有效失败教学视角的工程实践活动分析

基础科学教育活动选题总与社会和科学前沿关注、研究热点相联系，气候变化作为一个全球性问题受到广泛关注，多个国家或地区正因全球气候的持续变化受到缺水和干旱的影响。灌溉系统在农业生产等活动中发挥着重要作用，出色的灌溉系统能在满足生产生活需要的前提下提高水利用率，以尽可能地节省水资源。以工程迭代为核心的设计灌溉系统工程实践活动，可以帮助学生认识到水资源的重要性，增强其环保与服务社会的意识，让他们在动手操作和反复的工程调试中提升解决实际问题的工程实践能力。有效失败（Productive Failure）教学有助于培养学生从失败中学习的技能，能进一步增强其学习效果。

一、活动简介

活动案例来自美国加州创新科技博物馆为科技挑战赛（The Tech Challenge）所准备的工程设计科技实践活动课程。科技挑战赛是该博物馆科技互动的标志性项目，已举办37年，在美国影响力巨大，自项目诞生以来已影响数以万计的美国青少年，项目参与者的创造力、问题解决、团队合作以及从失败中学习等技能都得到增强。“设计一套灌溉系统”活动围绕“设计一个山坡花园灌溉系统，以最大限度地提高用水效率”这一核心驱动问题展开，面向3～5年级学生。学生将根据“甲方”不断变化的要求，反复修正和迭代优化自己的方案，并向他人分享和演示自己的方案，在对方案的讨论以及基于证据的阐述论证中完成一个能有效收集和分配水以保护水资源的山坡灌溉系统的工程设计。

二、有效失败的视角透视

有效失败教学是指，在真实但复杂劣构问题的导向下，学习者陷入有意设计的失败，教学者推迟支架介入，以使其在失败中挣扎探索，获得对目标概念的深层理解，从而发生长远有价值的深度学习。[1]有效失败分为生成和探索、知识的整合和组装两个阶段，具体体现为激活与区分先验知识、关注目标概念核心特征、解释阐述目标概念核心特征、整合目标概念核心特征四个相互依存的学习机制。[2]基于有效失败的视角，应考虑以下内容。

1.重视情境的真实性

有效失败教学通过真实的情境导入劣构的问题，将问题解决与真实世界融合，激发学生探究的动力，充分调动他们的已有知识，使他们在利用和分配水的过程中认识到科学技术对社会的巨大影响，培养他们的社会责任感，同时防止他们过于轻松地解决问题或者完全失去解决问题的信心，让他们在工程设计失败迭代的过程中学习。

2.营造不惧失败的包容氛围

接受失败、从失败中学习需要开放包容的环境氛围。[3]对于灌溉系统设计这个真实情境下的复杂问题，学生很难立马拿出一个完美的解决方案，更何况设计难度在逐步提高，他们在这个过程中势必会遭遇失败。教师应鼓励学生不要畏惧失败，通过失败发现已有方案的缺陷，关注到目标概念的核心特征，从而更好地从失败中吸取经验，针对性地优化方案，推动工程方案设计的迭代，发展他们解决实际问题的能力。

3.提供充分的展示论证机会

活动过程中学生将两度分享其解决方案，教师应关注他们做了什么以及为什么做，通过开放性问题引导他们反思并进一步探究。在论证过程中，教师引导学生完成对目标概念核心特征的解释与阐述，培养他们基于证据的科学论证思维、迭代修正的工程素养，让他们在解释论证的过程中完善灌溉系统的设计方案。

三、活动内容

1.材料准备与活动规划

活动包含露台花园试验台（每组一套）和灌溉系统耗材（全班使用）两套材料（如图1）。

每个团队都需要一个梯田山坡模型（以一定角度设置），下面有一个托盘或箱子来收集径流水。海绵或棉球起到模拟植物的作用，在挑战的第二部分，学生需仔细观察，在弄湿所有“植物”后停止倾倒以探究是否可以节约用水量。对于灌溉系统的耗材，教师提供的是大类材料，在实施过程中要鼓励学生从每个类别中查找材料，不要将自己局限于此，可以使用手头的任何东西，体现出创意。

