样例与自解释在问题解决中的设计策略及作用机制探究

陈 健，宋瑶瑶，顾佼佼

（海军航空大学，山东 烟台 264001）

为了对21 世纪的学习做出清晰的表述，标准、评估与职业培训委员会制定了《21 世纪学习框架》，并提出了最亟需的技能是学习与创新技能、信息媒体与技术技能、生活与职业技能，其中学习与创新技能强调批判性思维和问题解决能力。2017 年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化教育体制改革的意见》，强调创新人才的培养机制[1]，创新人才培养即形成创新型思维与人格。

样例作为教学资源库的重要组成部分，对于复杂问题的学习具有重要的意义。Chen 等[2]认为样例学习可以缩短问题解决的复杂过程，学习者通过观察、模仿问题解决的信息和过程，集中于问题的关键特征，从而理解、应用抽象概念原理，节省有限的工作记忆容量。

一、样例学习及自我解释

（一）样例学习

1.单个样例的设计

样例的内容变异主要指样例内容的正误、样例内容与问题的相似性等。研究认为在学习者学习的过程中，错误是不可避免的，附带错误可以引起反思，从而帮助学生更深层次地处理问题，从而帮助他们克服误解，建立对概念的持久理解[3]。

样例的呈现形式主要是指样例解题步骤的呈现。将完整样例呈现的解题步骤按照知识的内在结构以空格或标记的形式分成几块[4]，或在某一步骤后附着标签，即分段样例，其可以帮助学习者将一系列步骤以组块的形式连接在一起。而对于先验知识水平高的学生会出现专业知识反转效应，可以逐渐省略提供解题步骤的数量，直至剩下问题[5]。

2.多个样例的设计

变异性主要包括表面变异和结构变异，对于多个样例之间变异程度的影响效果尚未有明确的界定，可能会受到学习者先验知识水平的影响[6]。

Trafton 等针对样例与问题的呈现方式，设计了交叉式和分块式，发现交叉式条件下被试解题时间更短，问题迁移的正确率较高。Pooja 将多个工作示例进行组织，分为对比案例和顺序案例，发现对比案例并没有促进概念学习，但却促进了问题迁移的学习[7]。研究表明，样例学习有助于学习者领会问题解决的新知识（新概念、新规则）并掌握其应用的过程[8]。但在实际的教学应用中，学习者解决问题成功与否关键在于学生对示例的理解程度[9]。Chi 在研究中发现良好的问题解决者在样例学习的过程中会向自己解释样例的内容，试图对样例的每一个步骤进行详细的说明。

（二）自我解释

自我解释（Self-Explanation）的概念最初是由Chi 提出，将其定义为任何人向自己做出解释，企图理解新讯息的一种活动。之后，Chi[10]进一步补充“自我解释是人们在阅读文章时所做的推论，一般都是用来澄清或者补充文意，不论推论的多少、完整与否或者正确与否，都称作自我解释”。Chung 发现进行自我解释的学生有较多的知识建构，能够整合较多的概念及例子。之后，在其他知识领域的研究也证实了这一结果，即自我解释与学习者的学习成绩呈正相关[11]。

但随着研究的不断深入，研究者发现并非每一个学习者都可以自发地产生自我解释及使用自我解释策略。Lin 提出在自我解释题目中加入适当的提示，可以增进学生自我解释的相关性及完整性[12]。Chi 将自我解释提示分为一般和具体两种，一般的自我解释提示更类似于一种提醒；具体的自我解释提示要求学生明确地提出该内容的作用和原理。随着教育信息化的发展，Wylie 和Chi[13]对此进一步划分：开放式自解释、指导式自解释、脚手架式自解释、基于资源的自解释、基于菜单的自解释提示。Atkinson 等发现使用集中的、支架式的或基于资源的提示来提供更具特色的解释，与开放式自我解释相比，可以使学生获得更深层次的学习。另外，基于提示的内容类型对自我解释提示进行分类，Schworm 和Renkl[14]将自解释提示划分为学习域提示和示例域提示，其中学习域提示是指帮助学习者构建基本概念，示例域提示是指帮助学习者学习问题论证过程的知识，并且提出不同类型的提示会有不同的效应。

