問題式學習對學生問題解決能力的影響
——基于國內外34項研究的元分析

王鶴瑾 曹 蕾 何明召

(西華師范大學 教育學院 ，四川南充637002)

一、問題提出

問題式學習是以培養(yǎng)學習者的自主學習能力和問題解決能力為主要目標的學習模式(Hmelo-Silver，2004；吳建軍，2017)。解決問題的能力對人類生產生活方式起著至關重要的作用。安德森(Anderson，1993)指出，問題解決能力為我們提供了將知識轉化為行為的機制，架起了認知和行為之間的橋梁。美國21世紀技能合作組織(Partnership For 21st Century Skills)也明確指出，培養(yǎng)解決問題的能力是教育的重要組成部分。

然而，問題式學習對學生解決問題能力的影響需要通過嚴謹的實驗數據的統計分析，而非簡單的主觀判斷(Savery，2015)。國內外學者對問題式學習與問題解決能力關系開展的實驗研究得出了三種結論。第一種結論認為，問題式學習對學生問題解決能力有積極影響。瓦爾德斯等(Valdez et al.，2019)的實驗分析發(fā)現，相比于傳統教學模式，問題式學習對培養(yǎng)高中學生問題解決能力效果顯著。第二種研究結果證實，問題式學習對問題解決能力無直接影響或僅有部分影響。沙欣(Sahin，2010)對124名大學生進行實驗發(fā)現，問題式學習對學習態(tài)度、概念理解、個人興趣等有顯著作用，但對問題解決能力沒有產生正向影響。第三種觀點否定問題式學習對學生問題解決能力的作用。基爾(Kil，2014)以104名大學生為對象的研究結果顯示，該模式對學生問題解決能力的負面影響覆蓋其正面影響；魯斯納克(Rusnak，2007)的研究同樣表明，問題式學習并未顯著提升學生問題解決的信心和能力。

針對上述結論，本研究采用元分析方法對國內外相關文獻進行系統量化分析。元分析是通過綜合同一主題的多項實驗或準實驗研究計算其效應量并進行統計量化的研究方法(Lipsey et al.，2001)本研究對國內外34項實驗或準實驗研究進行元分析，嘗試回答：

1)相比于傳統教學方式，問題式學習對學生問題解決能力的影響是否顯著？

2)在問題式學習中，教育水平、教學周期、教學學科、教學場域及評價工具等調節(jié)變量如何影響學生解決問題的能力？

二、研究設計

菲爾德等(Field et al.，2010)將元分析過程分為六個步驟：1)根據研究主題檢索文獻；2)確定納入和排除標準篩選文獻；3)計算每項研究的效應值；4)開展基本的元分析；5)開展調節(jié)變量分析；6)總結研究結果。本研究遵循上述步驟展開文獻分析(見圖1)。

圖1 研究流程

(一)研究問題

(二)排除和納入標準

文獻排除標準如下：1)剔除重復發(fā)表的文獻；2)剔除無對照組、基本數據不全的文獻；3)剔除綜述類或理論性文獻；4)本文研究的是問題式學習對學生問題解決能力的影響，故剔除缺少報告問題解決能力指標的文獻。

文獻納入標準如下：1)研究方法為實驗或準實驗的實證研究；2)實驗對象為小學、初中、高中、大學、研究生階段的在校生；3)研究數據應包括樣本量、平均值、標準差等，以便計算單個效應量。

本研究最終獲得有效文獻34篇，其中國內文獻12篇，國外文獻22篇，文獻時間跨度為2000年1月到2020年12月。

(三)計算效應值

效應值類型包括：1)標準化平均差；2)相關系數；3)優(yōu)勢比(Pigott，2012)。由于每項研究使用不同的量表獲得最終結果，故將每項研究的效果量表標準化，本研究將標準化平均差用于效應值(d)，標準化平均差的效應值(d)可以通過以下公式求得(周榕等，2019)：

注：n1和n2分別代表試驗組和控制組的樣本量，X1 和 X2 分別代表試驗組和控制組的平均值，s1 和 s2分別代表試驗組和控制組的標準差。

(四)數據提取與編碼

本研究提取了文獻的多個特征值進行編碼，包括文獻作者、出版年份、實驗人數、教育水平、教學周期、教學學科、教學場域、評價工具。兩名研究人員對34篇文獻獨立編碼，一致性系數為0.91，超過0.7的可靠性水平要求，表明本研究數據編碼結果可靠。