活动立足真实情境，分为两个难度递增的设计挑战阶段（如图2）。

2.情境导入

情境：一家住房开发商刚刚联系了你的工程师团队，他们的新住房有一块梯田状的花园，请你为这片区域设计一套灌溉系统。你需要考虑如何在水量、材料预算有限的情况下设计这样一套系统，使花园的6个区域都能得到均匀的灌溉。

课程从利用学生对农业的理解及其不同气候和文化的差异开始。通过“你认为不同气候下的农业有何不同”“你见过人们用何种方式运输水”等问题，教师在正式开始之前激活学生对于活动主题有关的已有知识，了解他们对灌溉和输水系统的知识情况，把握学情。接下来告知学生，在本课程中他们将在特定的环境（山坡梯田）中研究耕作和灌溉，并分享世界各地的梯田文化，包括一系列的梯田农场照片，如水稻、茶叶、干旱土地。上述步骤先充分激活学生的已有知识，充分调动他们的兴趣和探究欲望，再提出真实情境中的驱动性问题，让他们带着问题开始后续的设计挑战。

3.设计挑战一阶段

设计挑战一阶段主要是设计一个能收集并有效分配水的山坡灌溉系统，分为4个部分。

情境化问题界定。教师作为“甲方代理人”向学生明确设计任务，即需要在预算和时间有限的情况下，设计一个为梯田6个区域的植物进行灌溉的系统，并尽可能地少使用水。

明确设计问题及对应标准和限制。学生将以2～4人的小组为单位，审查设计问题并考虑如何在满足标准和限制的情况下完成设计任务（如图3）。在进行第三步前，教师可选择性地开展头脑风暴环节，即组织学生先行分享讨论自己的设计想法，或让每个团队成员选择不同的材料，分享其材料的特性（刚性、吸水性等）以及如何在团队解决方案中使用该材料。这一步可以激发学生的想象力和创造力，促进他们对不同材料特性的认识，有助于后续更好地利用材料进行设计。

第一次原型构建与测试。学生以小组为单位开始第一次灌溉系统原型的设计，在设计和测试的同时，他们在学习记录单上填写每一次测试的情况（打湿了多少“植物”、还剩余多少水等），并在亲手设计建造的过程中自主探究和构建不同材料特性、灌溉技术的有关知识。教师在这个过程中帮助学生专注于过程，而不是设计的成功，如果他们的设计失败了，问问他们尝试了多少方法，分析哪些方法不起作用，以及接下来如何改进。通过这样的支持，教师帮助学生反思存在的问题并针对性改进，培养他们的工程迭代思维，提高他们的工程素养，让他们初步实现从失败中学习。

方案分享。在规定时间结束后，学生分享和演示各自团队设计的灌溉系统。在这个过程中，学生应基于测试得到的证据，阐述自己满足了“甲方”的哪些标准以及是如何满足的。例如，打湿了多少植物，还剩下多少水，使用了哪些材料，建造花了多少时间等。

设计挑战一阶段中，学生很难设计出非常完美的作品，或多或少会遭遇失败或者遇到困难，教师要多鼓励他们通过失败发现设计的缺陷，认识到存在的问题和差距以做出针对性改进。在进入设计挑战二阶段之前，为了激发学生的灵感，帮助他们改进方案，使他们学到更多有关农业技术和灌溉的知识，教师可以为他们提供一些内容支持，如本地农业技术以及地理和气候如何影响这些技术的视频等多媒体信息资料。

