基于有效失败理论的机械课程教学实践研究

曹素红　刘伟华

摘要：基于有效失败理论研究开发教具，深入剖析有效失败理论特点及其对促进深度学习、促进学生解决非良构问题的价值，提出基于有效失败理论机械课程的教学设计原则。实践表明，有效失败理论在机械课程教学中，能强化学生知识构建，对培养学生素质、培养其分析和解决问题能力及探究意识具有促进作用。

关键词： 有效失败理论；深度学习；机械课程；教学设计

中图分类号：G712    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2023）09-0079-06

《中国教育现代化2035》明确指出：“大力发展素质教育，促进德育、智育、体育、美育和劳动教育有机融合，全面提升学生意志品质、思维能力、创新精神等综合素质，提高身心健康发展水平，培育担当民族复兴大任的时代新人。”建设教育强国，注重学生德智体美劳全面发展，培养实现中华民族伟大复兴的高素质建设者，特别注重学生意志力和精神品质方面的成长要求。

新加坡研究学者马努·卡普尔提出“有效失败”理论，这一理论认为学生在学习过程中经历有效失败体验，在一定意义上会有利于其学习能力提升，并对其思维能力形成和解决问题能力提高产生积极的影响[1]。近年来，国内学者在总结教学经验基础上，也开始关注有效失败教学理念和模式的研究，结果证明了有效失败有助于改善教学质量，提升学生学习效果[2-3]。失败是成功之母，在中国传统文化观念中，失败者坚韧不拔，总结经验进而成功是积极进取人格品质的重要体现，失败包含着正面积极的推动意義。应该如何利用有效失败推动和促进学生学习，本文从理论出发，联系教学实际，深入研究高职机械课程中有效失败的教学原则及课程教学模式。

一、有效失败与深度学习

（一）有效失败理论

马努·卡普尔在2008 年第一次提出有效失败（Productive failure）的概念。他认为，学生学习过程中表现为失败结果是正常现象，学生在探究或解决问题的过程中经历失败，不意味着有效学习没有发生。相反，在经历失败挫折的过程中，学生会积极寻找问题的解决办法，主动思考并建构自己的知识[4]。有效失败给予学生更多更积极的锻炼机会，有利于学生加深对知识的理解，从而形成更好的知识构架。从长期来看，经历有效失败的学习后，学生的知识记忆更扎实，知识迁移能力和运用能力都得到了提高。从知识的交叉性及学生的认知规律等因素考虑，除个别学生表现差异外，学生在学习过程中遇到困扰而未能达到预期结果是显而易见的。未获得预期结果与获得成功具有同等价值。传统教学中，教师过早地给予学生正确的知识构建和方法指导，学生没有经历过独立思考的训练，虽然获得成功的喜悦感，但学习过程中的感受并不深刻。有效失败不是面向学生情感层面而言，而是关注其精神层面，即有效失败的体验对学生心理层面的刺激，能够切实激发学生的学习主动性，并提高其认知能力。

（二）有效失败符合建构主义学习观

周亮通过教学实际发现，在初中动画软件操作课程教学中，以往该课程教学采取教师演示、学生模仿的方式，学生根据教师指导逐步实施操作并完成作品。从学习过程和成果上看，学生具备“理解”“知道”“能用”等技能，教学目标得以实现，但进一步教学发现，当教师给予新任务，要求学生利用已学技能拓展练习时，部分学生难以达到技能迁移的能力[5] 。笔者在教学实践中也遇到过相似问题，学生能够模仿操作，但对操作方法的要点及错误操作有何结果的理解比较浅，从而导致无法触类旁通、举一反三。究其原因，从教师角度看，教师在教学中处于主导地位，没有深刻把握学生的认知规律，直接传递知识，学生机械地接受知识；从学生角度看，已取得成功的满足心理感受掩盖了处理问题的迫切心理，学生错失从有效失败中体验到的学习快乐，因此很难达到自己加工知识、自主构建知识系统的能力。

