測試效應對于提升工科課程學習效果的作用研究

龔玲 王力娟

摘 要：高等教育改革和信息時代的來臨給高校課堂教學帶來了諸多影響，其中之一就是學時數的壓縮與學生需要學習的知識、技能不斷增長之間的矛盾。在一個學期的教學中，教師如何幫助學生減少前期學習的遺忘，促進后期深度學習的效果？如何通過即時和延時的反饋幫助教師和學生及時調整“教”和“學”的策略？采用“提取學習”策略，在“數字電子技術”課程中進行準實驗設計，探究“提取學習”對學生學習效果的影響。結果表明：低階提取能顯著增強學生的記憶效果，但對高階認知的作用不顯著；低階提取時間點差異對學習效果的影響不顯著；作業的分散布置方式對學習效果的影響顯著?？傊?，提取學習能有效促進學生的長時記憶，而且簡便易行、適合推廣。

關鍵詞：測試效應；提取學習；工作案例；分散形式；反饋

在真實的教學中，學生因每次課要求掌握的內容越來越多，經常出現學過不久，對于前面學過的內容已經遺忘的現象。前面學習內容的遺忘還會進一步影響對后面內容的學習和理解，這種情況在理工類課程中特別凸顯。有時學生雖然已非常努力，但因課程內容較多，學習效果依然不理想。在這種情況下，作為教師該如何增加干預措施，幫助學生減少對所學內容的遺忘，快速掌握核心內容，提升學習效果呢？我們以工科大平臺課“數字電子技術”課程的學生為對象，利用提取學習的方法，采用準實驗設計，經過3個輪次的不斷探索和積累，對學生的學習效果進行了研究。

一、概念界定

1．學習效果

學習效果與學習目標密切相關。教師的教學要有“目標”，即教師在授課之前需要明確課程要達成的目標是什么，也就是預期學生通過課程的學習能達到怎樣的學習結果。在教學過程中，教師通過設計各種教學活動以獲得預期的學習結果，若目標達到，就說明取得了較好的教學/學習效果。為使教師的教學目標真正發揮其應有的作用，起到導向和引領教學設計與教學效果評估的功能，1956年，布盧姆等

人[1]提出了教育目標分類體系。該體系包括認知、情感和技能三類目標，重點在于陳述以學生為本的、基于學習的、外顯的以及可以測評的預期學習結果。其中的認知類目標就是根據認知過程，將學習目標分為記憶/回憶、理解、應用、分析、評價、創造六個維度，教師可以根據這些目標設計教學活動，并通過測評來判斷學習目標是否達成?！恫急R姆教育目標分類學》修訂版中用一個二維分類表（如表1所示）來引導大家確定自己的教學目標，分類表的行和列分別表示知識維度和認知過程維度[1]，教師要達成的教學目標就落在這個分類表的相應單元格中。學生的學習效果體現于教師預定的教學目標是否達成，認知類目標的達成度通?？梢酝ㄟ^相應的測試結果來表示。

在這個分類表中，“記憶/回憶”“理解”這兩類需要識別、記憶和理解的認知過程被認為是低階學習過程；而“應用”“分析”“評價”

“創造”這四類認知過程被認為是高階學習過程[2]。在教學過程中設定目標，通過設計教學活動使學生發生預期變化，通過測評來判斷是否達成目標，達成目標表明學習效果好，未能達成表明還需調整教學設計。根據上述分類，本研究的教學活動使用低階學習和高階學習這兩個概念來對應布盧姆認知目標分類中的各個認知過程，并分別針對低階和高階學習來設計教學活動。

2．提取學習

千百年來，人們一般都是通過測試來評估學生的學習效果或學生在某一領域的真實水平。例如判別教師的教學目標是否達成，學生是否取得了好的學習效果。不同認知維度目標達成度的測試有不同形式，如選擇、判斷、簡答等。通常情況下，教師們會在一學期授課結束后通過期末測試來評價學生的學習效果，但這種測試因時間放在期末，導致學生失去了改進的機會，教師也失去了針對同一批學生改進教學設計的機會。如果將這種測試作為檢驗學生日常學習效果和及時給教師和學生提供反饋的手段，會大大提高教學效果。

