论设计研究：“内涵”“类型”“过程”与“应用”

李 卓鲍建生

论设计研究：“内涵”“类型”“过程”与“应用”

李 卓1，2，鲍建生1，2

（1．华东师范大学 数学科学学院，上海 200241；2．上海市核心数学与实践重点实验室，上海 200241）

自20世纪90年代以来，国际上兴起了设计研究．21世纪初，设计研究的影响越来越大．研究梳理了设计研究的内涵、类型、过程与应用，以加深研究者对设计研究的理解，更好地为自己的研究问题服务．总的来说，设计研究在国内数学教育研究中的应用还是十分薄弱的．国内数学教育研究者应重视设计研究的应用，在了解设计研究内涵、类型、过程以及适用范围的基础上，应用设计研究发展理论，开发基于研究的解决方案，解决教育实践中的复杂问题．

设计研究；内涵；类型；过程；应用

20世纪90年代以来，国际上兴起了设计研究．21世纪初，设计研究的影响越来越大．2003年第1期、2004年第1期、2004年第4期、2005年第1期都以整期的形式陆续刊登了设计研究的论文．2006年出版的《剑桥学习科学手册》方法论一章中，设计研究占了主要篇幅[1]．2014年出版的《剑桥学习科学手册》第二版方法论一章中，设计研究仍然占了相当篇幅[2]．2015年第6期也以整期的形式刊登了设计研究的论文．2017年出版的华人学者蔡金法教授主编的《数学教育研究手册（第三版）》在方法栏目专门介绍了设计研究[3]．

在国内，教育技术研究者最早关注设计研究．2005年，在首届全国教育技术博士论坛上，华南师范大学焦建利教授提出了“基于设计的研究”的一些论题，在论坛引发了“设计研究”能不能作为教育技术研究新方法的讨论．自2006年起，梁文鑫[4]、张倩苇[5]、杨南昌[6]、吕林海[7]、倪小鹏[8]、王文静[9]等研究者先后梳理了设计研究的定义、特征、应用等问题．2007年，华东师范大学祝智庭教授组织了教育设计研究国际高级研修班，邀请了来自美国、荷兰的专家，极大地推动了设计研究在国内的传播．

最近几年数学教育研究者也开始关注设计研究，2014年，在全国数学教育研究会国际学术年会上，华东师范大学鲍建生教授作了“数学课堂教学的设计研究”的大会报告，报告阐述了如何进行数学课堂整体设计研究的流程、特点、问题与策略[10]．研究在此基础上延伸，主要探讨设计研究的内涵、类型、过程与应用，以加深研究者对设计研究的理解，更好地为自己的研究问题服务．

1 设计研究的内涵与类型

英文文献中关于设计研究的术语主要有设计实验（design experiment），基于设计的研究（design-based research）、设计研究（design research）等．例如1992年Collins[11]和Brown[12]使用了设计实验（design experiment）这一术语，2003年基于设计的研究联盟（the design-based research collective）使用了基于设计的研究（design-based research）这一术语[13]，同年Cobb、Confrey、diSessa等使用了设计实验（design experiments）这一术语[14]，2004年Collins、Joseph等又使用了设计研究（design research）这一术语[15]．以上术语表述比较接近，一个自然的问题是，这些术语指的都是设计研究吗？这些术语是一回事吗？

系统梳理相关文献显示，这些术语都表示设计研究．例如van den Akker，Gravemeijer，McKenney和Nieveen指出设计研究（design research）是设计研究（design studies）、设计实验（design experiments）等的共同标签[16]．Collins在1992年使用的是设计实验这一术语，在2004年使用的是设计研究这一术语，并且Collins等在2004年的论文中说的很直接：“设计研究和设计实验可以互换使用．”[15]Confrey指出设计研究者根据学生学习的证据，制定、测试、修正关于猜测的学习轨迹，在这个过程中研究者与一线教师合作或者亲自担任教师，收集学生、教师和研究者学习的详细记录．他们随后进一步分析以生成研究报告和任务、材料、工具的迭代．这种研究方法指的就是设计研究、设计实验或者是基于设计的研究方法[17]．祝智庭在论文中也指出“早期曾经使用设计实验、形成性研究、发展研究等名称，后来逐渐趋同于采用教育设计研究名称”[18]．

