指向核心素养的协作问题解决学习中学习支架的设计*——以“如何测量小车在不同斜面上的行驶速度”为例

李欣 顾佳宁

江南大学江苏“互联网+教育”研究基地 江苏无锡 214122

一、背景

核心素养是学习者在真实情境中灵活运用不同学科知识、技能和态度，有效满足情境需求并灵活地解决复杂问题的综合能力［1］。为了在教学过程中落实基于核心素养的育人目标，教师需要变革传统的基于知识本位的教学设计的行为惯性，转向为学习者设计具有启发性、高质量和趣味性的深度学习体验，助力学习者核心素养的培育与发展［2］。学习科学中的研究表明，协作问题解决学习不仅可以助力学习者建构优质的知识结构，还可以发展学习者的高阶思维技能。因此，它被认为是促进学习者核心素养的最佳学习方式［3］。

在协作问题解决学习中，学习者通常以现实世界的复杂问题为中心和起点，整合来自不同领域的知识和技能，通过团队的共同努力解决问题。然而，学习者受困于自身认知水平、学习能力和经验，在缺乏相应支持和引导的情况下难以成功地解决问题，这会影响学习者的学习动机效能［4］。因此，如何为学习者科学地提供有效指导和干预，促进学习者在协作问题解决学习中达成核心素养发展的学习目标是教师在设计协作问题解决学习时需要关注的重要内容。

在学习科学领域，研究者倡导教师可以在协作问题解决学习中整合学习支架（Scaffolding）这一有效学习干预手段，为学习者的学习提质增效。研究表明，学习支架不仅可以引导学习者系统把握协作问题解决学习的结构流程，还可以助力学习者高效协作完成协作问题解决学习的任务挑战，从而促进学习者的认知发展［5］。基于此，为了支持教师在协作问题解决学习设计中有效地整合学习支架，本文详细论述了学习科学研究领域学习支架的概念内涵及主要类别。在此基础上，呈现了整合学习支架的协作问题解决学习设计课例。最后，简要总结了学习支架设计的要点内容，以期为中小学教师设计指向核心素养的协作问题解决学习提供实践指导。

二、协作问题解决学习中的学习支架设计理论基础

（一）学习支架的概述

协作问题解决学习是耦合认知建构主义和社会建构主义学习理论对学习本质规律阐释的最佳学习方式，受到了越来越多的教育研究者和实践者的关注。协作问题解决学习是学习者在社会性情境中与同伴进行协作交互，在共同解决问题的过程中建构知识并促进自我认知发展的一种学习方式［6］。学习科学中大量研究表明，当把学习者放置在精心设计的基于协作问题解决的学习活动序列中时，学习者并不能自发地主动完成学习活动，从而取得预期的学习效果。因此，为了促进学习者在复杂学习环境中的高效学习，学习科学领域的研究者倡导教师将学习支架这一有效的教学干预手段整合到教学过程之中，以帮助学习者改善学习效果［7］。

支架概念最早出现于建筑领域，是指为了保证施工项目顺利进行而搭设的工作平台。伍德（Wood）等学者将这一概念引入到教育领域［8］，从而形成了“学习支架”这一重要的学术概念。学习支架概念与维果茨基的最近发展区理论紧密相关，是指为学习者的关键学习活动和环节提供精细化方法指导的干预手段和策略［9］。在协作问题解决学习中，学习支架能提高学习者自主学习效率，辅助和引导学习者自主解决问题、完成任务，以及实现超出其独立努力的目标。

（二）协作问题解决学习中的学习支架类型

随着教育技术的不断进步，学习支架概念得以丰富和发展，逐渐从早期关注教师或专家为学习者提供的指导延伸至各种帮助学习者学习的工具、策略。目前，学习支架可以视为集成来自专家、同伴、资源、技术和学习环境等层面帮助学习者有效解决问题并进行社会性交互的工具总称［10］。从支持学习者协作问题解决学习过程的角度看，学习支架主要可以分为宏观支架和微观支架两类。

1.协作问题解决学习中常见的宏观学习支架

宏观支架主要作用于协作问题解决学习过程，目的是规定和预设学习活动流程或者环节，帮助学习者顺利地完成协作问题解决的学习任务。常见的宏观支架主要包括学习任务单支架、“思考—比较—分享”支架和拼图支架等。