教育水平編碼包括小學(1—6年級)、初中(7—9年級)、高中(10—12年級)、大學及以上(專科、本科、研究生)。教學周期指實驗開展的時間。根據實驗開展的時長，教學周期編碼記為0—2個月、2—4個月和4個月以上三類。根據文獻涉及的學科，教學學科編碼為數學、物理、化學、體育、教師教育、地理、機器人、scratch、多媒體技術。教學場域編碼記為普通教室、實驗室、室內外(普通教室+戶外場所)。參照上海教育出版社出版的《教育大辭典》(顧明遠，1998)，將評價工具編碼為問卷法、自我診斷測驗、教師自制的客觀測試三種。

實踐活動系列的校園文化藝術節(jié)主要通過藝術活動，挖掘學科和活動的美育功能，展示學生個人才藝。其中，表演類包括合唱比賽、校園歌手比賽、音樂會、各類匯報演出等。展覽類包括繪畫現場比賽、作業(yè)展、學生自選作品展、風景寫生展、書法展、攝影作品比賽及展覽、動漫設計和工藝作品比賽及展覽、瓷版畫設計比賽及展覽，還有各類教育活動宣傳畫的創(chuàng)作比賽及展覽等。

(五)分析框架與工具

為了探究問題式學習能否提高學生的問題解決能力，本研究將問題式學習設為自變量，學生問題解決能力設為因變量，教育水平、教學周期、學科、場域、評價工具設為調節(jié)變量，以Stata15.1為分析工具，利用漏斗圖、Egger’s test、森林圖、效應值、異質性檢驗等統計結果進行分析。

三、研究結果

(一)發(fā)表偏倚檢驗

發(fā)表偏倚指檢索到的文獻不能代表該領域的研究整體，這使研究很可能得出錯誤結論，影響其準確性和可靠性，所以有必要進行發(fā)表偏倚檢驗和分析(Rothstein et al.，2005)。本研究采用漏斗圖結合Egger回歸檢測法檢驗發(fā)表偏倚。

漏斗圖可以直觀地對研究結果進行觀察。若圖上的點圍繞合并效應值的軸對稱散開，則表明存在發(fā)表偏倚的可能性較小，但漏斗圖的缺點是比較主觀，僅憑研究者的目測容易存在誤差。Egger檢測是對發(fā)表偏倚進行定量判斷，即若p<0.05，則表明存在發(fā)表偏倚，反之為不存在。

由圖2可知，漏斗圖上的點均勻、對稱地圍繞合并效應值散開，且集中分布在中上部，初步判斷不存在發(fā)表偏倚。同時Egger回歸檢測得出p=0.057>0.05，說明選取的文獻存在發(fā)表偏倚的可能性極小，因此本研究的分析結果相對穩(wěn)定、可靠。

圖2 問題式學習對問題解決能力影響漏斗圖注：se(SMD)為效應值的標準誤差，SMD為效應值。

(二)整體效果檢驗

考察問題式學習對學生問題解決能力的整體效果，首先需要對其異質性進行檢驗，同質性研究合并分析時才能說明其合理性。異質性檢驗可通過Q值和I2統計量進行。本文采用I2統計量檢驗法進行異質性定量分析。希金斯等(Higgins et al.，2003)指出，I2值的高低劃分標準為：I2統計值為25%、50%、75%，分別代表異質性的低、中、高程度。本文34項樣本的異質性結果為I2=85.5%(見表一)，表明所選樣本文獻存在異質性。因此，本研究選用隨機效應模型對效應指標進行合并匯總。隨機效應模型將大樣本的研究賦予較小的權重，小樣本的研究賦予較大的權重，以消除部分異質性的影響。

問題式學習對學生問題解決能力的合并效應值為0.66(見表一)，其 95% 置信區(qū)間為 0.46—0.87，且p<0.05，表明研究達到了統計學顯著水平。根據科恩( Cohen，1992)提出的效應值統計標準，效應值大小為0.2、0.5、0.8，分別表示影響效果的低、中、高程度，本研究的效應值介于0.5—0.8之間，說明問題式學習對學生問題解決能力的整體影響效果處中等偏上程度。

表一 問題式學習對問題解決能力的影響

(三)調節(jié)效應檢驗

從整體效應分析得出，問題式學習對學生問題解決能力有積極影響。為了進一步探究其對學生問題解決能力影響的關鍵因素，本研究通過教育水平、教學周期、學科、場域、評價工具等調節(jié)變量進行亞組分析。

