问题式学习对学生问题解决能力的影响——基于国内外34项研究的元分析

王鹤瑾 曹 蕾 何明召

(西华师范大学 教育学院 ，四川南充637002)

一、问题提出

问题式学习是以培养学习者的自主学习能力和问题解决能力为主要目标的学习模式(Hmelo-Silver，2004；吴建军，2017)。解决问题的能力对人类生产生活方式起着至关重要的作用。安德森(Anderson，1993)指出，问题解决能力为我们提供了将知识转化为行为的机制，架起了认知和行为之间的桥梁。美国21世纪技能合作组织(Partnership For 21st Century Skills)也明确指出，培养解决问题的能力是教育的重要组成部分。

然而，问题式学习对学生解决问题能力的影响需要通过严谨的实验数据的统计分析，而非简单的主观判断(Savery，2015)。国内外学者对问题式学习与问题解决能力关系开展的实验研究得出了三种结论。第一种结论认为，问题式学习对学生问题解决能力有积极影响。瓦尔德斯等(Valdez et al.，2019)的实验分析发现，相比于传统教学模式，问题式学习对培养高中学生问题解决能力效果显著。第二种研究结果证实，问题式学习对问题解决能力无直接影响或仅有部分影响。沙欣(Sahin，2010)对124名大学生进行实验发现，问题式学习对学习态度、概念理解、个人兴趣等有显著作用，但对问题解决能力没有产生正向影响。第三种观点否定问题式学习对学生问题解决能力的作用。基尔(Kil，2014)以104名大学生为对象的研究结果显示，该模式对学生问题解决能力的负面影响覆盖其正面影响；鲁斯纳克(Rusnak，2007)的研究同样表明，问题式学习并未显著提升学生问题解决的信心和能力。

针对上述结论，本研究采用元分析方法对国内外相关文献进行系统量化分析。元分析是通过综合同一主题的多项实验或准实验研究计算其效应量并进行统计量化的研究方法(Lipsey et al.，2001)本研究对国内外34项实验或准实验研究进行元分析，尝试回答：

1)相比于传统教学方式，问题式学习对学生问题解决能力的影响是否显著？

2)在问题式学习中，教育水平、教学周期、教学学科、教学场域及评价工具等调节变量如何影响学生解决问题的能力？

二、研究设计

菲尔德等(Field et al.，2010)将元分析过程分为六个步骤：1)根据研究主题检索文献；2)确定纳入和排除标准筛选文献；3)计算每项研究的效应值；4)开展基本的元分析；5)开展调节变量分析；6)总结研究结果。本研究遵循上述步骤展开文献分析(见图1)。

图1 研究流程

(一)研究问题

(二)排除和纳入标准

文献排除标准如下：1)剔除重复发表的文献；2)剔除无对照组、基本数据不全的文献；3)剔除综述类或理论性文献；4)本文研究的是问题式学习对学生问题解决能力的影响，故剔除缺少报告问题解决能力指标的文献。

文献纳入标准如下：1)研究方法为实验或准实验的实证研究；2)实验对象为小学、初中、高中、大学、研究生阶段的在校生；3)研究数据应包括样本量、平均值、标准差等，以便计算单个效应量。

本研究最终获得有效文献34篇，其中国内文献12篇，国外文献22篇，文献时间跨度为2000年1月到2020年12月。

(三)计算效应值

效应值类型包括：1)标准化平均差；2)相关系数；3)优势比(Pigott，2012)。由于每项研究使用不同的量表获得最终结果，故将每项研究的效果量表标准化，本研究将标准化平均差用于效应值(d)，标准化平均差的效应值(d)可以通过以下公式求得(周榕等，2019)：

注：n1和n2分别代表试验组和控制组的样本量，X1 和 X2 分别代表试验组和控制组的平均值，s1 和 s2分别代表试验组和控制组的标准差。

(四)数据提取与编码

本研究提取了文献的多个特征值进行编码，包括文献作者、出版年份、实验人数、教育水平、教学周期、教学学科、教学场域、评价工具。两名研究人员对34篇文献独立编码，一致性系数为0.91，超过0.7的可靠性水平要求，表明本研究数据编码结果可靠。