（1）学习任务单支架。这类支架是规划学习者学习内容、目标、方法和路径的表单合集，多以任务驱动、问题指引的形式帮助学习者有序完成协作问题解决学习任务［11］。在组成结构上，费舍尔（Fischer）和科拉尔（Kollar）等研究者将学习任务单分为四个有序的组成部分：目标、场景、活动和角色。其中，目标用以支撑学习者要做什么的认知，场景用于支撑学习者对于在什么情境下学习的认知，活动用以支撑学习者对于学习活动序列的认知，角色则用于支撑学习者对自身所扮演的角色属性以及与学习情境、活动的交互方式的认知［12］。

（2）“思考—比较—分享”支架。这类支架是促进同伴交流和社会知识建构的团队协作规则，为所有学生提供与其他学生分享想法的机会，确保了学习者在协作问题解决学习流程中的积极参与［13］。“思考—比较—分享”支架包含三个关键的协作活动：第一，教师需要基于学习内容提出高层次问题，并组织学生在给定的时间内与已有知识经验进行联系和独立思考；第二，教师需要将学生两两配对形成小组，组织他们与同伴分享、讨论自己的问题答案并向同伴提问；第三，教师需要将协作讨论扩大到全班范围，请小组学生在班级范围内分享他们的问题答案。

（3）拼图（jigsaw）支架。这类支架是一种鼓励集体学习特定内容和分享的协作问题解决学习策略，为学习者提供了一个积极帮助彼此建立理解的机会［14］。拼图策略固定了三个特定的学习步骤：第一，教师将复杂的学习主题分割成4—5 个子主题，分配给小组学生，每个学生分别学习其中一个子主题；第二，教师召集学习同一子主题材料的学生形成“专家组”，共同讨论和分享学习的相同学习内容；第三，当学习者成为某一子主题的“专家”后，学生回到原来的小组，小组中的每个人分享自己自主学习和在专家小组中获得的新发现，即将特定主题内容知识教授给小组的其他学习者。

2.协作问题解决学习中常见的微观学习支架

微观学习支架主要作用于协作问题解决学习中的某一具体的学习环节，引导和启发学习者完成特定的学习任务，为学习者提供学习方法、材料和工具支持。常见的微观学习支架主要包括样例支架、提示性问题支架、图示化支架等。

（1）样例支架。它是为学习者介绍专家在解决这一问题时的认知过程的实例，可以为学习者解决类似问题提供仿效性的指导［15］。样例支架通常包括问题情境、解决问题的具体步骤和原理，以及最终答案。样例支架帮助学习者在理解样例的过程中抽象出重要的信息，从而映射到解决类似问题的过程中。在样例支架设计过程中，教师需要具体化呈现解决某一问题的学习目标和步骤，并在具体的学习步骤呈现中为学习者提供明确的解释，引导学习者对问题解决过程形成深度认知。

（2）提示性问题支架。它是以首句提示或问题引导等方式向学习者提供暗示、建议和提醒的支架［16］。提示性问题支架通常以师生提问对话或同伴交互式提问对话的形式表现，以口语交际句型模块或情境样板的“提示卡片”为依托［17］。不同类型的提示性问题在引发学习者认知上具有不同的功能。其中，程序性提示问题能帮助学习者完成特定任务并习得认知策略，比如：“我从何处得到这些证据？”精细化提示问题能够帮助学习者总结想法并激发解释，比如：“为什么这是重要的？”反思性提示问题能够鼓励学习者反思以引发元认知，比如：“我们需要实现的目标是什么？”

（3）图示化支架。它是一种可视化、显性的表征学习者认知及社会性交互过程的学习支架，有助于学习者在协作问题解决学习中进行有序、有效的交流与互动［18］。图示化支架大致可以分为四类。其中，可视化知识的图示化支架侧重于可视化表征知识内容及知识结构。可视化思维过程的图示化支架侧重于可视化表征学习者的简单思维过程以及问题解决、科学探究或论证思维等复杂思维过程。可视化建模过程的图示化支架侧重于建立模型以模拟现实世界中的客观事实真相或事物不断发展的动态过程及其复杂关系。可视化协作交流的图示化支架侧重于借助支持学习者协作过程的技术工具干预学习者在协作交流过程中的观点共享及观点论证。

