有效失敗教學(xué)視角的工程實踐活動分析

基礎(chǔ)科學(xué)教育活動選題總與社會和科學(xué)前沿關(guān)注、研究熱點相聯(lián)系，氣候變化作為一個全球性問題受到廣泛關(guān)注，多個國家或地區(qū)正因全球氣候的持續(xù)變化受到缺水和干旱的影響。灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動中發(fā)揮著重要作用，出色的灌溉系統(tǒng)能在滿足生產(chǎn)生活需要的前提下提高水利用率，以盡可能地節(jié)省水資源。以工程迭代為核心的設(shè)計灌溉系統(tǒng)工程實踐活動，可以幫助學(xué)生認識到水資源的重要性，增強其環(huán)保與服務(wù)社會的意識，讓他們在動手操作和反復(fù)的工程調(diào)試中提升解決實際問題的工程實踐能力。有效失?。≒roductive Failure）教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生從失敗中學(xué)習(xí)的技能，能進一步增強其學(xué)習(xí)效果。

一、活動簡介

活動案例來自美國加州創(chuàng)新科技博物館為科技挑戰(zhàn)賽（The Tech Challenge）所準備的工程設(shè)計科技實踐活動課程?？萍继魬?zhàn)賽是該博物館科技互動的標志性項目，已舉辦37年，在美國影響力巨大，自項目誕生以來已影響數(shù)以萬計的美國青少年，項目參與者的創(chuàng)造力、問題解決、團隊合作以及從失敗中學(xué)習(xí)等技能都得到增強?！霸O(shè)計一套灌溉系統(tǒng)”活動圍繞“設(shè)計一個山坡花園灌溉系統(tǒng)，以最大限度地提高用水效率”這一核心驅(qū)動問題展開，面向3～5年級學(xué)生。學(xué)生將根據(jù)“甲方”不斷變化的要求，反復(fù)修正和迭代優(yōu)化自己的方案，并向他人分享和演示自己的方案，在對方案的討論以及基于證據(jù)的闡述論證中完成一個能有效收集和分配水以保護水資源的山坡灌溉系統(tǒng)的工程設(shè)計。

二、有效失敗的視角透視

有效失敗教學(xué)是指，在真實但復(fù)雜劣構(gòu)問題的導(dǎo)向下，學(xué)習(xí)者陷入有意設(shè)計的失敗，教學(xué)者推遲支架介入，以使其在失敗中掙扎探索，獲得對目標概念的深層理解，從而發(fā)生長遠有價值的深度學(xué)習(xí)。[1]有效失敗分為生成和探索、知識的整合和組裝兩個階段，具體體現(xiàn)為激活與區(qū)分先驗知識、關(guān)注目標概念核心特征、解釋闡述目標概念核心特征、整合目標概念核心特征四個相互依存的學(xué)習(xí)機制。[2]基于有效失敗的視角，應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

1.重視情境的真實性

有效失敗教學(xué)通過真實的情境導(dǎo)入劣構(gòu)的問題，將問題解決與真實世界融合，激發(fā)學(xué)生探究的動力，充分調(diào)動他們的已有知識，使他們在利用和分配水的過程中認識到科學(xué)技術(shù)對社會的巨大影響，培養(yǎng)他們的社會責(zé)任感，同時防止他們過于輕松地解決問題或者完全失去解決問題的信心，讓他們在工程設(shè)計失敗迭代的過程中學(xué)習(xí)。

2.營造不懼失敗的包容氛圍

接受失敗、從失敗中學(xué)習(xí)需要開放包容的環(huán)境氛圍。[3]對于灌溉系統(tǒng)設(shè)計這個真實情境下的復(fù)雜問題，學(xué)生很難立馬拿出一個完美的解決方案，更何況設(shè)計難度在逐步提高，他們在這個過程中勢必會遭遇失敗。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生不要畏懼失敗，通過失敗發(fā)現(xiàn)已有方案的缺陷，關(guān)注到目標概念的核心特征，從而更好地從失敗中吸取經(jīng)驗，針對性地優(yōu)化方案，推動工程方案設(shè)計的迭代，發(fā)展他們解決實際問題的能力。

