基于有效失敗理論的機械課程教學實踐研究

曹素紅　劉偉華

摘要：基于有效失敗理論研究開發教具，深入剖析有效失敗理論特點及其對促進深度學習、促進學生解決非良構問題的價值，提出基于有效失敗理論機械課程的教學設計原則。實踐表明，有效失敗理論在機械課程教學中，能強化學生知識構建，對培養學生素質、培養其分析和解決問題能力及探究意識具有促進作用。

關鍵詞： 有效失敗理論；深度學習；機械課程；教學設計

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1672-5727（2023）09-0079-06

《中國教育現代化2035》明確指出：“大力發展素質教育，促進德育、智育、體育、美育和勞動教育有機融合，全面提升學生意志品質、思維能力、創新精神等綜合素質，提高身心健康發展水平，培育擔當民族復興大任的時代新人?！苯ㄔO教育強國，注重學生德智體美勞全面發展，培養實現中華民族偉大復興的高素質建設者，特別注重學生意志力和精神品質方面的成長要求。

新加坡研究學者馬努·卡普爾提出“有效失敗”理論，這一理論認為學生在學習過程中經歷有效失敗體驗，在一定意義上會有利于其學習能力提升，并對其思維能力形成和解決問題能力提高產生積極的影響[1]。近年來，國內學者在總結教學經驗基礎上，也開始關注有效失敗教學理念和模式的研究，結果證明了有效失敗有助于改善教學質量，提升學生學習效果[2-3]。失敗是成功之母，在中國傳統文化觀念中，失敗者堅韌不拔，總結經驗進而成功是積極進取人格品質的重要體現，失敗包含著正面積極的推動意義。應該如何利用有效失敗推動和促進學生學習，本文從理論出發，聯系教學實際，深入研究高職機械課程中有效失敗的教學原則及課程教學模式。

一、有效失敗與深度學習

（一）有效失敗理論

馬努·卡普爾在2008 年第一次提出有效失?。≒roductive failure）的概念。他認為，學生學習過程中表現為失敗結果是正?，F象，學生在探究或解決問題的過程中經歷失敗，不意味著有效學習沒有發生。相反，在經歷失敗挫折的過程中，學生會積極尋找問題的解決辦法，主動思考并建構自己的知識[4]。有效失敗給予學生更多更積極的鍛煉機會，有利于學生加深對知識的理解，從而形成更好的知識構架。從長期來看，經歷有效失敗的學習后，學生的知識記憶更扎實，知識遷移能力和運用能力都得到了提高。從知識的交叉性及學生的認知規律等因素考慮，除個別學生表現差異外，學生在學習過程中遇到困擾而未能達到預期結果是顯而易見的。未獲得預期結果與獲得成功具有同等價值。傳統教學中，教師過早地給予學生正確的知識構建和方法指導，學生沒有經歷過獨立思考的訓練，雖然獲得成功的喜悅感，但學習過程中的感受并不深刻。有效失敗不是面向學生情感層面而言，而是關注其精神層面，即有效失敗的體驗對學生心理層面的刺激，能夠切實激發學生的學習主動性，并提高其認知能力。

（二）有效失敗符合建構主義學習觀

周亮通過教學實際發現，在初中動畫軟件操作課程教學中，以往該課程教學采取教師演示、學生模仿的方式，學生根據教師指導逐步實施操作并完成作品。從學習過程和成果上看，學生具備“理解”“知道”“能用”等技能，教學目標得以實現，但進一步教學發現，當教師給予新任務，要求學生利用已學技能拓展練習時，部分學生難以達到技能遷移的能力[5] 。筆者在教學實踐中也遇到過相似問題，學生能夠模仿操作，但對操作方法的要點及錯誤操作有何結果的理解比較淺，從而導致無法觸類旁通、舉一反三。究其原因，從教師角度看，教師在教學中處于主導地位，沒有深刻把握學生的認知規律，直接傳遞知識，學生機械地接受知識；從學生角度看，已取得成功的滿足心理感受掩蓋了處理問題的迫切心理，學生錯失從有效失敗中體驗到的學習快樂，因此很難達到自己加工知識、自主構建知識系統的能力。

隨著人們對學生素質全面培養的關注，現代教育理念逐漸突出學生在教與學關系中的主導性。建構主義學習觀強調學生是主動的學習者，強調以學生為中心。學生必須在現有知識基礎上，自己去發現和轉換復雜的信息，教師通過多種方法促進學生完成知識構建，從而完成教學[6]。從建構主義學習觀來看，學生基于已有的知識來檢驗新體驗，獲取新知，學習過程中勢必會出現挫折和失敗，有效失敗理論突出學生學習中的主動性和主導地位，更符合以學生為中心的建構主義學習觀。

