Et af de spørgsmål, som lærerne er mest bekymrede over i øjeblikket, er, hvordan man stimulerer elevernes refleksion. Denne bekymring er almindelig i kurser af matematisk karakter, såsom STEM-kurser (videnskab, teknologi, teknik og matematik), hvor abstraktionen af mange begreber kræver en høj grad af refleksion, men mange studerende rapporterer, at de nærmer sig disse kurser udelukkende gennem hukommelsesbaserede metoder¹. Derudover viser eleverne ofte overfladisk læring af begreberne^1,2,3. De vanskeligheder, som eleverne oplever at anvende refleksion og dybe læringsprocesser, er imidlertid ikke kun kognitive. Mange studerende føler angst og demotivation konfronteret med disse kurser^4,5. Faktisk har disse vanskeligheder en tendens til at vare ved under de studerendes uddannelser⁶. Det er derfor vigtigt at udforske uddannelsesstrategier, der motiverende og kognitivt forbereder eleverne til dyb læring, uanset deres forskellige dispositioner.

Det er især nyttigt at finde strategier, der supplerer typiske instruktions tilgange. En af de mest typiske er direkte instruktion. Direkte instruktion betyder fuldt ud at vejlede eleverne fra indførelsen af nye koncepter med eksplicit information om disse begreber og derefter følge det med konsolideringsstrategier som problemløsningsaktiviteter, feedback, diskussioner eller yderligere forklaringer^7,8. Direkte instruktion kan være effektiv til nem overførsel af indhold^8,9,10. Men de studerende ofte ikke reflektere over vigtige aspekter, såsom hvordan indholdet relaterer til deres personlige viden, eller potentielle procedurer, der kunne arbejde og ikke¹¹. Det er derfor vigtigt at indføre komplementære strategier for at få eleverne til at tænke kritisk.

En sådan strategi er problemløsning før instruktion (PS-I) tilgang¹², også kaldet Opfindelse tilgang¹¹ eller Productive Failure tilgang¹³. PS-I er anderledes end direkte undervisning i den forstand, at eleverne ikke er direkte introduceret til begreberne, i stedet er der en problemløsningsfase forud for de typiske direkte undervisningsaktiviteter, hvor eleverne søger individuelle løsninger på problemer, før de får nogen forklaring på procedurer for at løse dem.

I dette indledende problem forventes eleverne ikke fuldt ud at opdage målkoncepterne¹³. Studerende kan også føle kognitiv overbelastning^14,15,16 og endda negativ indflydelse¹⁷ med usikkerheden og de mange aspekter at overveje. Denne oplevelse kan dog være produktiv på lang sigt, fordi den kan lette kritisk tænkning om vigtige funktioner. Specifikt kan det oprindelige problem hjælpe eleverne med at blive mere opmærksomme på hullerne i deres viden¹⁸, aktivere forudgående viden relateret til indholdet til at dække¹³og øge motivationen på grund af muligheden for at basere deres læring på personlig viden^7,17,19.

Med hensyn til læring ses virkningerne af PS-I generelt, når resultaterne evalueres med deep learning-indikatorer^20,21. Generelt er der ikke fundet nogen forskelle mellem studerende, der lærte gennem PS-I, og dem, der lærte gennem direkte instruktion med hensyn til proceduremæssig viden^20,22, som henviser til evnen til at reproducere lærde procedurer. Men studerende, der går gennem PS-I generelt udviser højere læring i konceptuel viden^7,19,23, som henviser til at forstå det dækkede indhold, og overførsel^7,15,19,24, som henviser til kapacitet til at anvende denne forståelse til nye situationer. For eksempel viste en nylig undersøgelse i en klasse om statistisk variation, at studerende, der fik mulighed for at opfinde deres egne løsninger til måling af statistisk variation, før de modtog forklaringer om de generelle begreber og procedurer i dette emne, demostrated bedre forståelse i slutningen af klassen end dem, der var i stand til direkte at studere de relevante begreber og procedurer, før de blev involveret i nogen problemløsningsaktivitet²³. Nogle undersøgelser har dog ikke vist nogen forskelle i læring^16,25,26 eller motivation^19,26 mellem PS-I og direkte instruktionsalternativer eller endnu bedre læring i direkte instruktionsalternativer^14,26, og det er vigtigt at overveje potentielle kilder til variation.

De designfunktioner, der ligger til grund for implementeringen af PS-I, er en vigtig funktion²⁰. En systematisk gennemgang²⁰ viste, at der var større sandsynlighed for at være en læringsfordel for PS-I frem for direkte instruktionsalternativer, når PS-I-interventionerne blev implementeret med mindst en af to strategier, enten ved at formulere det oprindelige problem med kontrasterende sager eller opbygge den efterfølgende instruktion med detaljeret feedback om de studerendes løsninger. Kontrasterende tilfælde består af forenklede eksempler, der adskiller sig i nogle få vigtige karakteristika¹¹ (se figur 1 for eksempel), og kan hjælpe eleverne med at identificere relevante funktioner og evaluere deres egne løsninger under det oprindelige problem^11,20. Den anden strategi, der giver forklaringer, der bygger på de studerendes løsninger¹³, består i at forklare det kanoniske koncept og samtidig give feedback om de råd og begrænsninger af løsninger, der genereres af studerende, hvilket også kan hjælpe eleverne med at fokusere på relevante funktioner og evaluere hullerne i deres egen viden²⁰, men efter den indledende problemløsningsfase er afsluttet (se figur 3 for et eksempel på stilladserne fra elevernes typiske løsninger).

