Problemlösning före undervisning (PS-I): Ett protokoll för bedömning och intervention hos studenter med olika förmågor

En av de frågor som lärarna är mest oroade över just nu är hur man kan stimulera elevernas reflektion. Detta problem är vanligt i kurser av matematisk karaktär, såsom STEM-kurser (vetenskap, teknik, teknik och matematik), där abstraktionen av många begrepp kräver en hög grad av reflektion, men många studenter rapporterar att de närmar sig dessa kurser enbart genom minnesbaserade metoder¹. Dessutom visar eleverna ofta ytligt lärande av begreppen^1,2,3. De svårigheter som eleverna upplever med att tillämpa reflektions- och djupinlärningsprocesser är dock inte bara kognitiva. Många studenter känner ångest och demotivation inför dessa kurser^4,5. Faktum är att dessa svårigheter tenderar att kvarstå under elevernas^{utbildningar 6}. Det är därför viktigt att utforska utbildningsstrategier som motiverande och kognitivt förbereder eleverna för djupinlärning, oavsett deras olika predispositioner.

Det är särskilt användbart att hitta strategier som kompletterar typiska instruktionsmetoder. En av de mest typiska är direkt instruktion. Direkt undervisning innebär att fullt ut vägleda eleverna från införandet av nya begrepp med uttrycklig information om dessa begrepp, sedan följa det med konsolideringsstrategier som problemlösningsaktiviteter, feedback, diskussioner eller ytterligare^{förklaringar 7,8}. Direkt instruktion kan vara effektiv för att enkelt överföra innehåll^8,9,10. Studenter reflekterar dock ofta inte över viktiga aspekter, till exempel hur innehållet relaterar till deras personliga kunskaper eller potentiella procedurer som kan fungera och inte¹¹. Det är därför viktigt att införa kompletterande strategier för att få eleverna att tänka kritiskt.

En sådan strategi är PS-I-metoden (Problem-Solving before Instruction)¹², även kallad Uppfinningsmetoden¹¹ eller metoden för produktivt misslyckande¹³. PS-I skiljer sig från direkt undervisning i den meningen att studenter inte introduceras direkt till begreppen, istället finns det en problemlösningsfas före de typiska direkta undervisningsaktiviteterna där eleverna söker individuella lösningar på problem innan de får någon förklaring om förfaranden för att lösa dem.

I det här inledande problemet förväntas eleverna inte helt upptäcka målkoncepten¹³. Studenter kan också känna kognitiv överbelastning^14,15,16 och till och med negativa^{påverkar 17} med osäkerheten och de många aspekterna att tänka på. Denna erfarenhet kan dock vara produktiv på lång sikt eftersom det kan underlätta kritiskt tänkande om viktiga funktioner. Specifikt kan det första problemet hjälpa eleverna att bli mer medvetna om luckorna i sina kunskaper^18,aktivera förkunskaper relaterade till innehållet för att^{täcka 13}, och öka motivationen på grund av möjligheten att basera sitt lärande på personlig kunskap^7,17,19.

När det gäller lärande ses effekterna av PS-I i allmänhet när resultaten utvärderas med djupinlärningsindikatorer^20,21. I allmänhet har inga skillnader hittats mellan studenter som lärde sig genom PS-I och de som lärde sig genom direkt undervisning när det gäller^{procedurkunskap 20,22}, som hänvisar till förmågan att reproducera lärda förfaranden. Men studenter som går igenom PS-I uppvisar i allmänhet högre lärande i^{begreppskunskap 7,19,23}, som hänvisar till att förstå innehållet som omfattas och överföra^7,15,19,24, som hänvisar till kapacitet att tillämpa denna förståelse på nya situationer. Till exempel visade en ny studie i en klass om statistisk variabilitet att studenter som fick möjlighet att uppfinna sina egna lösningar för att mäta statistisk variabilitet innan de fick förklaringar om de allmänna begreppen och förfarandena i detta ämne degraderade bättre förståelse i slutet av klassen än de som direkt kunde studera relevanta begrepp och förfaranden innan de engagerade sig i någon problemlösningsaktivitet²³. Vissa studier har dock inte visat några skillnader i^{lärande 16,25,26 eller}motivation^19,26 mellan PS-I och direkta instruktionsalternativ, eller ännu bättre lärande i direktinstruktionsalternativ^14,26, och det är viktigt att överväga potentiella variabilitetskällor.

Designfunktionerna som ligger till grund för implementeringen av PS-I är en viktig funktion²⁰. En systematisk granskning²⁰ fann att det var mer sannolikt att det fanns en inlärningsfördel för PS-I jämfört med direkta undervisningsalternativ när PS-I-interventionerna genomfördes med minst en av två strategier, antingen formulera det ursprungliga problemet med kontrasterande fall eller bygga den efterföljande undervisningen med detaljerad feedback om elevernas lösningar. Kontrasterande fall består av förenklade exempel som skiljer sig åt i några viktiga egenskaper¹¹ (se figur 1 till exempel) och kan hjälpa eleverna att identifiera relevanta funktioner och utvärdera sina egna lösningar under det ursprungliga problemet^11,20. Den andra strategin, som ger förklaringar som bygger på studenternas^{lösningar 13,}består i att förklara det kanoniska konceptet samtidigt som man ger feedback om överkomliga priser och begränsningar för lösningar som genereras av studenter, vilket också kan hjälpa eleverna att fokusera på relevanta funktioner och utvärdera luckorna i sina egna^{kunskaper 20}, men efter att den första problemlösningsfasen är klar (se figur 3 till exempel byggnadsställningar från elevernas typiska lösningar).

