基于设计思维的协作问题解决能力发展教学研究

王妍莉 张红妍 毛晓龙

（1.西北民族大学 教育科学与技术学院，甘肃 兰州，730000；2.静宁县阿阳实验学校，甘肃 静宁，743400）

一、导言

进入21世纪以来，学习者的协作交流、问题解决能力受到了广泛的重视。在教育教学活动中，如何培养和提升学习者的“协作问题解决能力”成为了研究热点。协作问题解决（Collaborative Problem Solving，简称CPS）能力，是指两个或多个参与者通过分享他们的知识、技能和努力共同形成方案来解决问题的能力（OECD,2015）。已有研究证明，以作品开发为表征的项目式教学可以有效提升学生的问题解决及CPS能力（Manzoor & Haque, 2018;Thomas, 2000）。但是教学过程存在一些不足，首先，项目式教学强调项目实施过程中教师要引导学生发现问题、引导学生自主探究项目，但是对于教学实施过程中教师如何引导却缺乏可操作性的指导建议；其次，项目式教学常应用于中小学领域，更加关注依托项目实施来建构对学科的核心概念和基本原理的理解（刘景福，2002)，而高教领域的应用有更加灵活的知识框架，更加注重能力的培养，但目前实施过程中往往会将较多的精力放在作品开发软件工具的学习和小组开发作品的流程中，对于作品开发前期的设计环节缺乏关注，这样容易导致项目作品缺乏创意和实用价值，无法引导学生通过完成作品而具备真实情境中解决现实问题的能力。因此需要在肯定项目式教学优势的基础上进行优化和改进。

为此，本研究聚焦于在已有的项目教学中引入设计思维的方法，构建面向CPS能力发展的设计思维教学模式，以期探索将学生CPS能力融入日常课程教学的有效途径。

二、基于设计思维的教学模式构建

（一）CPS能力的技能和倾向

21世纪能力教学与评价项目（Assessment &Teaching of 21st Century Skills，简称ATC21S）（Griffin,Mcgaw, & Care, 2014）将CPS能力分为“认知能力”和“社交技能”两个二级指标，其中“认知能力”又进一步分为如何管理自己的任务和如何进行知识建构两个维度，“社会技能”又包含互动、坚持完成任务等强调参与的维度；关注响应能力等强调观点视角的维度，以及包含自我检视、交互记忆等强调任务完成的维度。 PISA2015评估中将CPS能力分为三种能力（同情理解能力、问题解决能力和团队组织能力）和四个主要的个人问题解决过程。从上述两个最早关注CPS能力测评的国际项目的界定中可以看出，CPS能力指一种同时包含以协作为主的社会技能和以问题解决为主的认知技能的高阶能力，强调两位以上的团队成员在一个共同的基于真实问题的任务解决过程中，及时沟通与互动，努力建立解决方案的共性理解，并最终达到理想的问题解决目标状态。它可以为学生项目协作过程提供一个更有效的分工，让不同的团队成员共同协作，并通过交流分享各自观点，从而不断优化解决方案，最终有效地完成项目任务（马志强，2019；马志强，2021）。

（二）基于设计思维的教学是提升CPS能力的新途径

关于设计思维的概念和内涵有不同角度的表述。有学者提出方法论，认为设计思维是可以指导人们解决产品设计中的实际问题的创新方法（Cook & Bush,2018)；有学者提出了流程说，认为设计思维是一个分析和创造的过程，用来指导创新的产生和问题的解决的流程（约翰·斯宾塞，A.J.朱利安尼，2018)；有学者将设计思维作为一种思维能力，认为它是可以帮助人们创造性地解决模糊且棘手问题能力的表达（Buchanan, 1992），还有学者认为设计思维是解决复杂问题的认知活动，以达成一种最佳的解决方案或者产品（Carroll et al., 2010）。

无论哪一种角度的概念表述，都认为设计思维本质是一种解决复杂问题的创新方法体系。需将问题解决作为一个学习过程，学习者要关注来自真实情境的问题，需要参与真实的、动手的任务，从而帮助学习者解决不明确的或困难的问题（迈克尔·G.卢克斯，K.斯科特·斯旺，阿比·格里芬，2018；陈鹏，黄荣怀，2019）。设计思维和CPS能力同时聚焦于问题解决，前者作为解决问题的有效方法，后者评价问题解决能力，是相互促进的过程。