I betragtning af den støtte i litteraturen for disse to strategier, kontrasterende sager og byggeundervisning på de studerendes løsninger, er det vigtigt at overveje dem, når fremme inddragelsen af PS-I i reel pædagogisk praksis. Dette er det første mål i vores protokol. Protokollen indeholder materialer til en PS-I intervention, der inkorporerer disse to principper. Det er en protokol, der, mens den kan tilpasses, kontekstualiseres til en lektion om statistisk variation, en meget almindelig lektion for universitets- og gymnasieelever, der generelt er målgrupperne i litteraturen på PS-I²⁹. Den indledende problemløsningsfase består i at opfinde variabilitetsforanstaltninger for indkomstfordelinger i lande, som er et kontroversielt emne^30, der kan være velkendt for studerende inden for mange læringsområder. Derefter leveres materialer til studerende til at studere løsninger på dette problem i et arbejdede eksempel og til et foredrag, der inkorporerer diskussion af almindelige løsninger produceret af studerende sammen med indlejrede praksisproblemer.

Det andet mål med vores protokol er at gøre den eksperimentelle evaluering af PS-I tilgængelig for undervisere og forskere, hvilket kan lette undersøgelsen af PS-I fra en større vifte af perspektiver og samtidig opretholde nogle betingelser konstant på tværs af litteraturen. Men betingelserne for denne eksperimentelle evaluering er fleksible til ændringer. Den eksperimentelle evaluering, der er beskrevet i protokollen, kan anvendes i almindelige lektioner, da studerende i en enkelt klasse kan tildeles materialerne til PS-I-betingelsen eller materialerne til en direkte instruktionstilstand på samme tid (Figur 4). Denne direkte instruktion betingelse er også tilpasningsdygtige til forskning og uddannelse behov, men som oprindeligt beskrevet i protokollen studerende starter med at få de første forklaringer om målet konceptet med det arbejdede eksempel, og derefter konsolidere denne viden med en praksis problem (kun præsenteret i denne tilstand for at kompensere for den tid PS-I studerende bruger på det oprindelige problem), og med^{foredraget 23}. Potentielle tilpasninger omfatter at starte med foredraget og derefter have eleverne til at gøre problemløsning aktivitet, som er en typisk kontrol betingelse for at sammenligne PS-I, der ofte har ført til bedre læring for PS-I betingelse^7,13,19,26. Alternativt kan kontroltilstanden reduceres til udforskning af et fungerende eksempel efterfulgt af forelæsningsfasen, som, selv om en mere forenklet version af direkte instruktionsmetoder end oprindeligt foreslået, er mere almindelig i litteraturen og har ført til varierede resultater, hvor nogle undersøgelser indikerer bedre læring i PS-I^15,24, og andre angiver bedre læring fra denne type direkte instruktionstilstand^14,26.

Endelig er et tredje mål med protokollen at give ressourcer til evaluering af, hvordan studerende med forskellige dispositioner og kognitive evner kan drage fordel af PS-I¹⁵. Evalueringen af disse dispositioner er især vigtig, hvis vi overvejer de negative dispositioner, som nogle studerende ofte har med STEM-kurser, og det faktum, at PS-I stadig kan producere negative reaktioner i nogle tilfælde¹⁴. Der forskes imidlertid kun lidt i dette.

På den ene side, da PS-I letter foreningen af læring med individuelle ideer, snarere end blot formel viden, PS-I kan hypotese som værende i stand til at hjælpe med at motivere studerende fra lave akademiske niveauer, dem, der har lave følelser af kompetence, eller lav motivation om emnet^13,27. En undersøgelse viste, at studerende med lav beherskelse orientering, dvs færre mål i forbindelse med personlig læring, nydt mere fra PS-I end dem med højere motivation til at lære²⁷. På den anden side kan studerende med andre profiler støde på vanskeligheder, når de er involveret i PS-I. Mere specifikt spiller metakognition en vigtig rolle i PS-I³¹, og studerende med lave metakognitionsfærdigheder drager muligvis ikke fordel af PS-I på grund af vanskeligheder med at være opmærksom på deres videnshuller eller kræsne relevant indhold¹⁵. Da den indledende fase af PS-I er baseret på produktion af individuelle løsninger, kan studerende med lave divergerende evner, vanskeligheder, der genererer en række svar i en given situation, drage mindre fordel af PS-I end andre studerende. Protokollen indeholder pålidelige instrumenter til vurdering af disse dispositioner (tabel 1), selv om andre kan overvejes.

Sammenfattende har denne protokol til formål at gøre en implementering af en PS-I-intervention, der følger accepterede principper i PS-I-litteraturen, tilgængelig for undervisere og forskere. Derudover giver protokollerne en eksperimentel evaluering af denne intervention og letter evalueringen af elevernes kognitive og motiverende dispositioner. Det er en protokol, der ikke kræver adgang til nye teknologier eller specifikke ressourcer, og som kan ændres på grundlag af forsknings- og uddannelsesbehov.