Et av spørsmålene som lærerne er mest opptatt av i dag, er hvordan man stimulerer elevenes refleksjon. Denne bekymringen er vanlig i kurs av matematisk karakter, for eksempel realfagskurs (vitenskap, teknologi, ingeniørfag og matematikk), der abstraksjon av mange konsepter krever en høy grad av refleksjon, men mange studenter rapporterer å nærme seg disse kursene rent gjennom minnebaserte metoder¹. I tillegg viser studentene ofte overfladisk læring av begrepene^1,2,3. Vanskelighetene som studentene opplever med å anvende refleksjons- og dyplæringsprosesser, er imidlertid ikke bare kognitive. Mange studenter føler angst og demotivasjon overfor disse kursene^4,5. Faktisk har disse vanskelighetene en tendens til å vedvare gjennom studentenes utdanninger⁶. Det er derfor viktig å utforske pedagogiske strategier som motiverende og kognitivt forbereder studentene på dyp læring, uavhengig av deres forskjellige predisposisjoner.

Det er spesielt nyttig å finne strategier som utfyller typiske instruksjonsmetoder. En av de mest typiske er direkte instruksjon. Direkte undervisning betyr å veilede studentene fullt ut fra innføringen av nye konsepter med eksplisitt informasjon om disse konseptene, og deretter følge det med konsolideringsstrategier som problemløsningsaktiviteter, tilbakemeldinger, diskusjoner eller ytterligere forklaringer^7,8. Direkte instruksjon kan være effektiv for enkel overføring av innhold^8,9,10. Studentene reflekterer imidlertid ofte ikke over viktige aspekter, for eksempel hvordan innholdet forholder seg til deres personlige kunnskap, eller potensielle prosedyrer som kan fungere og ikke¹¹. Det er derfor viktig å innføre komplementære strategier for å få studentene til å tenke kritisk.

En slik strategi er problemløsning før instruksjon (PS-I) tilnærming¹², også referert til som Oppfinnelse tilnærming¹¹ eller Produktiv feil tilnærming¹³. PS-I er forskjellig fra direkte undervisning i den forstand at studentene ikke blir direkte introdusert til konseptene, i stedet er det en problemløsningsfase før de typiske direkte instruksjonsaktivitetene der studentene søker individuelle løsninger på problemer før de får noen forklaring på prosedyrer for å løse dem.

I dette første problemet forventes det ikke at studentene fullt ut oppdager målkonseptene¹³. Studentene kan også føle kognitiv overbelastning^14,15,16 og til og med negativ innvirkning¹⁷ med usikkerheten og de mange aspektene å vurdere. Denne opplevelsen kan imidlertid være produktiv på lang sikt fordi den kan lette kritisk tenkning om viktige funksjoner. Spesielt kan det første problemet hjelpe elevene til å bli mer oppmerksomme på hullene i kunnskapen^{sin 18}, aktivere forkunnskaper relatert til innholdet for å dekke¹³, og øke motivasjonen på grunn av muligheten til å basere læringen på personlig kunnskap^7,17,19.

Når det gjelder læring, blir effekten av PS-I generelt sett når resultatene evalueres med dype læringsindikatorer^20,21. Generelt er det ikke funnet noen forskjeller mellom studenter som lærte gjennom PS-I og de som lærte gjennom direkte instruksjon når det gjelder prosedyrekunnskap^20,22, som refererer til evnen til å reprodusere lærde prosedyrer. Imidlertid viser studenter som går gjennom PS-I generelt høyere læring i konseptuell kunnskap^7,19,23, som refererer til å forstå innholdet som dekkes, og overføre^7,15,19,24, som refererer til kapasitet til å anvende denne forståelsen på nye situasjoner. For eksempel viste en nylig studie i en klasse om statistisk variasjon at studenter som fikk muligheten til å finne opp sine egne løsninger for å måle statistisk variasjon før de fikk forklaringer om de generelle konseptene og prosedyrene i dette emnet, demostrerte bedre forståelse på slutten av klassen enn de som var i stand til å studere de relevante konseptene og prosedyrene direkte før de ble involvert i noen problemløsningsaktivitet²³. Noen studier har imidlertid ikke vist noen forskjeller i læring^16,25,26 eller motivasjon^19,26 mellom PS-I og direkte instruksjonsalternativer, eller enda bedre læring i direkte instruksjonsalternativer^14,26, og det er viktig å vurdere potensielle kilder til variasjon.

Designfunksjonene som ligger til grunn for implementeringen av PS-I er en viktig funksjon²⁰. En systematisk oversikt²⁰ fant at det var mer sannsynlig at det var en læringsfordel for PS-I over direkte instruksjonsalternativer da PS-I-intervensjonene ble implementert med minst en av to strategier, enten formulerer det første problemet med kontrasterende tilfeller, eller bygger den påfølgende instruksjonen med detaljerte tilbakemeldinger om studentenes løsninger. Kontrasterende tilfeller består av forenklede eksempler som varierer i noen viktige egenskaper¹¹ (se figur 1 for eksempel), og kan hjelpe studentene med å identifisere relevante funksjoner og evaluere sine egne løsninger i løpet av det første problemet^11,20. Den andre strategien, som gir forklaringer som bygger på studentenes løsninger¹³, består i å forklare det kanoniske konseptet samtidig som de gir tilbakemeldinger om rådene og begrensningene til løsninger generert av studenter, som også kan hjelpe studentene med å fokusere på relevante funksjoner og evaluere hullene i egen kunnskap²⁰, men etter at den første problemløsningsfasen er fullført (se figur 3 for et eksempel på stillaset fra studentenes typiske løsninger).