目前许多高校都以设计思维为核心开设了相关的课程和项目（Wrigley & Straker, 2015；沙普尔斯 等，2017），已有大量实践证明设计思维可以提升学生的创造性问题解决能力（Benson, Dresdow,2013）、创新能力（闫寒冰，郑东芳，李笑樱，2017）、批判性思维和知识创造效能感（李海峰，王炜，高秀敏，2020）。综上，我们认为设计思维的方法可以从更加细节的角度让项目式教学操作规范，从而更加有效地保障学生CPS能力的发展。

（三）基于设计思维的教学模式构建

基于设计思维教学模式就是聚焦学生CPS能力发展，以设计思维过程模式为指导，优化传统项目化教学过程形成的教学过程模式。设计思维是关注溯因推理的探索谜题的过程，可以被认为是寻找问题空间和解决空间的建构过程（林琳，沈书生，董玉琦，2021）。设计思维的实践应用已经形成了成熟的模式，例如：应用最为广泛的美国斯坦福大学设计学院提出EDIPT的设计思维五步骤模式（Carroll et al., 2010）；产品开发与管理协会（Product Development Management Association，PDMA）提出的包括确定问题和解决问题两个阶段，发现、界定、创造、评估四个步骤的设计思维循环模式（迈克尔·G.卢克斯 等, 2018）；全球最大的设计咨询机构IDEO（2011）提出的针对教育者的发现（Discovery）、解释（Interpretation）、构思（Ideation）、实验（Experiment）、评估（Evaluation）的设计思维模式。

在参考应用设计思维EDIPT的五步骤模式的基础上，解析各个步骤的应用目的，对应CPS能力的评价标准，我们构建了面向CPS能力发展的设计思维教学模式，具体见下页图1。其中“同理心”（Empathize）即站在用户的角度来理解需求，该环节重点强调对项目本身的理解，对产品潜在用户的深度观察分析。基于该目标，我们提出在项目式教学过程中，首先需要明确项目目标，包括教师明确项目任务要求、组建学生项目团队、目标用户分析、情景分析等；“定义”（Define）阶段的作用是根据上阶段收集到的信息发现更具体的问题。该阶段要求在收集解读用户信息的基础上，推断出可能存在的关键问题，选择并聚焦问题。基于该目标，我们提出项目式教学过程中，产品的设计开发要与真实情境中的实际问题相关联，项目制作的过程带着问题意识进行；“构思”（Ideate）阶段需要收集尽可能多的想法，该阶段强调团队成员在良好的氛围中能征集不同视角的创意方案。基于该目标，我们提出项目式教学过程中，要注重团队成员的协作交流效果，基于头脑风暴、思维导图等探索问题解决方案；“原型”（Prototype）即筛选部分想法进行可视化解决方案，该阶段需要筛选具体的方案，通过制作模型的方式进行效果展示，具体包括在项目实施中要进行脚本设计、产品开发；“测试”（Test）是面向用户征求反馈修改意见的过程，并持续迭代优化整个过程。在基于设计思维的教学过程也需要针对项目作品效果不断进行反馈修改。

图1 基于设计思维的教学模式

在整个过程中，需要项目团队成员不断地协调沟通，利用设计思维的成熟模板进行沟通记录，并在项目实施过程中始终以真实情境中的问题解决达成度来评价、优化项目作品，从而有效提升学生的CPS能力。

三、教学实证设计

（一）实验环境与变量控制

本研究采用准实验研究方法，验证面向CPS能力发展的设计思维教学应用效果，准实验流程如图2所示。

图2 准实验流程设计

研究对象选择某高校本科三年级学生，其中实验班35人、对照班32人，前测数据显示实验班（M实）和对照班（M对）在问题解决能力（M实=3.49，M对=3.47，P＞0.05）和协作学习能力（M实=3.66，M对=3.54，P＞0.05）方面均无显著差异；两个班级教学内容相同，包括“中小学信息技术在线教学设计”和“中小学信息技术微课开发”两个项目，每个项目为期3周，每周4学时，实验周期共计6周24学时；教学过程均以小组合作的方式进行，基于已有的学业水平异质分组，每组包括5到6位同学。两个班级教学活动的主要差别在于：实验组按照基于设计思维的“明确项目目标—形成探究问题—探索解决方案—形成解决方案—反馈方案效果”的流程组织；对照组按照“确定选题—小组合作—分享交流”组织。