1. 教育水平

不同教育水平的學生具有不同的認知特點。為了探究問題式學習對不同學段學生問題解決能力影響的差異，本研究將納入的文獻分為小學、初中、高中和大學及以上四組進行亞組分析，各組合并效應值結果見表二。其中，合并效應值小學為0.47，初中為0.84，高中為1.27，大學及以上為0.45，由此可以得出不同教育水平的合并效應值均為正值，說明問題式學習對不同學段的學生均有積極影響，高中階段的影響最明顯，小學和大學及以上的學習者影響稍弱。從表中組間效應檢驗結果看，p<0.001，達到統計顯著水平，組間效應值Chi2=96.78，可知問題式學習對不同教育水平學生問題解決能力的影響效果存在顯著差異，但問題式學習對學習者問題解決能力影響不呈線性關系，沒有隨著教育水平的升高而逐步提高或降低。

表二 問題式學習對不同教育水平學生問題解決能力的影響

2. 教學周期

本研究為考察問題式學習在不同教學周期的差異，探究了教學周期分別為0—2個月、2—4個月和4個月的合并效應值，各教學周期的合并效應值見表三。

表三 問題式學習對不同教學周期問題解決能力的影響

0—2個月的效應值為0.62，2—4個月為1.01，4個月及以上為0.59，由此得出各類教學周期的效應值均大于0，說明問題式學習在三類不同教學周期，對學生問題解決能力均有正向影響。其中，實驗周期控制在2—4個月時影響效果最明顯，0—2個月和4個月及以上的影響效果相對較弱。從表中組間效應檢驗結果看，p<0.001，達到統計顯著水平，效應值Chi2=26.29，可知問題式學習在不同教學周期對學生問題解決能力的影響效果存在顯著差異，但問題式學習對學習者問題解決能力的影響不呈線性關系，不隨著教學周期的延長而逐步上升或降低。

3.學科

本研究還對不同學科應用問題式學習的效果進行了亞組分析(見表四)。從學科的效應值看，合并效應量都為正值，說明問題式學習對化學、體育、數學、機器人、護理、教師教育、物理、科學等學科均有促進作用。其中，數學(SMD=1.18)>護理(SMD=1.05)>化學(SMD=0.78)>體育(SMD=0.76)>物理(SMD=0.57)>科學(SMD=0.51)>機器人(SMD=0.48)>其他(SMD=0.42)>教師教育(SMD=0.28)，表明問題式學習對數學、理化、護理、體育類學科促進作用最明顯，對教師教育、其他類學科影響相對較弱。從表中組間效應檢驗結果看，p<0.001，達到統計顯著水平，效應值Chi2=75.64，可知問題式學習應用在不同學科對學生問題解決能力的影響存在顯著差異，即問題式學習能在各學科提升學習者的問題解決能力，但提升效果存在差異。

表四 問題式學習對不同教學學科問題解決能力的影響

4. 教學場域

為了探究教學場域是否對培養(yǎng)學生問題解決能力存在差異，本研究將教學場域分為普通教室、實驗室和室內外(普通教室+戶外場所)三類，亞組分析結果見表五。由此看出,無論是普通教室還是實驗室或者室內外，效應值均大于0，說明問題式學習在三種教學場域都對學生問題解決能力產生積極影響。其中，普通教室合并效應值為0.72，實驗室為0.44，室內外為0.67，說明在普通教室實施問題式學習對學生問題解決能力的促進作用最大。從表中組間效應檢驗結果看，p<0.001，達到統計顯著水平，效應值Chi2=36.47，說明問題式學習能在不同教學場域提升學習者的問題解決能力，但提升效果存在差異。

表五 問題式學習對不同教學場域問題解決能力的影響

5. 評價工具

《教育大辭典》(顧明遠，1998)列舉的常見教育評價工具有 ：1)傳統的論文考試；2)改良的論文考試；3)標準化考試；4)教師自制的客觀測驗；5)問題情境測驗；6)行動觀察記錄；7)自我診斷測驗；8)問卷法；9)談話法；10)創(chuàng)作、作品分析；11)實驗報告、研究報告、作品及其他業(yè)績分析；12)個案研究。本研究將樣本文獻按常見的教育評價工具進行類別編碼分組，分為問卷法、自我診斷測驗、教師自制的客觀測試三組(見表六)。問卷法的效應值為0.91，自我診斷測驗為0.38，教師自制客觀測驗為0.82，由此看出三類評價工具的合并效應量均為正值，表明無論選用何種教學評價工具對學生問題解決能力進行測量，問題式學習對問題解決能力都有正向作用，其中使用問卷法進行測量提升效果最好。從表中組間效應檢驗結果看，p<0.001，達到統計顯著水平，效應值Chi2=57.36，可知用不同的評價工具對學生問題解決能力的測量結果存在顯著差異，即問題式學習對學生問題解決能力的測量與評價工具無關，但不同測量工具得出的結果存在差異。