事實上，近十年來記憶心理學的研究表明，測試不僅是評價先前學習效果的手段，還能有效改善長時記憶效果。2012年，Karpicke提出了提取學習（Retrieval-based learning）的概念，他發現即使僅參加測試，不提供反饋和再學習，也能對學習產生很大影響，他將這種測試效應稱為提取學習[3]。所謂“提取學習”，就是學生在參加測試的過程中需要不斷地從大腦中提取信息以完成測試，這個過程本身就產生了鞏固學習效果的作用?！疤崛　睂τ趯W習產生影響的層面可分為間接影響和直接影響，間接影響體現在對教師和學生的影響，教師會根據測試結果調整教學，學生通過測試可以知道自己的知識掌握情況，從而主動去調整自己的學習，如增加后續的再學習。直接影響是指僅僅通過測試本身因對信息的提取而導致的學習效果增強，而不是通過再學習或反饋取得的學習進步[4]。

梁秀玲等對腦成像的研究發現，“提取學習”可以充分調用認知和情感大腦機能、皮層與皮層下結構機能，同時還可以通過發揮語義、情景記憶優勢來促進學習與記憶[5]。Agarwal結合布盧姆分類學中學習的低階認知過程和高階認知過程的分類，對應提出了低階提取和高階提取的概念[2]。Hanham等人結合認知理論，對高復雜度信息問題的處理進行了研究。他們發現對于復雜度較低的問題，采用即時測試可以取得比較好的測試效應，但在需要額外工作記憶資源的情況下，延時測試的效果更好[6]。此外，除課堂上采取提取學習的方式，課后練習也可以看作是提取學習的一種方式。Butler在他的課程中采用重復提取、分散提取與反饋相結合的方式來促進學習效果[7]。

筆者在“數字電子技術” 課程中根據以上研究結果，在教學設計中加入提取學習過程，即在授課過程中增加測試環節，課后習題采用分散布置的形式，探索行之有效、簡單又易于推廣的提升學生學習效果的方法。

二、研究設計

1．研究對象

選取“數字電子技術”課程三個授課班的本科生為研究對象。三個班級的學生上課的時間、專業和年級都不同（見表2），但授課教師是同一位教師，授課內容基本相同。

為檢驗樣本的一致性，在開學初分別對三個班級學生對課程內容的熟悉度和對課程的期望進行調查，設置了一道選擇題讓學生對自己進行判斷，一道填空題請學生列出課程相關信息，兩道填空題判斷學生對課程的期望，繼而對調查結果進行方差分析。結果發現，三個班學生所具備的與本課程有關的先備知識差異不顯著，對課程的期望值也沒有顯著差異，如表3所示。

表3的檢驗結果說明三個教學班學生的初始狀態基本相同。此外，三個班級由同一位教師授課，采用的教材、教學內容和教學進度基本一致。

2．研究設計

提取學習就是個體不斷地從記憶庫中提取信息，這不僅能進一步增強對該信息的記憶，同時還能促進對該信息的理解[8]。研究設計主要圍繞提取學習的方式、級別、時間和作業布置形式幾個方面來進行。首先，將提取學習分為課堂測試和課后作業兩種方式。課堂測試又分為兩種：低階提取學習和高階提取學習。低階提取學習就是針對低階學習的認知過程設計相應的測試題，低階提取學習主要為多選題形式。高階提取學習就是針對高階學習的認知過程設計相應的測試題，主要為簡答題形式。其次，將提取時間分為即時提取和延時提取。即時提取就是講授完知識點就立即測試，延時提取是在學生做完作業后在課堂上再測試。再次，課后作業的布置也分兩種：常規的課后作業布置方式安排在一章結束之后，而分散布置作業的方式一般將每章作業分散在后續階段持續布置。第一次作業在講授完相關內容就布置，相同知識點的第二、三次作業在后續其他章節內容講授完之后持續布置，也就是后續章節結束之后除了布置相關章節作業之外，之前布置過作業的章節知識點會再次布置。課程整體提取學習方案如表4所示。

反饋為學習者提供糾正錯誤的信息，從而促進其對知識的進一步理解[9]。已有研究發現即時反饋的效果比延時反饋的效果更好[10]。在我們的教學過程中，課堂測試和課后作業都給學生提供反饋。但課堂測試采用即時反饋形式，即學生們做完測試之后，教師立刻給學生反饋錯誤之處及正確答案。課后作業因提交時間為非即時方式，一般為助教批改之后再反饋，因此有一周的延遲時間。3個教學班的提取學習方案具體見表5。

