有效失敗教學(xué)視角的工程實(shí)踐活動(dòng)分析

基礎(chǔ)科學(xué)教育活動(dòng)選題總與社會(huì)和科學(xué)前沿關(guān)注、研究熱點(diǎn)相聯(lián)系，氣候變化作為一個(gè)全球性問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，多個(gè)國(guó)家或地區(qū)正因全球氣候的持續(xù)變化受到缺水和干旱的影響。灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，出色的灌溉系統(tǒng)能在滿足生產(chǎn)生活需要的前提下提高水利用率，以盡可能地節(jié)省水資源。以工程迭代為核心的設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)工程實(shí)踐活動(dòng)，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到水資源的重要性，增強(qiáng)其環(huán)保與服務(wù)社會(huì)的意識(shí)，讓他們?cè)趧?dòng)手操作和反復(fù)的工程調(diào)試中提升解決實(shí)際問(wèn)題的工程實(shí)踐能力。有效失敗（Productive Failure）教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生從失敗中學(xué)習(xí)的技能，能進(jìn)一步增強(qiáng)其學(xué)習(xí)效果。

一、活動(dòng)簡(jiǎn)介

活動(dòng)案例來(lái)自美國(guó)加州創(chuàng)新科技博物館為科技挑戰(zhàn)賽（The Tech Challenge）所準(zhǔn)備的工程設(shè)計(jì)科技實(shí)踐活動(dòng)課程。科技挑戰(zhàn)賽是該博物館科技互動(dòng)的標(biāo)志性項(xiàng)目，已舉辦37年，在美國(guó)影響力巨大，自項(xiàng)目誕生以來(lái)已影響數(shù)以萬(wàn)計(jì)的美國(guó)青少年，項(xiàng)目參與者的創(chuàng)造力、問(wèn)題解決、團(tuán)隊(duì)合作以及從失敗中學(xué)習(xí)等技能都得到增強(qiáng)。“設(shè)計(jì)一套灌溉系統(tǒng)”活動(dòng)圍繞“設(shè)計(jì)一個(gè)山坡花園灌溉系統(tǒng)，以最大限度地提高用水效率”這一核心驅(qū)動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)，面向3～5年級(jí)學(xué)生。學(xué)生將根據(jù)“甲方”不斷變化的要求，反復(fù)修正和迭代優(yōu)化自己的方案，并向他人分享和演示自己的方案，在對(duì)方案的討論以及基于證據(jù)的闡述論證中完成一個(gè)能有效收集和分配水以保護(hù)水資源的山坡灌溉系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。

二、有效失敗的視角透視

有效失敗教學(xué)是指，在真實(shí)但復(fù)雜劣構(gòu)問(wèn)題的導(dǎo)向下，學(xué)習(xí)者陷入有意設(shè)計(jì)的失敗，教學(xué)者推遲支架介入，以使其在失敗中掙扎探索，獲得對(duì)目標(biāo)概念的深層理解，從而發(fā)生長(zhǎng)遠(yuǎn)有價(jià)值的深度學(xué)習(xí)。[1]有效失敗分為生成和探索、知識(shí)的整合和組裝兩個(gè)階段，具體體現(xiàn)為激活與區(qū)分先驗(yàn)知識(shí)、關(guān)注目標(biāo)概念核心特征、解釋闡述目標(biāo)概念核心特征、整合目標(biāo)概念核心特征四個(gè)相互依存的學(xué)習(xí)機(jī)制。[2]基于有效失敗的視角，應(yīng)考慮以下內(nèi)容。

1.重視情境的真實(shí)性

有效失敗教學(xué)通過(guò)真實(shí)的情境導(dǎo)入劣構(gòu)的問(wèn)題，將問(wèn)題解決與真實(shí)世界融合，激發(fā)學(xué)生探究的動(dòng)力，充分調(diào)動(dòng)他們的已有知識(shí)，使他們?cè)诶煤头峙渌倪^(guò)程中認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)的巨大影響，培養(yǎng)他們的社會(huì)責(zé)任感，同時(shí)防止他們過(guò)于輕松地解決問(wèn)題或者完全失去解決問(wèn)題的信心，讓他們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)失敗迭代的過(guò)程中學(xué)習(xí)。