表六 問題式學習對不同教學場域問題解決能力的影響

四、結論及討論

元分析的研究結果顯示，問題式學習對學生問題解決能力有積極影響。為進一步探究影響因素，本研究列出五類調節(jié)變量進行亞組分析，包括教育水平、教學周期、教學學科、教學場域和評價工具。下文依據上述五類調節(jié)變量加以討論。

從教育水平看，問題式學習對中學生問題解決能力的提升作用最明顯，原因可能在于中學生具有一定的認知和自學能力。當新奇的教育活動與個人任務相關時，積極的學習環(huán)境會促使他們學習時采用更深層次的學習策略(Ferrari et al.，1998)。小學生年齡小，認知水平低，自主學習能力相對弱；大學生自主學習能力強，但他們不太容易接受學習環(huán)境中干擾信息的影響，盡管問題式學習會促使他們由表層學習轉向深層學習，但任務過多也會使他們的學習只求通過考核，問題式學習往往流于形式，學習的自由度和個性發(fā)展也在一定程度上受到阻礙(于海琴等，2013)。

從教學周期看，學生解決問題能力不會隨著問題式學習開展的持續(xù)時間而變化，這與阿基利斯等(Achilles et al.，1996)關于問題式學習的效果與教學周期呈非正向相關的研究結果一致。對比分析結果可得，教學周期控制在0—2個月或4個月及以上時，不如2—4個月的效果好，原因可能在于教學周期0—2個月時，教師和學生對問題式學習不熟悉或不適而感到焦慮，從而影響教學效果。諾曼等(Norman et al.，1992)也發(fā)現，學生從傳統的課堂過渡到問題式學習環(huán)境的過程較長。當教學周期在4個月及以上時，較長的持續(xù)時間會使教師和學生在該過程中疲倦(Glew，2003)。因此，問題式學習的教學周期在2—4個月時可能更有效。

從教學學科看，問題式學習對數學、化學、物理類邏輯性較強以及護理、體育類重技能培訓的學科具有較強的影響。問題式學習最早應用于醫(yī)學，可結合臨床病例和真實情景促進學生的思維和技能提升。當它被證明對醫(yī)學教學有效后，人們嘗試將其應用于其他教學領域(Barron et al.，1998)。體育和醫(yī)學類學科特征類似，都強調在理論的支持下通過實踐逐漸掌握技能和知識。數學、化學、物理等學科，強調學生的邏輯推理和知識遷移能力，采用問題式學習創(chuàng)設的真實情景利于學生產生準確的假設和連貫的推理(Hmelo-Silver et al.，2004)。因此，如需提升問題式學習在人文社科等學科的應用效果，研究者可以從應用情境的角度優(yōu)化主題設計。

從教學場域看，在普通教室進行問題式教學更有利于培養(yǎng)學生的問題解決能力，同時普通教室的研究多采用講座伴隨分組討論的教學形式。事實上，問題式學習被視為個體對現象和相關概念質的改變(Marton et al.，1976)，因此學習新事物時，了解與學習對象有關的概念至關重要。在講座式課堂上，問題被用作討論復雜現象和理論的起點，也是闡述和探索某一概念的觸發(fā)點。這些問題將討論的領域與其他領域聯系起來，學生再利用獲得的知識回答或發(fā)表意見，從而幫助他們積極應對問題(Fyrenius et al.，2005)。威特等 (Witte et al.，2014)指出，問題式學習模式比傳統教學模式讓學生對教學和課堂環(huán)境更滿意，問題式學習模式應用在講座式教學上更具啟發(fā)性和趣味性。