教育水平编码包括小学(1—6年级)、初中(7—9年级)、高中(10—12年级)、大学及以上(专科、本科、研究生)。教学周期指实验开展的时间。根据实验开展的时长，教学周期编码记为0—2个月、2—4个月和4个月以上三类。根据文献涉及的学科，教学学科编码为数学、物理、化学、体育、教师教育、地理、机器人、scratch、多媒体技术。教学场域编码记为普通教室、实验室、室内外(普通教室+户外场所)。参照上海教育出版社出版的《教育大辞典》(顾明远，1998)，将评价工具编码为问卷法、自我诊断测验、教师自制的客观测试三种。

实践活动系列的校园文化艺术节主要通过艺术活动，挖掘学科和活动的美育功能，展示学生个人才艺。其中，表演类包括合唱比赛、校园歌手比赛、音乐会、各类汇报演出等。展览类包括绘画现场比赛、作业展、学生自选作品展、风景写生展、书法展、摄影作品比赛及展览、动漫设计和工艺作品比赛及展览、瓷版画设计比赛及展览，还有各类教育活动宣传画的创作比赛及展览等。

(五)分析框架与工具

为了探究问题式学习能否提高学生的问题解决能力，本研究将问题式学习设为自变量，学生问题解决能力设为因变量，教育水平、教学周期、学科、场域、评价工具设为调节变量，以Stata15.1为分析工具，利用漏斗图、Egger’s test、森林图、效应值、异质性检验等统计结果进行分析。

三、研究结果

(一)发表偏倚检验

发表偏倚指检索到的文献不能代表该领域的研究整体，这使研究很可能得出错误结论，影响其准确性和可靠性，所以有必要进行发表偏倚检验和分析(Rothstein et al.，2005)。本研究采用漏斗图结合Egger回归检测法检验发表偏倚。

漏斗图可以直观地对研究结果进行观察。若图上的点围绕合并效应值的轴对称散开，则表明存在发表偏倚的可能性较小，但漏斗图的缺点是比较主观，仅凭研究者的目测容易存在误差。Egger检测是对发表偏倚进行定量判断，即若p<0.05，则表明存在发表偏倚，反之为不存在。

由图2可知，漏斗图上的点均匀、对称地围绕合并效应值散开，且集中分布在中上部，初步判断不存在发表偏倚。同时Egger回归检测得出p=0.057>0.05，说明选取的文献存在发表偏倚的可能性极小，因此本研究的分析结果相对稳定、可靠。

图2 问题式学习对问题解决能力影响漏斗图注：se(SMD)为效应值的标准误差，SMD为效应值。

(二)整体效果检验

考察问题式学习对学生问题解决能力的整体效果，首先需要对其异质性进行检验，同质性研究合并分析时才能说明其合理性。异质性检验可通过Q值和I2统计量进行。本文采用I2统计量检验法进行异质性定量分析。希金斯等(Higgins et al.，2003)指出，I2值的高低划分标准为：I2统计值为25%、50%、75%，分别代表异质性的低、中、高程度。本文34项样本的异质性结果为I2=85.5%(见表一)，表明所选样本文献存在异质性。因此，本研究选用随机效应模型对效应指标进行合并汇总。随机效应模型将大样本的研究赋予较小的权重，小样本的研究赋予较大的权重，以消除部分异质性的影响。

问题式学习对学生问题解决能力的合并效应值为0.66(见表一)，其 95% 置信区间为 0.46—0.87，且p<0.05，表明研究达到了统计学显著水平。根据科恩( Cohen，1992)提出的效应值统计标准，效应值大小为0.2、0.5、0.8，分别表示影响效果的低、中、高程度，本研究的效应值介于0.5—0.8之间，说明问题式学习对学生问题解决能力的整体影响效果处中等偏上程度。

表一 问题式学习对问题解决能力的影响

(三)调节效应检验

从整体效应分析得出，问题式学习对学生问题解决能力有积极影响。为了进一步探究其对学生问题解决能力影响的关键因素，本研究通过教育水平、教学周期、学科、场域、评价工具等调节变量进行亚组分析。

