有效失敗與知識遷移：理論、機制與原則

曹 鷺

(華東師范大學 教育學部，上海 200062)

一、引 言

隨著社會與經濟的不斷發展，當今的教育正面臨著諸多挑戰。我國“十四五”規劃強調，義務教育不僅需要提高基礎的文明素養，更需要提高學生的實踐本領。這意味著課堂不僅需要幫助學生掌握知識(例如，陳述性知識、高階知識等)，還需要幫助學生學會將知識運用于新的情境，解決復雜的新問題。這種能力也被稱作遷移(Bransford et al.，1999)。促進知識遷移是K-12教育的重點教學目標之一。如果學生無法將課堂習得的知識應用于課外，真正學以致用，學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。

基于知識遷移的重要性，長期以來，遷移一直是學習科學的研究重點。然而，實現知識遷移并不容易。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測試結果表明，即使在我國教育發達地區，科學學科(即物理、化學、生物三科總稱)的測試中，也僅32%的學生達成近遷移(同領域內的遷移，如用學到的生態學知識解決某地區物種瀕危問題)，而能達成遠遷移(跨領域的遷移，如運用生態學動態平衡概念解釋商科中的商品供需平衡關系)的僅7%，且中國已是全球科學學科測試表現最好的國家(OECD，2019)。因此，幫助學生提高知識遷移能力，尤其是遠遷移，仍有較大的提高空間。

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

二、底層學習理論

(一)用動態視角看待遷移：未來學習準備的視角

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)均發現知識遷移很容易失敗，不易實現。例如，伍德沃斯和桑代克(1901)發現，在教學生計算正方形的面積后，學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。因為這些失敗的結果，有些學者甚至悲觀地認為，知識遷移在學習過程中幾乎不存在(Detterman & Sternberg，1993)。20世紀90年代初，針對能否實現知識遷移，學界進行了多次辯論(Anderson et al.，1996；Tuomi-Gr?hn & Engestr?m，2003)。從這些辯論可以發現，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。實現知識遷移絕非易事，尤其是遠遷移(Perkins & Salomon，1992)。

經過近九十年的爭論，在前期研究與爭論的基礎上，布蘭斯福德等(Bransford & Schwartz，1999)指出，需要重新概念化對遷移的認識。他發現，過去關于遷移的研究采取了非常類似的范式，即先教學生目標知識，然后讓他們直接應用該知識解決問題，并用該問題測試學生是否表現出知識遷移。伍德沃斯和桑代克的面積原理應用實驗就是經典的例子。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習應用到新環境或問題”的理論稱之為遷移的直接應用理論(direct application theory)。與這種理論相呼應的范式叫作隔絕式解決問題(sequestered problem solving)。布蘭斯福德認為，直接應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、靜態的學習結果，而非長期的、動態的學習過程。隔絕式解決問題范式這種“學完即用”的學習過程隔絕了學生的先前知識、經驗與學習感知。布蘭斯福德和施瓦茲(Bransford & Schwartz，1999)分別請五年級小學生和大學生解決一個有關如何保護當地禿鷹(一種當地的瀕危生物)的問題。結果表明，無論是小學生還是大學生都無法給出恰當的保護方案，盡管大學生的寫作與表達能力更強。按照直接應用理論，無論哪類學習者都無法把所學直接應用于問題解決，那么他們先前接受的科學教育就是一種失敗的遷移。但是，研究者發現在解決問題的過程中，小學生考慮問題相對膚淺，更偏向于禿鷹個體；大學生考慮問題相對更深，更關注禿鷹與棲息地之間的關系。顯然，大學生受過更多的生物教育，他們對禿鷹保護的認識更為深層與關鍵。如果給予他們時間自行尋找資料或者額外聽講的機會，大學生肯定能夠在后續學習過程中抓住與解決問題相關的關鍵資料或知識。經過一輪的額外學習，大學生的測試表現大概率會優于小學生。