2.營(yíng)造不懼失敗的包容氛圍

接受失敗、從失敗中學(xué)習(xí)需要開(kāi)放包容的環(huán)境氛圍。[3]對(duì)于灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)真實(shí)情境下的復(fù)雜問(wèn)題，學(xué)生很難立馬拿出一個(gè)完美的解決方案，更何況設(shè)計(jì)難度在逐步提高，他們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中勢(shì)必會(huì)遭遇失敗。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生不要畏懼失敗，通過(guò)失敗發(fā)現(xiàn)已有方案的缺陷，關(guān)注到目標(biāo)概念的核心特征，從而更好地從失敗中吸取經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性地優(yōu)化方案，推動(dòng)工程方案設(shè)計(jì)的迭代，發(fā)展他們解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.提供充分的展示論證機(jī)會(huì)

活動(dòng)過(guò)程中學(xué)生將兩度分享其解決方案，教師應(yīng)關(guān)注他們做了什么以及為什么做，通過(guò)開(kāi)放性問(wèn)題引導(dǎo)他們反思并進(jìn)一步探究。在論證過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)目標(biāo)概念核心特征的解釋與闡述，培養(yǎng)他們基于證據(jù)的科學(xué)論證思維、迭代修正的工程素養(yǎng)，讓他們?cè)诮忉屨撟C的過(guò)程中完善灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

三、活動(dòng)內(nèi)容

1.材料準(zhǔn)備與活動(dòng)規(guī)劃

活動(dòng)包含露臺(tái)花園試驗(yàn)臺(tái)（每組一套）和灌溉系統(tǒng)耗材（全班使用）兩套材料（如圖1）。

每個(gè)團(tuán)隊(duì)都需要一個(gè)梯田山坡模型（以一定角度設(shè)置），下面有一個(gè)托盤(pán)或箱子來(lái)收集徑流水。海綿或棉球起到模擬植物的作用，在挑戰(zhàn)的第二部分，學(xué)生需仔細(xì)觀察，在弄濕所有“植物”后停止傾倒以探究是否可以節(jié)約用水量。對(duì)于灌溉系統(tǒng)的耗材，教師提供的是大類材料，在實(shí)施過(guò)程中要鼓勵(lì)學(xué)生從每個(gè)類別中查找材料，不要將自己局限于此，可以使用手頭的任何東西，體現(xiàn)出創(chuàng)意。

活動(dòng)立足真實(shí)情境，分為兩個(gè)難度遞增的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)階段（如圖2）。

2.情境導(dǎo)入

情境：一家住房開(kāi)發(fā)商剛剛聯(lián)系了你的工程師團(tuán)隊(duì)，他們的新住房有一塊梯田狀的花園，請(qǐng)你為這片區(qū)域設(shè)計(jì)一套灌溉系統(tǒng)。你需要考慮如何在水量、材料預(yù)算有限的情況下設(shè)計(jì)這樣一套系統(tǒng)，使花園的6個(gè)區(qū)域都能得到均勻的灌溉。

課程從利用學(xué)生對(duì)農(nóng)業(yè)的理解及其不同氣候和文化的差異開(kāi)始。通過(guò)“你認(rèn)為不同氣候下的農(nóng)業(yè)有何不同”“你見(jiàn)過(guò)人們用何種方式運(yùn)輸水”等問(wèn)題，教師在正式開(kāi)始之前激活學(xué)生對(duì)于活動(dòng)主題有關(guān)的已有知識(shí)，了解他們對(duì)灌溉和輸水系統(tǒng)的知識(shí)情況，把握學(xué)情。接下來(lái)告知學(xué)生，在本課程中他們將在特定的環(huán)境（山坡梯田）中研究耕作和灌溉，并分享世界各地的梯田文化，包括一系列的梯田農(nóng)場(chǎng)照片，如水稻、茶葉、干旱土地。上述步驟先充分激活學(xué)生的已有知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)他們的興趣和探究欲望，再提出真實(shí)情境中的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，讓他們帶著問(wèn)題開(kāi)始后續(xù)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

3.設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一階段

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一階段主要是設(shè)計(jì)一個(gè)能收集并有效分配水的山坡灌溉系統(tǒng)，分為4個(gè)部分。