1. 教育水平

不同教育水平的学生具有不同的认知特点。为了探究问题式学习对不同学段学生问题解决能力影响的差异，本研究将纳入的文献分为小学、初中、高中和大学及以上四组进行亚组分析，各组合并效应值结果见表二。其中，合并效应值小学为0.47，初中为0.84，高中为1.27，大学及以上为0.45，由此可以得出不同教育水平的合并效应值均为正值，说明问题式学习对不同学段的学生均有积极影响，高中阶段的影响最明显，小学和大学及以上的学习者影响稍弱。从表中组间效应检验结果看，p<0.001，达到统计显著水平，组间效应值Chi2=96.78，可知问题式学习对不同教育水平学生问题解决能力的影响效果存在显著差异，但问题式学习对学习者问题解决能力影响不呈线性关系，没有随着教育水平的升高而逐步提高或降低。

表二 问题式学习对不同教育水平学生问题解决能力的影响

2. 教学周期

本研究为考察问题式学习在不同教学周期的差异，探究了教学周期分别为0—2个月、2—4个月和4个月的合并效应值，各教学周期的合并效应值见表三。

表三 问题式学习对不同教学周期问题解决能力的影响

0—2个月的效应值为0.62，2—4个月为1.01，4个月及以上为0.59，由此得出各类教学周期的效应值均大于0，说明问题式学习在三类不同教学周期，对学生问题解决能力均有正向影响。其中，实验周期控制在2—4个月时影响效果最明显，0—2个月和4个月及以上的影响效果相对较弱。从表中组间效应检验结果看，p<0.001，达到统计显著水平，效应值Chi2=26.29，可知问题式学习在不同教学周期对学生问题解决能力的影响效果存在显著差异，但问题式学习对学习者问题解决能力的影响不呈线性关系，不随着教学周期的延长而逐步上升或降低。

3.学科

本研究还对不同学科应用问题式学习的效果进行了亚组分析(见表四)。从学科的效应值看，合并效应量都为正值，说明问题式学习对化学、体育、数学、机器人、护理、教师教育、物理、科学等学科均有促进作用。其中，数学(SMD=1.18)>护理(SMD=1.05)>化学(SMD=0.78)>体育(SMD=0.76)>物理(SMD=0.57)>科学(SMD=0.51)>机器人(SMD=0.48)>其他(SMD=0.42)>教师教育(SMD=0.28)，表明问题式学习对数学、理化、护理、体育类学科促进作用最明显，对教师教育、其他类学科影响相对较弱。从表中组间效应检验结果看，p<0.001，达到统计显著水平，效应值Chi2=75.64，可知问题式学习应用在不同学科对学生问题解决能力的影响存在显著差异，即问题式学习能在各学科提升学习者的问题解决能力，但提升效果存在差异。

表四 问题式学习对不同教学学科问题解决能力的影响

4. 教学场域

为了探究教学场域是否对培养学生问题解决能力存在差异，本研究将教学场域分为普通教室、实验室和室内外(普通教室+户外场所)三类，亚组分析结果见表五。由此看出,无论是普通教室还是实验室或者室内外，效应值均大于0，说明问题式学习在三种教学场域都对学生问题解决能力产生积极影响。其中，普通教室合并效应值为0.72，实验室为0.44，室内外为0.67，说明在普通教室实施问题式学习对学生问题解决能力的促进作用最大。从表中组间效应检验结果看，p<0.001，达到统计显著水平，效应值Chi2=36.47，说明问题式学习能在不同教学场域提升学习者的问题解决能力，但提升效果存在差异。

表五 问题式学习对不同教学场域问题解决能力的影响

5. 评价工具

《教育大辞典》(顾明远，1998)列举的常见教育评价工具有 ：1)传统的论文考试；2)改良的论文考试；3)标准化考试；4)教师自制的客观测验；5)问题情境测验；6)行动观察记录；7)自我诊断测验；8)问卷法；9)谈话法；10)创作、作品分析；11)实验报告、研究报告、作品及其他业绩分析；12)个案研究。本研究将样本文献按常见的教育评价工具进行类别编码分组，分为问卷法、自我诊断测验、教师自制的客观测试三组(见表六)。问卷法的效应值为0.91，自我诊断测验为0.38，教师自制客观测验为0.82，由此看出三类评价工具的合并效应量均为正值，表明无论选用何种教学评价工具对学生问题解决能力进行测量，问题式学习对问题解决能力都有正向作用，其中使用问卷法进行测量提升效果最好。从表中组间效应检验结果看，p<0.001，达到统计显著水平，效应值Chi2=57.36，可知用不同的评价工具对学生问题解决能力的测量结果存在显著差异，即问题式学习对学生问题解决能力的测量与评价工具无关，但不同测量工具得出的结果存在差异。

