有效失敗與知識遷移：理論、機制與原則

曹 鷺

(華東師范大學(xué) 教育學(xué)部，上海 200062)

一、引 言

隨著社會與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，當(dāng)今的教育正面臨著諸多挑戰(zhàn)。我國“十四五”規(guī)劃強調(diào)，義務(wù)教育不僅需要提高基礎(chǔ)的文明素養(yǎng)，更需要提高學(xué)生的實踐本領(lǐng)。這意味著課堂不僅需要幫助學(xué)生掌握知識(例如，陳述性知識、高階知識等)，還需要幫助學(xué)生學(xué)會將知識運用于新的情境，解決復(fù)雜的新問題。這種能力也被稱作遷移(Bransford et al.，1999)。促進(jìn)知識遷移是K-12教育的重點教學(xué)目標(biāo)之一。如果學(xué)生無法將課堂習(xí)得的知識應(yīng)用于課外，真正學(xué)以致用，學(xué)校教育就不能很好地匹配社會的實際需求，造成二者之間的脫節(jié)。

基于知識遷移的重要性，長期以來，遷移一直是學(xué)習(xí)科學(xué)的研究重點。然而，實現(xiàn)知識遷移并不容易。一方面，很多研究證明了知識遷移的困難(Anderson et al.，1996；Bransford & Schwartz，1999)。另一方面，2018年的PISA測試結(jié)果表明，即使在我國教育發(fā)達(dá)地區(qū)，科學(xué)學(xué)科(即物理、化學(xué)、生物三科總稱)的測試中，也僅32%的學(xué)生達(dá)成近遷移(同領(lǐng)域內(nèi)的遷移，如用學(xué)到的生態(tài)學(xué)知識解決某地區(qū)物種瀕危問題)，而能達(dá)成遠(yuǎn)遷移(跨領(lǐng)域的遷移，如運用生態(tài)學(xué)動態(tài)平衡概念解釋商科中的商品供需平衡關(guān)系)的僅7%，且中國已是全球科學(xué)學(xué)科測試表現(xiàn)最好的國家(OECD，2019)。因此，幫助學(xué)生提高知識遷移能力，尤其是遠(yuǎn)遷移，仍有較大的提高空間。

經(jīng)過一個世紀(jì)的研究，對如何認(rèn)識知識遷移，如何促進(jìn)知識遷移等問題，學(xué)界在經(jīng)典遷移理論的基礎(chǔ)上，又提出了新的觀點。本文將介紹一種基于現(xiàn)代遷移理論且近年備受矚目的創(chuàng)新教學(xué)方法——有效失敗，討論其如何有效促進(jìn)知識遷移。有效失敗由摩奴·卡普爾(Kapur，2008)提出，主張讓學(xué)生在沒有結(jié)構(gòu)性指導(dǎo)的情況下參與解決復(fù)雜的、非良構(gòu)問題，因為此時遇到的挫折是一種有價值的實踐。一般來說，傳統(tǒng)課堂教學(xué)主張“先學(xué)后做”，即先由老師傳授知識，結(jié)構(gòu)性地指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)如何理解和處理問題，然后布置習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)或嘗試解決問題。這是一種直接教學(xué)的方法。有效失敗則是一種相反的教學(xué)方法，鼓勵“先做后學(xué)”，即讓學(xué)生先試著自行解決復(fù)雜的、劣構(gòu)的新問題，教師幾乎不提供任何幫助，之后再由教師介入并展開教學(xué)。近年來，越來越多的研究結(jié)果顯示，有效失敗能有效促進(jìn)知識遷移(Jacobson et al.，2017；Kapur，2014；Lai et al.，2016；Loibl & Rummel，2014)。

二、底層學(xué)習(xí)理論

(一)用動態(tài)視角看待遷移：未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備的視角

遷移概念自提出至今，已有一百多年。早期的遷移研究(Woodworth & Thorndike，1901；Detterman & Sternberg，1993；Haskell，2000)均發(fā)現(xiàn)知識遷移很容易失敗，不易實現(xiàn)。例如，伍德沃斯和桑代克(1901)發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)生計算正方形的面積后，學(xué)生幾乎無法將面積計算原則運用于計算三角形或圓形面積。因為這些失敗的結(jié)果，有些學(xué)者甚至悲觀地認(rèn)為，知識遷移在學(xué)習(xí)過程中幾乎不存在(Detterman & Sternberg，1993)。20世紀(jì)90年代初，針對能否實現(xiàn)知識遷移，學(xué)界進(jìn)行了多次辯論(Anderson et al.，1996；Tuomi-Gr?hn & Engestr?m，2003)。從這些辯論可以發(fā)現(xiàn)，盡管一系列案例支持遷移的存在，但整體而言知識遷移依舊是罕見的、困難的。實現(xiàn)知識遷移絕非易事，尤其是遠(yuǎn)遷移(Perkins & Salomon，1992)。

經(jīng)過近九十年的爭論，在前期研究與爭論的基礎(chǔ)上，布蘭斯福德等(Bransford & Schwartz，1999)指出，需要重新概念化對遷移的認(rèn)識。他發(fā)現(xiàn)，過去關(guān)于遷移的研究采取了非常類似的范式，即先教學(xué)生目標(biāo)知識，然后讓他們直接應(yīng)用該知識解決問題，并用該問題測試學(xué)生是否表現(xiàn)出知識遷移。伍德沃斯和桑代克的面積原理應(yīng)用實驗就是經(jīng)典的例子。布蘭斯福德(Bransford & Schwartz，1999)將這種“將遷移描繪為能直接把先前的學(xué)習(xí)應(yīng)用到新環(huán)境或問題”的理論稱之為遷移的直接應(yīng)用理論(direct application theory)。與這種理論相呼應(yīng)的范式叫作隔絕式解決問題(sequestered problem solving)。布蘭斯福德認(rèn)為，直接應(yīng)用理論與隔絕式問題范式是掩蓋成功知識遷移的重要原因。