禿鷹保護案例引出一個觀點，即人的先驗知識、經驗、知覺、判斷、解釋等都會影響今后的學習。這就是布蘭斯福德(Bransford & Schwartz，1999)提出的現代遷移理論——為未來學習做準備(prepare for future learning)的重要前提。他認為，知識遷移成功的關鍵是學生在學習目標知識前，是否針對未來的學習做好了充分準備。換句話說，知識遷移并非只有“遷移輸出”這一應用知識環節，學生自帶的東西(先驗知識、經驗等)會影響他們(例如，聽教師講解目標概念)對目標知識的看法與解釋，而運用先前所學所知解讀與學習當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。

未來學習準備是支撐有效失敗的重要底層學習理論，其提出有十分重要的意義。它從動態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過程。假設將學習目標知識前的準備看作是學習過程的一環，那么知識遷移是長期的學習過程，而非一次性學習的成果。這一想法呼應了學界許多類似的觀點。例如，比約克等(Bjork & Bjork ，2011)提出的“值得的困難”(desirable difficulties)，即通過給學生施加困難(例如，讓學生發明解釋)加強學生長期的學習效果，而非短期表現。洛巴托(Lobato，2012)面向參與者的遷移(actor-oriented transfer)也認為，“從面向參與者的遷移的角度出發，根據最初對活動和事件的解釋，學生將遷移看作他們已經考慮過的事情的實例”。這里的“最初學習”，與對未來學習的觀點相呼應。季清華等(Chi & VanLehn，2012)也指出學生通過解決問題學習遷移，需要在初始學習階段(即解決問題期)對初始問題進行建構，以達到對該問題的深度理解與解讀。對初始問題的膚淺理解導致許多遷移的失敗。除了STEM學科，在語言學習遷移方面，拉森-弗里曼(Larsen-Freeman，2013)認為語言學習的遷移是動態的過程，而非簡單地將知識從一個情境直接搬到另一個情境。總的來說，未來學習準備理論拓展了對知識遷移的認知，對遷移研究有著深遠的影響。近年來，越來越多的學者支持與未來學習準備類似的觀點。

未來學習準備也為教學設計給出了重要的教學框架，即達成知識遷移需要一個解決問題期(problem-solving phase)，用于準備未來的學習，和一個指導期(instruction phase)。這兩階段共同組成一個完整的學習活動。該框架的特點是將教學順序顛倒，從傳統的“先學后做”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。這種采用未來學習準備框架的教學方法被稱作解決問題-指導法。有效失敗實際上是解決問題—指導法的特定應用。另一種知名的解決問題—指導法是發明(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別。發明的具體機制與設計原則，可閱覽施瓦茲與馬丁(Schwartz & Martin，2004)的論文。

(二)僵局驅動學習理論(Impasse-Driven Learning)

盡管都建立在未來學習準備的視角上，與其它解決問題—指導法不同，有效失敗強調失敗在學習中扮演的角色。即使學生在前期學習中遭遇暫時性失敗，這份失敗的體驗也能幫助其開展后續學習，進而有效促進知識遷移(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的研究上(VanLehn，1988，1999；VanLehn et al.，2003)。僵局是失敗的一種類型，即“學生陷入僵局，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)。

范冷提出的僵局驅動學習理論(VanLehn，1988)認為，大部分學習事件是由陷入僵局引發的。范冷通過觀察學生解決算術問題發現，部分學生運算三位數減法時出錯。該錯誤并非源于學生的粗心(即非系統性錯誤)，而是因為學生缺乏目標知識，或對目標知識有錯誤的認識。范冷把這種學生在計算中出現的錯誤稱為故障(bug)，一系列故障組成了系統性錯誤。不僅如此，他還發現學生可能在解同類型題目時會發生多種錯誤。比如，同樣是百位數減法運算，學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”)。范冷把這種學生前后出現多種故障的現象定義為故障移動(bug migration)。

僵局驅動學習理論將學生解決百位數減法運算的學習過程拆分為三步:第一步，學生發現過去用于二位數減法的解題思路(“只借最左且毗鄰的位”)在三位數減法中不再適用，就此陷入僵局。第二步，為了擺脫僵局，學生會重新解讀該問題應如何操作。范冷(VanLehn，1988)將這個過程稱為修理(repair)。通過對問題操作再解讀，學生會放寬已有標準，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，學生執行新操作。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。修理往往基于學生已有知識，每次修理根據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故障移動。