表六 问题式学习对不同教学场域问题解决能力的影响

四、结论及讨论

元分析的研究结果显示，问题式学习对学生问题解决能力有积极影响。为进一步探究影响因素，本研究列出五类调节变量进行亚组分析，包括教育水平、教学周期、教学学科、教学场域和评价工具。下文依据上述五类调节变量加以讨论。

从教育水平看，问题式学习对中学生问题解决能力的提升作用最明显，原因可能在于中学生具有一定的认知和自学能力。当新奇的教育活动与个人任务相关时，积极的学习环境会促使他们学习时采用更深层次的学习策略(Ferrari et al.，1998)。小学生年龄小，认知水平低，自主学习能力相对弱；大学生自主学习能力强，但他们不太容易接受学习环境中干扰信息的影响，尽管问题式学习会促使他们由表层学习转向深层学习，但任务过多也会使他们的学习只求通过考核，问题式学习往往流于形式，学习的自由度和个性发展也在一定程度上受到阻碍(于海琴等，2013)。

从教学周期看，学生解决问题能力不会随着问题式学习开展的持续时间而变化，这与阿基利斯等(Achilles et al.，1996)关于问题式学习的效果与教学周期呈非正向相关的研究结果一致。对比分析结果可得，教学周期控制在0—2个月或4个月及以上时，不如2—4个月的效果好，原因可能在于教学周期0—2个月时，教师和学生对问题式学习不熟悉或不适而感到焦虑，从而影响教学效果。诺曼等(Norman et al.，1992)也发现，学生从传统的课堂过渡到问题式学习环境的过程较长。当教学周期在4个月及以上时，较长的持续时间会使教师和学生在该过程中疲倦(Glew，2003)。因此，问题式学习的教学周期在2—4个月时可能更有效。

从教学学科看，问题式学习对数学、化学、物理类逻辑性较强以及护理、体育类重技能培训的学科具有较强的影响。问题式学习最早应用于医学，可结合临床病例和真实情景促进学生的思维和技能提升。当它被证明对医学教学有效后，人们尝试将其应用于其他教学领域(Barron et al.，1998)。体育和医学类学科特征类似，都强调在理论的支持下通过实践逐渐掌握技能和知识。数学、化学、物理等学科，强调学生的逻辑推理和知识迁移能力，采用问题式学习创设的真实情景利于学生产生准确的假设和连贯的推理(Hmelo-Silver et al.，2004)。因此，如需提升问题式学习在人文社科等学科的应用效果，研究者可以从应用情境的角度优化主题设计。

从教学场域看，在普通教室进行问题式教学更有利于培养学生的问题解决能力，同时普通教室的研究多采用讲座伴随分组讨论的教学形式。事实上，问题式学习被视为个体对现象和相关概念质的改变(Marton et al.，1976)，因此学习新事物时，了解与学习对象有关的概念至关重要。在讲座式课堂上，问题被用作讨论复杂现象和理论的起点，也是阐述和探索某一概念的触发点。这些问题将讨论的领域与其他领域联系起来，学生再利用获得的知识回答或发表意见，从而帮助他们积极应对问题(Fyrenius et al.，2005)。威特等 (Witte et al.，2014)指出，问题式学习模式比传统教学模式让学生对教学和课堂环境更满意，问题式学习模式应用在讲座式教学上更具启发性和趣味性。