那么，直接應(yīng)用理論與隔絕式解決問題范式的問題在哪呢？布蘭斯福德指出，它們最大的問題在于:將遷移看作是一次性、靜態(tài)的學(xué)習(xí)結(jié)果，而非長期的、動態(tài)的學(xué)習(xí)過程。隔絕式解決問題范式這種“學(xué)完即用”的學(xué)習(xí)過程隔絕了學(xué)生的先前知識、經(jīng)驗與學(xué)習(xí)感知。布蘭斯福德和施瓦茲(Bransford & Schwartz，1999)分別請五年級小學(xué)生和大學(xué)生解決一個有關(guān)如何保護當(dāng)?shù)囟d鷹(一種當(dāng)?shù)氐臑l危生物)的問題。結(jié)果表明，無論是小學(xué)生還是大學(xué)生都無法給出恰當(dāng)?shù)谋Ｗo方案，盡管大學(xué)生的寫作與表達(dá)能力更強。按照直接應(yīng)用理論，無論哪類學(xué)習(xí)者都無法把所學(xué)直接應(yīng)用于問題解決，那么他們先前接受的科學(xué)教育就是一種失敗的遷移。但是，研究者發(fā)現(xiàn)在解決問題的過程中，小學(xué)生考慮問題相對膚淺，更偏向于禿鷹個體；大學(xué)生考慮問題相對更深，更關(guān)注禿鷹與棲息地之間的關(guān)系。顯然，大學(xué)生受過更多的生物教育，他們對禿鷹保護的認(rèn)識更為深層與關(guān)鍵。如果給予他們時間自行尋找資料或者額外聽講的機會，大學(xué)生肯定能夠在后續(xù)學(xué)習(xí)過程中抓住與解決問題相關(guān)的關(guān)鍵資料或知識。經(jīng)過一輪的額外學(xué)習(xí)，大學(xué)生的測試表現(xiàn)大概率會優(yōu)于小學(xué)生。

禿鷹保護案例引出一個觀點，即人的先驗知識、經(jīng)驗、知覺、判斷、解釋等都會影響今后的學(xué)習(xí)。這就是布蘭斯福德(Bransford & Schwartz，1999)提出的現(xiàn)代遷移理論——為未來學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備(prepare for future learning)的重要前提。他認(rèn)為，知識遷移成功的關(guān)鍵是學(xué)生在學(xué)習(xí)目標(biāo)知識前，是否針對未來的學(xué)習(xí)做好了充分準(zhǔn)備。換句話說，知識遷移并非只有“遷移輸出”這一應(yīng)用知識環(huán)節(jié)，學(xué)生自帶的東西(先驗知識、經(jīng)驗等)會影響他們(例如，聽教師講解目標(biāo)概念)對目標(biāo)知識的看法與解釋，而運用先前所學(xué)所知解讀與學(xué)習(xí)當(dāng)下的新知識同樣也是遷移，被稱為“遷移輸入”(Schwartz & Martin，2004)。遷移過程其實是遷移輸入至遷移輸出的過程。

未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備是支撐有效失敗的重要底層學(xué)習(xí)理論，其提出有十分重要的意義。它從動態(tài)角度重新定義了知識遷移，即遷移是一個從遷移輸入到輸出的動態(tài)過程。假設(shè)將學(xué)習(xí)目標(biāo)知識前的準(zhǔn)備看作是學(xué)習(xí)過程的一環(huán)，那么知識遷移是長期的學(xué)習(xí)過程，而非一次性學(xué)習(xí)的成果。這一想法呼應(yīng)了學(xué)界許多類似的觀點。例如，比約克等(Bjork & Bjork ，2011)提出的“值得的困難”(desirable difficulties)，即通過給學(xué)生施加困難(例如，讓學(xué)生發(fā)明解釋)加強學(xué)生長期的學(xué)習(xí)效果，而非短期表現(xiàn)。洛巴托(Lobato，2012)面向參與者的遷移(actor-oriented transfer)也認(rèn)為，“從面向參與者的遷移的角度出發(fā)，根據(jù)最初對活動和事件的解釋，學(xué)生將遷移看作他們已經(jīng)考慮過的事情的實例”。這里的“最初學(xué)習(xí)”，與對未來學(xué)習(xí)的觀點相呼應(yīng)。季清華等(Chi & VanLehn，2012)也指出學(xué)生通過解決問題學(xué)習(xí)遷移，需要在初始學(xué)習(xí)階段(即解決問題期)對初始問題進(jìn)行建構(gòu)，以達(dá)到對該問題的深度理解與解讀。對初始問題的膚淺理解導(dǎo)致許多遷移的失敗。除了STEM學(xué)科，在語言學(xué)習(xí)遷移方面，拉森-弗里曼(Larsen-Freeman，2013)認(rèn)為語言學(xué)習(xí)的遷移是動態(tài)的過程，而非簡單地將知識從一個情境直接搬到另一個情境?？偟膩碚f，未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備理論拓展了對知識遷移的認(rèn)知，對遷移研究有著深遠(yuǎn)的影響。近年來，越來越多的學(xué)者支持與未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備類似的觀點。

未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備也為教學(xué)設(shè)計給出了重要的教學(xué)框架，即達(dá)成知識遷移需要一個解決問題期(problem-solving phase)，用于準(zhǔn)備未來的學(xué)習(xí)，和一個指導(dǎo)期(instruction phase)。這兩階段共同組成一個完整的學(xué)習(xí)活動。該框架的特點是將教學(xué)順序顛倒，從傳統(tǒng)的“先學(xué)后做”型的隔絕式解決問題范式更改為先開展解決問題活動，后教師介入直接指導(dǎo)。這種采用未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備框架的教學(xué)方法被稱作解決問題-指導(dǎo)法。有效失敗實際上是解決問題—指導(dǎo)法的特定應(yīng)用。另一種知名的解決問題—指導(dǎo)法是發(fā)明(invention)，由施瓦茲與馬丁(Schwartz & Martin，2004)提出，在核心機制上與有效失敗有些區(qū)別。發(fā)明的具體機制與設(shè)計原則，可閱覽施瓦茲與馬丁(Schwartz & Martin，2004)的論文。