3．教學安排

在“數字電子技術”課上，要求學生在理解各部分基本概念的基礎上，能分析和設計對應的電路，教學的重點是培養學生分析問題和解決問題的能力。每周兩次課程，課堂上除講授關鍵知識點外，采用測試提取學習方式（低階+高階），課后作業布置也分別采用常規布置和分散布置的方式。每個教學班的具體實施方案如表6所示。

研究表明，雖然沒有反饋的測試也能促進知識的長時記憶，但提供反饋及時糾正錯誤可以使測試促進記憶的效果發揮得更好?？梢哉f反饋既促進了測試的直接效應，又發揮了測試的間接效應[11]。為充分發揮反饋的作用，我們在課內測試的反饋為即時反饋，即學生課堂上通過掃描問卷星的問卷填答二維碼現場答題，在學生提交答題之后，全班的答題情況將立刻顯示，學生也可以立刻查看正確答案和相關題目的解析以進一步理解相關知識點。在課后，有些同學還會重做課上的題目，相當于進行了多次提取。課后作業的反饋一般滯后一周，學生提交作業后，助教批改并整理典型錯誤，同時將正確答案和所整理的典型錯誤放在在線教學管理系統上，供學生們查閱。三個教學班所采用的反饋策略基本相同。

三、結果與討論

1．課內測試

（1）低階提取測試結果

低階提取是針對低階學習目標設計的測試。低階問題主要用來強化學生們對基本概念的記憶和基本運用。根據教學設計方案，3個教學班的學生無規律地實施即時提取和延時提取，圖1為各班在即時提取和延時提取情況下學生在每個章節測試題目上的正確率。

分析正確率對比圖1發現，圖中第3章第5題和第5章第5題有兩個異常點，分析原因發現是這兩題的題干和選項答案有歧義，將這兩個異常點去除后，雖然不同章節不同題目三個教學班的正確率各不相同，但大多數測試題各教學班正確率相近，從平均值看，第1、3、5、6、7章各教學班的得分從高到低分別為：3—1—2、1—2—3、3—2—1、3—1—2、3—2—1，各個班級的高分順序并沒有規律性。說明測試時間點（延時/即時）對測試結果的影響不大，這與Kulik & Kulik（1988）[10]的研究結果不太一致。此外，從圖1還可以看出，相比于教學1班和2班測試成績的忽高忽低現象，教學3班基本維持在比較穩定的較高水平，測試成績更穩定。

（2）高階提取測試結果

高階提取是針對高階學習目標設計的測試。高階知識涉及分析問題、解決問題的能力以及創新能力。課堂內有些分析和設計的內容采取檢驗學生高階思維的案例分析法進行。例如教學2班的學生在學習同步時序電路設計時，要講解分析2個工作案例，沒有任何測試。從課后相關作業題的批改情況看，還有不少同學出現錯誤。教學3班的同學講解分析1個工作案例后即刻做1個測試題，測試結果發現有87.28%的同學正確，說明1次高階認知過程的練習就能讓絕大部分同學掌握了相關的知識點，課后相關作業題幾乎沒有錯誤。

（3）期末測試結果

統計1班和3班（這兩個班級期末試卷考核的知識點相似，2班期末試卷考核的知識點完全不同，因此不列入比較）期末試卷每道題的得分情況，并將得分較高的知識點和得分較低的知識點進行分別統計（見表7）。

進一步深入分析表7得分率較高的知識點后發現，這些知識點都在課堂上做過提取練習，有的是即時提取，有的是延時提取，可見提取時間與學生學習效果的關聯不大。此外，從表7還可以看出教學1班在組合電路分析模塊和時序電路模型概念模塊得分較低，原因是這兩個模塊未做課內測試，未布置課后作業。而教學3班在組合電路部分既有課內測試也有課后作業，因此得分率明顯提高。教學3班在“計數器模數計算”和“異步計數器毛刺”這兩個知識點答題準確率很低，僅23.61%和36.11%的同學答對。分析原因發現，這兩道題都屬于應用和分析類的高階問題，而計數器模數計算只進行了課內舉例講解，異步計數器毛刺相關知識為課內快速講解，二者都未做課內測試，未布置課后作業。從學生期末不同模塊知識點的得分情況可以看出，課內的即時測試和課后的延時作業能有效提高學生的學習效果。此外從表7還可以看到，雖然教學班在組合電路和邏輯表達式做了低階測試，相關低階測試取得較好結果，但是在高階的組合電路分析這部分得分率較低，這表明低階測試對于低階知識的掌握有促進作用，但是低階測試對于高階知識的學習無明顯促進作用。