从评价工具看，采用问卷法评估学生问题解决能力的提升效果最明显，同时问卷法易于量化和使用，但有研究指出，问卷法衡量教学效果的有效性和可靠性不足，它不能提供掌握学科知识的证据，也不能用于确定教学内容和教学目标的合理性(Ngware et al.，2005)。此外，元分析结果表明，采用自我诊断测验工具的提升效果相对较弱，罗斯(Ross，2006)也指出，学生回顾学习过程时可能会忘记自己到底做了什么或不能理解评估标准，同时缺乏将这些标准应用到学习过程的技能，从而使自我诊断评估缺乏可靠性。

五、思考与启示

从以上分析可以看出，问题式学习对学生问题解决能力产生正向影响的众多研究中存在相似的特点和条件，这也是未来设计与实施问题式学习过程值得注意和借鉴的。

(一)依据不同学段特征开展问题式学习

问题式学习尽管对学生问题解决能力具有正向影响，但并非对所有学段的学生都具有同样效果，在中学课堂实行问题式学习能激发他们的学习兴趣与探索欲望，且相比小学生和大学生，有更强的应变和接纳能力。对此，本研究建议应积极推进问题式学习在中学课堂的实施力度和范围，以丰富中学课堂的教学方式，促进学生问题解决能力的提升。此外，小学和大学应用问题式学习，可以考虑不同学段学生的性格、不同课程任务、不同认知水平等因素，在实践中分析效果不佳的原因，提升问题式学习在跨学段中的应用效果。

(二)优化问题式学习的应用情境

元分析结果表明，选择逻辑性或实践性较强的学科开展问题式学习能充分发挥学生分析和处理问题的能力。问题式学习不仅能提供真实的体验和感受，将学习与现实生活自然地融为一体，同时能使学习者成为学习情境的利益相关者，促进他们主动学习。贝希耶(Behiye，2009)指出，问题式学习包括三个主要特征：1)让学生成为问题情境的利益相关者；2)围绕问题组织教学，使学生能以相关方式开展学习；3)创设学习环境，让教师引导学生自主思考和探究，促进更深层次的学习。因此，本研究建议教师设计问题情境应架设起“学科知识”与“日常知识”间的桥梁，实现学科知识从模拟情境向真实情境、学校环境到社会环境的迁移；同时建议教学活动应有明确的目标，不仅支持学习者运用相关技能进行不同层次的思考，还能促进学习者主动学习和问题解决。

(三)融合虚拟技术，创新问题式学习的教学场域

本研究发现，在普通教学场域采用讲座式实施问题式学习效果最佳，但梳理文献发现，对于学习能力弱的学生来说，他们处理问题可能存在困难，同时如果时间延长会使学生对相关活动感到厌烦(Hung, 2011)。而随着信息技术的发展，越来越多的研究者在问题式学习中使用虚拟技术，通过减少学习者的认知负荷促进其对学科的理解，实现学科知识的具体化和实验的便利性，为学习者提供有效的学习环境并产生积极影响(Küçük et al.，2016 )。这也弥补和改善了传统教学环境的不足。因此，未来研究应通过探索传统讲座式与虚拟技术的融合创新问题式学习的教学场域。

(四)整合多角度评价方式和工具

本研究发现，使用不同评价工具测量均表明，问题式学习对学生问题解决能力有不同的提升作用，但现有研究缺乏准确性且评价方式和工具较为单一。问题解决能力的评价不仅是对目标达成和知识获取的简单评估，更是对发现问题、解决问题的过程性评价和知识获取、自我调节、协作学习等技能的总结性评价。布兰达(Brenda，1995)基于认知理论提出的问题解决能力评估的三个维度包括：特定领域的知识结构、元认知结构和动机结构，并围绕三个维度提出了基于学生的选择、执行和解释等数据的评估策略框架。其中，特定领域的知识结构包括原则、概念、程序；元认知结构包括规划、监测、自我效能感；动机结构包括感知任务难度、感知任务吸引力。而采集数据的方式除了常见的问卷法、教师自制的测试、自我诊断评价，还包括学习者的学习日记、实验笔记、会议记录、教师访谈、知识地图、行为记录等(Gallagher et al.，1995；Nowak et al.，1999)。因此，问题式学习广泛应用于教育实践，应加大多元化、多角度评价反馈体系的开发力度，提高问题式学习研究的深度，促进问题式学习的有效提升。