需要注意的是，尽管设计研究、设计实验、发展研究等都表示设计研究，出于忠实原文的考虑，仍然按照原作者在论文中使用的术语，没有统一使用设计研究这一术语．

1.1 设计研究产生的背景

由于教育实践中明显缺少行之有效的教育研究方法，实验、调查相关性分析等传统的研究方法，重在描述问题，但却很难为教育中的问题提供有效的解决办法，于是教育中不同领域的研究者呼吁能有一种研究设计，来真正解决好教育实践中的问题[16]．例如，基于设计的研究联盟指出：教育研究常常与日常实践中的问题相脱节，从而导致信度大打折扣，所以需要寻求一种新的研究方法，以直接解决实践中的问题，并且促进实用性知识的发展[13]．设计研究除了关注直接的实践应用和政策意义外，也可以通过对学习过程和支持这些过程的方法的研究来发展实证的扎根理论[19]．

1.2 设计研究的内涵

1992年Collins在“教育设计科学”一文中首次使用设计实验这一术语，他指出“教育技术中心的主要目标是系统研究技术创新，建构设计实验的方法论来研究在课堂和学校使用技术的不同方式，建构如何设计教育环境以便成功引入新技术的系统科学”[11]．同年，Brown在“设计实验：课堂情境下创造复杂干预的理论挑战和方法论挑战”一文中也使用设计实验这一术语，指出“她目前做的就是Collins称之为设计实验的工作，模仿了航空学和人工智能学这些设计科学的方法”[12]．而Collins和Brown都没有定义设计研究．

随着研究者对设计研究认识的不断深化，21世纪初研究者开始定义设计研究．王文静将设计研究的定义归纳成了“方法说”“方法论说”“范式说”3种[20]．

设计研究的“方法说”是把设计研究定位为一种研究方法．例如，美国国家研究委员会（NRC）认为设计研究是检验机制的分析方法，这种方法始于若干机制的理论猜测，然后通过设计、实施、系统地研究教育工具（课程、教学方法、计算机程序）来检验机制，教育工具反映了最初的猜测的机制[17]．Anderson认为设计研究作为一种教育研究方法，其重点是在可操作的教育环境中系统、多维地开展教学干预并评估其效果[21]．

设计研究的“方法论说”是把设计研究定位为一种方法论．例如，Wang、Hannafin认为基于设计的研究是一种系统而灵活的方法论，旨在在真实情境中，研究者和实践者合作的基础上，通过迭代分析、设计、发展和实施改进教育实践，产生基于情境的设计原则和理论[22]．Anderson认为基于设计的研究是为教育工作者设计的一种方法论，旨在增进教育研究成果影响力、促进迁移转化以改进实践[23]．Confrey在《剑桥学习科学手册》中撰写了一章“作为方法论的设计研究的发展”，从标题也可以看出Confrey认为设计研究是一种方法论．杨南昌根据国外研究者的定义和特征，指出基于设计的研究是一种探究学习的方法论，旨在设计一些人工制品（如软件、工具、学习环境）作为一种教学干预或革新（innovation）应用于实践，以潜在影响自然情境之中的学与教并对其作出阐释，在此基础上产生新的理论，支持持续的教育革新，即促进教育实践和学习理论的同等发展[24]．焦建利认为基于设计的研究是在真实情境中，以研究者与实践者的协作为基础，将科学的方法与技术的方法有机结合，通过反复循环的分析、设计、开发和实施，开发技术产品，在改进教育实践的同时，修正和发展新的教育理论的一种研究方法论[25]．

设计研究的“范式说”是把设计研究定位为一种研究范式．例如，基于设计的研究联盟指出，设计研究是在特定的情境下通过对教学策略和工具的系统研究逐渐发展起来的系统研究范式[13]．张文兰、刘俊生认为基于设计的研究是一种为了解决现实教育问题，管理者、研究者、实践者和设计者等共同努力，在真实自然的情境下，通过形成性研究过程和综合运用多种研究方法，根据来自实践的反馈不断改进直至排除所有的缺陷，形成可靠而有效的设计，进而实现理论和实践双重发展的新兴研究范式，其研究的核心要素是教育干预的设计、实施、评价和完善[26]．王文静认为基于设计的研究是学习科学家和教育研究共同体为了更好地认识“人是如何认识学习的”而发展出的一种新兴范式[20]．