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

糟糕的是，如果學生一旦習得不良規則，他們每次解決同類問題都會重復錯誤的解題過程，導致穩定故障(stable bugs)的發生。只要穩定故障不被修正，即使接受教師指導后，學生還是會保留兩套規則，即正確規則與不良規則(VanLehn，1988)。某些情境下(如接受指導的過程中)，學生有足夠的能力區分兩者并運用正確規則。然而，一段時間后，遇到不熟悉的情境，學生可能會不確定哪個規則有用，并可能再次運用舊的不良規則。這也解釋了為何學生接受教師指導一段時間(如半年)后，還會再犯過去一樣的錯誤。因此，在僵局發生后，教學必須介入以幫助學生徹底拋棄不良規則。

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

圖1 有效失敗的兩個階段與核心機制

僵局驅動學習理論的提出有著積極的意義。在直接教學法為主的情況下，僵局驅動學習理論強調失敗在學習中的重要地位。該理論還詳細闡述了解決問題的學習過程，并強調僵局發生后，必須徹底糾正學生的錯誤認知才能真正學到正確的知識。其它研究也指出經歷失敗對學習有積極的促進作用，尤其在解決問題的學習中。有價值的失敗能更好地幫助學生認識問題，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學概念性知識的近遷移(Kapur，2008，2010，2011)。在此結論上，卡普爾和貝拉可茲可(Kapur & Bielaczyc，2012)提出了有效失敗的核心機制，但未詳細闡述。在其基礎上，洛伊布爾(Loibl et al.，2017)建立了解決問題-指導法學習機制。結合前兩者的討論，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設計元素對應。這些機制分別是：1)激活與目標概念有關的先驗知識與經驗(機制1)；2)意識到知識缺口(機制2)；3)關注目標概念的深層特征(機制3)；4)組織和組裝深層特征至目標概念(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)指導期，又稱鞏固與知識組裝期(Kapur & Bielaczyc，2012)。在解決問題期，學生需要盡力嘗試解決一個從未學過的復雜問題，并在該階段生成多個表述或解決方案；在指導期，教師將學生的錯誤解決方案與正確解決方案對比，并傳授學生目標概念。圖1展示了兩個階段主要對應的核心機制。四個機制的觸發有時間點要求：1)機制1必須在解決問題期被觸發； 2)在觸發機制1的基礎上，才能觸發機制2與機制3；3)進入直接指導期后，機制2與機制3會被二度觸發；4)最終觸發機制4。實證研究表明，即使采用同樣的學習任務與指導，有效失敗幫助學生學習高階知識與知識遷移依舊優于傳統的直接教學法(Kapur，2014；Loibl & Rummel，2014)。這表明觸發機制的順序非常重要。

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

(一)機制1：激活與目標概念有關的先前知識與經驗

有效失敗學習活動開始于解決問題期。在這個階段，老師為學生提供復雜的、劣構的問題。機制1的激活指，學生在解決復雜問題的過程中，盡可能地聯系先前知識與經驗，并運用這些知識與經驗理解、解釋、闡述新問題。這不僅是有效失敗的機制，許多研究者認為學習新知識需要激活學生的先前知識。根據建構主義觀點，當學生把過去的知識與經驗與當前的教學指導結合以構建自己的意義時，有價值的學習才會發生(Jonassen et al.，2002)。根據認知主義的觀點，運用先前知識能幫助學生發現問題的表面特征，為理解問題背后的深層結構與目標概念奠定鋪墊(Chi & VanLehn，2012)。另外，學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，學生可能會激活多種先前知識。例如，卡普爾等(Kapur & Bielaczyc，2012)研究發現，學生在解決有關平均速度的復雜問題時，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準。后續研究表明，學生解決問題期生成的表述或解決方案的數量與他們后續近遷移的表現正相關，解決方案的質量不影響遷移結果(Kapur，2012，2014，2018)。不僅如此，卡普爾(Kapur，2012，2014)發現與直接教學組的學生相比，有效失敗組的學生激活了更多的先前知識。以上研究結果表明，有效失敗能更好地幫助學生激活先前知識與經驗，并最終促進后續的知識遷移。