（二）测量方法与工具

协作学习和问题解决同时作为学习目标中的高阶目标，都是复杂的、建构式的、非线性的序列活动，影响因素众多，难以直接测量，也没有统一的标准（祝嘉钰，2018）。本研究借鉴PISA2015评价指标，对于设计思维教学模式应用效果的评价从CPS能力提升总结性评价和能力发展的过程性评价两个方面进行，具体包括学业考试成绩、自评量表和在线协作交互文本挖掘。各自使用的分析维度和工具如下：

1. 学业绩效

学业绩效的考核包括三部分：①考试成绩，是学生评价最为直接且有效的方式，选择了能够体现学生问题解决能力的期末成绩，这需要学生独立完成作品；②小组作品，是在教学过程中协作完成的阶段性作品，主要体现CPS能力，由组间评价和教师共同评价计算成绩；③学习投入情况，即常规的能够反映学生行为投入的出勤成绩。

2. 自评量表

自评量表主要针对协作学习能力和问题解决能力进行了实验前初始和期末实验后的两次自评问卷，并在学期末增加了对教学效果的满意度调研。如表1所示，量表内部一致性信度较高。

表1 自评问卷来源及信效度分析

3. 在线协作交互文本挖掘

文本挖掘通过非结构化文本数据的分析形成可理解的信息与知识（刘三等，2016）。目前，许多研究都在关注在线协作交互过程，尤其是在线交互言语特征（姜卉，张振虹，黄荣怀，2008），通过分类编码交互文本内容分析学习者的行为变化、能力发展等（柴阳丽，陈向东，荣宪举，2019；刘君玲，张文兰，刘斌，2020）。本研究中主要采用内容分析法和滞后序列分析（LSA）法进行交互文本信息的挖掘。我们选择实验班和对照班各小组在两次项目实施过程中通过即时交互工具（QQ群）所产生的1 934条在线交互文本进行了统计和编码分析。编码框架参考 Nijmegen（2005）在协作学习编码框架中提出的三种编码子分类并结合郑娅峰、张巧荣和李艳燕（2020）改编的编码表修订而成的编码体系如表2所示。编码过程以一条文本为基本编码单位，多位研究者独立编码并基于R=n×K/[1+（n-1）×K]公式进行编码信度计算，结果显示，交互文本编码的一致性为81.99%，信度系数R=0.901，R大于0.9表明编码分析有较高信度。其次针对编码差异部分进行协商达成共识，将达成一致的编码结果采用软件GESQ5.1进行滞后序列分析（郑兰琴，2013）。

表2 协作问题解决（CPS）评价编码维度

四、教学实证研究数据分析

这部分主要进行CPS能力提升的总结性评价及CPS能力发展的过程性评价，通过学业绩效、自评量表和在线协作交互文本挖掘相互佐证，以验证教学模式的有效性。

（一）学业绩效分析

基于前文的学业绩效类别进行设置，主要包括考试成绩、小组作品成绩和出勤成绩，通过表3分析可以看出，体现CPS能力的考试成绩（M实=78.71，M对=72.87，t=2.91，P＜0.01）和小组作品成绩（M实=89.77，M对=84.17，t=6.95，P＜0.001），实验班显著高于对照班。反映学生行为参与的出勤成绩（M实=93.71，M对=93.33）实验班虽然高于对照班，但是没有显著差异。

表3 学业绩效独立样本t检验分析

（二）自评量表数据分析

针对协作学习能力、问题解决能力和教学满意度的自评效果，我们通过问卷调研的方式进行了自评数据收集。如前文所述，实验班和对照班的前测初始状态无显著差异，后测数据具体分析如下。

1. CPS能力的后测数据显著提升

通过表4可以看出，整体而言，实验班和对照班的协作学习能力、问题解决能力自评后测数据均值都有所提升，实验班在协作学习能力（M实=3.84，M对=3.67）和问题解决能力（M实=3.77，M对=3.58）后测数据均值整体高于对照班。实验班学生问题解决能力（M实前=3.48，M实后=3.77，t=-2.96，p＜0.01）前后测差异显著。这表明项目式教学对于学生的协作学习能力和问题解决能力都有一定的促进作用，但是面向CPS能力发展的设计思维教学对于问题解决能力的提升更大。

