樣例與自解釋在問題解決中的設計策略及作用機制探究

陳 健，宋瑤瑤，顧佼佼

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

為了對21 世紀的學習做出清晰的表述，標準、評估與職業培訓委員會制定了《21 世紀學習框架》，并提出了最亟需的技能是學習與創新技能、信息媒體與技術技能、生活與職業技能，其中學習與創新技能強調批判性思維和問題解決能力。2017 年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化教育體制改革的意見》，強調創新人才的培養機制[1]，創新人才培養即形成創新型思維與人格。

樣例作為教學資源庫的重要組成部分，對于復雜問題的學習具有重要的意義。Chen 等[2]認為樣例學習可以縮短問題解決的復雜過程，學習者通過觀察、模仿問題解決的信息和過程，集中于問題的關鍵特征，從而理解、應用抽象概念原理，節省有限的工作記憶容量。

一、樣例學習及自我解釋

（一）樣例學習

1.單個樣例的設計

樣例的內容變異主要指樣例內容的正誤、樣例內容與問題的相似性等。研究認為在學習者學習的過程中，錯誤是不可避免的，附帶錯誤可以引起反思，從而幫助學生更深層次地處理問題，從而幫助他們克服誤解，建立對概念的持久理解[3]。

樣例的呈現形式主要是指樣例解題步驟的呈現。將完整樣例呈現的解題步驟按照知識的內在結構以空格或標記的形式分成幾塊[4]，或在某一步驟后附著標簽，即分段樣例，其可以幫助學習者將一系列步驟以組塊的形式連接在一起。而對于先驗知識水平高的學生會出現專業知識反轉效應，可以逐漸省略提供解題步驟的數量，直至剩下問題[5]。

2.多個樣例的設計

變異性主要包括表面變異和結構變異，對于多個樣例之間變異程度的影響效果尚未有明確的界定，可能會受到學習者先驗知識水平的影響[6]。

Trafton 等針對樣例與問題的呈現方式，設計了交叉式和分塊式，發現交叉式條件下被試解題時間更短，問題遷移的正確率較高。Pooja 將多個工作示例進行組織，分為對比案例和順序案例，發現對比案例并沒有促進概念學習，但卻促進了問題遷移的學習[7]。研究表明，樣例學習有助于學習者領會問題解決的新知識（新概念、新規則）并掌握其應用的過程[8]。但在實際的教學應用中，學習者解決問題成功與否關鍵在于學生對示例的理解程度[9]。Chi 在研究中發現良好的問題解決者在樣例學習的過程中會向自己解釋樣例的內容，試圖對樣例的每一個步驟進行詳細的說明。

（二）自我解釋

自我解釋（Self-Explanation）的概念最初是由Chi 提出，將其定義為任何人向自己做出解釋，企圖理解新訊息的一種活動。之后，Chi[10]進一步補充“自我解釋是人們在閱讀文章時所做的推論，一般都是用來澄清或者補充文意，不論推論的多少、完整與否或者正確與否，都稱作自我解釋”。Chung 發現進行自我解釋的學生有較多的知識建構，能夠整合較多的概念及例子。之后，在其他知識領域的研究也證實了這一結果，即自我解釋與學習者的學習成績呈正相關[11]。

但隨著研究的不斷深入，研究者發現并非每一個學習者都可以自發地產生自我解釋及使用自我解釋策略。Lin 提出在自我解釋題目中加入適當的提示，可以增進學生自我解釋的相關性及完整性[12]。Chi 將自我解釋提示分為一般和具體兩種，一般的自我解釋提示更類似于一種提醒；具體的自我解釋提示要求學生明確地提出該內容的作用和原理。隨著教育信息化的發展，Wylie 和Chi[13]對此進一步劃分：開放式自解釋、指導式自解釋、腳手架式自解釋、基于資源的自解釋、基于菜單的自解釋提示。Atkinson 等發現使用集中的、支架式的或基于資源的提示來提供更具特色的解釋，與開放式自我解釋相比，可以使學生獲得更深層次的學習。另外，基于提示的內容類型對自我解釋提示進行分類，Schworm 和Renkl[14]將自解釋提示劃分為學習域提示和示例域提示，其中學習域提示是指幫助學習者構建基本概念，示例域提示是指幫助學習者學習問題論證過程的知識，并且提出不同類型的提示會有不同的效應。