（三）有效失敗促進非良構問題解決能力發展

按照問題組織程度，學習者需要解決的問題分為良構問題和非良構問題兩大類型。良構問題是指具有明確的初始狀態、目標狀態和解決方法的問題，例如求兩點間距離、求面積、計算角度或者復雜的物理問題等。良構問題定義完整、給定條件充分，解決方法思路較為清晰。相對而言，非良構問題是指沒有明確初始狀態、目標狀態和解決方法的問題，也稱為定義不完整的問題。例如利用軟件制作漂亮的玫瑰花、撰寫論文、修理自行車等。非良構問題不是指本身包含什么錯誤或不恰當，而是指它沒有包含明確的結構或者解決途徑[7]。非良構問題的特征如圖1所示。由于問題條件不充分、解決方案多樣化等因素，學生在解決非良構問題時經歷失敗的可能性更大。然而，實踐研究表明，非良構問題對提升學生思維能力、問題解決能力及塑造科學素養等具有不可替代的作用。馬努·卡普爾研究發現，有效失敗可以促進學生解決非良構問題時的能力。其研究方法如下：學生被隨機分配來解決良構問題和非良構問題，在同樣時間內，解決良構問題的學生小組相對順利地完成任務，被分配解決非良構問題的學生小組則經歷更多的掙扎和糾結，最后也解決了問題。接下來兩個實驗小組被分配以同樣難度的新任務，前面解決非良構問題的學生小組顯然具有更多的耐力、信心面對新的問題，在定義問題、邏輯思考、分析診斷方面，非良構問題解決小組的表現更加突出[8]。這一研究表明，有效失敗不僅有助于學生更好地構建知識，還能鍛煉其品質，從而能應對更多的新問題，因此，有效失敗能夠更好地促進學生的全面培養。

（四）有效失敗激發深度學習發生

美國研究院（American Institutes for Research）組織實施的SDL項目（Study of Deeper Learning： Opportunities and Outcomes）對深度學習概念做出如下界定：深度學習指從學習結果角度出發，使學生獲得適應21世紀工作和生活必備的能力，包括掌握核心學科知識、批判性思維和復雜問題解決、團隊協作、有效溝通、學會學習、學習毅力六個維度的基本能力[9]。通過深度學習，學生可以獲得高階的問題解決能力，知識遷移能力及批判性思維更加突出?！皺C械工程基礎”課程深度學習與淺層學習比較如表1所示。

在教學過程中，教師通過設計提供非良構問題，引導學生思考探究解決途徑。學生在探究中需要將新舊知識進行關聯，合作討論，從不同角度理解、剖析和批判，這一思維鍛煉過程促使學生從深層次挖掘問題本源，自主構建知識，形成高階思維能力。因此，有效失敗是激發學生進行深度學習的有效途徑之一[10]。

二、基于有效失敗理論的機械課程教學原則

（一）有效失敗教學原則

馬努·卡普爾對有效失敗理論的教學設計模式進行深入研究后，提出教學設計的三個原則，即創設涉及復雜問題的情境、創設解釋和詳細闡述解決方案的環節、創設比較失敗的解決方案與標準的解決方案的環節[11]。杜鴻羽等人總結計算機編程課程教學的教學實踐，提出了基于有效失敗理念的計算機編程課程三個原則：第一，設計具有挑戰性強的開放性編程任務。編程任務挑戰度高，意味著學習失敗發生的可能性大[12] 。編程任務中刻意設計出導致學生失敗的因素，學生先基于現有的先驗知識和直覺猜測嘗試編程，由于信息模糊，屬于非良構問題，學生將面臨編程結果的不確定性，教師根據學生探究結果進行總結，并在隨后的鞏固階段分析學生的解決方案，引導其發現方案設計與執行中的問題所在。第二，采用協作探究促使編程方案迭代，促進深度學習。學生探究問題解決方案過程中，需經歷探索、生成、整合、建構四個相互聯系的環節，上述環節前后聯系緊密，每個環節都對學生學習能力和學習基礎提出要求，對于非良構問題，這些要求越顯突出。教師未給定最佳的解決方案前，倡導學生互動學習，分享解決策略或設計方案，充分交流不同的設計想法，深化學生對自身方案的理解。這能夠降低學生探究的難度，減少面對學習失敗時的挫折感，促使學生以積極的心態面對學習任務。第三，采用結構化反思支持編程經驗整合。反思過程可使學生將學習中的探究經驗成果轉化為可遷移的計算策略。深層次反思激發學生形成計算思維邏輯能力趨于縝密、系統。但其研究表明，學生以撰寫報告為主要形式的反思過程難以深入理解其他小組的方案，教師需要為學生提供結構化的支持，才能促進后者深入的、批判的反思。