表4 自评问卷配对样本t检验分析

2. 实验班后测数据整体高于对照班，满意度差异显著

我们针对教育模式、教学方法和自我评价方面进行满意度调研，结果表明实验班的满意度均值显著高于对照班（M实=3.30，M对=3.00，t=-2.77，p＜0.01），这表明学生对于设计思维视域下的教学模式认可度较高。

（三）在线协作交互文本内容分析

实验班与对照班在项目实施过程中的组内在线讨论文本编码结果如图3所示。整体而言，首先实验班学生参与讨论的在线协作交互文本数量明显高于对照班；其次，实验班“陈述”“协商”“提出问题”“组织管理任务”的在线协作交互文本比例明显高于对照班，例如：C21（同意）、C11（给出观点/方案）、C12（进一步解释观点）、C31（提出问题）、C14（总结观点/方案）、C13（修订观点/方案）、C22（同意并给出证据）、C24（不同意并给出证据）、C32（追问）、C41（组织/分配任务）、C51（积极情感）均高于对照班。同时也可以看出，实验班中讨论与项目实施无关的对话文本，如C61（其他无关内容）低于对照班。这能够反映出实验班的学生在项目实施过程中更加聚焦问题解决的交流，并在这个过程中个人会有积极的贡献、良好的收获和愉悦的体验，从而促使他们随着教学项目的实施而继续增进协作交互行为。

图3 讨论协作问题解决方面分布的定量内容分析

（四）在线协作交互文本滞后序列分析

为了进一步深入分析教学活动中CPS能力行为的交互深度，比较这两项活动中讨论的效果，研究采用滞后序列分析的方法对于内容分析的文本进行了行为关联性的分析。如图4、图5所示，残差标准值Z-Score均大于1.96，可判别行为路径具有显著意义（Chen, Lee, Chu, Wang, & Jiang, 2005）。

图4 实验班协作问题解决行为序列转换

图5 对照班协作问题解决行为序列转换

从图4可以看出，实验班中有12对行为转换序列在统计学意义上具有显著性，分别是C21→C22（Z-Score=2.78），C22→C11（Z-Score=2.53），C11→C12（Z-Score=2.78），C23→C12（Z-Score=2.42），C13→C31（Z-Score=2.92），C31→C32（Z-Score=2.78），C32→C24（Z-Score=4.05），C51→C42（Z-Score=2.03），C42→C61（Z-Score=4.26），C14→C41（Z-Score=2.91），C41→C11（Z-Score=3.78），C52→C22（Z-Score=2.97）。对实验班的CPS能力的行为路径进行详细分析，分析结果如下：

实验班路径一：首先C14（总结观点/方案），C41（组织/分配任务）后给出C11（观点/方案），最后C12（进一步解释观点）；说明实验班小组在讨论过程中关于项目的实施过程中基于问题的解决是反复推敲的多次讨论得来的。

实验班路径二：先是C21（同意）接着是C22（同意并给出证据），根据给出的证据，实施C11（给出观点/方案），最后C12（进一步解释观点）。

实验班路径三：由C52（其它情感）导入，同伴们实施C22（同意并给出证据），根据给出的证据，实施C11（给出观点/方案），最后C12（进一步解释观点）。

这两条路径都明显地显示实验班学生得出的观点与看法是依靠相应的证据来实施的。

实验班路径四：先是C23（不同意）别人的提出的观点，再是C12（进一步解释观点）。

实验班路径五：先是C13（修订观点/方案），修订的时候C31（提出问题），这时候有人会有C32（追问），大家会积极地发表自己的看法，最多的就是C24（不同意并给出证据），表明自己为什么不同。

实验班路径六：先是C51（利用积极情感）鼓励自己的同伴，再是小组内C42（协调管理/提醒），但在这个过程中大家可能会喜欢谈论C61（其他无关内容）。

如图5所示，对照班中有6对行为转换序列在统计学意义上具有显著性，分别是：C21→C41（Z-Score=2.58），C41→C11（Z-Score=2.50），C42→C12（Z-Score=2.11），C12→C14（Z-Score=2.93），C13→C31（Z-Score=2.13），C14→C31（Z-Score=3.11）。