(二)僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論(Impasse-Driven Learning)

盡管都建立在未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備的視角上，與其它解決問題—指導(dǎo)法不同，有效失敗強調(diào)失敗在學(xué)習(xí)中扮演的角色。即使學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中遭遇暫時性失敗，這份失敗的體驗也能幫助其開展后續(xù)學(xué)習(xí)，進(jìn)而有效促進(jìn)知識遷移(Kapur，2012，2014；VanLehn et al.，2003)。此外，有效失敗的提出還建立在范冷的一系列與僵局有關(guān)的研究上(VanLehn，1988，1999；VanLehn et al.，2003)。僵局是失敗的一種類型，即“學(xué)生陷入僵局，檢測到錯誤，或正確地采取了行動，但行動具有不確定性”(VanLehn et al.，2003)。

范冷提出的僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論(VanLehn，1988)認(rèn)為，大部分學(xué)習(xí)事件是由陷入僵局引發(fā)的。范冷通過觀察學(xué)生解決算術(shù)問題發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生運算三位數(shù)減法時出錯。該錯誤并非源于學(xué)生的粗心(即非系統(tǒng)性錯誤)，而是因為學(xué)生缺乏目標(biāo)知識，或?qū)δ繕?biāo)知識有錯誤的認(rèn)識。范冷把這種學(xué)生在計算中出現(xiàn)的錯誤稱為故障(bug)，一系列故障組成了系統(tǒng)性錯誤。不僅如此，他還發(fā)現(xiàn)學(xué)生可能在解同類型題目時會發(fā)生多種錯誤。比如，同樣是百位數(shù)減法運算，學(xué)生有時錯在只借百位，不借十位(例如“211-103=18”)，有時錯在只借個位(例如，“211-103=118”)。范冷把這種學(xué)生前后出現(xiàn)多種故障的現(xiàn)象定義為故障移動(bug migration)。

僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論將學(xué)生解決百位數(shù)減法運算的學(xué)習(xí)過程拆分為三步:第一步，學(xué)生發(fā)現(xiàn)過去用于二位數(shù)減法的解題思路(“只借最左且毗鄰的位”)在三位數(shù)減法中不再適用，就此陷入僵局。第二步，為了擺脫僵局，學(xué)生會重新解讀該問題應(yīng)如何操作。范冷(VanLehn，1988)將這個過程稱為修理(repair)。通過對問題操作再解讀，學(xué)生會放寬已有標(biāo)準(zhǔn)，得出新的操作，例如只借最左位(不借毗鄰位)，甚至只借個位，亦或只借毗鄰位(不借最左位)。第三步，學(xué)生執(zhí)行新操作。前兩種操作最后會得到錯誤答案，第二種操作會得到正確答案，這說明通過修理得出的新操作未必正確，這是個重要觀點。修理往往基于學(xué)生已有知識，每次修理根據(jù)激活已有的不同知識會造成不同的故障，這也解釋了為何會出現(xiàn)故障移動。

值得注意的是，僵局發(fā)生后，在沒有干預(yù)的情況下，學(xué)生通過自我解釋，可以修復(fù)僵局，并自發(fā)習(xí)得一種用于理解與解決問題的新規(guī)則。如果這個規(guī)則是錯誤的，則被稱為不良規(guī)則(malrule)。不良規(guī)則在格式和功能上和正確規(guī)則一樣，二者的區(qū)別只在于學(xué)生運用它們能否獲得正確答案(VanLehn，1988)。僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生遇到僵局后，學(xué)習(xí)就會發(fā)生。如果學(xué)生通過自我解釋習(xí)得不良規(guī)則，則該學(xué)習(xí)結(jié)果是負(fù)面的；反之，如果在產(chǎn)生僵局的節(jié)點上，學(xué)生意識到自我解釋得來的規(guī)則可能是錯誤的，會求助教師或同學(xué)以獲得正確解答，并將新知識、新解題步驟整合到已有的知識，此時該學(xué)習(xí)結(jié)果是正面的。

糟糕的是，如果學(xué)生一旦習(xí)得不良規(guī)則，他們每次解決同類問題都會重復(fù)錯誤的解題過程，導(dǎo)致穩(wěn)定故障(stable bugs)的發(fā)生。只要穩(wěn)定故障不被修正，即使接受教師指導(dǎo)后，學(xué)生還是會保留兩套規(guī)則，即正確規(guī)則與不良規(guī)則(VanLehn，1988)。某些情境下(如接受指導(dǎo)的過程中)，學(xué)生有足夠的能力區(qū)分兩者并運用正確規(guī)則。然而，一段時間后，遇到不熟悉的情境，學(xué)生可能會不確定哪個規(guī)則有用，并可能再次運用舊的不良規(guī)則。這也解釋了為何學(xué)生接受教師指導(dǎo)一段時間(如半年)后，還會再犯過去一樣的錯誤。因此，在僵局發(fā)生后，教學(xué)必須介入以幫助學(xué)生徹底拋棄不良規(guī)則。

僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論獲得了實證研究的支持。在范冷等(VanLehn et al.，2003)的輔導(dǎo)研究中，大學(xué)物理系學(xué)生被要求解決一系列非線性動力學(xué)問題。學(xué)生需要在輔導(dǎo)者的幫助下，分析應(yīng)該用哪些動力學(xué)原理解決問題。研究結(jié)果表明，學(xué)習(xí)在學(xué)生陷入僵局后更普遍地出現(xiàn)。反之，學(xué)生沒有經(jīng)歷失敗，即使輔導(dǎo)者直接向?qū)W生解釋物理學(xué)原理，輔導(dǎo)者的解釋與學(xué)習(xí)的發(fā)生也無關(guān)聯(lián)。這表明，僵局與學(xué)習(xí)相互關(guān)聯(lián)。陷入僵局是現(xiàn)有知識需要被修正的信號(VanLehn，1999)。如果沒有陷入僵局，學(xué)習(xí)很難發(fā)生。范冷等(VanLehn et al.，2003)隨后提出了一個理想的學(xué)習(xí)過程，即在解決問題的學(xué)習(xí)中，以學(xué)生陷入僵局為信號，學(xué)生自我解釋對問題的理解，輔導(dǎo)者介入并給予指導(dǎo)與解釋，糾正學(xué)生的錯誤觀念，最終建立新的知識。

圖1 有效失敗的兩個階段與核心機制

僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論的提出有著積極的意義。在直接教學(xué)法為主的情況下，僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)理論強調(diào)失敗在學(xué)習(xí)中的重要地位。該理論還詳細(xì)闡述了解決問題的學(xué)習(xí)過程，并強調(diào)僵局發(fā)生后，必須徹底糾正學(xué)生的錯誤認(rèn)知才能真正學(xué)到正確的知識。其它研究也指出經(jīng)歷失敗對學(xué)習(xí)有積極的促進(jìn)作用，尤其在解決問題的學(xué)習(xí)中。有價值的失敗能更好地幫助學(xué)生認(rèn)識問題，深度理解概念(Kapur，2008；劉徽等，2020)。

二、核心機制

有效失敗理論提出后，一系列的實證研究證明有效失敗可以支持初中數(shù)學(xué)概念性知識的近遷移(Kapur，2008，2010，2011)。在此結(jié)論上，卡普爾和貝拉可茲可(Kapur & Bielaczyc，2012)提出了有效失敗的核心機制，但未詳細(xì)闡述。在其基礎(chǔ)上，洛伊布爾(Loibl et al.，2017)建立了解決問題-指導(dǎo)法學(xué)習(xí)機制。結(jié)合前兩者的討論，本文歸納和闡述了有效失敗的核心機制，討論這些機制與哪些有效失敗的教學(xué)設(shè)計元素對應(yīng)。這些機制分別是：1)激活與目標(biāo)概念有關(guān)的先驗知識與經(jīng)驗(機制1)；2)意識到知識缺口(機制2)；3)關(guān)注目標(biāo)概念的深層特征(機制3)；4)組織和組裝深層特征至目標(biāo)概念(機制4)。

卡普爾等將有效失敗分為兩個階段：1)解決問題期，又稱生成期(generation phase)；2)指導(dǎo)期，又稱鞏固與知識組裝期(Kapur & Bielaczyc，2012)。在解決問題期，學(xué)生需要盡力嘗試解決一個從未學(xué)過的復(fù)雜問題，并在該階段生成多個表述或解決方案；在指導(dǎo)期，教師將學(xué)生的錯誤解決方案與正確解決方案對比，并傳授學(xué)生目標(biāo)概念。圖1展示了兩個階段主要對應(yīng)的核心機制。四個機制的觸發(fā)有時間點要求：1)機制1必須在解決問題期被觸發(fā)； 2)在觸發(fā)機制1的基礎(chǔ)上，才能觸發(fā)機制2與機制3；3)進(jìn)入直接指導(dǎo)期后，機制2與機制3會被二度觸發(fā)；4)最終觸發(fā)機制4。實證研究表明，即使采用同樣的學(xué)習(xí)任務(wù)與指導(dǎo)，有效失敗幫助學(xué)生學(xué)習(xí)高階知識與知識遷移依舊優(yōu)于傳統(tǒng)的直接教學(xué)法(Kapur，2014；Loibl & Rummel，2014)。這表明觸發(fā)機制的順序非常重要。

為了認(rèn)識失敗、有效失敗與核心機制的交互，本文關(guān)聯(lián)失敗與有效失敗的核心機制，即經(jīng)歷失敗如何有效促進(jìn)有效失敗機制。需說明的是，失敗分兩種：一種著眼于學(xué)生表現(xiàn)，即學(xué)生是否成功解決了問題，另一種指失敗的內(nèi)容本身，即學(xué)生解決問題期是否生成了不正確或次優(yōu)的表述或解決方案。有效失敗更關(guān)注后者。

(一)機制1：激活與目標(biāo)概念有關(guān)的先前知識與經(jīng)驗

有效失敗學(xué)習(xí)活動開始于解決問題期。在這個階段，老師為學(xué)生提供復(fù)雜的、劣構(gòu)的問題。機制1的激活指，學(xué)生在解決復(fù)雜問題的過程中，盡可能地聯(lián)系先前知識與經(jīng)驗，并運用這些知識與經(jīng)驗理解、解釋、闡述新問題。這不僅是有效失敗的機制，許多研究者認(rèn)為學(xué)習(xí)新知識需要激活學(xué)生的先前知識。根據(jù)建構(gòu)主義觀點，當(dāng)學(xué)生把過去的知識與經(jīng)驗與當(dāng)前的教學(xué)指導(dǎo)結(jié)合以構(gòu)建自己的意義時，有價值的學(xué)習(xí)才會發(fā)生(Jonassen et al.，2002)。根據(jù)認(rèn)知主義的觀點，運用先前知識能幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的表面特征，為理解問題背后的深層結(jié)構(gòu)與目標(biāo)概念奠定鋪墊(Chi & VanLehn，2012)。另外，學(xué)生運用自我解釋理解問題也能激活先前知識(Margulieux & Catrambone，2019；Schworm & Renkl，2006)。