（二）面向知識應用的機械課程教學原則

“機械工程基礎”作為高職院校機械、機電專業重要的基礎課程之一，內容涵蓋機構原理、機構設計、機械傳動、裝配工藝等機械工程技術方面的基礎性知識，課程涵蓋的知識點不僅需要學生熟識記憶，還需要學生能夠正確運用相關知識分析實際生產中的問題及從事一般機械的設計。本課程學習的特點體現在知識的靈活應用上，表現為學生知識體系基礎扎實，知識關聯能力強，分析問題全面，提出解決方案時具有積極的思考意識。何種學習失敗體驗才能正向激勵學生，成為有效失敗呢[13]？“機械工程基礎”課程的教學設計原則如下：

第一，預先設定學習失敗的情境。從設計結果來看，機械設計方案通常具有非唯一性，從知識連貫來看，機械課程需要學習者在解決一個問題時將離散的、獨立的知識和原理綜合運用。教學設計時，教師應先分析問題本身，根據其內容、要求等預設不同的學習結果，促使學生學習中遇到難以解決的問題。例如本研究中，教師依據生產實際，設計加工出包含預設非良構問題的教具，如圖2所示的攪拌機模型。教具中L1、L2、L3、L4對應尺寸規格不同的桿，如表2所示。在教學過程中，學生首先需要自行選擇四根桿完成組裝。學生所選擇的桿的組合不同，組裝后機構的動作也不完全一致。根據四桿機構原理，不同尺寸的桿的組合可以實現曲柄連桿機構、曲柄搖桿機構和雙曲柄機構，有些組合組裝后導致攪拌機的攪拌動作無法實現，正確解決方案未獲得，學生進而激發繼續探究學習的動力。

第二，有效失敗的情境應可控[14]。建構主義學習理論認為教師應該為學生學習提供腳手架，在課程的開始階段教師要給學生更多的框架，然后逐漸將責任交給學生，讓學生自己進行活動。當學生無法完成任務時，教師的引導角色應能幫助使學生繼續發現問題，因此，教具的設計應該保證失敗最終可以解決。教具中各桿尺寸的設計不能是隨意的，應該滿足學生再次探究后可以找到正確機構設計方案。學生遇到失敗，但教學仍可控。通過學生小組討論，互相借鑒，經過教師點評，學生應能保持學習興趣，繼續探究問題解決方案。有效失敗的目的是通過曲折的學習過程激發學生信心，而不是阻止教學進行。

第三，應通過強化訓練鞏固探究效果。當學生經歷自我探究，獲得正確的設計方案后，教師需要重新提出新的進階性任務，例如提出另一裝置要求，啟發學生再次選擇合適的桿進行組裝。強化訓練對有效失敗的學習過程具有積極的推動意義：一方面，能使學生再次鞏固剛剛完成的知識構建，加深知識運用能力，鍛煉思考能力、解決問題能力及創新意識；另一方面，可以從正面激勵學生，弱化失敗的挫折感，增強學生信心。

第四，采用小組學習模式。學生獨立學習可以鍛煉自主性，但支持式合作和協作式互動很少出現。有效失敗教學過程中，學生需要有效的學習策略，有動力探尋問題解決方法。由于“機械工程基礎”課程中的非良構問題較復雜且包含超出學生現有知識和技能的內容，學生在沒有獲得結構性支撐或協助的情況下，合作能力無法訓練，也不能很好地獨立面對和解決非良構問題。因此，學生需要其他學習者的參與和協作，從互相協作中獲得更多的學習成果。采用小組學習模式能夠促進學生在有效失敗學習中獲得更好的學習結果。

第五，及時回顧總結學習過程?！皺C械工程基礎”課程由于包含的知識點較多，課后需要學生對整個學習過程進行回顧，包括發現什么問題—分析失敗原因—提出解決方法—包含哪些知識原理等學習過程的總結。倡導學生制作思維導圖，形象化記憶，重點是失敗原因和解決方案，從而達到深度學習的教學目的。

三、基于有效失敗的“機械工程基礎”課程教學設計

通常高職類“機械工程基礎”課程為大一下學期或者大二上學期開設，64課時。本研究中采用線上線下混合教學方式，下面以“槽輪機構設計”為例，分析有效失敗理論在“機械工程基礎”課程中的具體應用方法。

