Probleemoplossing voor instructie (PS-I): een protocol voor beoordeling en interventie bij studenten met verschillende vaardigheden

Een van de vragen waar docenten zich op dit moment het meest zorgen over maken, is hoe ze de reflectie van studenten kunnen stimuleren. Deze zorg komt vaak voor in vakken van wiskundige aard, zoals STEM-cursussen (Science, Technology, Engineering and Mathematics), waarin de abstractie van veel concepten een hoge mate van reflectie vereist, maar veel studenten melden dat ze deze cursussen puur via geheugengebaseerde methoden benaderen¹. Bovendien vertonen studenten vaak oppervlakkige kennis van de concepten^1,2,3. De moeilijkheden die studenten ervaren bij het toepassen van reflectie- en deep learning-processen zijn echter niet alleen cognitief. Veel studenten voelen angst en demotivatie geconfronteerd met deze cursussen^4,5. In feite hebben deze moeilijkheden de neiging om gedurende het hele onderwijs van studenten aan te houden⁶. Het is daarom belangrijk om educatieve strategieën te verkennen die studenten motiverend en cognitief voorbereiden op deep learning, ongeacht hun verschillende aanleg.

Het is vooral nuttig om strategieën te vinden die een aanvulling vormen op typische instructiebenaderingen. Een van de meest typische is directe instructie. Directe instructie betekent het volledig begeleiden van studenten vanaf de introductie van nieuwe concepten met expliciete informatie over deze concepten, en daarna met consolidatiestrategieën zoals probleemoplossende activiteiten, feedback, discussies of verdere uitleg^7,8. Directe instructie kan effectief zijn voor het eenvoudig verzenden van inhoud^8,9,10. Studenten denken echter vaak niet na over belangrijke aspecten, zoals hoe de inhoud zich verhoudt tot hun persoonlijke kennis, of mogelijke procedures die kunnen werken en niet¹¹. Het is daarom belangrijk om complementaire strategieën in te voeren om studenten kritisch te laten denken.

Een van die strategie is de benadering “Probleemoplossing vóór instructie” (PS-I)¹², ook wel de invention-benadering¹¹ of de productive failure-benadering^{genoemd 13}. PS-I is anders dan directe instructie in die zin dat studenten niet direct kennis maken met de concepten, in plaats daarvan is er een probleemoplossende fase voorafgaand aan de typische directe instructieactiviteiten waarin studenten individuele oplossingen voor problemen zoeken voordat ze uitleg krijgen over procedures om ze op te lossen.

In dit eerste probleem wordt van studenten niet verwacht dat ze de doelconcepten volledig ontdekken¹³. Studenten kunnen ook cognitieve overbelasting^14,15,16 en zelfs negatief beïnvloeden¹⁷ met de onzekerheid en de vele aspecten om te overwegen. Deze ervaring kan echter op de lange termijn productief zijn omdat het kritisch nadenken over belangrijke functies kan vergemakkelijken. In het bijzonder kan het initiële probleem studenten helpen zich meer bewust te worden van de lacunes in hun kennis¹⁸, voorkennis met betrekking tot de inhoud te activeren om¹³te behandelen en de motivatie te vergroten vanwege de mogelijkheid om hun leren te baseren op persoonlijke kennis^7,17,19.

