Решение проблем до обучения (PS-I): протокол оценки и вмешательства у учащихся с различными способностями

Один из вопросов, который больше всего волнует учителей в настоящее время, заключается в том, как стимулировать размышления студентов. Эта проблема распространена в курсах математического характера, таких как курсы STEM (наука, технология, инженерия и математика), в которых абстракция многих понятий требует высокой степени рефлексии, но многие студенты сообщают о приближении к этим курсам исключительно с помощью методов, основанных на памяти^1. Кроме того, учащиеся часто проявляют поверхностное изучение понятий^1,2,3. Трудности, с которыми сталкиваются студенты, применяя процессы рефлексии и глубокого обучения, однако, являются не только когнитивными. Многие студенты испытывают тревогу и демотивацию, сталкиваясь с этими курсами^4,5. На самом деле, эти трудности, как правило, сохраняются на протяжении всего образования^{студентов 6}. Поэтому важно изучить образовательные стратегии, которые мотивационно и когнитивно готовят студентов к глубокому обучению, независимо от их различных предрасположенностей.

Особенно полезно найти стратегии, которые дополняют типичные учебные подходы. Одним из наиболее типичных является прямое обучение. Прямое обучение означает полное руководство студентами от введения новых концепций с явной информацией об этих концепциях, а затем с помощью стратегий консолидации, таких как действия по решению проблем, обратная связь, дискуссии или дальнейшие объяснения^7,8. Прямая инструкция может быть эффективной для легкой передачи контента^8,9,10. Тем не менее, студенты часто не задумываются о важных аспектах, таких как то, как содержание связано с их личными знаниями, или потенциальные процедуры, которые могли бы работать и не¹¹. Поэтому важно внедрить дополнительные стратегии, чтобы заставить студентов мыслить критически.

Одной из таких стратегий является подход¹²«Решение проблем до инструкции» (PS-I), также называемый подходом¹¹ изобретения или подходом¹³«Продуктивный отказ». PS-I отличается от прямого обучения в том смысле, что студенты не знакомятся непосредственно с концепциями, вместо этого существует фаза решения проблем до типичной прямой учебной деятельности, в которой студенты ищут индивидуальные решения проблем, прежде чем получить какое-либо объяснение о процедурах их решения.

В этой первоначальной задаче от студентов не ожидается полного раскрытия целевых концепций¹³. Студенты могут также чувствовать когнитивную перегрузку^14,15,16 и даже негативно влиять на¹⁷ с неопределенностью и многими аспектами, которые следует учитывать. Тем не менее, этот опыт может быть продуктивным в долгосрочной перспективе, потому что он может облегчить критическое мышление о важных особенностях. В частности, первоначальная проблема может помочь учащимся лучше осознать пробелы в своих знаниях^18,активировать предварительные знания, связанные с содержанием, охватить^13,и повысить мотивацию из-за возможности основывать свое обучение на личных знаниях^7,17,19.

С точки зрения обучения, эффекты PS-I обычно видны, когда результаты оцениваются с показателями глубокого обучения^20,21. В целом не было обнаружено различий между учащимися, которые учились через PS-I, и теми, кто учился через прямое обучение с точки зрения процедурных знаний^20,22,которые относятся к способности воспроизводить изученные процедуры. Тем не менее, студенты, которые проходят PS-I, как правило, демонстрируют высшее образование в концептуальных знаниях^7,19,23,которые относятся к пониманию охватываемого содержания, и передаче^7,15,19,24,которая относится к способности применять это понимание к новым ситуациям. Например, недавнее исследование в классе о статистической изменчивости показало, что студенты, которым была предоставлена возможность изобрести свои собственные решения для измерения статистической изменчивости до получения объяснений об общих концепциях и процедурах в этой теме, продемонстрировали лучшее понимание в конце урока, чем те, кто смог непосредственно изучить соответствующие концепции и процедуры, прежде чем участвовать в какой-либо деятельности по решению проблем^23. Тем не менее, некоторые исследования не показали различий в обучении^16,25,26 или мотивации^19,26 между PS-I и альтернативами прямого обучения, или даже лучшем обучении в альтернативах прямого обучения^14,26,и важно учитывать потенциальные источники изменчивости.

Конструктивные особенности, лежащие в основе реализации PS-I, являются важной особенностью²⁰. Систематический обзор²⁰ показал, что для PS-I было более вероятно преимущество в обучении по сравнению с альтернативами прямого обучения, когда вмешательства PS-I были реализованы по крайней мере с помощью одной из двух стратегий, либо формулируя первоначальную проблему с контрастными случаями, либо выстраивая последующую инструкцию с подробной обратной связью о решениях студентов. Контрастные случаи состоят из упрощенных примеров, которые отличаются несколькими важными характеристиками¹¹ (см. Рисунок 1 для примера), и могут помочь учащимся определить соответствующие признаки и оценить свои собственные решения во время первоначальной задачи^11,20. Вторая стратегия, предоставляющая объяснения, которые основаны на решениях^{студентов 13,}состоит из объяснения канонической концепции, давая обратную связь о возможностях и ограничениях решений, генерируемых студентами, что также может помочь студентам сосредоточиться на соответствующих особенностях и оценить пробелы в их собственных знаниях^20,но после завершения начальной фазы решения проблем (см. Рисунок 3 для примера строительных лесов из типичных решений студентов).