3.提供充分的展示論證機會

活動過程中學(xué)生將兩度分享其解決方案，教師應(yīng)關(guān)注他們做了什么以及為什么做，通過開放性問題引導(dǎo)他們反思并進一步探究。在論證過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生完成對目標概念核心特征的解釋與闡述，培養(yǎng)他們基于證據(jù)的科學(xué)論證思維、迭代修正的工程素養(yǎng)，讓他們在解釋論證的過程中完善灌溉系統(tǒng)的設(shè)計方案。

三、活動內(nèi)容

1.材料準備與活動規(guī)劃

活動包含露臺花園試驗臺（每組一套）和灌溉系統(tǒng)耗材（全班使用）兩套材料（如圖1）。

每個團隊都需要一個梯田山坡模型（以一定角度設(shè)置），下面有一個托盤或箱子來收集徑流水。海綿或棉球起到模擬植物的作用，在挑戰(zhàn)的第二部分，學(xué)生需仔細觀察，在弄濕所有“植物”后停止傾倒以探究是否可以節(jié)約用水量。對于灌溉系統(tǒng)的耗材，教師提供的是大類材料，在實施過程中要鼓勵學(xué)生從每個類別中查找材料，不要將自己局限于此，可以使用手頭的任何東西，體現(xiàn)出創(chuàng)意。

活動立足真實情境，分為兩個難度遞增的設(shè)計挑戰(zhàn)階段（如圖2）。

2.情境導(dǎo)入

情境：一家住房開發(fā)商剛剛聯(lián)系了你的工程師團隊，他們的新住房有一塊梯田狀的花園，請你為這片區(qū)域設(shè)計一套灌溉系統(tǒng)。你需要考慮如何在水量、材料預(yù)算有限的情況下設(shè)計這樣一套系統(tǒng)，使花園的6個區(qū)域都能得到均勻的灌溉。

課程從利用學(xué)生對農(nóng)業(yè)的理解及其不同氣候和文化的差異開始。通過“你認為不同氣候下的農(nóng)業(yè)有何不同”“你見過人們用何種方式運輸水”等問題，教師在正式開始之前激活學(xué)生對于活動主題有關(guān)的已有知識，了解他們對灌溉和輸水系統(tǒng)的知識情況，把握學(xué)情。接下來告知學(xué)生，在本課程中他們將在特定的環(huán)境（山坡梯田）中研究耕作和灌溉，并分享世界各地的梯田文化，包括一系列的梯田農(nóng)場照片，如水稻、茶葉、干旱土地。上述步驟先充分激活學(xué)生的已有知識，充分調(diào)動他們的興趣和探究欲望，再提出真實情境中的驅(qū)動性問題，讓他們帶著問題開始后續(xù)的設(shè)計挑戰(zhàn)。

3.設(shè)計挑戰(zhàn)一階段

設(shè)計挑戰(zhàn)一階段主要是設(shè)計一個能收集并有效分配水的山坡灌溉系統(tǒng)，分為4個部分。

情境化問題界定。教師作為“甲方代理人”向?qū)W生明確設(shè)計任務(wù)，即需要在預(yù)算和時間有限的情況下，設(shè)計一個為梯田6個區(qū)域的植物進行灌溉的系統(tǒng)，并盡可能地少使用水。

明確設(shè)計問題及對應(yīng)標準和限制。學(xué)生將以2～4人的小組為單位，審查設(shè)計問題并考慮如何在滿足標準和限制的情況下完成設(shè)計任務(wù)（如圖3）。在進行第三步前，教師可選擇性地開展頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)，即組織學(xué)生先行分享討論自己的設(shè)計想法，或讓每個團隊成員選擇不同的材料，分享其材料的特性（剛性、吸水性等）以及如何在團隊解決方案中使用該材料。這一步可以激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，促進他們對不同材料特性的認識，有助于后續(xù)更好地利用材料進行設(shè)計。

