有效性失敗在機(jī)械類專業(yè)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

章婭菲，萬(wàn)志國(guó)，竇益華

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，中國(guó)處于高速發(fā)展階段，中國(guó)對(duì)于人才的要求越來(lái)越高，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。因此，教育要培養(yǎng)適合國(guó)家發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步的人才。過(guò)去，我們著重于對(duì)知識(shí)型人才的培養(yǎng)，現(xiàn)在，為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，人才培養(yǎng)從知識(shí)型向著高階能力人才的轉(zhuǎn)變。培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、邏輯性思維能力、批判思維能力、動(dòng)手能力及想象力等。當(dāng)學(xué)生面對(duì)問(wèn)題時(shí)，首先能用辯證的眼光看問(wèn)題，其次能熟練地使用自己所學(xué)過(guò)的知識(shí)和技能來(lái)解決問(wèn)題，逐步向深度學(xué)習(xí)方面邁進(jìn)。教育培養(yǎng)模式的改變，才會(huì)給國(guó)家未來(lái)的發(fā)展提供所需要的人才。在傳統(tǒng)的教育中，學(xué)生過(guò)度依賴師長(zhǎng)，沒有經(jīng)歷過(guò)失敗，當(dāng)然也沒有得到失敗帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，這就會(huì)導(dǎo)致未來(lái)學(xué)生遇到失敗挫折時(shí)，會(huì)在學(xué)習(xí)上停滯不前[1]。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)中也要體驗(yàn)有效失敗，有效失敗可以促進(jìn)學(xué)生在深度學(xué)習(xí)上更進(jìn)一步。

1 有效失敗的理論研究

1.1 國(guó)外有效失敗研究發(fā)展歷程

有效失敗概念在正式提出之前，國(guó)外的一些教育工作者就提出過(guò)相關(guān)的理論，即讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅僅要享受成功帶來(lái)的快樂(lè)，也要體驗(yàn)失敗帶給我們的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。

2008 年，馬努·卡普爾[2]正式提出有效失敗這一個(gè)概念并在教學(xué)中實(shí)施，證明了在教學(xué)環(huán)境中有效失敗存在的合理性，需要辯證地看待成功與失敗。2009年，卡普爾[3]將有效失敗理論應(yīng)用到計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過(guò)隨機(jī)分配，讓學(xué)生自主解決學(xué)習(xí)中面臨的失敗與斗爭(zhēng)，讓結(jié)構(gòu)良好問(wèn)題的學(xué)生能夠進(jìn)行更細(xì)致深入的學(xué)習(xí)。2011 年，卡普爾[4]對(duì)一百多名學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，受到有效失敗教學(xué)的知識(shí)獲得情況明顯優(yōu)于其余的兩種方式，受到后兩者教學(xué)后的學(xué)生并沒有比較突出的差別。2012 年，卡普爾[5]設(shè)計(jì)出有效失敗獨(dú)有的教學(xué)模式，包括了四個(gè)步驟、三個(gè)原則及兩個(gè)階段。并在中學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)與普通的教學(xué)方式來(lái)進(jìn)行對(duì)比，豐富了有效失敗理論的研究?jī)?nèi)容。

1.2 國(guó)內(nèi)有效失敗研究概況

有效失敗理論在我國(guó)的研究開始于2014 年，楊玉琴[6]將productive Failure 譯為啟發(fā)性挫敗，并開始將類似有效失敗的理論運(yùn)用到教學(xué)中。張中華等[7]也將其翻譯成啟發(fā)性挫敗，同時(shí)也提出了相應(yīng)的教學(xué)模式。2015 年，張瀾等[8]將Productive Failure 翻譯為有價(jià)值的失敗，提出了設(shè)計(jì)方案和相應(yīng)的教學(xué)策略，并將其應(yīng)用在課堂教育中。2016 年，郭婧遠(yuǎn)[9]將Productive Failure 正式翻譯為有效失敗，提出學(xué)生想要深刻了解學(xué)習(xí)內(nèi)容，就要在教學(xué)中注意失敗的價(jià)值，要讓其自行得出結(jié)果然后與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，并總結(jié)吸收學(xué)習(xí)中的不足。王小玲等[10]在技能課程中的進(jìn)行教學(xué)支架設(shè)計(jì)，豐富有效失敗的研究。