4.设计挑战二阶段

设计挑战二阶段主要是让学生考虑到干旱的影响、水资源紧缺，在尽可能节约水资源的情况下设计一个能收集并更有效分配水的山坡灌溉系统。

这一阶段的整体结构与前一阶段大致相同，但引入了干旱这一新问题情境，学生需要面对更新、更高的要求展开设计（如图4）。对比前一阶段，学生需要进一步节省用水量，并且时间限制更加严格。干旱这一新情境的引入也并非空穴来风，与真实世界的情况紧密联系，案例来自加州，加州农业面临气候变化导致干旱的严重威胁，且全球干旱缺水情况近年也在加重。这一新情境导致的挑战升级可以帮助学生获得有关气候的科学知识，认识到科学技术与社会的紧密联系以及对环境保护的重要作用。基于第一次的设计方案和从失败中发现的问题，学生优化改进，进行第二次灌溉系统原型设计。学生完成分享之后进行总结性汇报，教师引导他们对工程概念和学到的知识进行知识整合，并组织他们思考在现实生活中这个系统会面临什么挑战，未来还可能出现哪些挑战，以培养他们解决实际问题的能力并为未来做准备。

有效失败在活动的整个过程中发挥着重要作用。从情境导入提出问题开始，这个真实却劣构的故意带有“刁难”的问题可以有效地激活学生的已有知识，但他们难免会遭遇到不同程度的阻碍，导向失败。失败并不可怕，可怕的是白白经历了失败后却没有发生有效的学习。“灌溉系统设计”在设计挑战一阶段就让学生尽早且尽可能地失败，这是为了通过失败暴露出他们设计方案的缺陷。这些缺陷可以让学生意识到要设计出一个优秀的灌溉系统的核心所在，区分自己已有知识与解决这一问题的目标概念的核心特征的差异，设计挑战二阶段同样有这个环节。多次提出方案，多次失败，多次从失败中改进迭代，使得学生有效地关注到目标概念核心特征，并认识到自己还存在的差距，发现知识与认知缺口。

两个阶段的设计挑战都为学生提供了解释阐述的机会，同时教师的延迟教学支架在此介入，帮助他们对目标概念的核心特征进行解释和阐述。在总结汇报中，学生明确了自己的设计存在的缺陷，也通过教师提供的解释明白了弥补这些缺陷的东西（目标概念核心特征）是怎么样的，将学到的这些新内容整合到自己的已有知识结构中。通过这样有效失败指导下的学习，学生掌握的不是死板的可能在短期就会被遗忘的“死”知识，而是嵌入在情境中且刻印在头脑中的“活”知识、“活”能力。这样，在未来面对相似的情境时，学生依然能灵活地解决问题，实现真正有效的学习，提升问题解决能力，发展核心素养。

结语

科学教育需打破知识本位观念，科学活动重点不是让学生学到多少科学知识，而应以科学思维能力、探究实践能力、科学态度与社会责任的培养为重点。已有研究表明，让学生经历有效的失败对其概念理解、知识迁移及长远学习效果上有显著作用。[4]失败不应被视为负面的结果，更应视失败为学习的机会在教学活动中加以利用。在本活动中，学生会设计出失败或者不那么完美的灌溉系统，教师可为他们创造一个开放包容不惧失败的氛围，鼓励他们从失败中发现缺陷与不足，针对性地调试，迭代优化自己设计的灌溉系统，实现从失败中有效学习。

[基金：华东师范大学教育学部第九届大学生科研基金，编号：ECNUFOE2024KY046]

（作者：华东师范大学教育学部硕士研究生）

参考文献

[1]Kapur M. Productive failure in mathematical problem solving[J]. Instructional science，2010，38：523-550.

[2]Kapur M. Productive failure in learning the concept of variance[J]. Instructional Science，2012，40：651-672.

[3]Hod Y，Basil-Shachar J，Sagy O. The role of productive social failure in fostering creative collaboration： A grounded study exploring a classroom learning community[J]. Thinking Skills and Creativity，2018，30：145-159.

[4]曹鹭.有效失败与知识迁移：理论、机制与原则[J].开放教育研究，2021（03）.