对照班路径一：C21（同意），之后开始C41（组织/分配任务），最后C11（给出观点/方案）。

对照班路径二：C42（协调管理/提醒），之后C12（进一步解释观点），最后C14（总结观点/方案），C31（提出问题）。

对照班路径三：C13（修订观点/方案），之后C31（提出问题）。

通过对图4、图5分析可以看出，首先实验班的有效的行为转换序列多于对照班，这表明实验班的互动过程要更加稳固；其次，对照班的行为序列在C11（给出观点/方案）或C31（提出问题）就会停止，但是实验班会在此基础上进行C12（进一步解释观点）或C32（问题的追问），这表明实验班对于问题的探究状态要更加深入；此外，由实验班路径六还可以看出，实验班有较为显著的情感交流路径，包括积极情感—协调管理—其他行为的路径，有研究表明其他无关内容讨论反映了用户对这个社区的认可，从而间接地促进了知识建设（Wu, Hou,& Hwang, 2012），由此可以看出基于设计思维的教学能够较好地促进团队成员建立并保持团队组织。

五、研究结论与启示

（一）研究结论

本研究关注学生CPS能力的提升，在项目化学习背景下，增加了设计思维的要素，论证了设计思维提升CPS能力的可行性，并提出了基于设计思维促进协作问题解决能力发展的教学模式。通过准实验研究方法，基于自评量表的前后测数据对比，以及对实验班和对照班在学业绩效和在线协作交互文本挖掘过程性数据的对比分析，最终得出：首先，项目式教学模式对于学生的协作学习能力和问题解决能力都有一定的促进作用，但是基于设计思维的协作问题解决能力发展教学对于问题解决能力的提升更大；其次，基于设计思维的协作问题解决能力发展教学能够有效地保障学生高投入状态，提升学生协作交流深度，引导学生有效问题解决，能够更有效地提升学生的CPS能力，并带来更好的教学满意度。这一结论也与已有研究一致，即设计思维作为一种启发式的方法论，是一种学习活动指导策略，与项目教学的应用较为契合，且能够从更加细节的角度进行规范操作，可用于指导、解决复杂问题或是用以制作具有创造性的作品。它可以给学生提供一套实用的思维方法，并且能有效地培养学生的CPS能力(Wu, et al., 2012；高李霞，2018）。

（二）教学启示

1. 利用设计思维增强教学体验

学生通过作品开发实践过程不仅获得了知识，同时提升了能力，这种教学方式目前得到了普遍认可，但是实际教学过程中往往缺乏对作品的前期规划设计，缺乏对知识的情境体验。设计思维在教学中应用的关键在于将课堂教学过程转变为学生的创造性经验，成员在协作过程中注重作品潜在用户的体验，解决实际情景问题，采用这种令人满意和难忘的方式与他人进行互动，会产生有效设计的体验（Welsh & Dehler, 2013）。通过有贡献的团队沟通协作，利用各种知识共同完成创造性的解决方案，从而会有效提升CPS能力。

2. 有效构建协作学习流程框架

团队协作的重要性已经得到了一致的认可，小组合作活动和项目式教学模式也频繁在教学实验中推广应用，但是往往缺乏具体的实操体系。设计思维的过程性模板为教师提供了有效组织学生讨论的抓手，不再是简单空洞的布置讨论主题。在这个过程中，会有具体指向的讨论主题，会结合实际情景分析作品潜在用户的实际痛点，会即时评估学生在过程中的讨论交流效果。这种协作学习流程可以衍生教学广度和深度，让学习过程不仅仅局限在课堂内，并在非正式学习空间中更好地思考现实情景中的真实问题和解决方案，从而形成良好的可持续协作互动机制，有效地提升CPS能力。

3. 重视教学空间的衍生效果

通过对实验过程中小组内部的协作交互文本分析可以看出，在非正式学习空间中，无教师监督的团队之间的协作交互对于学生的CPS能力有显著影响，这与研究小组在解决问题任务中的表现很大程度上依赖于小组成员的互动所花费的时间和质量（Fiore et al., 2010）的观点相吻合。这表明教师在教学过程中不仅需要重视知识技能的教授，而且需要更多地关注学生小组合作中成员的组成、分工、任务分配等方面的组织协调管理，需要将学生置于有利于交流并达成解决方案的最佳环境中，重视小组协作自运转产生的内聚力才可以有效地保障CPS能力的培养。