從失敗的視角看，由于解決問題期教師不提供任何指導，加之沒有學過目標概念，幾乎都會經歷困難與失敗。然而，失敗恰好能促進學生更好地激活先前知識與經驗。這是因為只有遇到了難以解決的問題，學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，學生才能生成比過去(指接受直接教學)更多的表述或解決方案，甚至暴露出各種空白與錯誤，教師也才能在后續教學中幫助學生填補知識空白，糾正錯誤認知，區分先前知識與經驗與目標概念的差別。可以說，失敗為學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，當學生的先前知識與經驗被盡可能地激活，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，只有在學生意識到沒有能力解決問題時，學習才會發生。換句話說，學生只有意識到自己存在知識缺口時，才會設法彌補自己的不足。反之，如果學生認為自己已經完全理解目標知識，學習效果可能反而被阻礙。這個結論得到了實證研究的支持。例如，羅爾等(Roelle & Berthold，2016)給學生展示四個不同原子玻爾模型并要求學生比較異同。其中，實驗組學生需要比較異同后自我解釋他們發現的每一個異同點，而對照組不需要自我解釋。最后，所有學生獲得目標概念的指導。結果表明，當學生指出所有異同點時，自我解釋反而阻礙了學習。該結果的可能解釋是因為學生找出所有異同點時認為自己已經理解了目標概念，沒有意識到知識缺口，導致不再花精力理解后續的教學指導，從而降低學習效果。施瓦姆等(Schworm & Renkl ，2006)也發現，用基于計算機的輔導系統，比起僅僅給學習者提供及時的指導解釋，敦促學習者自我解釋能更好地促進學習。因為一旦給予學習者即時的指導解釋，學習者可能會過于依賴正確的指導，忽略對自身學習的認識，無法意識到知識缺口，從而降低學習效果。

在解決問題期，經歷失敗能大幅促進學生意識到知識缺口。這是因為遇到失敗后，學生會本能地意識到自己知識存在不足。此時學生往往只能一般意義上認識自己缺乏某些知識，很難把此知識缺口對應到某個知識點。但在指導期，教師會將學生錯誤的解決方案與標準的解決方案作對比，指出學生的方案錯在哪里，使學生意識到具體的知識缺口(Loibl & Rummel，2014)。已有研究表明，比起直接教學組，有效失敗組的學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，該研究同樣發現，意識到知識缺口并未與學習結果直接關聯。該結果說明，意識到知識缺口本身并不意味著能促進學習。但是，學生對知識缺口的認識會從側面影響學習，比如意識到知識缺口與失敗關聯，而失敗又與學習的發生關聯，兩者可能存在間接的聯系；意識到知識缺口才能更好地引發機制3。總體而言，有效失敗的設計能促進學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，學生才可能關注目標概念的深層特征，進而學習新知識，達成知識遷移。

(三)機制3:關注目標概念的深層特征

機制3是有效失敗學習的重點環節。可以說，機制1與機制2的觸發是為了讓學習者注意到目標概念的深層特征。初學者與專家之間的區別是能否注意到問題背后的深層結構，即認識到目標概念的深層特征(Bransford et al.，1999；Chi et al.，1981；Salomon & Perkins，1989)。觸發機制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。在解決問題期，學生主要通過解釋、闡述、評價自己的表述或解決方案，注意到目標概念的深層特征。例如，在曹鷺等(Cao et al.， 2020)關于有效失敗的研究中，學生被要求學習孟德爾遺傳學。在解決問題期，學生需要通過模擬豌豆雜交探究孟德爾遺傳學的相關規律。有些學生的闡述只涉及豌豆的顏色、數量、遺傳因子等表面特征。有些學生則聯系了三者之間的關系。這意味著學生意識到到目標概念的深度特征(例如，關注到豌豆顏色與遺傳因子的關系涉及表現型與基因型兩個目標概念)。解決問題期觸發機制3還有個優勢，即一旦學生注意到與目標概念有關的內容，會在后續學習中把精力放在重要而非膚淺的信息上，降低認知負荷。在解決問題期，學生最多只關注部分與目標概念有關的深度特征，這種關注是不完整的。