在解決問題期，學(xué)生可能會激活多種先前知識。例如，卡普爾等(Kapur & Bielaczyc，2012)研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在解決有關(guān)平均速度的復(fù)雜問題時，生成了多種表述或解決方案，激活了速度、比率、一元二次方程等先前知識，盡管這些解決方法都不正確或不標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)研究表明，學(xué)生解決問題期生成的表述或解決方案的數(shù)量與他們后續(xù)近遷移的表現(xiàn)正相關(guān)，解決方案的質(zhì)量不影響遷移結(jié)果(Kapur，2012，2014，2018)。不僅如此，卡普爾(Kapur，2012，2014)發(fā)現(xiàn)與直接教學(xué)組的學(xué)生相比，有效失敗組的學(xué)生激活了更多的先前知識。以上研究結(jié)果表明，有效失敗能更好地幫助學(xué)生激活先前知識與經(jīng)驗，并最終促進(jìn)后續(xù)的知識遷移。

從失敗的視角看，由于解決問題期教師不提供任何指導(dǎo)，加之沒有學(xué)過目標(biāo)概念，幾乎都會經(jīng)歷困難與失敗。然而，失敗恰好能促進(jìn)學(xué)生更好地激活先前知識與經(jīng)驗。這是因為只有遇到了難以解決的問題，學(xué)生才會不斷地嘗試從多個角度解釋、闡述、評估問題。有了這個努力尋找解釋、解決問題的過程，學(xué)生才能生成比過去(指接受直接教學(xué))更多的表述或解決方案，甚至暴露出各種空白與錯誤，教師也才能在后續(xù)教學(xué)中幫助學(xué)生填補知識空白，糾正錯誤認(rèn)知，區(qū)分先前知識與經(jīng)驗與目標(biāo)概念的差別?？梢哉f，失敗為學(xué)生提供了激活知識的機會。

(二)機制2：意識到知識缺口

在生成期，當(dāng)學(xué)生的先前知識與經(jīng)驗被盡可能地激活，卻依然不能解決問題時，他們就可能意識到知識缺口的存在。范冷(VanLehn，1999)的研究表明，只有在學(xué)生意識到?jīng)]有能力解決問題時，學(xué)習(xí)才會發(fā)生。換句話說，學(xué)生只有意識到自己存在知識缺口時，才會設(shè)法彌補自己的不足。反之，如果學(xué)生認(rèn)為自己已經(jīng)完全理解目標(biāo)知識，學(xué)習(xí)效果可能反而被阻礙。這個結(jié)論得到了實證研究的支持。例如，羅爾等(Roelle & Berthold，2016)給學(xué)生展示四個不同原子玻爾模型并要求學(xué)生比較異同。其中，實驗組學(xué)生需要比較異同后自我解釋他們發(fā)現(xiàn)的每一個異同點，而對照組不需要自我解釋。最后，所有學(xué)生獲得目標(biāo)概念的指導(dǎo)。結(jié)果表明，當(dāng)學(xué)生指出所有異同點時，自我解釋反而阻礙了學(xué)習(xí)。該結(jié)果的可能解釋是因為學(xué)生找出所有異同點時認(rèn)為自己已經(jīng)理解了目標(biāo)概念，沒有意識到知識缺口，導(dǎo)致不再花精力理解后續(xù)的教學(xué)指導(dǎo)，從而降低學(xué)習(xí)效果。施瓦姆等(Schworm & Renkl ，2006)也發(fā)現(xiàn)，用基于計算機的輔導(dǎo)系統(tǒng)，比起僅僅給學(xué)習(xí)者提供及時的指導(dǎo)解釋，敦促學(xué)習(xí)者自我解釋能更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)。因為一旦給予學(xué)習(xí)者即時的指導(dǎo)解釋，學(xué)習(xí)者可能會過于依賴正確的指導(dǎo)，忽略對自身學(xué)習(xí)的認(rèn)識，無法意識到知識缺口，從而降低學(xué)習(xí)效果。

在解決問題期，經(jīng)歷失敗能大幅促進(jìn)學(xué)生意識到知識缺口。這是因為遇到失敗后，學(xué)生會本能地意識到自己知識存在不足。此時學(xué)生往往只能一般意義上認(rèn)識自己缺乏某些知識，很難把此知識缺口對應(yīng)到某個知識點。但在指導(dǎo)期，教師會將學(xué)生錯誤的解決方案與標(biāo)準(zhǔn)的解決方案作對比，指出學(xué)生的方案錯在哪里，使學(xué)生意識到具體的知識缺口(Loibl & Rummel，2014)。已有研究表明，比起直接教學(xué)組，有效失敗組的學(xué)生能同時意識到更多一般意義上和具體的知識缺口(Loibl & Rummel，2014)。不過，該研究同樣發(fā)現(xiàn)，意識到知識缺口并未與學(xué)習(xí)結(jié)果直接關(guān)聯(lián)。該結(jié)果說明，意識到知識缺口本身并不意味著能促進(jìn)學(xué)習(xí)。但是，學(xué)生對知識缺口的認(rèn)識會從側(cè)面影響學(xué)習(xí)，比如意識到知識缺口與失敗關(guān)聯(lián)，而失敗又與學(xué)習(xí)的發(fā)生關(guān)聯(lián)，兩者可能存在間接的聯(lián)系；意識到知識缺口才能更好地引發(fā)機制3?？傮w而言，有效失敗的設(shè)計能促進(jìn)學(xué)生意識到一般意義上和具體的知識缺口。只有意識到知識缺口，學(xué)生才可能關(guān)注目標(biāo)概念的深層特征，進(jìn)而學(xué)習(xí)新知識，達(dá)成知識遷移。

