有效性失败在机械类专业学习中的应用

章娅菲，万志国，窦益华

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

0 引言

目前，中国处于高速发展阶段，中国对于人才的要求越来越高，以适应经济发展和社会进步。因此，教育要培养适合国家发展、社会进步的人才。过去，我们着重于对知识型人才的培养，现在，为了适应时代发展，人才培养从知识型向着高阶能力人才的转变。培养学生的综合能力、逻辑性思维能力、批判思维能力、动手能力及想象力等。当学生面对问题时，首先能用辩证的眼光看问题，其次能熟练地使用自己所学过的知识和技能来解决问题，逐步向深度学习方面迈进。教育培养模式的改变，才会给国家未来的发展提供所需要的人才。在传统的教育中，学生过度依赖师长，没有经历过失败，当然也没有得到失败带来的经验，这就会导致未来学生遇到失败挫折时，会在学习上停滞不前[1]。因此，学生在学习中也要体验有效失败，有效失败可以促进学生在深度学习上更进一步。

1 有效失败的理论研究

1.1 国外有效失败研究发展历程

有效失败概念在正式提出之前，国外的一些教育工作者就提出过相关的理论，即让学生在学习中不仅仅要享受成功带来的快乐，也要体验失败带给我们的经验与教训。

2008 年，马努·卡普尔[2]正式提出有效失败这一个概念并在教学中实施，证明了在教学环境中有效失败存在的合理性，需要辩证地看待成功与失败。2009年，卡普尔[3]将有效失败理论应用到计算机支持的协作学习环境中，通过随机分配，让学生自主解决学习中面临的失败与斗争，让结构良好问题的学生能够进行更细致深入的学习。2011 年，卡普尔[4]对一百多名学生进行教学实验研究。结果显示，受到有效失败教学的知识获得情况明显优于其余的两种方式，受到后两者教学后的学生并没有比较突出的差别。2012 年，卡普尔[5]设计出有效失败独有的教学模式，包括了四个步骤、三个原则及两个阶段。并在中学进行实验，同时与普通的教学方式来进行对比，丰富了有效失败理论的研究内容。

1.2 国内有效失败研究概况

有效失败理论在我国的研究开始于2014 年，杨玉琴[6]将productive Failure 译为启发性挫败，并开始将类似有效失败的理论运用到教学中。张中华等[7]也将其翻译成启发性挫败，同时也提出了相应的教学模式。2015 年，张澜等[8]将Productive Failure 翻译为有价值的失败，提出了设计方案和相应的教学策略，并将其应用在课堂教育中。2016 年，郭婧远[9]将Productive Failure 正式翻译为有效失败，提出学生想要深刻了解学习内容，就要在教学中注意失败的价值，要让其自行得出结果然后与标准对比，并总结吸收学习中的不足。王小玲等[10]在技能课程中的进行教学支架设计，丰富有效失败的研究。

近年来，STEM 教育模式逐渐兴起，而有效失败和STEM 教育模式的核心思想类似[11]。梁雨将[12]有效失败理论融合进STEM 教育中，分析有效失败理论对于STEM 教育模式的促进推动作用。李艺[13]同样对于在STEM 教学中对有效失败理论进行研究，结果表明有效失败能够显著提升大学生的相互协作能力，同时提升解决问题的能力。

2 “有效性失败”在学习中的重要性

2.1 追求“正确”难出良效

长期以来，我国的教育一直沿用先教后学的方法，老师将正确的思路、方法、答案逐条呈列，试图将知识、概念能有效地传递给学生，却发现并没有达到预期的效果。问题的标准解法提前给出公使得教学途径只能沿着单一的方向前进，把学生的思路禁锢在正确答案的条条框框内。教师将学生与正确答案不符这种情况认为是教学效果不佳的体现。正确文化在师生心中根深蒂固，教学者害怕完整的教学流程被错误打断或终止，学生担心失败给他人留下愚钝或不专心的印象，课堂笼罩在一团严肃的氛围之中。“正确文化”的本质是一种简单重复的、非反思性的、从结果到结果的效率主义[14]。对于学生来说，追求高卷面分数的教育体制很容易就教会他们如何得到正确答案。学生只知其然，而不知其所以然。传统授课更像是照本宣科，索然无味。

2.2 接受失败、拥抱“有效失败”