随着人们对学生素质全面培养的关注，现代教育理念逐渐突出学生在教与学关系中的主导性。建构主义学习观强调学生是主动的学习者，强调以学生为中心。学生必须在现有知识基础上，自己去发现和转换复杂的信息，教师通过多种方法促进学生完成知识构建，从而完成教学[6]。从建构主义学习观来看，学生基于已有的知识来检验新体验，获取新知，学习过程中势必会出现挫折和失败，有效失败理论突出学生学习中的主动性和主导地位，更符合以学生为中心的建构主义学习观。

（三）有效失败促进非良构问题解决能力发展

按照问题组织程度，学习者需要解决的问题分为良构问题和非良构问题两大类型。良构问题是指具有明确的初始状态、目标状态和解决方法的问题，例如求两点间距离、求面积、计算角度或者复杂的物理问题等。良构问题定义完整、给定条件充分，解决方法思路较为清晰。相对而言，非良构问题是指没有明确初始状态、目标状态和解决方法的问题，也称为定义不完整的问题。例如利用软件制作漂亮的玫瑰花、撰写论文、修理自行车等。非良构问题不是指本身包含什么错误或不恰当，而是指它没有包含明确的结构或者解决途径[7]。非良构问题的特征如图1所示。由于问题条件不充分、解决方案多样化等因素，学生在解决非良构问题时经历失败的可能性更大。然而，实践研究表明，非良构问题对提升学生思维能力、问题解决能力及塑造科学素养等具有不可替代的作用。马努·卡普尔研究发现，有效失败可以促进学生解决非良构问题时的能力。其研究方法如下：学生被随机分配来解决良构问题和非良构问题，在同样时间内，解决良构问题的学生小组相对顺利地完成任务，被分配解决非良构问题的学生小组则经历更多的挣扎和纠结，最后也解决了问题。接下来两个实验小组被分配以同样难度的新任务，前面解决非良构问题的学生小组显然具有更多的耐力、信心面对新的问题，在定义问题、逻辑思考、分析诊断方面，非良构问题解决小组的表现更加突出[8]。这一研究表明，有效失败不仅有助于学生更好地构建知识，还能锻炼其品质，从而能应对更多的新问题，因此，有效失败能够更好地促进学生的全面培养。

（四）有效失败激发深度学习发生

美国研究院（American Institutes for Research）组织实施的SDL项目（Study of Deeper Learning： Opportunities and Outcomes）对深度学习概念做出如下界定：深度学习指从学习结果角度出发，使学生获得适应21世纪工作和生活必备的能力，包括掌握核心学科知识、批判性思维和复杂问题解决、团队协作、有效沟通、学会学习、学习毅力六个维度的基本能力[9]。通过深度学习，学生可以获得高阶的问题解决能力，知识迁移能力及批判性思維更加突出。“机械工程基础”课程深度学习与浅层学习比较如表1所示。

在教学过程中，教师通过设计提供非良构问题，引导学生思考探究解决途径。学生在探究中需要将新旧知识进行关联，合作讨论，从不同角度理解、剖析和批判，这一思维锻炼过程促使学生从深层次挖掘问题本源，自主构建知识，形成高阶思维能力。因此，有效失败是激发学生进行深度学习的有效途径之一[10]。