研究中问题解决能力属于复杂的高阶思维，因此在本研究中选用多个样例的呈现方式，并结合自解释提示进行设计。采用2（样例类型：正误样例）×2（自解释提示类型：原理自解释提示和步骤自解释提示）×3（先验知识水平：高、中、低）三因素被试间实验设计，探究基于样例学习的教学对促进学习者问题解决能力培养的有效性。

二、研究方法

（一）被试

本研究选取被试为高等教育层次学生，具有学习自主性强，可以通过多元化途径获取知识，对知识的学习和能力的训练已具有一定的研究意识和探索精神等优点。但课堂参与度弱，学习状态上缺乏自我认识和反思意识。因此，在教学环节需要有针对性地进行教育教学改革，设计问题情景，提供探究学习的机会。

（二）研究工具

本次实验使用的工具有样例材料、学习效果测试题、学习者认知负荷调查问卷。（1）样例材料：依据授课内容设计正误样例并结合自解释提示内容。（2）学习效果测试题：选自应用类课程。主要考察知识的保持和迁移应用，其中知识的保持即改变原题题干提及的数据或情境，知识的迁移需在样例问题基础上增设情景，检测学习者对知识的进一步应用情况。（3）认知负荷问卷：采用DeLeeum 和Mayer（2008）的研究结论，从努力程度评价和材料难度评价两个方面测量认知负荷。并且测试完成后，与被试访谈进一步了解其认知负荷情况。

（三）研究过程

本实验实施于日常的课程讲授完成后，于微机教室中展开实验，实验依据学习者的学习进度，共进行三轮实验。具体实施过程为：首先向四组被试详细地介绍实验程序和实验要求，然后借助GeoGebra 呈现的样例学习材料，发放自我解释提示材料，被试者在进行样例学习的过程中完成作答，每组被试的自学时间为15 min。学习完样例材料后，学习者对学习材料的困难程度和自己的努力程度进行评价，然后为被试发放学习效果检测题，引导被试独立完成，收集被试的学习情况数据，每组被试平均每次后测的时间为15 min。

三、实验数据分析

（一）样例类型和自解释提示类型对学习效果的影响

在样例中加入自解释提示可以有效促进学习者对知识的深层次理解，因此，考虑样例类型和自解释提示类型两个变量对学习效果的影响，首先分析其对学习者认知负荷的作用效果，结果见表1。

表1 样例类型和自解释类型对认知负荷的影响

样例和自解释提示类型对学习材料理解程度的影响不显著（F=1.549，p=0.214>0.05），这说明四组学习者对理解程度评价是趋于一致的，这是由于内在认知负荷是由学习材料本身的性质决定的，与自解释提示类型关系不大。对于努力程度，样例类型和自解释提示类型在努力程度上的交互效应显著（F=5.811，p=0.016<0.05）。对其交互作用进一步分析发现：对于分段样例，原理自解释提示的学习资源能让学习者产生较高的相关认知负荷；对于正误样例，步骤自解释提示的学习资源能让学习者产生较高的相关认知负荷。

由表2 可知，四种学习资源和先验知识水平的交互作用（F=3.027，p=0.007<0.05）显著。对于高初始水平学习者和低初始水平学习者，正误样例+原理自解释提示组学生成绩显著高于其他三组，而对于中初始水平学习者，分段样例+原理自解释提示组学生成绩高于其他三组（图1）。