近年來(lái)，STEM 教育模式逐漸興起，而有效失敗和STEM 教育模式的核心思想類似[11]。梁雨將[12]有效失敗理論融合進(jìn)STEM 教育中，分析有效失敗理論對(duì)于STEM 教育模式的促進(jìn)推動(dòng)作用。李藝[13]同樣對(duì)于在STEM 教學(xué)中對(duì)有效失敗理論進(jìn)行研究，結(jié)果表明有效失敗能夠顯著提升大學(xué)生的相互協(xié)作能力，同時(shí)提升解決問(wèn)題的能力。

2 “有效性失敗”在學(xué)習(xí)中的重要性

2.1 追求“正確”難出良效

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的教育一直沿用先教后學(xué)的方法，老師將正確的思路、方法、答案逐條呈列，試圖將知識(shí)、概念能有效地傳遞給學(xué)生，卻發(fā)現(xiàn)并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解法提前給出公使得教學(xué)途徑只能沿著單一的方向前進(jìn)，把學(xué)生的思路禁錮在正確答案的條條框框內(nèi)。教師將學(xué)生與正確答案不符這種情況認(rèn)為是教學(xué)效果不佳的體現(xiàn)。正確文化在師生心中根深蒂固，教學(xué)者害怕完整的教學(xué)流程被錯(cuò)誤打斷或終止，學(xué)生擔(dān)心失敗給他人留下愚鈍或不專心的印象，課堂籠罩在一團(tuán)嚴(yán)肅的氛圍之中?！罢_文化”的本質(zhì)是一種簡(jiǎn)單重復(fù)的、非反思性的、從結(jié)果到結(jié)果的效率主義[14]。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，追求高卷面分?jǐn)?shù)的教育體制很容易就教會(huì)他們?nèi)绾蔚玫秸_答案。學(xué)生只知其然，而不知其所以然。傳統(tǒng)授課更像是照本宣科，索然無(wú)味。

2.2 接受失敗、擁抱“有效失敗”

蘇格拉底認(rèn)為，失敗是成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，可以幫助我們變得更加智慧和強(qiáng)大。杜威提出了一種與之前所述的思維五步法類似的思考模式，他將失敗與困難視為反思學(xué)習(xí)的重要契機(jī)。認(rèn)知主義認(rèn)為失敗是喚起認(rèn)知沖突與知識(shí)缺口的重要條件。無(wú)論是教或是學(xué)，失敗更像是反饋學(xué)習(xí)機(jī)制的開動(dòng)按鈕。失敗不但是一種學(xué)習(xí)條件，又是必不可少的學(xué)習(xí)資源，而且勇于直面失敗并及時(shí)進(jìn)行更深刻、更詳細(xì)地探究更是一種難能可貴的品質(zhì)。失敗可以使任務(wù)更具挑戰(zhàn)性，能讓學(xué)生更專注地投入到所面臨的問(wèn)題當(dāng)中；失敗可以促進(jìn)學(xué)生的內(nèi)省認(rèn)知，做到“吾日三省吾身”，重新構(gòu)建知識(shí)體系，搭建知識(shí)框架；失敗可以刺激多元交流，鍛煉獨(dú)立自主獲取未知資源和技能的能力。