第一次原型構(gòu)建與測試。學(xué)生以小組為單位開始第一次灌溉系統(tǒng)原型的設(shè)計，在設(shè)計和測試的同時，他們在學(xué)習(xí)記錄單上填寫每一次測試的情況（打濕了多少“植物”、還剩余多少水等），并在親手設(shè)計建造的過程中自主探究和構(gòu)建不同材料特性、灌溉技術(shù)的有關(guān)知識。教師在這個過程中幫助學(xué)生專注于過程，而不是設(shè)計的成功，如果他們的設(shè)計失敗了，問問他們嘗試了多少方法，分析哪些方法不起作用，以及接下來如何改進。通過這樣的支持，教師幫助學(xué)生反思存在的問題并針對性改進，培養(yǎng)他們的工程迭代思維，提高他們的工程素養(yǎng)，讓他們初步實現(xiàn)從失敗中學(xué)習(xí)。

方案分享。在規(guī)定時間結(jié)束后，學(xué)生分享和演示各自團隊設(shè)計的灌溉系統(tǒng)。在這個過程中，學(xué)生應(yīng)基于測試得到的證據(jù)，闡述自己滿足了“甲方”的哪些標準以及是如何滿足的。例如，打濕了多少植物，還剩下多少水，使用了哪些材料，建造花了多少時間等。

設(shè)計挑戰(zhàn)一階段中，學(xué)生很難設(shè)計出非常完美的作品，或多或少會遭遇失敗或者遇到困難，教師要多鼓勵他們通過失敗發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷，認識到存在的問題和差距以做出針對性改進。在進入設(shè)計挑戰(zhàn)二階段之前，為了激發(fā)學(xué)生的靈感，幫助他們改進方案，使他們學(xué)到更多有關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)和灌溉的知識，教師可以為他們提供一些內(nèi)容支持，如本地農(nóng)業(yè)技術(shù)以及地理和氣候如何影響這些技術(shù)的視頻等多媒體信息資料。

4.設(shè)計挑戰(zhàn)二階段

設(shè)計挑戰(zhàn)二階段主要是讓學(xué)生考慮到干旱的影響、水資源緊缺，在盡可能節(jié)約水資源的情況下設(shè)計一個能收集并更有效分配水的山坡灌溉系統(tǒng)。

這一階段的整體結(jié)構(gòu)與前一階段大致相同，但引入了干旱這一新問題情境，學(xué)生需要面對更新、更高的要求展開設(shè)計（如圖4）。對比前一階段，學(xué)生需要進一步節(jié)省用水量，并且時間限制更加嚴格。干旱這一新情境的引入也并非空穴來風(fēng)，與真實世界的情況緊密聯(lián)系，案例來自加州，加州農(nóng)業(yè)面臨氣候變化導(dǎo)致干旱的嚴重威脅，且全球干旱缺水情況近年也在加重。這一新情境導(dǎo)致的挑戰(zhàn)升級可以幫助學(xué)生獲得有關(guān)氣候的科學(xué)知識，認識到科學(xué)技術(shù)與社會的緊密聯(lián)系以及對環(huán)境保護的重要作用?；诘谝淮蔚脑O(shè)計方案和從失敗中發(fā)現(xiàn)的問題，學(xué)生優(yōu)化改進，進行第二次灌溉系統(tǒng)原型設(shè)計。學(xué)生完成分享之后進行總結(jié)性匯報，教師引導(dǎo)他們對工程概念和學(xué)到的知識進行知識整合，并組織他們思考在現(xiàn)實生活中這個系統(tǒng)會面臨什么挑戰(zhàn)，未來還可能出現(xiàn)哪些挑戰(zhàn)，以培養(yǎng)他們解決實際問題的能力并為未來做準備。