Wat leren betreft , worden de effecten van PS-I over het algemeen gezien wanneer de resultaten worden geëvalueerd met deep learning-indicatoren^20,21. Over het algemeen zijn er geen verschillen gevonden tussen studenten die via PS-I hebben geleerd en studenten die hebben geleerd door middel van directe instructie in termen van procedurele kennis^20,22, wat verwijst naar het vermogen om aangeleerde procedures te reproduceren. Studenten die PS-I doorlopen, vertonen echter over het algemeen hoger onderwijs in conceptuele kennis^7,19,23, wat verwijst naar het begrijpen van de inhoud die wordt behandeld, en overdracht^7,15,19,24, wat verwijst naar het vermogen om dit begrip toe te passen op nieuwe situaties. Een recente studie in een klas over statistische variabiliteit toonde bijvoorbeeld aan dat studenten die de kans kregen om hun eigen oplossingen te bedenken om statistische variabiliteit te meten voordat ze uitleg kregen over de algemene concepten en procedures in dit onderwerp, aan het einde van de les een beter begrip kregen dan degenen die in staat waren om de relevante concepten en procedures rechtstreeks te bestuderen voordat ze betrokken raakten bij een probleemoplossende activiteit²³. Sommige studies hebben echter geen verschillen aangetoond in leren^16,25,26 of motivatie^19,26 tussen PS-I en directe instructiealternatieven, of zelfs beter leren in directe instructiealternatieven^14,26, en het is belangrijk om potentiële bronnen van variabiliteit te overwegen.

De ontwerpkenmerken die ten grondslag liggen aan de implementatie van PS-I zijn een belangrijk kenmerk²⁰. Uit een systematische review²⁰ bleek dat er meer kans was op een leervoordeel voor PS-I ten opzichte van directe instructiealternatieven wanneer de PS-I-interventies werden geïmplementeerd met ten minste één van de twee strategieën, ofwel het formuleren van het initiële probleem met contrasterende gevallen, ofwel het opbouwen van de daaropvolgende instructie met gedetailleerde feedback over de oplossingen van de studenten. Contrasterende gevallen bestaan uit vereenvoudigde voorbeelden die verschillen in een paar belangrijke kenmerken¹¹ (zie figuur 1 voor een voorbeeld), en kunnen studenten helpen relevante kenmerken te identificeren en hun eigen oplossingen te evalueren tijdens het oorspronkelijke probleem^11,20. De tweede strategie, die uitleg geeft die voortbouwt op de oplossingen van de studenten¹³, bestaat uit het uitleggen van het canonieke concept en het geven van feedback over de betaalbaarheden en beperkingen van oplossingen die door studenten worden gegenereerd, wat studenten ook kan helpen zich te concentreren op relevante functies en de hiaten in hun eigen kennis te evalueren²⁰, maar nadat de eerste probleemoplossende fase is voltooid (zie figuur 3 voor een voorbeeld van de steigers van de typische oplossingen van studenten).

Gezien de ondersteuning in de literatuur voor deze twee strategieën, contrasterende cases en het bouwen van instructie over de oplossingen van studenten, is het belangrijk om hiermee rekening te houden bij het bevorderen van de opname van PS-I in de echte onderwijspraktijk. Dit is het eerste doel van ons protocol. Het protocol bevat materialen voor een PS-I interventie waarin deze twee principes zijn opgenomen. Het is een protocol dat, hoewel aanpasbaar, contextueel is voor een les over statistische variabiliteit, een veel voorkomende les voor universiteits- en middelbare scholieren, die over het algemeen de doelpopulaties zijn in de literatuur over PS-I²⁹. De eerste probleemoplossende fase bestaat uit het uitvinden van variabiliteitsmaatregelen voor inkomensverdelingen in landen, een controversieel onderwerp³⁰ dat studenten in veel leergebieden bekend kan zijn. Vervolgens worden materialen verstrekt voor studenten om oplossingen voor dit probleem te bestuderen in een uitgewerkt voorbeeld, en voor een college waarin de bespreking van gemeenschappelijke oplossingen van studenten en ingebedde praktijkproblemen is opgenomen.