二、基于有效失败理论的机械课程教学原则

（一）有效失败教学原则

马努·卡普尔对有效失败理论的教学设计模式进行深入研究后，提出教学设计的三个原则，即创设涉及复杂问题的情境、创设解释和详细阐述解决方案的环节、创设比较失败的解决方案与标准的解决方案的环节[11]。杜鸿羽等人总结计算机编程课程教学的教学实践，提出了基于有效失败理念的计算机编程课程三个原则：第一，设计具有挑战性强的开放性编程任务。编程任务挑战度高，意味着学习失败发生的可能性大[12] 。编程任务中刻意设计出导致学生失败的因素，学生先基于现有的先验知识和直觉猜测尝试编程，由于信息模糊，属于非良构问题，学生将面临编程结果的不确定性，教师根据学生探究结果进行总结，并在随后的巩固阶段分析学生的解决方案，引导其发现方案设计与执行中的问题所在。第二，采用协作探究促使编程方案迭代，促进深度学习。学生探究问题解决方案过程中，需经历探索、生成、整合、建构四个相互联系的环节，上述环节前后联系紧密，每个环节都对学生学习能力和学习基础提出要求，对于非良构问题，这些要求越显突出。教师未给定最佳的解决方案前，倡导学生互动学习，分享解决策略或设计方案，充分交流不同的设计想法，深化学生对自身方案的理解。这能够降低学生探究的难度，减少面对学习失败时的挫折感，促使学生以积极的心态面对学习任务。第三，采用结构化反思支持编程经验整合。反思过程可使学生将学习中的探究经验成果转化为可迁移的计算策略。深层次反思激发学生形成计算思维逻辑能力趋于缜密、系统。但其研究表明，学生以撰写报告为主要形式的反思过程难以深入理解其他小组的方案，教师需要为学生提供结构化的支持，才能促进后者深入的、批判的反思。

（二）面向知识应用的机械课程教学原则

“机械工程基础”作为高职院校机械、机电专业重要的基础课程之一，内容涵盖机构原理、机构设计、机械传动、装配工艺等机械工程技术方面的基础性知识，课程涵盖的知识点不仅需要学生熟识记忆，还需要学生能够正确运用相关知识分析实际生产中的问题及从事一般机械的设计。本课程学习的特点体现在知识的灵活应用上，表现为学生知识体系基础扎实，知识关联能力强，分析问题全面，提出解决方案时具有积极的思考意识。何种学习失败体验才能正向激励学生，成为有效失败呢[13]？“机械工程基础”课程的教学设计原则如下：

第一，预先设定学习失败的情境。从设计结果来看，机械设计方案通常具有非唯一性，从知识连贯来看，机械课程需要学习者在解决一个问题时将离散的、独立的知识和原理综合运用。教学设计时，教师应先分析问题本身，根据其内容、要求等预设不同的学习结果，促使学生学习中遇到难以解决的问题。例如本研究中，教师依据生产实际，设计加工出包含预设非良构问题的教具，如图2所示的搅拌机模型。教具中L1、L2、L3、L4对应尺寸规格不同的杆，如表2所示。在教学过程中，学生首先需要自行选择四根杆完成组装。学生所选择的杆的组合不同，组装后机构的动作也不完全一致。根据四杆机构原理，不同尺寸的杆的组合可以实现曲柄连杆机构、曲柄摇杆机构和双曲柄机构，有些组合组装后导致搅拌机的搅拌动作无法实现，正确解决方案未获得，学生进而激发继续探究学习的动力。

第二，有效失败的情境应可控[14]。建构主义学习理论认为教师应该为学生学习提供脚手架，在课程的开始阶段教师要给学生更多的框架，然后逐渐将责任交给学生，让学生自己进行活动。当学生无法完成任务时，教师的引导角色应能帮助使学生继续发现问题，因此，教具的设计应该保证失败最终可以解决。教具中各杆尺寸的设计不能是随意的，应该满足学生再次探究后可以找到正确机构设计方案。学生遇到失败，但教学仍可控。通过学生小组讨论，互相借鉴，经过教师点评，学生应能保持学习兴趣，继续探究问题解决方案。有效失败的目的是通过曲折的学习过程激发学生信心，而不是阻止教学进行。

第三，应通过强化训练巩固探究效果。当学生经历自我探究，获得正确的设计方案后，教师需要重新提出新的进阶性任务，例如提出另一装置要求，启发学生再次选择合适的杆进行组装。强化训练对有效失败的学习过程具有积极的推动意义：一方面，能使学生再次巩固刚刚完成的知识构建，加深知识运用能力，锻炼思考能力、解决问题能力及创新意识；另一方面，可以从正面激励学生，弱化失败的挫折感，增强学生信心。