(三)機制3:關(guān)注目標(biāo)概念的深層特征

機制3是有效失敗學(xué)習(xí)的重點環(huán)節(jié)?？梢哉f，機制1與機制2的觸發(fā)是為了讓學(xué)習(xí)者注意到目標(biāo)概念的深層特征。初學(xué)者與專家之間的區(qū)別是能否注意到問題背后的深層結(jié)構(gòu)，即認(rèn)識到目標(biāo)概念的深層特征(Bransford et al.，1999；Chi et al.，1981；Salomon & Perkins，1989)。觸發(fā)機制3意味著離成功的遷移只有一步之遙。與意識到知識缺口相同，機制3可以在有效失敗的兩個階段同時被觸發(fā)。在解決問題期，學(xué)生主要通過解釋、闡述、評價自己的表述或解決方案，注意到目標(biāo)概念的深層特征。例如，在曹鷺等(Cao et al.， 2020)關(guān)于有效失敗的研究中，學(xué)生被要求學(xué)習(xí)孟德爾遺傳學(xué)。在解決問題期，學(xué)生需要通過模擬豌豆雜交探究孟德爾遺傳學(xué)的相關(guān)規(guī)律。有些學(xué)生的闡述只涉及豌豆的顏色、數(shù)量、遺傳因子等表面特征。有些學(xué)生則聯(lián)系了三者之間的關(guān)系。這意味著學(xué)生意識到到目標(biāo)概念的深度特征(例如，關(guān)注到豌豆顏色與遺傳因子的關(guān)系涉及表現(xiàn)型與基因型兩個目標(biāo)概念)。解決問題期觸發(fā)機制3還有個優(yōu)勢，即一旦學(xué)生注意到與目標(biāo)概念有關(guān)的內(nèi)容，會在后續(xù)學(xué)習(xí)中把精力放在重要而非膚淺的信息上，降低認(rèn)知負(fù)荷。在解決問題期，學(xué)生最多只關(guān)注部分與目標(biāo)概念有關(guān)的深度特征，這種關(guān)注是不完整的。

在指導(dǎo)期，教師會通過對比學(xué)生的解決方案和標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，明確目標(biāo)概念的深層特征。類比比較是使概念的深層特征變得明顯的一種教學(xué)方法，能有效促進(jìn)遷移(Gentner et al.，2003；Gick & Holyoak，1980；Jacobson et al.，2020)。因此，類比比較被整合進(jìn)有效失敗的設(shè)計。洛伊布爾等(Loibl & Rummel，2014)的實證研究表明，在高中生學(xué)習(xí)方差概念時，有方案討論(即將學(xué)生方案與標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行對比)的有效失敗組的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于有討論的直接教學(xué)組，而有討論的直接教學(xué)組又優(yōu)于無討論的直接教學(xué)組和無討論的有效失敗組。最后，無方案討論的直接教學(xué)組與無方案討論的有效失敗組的學(xué)習(xí)效果沒有差別。這說明，無論在何種情形下，對比學(xué)生方案與標(biāo)準(zhǔn)方案都能增強學(xué)習(xí)效果。這意味著，即使學(xué)生在解決問題期沒有注意到目標(biāo)概念的深度特征，也能夠通過聽教師對比學(xué)生方案與標(biāo)準(zhǔn)方案，關(guān)注目標(biāo)概念的深度特征。同時，有無方案的對比討論直接影響有效失敗的效果。因此，在指導(dǎo)期，將討論建立在學(xué)生生成的解決方案上對實現(xiàn)機制3是必不可少的。

盡管有效失敗和直接教學(xué)都能通過對比學(xué)生方案與標(biāo)準(zhǔn)方案(直接教學(xué)組使用的是根據(jù)有效失敗組得到的常見及代表性錯誤的學(xué)生解決方案)明確目標(biāo)概念的深層特征，促進(jìn)知識遷移，但有效失敗會讓學(xué)生經(jīng)歷更多的僵局與挫折。與直接教學(xué)相比，學(xué)生最初解決問題期通過經(jīng)歷失敗激發(fā)了更多的先前知識，更好地意識到知識缺口，并能初步意識到一部分目標(biāo)概念的深層特征。到了指導(dǎo)期，學(xué)生那些不完整的、錯誤的想法會被一口氣修復(fù)。反之，如果學(xué)生接受直接教學(xué)，不經(jīng)歷失敗，一系列的學(xué)習(xí)機制就無法被觸發(fā)，這也解釋了為什么在洛伊布爾和拉梅爾的研究中，在同時觸發(fā)機制3的情況下，采用有效失敗獲得比直接教學(xué)更好的學(xué)習(xí)效果。

(四)機制4：組織和組裝深層特征至目標(biāo)概念

觸發(fā)機制1-3后，學(xué)生最后在指導(dǎo)期得到關(guān)于目標(biāo)概念的直接指導(dǎo)。教師在這個階段對目標(biāo)概念進(jìn)行詳細(xì)闡述與解釋。在這個過程中，學(xué)生形成聯(lián)系緊密、組織完整的知識。為了幫助學(xué)生更好地組裝習(xí)得的知識，有效失敗學(xué)習(xí)活動一般會在最后給學(xué)生一個與初始問題類似的問題讓學(xué)生實踐練習(xí)，進(jìn)一步組裝目標(biāo)概念。這一過程也被稱為知識組裝(knowledge assembly)(Kapur，2015)。觸發(fā)機制4是有效失敗收尾的學(xué)習(xí)活動。理想來說，此時學(xué)生已對目標(biāo)知識有了深度認(rèn)識,能夠意識到知識中的重要信息，能夠在需要時彈性地檢索該知識(Bransford et al.，1999)。換句話說，他們已經(jīng)具備了知識遷移能力。

三、設(shè)計原則

達(dá)成知識遷移需要精心的教學(xué)設(shè)計(Anderson & Beavis，2018；Salomon & Perkins，1989)，有效失敗的設(shè)計原則比較復(fù)雜。最初,卡普爾和貝拉可茲可提出了三個維度及5+3條設(shè)計原則(見圖2)。國內(nèi)學(xué)者作了介紹(劉徽等，2020)。在原始設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，辛哈和卡普爾(Sinha & Kapur，2019)提出了有效失敗設(shè)計有效性的五條原則：1)提供多個表述或解決方案的問題；2)生成多個表述或解決方案的證據(jù)；3)有吸引力的問題描述；4)將小組合作作為參與結(jié)構(gòu)；5)將指導(dǎo)建立在學(xué)生方案上。