通过对文献的进一步梳理，发现国外有学者认为设计研究是一种方法，也指出设计研究是一种方法论．例如2005年Anderson指出基于设计的研究是一种方法，2012年Anderson又指出基于设计的研究是一种方法论．类似地，也发现国内一些学者认为设计研究是一种方法论，同时也指出设计研究是一种研究范式．例如，祝智庭的论文“设计研究作为教育技术的创新研究范式”，从标题就可以看出作者认为设计研究是一种研究范式，同时作者直接应用了Wang和Hannafin的定义：设计研究是一种系统而又灵活的方法论[18]．再如杨南昌的论文“‘设计研究’纷杂概念的界定及与相关方法的比较——学习研究的原初视角”，作者认为设计研究是一种方法论，同时作者开篇也指出设计研究是当前国际教育领域正在兴起的一种研究新范式[24]．

此外，还有些学者没有明确指出设计研究是“研究方法”“研究方法论”还是“研究范式”．例如Cobb认为设计实验是指设计特定的学习方式、并在支持这些学习方式的特定情境下系统地研究这些学习方式．设计的情境需在实践中测试和修正．连续迭代就类似于实验中的系统变量[14]．Plomp、Nieveen认为设计研究是设计和开发干预，为复杂教育问题提供解决方案，促进了解这些干预的特点以及设计开发的过程，或设计和开发教育干预，从而开发或验证理论[16]．梁文鑫、余胜泉认为基于设计的研究，旨在通过形成性研究过程，采用“逐步改进”的设计方法，把最初的设计付诸实施，检测效果，根据来自实践的反馈不断改进设计，直至排除所有缺陷，形成一种更为可靠而有效的设计[4]．倪小鹏认为基于设计的研究可定义为：在具体教学情境中，分析具有普遍性的教学问题，设计具有教学理论特征的教学干预，并通过不断应用、评估、修正的渐近过程来探索实际问题的解决方案和理论解释[8]．

综上所述，设计研究具有以下特点[16]．（1）干预：研究的目的是在真实情境中设计干预；（2）迭代：研究过程是设计、评价、修正之间的多重循环；（3）过程取向：重点是了解和改进干预的过程（避免黑箱式模型即只考虑输入—输出的测量）；（4）实用取向：以真实情境中用户的体验衡量设计的价值；（5）理论取向：设计必须（至少部分）基于概念框架和理论观点；（6）实践者的参与：在研究的不同阶段和活动中，需要实践者的积极参与和合作，这样就增加了教育情境中干预的针对性和实用性，从而提升成功实施的可能性．

1.3 设计研究与实验研究的区别

Collins认为设计研究和实验研究存在以下区别[27]．第一，实验背景与真实情境．实验研究是在实验室背景下进行的，设计研究是在真实世界情景中进行的．第二，一个因变量与多个因变量．大部分心理学实验研究包括一个因变量，设计研究则有多个重要的因变量．第三，控制变量与描述情境．心理学实验研究控制变量，设计研究则是描述情境．第四，固定的程序与灵活的设计修正．心理学实验研究通常采用固定的程序，设计研究则是灵活设计修正．第五，社会孤立与社会互动．在心理学实验研究中，研究对象是孤立学习的，他们通常不与其他学习者、教师或专家互动．相反，设计研究是在复杂的社会情境中，比如教室中进行的；第六，检验假设与开发．在心理学实验研究中，要通过系统地改变学习状况来检验假设，设计研究的目标则是考查在什么状况下导致了不同的效果；第七，实验者与设计和分析的参与者．在心理学实验中，实验者决定如何设计和分析数据，在设计研究中，教师、课程设计者、技术专家、认知心理学家、人类学家都可能参与设计和评估效果．