Med tanke på stödet i litteraturen för dessa två strategier, kontrasterande fall och byggnadsundervisning om elevernas lösningar är det viktigt att överväga dem när man främjar införandet av PS-I i verklig utbildningspraxis. Detta är det första målet i vårt protokoll. Protokollet innehåller material för ett PS-I-ingripande som innehåller dessa två principer. Det är ett protokoll som, även om det är anpassningsbart, är kontextualiserat för en lektion om statistisk variabilitet, en mycket vanlig lektion för universitets- och gymnasieelever, som i allmänhet är målgrupperna i litteraturen på PS-I²⁹. Den inledande problemlösningsfasen består i att uppfinna variabilitetsåtgärder för inkomstfördelningar i länder, vilket är ett kontroversiellt^{ämne 30} som kan vara bekant för studenter inom många inlärningsområden. Sedan tillhandahålls material för studenter att studera lösningar på detta problem i ett bearbetat exempel och för en föreläsning som innehåller diskussion om gemensamma lösningar som produceras av studenter tillsammans med inbäddade övningsproblem.

Det andra målet med vårt protokoll är att göra den experimentella utvärderingen av PS-I tillgänglig för lärare och forskare, vilket kan underlätta undersökningen av PS-I ur ett större antal perspektiv samtidigt som vissa villkor bibehålls konstanta i litteraturen. Ändå är villkoren för denna experimentella utvärdering flexibla för ändringar. Den experimentella utvärdering som beskrivs i protokollet kan tillämpas på vanliga lektioner, eftersom elever i en enda klass kan tilldelas materialet för PS-I-tillståndet eller materialet för ett direkt undervisningstillstånd samtidigt (figur 4). Detta direkta undervisningstillstånd är också anpassningsbart till forsknings- och utbildningsbehov, men som ursprungligen beskrevs i protokollet börjar eleverna med att få de första förklaringarna om målkonceptet med det arbetade exemplet och konsoliderar sedan denna kunskap med ett övningsproblem (presenteras endast i detta villkor för att kompensera för den tid PS-I-studenter spenderar på det ursprungliga problemet) och med^{föreläsningen 23}. Potentiella anpassningar inkluderar att börja med föreläsningen och sedan ha studenter att göra problemlösningsaktiviteten, vilket är ett typiskt kontrolltillstånd för att jämföra PS-I som ofta har lett till bättre lärande för PS-I-tillståndet^7,13,19,26. Alternativt kan kontrolltillståndet reduceras till utforskning av ett bearbetat exempel följt av föreläsningsfasen, som, även om en mer förenklad version av direkta undervisningsmetoder än ursprungligen föreslogs, är vanligare i litteraturen och har lett till olika resultat, med vissa studier som indikerar bättre lärande i PS-I^15,24, och andra som indikerar bättre lärande från denna typ av direkt instruktionstillstånd^14,26.

Slutligen är ett tredje mål med protokollet att tillhandahålla resurser för att utvärdera hur studenter med olika predispositioner och kognitiva förmågor kan dra nytta av PS-I¹⁵. Utvärderingen av dessa predispositioner är särskilt viktig om vi beaktar de negativa predispositioner som vissa studenter ofta har med STEM-kurser, och det faktum att PS-I fortfarande kan ge negativa reaktioner i vissa fall¹⁴. Det finns dock lite forskning om detta.

Å ena sidan, eftersom PS-I underlättar associeringen av lärande med individuella idéer, snarare än bara formell kunskap, kan PS-I hypotetiskt som att kunna hjälpa till att motivera studenter från låg akademisk nivå, de som har låga känslor av kompetens eller låg motivation om ämnet^13,27. En studie visade att studenter med låg masteriorientering, dvs färre mål relaterade till personligt lärande, gynnades mer av PS-I än de med högre motivation att lära^{sig 27}. Å andra sidan kan studenter med andra profiler stöta på svårigheter när de är involverade i PS-I. Mer specifikt spelar metakognition en viktig roll i PS-I³¹, och studenter med låg metakognitionsförmåga kanske inte drar nytta av PS-I på grund av svårigheter att vara medvetna om sina kunskapsluckor eller urskilja relevant innehåll¹⁵. Eftersom ps-I:s inledande fas bygger på produktion av individuella lösningar kan studenter med låg divergerande förmåga, svårigheter att generera en mängd olika svar i en viss situation dessutom dra mindre nytta av PS-I än andra studenter. Protokollet innehåller tillförlitliga instrument för att bedöma dessa predispositioner(tabell 1)även om andra kan övervägas.

Sammanfattningsvis syftar detta protokoll till att göra ett genomförande av ett PS-I-ingripande som följer accepterade principer i PS-I-litteraturen tillgängligt för lärare och forskare. Dessutom ger protokollen en experimentell utvärdering av denna intervention och underlättar utvärderingen av elevernas kognitiva och motiverande predispositioner. Det är ett protokoll som inte kräver tillgång till ny teknik eller specifika resurser, och ett protokoll som kan ändras utifrån forsknings- och utbildningsbehov.