第四，采用小组学习模式。学生独立学习可以锻炼自主性，但支持式合作和协作式互动很少出现。有效失败教学过程中，学生需要有效的学习策略，有动力探寻问题解决方法。由于“机械工程基础”课程中的非良构问题较复杂且包含超出学生现有知识和技能的内容，学生在没有获得结构性支撑或协助的情况下，合作能力无法训练，也不能很好地独立面对和解决非良构问题。因此，学生需要其他学习者的参与和协作，从互相协作中获得更多的学习成果。采用小组学习模式能够促进学生在有效失败学习中获得更好的学习结果。

第五，及时回顾总结学习过程。“机械工程基础”课程由于包含的知识点较多，课后需要学生对整个学习过程进行回顾，包括发现什么问题—分析失败原因—提出解决方法—包含哪些知识原理等学习过程的总结。倡导学生制作思维导图，形象化记忆，重点是失败原因和解决方案，从而达到深度学习的教学目的。

三、基于有效失败的“机械工程基础”课程教学设计

通常高职类“机械工程基础”课程为大一下学期或者大二上学期开设，64课时。本研究中采用线上线下混合教学方式，下面以“槽轮机构设计”为例，分析有效失败理论在“机械工程基础”课程中的具体应用方法。

（一）初步探究

由于课时有限，学生的尝试性实验无法全部在课上进行，将学生探究学习的一部分前置到课前预习阶段。在这一阶段，教师在学习平台上提供槽轮机构运动动画，学生小组讨论，利用身边现有的材料制作简易的槽轮机构，观察该机构运动是否顺利。由于采用的材料强度、材质、尺寸等不能满足结构要求，学生初步制作的简易槽轮机构的运动一般不够合理。通过这部分探究，教师可以引导学生去发现和分析自己组装的槽轮机构中的问题。初步探究阶段中学生遇到的问题，可以增加学生对槽轮机构组成和动作原理的直观感受，但尚未得出槽轮机构的设计方法和要点，课上再次探究时学生继续深入研究。

（二）再次探究

课上学习时，教师首先点评学生课前学习情况，引导学生阐述本组作品中存在的问题。教师利用自己设计的教具，按照小组分发槽轮机构零件，要求学生组装运动合理的槽轮机构。为引入有效失败情境，教具包中提供的零件数目冗余，尺寸规格不同，这种提供不同尺寸零件的目的即人为地、有意识地创设有效失败的情境，零件的规格不同，组合方式不同，会出现不同的装配结果。各小组选择零件不同，组装的机构也各有所异，这样就形成了组间讨论学习的机会。探究时，学生根据零件功能、零件结构等自行判断，选择认为合适的零件，然后进行组装。学生可能遇到的问题包括：槽轮槽尺寸与圆柱销尺寸不匹配、圆柱销不能顺利进入槽轮槽、圆柱销不能顺利滑出槽轮槽、槽轮锁止弧与外凸弧配合不好等。信息冗余，此问题属于非良构问题。学生需要反复尝试，找到合理的解决方法，替换零件，调整零件位置，最终完成动作协调的槽轮机构装置。教师随时观察学生探究进展，提供适时必要的引导，不过多过早指出错误，待学生有了一定的进展后，再启发学生自己发现和解决问题，修改并完善设计方案。采用学生小组合作方式，倡导共同操作、观察、分析，教师在学生合作学习中承担引导者角色。协作学习可以有效减小学生学习的难度，让学生更快发现问题、解决问题。