研究中問題解決能力屬于復雜的高階思維，因此在本研究中選用多個樣例的呈現方式，并結合自解釋提示進行設計。采用2（樣例類型：正誤樣例）×2（自解釋提示類型：原理自解釋提示和步驟自解釋提示）×3（先驗知識水平：高、中、低）三因素被試間實驗設計，探究基于樣例學習的教學對促進學習者問題解決能力培養的有效性。

二、研究方法

（一）被試

本研究選取被試為高等教育層次學生，具有學習自主性強，可以通過多元化途徑獲取知識，對知識的學習和能力的訓練已具有一定的研究意識和探索精神等優點。但課堂參與度弱，學習狀態上缺乏自我認識和反思意識。因此，在教學環節需要有針對性地進行教育教學改革，設計問題情景，提供探究學習的機會。

（二）研究工具

本次實驗使用的工具有樣例材料、學習效果測試題、學習者認知負荷調查問卷。（1）樣例材料：依據授課內容設計正誤樣例并結合自解釋提示內容。（2）學習效果測試題：選自應用類課程。主要考察知識的保持和遷移應用，其中知識的保持即改變原題題干提及的數據或情境，知識的遷移需在樣例問題基礎上增設情景，檢測學習者對知識的進一步應用情況。（3）認知負荷問卷：采用DeLeeum 和Mayer（2008）的研究結論，從努力程度評價和材料難度評價兩個方面測量認知負荷。并且測試完成后，與被試訪談進一步了解其認知負荷情況。

（三）研究過程

本實驗實施于日常的課程講授完成后，于微機教室中展開實驗，實驗依據學習者的學習進度，共進行三輪實驗。具體實施過程為：首先向四組被試詳細地介紹實驗程序和實驗要求，然后借助GeoGebra 呈現的樣例學習材料，發放自我解釋提示材料，被試者在進行樣例學習的過程中完成作答，每組被試的自學時間為15 min。學習完樣例材料后，學習者對學習材料的困難程度和自己的努力程度進行評價，然后為被試發放學習效果檢測題，引導被試獨立完成，收集被試的學習情況數據，每組被試平均每次后測的時間為15 min。

三、實驗數據分析

（一）樣例類型和自解釋提示類型對學習效果的影響

在樣例中加入自解釋提示可以有效促進學習者對知識的深層次理解，因此，考慮樣例類型和自解釋提示類型兩個變量對學習效果的影響，首先分析其對學習者認知負荷的作用效果，結果見表1。

表1 樣例類型和自解釋類型對認知負荷的影響

樣例和自解釋提示類型對學習材料理解程度的影響不顯著（F=1.549，p=0.214>0.05），這說明四組學習者對理解程度評價是趨于一致的，這是由于內在認知負荷是由學習材料本身的性質決定的，與自解釋提示類型關系不大。對于努力程度，樣例類型和自解釋提示類型在努力程度上的交互效應顯著（F=5.811，p=0.016<0.05）。對其交互作用進一步分析發現：對于分段樣例，原理自解釋提示的學習資源能讓學習者產生較高的相關認知負荷；對于正誤樣例，步驟自解釋提示的學習資源能讓學習者產生較高的相關認知負荷。

由表2 可知，四種學習資源和先驗知識水平的交互作用（F=3.027，p=0.007<0.05）顯著。對于高初始水平學習者和低初始水平學習者，正誤樣例+原理自解釋提示組學生成績顯著高于其他三組，而對于中初始水平學習者，分段樣例+原理自解釋提示組學生成績高于其他三組（圖1）。