2.3 “有效性失敗”促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

“有效性失敗”訴求的是先學(xué)后教，經(jīng)歷失敗尋求主動(dòng)學(xué)習(xí)?！吧疃葘W(xué)習(xí)”強(qiáng)調(diào)自主探究、思維迭代，追求認(rèn)知結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和思維方法轉(zhuǎn)向，與有效性失敗有內(nèi)在一致性。學(xué)生依靠先前知識(shí)嘗試解決問(wèn)題、形成認(rèn)知沖突發(fā)現(xiàn)知識(shí)空缺、指導(dǎo)教師通過(guò)方案比對(duì)突出重點(diǎn)、學(xué)生匹配具體內(nèi)容注重目標(biāo)概念深層特征、學(xué)生形成構(gòu)建知識(shí)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生用先前知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)生成的各種解決方案，仍不能解決問(wèn)題時(shí)，便會(huì)引發(fā)反思，形成認(rèn)知沖突。沖突暴露得越充分、越持久，經(jīng)驗(yàn)和先前知識(shí)在思維層面表現(xiàn)得越活躍。學(xué)生在失敗中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)往往比成功更深刻，對(duì)學(xué)習(xí)的方法理解的也更加深刻，從而促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

3 “有效性失敗”在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用思路

隨著有效性失敗理論傳入我國(guó)，高校教師開展針對(duì)于“有效性失敗”的教學(xué)設(shè)計(jì)，由此，課堂上的教學(xué)情況發(fā)生了改變。傳統(tǒng)教學(xué)是老師在上面負(fù)責(zé)講解知識(shí)和技能，學(xué)生負(fù)責(zé)聽講，課后復(fù)習(xí)來(lái)進(jìn)行消化吸收。學(xué)生沒有經(jīng)歷深刻的思考，沒有所謂的失敗感，導(dǎo)致獲得的知識(shí)并不牢固。翻轉(zhuǎn)課堂是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種新型教學(xué)模式。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式要求以學(xué)生為中心，對(duì)優(yōu)化課堂教學(xué)效果、提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力有重要意義[15]?！胺D(zhuǎn)課堂”通過(guò)學(xué)生自行備課，自學(xué)相關(guān)的知識(shí)，在課堂中展示給其他人，最后由老師來(lái)負(fù)責(zé)查缺補(bǔ)漏，彌補(bǔ)知識(shí)上的不足。如在“計(jì)算方法”這門課程中，使用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，將學(xué)生分成小組，讓每個(gè)小組選擇自己感興趣的一種算法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源自行學(xué)習(xí)后，在課堂進(jìn)行展示。在翻轉(zhuǎn)展示、課堂交流和討論過(guò)程中，教師可以了解學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握程度，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容理解上的偏差并及時(shí)修正。幫助學(xué)生彌補(bǔ)在自己探索中的不足，在失敗的過(guò)程中學(xué)習(xí)，加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。

4 “有效性失敗”在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)中的設(shè)計(jì)

機(jī)械類專業(yè)作為傳統(tǒng)工科專業(yè)，其課程具有復(fù)雜性以及高交叉性的特點(diǎn)，由于內(nèi)容復(fù)雜且有一定難度，教學(xué)改革以提高教學(xué)效果很有必要，利用“有效性失敗”的教學(xué)模式可促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

在教學(xué)中失敗分為兩種：一種著眼于學(xué)生表現(xiàn)，即學(xué)生是否成功解決了問(wèn)題；另一種注重失敗的內(nèi)容本身，即學(xué)生在解決問(wèn)題期間是否生成了不正確或次優(yōu)的表述或解決方案，有效失敗則更關(guān)注后者[16]。將有效性失敗理論與“計(jì)算方法”課程相結(jié)合，使學(xué)生們?cè)谇蠼膺^(guò)程中發(fā)現(xiàn)自己存在的問(wèn)題。以計(jì)算方法中近似解求解為例，利用不同的方法求近似解的過(guò)程，會(huì)遇到與正確答案差異較大的問(wèn)題，學(xué)生們會(huì)經(jīng)歷失敗，激發(fā)學(xué)生尋求更加準(zhǔn)確的計(jì)算方法。主動(dòng)在失敗中學(xué)習(xí)，從而更好地理解學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。

4.1 激活與專業(yè)課程相關(guān)的理論知識(shí)