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

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

(四)機制4：組織和組裝深層特征至目標概念

觸發機制1-3后，學生最后在指導期得到關于目標概念的直接指導。教師在這個階段對目標概念進行詳細闡述與解釋。在這個過程中，學生形成聯系緊密、組織完整的知識。為了幫助學生更好地組裝習得的知識，有效失敗學習活動一般會在最后給學生一個與初始問題類似的問題讓學生實踐練習，進一步組裝目標概念。這一過程也被稱為知識組裝(knowledge assembly)(Kapur，2015)。觸發機制4是有效失敗收尾的學習活動。理想來說，此時學生已對目標知識有了深度認識,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，他們已經具備了知識遷移能力。

三、設計原則

達成知識遷移需要精心的教學設計(Anderson & Beavis，2018；Salomon & Perkins，1989)，有效失敗的設計原則比較復雜。最初,卡普爾和貝拉可茲可提出了三個維度及5+3條設計原則(見圖2)。國內學者作了介紹(劉徽等，2020)。在原始設計原則的基礎上，辛哈和卡普爾(Sinha & Kapur，2019)提出了有效失敗設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；3)有吸引力的問題描述；4)將小組合作作為參與結構；5)將指導建立在學生方案上。

圖2 有效失敗三個層面涉及的五條教學原則(劉徽等，2020)

(一)提供多個表述或解決方案的問題

為了能有效觸發機制1，設計有效失敗活動時，老師應為學生提供復雜的、劣構的問題。良構且不復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計。復雜但不良構的問題，學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。復雜且劣構的問題沒有固定答案，學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。如果問題難到讓學生放棄，那有效失敗的設計就會失敗。筆者建議不要涉及大量的目標概念，那可能會過度分散學生的注意力，產生過量的認知負荷。其次，如果學習活動的設計者不是目標學生的教師本人，則設計者可以積極與目標學生的教師溝通，請他們評估學生是否具備與目標概念相關的先前知識與經驗。是否具備一定的先前知識與經驗非常重要，尤其是目標概念離學生日常生活較遠時，比如，學習孟德爾遺傳學知識前，掌握DNA與減數分裂相關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，設計者應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，設計者可以考慮加入鼓勵學生接受挑戰的學習環境，例如加入基于游戲的學習環境。基于游戲的學習環境會激發學生自然而然地接受失敗，并在遇到難題時表現出更強的韌性(Emihovich et al.，2019；Hoffman & Nadelson，2010；Hung et al.，2015；Whitton，2018)。將有效失敗與游戲結合，能夠幫助學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

該原則要求學生在解決問題期生成多個表述或解決方案并出示相應的證據。為保證這一點，教師要主動提示與鼓勵學生生成多個表述或解決方案。因為如果不提示學生，很少有學生會主動解釋問題，開展深度思考(Margulieux & Catrambone，2019)。預實驗的方式可用于驗證學生能否生成多個表述或解決方案。如果大部分學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計不合理，需要重新設計。一般來說，只要與學生事先溝通，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習環境(Cao et al.，2020)，或在問題設計中加入幻想元素(Malone & Lepper，1987)等，只要問題的設計或學習環境能激發學生的學習動機，提高學生解決問題的興趣。

(四)將小組合作作為參與結構

合作學習是許多學習方式的基礎結構，如基于項目的學習(Blumenfeld et al.，1991)與計算機支持的合作學習(Kapur & Kinzer，2009)。通過雙人合作與交互，可以促進學生更好地理解、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，四五年級小學生開展合作學習的效果不優于單獨學習，甚至還低于單獨學習(Mazziotti et al.，2019)。瑪佐蒂認為，這可能是因為小學生缺乏元認知技能和學習動機，難以充分開展有效失敗學習。例如，當小孩子遇到挫折時，他們會選擇直接放棄。劉徽等(2020)的研究也顯示，如果讓五年級學生在有效失敗學習中開展合作，那么一旦遇到困難，學生就很容易手足無措。這些結果暗示了有效失敗可能更適合初中以上學生。另外，考慮到多個學生開展合作可能會使部分學生被孤立(劉徽等，2020)，教師可采取兩人一組的合作方式。

