決問題所緊密聯系的；問題“當你遇到問題時，下列哪種情況比較符合你”體現了學生在問題解決的過程和方法上的能力，前測后測得分均值存在顯著性差異（t=-2.11，p<0.01），在前測中學生表現出的更多是能夠知道問題并較好地解決問題，而在后測中學生能夠更加深入地了解問題并更好地解決問題。

3.訪談結果表明，學生具有較高的問題意識

在問卷調查的基礎上，我們針對學生對問題解決和問題提出的看法對部分學生進行了訪談。有的訪談者提到“我認為提出一個數學問題更重要，因為提出一個數學問題可以讓你完全明白問題，還可以讓你學到更多知識”，還有的訪談者提到“提出一個數學問題重要，因為答對數學問題靠‘解題套路，提出一個問題要‘思考，要‘疑惑，是‘不懂就問，更有價值”。訪談結果顯示，大部分學生認為提出問題比解決問題更重要，學生表現出了較高的問題意識。

五、總結與思考

本研究基于APT模型對智慧教室環境下培養學生問題提出與問題解決能力的數學教學進行教學設計與實施，采用單組前測后測準實驗研究法，對學生小組合作學習記錄單、記記卡等學生作品進行分析，探究如何在智慧教室環境下基于移動終端培養學生的問題提出與問題解決能力。研究發現：

（一）總的來說，學生能夠提出一定數量的問題，但問題的類型局限于幾類問題且大部分學生的問題不夠新穎和深刻。從提出問題數量、提出問題質量和問題表述質量這三方面分別來分析學生的問題提出能力：大多數學生能夠提出三個及三個以上的問題，問題的表述質量也相對較好，但提出問題的質量有待提高，表現為問題的種類較為局限，而且一部分學生不能提出更加新穎和深刻的問題。從學生提出的問題種類可以看出，學生很少能夠打破信息條件的類別限制提出涉及多類對象的問題，如“全校每人分一個蘋果，夠分嗎？”這類問題比較少。造成這種現象的原因可能是由于時間的限制導致他們不能提出更多的問題或者更加深入的問題，還可能是由于學生的思路不夠開闊導致他們的問題比較單一。對此，教師要注重培養學生的問題提出策略并不斷開拓學生的思路。比如，在日常的教學中，教師可以通過提問的形式引導教學不斷深入，通過這種示范啟發的方式循序漸進地培養學生的問題提出能力；教師在教學中也要注重鍛煉學生的數學思維，通過不斷的思維訓練讓學生掌握更多的數學思想，使學生的思路更活躍一些。

（二）在智慧教室環境下，基于APT模型提出的教學設計能夠有利于促進學生問題提出與問題解決能力的培養，特別是對于學生問題解決態度的作用更加明顯。課堂上注重從不同角度培養學生分析和解決問題，這對于開闊學生解決問題的思路、選擇多樣化的解決方式和解決策略是很有幫助的。由于實驗時間有限，這可能導致學生的問題解決能力不存在顯著性差異，但從學生對問題解決態度上的改變可以看出其潛在的應用效果，這將是對以后學生能力培養的一種借鑒。

（三）學生具有較高的問題解決能力，并且大部分學生的問題意識較高，他們認為提出問題比解決問題更為重要。通過對學生的問題解決能力分析可知，學生具有較好的問題解決態度、問題解決方法和策略，較高的問題解決能力、問題解決品質。另外，從訪談中了解到，大部分學生的問題意識較高。首先，提出問題便于加深對知識的理解。他們認為，只有對某類知識點的認識達到一定的程度，即對知識的理解更加透徹的時候才能夠提出問題，并且在不斷提出問題的過程中可以深化自己對知識的理解與認識。其次，提出問題能夠鍛煉思維。學生覺得，提出問題的過程是一個不斷思考、不斷疑惑的過程，在思考中產生問題并實現問題的表述，提出的問題甚至會挑戰權威，此過程能夠使自己的認識更加成熟、思維更加靈活。

本研究依托項目組與華中科技大學附屬小學的合作項目開展，該項目為智慧教室環境下促進小學生深度學習的教學策略研究，基于APT教學模型開展課程教學，以提升學生的高階思維能力。由于受研究對象、研究條件等因素的限制，有關智慧教室環境下培養學生問題提出與問題解決能力的教學設計研究還不夠完善。在今后的研究中，還需進行更廣泛的應用，拓寬研究時間，或以專題教學的形式對其應用進行更深入地探討。