圖2 有效失敗三個層面涉及的五條教學(xué)原則(劉徽等，2020)

(一)提供多個表述或解決方案的問題

為了能有效觸發(fā)機制1，設(shè)計有效失敗活動時，老師應(yīng)為學(xué)生提供復(fù)雜的、劣構(gòu)的問題。良構(gòu)且不復(fù)雜的問題既不涉及多個解決問題，也不接受多樣性的回答，故不適用于有效失敗的設(shè)計。復(fù)雜但不良構(gòu)的問題，學(xué)生雖然可能生成多個表述或解決方案(Kapur & Bielaczyc，2012)，但這類問題只有一個答案，對生成表述或解決方案有局限。復(fù)雜且劣構(gòu)的問題沒有固定答案，學(xué)生可以從多個角度解讀評估問題(Aamodt & Plaza，1994；Frederiksen，1984；Jonassen，1997；VanMerriёnboer，2013)，表述或生成解決方案更有包容性。

有效失敗的初始問題既不能太簡單，也不能太難。如果問題難到讓學(xué)生放棄，那有效失敗的設(shè)計就會失敗。筆者建議不要涉及大量的目標(biāo)概念，那可能會過度分散學(xué)生的注意力，產(chǎn)生過量的認(rèn)知負(fù)荷。其次，如果學(xué)習(xí)活動的設(shè)計者不是目標(biāo)學(xué)生的教師本人，則設(shè)計者可以積極與目標(biāo)學(xué)生的教師溝通，請他們評估學(xué)生是否具備與目標(biāo)概念相關(guān)的先前知識與經(jīng)驗。是否具備一定的先前知識與經(jīng)驗非常重要，尤其是目標(biāo)概念離學(xué)生日常生活較遠(yuǎn)時，比如，學(xué)習(xí)孟德爾遺傳學(xué)知識前，掌握DNA與減數(shù)分裂相關(guān)的先前知識對有效失敗的開展很重要。

在先前知識符合要求后，設(shè)計者應(yīng)和教師共同確定問題的難度是否合適。如果不能確定問題難度，設(shè)計者可以考慮加入鼓勵學(xué)生接受挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，例如加入基于游戲的學(xué)習(xí)環(huán)境?；谟螒虻膶W(xué)習(xí)環(huán)境會激發(fā)學(xué)生自然而然地接受失敗，并在遇到難題時表現(xiàn)出更強的韌性(Emihovich et al.，2019；Hoffman & Nadelson，2010；Hung et al.，2015；Whitton，2018)。將有效失敗與游戲結(jié)合，能夠幫助學(xué)生在解決難題時不輕易放棄，保證有效失敗的效果。

(二)生成多個表述或解決方案的證據(jù)

該原則要求學(xué)生在解決問題期生成多個表述或解決方案并出示相應(yīng)的證據(jù)。為保證這一點，教師要主動提示與鼓勵學(xué)生生成多個表述或解決方案。因為如果不提示學(xué)生，很少有學(xué)生會主動解釋問題，開展深度思考(Margulieux & Catrambone，2019)。預(yù)實驗的方式可用于驗證學(xué)生能否生成多個表述或解決方案。如果大部分學(xué)生不能生成多個表述或解決方案，則說明該有效失敗問題設(shè)計不合理，需要重新設(shè)計。一般來說，只要與學(xué)生事先溝通，生成多個表述或解決方案不會太難。

(三)有吸引力的問題描述

該原則要求初始問題的描述能吸引學(xué)生。卡普爾等(Kapur & Bielaczyc，2012)提出使用故事性對話、四格漫畫等方法保障問題的吸引力。此外，其它方式也能提高問題的吸引力，如提供基于游戲的學(xué)習(xí)環(huán)境(Cao et al.，2020)，或在問題設(shè)計中加入幻想元素(Malone & Lepper，1987)等，只要問題的設(shè)計或?qū)W習(xí)環(huán)境能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，提高學(xué)生解決問題的興趣。

(四)將小組合作作為參與結(jié)構(gòu)

合作學(xué)習(xí)是許多學(xué)習(xí)方式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如基于項目的學(xué)習(xí)(Blumenfeld et al.，1991)與計算機支持的合作學(xué)習(xí)(Kapur & Kinzer，2009)。通過雙人合作與交互，可以促進(jìn)學(xué)生更好地理解、解釋、闡述與評估問題，激活更多的先前知識，并注意到目標(biāo)概念的深層特征。

然而，近年的研究顯示，在采用有效失敗的情況下，四五年級小學(xué)生開展合作學(xué)習(xí)的效果不優(yōu)于單獨學(xué)習(xí)，甚至還低于單獨學(xué)習(xí)(Mazziotti et al.，2019)?，斪舻僬J(rèn)為，這可能是因為小學(xué)生缺乏元認(rèn)知技能和學(xué)習(xí)動機，難以充分開展有效失敗學(xué)習(xí)。例如，當(dāng)小孩子遇到挫折時，他們會選擇直接放棄。劉徽等(2020)的研究也顯示，如果讓五年級學(xué)生在有效失敗學(xué)習(xí)中開展合作，那么一旦遇到困難，學(xué)生就很容易手足無措。這些結(jié)果暗示了有效失敗可能更適合初中以上學(xué)生。另外，考慮到多個學(xué)生開展合作可能會使部分學(xué)生被孤立(劉徽等，2020)，教師可采取兩人一組的合作方式。