（一）初步探究

由于課時有限，學生的嘗試性實驗無法全部在課上進行，將學生探究學習的一部分前置到課前預習階段。在這一階段，教師在學習平臺上提供槽輪機構運動動畫，學生小組討論，利用身邊現有的材料制作簡易的槽輪機構，觀察該機構運動是否順利。由于采用的材料強度、材質、尺寸等不能滿足結構要求，學生初步制作的簡易槽輪機構的運動一般不夠合理。通過這部分探究，教師可以引導學生去發現和分析自己組裝的槽輪機構中的問題。初步探究階段中學生遇到的問題，可以增加學生對槽輪機構組成和動作原理的直觀感受，但尚未得出槽輪機構的設計方法和要點，課上再次探究時學生繼續深入研究。

（二）再次探究

課上學習時，教師首先點評學生課前學習情況，引導學生闡述本組作品中存在的問題。教師利用自己設計的教具，按照小組分發槽輪機構零件，要求學生組裝運動合理的槽輪機構。為引入有效失敗情境，教具包中提供的零件數目冗余，尺寸規格不同，這種提供不同尺寸零件的目的即人為地、有意識地創設有效失敗的情境，零件的規格不同，組合方式不同，會出現不同的裝配結果。各小組選擇零件不同，組裝的機構也各有所異，這樣就形成了組間討論學習的機會。探究時，學生根據零件功能、零件結構等自行判斷，選擇認為合適的零件，然后進行組裝。學生可能遇到的問題包括：槽輪槽尺寸與圓柱銷尺寸不匹配、圓柱銷不能順利進入槽輪槽、圓柱銷不能順利滑出槽輪槽、槽輪鎖止弧與外凸弧配合不好等。信息冗余，此問題屬于非良構問題。學生需要反復嘗試，找到合理的解決方法，替換零件，調整零件位置，最終完成動作協調的槽輪機構裝置。教師隨時觀察學生探究進展，提供適時必要的引導，不過多過早指出錯誤，待學生有了一定的進展后，再啟發學生自己發現和解決問題，修改并完善設計方案。采用學生小組合作方式，倡導共同操作、觀察、分析，教師在學生合作學習中承擔引導者角色。協作學習可以有效減小學生學習的難度，讓學生更快發現問題、解決問題。

（三）整合與鞏固

教師根據學生探究結果，引導學生展示成果，介紹本組遇到的問題和解決方法。教師根據學生闡述，評價學生學習過程，包括槽輪機構的組裝效果及小組學習的表現，鼓勵學生從失敗中尋找解決方法的學習精神。同時，強化槽輪機構原理、機構設計方法和設計原則等理論知識，使學生對機構的感性認識上升到理性認識，加深理論知識的構建，促進深度學習。為進一步固化知識，結合課前預習階段的視頻學習，引導學生思考槽輪機構的應用。教師提供高進階性的槽輪組裝任務，說明適用場合及裝置功能，要求各學生小組之間交換零件，完成新任務。學生在總結前述任務的基礎上，能夠比較明確地規避組裝中的問題，思路更加清晰，零件選擇更快更準確，機構組裝更加合理。教師加以點評，激發學生學習主動性和積極性，提升學生問題解決能力、學習能力和學習意識。

（四）回顧與總結

課后學習階段，通過網絡學習任務，學生回顧課上小組學習過程，分析發現的問題，提出問題解決方法，繪圖總結，再次固化知識。教師提出裝置進一步設計要求，即如何固定槽輪機構，通過問題引導學生建立起部分與整體之間的關聯關系，逐漸培養學生對機械設計整體思考的能力。通過課后任務，拓展課上學習，學生對知識的邏輯關系理解更清晰，能夠從根源上反思問題，思維能力得以訓練。

總之，從有效失敗理論出發設計教學，激發學生學習動力，促進深度學習，提高學生問題解決能力，實現全面培養。對于高職機械課程，基于有效失敗理論開展實施課程教學，對學生學習效果有極大的促進作用。

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（責任編輯：劉東菊）

Research on Teaching Practice of Mechanical Courses

Based on the Effective Failure Theory

CAO Su-hong， LIU Wei-hua

（Beijing Information Technology College， Beijing 100015， China）

Abstract：Based on the effective failure theory， this paper deeply analyzes the characteristics of effective failure theory and its value in promoting deep learning and facilitating students to solve ill-structured problems， and proposes the teaching design principles of mechanical courses. The practice shows that the theory of effective failure can strengthen students' knowledge construction in the teaching of mechanical course， promote students' quality， ability to analyze and solve problems， and awareness of inquiry.

Key words： productive failure theory；deeper learning；mechanical courses；teaching? design

作者簡介：曹素紅（1978—），女，碩士，北京信息職業技術學院副教授，研究方向為數字化建模及3D打??；劉偉華（1978—），男，碩士，北京信息職業技術學院講師，研究方向為機械設計。