2．課后作業提取進一步鞏固了學生的學習效果

由表7可見，教學3班的學生期末成績總體上要高于教學1班學生。主要原因在于教學3班增加了課后作業的分散布置方式，也就是前面課程內容的相關知識點會在后續階段持續布置。與常規作業布置的不同之處在于，分散布置作業方式能使同一知識點在后續課程中獲得多次練習和反饋。這相當于增加了相應知識的提取次數，強化了學生對相關知識的理解和記憶。

此外，進一步統計學生期末卷面成績與參加課內測試及作業次數的相關關系發現（圖2），從未做課內測試和作業的學生得了最低分26分，其他未參與測試次數較多的同學的得分也相應較低，這進一步說明了測試提取對于學習效果具有正面影響。

使用Pearson相關檢驗期末卷面分數和總測試次數之間的相關關系，發現二者的相關系數值為0.627，存在0.01水平的顯著性，說明期末卷面分數和總測試次數之間存在顯著的正相關關系（見表8）。

3．其他調查數據進一步證實了提取學習效果

每次課程結束時，我們都會向學生們收集有關“提取學習”教學方式的匿名意見和建議。為防止學生不理解提取這一概念，收集學生意見時采用的是更通俗的語言，如提取這個概念用課堂測試表示，提取時機用即時測試和延時測試來表示。表9列出了學生對于課內測試以及課后作業布置方式的贊成度。

從表9的統計數據可見，學生對于測試這種提取方式持積極的贊同態度。對于提取的時機，雖然從數據看測試時機對學習效果的影響不大，但大多數同學依然希望采取延時提取的方式。進一步的訪談發現，學生希望采取延時提取的主要原因是希望復習之后能答得更好。這從實際效果方面來說不僅促進了學生的主動學習，還間接提升了學習的積極性和效果。關于課后習題的分散布置形式，有95.08%的同學認為這種方式有利于學習內容的掌握，說明同學們認為從這種方式獲益良多。根據學生的建議反饋，關于課堂練習和課后作業，大家給予了更多期望，如：“小測很好用！若時間允許建議多測反復測?！薄白鳂I分散到后續章節完成很好！可以防止學了新的內容遺忘之前的內容?！闭f明無論課內測試還是課后作業的提取方式都得到了學生的正向反饋。

對于課堂測試提取方式的引入，隨堂聽課的教學督導也給予了積極評價：“老師的課堂互動與節奏掌握特別值得學習，雖然是大課堂，但從例題講解過程中學生的反應來看，大多數學生都能緊跟授課節奏和解題思路，非常難得！另外，老師采用隨堂線上小測等方式很好地增加了學生的參與度?！?/p>

四、結論與展望

通過對三個教學班教學實踐數據的分析，可以得出以下結論：

（1）對于低層次的知識目標（記憶、理解），課內低階提取，無論是即時提取還是延時提取，正確率都比較高，在最終的期末測試中學生的成績也比較好，說明在課堂上對低階知識引入測試方式，是一種幫助學生提升學習效果的有效方法。但僅對低階問題的提取，并不能提升高階知識的學習效果，教學1班的實踐結果驗證了這點。這一結論與Agarwal的研究結論一致，他們的研究結果也表明低階提取有益于事實類知識的學習，但對高階認知目標的學習沒有效果，提升高階學習目標的效果需要使用高階提取[4]。每一門課都有基本概念和理論的識記和理解任務，針對這類低階認知目標可以采用選擇、判斷、匹配等測試題型幫助學生達成，花費幾分鐘時間就可以獲得很好的提取效果，因此這個方法可以推廣到各類課程的概念性、事實類知識的學習效果提升上。