從評價工具看，采用問卷法評估學生問題解決能力的提升效果最明顯，同時問卷法易于量化和使用，但有研究指出，問卷法衡量教學效果的有效性和可靠性不足，它不能提供掌握學科知識的證據，也不能用于確定教學內容和教學目標的合理性(Ngware et al.，2005)。此外，元分析結果表明，采用自我診斷測驗工具的提升效果相對較弱，羅斯(Ross，2006)也指出，學生回顧學習過程時可能會忘記自己到底做了什么或不能理解評估標準，同時缺乏將這些標準應用到學習過程的技能，從而使自我診斷評估缺乏可靠性。

五、思考與啟示

從以上分析可以看出，問題式學習對學生問題解決能力產生正向影響的眾多研究中存在相似的特點和條件，這也是未來設計與實施問題式學習過程值得注意和借鑒的。

(一)依據不同學段特征開展問題式學習

問題式學習盡管對學生問題解決能力具有正向影響，但并非對所有學段的學生都具有同樣效果，在中學課堂實行問題式學習能激發(fā)他們的學習興趣與探索欲望，且相比小學生和大學生，有更強的應變和接納能力。對此，本研究建議應積極推進問題式學習在中學課堂的實施力度和范圍，以豐富中學課堂的教學方式，促進學生問題解決能力的提升。此外，小學和大學應用問題式學習，可以考慮不同學段學生的性格、不同課程任務、不同認知水平等因素，在實踐中分析效果不佳的原因，提升問題式學習在跨學段中的應用效果。

(二)優(yōu)化問題式學習的應用情境

元分析結果表明，選擇邏輯性或實踐性較強的學科開展問題式學習能充分發(fā)揮學生分析和處理問題的能力。問題式學習不僅能提供真實的體驗和感受，將學習與現實生活自然地融為一體，同時能使學習者成為學習情境的利益相關者，促進他們主動學習。貝希耶(Behiye，2009)指出，問題式學習包括三個主要特征：1)讓學生成為問題情境的利益相關者；2)圍繞問題組織教學，使學生能以相關方式開展學習；3)創(chuàng)設學習環(huán)境，讓教師引導學生自主思考和探究，促進更深層次的學習。因此，本研究建議教師設計問題情境應架設起“學科知識”與“日常知識”間的橋梁，實現學科知識從模擬情境向真實情境、學校環(huán)境到社會環(huán)境的遷移；同時建議教學活動應有明確的目標，不僅支持學習者運用相關技能進行不同層次的思考，還能促進學習者主動學習和問題解決。

(三)融合虛擬技術，創(chuàng)新問題式學習的教學場域

本研究發(fā)現，在普通教學場域采用講座式實施問題式學習效果最佳，但梳理文獻發(fā)現，對于學習能力弱的學生來說，他們處理問題可能存在困難，同時如果時間延長會使學生對相關活動感到厭煩(Hung, 2011)。而隨著信息技術的發(fā)展，越來越多的研究者在問題式學習中使用虛擬技術，通過減少學習者的認知負荷促進其對學科的理解，實現學科知識的具體化和實驗的便利性，為學習者提供有效的學習環(huán)境并產生積極影響(Kü?ük et al.，2016 )。這也彌補和改善了傳統教學環(huán)境的不足。因此，未來研究應通過探索傳統講座式與虛擬技術的融合創(chuàng)新問題式學習的教學場域。

(四)整合多角度評價方式和工具

本研究發(fā)現，使用不同評價工具測量均表明，問題式學習對學生問題解決能力有不同的提升作用，但現有研究缺乏準確性且評價方式和工具較為單一。問題解決能力的評價不僅是對目標達成和知識獲取的簡單評估，更是對發(fā)現問題、解決問題的過程性評價和知識獲取、自我調節(jié)、協作學習等技能的總結性評價。布蘭達(Brenda，1995)基于認知理論提出的問題解決能力評估的三個維度包括：特定領域的知識結構、元認知結構和動機結構，并圍繞三個維度提出了基于學生的選擇、執(zhí)行和解釋等數據的評估策略框架。其中，特定領域的知識結構包括原則、概念、程序；元認知結構包括規(guī)劃、監(jiān)測、自我效能感；動機結構包括感知任務難度、感知任務吸引力。而采集數據的方式除了常見的問卷法、教師自制的測試、自我診斷評價，還包括學習者的學習日記、實驗筆記、會議記錄、教師訪談、知識地圖、行為記錄等(Gallagher et al.，1995；Nowak et al.，1999)。因此，問題式學習廣泛應用于教育實踐，應加大多元化、多角度評價反饋體系的開發(fā)力度，提高問題式學習研究的深度，促進問題式學習的有效提升。