圖1 四種學習資源和先驗知識水平對學習成績的交互作用

表2 樣例類型和先驗知識水平對學習成績的影響

（二）樣例類型和自我解釋提示類型對問題解決能力的影響

樣例學習中問題解決主要可以分為四個階段：類比階段、規則提取階段、產生式規則應用階段、樣例儲存階段。由于研究中按照同一知識點對樣例和問題進行設計，樣例和問題的相似性較大，而類比階段是學習者通過類比解決問題，因此，在實驗中主要從規則提取階段、產生式規則應用階段、樣例儲存階段三個階段分析樣例類型和自解釋提示類型對學習者解題能力的影響（表3）。

表3 樣例類型和自解釋提示類型對問題解決能力的影響

1.規則提取階段

在規則提取階段，從問卷調查數據和訪談資料中可以發現，學習者在學習正誤樣例時，能夠意識到錯誤解答步驟是錯在哪里，為什么錯誤，但在講述例題的解題步驟時，對于從樣例提取的陳述性規則是比較零散的，只能機械地應用。而對于分段樣例的學習，由于標注了每一步的已知條件和未知條件，學習者可以更清楚地了解每一步的含義，在講述解題步驟時，能夠將蘊含的規則與樣例結合起來，已經形成了較豐富的陳述性規則。

2.產生式規則應用階段

在這一階段，學習者對每一個步驟都有清晰的認識，并通過反復練習熟悉規則，并達到熟練應用的程度，以便在解決問題時更加精確地識別信息、反映更加適當。通過學習者的自解釋可以充分了解其樣例學習過程中對規則的認識和熟練情況。

不同的樣例資源類型，學習者的學習表現是不同的（F=6.118，p=0.002<0.05），分段樣例+原理自解釋提示組學習者的自我解釋得分情況較高，并且學習表現更穩定。而對于先驗知識水平不同的學習者，先驗知識水平越高，自解釋得分就越高，研究者猜測導致這一現象的原因可能是實驗時間相同，而不同先驗知識水平學習者對規則的掌握速度是不同的，因此先驗知識水平較低的學習者需要更多的時間完成自我解釋。

3.樣例儲存階段

處于樣例儲存階段的學習者已經學習了大量的樣例，當遇到問題時，可以直接地從記憶中提取相應的解法。因此，為了檢測學習者在解決問題時，記憶中解法的提取和應用情況，本研究中通過對學習者解題過程進行詳細的評分，并對數據結果進行分析，判斷四種樣例資源對學習者實際問題解決情況的影響。

實驗中將后測成績作為因變量，四種樣例資源作為自變量，對其數據進行分析。對于不同先驗知識水平的學習者，適合不同類型的學習資源，其中正誤樣例+原理自解釋提示對于高初始水平學習者、低初始水平學習者解決實際問題更有效的，分段樣例+原理自解釋提示對于中初始水平學習者解決實際問題更有效。

四、討論與建議

（一）樣例設計的針對性

不同先驗知識水平學習者學習不同樣例資源的學習效果是不同的，教師在設計樣例時要結合學生的學習水平：通過對比正誤樣例，高初始知識水平的學習者可以快速提取相關信息，也幫助低初始知識水平的學習者再次回顧相關信息，有利于學習者的問題解決。而對于中初始水平學習者，分段樣例強調有語義的信息組塊，能夠幫助學習者整合解題步驟，調動學習者已有的知識經驗。

（二）不同階段資源的差異性

規則提取階段。分段樣例的學習資源比正誤樣例更容易被學習者提取陳述性規則，并且規則的完整程度會受到教師教學方式的影響，教師給予學習者自我表達的機會越多，學習者整合信息的能力越高。

產生式規則應用階段。學習效果受到先驗知識水平的影響，不同學習者對規則達到熟練應用所需的時間是不同的。因此在這一階段，教師應該注意觀察學習者的學習狀態，及時給予更充足的時間練習。

樣例儲存階段。在這一階段，學習者需要學習大量的樣例，遇到問題可以從記憶中直接提取相應的解法。不同先驗知識水平學習者適合不同類型學習資源，教師需要因材施教，針對不同類型學習者準備不同樣例材料，其中正誤樣例+原理自解釋提示對于高初始水平學習者、低初始水平學習者解決實際問題更有效，分段樣例+原理自解釋提示對于中初始水平學習者解決實際問題更有效。