苏格拉底认为，失败是成长的机会，可以帮助我们变得更加智慧和强大。杜威提出了一种与之前所述的思维五步法类似的思考模式，他将失败与困难视为反思学习的重要契机。认知主义认为失败是唤起认知冲突与知识缺口的重要条件。无论是教或是学，失败更像是反馈学习机制的开动按钮。失败不但是一种学习条件，又是必不可少的学习资源，而且勇于直面失败并及时进行更深刻、更详细地探究更是一种难能可贵的品质。失败可以使任务更具挑战性，能让学生更专注地投入到所面临的问题当中；失败可以促进学生的内省认知，做到“吾日三省吾身”，重新构建知识体系，搭建知识框架；失败可以刺激多元交流，锻炼独立自主获取未知资源和技能的能力。

2.3 “有效性失败”促进深度学习

“有效性失败”诉求的是先学后教，经历失败寻求主动学习。“深度学习”强调自主探究、思维迭代，追求认知结构转变和思维方法转向，与有效性失败有内在一致性。学生依靠先前知识尝试解决问题、形成认知冲突发现知识空缺、指导教师通过方案比对突出重点、学生匹配具体内容注重目标概念深层特征、学生形成构建知识体系，进而实现深度学习。当学生用先前知识和经验生成的各种解决方案，仍不能解决问题时，便会引发反思，形成认知冲突。冲突暴露得越充分、越持久，经验和先前知识在思维层面表现得越活跃。学生在失败中学到的经验往往比成功更深刻，对学习的方法理解的也更加深刻，从而促进学生的深度学习。

3 “有效性失败”在机械类专业教学中的应用思路

随着有效性失败理论传入我国，高校教师开展针对于“有效性失败”的教学设计，由此，课堂上的教学情况发生了改变。传统教学是老师在上面负责讲解知识和技能，学生负责听讲，课后复习来进行消化吸收。学生没有经历深刻的思考，没有所谓的失败感，导致获得的知识并不牢固。翻转课堂是近几年来出现的一种新型教学模式。翻转课堂的教学模式要求以学生为中心，对优化课堂教学效果、提高学生学习能力有重要意义[15]。“翻转课堂”通过学生自行备课，自学相关的知识，在课堂中展示给其他人，最后由老师来负责查缺补漏，弥补知识上的不足。如在“计算方法”这门课程中，使用翻转课堂的教学方法，将学生分成小组，让每个小组选择自己感兴趣的一种算法，结合网络资源自行学习后，在课堂进行展示。在翻转展示、课堂交流和讨论过程中，教师可以了解学生对所学内容的掌握程度，发现学习内容理解上的偏差并及时修正。帮助学生弥补在自己探索中的不足，在失败的过程中学习，加深对所学内容的理解。

4 “有效性失败”在机械类专业教学中的设计

机械类专业作为传统工科专业，其课程具有复杂性以及高交叉性的特点，由于内容复杂且有一定难度，教学改革以提高教学效果很有必要，利用“有效性失败”的教学模式可促进深度学习，有助于学生对学习内容的理解。

在教学中失败分为两种：一种着眼于学生表现，即学生是否成功解决了问题；另一种注重失败的内容本身，即学生在解决问题期间是否生成了不正确或次优的表述或解决方案，有效失败则更关注后者[16]。将有效性失败理论与“计算方法”课程相结合，使学生们在求解过程中发现自己存在的问题。以计算方法中近似解求解为例，利用不同的方法求近似解的过程，会遇到与正确答案差异较大的问题，学生们会经历失败，激发学生寻求更加准确的计算方法。主动在失败中学习，从而更好地理解学习课程内容。

4.1 激活与专业课程相关的理论知识

在此阶段，老师适度地为学生提供较复杂、大跨度的问题。对于此类问题，学生需要将先前知识进行回顾、整合，并且用先前知识与经验来解决现有问题。学生会不断地尝试从多个角度去解释、梳理并试图解决。当最先得出的解决方案试行无果后，就会激发学生在已有知识体系中去寻找其他可能的方案。同时，多次的尝试与失败会暴露出各种错误与知识空缺，方便教师在后续的学习中更好的填补空白知识、纠正错误认知。