Gitt støtten i litteraturen til disse to strategiene, kontrasterende saker og byggeundervisning om studentenes løsninger, er det viktig å vurdere dem når de fremmer inkludering av PS-I i reell pedagogisk praksis. Dette er det første målet i vår protokoll. Protokollen gir materialer for en PS-I-intervensjon som inneholder disse to prinsippene. Det er en protokoll som, selv om den er tilpasningsdyktig, kontekstualiseres for en leksjon om statistisk variasjon, en svært vanlig leksjon for universitets- og videregåendeelever, som generelt er målpopulasjonene i litteraturen om PS-I²⁹. Den første problemløsningsfasen består i å oppfinne variasjonstiltak for inntektsfordelinger i land, som er et kontroversielt tema³⁰ som kan være kjent for studenter på mange læringsområder. Deretter gis det materialer for studenter å studere løsninger på dette problemet i et arbeidseksempel, og for et foredrag som inkorporerer diskusjon av vanlige løsninger produsert av studenter sammen med innebygde praksisproblemer.

Det andre målet med protokollen vår er å gjøre den eksperimentelle evalueringen av PS-I tilgjengelig for lærere og forskere, noe som kan lette undersøkelsen av PS-I fra et større utvalg av perspektiver samtidig som noen forhold holdes konstante på tvers av litteraturen. Likevel er betingelsene for denne eksperimentelle evalueringen fleksible for modifikasjoner. Den eksperimentelle evalueringen som er beskrevet i protokollen, kan brukes i ordinære leksjoner, siden studenter i en enkelt klasse kan tildeles materialene for PS-I-tilstanden eller materialene for en direkte instruksjonsbetingelse samtidig (Figur 4). Denne direkte undervisningsbetingelsen er også tilpasningsdyktig til forsknings- og utdanningsbehov, men som opprinnelig beskrevet i protokollen starter studentene med å få de første forklaringene om målkonseptet med arbeidseksemplet, og deretter konsolidere denne kunnskapen med et praksisproblem (bare presentert i denne tilstanden for å kompensere for tiden PS-I-studenter bruker på det opprinnelige problemet), og med forelesningen²³. Potensielle tilpasninger inkluderer å starte med forelesningen og deretter ha studenter til å gjøre problemløsningsaktiviteten, som er en typisk kontrollbetingelse for å sammenligne PS-I som ofte har ført til bedre læring for PS-I-tilstanden^7,13,19,26. Alternativt kan kontrollbetingelsen reduseres til utforskning av et arbeidseksempel etterfulgt av forelesningsfasen, som, selv om en mer forenklet versjon av direkte instruksjonsmetoder enn opprinnelig foreslått, er mer vanlig i litteraturen og har ført til varierte resultater, med noen studier som indikerer bedre læring i PS-I^15,24, og andre som indikerer bedre læring fra denne typen direkte undervisningsbetingelse^14,26.

Til slutt er et tredje mål med protokollen å gi ressurser til å evaluere hvordan studenter med forskjellige predisposisjoner og kognitive evner kan dra nytte av PS-I¹⁵. Evalueringen av disse predisposisjonene er spesielt viktig hvis vi vurderer de negative predisposisjonene som noen studenter ofte har med realfagskurs, og det faktum at PS-I fortsatt kan produsere negative reaksjoner i noen tilfeller¹⁴. Det er imidlertid lite forskning på dette.

På den ene siden, siden PS-I letter foreningen av læring med individuelle ideer, i stedet for bare formell kunnskap, kan PS-jeg hypoteses som å kunne bidra til å motivere studenter fra lave akademiske nivåer, de som har lave følelser av kompetanse, eller lav motivasjon om emnet^13,27. En studie viste at studenter med lav mestringsorientering, det vil si færre mål knyttet til personlig læring, hadde mer nytte av PS-I enn de med høyere motivasjon til å lære²⁷. På den annen side kan studenter med andre profiler støte på vanskeligheter når de er involvert i PS-I. Mer spesifikt spiller metakognisjon en viktig rolle i PS-I³¹, og studenter med lave metakognisjonsferdigheter drar kanskje ikke nytte av PS-I på grunn av vanskeligheter med å være klar over kunnskapshullene eller kresne relevant innhold¹⁵. I tillegg, ettersom den første fasen av PS-I er basert på produksjon av individuelle løsninger, kan studenter med lave avvikende evner, vanskeligheter med å generere en rekke svar i en gitt situasjon, ha mindre nytte av PS-I enn andre studenter. Protokollen presenterer pålitelige instrumenter for å vurdere for disse predisposisjonene (tabell 1) selv om andre kan vurderes.

Oppsummert tar denne protokollen sikte på å gjøre en implementering av en PS-I-intervensjon som følger aksepterte prinsipper i PS-I-litteraturen tilgjengelig for lærere og forskere. I tillegg gir protokollene en eksperimentell evaluering av denne intervensjonen, og legger til rette for evaluering av studentenes kognitive og motiverende predisposisjoner. Det er en protokoll som ikke krever tilgang til ny teknologi eller spesifikke ressurser, og en som kan endres basert på forskning og pedagogiske behov.