(五)指導建立在學生的方案上

最后一條原則是教師在講解目標概念前，須先將學生的解決方案與標準方案進行對比與討論，讓學生明白自己方案的優缺點，特別是自己方案的錯誤有哪些。如果后續沒有專門的課時讓每組學生向全班分享自己的解決方案(由于課程規劃緊湊，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。在隨后的指導期，教師可以直接帶領學生討論這些不合理方案，并與標準方案對比，幫助學生注意問題的深層結構、目標概念的深層特征，幫助學生修補知識殘缺或差錯，最終促進高階知識的學習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，有效失敗活動應至少包含10-15分鐘的方案對比與討論。

四、思考與總結

K-12課堂正面臨著幫助學生實現知識遷移的挑戰。現代遷移理論提出了未來學習準備的觀點。本文通過梳理有效失敗如何幫助課堂教學有效促進知識遷移，發現有效失敗以未來學習準備(動態遷移)、僵局驅動學習等理論為基礎，也有詳細的學習機制與設計原則。同時，實證研究證明，有效失敗能更好地幫助學生學習高階知識，促進遷移。

有效失敗對STEM的學習設計有深刻的啟發。第一，有效失敗能推進我國STEM課堂教學方法的變革。當前STEM課堂有著較為固定的教學模式，即導入、講解、練習三個環節，是典型的“先做后教”式教學方法。東亞國家普遍采取這類避免失敗型的教學方法，這種選擇與文化相關。研究發現，盡管中國與日本的學生比西方學生表現出更好的學習成績，但東亞學生往往比西方學生更害怕失敗，害怕外界的負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。比如，教師害怕學生遭遇失敗，害怕自己的教學失敗，會本能地選擇先將知識盡可能地傳授給學生，再讓學生解決問題。然而，實際結果是，比起直接指導，有效失敗能更好地幫助學生學習困難知識，促進知識遷移。因此，有效失敗能鼓勵我國STEM教師以更積極、寬容的心態發掘失敗的價值，鼓舞學生不要害怕失敗，擁抱有效失敗帶來的積極學習效果。有效失敗的提出也使得教師意識到更多創新教學方法的可能性，對傳統教學方法進行變革。

第二，有效失敗對學習科學增添了新的啟示。認知負荷理論認為，學習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，如果給予學生復雜問題而不給予指導，學生會展開試錯和方法-結局分析，占據大量的工作記憶，導致學習效果低下(Sweller，1988)。因此，斯威勒(Sweller，1988)認為，只有給學生大面積直接指導，才能降低學生的認知負荷，從而保障學習效果。在是否應給予學生直接指導方面，爭論已持續十多年(Kirschner et al.，2006)，至今依然繼續(Kapur，2016)。需明確的是，與無指導的解決問題活動相比，直接指導確實更有效(Kapur，2016)。然而，更重要的是，直接指導的有效不能證明有效失敗的無效。恰恰相反，許多實證研究已經證明，直接指導和有效失敗都能幫助學習，但有效失敗的效果更勝一籌。換句話說，直接指導是有效的，但未必是最有效的。這個結論同樣證明，認知負荷理論不能解釋所有的學習過程。有效失敗的提出為研究學習與認知提供了新的視角，推動了學習科學新研究的發展。

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在學習高階知識與知識遷移，對基礎的陳述性知識與程序性知識沒有優勢(Cao et al.，2020；Jacobson et al.，2017；Kapur，2012)。因此，有效失敗的效果與目標知識的類型有關。第二，有效失敗的研究以STEM學科為主，本文提及的知識遷移主要涉及STEM領域，可能有一定的局限。最近運用有效失敗學習社會科學的研究顯示，有效失敗的教學效果沒有優于傳統的直接教學法(Nachtigall et al.，2020)。盡管需要更多的研究證明該結論，但該結果暗示有效失敗的效果可能因學科而異。第三，有效失敗對學生的元認知與先前知識有要求，因此，有效失敗對小學生可能不適用。至少，對于小學生，有效失敗的設計需要更精心的研究。