Het tweede doel van ons protocol is om de experimentele evaluatie van PS-I toegankelijk te maken voor opvoeders en onderzoekers, wat het onderzoek van PS-I vanuit een grotere verscheidenheid aan perspectieven kan vergemakkelijken met behoud van enkele omstandigheden constant in de literatuur. Toch zijn de voorwaarden van deze experimentele evaluatie flexibel voor wijzigingen. De experimentele evaluatie die in het protocol wordt beschreven, kan in gewone lessen worden toegepast, aangezien studenten in één klas tegelijkertijd de materialen voor de PS-I-voorwaarde of de materialen voor een directe instructievoorwaarde kunnen krijgen (figuur 4). Deze directe instructievoorwaarde is ook aanpasbaar aan onderzoeks- en onderwijsbehoeften, maar zoals oorspronkelijk beschreven in het protocol beginnen studenten met het krijgen van de eerste uitleg over het doelconcept met het uitgewerkte voorbeeld, en consolideren deze kennis vervolgens met een praktijkprobleem (alleen gepresenteerd in deze voorwaarde om de tijd te compenseren die PS-I-studenten besteden aan het initiële probleem), en met het college²³. Mogelijke aanpassingen zijn onder meer beginnen met het college en vervolgens studenten de probleemoplossende activiteit laten doen, wat een typische controlevoorwaarde is voor het vergelijken van PS-I die vaak heeft geleid tot beter leren voor de PS-I-voorwaarde^7,13,19,26. Als alternatief kan de controlevoorwaarde worden teruggebracht tot de verkenning van een uitgewerkt voorbeeld gevolgd door de collegefase, die, hoewel een meer vereenvoudigde versie van directe instructiebenaderingen dan oorspronkelijk voorgesteld, vaker voorkomt in de literatuur en heeft geleid tot gevarieerde resultaten, waarbij sommige studies wijzen op beter leren in PS-I^15,24, en andere wijzen op beter leren van dit type directe instructievoorwaarde^14,26.

Ten slotte is een derde doel van het protocol om middelen te bieden voor het evalueren van hoe studenten met verschillende aanleg en cognitieve vaardigheden kunnen profiteren van PS-I¹⁵. De evaluatie van deze aanleg is vooral belangrijk als we kijken naar de negatieve aanleg die sommige studenten vaak hebben met STEM-cursussen, en het feit dat PS-I in sommige gevallen nog steeds negatieve reacties kan veroorzaken¹⁴. Er is echter weinig onderzoek naar gedaan.

Aan de ene kant, aangezien PS-I de associatie van leren met individuele ideeën vergemakkelijkt, in plaats van alleen formele kennis, kan PS-I worden verondersteld te kunnen helpen bij het motiveren van studenten van lage academische niveaus, degenen die lage competentiegevoelens hebben, of lage motivatie over het onderwerp^13,27. Een studie toonde aan dat studenten met een lage beheersingsoriëntatie, d.w.z. minder doelen met betrekking tot persoonlijk leren, meer baat hadden bij PS-I dan studenten met een hogere motivatie om te leren²⁷. Aan de andere kant kunnen studenten met andere profielen problemen ondervinden wanneer ze betrokken zijn bij PS-I. Meer in het bijzonder speelt metacognitie een belangrijke rol in PS-I³¹, en studenten met lage metacognitatievaardigheden hebben mogelijk geen baat bij PS-I vanwege moeilijkheden om zich bewust te zijn van hun kennislacunes of het onderscheiden van relevante inhoud¹⁵. Bovendien, aangezien de beginfase van PS-I is gebaseerd op de productie van individuele oplossingen, kunnen studenten met lage uiteenlopende vaardigheden, moeilijkheden die in een bepaalde situatie een verscheidenheid aan reacties genereren, minder baat hebben bij PS-I dan andere studenten. Het protocol biedt betrouwbare instrumenten om deze aanleg te beoordelen (tabel 1), hoewel andere kunnen worden overwogen.

Samengevat beoogt dit protocol een implementatie van een PS-I interventie die de geaccepteerde principes in de PS-I literatuur volgt toegankelijk te maken voor docenten en onderzoekers. Bovendien bieden de protocollen een experimentele evaluatie van deze interventie en vergemakkelijken ze de evaluatie van de cognitieve en motiverende aanleg van studenten. Het is een protocol dat geen toegang tot nieuwe technologieën of specifieke middelen vereist en dat kan worden gewijzigd op basis van onderzoeks- en onderwijsbehoeften.