三、协作问题解决学习中整合学习支架的课例

为了帮助教师更好地掌握在协作问题解决学习中如何整合设计不同类型的学习支架，我们设计了以“如何测量小车在不同斜面上的行驶速度”为题的协作问题解决学习设计课例。

（一）基于大概念和课标、教材确定知识结构

通过研读课标和分析教材，针对小学四年级数学及科学课程内容，我们圈定了平均数、速度及摩擦力三个学科核心概念（表1），提炼出了“摩擦力会影响物体行驶的平均速度”这一大概念，确定了探究类的驱动性问题——如何测量小车在不同斜面上的行驶速度。我们希望学生在协作解决这一问题的过程中，在建构平均数的概念和计算方法、摩擦力测量、实验现象观察等基本数学和科学基础知识、关键概念、核心概念等的基础上建构大概念（图1）。

表1 课标和教材分析结果

图1 基于大概念的核心知识体系框架

（二）基于核心知识体系确定教学目标

在大概念和知识结构的基础上，我们设计了如表2 所示的协作问题解决学习课例的学习目标。

表2 基于大概念和知识结构的学习目标

（三）指向大概念的协作问题解决学习设计的课例

按照探究类协作问题解决学习活动序列设计的基本思路［19］，我们设计了包含五个核心学习活动的课例。该课例以小车在不同斜面上行驶为学习情境，以“小车在不同斜面上行驶的速度如何？”为驱动性问题，通过对驱动性问题的实验探究验证串联协作问题解决学习活动，以帮助学习者实现学习目标，建构相应的大概念，如图2 所示。

图2 学习活动序列及学习支架设计

1.学习活动一：学习基础知识，为探究学习做铺垫

首先，教师以日常生活中平衡木比赛的评委打分过程案例带领学生进入课堂学习，通过对平衡木比赛评分规则的讲解引入平均数这一知识点，如图3 所示。接着，教师以平衡木比赛案例为背景，讲解平均数的概念和计算方法，并带领学生完成巩固练习。随后，教师向班级学生解释平均数计算在科学探究中的现实意义，即在科学探究中，为了精准地测量某一事物的属性，科学研究者需要运用一定的工具，对事物属性特征进行多次测量，用求得的平均数这一统计量来表征该事物的属性。

图3 平衡木比赛案例

2.学习活动二：抛出探究问题，引导学生建立假设

为了帮助学生理解平均数在科学研究中的重要价值，教师带领学生完成了对小车在不同粗糙程度的斜面上行驶的现象进行的科学探究。首先，教师给学生展示同一初始速度的小车在粗糙度不同的毛巾面、棉布面、木板面的斜面上行驶的视频（图4），并提问：“小车在三种实验情境中行驶速度的大小关系如何？”随后，教师组织学生形成5 人一组的小组，引导各小组进行讨论，并将讨论结果填写在如图5所示的实验任务单的“假设猜想”部分。

图4 小车在不同的斜面上行驶

图5 实验任务单

3.学习活动三：设计探究方案，为收集数据做准备

为了帮助学生验证猜想，教师带领学生讨论思路，逐步形成实验方案。首先，教师引导学生回顾“速度=距离÷时间”知识点，让学生明白只有测量同一初始速度的小车在不同斜面上行驶的距离和时间，才能知晓小车的平均速度。接着，教师向学生展示实验器材（包括支架、毛巾、棉布、木板、小车、钢球、计时器、直尺、弹簧测力计、记号笔），并演示小车在毛巾面上行驶的实验。在计算出实验中小车行驶的平均速度后，教师抛出“通过一次实验，我们得到的小车平均速度准确吗？”这一问题。随后，教师组织学生进行小组讨论，引导学生认识到需要多次测量小车在同一斜面上行驶的速度，以多次测量求得平均值作为小车的行驶速度。最后，教师围绕实验任务单中“实验要求与规范”的内容，带领学生建构了验证猜想的实验方案。