在此階段，老師適度地為學(xué)生提供較復(fù)雜、大跨度的問(wèn)題。對(duì)于此類問(wèn)題，學(xué)生需要將先前知識(shí)進(jìn)行回顧、整合，并且用先前知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決現(xiàn)有問(wèn)題。學(xué)生會(huì)不斷地嘗試從多個(gè)角度去解釋、梳理并試圖解決。當(dāng)最先得出的解決方案試行無(wú)果后，就會(huì)激發(fā)學(xué)生在已有知識(shí)體系中去尋找其他可能的方案。同時(shí)，多次的嘗試與失敗會(huì)暴露出各種錯(cuò)誤與知識(shí)空缺，方便教師在后續(xù)的學(xué)習(xí)中更好的填補(bǔ)空白知識(shí)、糾正錯(cuò)誤認(rèn)知。

例如在“計(jì)算方法”這門課程“插值法”這一章的教學(xué)中，教師要求運(yùn)用兩種插值法公式來(lái)求解根號(hào)下115 的近似值，大多數(shù)學(xué)生想到了用“拉格朗日插值法”來(lái)完成第一種方法的求解，得到了10.723 的近似解。其中部分同學(xué)因?qū)Ω拍罴肮嚼斫獠粔驕?zhǔn)確，得到了一個(gè)錯(cuò)誤答案。此時(shí)教師以講解例題的形式進(jìn)行輔導(dǎo)，最終大多數(shù)同學(xué)都能正確的使用第一種方法進(jìn)行求解，從而對(duì)課程知識(shí)理解的更加深刻。對(duì)于第二種方法，由于暫未接觸“牛頓插值多項(xiàng)式”這一章節(jié)的緣故，學(xué)生產(chǎn)生了疑問(wèn)，許多同學(xué)提出了“梯形插值法”或“積分法”進(jìn)行求解，先前知識(shí)的激活、熟練以及應(yīng)用這一目標(biāo)很好的達(dá)成。

4.2 認(rèn)識(shí)到知識(shí)缺口

在第一階段，學(xué)生的先前知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)被極大程度地激活，然而對(duì)于當(dāng)前問(wèn)題是卻并不能很好的解決，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)心理落差，促使他們意識(shí)到自身的知識(shí)儲(chǔ)備存在知識(shí)缺口。研究表明[17]，只有在學(xué)生意識(shí)自己的能力不足以解決當(dāng)前問(wèn)題時(shí)，學(xué)習(xí)才會(huì)自發(fā)地進(jìn)行。

關(guān)于用第二種方法來(lái)求出的近似解中，許多同學(xué)利用“梯形插值法”或者“積分法”得到了次優(yōu)解。然而“梯形插值法”是“拉格朗日兩點(diǎn)插值法”的一種特例，同屬于第一種方法，且計(jì)算精度不如“拉格朗日三點(diǎn)插值法”；“積分法”不符合題目中插值法的要求，且需要構(gòu)建函數(shù)計(jì)算復(fù)雜。也有部分同學(xué)嘗試用“牛頓插值法”解題，然而學(xué)生對(duì)于該方法基本概念理解不足，也沒有認(rèn)識(shí)到兩種方法的區(qū)別，所以未能成功解答。此時(shí)學(xué)生意識(shí)到自身的知識(shí)儲(chǔ)備不足，存在知識(shí)缺口。

4.3 關(guān)注目標(biāo)概念的深層特征

此環(huán)節(jié)是有效失敗學(xué)習(xí)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，學(xué)生經(jīng)過(guò)前兩階段后已經(jīng)關(guān)注到目標(biāo)概念的核心特征，但此時(shí)的特征是碎片的、孤立的、不系統(tǒng)的。這一階段老師要對(duì)學(xué)生進(jìn)行更詳細(xì)的直接指導(dǎo)，使得學(xué)生“既見樹木又見森林”，學(xué)生對(duì)于目標(biāo)概念形成完整的、深刻的、系統(tǒng)性的理解，抽象的概念得到了現(xiàn)實(shí)性轉(zhuǎn)化。