情境化問(wèn)題界定。教師作為“甲方代理人”向?qū)W生明確設(shè)計(jì)任務(wù)，即需要在預(yù)算和時(shí)間有限的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)為梯田6個(gè)區(qū)域的植物進(jìn)行灌溉的系統(tǒng)，并盡可能地少使用水。

明確設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和限制。學(xué)生將以2～4人的小組為單位，審查設(shè)計(jì)問(wèn)題并考慮如何在滿足標(biāo)準(zhǔn)和限制的情況下完成設(shè)計(jì)任務(wù)（如圖3）。在進(jìn)行第三步前，教師可選擇性地開(kāi)展頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)，即組織學(xué)生先行分享討論自己的設(shè)計(jì)想法，或讓每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員選擇不同的材料，分享其材料的特性（剛性、吸水性等）以及如何在團(tuán)隊(duì)解決方案中使用該材料。這一步可以激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，促進(jìn)他們對(duì)不同材料特性的認(rèn)識(shí)，有助于后續(xù)更好地利用材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第一次原型構(gòu)建與測(cè)試。學(xué)生以小組為單位開(kāi)始第一次灌溉系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)和測(cè)試的同時(shí)，他們?cè)趯W(xué)習(xí)記錄單上填寫(xiě)每一次測(cè)試的情況（打濕了多少“植物”、還剩余多少水等），并在親手設(shè)計(jì)建造的過(guò)程中自主探究和構(gòu)建不同材料特性、灌溉技術(shù)的有關(guān)知識(shí)。教師在這個(gè)過(guò)程中幫助學(xué)生專注于過(guò)程，而不是設(shè)計(jì)的成功，如果他們的設(shè)計(jì)失敗了，問(wèn)問(wèn)他們嘗試了多少方法，分析哪些方法不起作用，以及接下來(lái)如何改進(jìn)。通過(guò)這樣的支持，教師幫助學(xué)生反思存在的問(wèn)題并針對(duì)性改進(jìn)，培養(yǎng)他們的工程迭代思維，提高他們的工程素養(yǎng)，讓他們初步實(shí)現(xiàn)從失敗中學(xué)習(xí)。

方案分享。在規(guī)定時(shí)間結(jié)束后，學(xué)生分享和演示各自團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生應(yīng)基于測(cè)試得到的證據(jù)，闡述自己滿足了“甲方”的哪些標(biāo)準(zhǔn)以及是如何滿足的。例如，打濕了多少植物，還剩下多少水，使用了哪些材料，建造花了多少時(shí)間等。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一階段中，學(xué)生很難設(shè)計(jì)出非常完美的作品，或多或少會(huì)遭遇失敗或者遇到困難，教師要多鼓勵(lì)他們通過(guò)失敗發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的缺陷，認(rèn)識(shí)到存在的問(wèn)題和差距以做出針對(duì)性改進(jìn)。在進(jìn)入設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)二階段之前，為了激發(fā)學(xué)生的靈感，幫助他們改進(jìn)方案，使他們學(xué)到更多有關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)和灌溉的知識(shí)，教師可以為他們提供一些內(nèi)容支持，如本地農(nóng)業(yè)技術(shù)以及地理和氣候如何影響這些技術(shù)的視頻等多媒體信息資料。

4.設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)二階段

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)二階段主要是讓學(xué)生考慮到干旱的影響、水資源緊缺，在盡可能節(jié)約水資源的情況下設(shè)計(jì)一個(gè)能收集并更有效分配水的山坡灌溉系統(tǒng)。

這一階段的整體結(jié)構(gòu)與前一階段大致相同，但引入了干旱這一新問(wèn)題情境，學(xué)生需要面對(duì)更新、更高的要求展開(kāi)設(shè)計(jì)（如圖4）。對(duì)比前一階段，學(xué)生需要進(jìn)一步節(jié)省用水量，并且時(shí)間限制更加嚴(yán)格。干旱這一新情境的引入也并非空穴來(lái)風(fēng)，與真實(shí)世界的情況緊密聯(lián)系，案例來(lái)自加州，加州農(nóng)業(yè)面臨氣候變化導(dǎo)致干旱的嚴(yán)重威脅，且全球干旱缺水情況近年也在加重。這一新情境導(dǎo)致的挑戰(zhàn)升級(jí)可以幫助學(xué)生獲得有關(guān)氣候的科學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的緊密聯(lián)系以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的重要作用。基于第一次的設(shè)計(jì)方案和從失敗中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，學(xué)生優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)行第二次灌溉系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)。學(xué)生完成分享之后進(jìn)行總結(jié)性匯報(bào)，教師引導(dǎo)他們對(duì)工程概念和學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行知識(shí)整合，并組織他們思考在現(xiàn)實(shí)生活中這個(gè)系統(tǒng)會(huì)面臨什么挑戰(zhàn)，未來(lái)還可能出現(xiàn)哪些挑戰(zhàn)，以培養(yǎng)他們解決實(shí)際問(wèn)題的能力并為未來(lái)做準(zhǔn)備。