(五)指導(dǎo)建立在學(xué)生的方案上

最后一條原則是教師在講解目標(biāo)概念前，須先將學(xué)生的解決方案與標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行對比與討論，讓學(xué)生明白自己方案的優(yōu)缺點，特別是自己方案的錯誤有哪些。如果后續(xù)沒有專門的課時讓每組學(xué)生向全班分享自己的解決方案(由于課程規(guī)劃緊湊，中國K-12課堂往往沒有這樣的課時安排)，那么在解決問題期，教師需要查看學(xué)生的解決方案，記錄常見的錯誤方案，或者其它代表性的錯誤方案。在隨后的指導(dǎo)期，教師可以直接帶領(lǐng)學(xué)生討論這些不合理方案，并與標(biāo)準(zhǔn)方案對比，幫助學(xué)生注意問題的深層結(jié)構(gòu)、目標(biāo)概念的深層特征，幫助學(xué)生修補知識殘缺或差錯，最終促進(jìn)高階知識的學(xué)習(xí)與更高層次的知識遷移。此外，討論活動不能被省略或者簡化，有效失敗活動應(yīng)至少包含10-15分鐘的方案對比與討論。

四、思考與總結(jié)

K-12課堂正面臨著幫助學(xué)生實現(xiàn)知識遷移的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代遷移理論提出了未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備的觀點。本文通過梳理有效失敗如何幫助課堂教學(xué)有效促進(jìn)知識遷移，發(fā)現(xiàn)有效失敗以未來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備(動態(tài)遷移)、僵局驅(qū)動學(xué)習(xí)等理論為基礎(chǔ)，也有詳細(xì)的學(xué)習(xí)機制與設(shè)計原則。同時，實證研究證明，有效失敗能更好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)高階知識，促進(jìn)遷移。

有效失敗對STEM的學(xué)習(xí)設(shè)計有深刻的啟發(fā)。第一，有效失敗能推進(jìn)我國STEM課堂教學(xué)方法的變革。當(dāng)前STEM課堂有著較為固定的教學(xué)模式，即導(dǎo)入、講解、練習(xí)三個環(huán)節(jié)，是典型的“先做后教”式教學(xué)方法。東亞國家普遍采取這類避免失敗型的教學(xué)方法，這種選擇與文化相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，盡管中國與日本的學(xué)生比西方學(xué)生表現(xiàn)出更好的學(xué)習(xí)成績，但東亞學(xué)生往往比西方學(xué)生更害怕失敗，害怕外界的負(fù)面信息和對自己的批評(De Castella et al.，2013)。這種文化同樣影響STEM課堂教學(xué)。比如，教師害怕學(xué)生遭遇失敗，害怕自己的教學(xué)失敗，會本能地選擇先將知識盡可能地傳授給學(xué)生，再讓學(xué)生解決問題。然而，實際結(jié)果是，比起直接指導(dǎo)，有效失敗能更好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)困難知識，促進(jìn)知識遷移。因此，有效失敗能鼓勵我國STEM教師以更積極、寬容的心態(tài)發(fā)掘失敗的價值，鼓舞學(xué)生不要害怕失敗，擁抱有效失敗帶來的積極學(xué)習(xí)效果。有效失敗的提出也使得教師意識到更多創(chuàng)新教學(xué)方法的可能性，對傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行變革。

第二，有效失敗對學(xué)習(xí)科學(xué)增添了新的啟示。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是運用工作記憶將新信息和新知識整合至已有知識的過程，如果給予學(xué)生復(fù)雜問題而不給予指導(dǎo)，學(xué)生會展開試錯和方法-結(jié)局分析，占據(jù)大量的工作記憶，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果低下(Sweller，1988)。因此，斯威勒(Sweller，1988)認(rèn)為，只有給學(xué)生大面積直接指導(dǎo)，才能降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，從而保障學(xué)習(xí)效果。在是否應(yīng)給予學(xué)生直接指導(dǎo)方面，爭論已持續(xù)十多年(Kirschner et al.，2006)，至今依然繼續(xù)(Kapur，2016)。需明確的是，與無指導(dǎo)的解決問題活動相比，直接指導(dǎo)確實更有效(Kapur，2016)。然而，更重要的是，直接指導(dǎo)的有效不能證明有效失敗的無效。恰恰相反，許多實證研究已經(jīng)證明，直接指導(dǎo)和有效失敗都能幫助學(xué)習(xí)，但有效失敗的效果更勝一籌。換句話說，直接指導(dǎo)是有效的，但未必是最有效的。這個結(jié)論同樣證明，認(rèn)知負(fù)荷理論不能解釋所有的學(xué)習(xí)過程。有效失敗的提出為研究學(xué)習(xí)與認(rèn)知提供了新的視角，推動了學(xué)習(xí)科學(xué)新研究的發(fā)展。

最后，需注意的是，有效失敗不是“萬靈藥”，它的運用也有局限。第一，有效失敗的價值主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)高階知識與知識遷移，對基礎(chǔ)的陳述性知識與程序性知識沒有優(yōu)勢(Cao et al.，2020；Jacobson et al.，2017；Kapur，2012)。因此，有效失敗的效果與目標(biāo)知識的類型有關(guān)。第二，有效失敗的研究以STEM學(xué)科為主，本文提及的知識遷移主要涉及STEM領(lǐng)域，可能有一定的局限。最近運用有效失敗學(xué)習(xí)社會科學(xué)的研究顯示，有效失敗的教學(xué)效果沒有優(yōu)于傳統(tǒng)的直接教學(xué)法(Nachtigall et al.，2020)。盡管需要更多的研究證明該結(jié)論，但該結(jié)果暗示有效失敗的效果可能因?qū)W科而異。第三，有效失敗對學(xué)生的元認(rèn)知與先前知識有要求，因此，有效失敗對小學(xué)生可能不適用。至少，對于小學(xué)生，有效失敗的設(shè)計需要更精心的研究。