4.学习活动四：实施探究方案，形成探究结论并解释

在实验实施的环节，教师带领学生明确实验任务，并在实验任务单的“小组分工”部分填写小组分工情况。随后，小组分工自主完成探究实验，填写实验任务单中“实验探究”的表格。即每个小组分别测量和记录三次小车在同一高度下滑后在不同斜面（如毛巾面、棉布面、木板面）上行驶的距离和时间，求得小车每次下滑的平均速度。在此基础上，通过平均数计算公式求得不同斜面上小车行驶的平均速度大小，填写实验结论。最后，教师组织学生比较和分析先前的猜想和求得的实验结果是否一致，作出相应的解释，并填写实验任务单“验证解释”部分的内容。

为了引导学生对实验结果进行科学解释，教师随后为每个小组提供了弹簧测力计测量斜面的摩擦力，引导小组学生对比分析不同斜面摩擦力与小车行驶速度的大小，然后判断影响小车行驶速度的原因。最后，教师带领学生形成结论——摩擦力会影响物体行驶速度。

5.学习活动五：班级分享讨论，反思探究过程与结果

探究实验完成后，教师对协作问题解决学习中所学的知识进行总结归纳，强调平均数是一个重要的统计量，以及摩擦力会影响物体运动等核心观点。此外，教师还对整个探究实验过程进行总结点评，带领学生反思科学探究的意义和要点，帮助学生形成科学探究意识和思维。

四、协作问题解决学习中的学习支架设计反思

协作问题解决学习对学习者学习能力提出了较高的要求，需要教师在学习设计过程中为学习者设置必要的学习支架。基于对学习支架设计理论基础和实践应用的反思，本研究认为协作问题解决学习设计中的学习支架设计应当关注以下要点。

（一）整合宏观学习支架引导学习者有序推进协作问题解决学习流程

在协作问题解决学习设计中，宏观学习支架可以作用于学习活动编排、学习内容统整和团队建构等核心环节，能确保小组学生能有序、有效地推进学习流程，达到降低认知负荷并助力学习者有效学习的目的。在课例中，教师为学习者提供了实验任务单支架，按照假设猜想、实验要求与规范、小组分工、实验探究、验证解释等探究过程中的核心环节，有序引导学习者推进协作问题解决学习过程。不仅清晰具体地说明了每个学习活动中应该做什么，以及实现什么样的目标，还能在这种步骤性牵引的过程中，帮助学习者建立探究意识和思维。此外，在团队分工方面，教师明确规定小组可能的角色，高效地组织小组进行分工。最后，将“思考—比较—分享”支架贯穿于小组讨论交流的关键环节，不仅有助于小组探索、优化问题解决方案，还能激发群体智慧，促进小组和班级学生共同进步。

（二）整合微观学习支架助力学习者高效完成协作问题解决学习流程中的核心环节

在协作问题解决学习设计中，微观学习支架可以为学习者在学习活动中某一重要学习环节提供有针对性的支撑，还可以为学习者在协作问题解决学习中应用知识和技能提供了工具和策略辅助。在课例中，在小组实验探究任务之前，教师演示小车在毛巾面上行驶实验，这一样例支架可以帮助学习者理解和掌握探究实验的流程步骤。另外，教师在实验假设、问题探讨等任务中，使用提示性问题支架促进学习者进行深度思考。此外，教师还为学习者提供实验材料和信息表格等支架，为学习者完成复杂的学习任务提供了工具支撑。

（三）协作问题解决学习中的学习支架设计应遵循适时、动态和及时拆除原则

在协作问题解决学习设计中，整合学习支架可以帮助学习者进行有效学习。然而，教师在设计学习支架时需要灵活考虑，适时调整，不能过度使用学习支架。第一，教师需要在提供时遵守适时性原则，充分考虑学习者可能遇到学习困难的时机与情境，在学习者需要时提供学习支架，而非为每一个学习任务都提供学习支架。第二，教师需要在学习者使用时遵守动态化原则，根据不同学习者的学习风格和认知水平等动态调整学习支架的表现形式。第三，教师需要在撤退时及时拆除学习支架，以巩固和增强学习者在跨学科项目式学习中认知和能力的独立发展。

总的来说，学习支架为教师开展协作问题解决学习提供了教学干预策略指导。学习支架形式多种多样，各自拥有特定的教育价值。因此，在教学设计层面，教师需要综合考虑教学内容性质、学生的认知发展特点、学习活动编排需求等内容，从众多类型的学习支架中进行恰当的挑选和设计，将其科学地整合到协作问题解决学习过程中，用以支持学习者的核心素养的发展。