有效失敗在活動的整個過程中發(fā)揮著重要作用。從情境導(dǎo)入提出問題開始，這個真實卻劣構(gòu)的故意帶有“刁難”的問題可以有效地激活學(xué)生的已有知識，但他們難免會遭遇到不同程度的阻礙，導(dǎo)向失敗。失敗并不可怕，可怕的是白白經(jīng)歷了失敗后卻沒有發(fā)生有效的學(xué)習(xí)。“灌溉系統(tǒng)設(shè)計”在設(shè)計挑戰(zhàn)一階段就讓學(xué)生盡早且盡可能地失敗，這是為了通過失敗暴露出他們設(shè)計方案的缺陷。這些缺陷可以讓學(xué)生意識到要設(shè)計出一個優(yōu)秀的灌溉系統(tǒng)的核心所在，區(qū)分自己已有知識與解決這一問題的目標概念的核心特征的差異，設(shè)計挑戰(zhàn)二階段同樣有這個環(huán)節(jié)。多次提出方案，多次失敗，多次從失敗中改進迭代，使得學(xué)生有效地關(guān)注到目標概念核心特征，并認識到自己還存在的差距，發(fā)現(xiàn)知識與認知缺口。

兩個階段的設(shè)計挑戰(zhàn)都為學(xué)生提供了解釋闡述的機會，同時教師的延遲教學(xué)支架在此介入，幫助他們對目標概念的核心特征進行解釋和闡述。在總結(jié)匯報中，學(xué)生明確了自己的設(shè)計存在的缺陷，也通過教師提供的解釋明白了彌補這些缺陷的東西（目標概念核心特征）是怎么樣的，將學(xué)到的這些新內(nèi)容整合到自己的已有知識結(jié)構(gòu)中。通過這樣有效失敗指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握的不是死板的可能在短期就會被遺忘的“死”知識，而是嵌入在情境中且刻印在頭腦中的“活”知識、“活”能力。這樣，在未來面對相似的情境時，學(xué)生依然能靈活地解決問題，實現(xiàn)真正有效的學(xué)習(xí)，提升問題解決能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

結(jié)語

科學(xué)教育需打破知識本位觀念，科學(xué)活動重點不是讓學(xué)生學(xué)到多少科學(xué)知識，而應(yīng)以科學(xué)思維能力、探究實踐能力、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的培養(yǎng)為重點。已有研究表明，讓學(xué)生經(jīng)歷有效的失敗對其概念理解、知識遷移及長遠學(xué)習(xí)效果上有顯著作用。[4]失敗不應(yīng)被視為負面的結(jié)果，更應(yīng)視失敗為學(xué)習(xí)的機會在教學(xué)活動中加以利用。在本活動中，學(xué)生會設(shè)計出失敗或者不那么完美的灌溉系統(tǒng)，教師可為他們創(chuàng)造一個開放包容不懼失敗的氛圍，鼓勵他們從失敗中發(fā)現(xiàn)缺陷與不足，針對性地調(diào)試，迭代優(yōu)化自己設(shè)計的灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)從失敗中有效學(xué)習(xí)。

[基金：華東師范大學(xué)教育學(xué)部第九屆大學(xué)生科研基金，編號：ECNUFOE2024KY046]

（作者：華東師范大學(xué)教育學(xué)部碩士研究生）

參考文獻

[1]Kapur M. Productive failure in mathematical problem solving[J]. Instructional science，2010，38：523-550.

[2]Kapur M. Productive failure in learning the concept of variance[J]. Instructional Science，2012，40：651-672.

[3]Hod Y，Basil-Shachar J，Sagy O. The role of productive social failure in fostering creative collaboration： A grounded study exploring a classroom learning community[J]. Thinking Skills and Creativity，2018，30：145-159.

[4]曹鷺.有效失敗與知識遷移：理論、機制與原則[J].開放教育研究，2021（03）.