例如在“计算方法”这门课程“插值法”这一章的教学中，教师要求运用两种插值法公式来求解根号下115 的近似值，大多数学生想到了用“拉格朗日插值法”来完成第一种方法的求解，得到了10.723 的近似解。其中部分同学因对概念及公式理解不够准确，得到了一个错误答案。此时教师以讲解例题的形式进行辅导，最终大多数同学都能正确的使用第一种方法进行求解，从而对课程知识理解的更加深刻。对于第二种方法，由于暂未接触“牛顿插值多项式”这一章节的缘故，学生产生了疑问，许多同学提出了“梯形插值法”或“积分法”进行求解，先前知识的激活、熟练以及应用这一目标很好的达成。

4.2 认识到知识缺口

在第一阶段，学生的先前知识与经验被极大程度地激活，然而对于当前问题是却并不能很好的解决，这会产生一个心理落差，促使他们意识到自身的知识储备存在知识缺口。研究表明[17]，只有在学生意识自己的能力不足以解决当前问题时，学习才会自发地进行。

关于用第二种方法来求出的近似解中，许多同学利用“梯形插值法”或者“积分法”得到了次优解。然而“梯形插值法”是“拉格朗日两点插值法”的一种特例，同属于第一种方法，且计算精度不如“拉格朗日三点插值法”；“积分法”不符合题目中插值法的要求，且需要构建函数计算复杂。也有部分同学尝试用“牛顿插值法”解题，然而学生对于该方法基本概念理解不足，也没有认识到两种方法的区别，所以未能成功解答。此时学生意识到自身的知识储备不足，存在知识缺口。

4.3 关注目标概念的深层特征

此环节是有效失败学习的重点环节，学生经过前两阶段后已经关注到目标概念的核心特征，但此时的特征是碎片的、孤立的、不系统的。这一阶段老师要对学生进行更详细的直接指导，使得学生“既见树木又见森林”，学生对于目标概念形成完整的、深刻的、系统性的理解，抽象的概念得到了现实性转化。

通过对同一例题使用两种插值解法，学生认识到该方法的差异与局限性。在进入第三阶段后，教师具体阐述“牛顿插值多项式”的概念，引入“差商”的概念，帮助学生理清与“拉格朗日插值多项式”的不同。相比之下，牛顿插值多项式依赖于差商的概念，其基本思路是在逐渐增加数据点的同时，使用更高次数的插值多项式来近似求解函数。在此阶段，学生能够更深刻的理解该方法的基本概念并通过纠正自己的错误理解以及对老师所讲解知识的汲取，很快就用第二种方法解出近似解10.7228，而且学习效率和学习效果明显优于常规的教学方式。

4.4 学生形成知识体系

当学习者注意到目标概念的深层特征时，就必须根据深层特征加以组装，以期对目标概念达到逻辑清晰、条理分明的要求，从而建立有关对目标概念认识的整体框架。在此阶段，教师需要对目标概念核心内容和其他重要知识点进行完整、系统的直接讲解，给予学生更直接的正反馈，加深对目标概念的理解，完善学生知识体系的构建[18]。

在“牛顿插值多项式”的学习中，教师进行了最后一阶段的实施，将目标概念的核心概念、递推逻辑、计算公式更加直接系统的阐述，同时给予学生10 min的总结时间，并对部分仍存在疑问的同学进行一对一解答。在学生完成这一阶段的目标，形成了知识体系之后，教师安排了课堂测验，正确率较常规教学方式得到了明显提升。通过在计算方法案例的学习，证明“有效性失败”有助于学生“深度学习”，教学质量得到提高。

5 结语

应用“有效性失败”的教育方式对我国现阶段教育有很大的意义，想要较好地贯彻这一方针，“教”与“学”的双方都先要在观念上发生转变，接受失败，承认失败在深度学习中的有效性，接纳“有效性失败”这一观点，将失败看为一种学习资源。“有效性失败”通过4 个阶段的学习：（1）激发先前知识寻找解决办法；（2）由失败认识到知识缺口；（3）关注深层特征；（4）形成知识体系。学生在学习过程理解会更加深刻，学习效率也会提高。有效性失败可以帮助学生识别自己面临的问题，并找到解决问题的有效方法。学生可以避免陷入追求完美而过分强调成功的心理状态，从而更好地接受挑战并尝试新的方法。有效性失败也有助于学生探索自己的学习方法，发现有效的学习策略，从而提高学习效率和学习成果。此外，在教育环境中，教育者也应注意有效性失败的存在，通过对失败的分析和反思，改进和完善教学策略和方法，提高教学效果和质量。综上所述，将有效性失败视为学习和教学过程中正常的现象，可以帮助学生和教育者更好地理解学习和教育，创造积极的学习和教学氛围。