Учитывая поддержку в литературе этих двух стратегий, противопоставление кейсов и построение обучения на решениях студентов, важно учитывать их при содействии включению PS-I в реальную образовательную практику. Это первая цель нашего протокола. Протокол предоставляет материалы для вмешательства PS-I, которые включают эти два принципа. Это протокол, который, хотя и адаптируемый, он контекстуализирован для урока по статистической изменчивости, очень распространенного урока для студентов университетов и старших классов, которые, как правило, являются целевыми группами в литературе по PS-I^29. Начальная фаза решения проблем состоит из изобретения мер изменчивости для распределения доходов в странах, что является спорной темой^30, которая может быть знакома студентам во многих областях обучения. Затем предоставляются материалы для студентов для изучения решений этой проблемы на рабочем примере и для лекции, которая включает в себя обсуждение общих решений, созданных студентами, наряду со встроенными практическими проблемами.

Вторая цель нашего протокола состоит в том, чтобы сделать экспериментальную оценку PS-I доступной для преподавателей и исследователей, что может облегчить исследование PS-I с более разнообразных точек зрения, сохраняя при этом некоторые условия постоянными во всей литературе. Тем не менее, условия этой экспериментальной оценки являются гибкими к модификациям. Экспериментальная оценка, описанная в протоколе, может быть применена на обычных уроках, так как учащимся в одном классе могут быть назначены материалы для условия PS-I или материалы для условия прямого обучения одновременно(рисунок 4). Это условие прямого обучения также адаптируется к потребностям исследований и образования, но, как первоначально описано в протоколе, студенты начинают с получения первоначальных объяснений о целевой концепции с отработанным примером, а затем консолидируют эти знания с практической задачей (представленной только в этом состоянии, чтобы компенсировать время, которое студенты PS-I тратят на начальную задачу), и с лекцией^23. Потенциальные адаптации включают в себя начало с лекции, а затем получение студентами деятельности по решению проблем, что является типичным контрольным условием для сравнения PS-I, которое часто приводило к лучшему обучению для условий PS-I^7,13,19,26. Альтернативно, контрольное условие может быть сведено к исследованию рабочего примера, за которым следует фаза лекции, которая, хотя и является более упрощенной версией подходов к прямому обучению, чем первоначально предложено, более распространена в литературе и привела к различным результатам, причем некоторые исследования указывают на лучшее обучение в PS-I^15,24,а другие указывают на лучшее обучение из этого типа условия прямого обучения^14,26.

Наконец, третья цель протокола заключается в предоставлении ресурсов для оценки того, как учащиеся с различными предрасположенностями и когнитивными способностями могут извлечь выгоду из PS-I^15. Оценка этих предрасположенностей особенно важна, если учесть негативные предрасположенности, которые некоторые студенты часто имеют с курсами STEM, и тот факт, что PS-I все еще может вызывать негативные реакции в некоторых случаях^14. Однако исследований по этому вопросу мало.

С одной стороны, поскольку PS-I облегчает ассоциацию обучения с индивидуальными идеями, а не просто формальными знаниями, PS-I можно предположить как способное помочь мотивировать студентов с низким академическим уровнем, тех, кто имеет низкое чувство компетентности или низкую мотивацию по предмету^13,27. Одно исследование показало, что студенты с низкой ориентацией на мастерство, то есть с меньшим количеством целей, связанных с личным обучением, получили больше пользы от PS-I, чем те, у кого была более высокая мотивация к обучению^27. С другой стороны, учащиеся с другими профилями могут столкнуться с трудностями при участии в PS-I. Более конкретно, метапознание играет важную роль в PS-I^31,и учащиеся с низкими навыками метапознания могут не извлечь выгоду из PS-I из-за трудностей в осознаниях их пробелов в знаниях или распознавании соответствующего контента^15. Кроме того, поскольку начальная фаза PS-I основана на производстве индивидуальных решений, учащиеся с низкими дивергентными способностями, трудностями, порождающими различные ответы в данной ситуации, могут извлечь из PS-I меньше пользы, чем другие студенты. В протоколе представлены надежные инструменты для оценки этих предрасположенностей(таблица 1),хотя могут быть рассмотрены и другие.

Таким образом, этот протокол направлен на то, чтобы сделать реализацию вмешательства PS-I, которое следует принятым принципам в литературе PS-I, доступным для преподавателей и исследователей. Кроме того, протоколы обеспечивают экспериментальную оценку этого вмешательства и облегчают оценку когнитивных и мотивационных предрасположенностей студентов. Это протокол, который не требует доступа к новым технологиям или конкретным ресурсам, и который может быть изменен на основе исследовательских и образовательных потребностей.