（三）整合与巩固

教师根据学生探究结果，引导学生展示成果，介绍本组遇到的問题和解决方法。教师根据学生阐述，评价学生学习过程，包括槽轮机构的组装效果及小组学习的表现，鼓励学生从失败中寻找解决方法的学习精神。同时，强化槽轮机构原理、机构设计方法和设计原则等理论知识，使学生对机构的感性认识上升到理性认识，加深理论知识的构建，促进深度学习。为进一步固化知识，结合课前预习阶段的视频学习，引导学生思考槽轮机构的应用。教师提供高进阶性的槽轮组装任务，说明适用场合及装置功能，要求各学生小组之间交换零件，完成新任务。学生在总结前述任务的基础上，能够比较明确地规避组装中的问题，思路更加清晰，零件选择更快更准确，机构组装更加合理。教师加以点评，激发学生学习主动性和积极性，提升学生问题解决能力、学习能力和学习意识。

（四）回顾与总结

课后学习阶段，通过网络学习任务，学生回顾课上小组学习过程，分析发现的问题，提出问题解决方法，绘图总结，再次固化知识。教师提出装置进一步设计要求，即如何固定槽轮机构，通过问题引导学生建立起部分与整体之间的关联关系，逐渐培养学生对机械设计整体思考的能力。通过课后任务，拓展课上学习，学生对知识的逻辑关系理解更清晰，能够从根源上反思问题，思维能力得以训练。

总之，从有效失败理论出发设计教学，激发学生学习动力，促进深度学习，提高学生问题解决能力，实现全面培养。对于高职机械课程，基于有效失败理论开展实施课程教学，对学生学习效果有极大的促进作用。

参考文献：

[1]Manu Kapur， Kinzer Charles K.， Productive Failure in CSCL Groups [J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning， 2009（1）： 21-46.

[2]何洁．利用有效失败促进初中生问题解决能力发展的研究——以信息技术课程为例[D]．济南：山东师范大学，2019.

[3][12]杜鸿羽，马志强，芦镜羽.利用有效失败促进计算思维发展的编程教学设计——一项基于设计的研究[J]．开放学习研究，2022（2）：27-36.

[4][8]张广萍．有效失败理论促进学生深度学习的教学设计与实践研究——以初中Mixly课程为例[D]．哈尔滨：哈尔滨师范大学，2021.

[5][11]周亮．基于有效失败理论的动画类课程教学活动设计与实践研究[D]．兰州：西北师范大学，2021.

[6][美]罗伯特·斯莱文．教育心理学[M]．北京：人民邮电出版社，2021：208-211.

[7]陈琦，刘儒德．当代教育心理学[M]．北京：北京师范大学出版社，2019：264-267.

[9]卜彩丽，冯晓晓，张宝辉.深度学习的概念、策略、效果及其启示——美国深度学习项目（SDL）的解读与分析[J]．远程教育杂志，2016（5）：75-82.

[10]刘登珲，洪敏.“有效性失败”：深度学习的支架 [J]．当代教育科学，2022（8）：32-38.

[13-14]刘徽，杨佳欣，徐玲玲，等.什么样的失败才是成功之母——有效失败视角下的STEM教学设计研究[J]．华东师范大学学报（教育科学版），2020（6）：43-69.

（责任编辑：刘东菊）

Research on Teaching Practice of Mechanical Courses

Based on the Effective Failure Theory

CAO Su-hong， LIU Wei-hua

（Beijing Information Technology College， Beijing 100015， China）

Abstract：Based on the effective failure theory， this paper deeply analyzes the characteristics of effective failure theory and its value in promoting deep learning and facilitating students to solve ill-structured problems， and proposes the teaching design principles of mechanical courses. The practice shows that the theory of effective failure can strengthen students' knowledge construction in the teaching of mechanical course， promote students' quality， ability to analyze and solve problems， and awareness of inquiry.

Key words： productive failure theory；deeper learning；mechanical courses；teaching  design

作者簡介：曹素红（1978—），女，硕士，北京信息职业技术学院副教授，研究方向为数字化建模及3D打印；刘伟华（1978—），男，硕士，北京信息职业技术学院讲师，研究方向为机械设计。