图1 四种学习资源和先验知识水平对学习成绩的交互作用

表2 样例类型和先验知识水平对学习成绩的影响

（二）样例类型和自我解释提示类型对问题解决能力的影响

样例学习中问题解决主要可以分为四个阶段：类比阶段、规则提取阶段、产生式规则应用阶段、样例储存阶段。由于研究中按照同一知识点对样例和问题进行设计，样例和问题的相似性较大，而类比阶段是学习者通过类比解决问题，因此，在实验中主要从规则提取阶段、产生式规则应用阶段、样例储存阶段三个阶段分析样例类型和自解释提示类型对学习者解题能力的影响（表3）。

表3 样例类型和自解释提示类型对问题解决能力的影响

1.规则提取阶段

在规则提取阶段，从问卷调查数据和访谈资料中可以发现，学习者在学习正误样例时，能够意识到错误解答步骤是错在哪里，为什么错误，但在讲述例题的解题步骤时，对于从样例提取的陈述性规则是比较零散的，只能机械地应用。而对于分段样例的学习，由于标注了每一步的已知条件和未知条件，学习者可以更清楚地了解每一步的含义，在讲述解题步骤时，能够将蕴含的规则与样例结合起来，已经形成了较丰富的陈述性规则。

2.产生式规则应用阶段

在这一阶段，学习者对每一个步骤都有清晰的认识，并通过反复练习熟悉规则，并达到熟练应用的程度，以便在解决问题时更加精确地识别信息、反映更加适当。通过学习者的自解释可以充分了解其样例学习过程中对规则的认识和熟练情况。

不同的样例资源类型，学习者的学习表现是不同的（F=6.118，p=0.002<0.05），分段样例+原理自解释提示组学习者的自我解释得分情况较高，并且学习表现更稳定。而对于先验知识水平不同的学习者，先验知识水平越高，自解释得分就越高，研究者猜测导致这一现象的原因可能是实验时间相同，而不同先验知识水平学习者对规则的掌握速度是不同的，因此先验知识水平较低的学习者需要更多的时间完成自我解释。

3.样例储存阶段

处于样例储存阶段的学习者已经学习了大量的样例，当遇到问题时，可以直接地从记忆中提取相应的解法。因此，为了检测学习者在解决问题时，记忆中解法的提取和应用情况，本研究中通过对学习者解题过程进行详细的评分，并对数据结果进行分析，判断四种样例资源对学习者实际问题解决情况的影响。

实验中将后测成绩作为因变量，四种样例资源作为自变量，对其数据进行分析。对于不同先验知识水平的学习者，适合不同类型的学习资源，其中正误样例+原理自解释提示对于高初始水平学习者、低初始水平学习者解决实际问题更有效的，分段样例+原理自解释提示对于中初始水平学习者解决实际问题更有效。

四、讨论与建议

（一）样例设计的针对性

不同先验知识水平学习者学习不同样例资源的学习效果是不同的，教师在设计样例时要结合学生的学习水平：通过对比正误样例，高初始知识水平的学习者可以快速提取相关信息，也帮助低初始知识水平的学习者再次回顾相关信息，有利于学习者的问题解决。而对于中初始水平学习者，分段样例强调有语义的信息组块，能够帮助学习者整合解题步骤，调动学习者已有的知识经验。

（二）不同阶段资源的差异性

规则提取阶段。分段样例的学习资源比正误样例更容易被学习者提取陈述性规则，并且规则的完整程度会受到教师教学方式的影响，教师给予学习者自我表达的机会越多，学习者整合信息的能力越高。

产生式规则应用阶段。学习效果受到先验知识水平的影响，不同学习者对规则达到熟练应用所需的时间是不同的。因此在这一阶段，教师应该注意观察学习者的学习状态，及时给予更充足的时间练习。

样例储存阶段。在这一阶段，学习者需要学习大量的样例，遇到问题可以从记忆中直接提取相应的解法。不同先验知识水平学习者适合不同类型学习资源，教师需要因材施教，针对不同类型学习者准备不同样例材料，其中正误样例+原理自解释提示对于高初始水平学习者、低初始水平学习者解决实际问题更有效，分段样例+原理自解释提示对于中初始水平学习者解决实际问题更有效。