通過(guò)對(duì)同一例題使用兩種插值解法，學(xué)生認(rèn)識(shí)到該方法的差異與局限性。在進(jìn)入第三階段后，教師具體闡述“牛頓插值多項(xiàng)式”的概念，引入“差商”的概念，幫助學(xué)生理清與“拉格朗日插值多項(xiàng)式”的不同。相比之下，牛頓插值多項(xiàng)式依賴于差商的概念，其基本思路是在逐漸增加數(shù)據(jù)點(diǎn)的同時(shí)，使用更高次數(shù)的插值多項(xiàng)式來(lái)近似求解函數(shù)。在此階段，學(xué)生能夠更深刻的理解該方法的基本概念并通過(guò)糾正自己的錯(cuò)誤理解以及對(duì)老師所講解知識(shí)的汲取，很快就用第二種方法解出近似解10.7228，而且學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果明顯優(yōu)于常規(guī)的教學(xué)方式。

4.4 學(xué)生形成知識(shí)體系

當(dāng)學(xué)習(xí)者注意到目標(biāo)概念的深層特征時(shí)，就必須根據(jù)深層特征加以組裝，以期對(duì)目標(biāo)概念達(dá)到邏輯清晰、條理分明的要求，從而建立有關(guān)對(duì)目標(biāo)概念認(rèn)識(shí)的整體框架。在此階段，教師需要對(duì)目標(biāo)概念核心內(nèi)容和其他重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行完整、系統(tǒng)的直接講解，給予學(xué)生更直接的正反饋，加深對(duì)目標(biāo)概念的理解，完善學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建[18]。

在“牛頓插值多項(xiàng)式”的學(xué)習(xí)中，教師進(jìn)行了最后一階段的實(shí)施，將目標(biāo)概念的核心概念、遞推邏輯、計(jì)算公式更加直接系統(tǒng)的闡述，同時(shí)給予學(xué)生10 min的總結(jié)時(shí)間，并對(duì)部分仍存在疑問(wèn)的同學(xué)進(jìn)行一對(duì)一解答。在學(xué)生完成這一階段的目標(biāo)，形成了知識(shí)體系之后，教師安排了課堂測(cè)驗(yàn)，正確率較常規(guī)教學(xué)方式得到了明顯提升。通過(guò)在計(jì)算方法案例的學(xué)習(xí)，證明“有效性失敗”有助于學(xué)生“深度學(xué)習(xí)”，教學(xué)質(zhì)量得到提高。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用“有效性失敗”的教育方式對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段教育有很大的意義，想要較好地貫徹這一方針，“教”與“學(xué)”的雙方都先要在觀念上發(fā)生轉(zhuǎn)變，接受失敗，承認(rèn)失敗在深度學(xué)習(xí)中的有效性，接納“有效性失敗”這一觀點(diǎn)，將失敗看為一種學(xué)習(xí)資源?！坝行允　蓖ㄟ^(guò)4 個(gè)階段的學(xué)習(xí)：（1）激發(fā)先前知識(shí)尋找解決辦法；（2）由失敗認(rèn)識(shí)到知識(shí)缺口；（3）關(guān)注深層特征；（4）形成知識(shí)體系。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程理解會(huì)更加深刻，學(xué)習(xí)效率也會(huì)提高。有效性失敗可以幫助學(xué)生識(shí)別自己面臨的問(wèn)題，并找到解決問(wèn)題的有效方法。學(xué)生可以避免陷入追求完美而過(guò)分強(qiáng)調(diào)成功的心理狀態(tài)，從而更好地接受挑戰(zhàn)并嘗試新的方法。有效性失敗也有助于學(xué)生探索自己的學(xué)習(xí)方法，發(fā)現(xiàn)有效的學(xué)習(xí)策略，從而提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)成果。此外，在教育環(huán)境中，教育者也應(yīng)注意有效性失敗的存在，通過(guò)對(duì)失敗的分析和反思，改進(jìn)和完善教學(xué)策略和方法，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。綜上所述，將有效性失敗視為學(xué)習(xí)和教學(xué)過(guò)程中正常的現(xiàn)象，可以幫助學(xué)生和教育者更好地理解學(xué)習(xí)和教育，創(chuàng)造積極的學(xué)習(xí)和教學(xué)氛圍。