1.4 设计研究的类型

设计研究具有双重目的，首先它为教育实践中的复杂问题提供基于研究的解决方案，其次它致力于开发或验证学习过程、学习环境相关的理论．因此，Plomp根据设计研究的目的，将设计研究分为了开发研究和验证研究[16]．

在开发研究中，教育设计研究的目的是针对教育实践中的复杂问题，开发出基于研究的解决方案，这种类型的设计研究被定义为系统地分析、设计和评价教育干预．它有双重目的，一是针对教育实践中的复杂问题，提出基于研究的解决方案，二是促进对干预以及设计、开发干预的理解．在验证研究中，教育设计研究的目的是发展或者验证理论，这种类型的设计研究被定义为教育干预的研究（例如学习过程、学习环境等），旨在发展或验证如何设计教育干预以及教育干预过程的理论[16]．

需要注意的是，从概念上来说，对开发研究和验证研究进行区分是非常重要的，然而在实践中，设计研究者在研究中可能会把两者混在一起[16]．

Cobb、Jackson、Dunlap[28]认为设计研究可以分为课堂设计研究、专业发展设计研究和团体设计研究．在课堂设计研究中，一个研究团队与一个负责教学的数学老师（数学老师可以是研究团队成员）合作以便考查学生在特定数学领域的学习过程；在专业发展设计研究中，一个研究团队与一组在职教师或职前教师合作以便支持教师的专业发展；在团体设计研究中，一个研究团队与教师、学校管理人员和其他利益相关者合作以便支持学校和地区数学教学能力的提高．Cobb等还指出以上3种设计研究不能涵盖所有的设计研究，最明显的是忽略了一对一的设计研究．在一对一的设计研究中，研究人员通过对一小部分学生的一系列教学来考查和模拟学生在特定数学领域的学习过程．

2 设计研究的过程

设计研究有哪几个阶段？如何实施？不同研究者有不同看法．例如Reeves[29]描述了设计研究的方法如图1所示．

Gravemeijer、Cobb认为设计实验包括准备设计实验，进行设计实验、回顾分析3个阶段[30]．准备设计实验这一阶段的目标是构建本土化的教学理论，并且在开展预期设计实验的过程中不断细化和修正；当所有准备工作已经就绪，本土化的教学理论已经构建，接下来就可以开展设计实验了．设计实验的核心是一个由设计、测试教学活动以及设计其它方面构成的循环过程．在每节课的循环中，研究小组都在头脑中预想实验，设想计划的教学活动在师生互动中如何体现，以及学生在参与教学活动的过程中学到了什么．在课堂上开展教学活动的过程中，研究小组通过回顾、反思，尝试去分析学生的参与过程和学习过程，并在分析的基础上，评估教学活动中猜测的有效性，进一步决定建立哪种特定的规范，以及决定修改设计中的哪些具体方面等．因此，设计实验是一个包括预想实验和实际教学实验的循环过程，如图2所示．回顾分析这一阶段是针对整个实验过程中收集的数据而进行的．当然回顾分析的目标取决于设计实验的理论意图．不过，其主要目标之一就是促进本土化教学理论的发展．

图1 对问题、解决方案、方法及设计原则的修正

图2 设计实验的循环过程

Stephan[31]在Gravemeijer基础上提出课堂设计研究，包括准备/设计阶段、实施阶段、分析/修正阶段，如图3所示．

图3 课堂设计研究循环

Kwon[32]认为设计研究包含设计、实施、反思3个阶段，如图4所示．

图4 设计与实施及反思3个阶段的迭代循环

类似地，Plomp、Nieveen[16]认为设计研究包含以下阶段．（1）初步研究阶段：需求和情境分析、文献综述、概念或理论框架的提出；（2）开发或原型阶段：迭代设计阶段由很多迭代组成，每个迭代都是研究的一个微循环，形成性评价是重要的研究活动，旨在提高和完善干预；（3）评价阶段：（半）总结性评价，以确定解决方案或者干预是否符合预先确定的标准．由于这个阶段往往形成后续干预改进的建议，所以称之为半总结阶段．