有效失敗在活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。從情境導(dǎo)入提出問(wèn)題開(kāi)始，這個(gè)真實(shí)卻劣構(gòu)的故意帶有“刁難”的問(wèn)題可以有效地激活學(xué)生的已有知識(shí)，但他們難免會(huì)遭遇到不同程度的阻礙，導(dǎo)向失敗。失敗并不可怕，可怕的是白白經(jīng)歷了失敗后卻沒(méi)有發(fā)生有效的學(xué)習(xí)。“灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)”在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一階段就讓學(xué)生盡早且盡可能地失敗，這是為了通過(guò)失敗暴露出他們?cè)O(shè)計(jì)方案的缺陷。這些缺陷可以讓學(xué)生意識(shí)到要設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)秀的灌溉系統(tǒng)的核心所在，區(qū)分自己已有知識(shí)與解決這一問(wèn)題的目標(biāo)概念的核心特征的差異，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)二階段同樣有這個(gè)環(huán)節(jié)。多次提出方案，多次失敗，多次從失敗中改進(jìn)迭代，使得學(xué)生有效地關(guān)注到目標(biāo)概念核心特征，并認(rèn)識(shí)到自己還存在的差距，發(fā)現(xiàn)知識(shí)與認(rèn)知缺口。

兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都為學(xué)生提供了解釋闡述的機(jī)會(huì)，同時(shí)教師的延遲教學(xué)支架在此介入，幫助他們對(duì)目標(biāo)概念的核心特征進(jìn)行解釋和闡述。在總結(jié)匯報(bào)中，學(xué)生明確了自己的設(shè)計(jì)存在的缺陷，也通過(guò)教師提供的解釋明白了彌補(bǔ)這些缺陷的東西（目標(biāo)概念核心特征）是怎么樣的，將學(xué)到的這些新內(nèi)容整合到自己的已有知識(shí)結(jié)構(gòu)中。通過(guò)這樣有效失敗指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握的不是死板的可能在短期就會(huì)被遺忘的“死”知識(shí)，而是嵌入在情境中且刻印在頭腦中的“活”知識(shí)、“活”能力。這樣，在未來(lái)面對(duì)相似的情境時(shí)，學(xué)生依然能靈活地解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)真正有效的學(xué)習(xí)，提升問(wèn)題解決能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

結(jié)語(yǔ)

科學(xué)教育需打破知識(shí)本位觀念，科學(xué)活動(dòng)重點(diǎn)不是讓學(xué)生學(xué)到多少科學(xué)知識(shí)，而應(yīng)以科學(xué)思維能力、探究實(shí)踐能力、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)為重點(diǎn)。已有研究表明，讓學(xué)生經(jīng)歷有效的失敗對(duì)其概念理解、知識(shí)遷移及長(zhǎng)遠(yuǎn)學(xué)習(xí)效果上有顯著作用。[4]失敗不應(yīng)被視為負(fù)面的結(jié)果，更應(yīng)視失敗為學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)在教學(xué)活動(dòng)中加以利用。在本活動(dòng)中，學(xué)生會(huì)設(shè)計(jì)出失敗或者不那么完美的灌溉系統(tǒng)，教師可為他們創(chuàng)造一個(gè)開(kāi)放包容不懼失敗的氛圍，鼓勵(lì)他們從失敗中發(fā)現(xiàn)缺陷與不足，針對(duì)性地調(diào)試，迭代優(yōu)化自己設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從失敗中有效學(xué)習(xí)。

[基金：華東師范大學(xué)教育學(xué)部第九屆大學(xué)生科研基金，編號(hào)：ECNUFOE2024KY046]

（作者：華東師范大學(xué)教育學(xué)部碩士研究生）

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