（2）只通過一次測試，并不能讓學生很快將新知識融入自己的知識結構并加以靈活應用，難以達到較高階的認知目標。Hanham的研究也發現，僅一次學習不足以將多個互相作用的信息轉換為有意義的長時記憶[6]。因此，對于應用、分析、評價和創造這些高層次的學習目標，要促進學生的意義學習，需要給學生提供更多參與式學習的機會，比如采取項目式學習、任務式學習，搭腳手架等。這相當于給學生提供了更多在大腦中加工、思考和練習知識、技能的時間和機會，在這種情況下再使用提取學習的方式，會取得較好的效果。后續教學研究將進一步在這方面進行探索，尋求促進高階認知目標達成的有效提取學習方式。

（3）課后作業的分散布置形式借鑒于Butler[7]的研究成果，他的研究發現，將課后作業分散在一個較長的時間里并多次重復，可促進相關知識的記憶和理解，對提升學習效果很有幫助。教學3班的課后作業就采取了類似策略，效果較好。這種課后習題的布置方式從收取作業批改至發還學生有時間間隔，并且沒有對學生查看作業反饋意見進行強制要求。而Butler在其研究中則對反饋有嚴格要求，他將學生是否閱讀反饋作為評分的一部分，能更好地確保反饋效果[7]。這一點在后續教學中可以進一步改進，比如借助在線教學平臺，線上交作業，線上批改等，來縮短反饋周期。另外，還可以要求學生必須閱讀作業反饋，以進一步提升學生的學習效果。

（4）從應用實踐角度來看，提取學習（課內，課后）是一種簡便、高效、易于推廣的教學策略。對于教師來講，需要仔細設計測試題，合理安排課后習題的分散形式。本研究所采用的作業分散頻率和Butler在其研究中采用的頻率相同，即同一知識點用3組題目分散在連續的3次課后習題中布置[7]。對于其他類型或不同專業的課程，教師可以根據學生對相應知識點的答題情況，降低或增加分散作業布置的次數，以獲得更好效果。

參考文獻：

[1] 洛林·W.安德森（Lorin W. Anderson）等. 布盧姆教育目標分類學：分類學視野下的學與教及其測評（修訂版 完整版）[M]. 北京：外語教學與研究出版社，2009.

[2] Pooja K. Agarwal. Retrieval Practice & Blooms Taxonomy： Do Students Need Fact Knowledge Before Higher Order Learning？ [J]. Journal of Educational Psychology， 2019，111（2）：189-209.

[3] Jeffrey D Karpicke， West Lafayette. Retrieval-Based Learning： A Decade of Progress[J]. Educ Psychol Rev，2012，24：401-418.

[4] Jeffery D. Karpicke. Retrieval-Based Learning： Active retrieval promote meaningful learning[J]. Current Directions in Psychological Science，2012，21（3） ：157-163.

[5] 梁秀玲等. 提取學習有利于學習與記憶的認知神經基礎[J]. 心理科學進展， 2015，23（7）：1151-1159.

[6] Jose Hanham， Wayne Leahy & John Sweller. Cognitive Load Theory， Element Interactivity， and the Testing and Reverse Testing Effects[J]. Applied Cognitive Psychology， 2017，31：265-280.

[7] Andrew C. Butler， Elizabeth J. Marsh. Integrating Cognitive Science and Technology Improves Learning in a STEM Classroom[J]. Educ Psychol Rev， 2014， 26： 331-340.

[8] Roediger， H. L.， & Butler， A. C. The critical role of retrieval practice in long-term retention [J].

Trends in Cognitive Sciences， 2011， 15： 20–27.

[9] ?Hattie， J.， & Timperley， H. The power of feedback [J]. Review of Educational Research， 2017，77：81–112.

[10] ?Kulik， J. A.， & Kulik， C. C. Timing of feedback and verbal learning[J]. Review of Educational Research， 1988，58：79–97.

[11] ?羅良，張瑋. 利用測試促進學習：記憶心理學的研究進展與教育啟示[J]. 北京師范大學學報（社會科學版），2012（1）：43-50.

[基金項目：上海交通大學教學發展中心2019年教學發展基金項目“提取學習對于提高工科學生知識掌握程度的效果研究”；2020年教學發展基金項目“結合認知科學的提取學習對于提高工科學生知識掌握程度的效果研究”]

[責任編輯：楊裕南]