上述关于设计研究过程的描述都比较接近，基本上都是认为设计研究包含准备设计实验、进行设计实验、反思设计实验3个阶段，Stephan文中的现实数学教育理论也就是Cobb文中的本土化教学理论，同时也是Reeves文中的设计原则，还是Plomp和Nieveen文中的概念或理论框架，也就是说这些研究者提出的设计研究过程主要差别在于表述方式不同，表述的详细程度不同，此外每一阶段包含内容有一些细微差异．

3 设计研究在数学教育研究中的应用

3.1 设计研究可以在数学教育研究中应用吗？

1992年Collins借用了Simon的设计科学概念，倡导建立一种教育中的设计科学，不是像物理或心理学一样的分析科学，而是像航空学或人工智能一样的设计科学．正如航空学要研究不同的设计是如何帮助升空、缓行和机动性一样，教育中的设计科学必须决定学习环境的不同设计如何帮助学习、合作和动机激发[11]．因此，设计研究可以在教育研究中应用．

具体到教育技术研究，祝智庭指出教育技术应用的核心活动是设计，而设计是富有创新意义的思想行为．传统的教学系统设计模式企图照搬自然科学研究的思维方法和工程设计的行动路线，相信存在着超然于情境之上的、通用的教学系统开发模型，在实践中往往遭遇失效的尴尬．而采取设计研究方法，则需要教育技术研究者与教学实践者密切协作，在实际情境中发现急需解决的问题和根据需要确定开发目标，然后可以借鉴已有的理论和方法但不照搬，通过设计干预并在真实教学境况中实施这些干预来检测设计的效用，针对设计缺陷提出设计改进方案和新的理论假设，通过迭代过程优化理论和实践，这种研究范式对于提升教育技术的理论水平和实用价值，无疑是最具威力的．因此，设计研究特别适合于教育技术研究[18]．

设计研究适合在数学教育研究中应用吗？数学教育研究中，Lesh探讨了数学教育的定位问题，数学教育应该定位为应用教育心理学、应用认知心理学，还是应用社会学？应该定位为纯粹科学还是设计科学？Lesh认为，数学教育应更像是一门设计科学[33]．因此，从数学教育的定位来看，设计研究也适合在数学教育研究中应用．特别是，中国《普通高中数学课程标准（2017年版）》凝练了数学核心素养，包括数学抽象、逻辑推理、数学建模、直观想象、数学运算、数据分析．因此可开展发展学生数学核心素养的设计研究，陈行、鲍建生等也指出指向数学核心素养的活动设计可能会成为未来数学任务设计的一个重要方向[34]．

3.2 设计研究在数学教育研究中的应用

从国际上来看，设计研究已经应用于数学教育、教育技术、科学教育、教师专业发展研究中．如前面提到的Fauzan，应用设计研究在印度尼西亚小学开发了适合小学四年级学与教的高质量的基于现实数学教育理论的几何课程[35]．再如Wang创建了一个基于ICT工具的在线学习环境，用于支持新加坡国立教育学院学生在完成课程小组作业时的协作学习．应用设计研究来对学习环境进行发展和完善．其中学习环境的设计经历了两个阶段．首先研究生提出了不同的策略，如小组、友情、有意义的学习任务、工具驱动、进度报告，并在设计的第一阶段通过4个班中的48个小组对各个策略进行测试．测试结果表明友情、有意义的学习任务、进度报告等策略非常有效，而其他策略，例如小组，需要进一步修正．在第一阶段结尾修正了设计策略，并在第二阶段用23个小组进行了进一步测试，结果显示修正后的策略效果更好[36]．

从中国大陆来看，设计研究主要应用于教育技术、数学教育研究中．例如，张倩苇以中国基础教育新课程改革中的综合实践活动课程为切入点，通过提供课程材料以及教师专业发展培训和学校后续支持活动，支持教师实施综合实践活动课程，探索了设计研究在中国本土化的实践应用[37]．杨南昌在上海一所小学进行了聚焦课堂学习社会结构重要因素——参与结构的课堂设计研究[38]．俞树煜等依托教育技术学研究生“现代教育技术原理”课程，采用设计研究，通过数轮的迭代修正，获得了一个能有效促进学习者批判性思维发展的学习活动设计模型[39]．

数学教育研究中应用设计研究的主要是华东师范大学数学教育博士学位论文．例如，高雪芬[40]研究了大学生对微积分中的基本概念具有什么样的概念意象，存在哪些概念误解？如何设计微积分的概念教学，以加深学生对概念的理解，提高其运用基本概念的能力？他的研究可以分为以下3个阶段．（1）准备和设计：根据现有文献及教学经验总结出学生所遇到的常见错误与问题以及每个案例教学设计的要点（设计原型），设计出概念的前后测试卷，对测试时间、教学时间做出安排．（2）教学实践：针对前测中发现的问题，对原有的教学设计（设计原型）进行修正，并实施概念教学．（3）回顾分析：任课教师撰写教学反思，并对概念教学设计原则进行修正；依据修正后的原则，开始下一轮的教学设计．再如，杨亚平[41]以整合性STEM教育理念为指导，设计研究为方法论指导，借鉴设计研究在课程与教学领域的研究范型——“形成性研究”的具体方式，经过教学模式原型的提出、3轮迭代实施和修正，最终得到了可行的、有效的整合性STEM教育理念下工程类高职数学教学模式．

中国台湾也有研究者在数学教育研究中应用了设计研究．例如李立凯[42]研究了如何发展以臆测为中心的教学活动设计？他在研究中参考了Cobb、Gravemeijer提出的设计实验的三大关键步骤，将研究流程分为3个循环来进行．第一次循环先参考MIC教材、NAEP测验以及中国台湾教育部编版教科书等教材，运用内容分析法进行整理分析，并根据中国台湾九年一贯能力指标及学生的假设学习轨迹来设计相应的数学任务，初步完成的任务由数学教育研究者、博士、硕士研究生以及在职教师一起讨论预想实验．然后由研究者针对C1班级进行第一次教学实验；第二次循环首先针对第一次教学实验的结果进行回顾分析，接着由同一研究者针对C2班进行第二次教学实验；第三次循环则针对第二次教学实验的结果先回顾分析，然后将修正后的教学活动设计请一位合作教师对C3班进行教学，研究者以观察者的身份进行课堂观察，最后完成对教学设计的修正与精致化．

4 结语

总的来说，设计研究在国内数学教育研究中的应用还是十分薄弱的．以数学教育博士学位论文为例，有研究者采用内容分析法对1993—2016年的255篇数学教育博士学位论文的研究方法进行统计分析，研究发现数学教育博士学位论文的研究方法以混合研究、量化研究居多，质性研究、思辨研究相对较少，设计研究最少[43]．国内数学教育研究者应重视设计研究的应用，在了解设计研究内涵、类型、过程以及适用范围的基础上，应用设计研究发展理论，开发基于研究的解决方案，解决教育实践中的复杂问题．

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On Design-Based Research: Its Conception, Categorization, Process, and Applications

LI Zhuo1, 2, BAO Jian-sheng1, 2

(1. School of Mathematical Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China；2. Shanghai Key Laboratory of Pure Mathematics and Mathematical Practice, Shanghai 200241, China)

Since the 1990s, design research has begun to rise internationally, gaining increasing influence during this century. This paper reviews the connotation, form, process, and application of design research to deepen researchers’ comprehension and better serve them in their research. We found that the application of design research is very weak domestically. Thus, we suggest that Chinese mathematics researchers should pay more attention to design research and use it to develop educational theories and solve educational problems based on the comprehension of research design’s connotation, form, process, and range of application.

design research; connotation; form; process; application

G40-034

A

1004–9894（2020）05–0052–06

李卓，鲍建生．论设计研究：“内涵”“类型”“过程”与“应用”[J]．数学教育学报，2020，29（5）：52-57．

2020–03–29

上海高校立德树人人文社会科学重点研究基地、上海市数学教育教学基地研究项目——数学教师的实践知能和教师专业发展者的现状调查（16048/002）；上海市核心数学与实践重点实验室课题——数学实践（13dz2260400）

李卓（1988—），男，山东曲阜人，博士生，主要从事数学教育研究．

[责任编校：张楠、陈隽]