测试效应对于提升工科课程学习效果的作用研究

龚玲 王力娟

摘 要：高等教育改革和信息时代的来临给高校课堂教学带来了诸多影响，其中之一就是學时数的压缩与学生需要学习的知识、技能不断增长之间的矛盾。在一个学期的教学中，教师如何帮助学生减少前期学习的遗忘，促进后期深度学习的效果？如何通过即时和延时的反馈帮助教师和学生及时调整“教”和“学”的策略？采用“提取学习”策略，在“数字电子技术”课程中进行准实验设计，探究“提取学习”对学生学习效果的影响。结果表明：低阶提取能显著增强学生的记忆效果，但对高阶认知的作用不显著；低阶提取时间点差异对学习效果的影响不显著；作业的分散布置方式对学习效果的影响显著。总之，提取学习能有效促进学生的长时记忆，而且简便易行、适合推广。

关键词：测试效应；提取学习；工作案例；分散形式；反馈

在真实的教学中，学生因每次课要求掌握的内容越来越多，经常出现学过不久，对于前面学过的内容已经遗忘的现象。前面学习内容的遗忘还会进一步影响对后面内容的学习和理解，这种情况在理工类课程中特别凸显。有时学生虽然已非常努力，但因课程内容较多，学习效果依然不理想。在这种情况下，作为教师该如何增加干预措施，帮助学生减少对所学内容的遗忘，快速掌握核心内容，提升学习效果呢？我们以工科大平台课“数字电子技术”课程的学生为对象，利用提取学习的方法，采用准实验设计，经过3个轮次的不断探索和积累，对学生的学习效果进行了研究。

一、概念界定

1．学习效果

学习效果与学习目标密切相关。教师的教学要有“目标”，即教师在授课之前需要明确课程要达成的目标是什么，也就是预期学生通过课程的学习能达到怎样的学习结果。在教学过程中，教师通过设计各种教学活动以获得预期的学习结果，若目标达到，就说明取得了较好的教学/学习效果。为使教师的教学目标真正发挥其应有的作用，起到导向和引领教学设计与教学效果评估的功能，1956年，布卢姆等

人[1]提出了教育目标分类体系。该体系包括认知、情感和技能三类目标，重点在于陈述以学生为本的、基于学习的、外显的以及可以测评的预期学习结果。其中的认知类目标就是根据认知过程，将学习目标分为记忆/回忆、理解、应用、分析、评价、创造六个维度，教师可以根据这些目标设计教学活动，并通过测评来判断学习目标是否达成。《布卢姆教育目标分类学》修订版中用一个二维分类表（如表1所示）来引导大家确定自己的教学目标，分类表的行和列分别表示知识维度和认知过程维度[1]，教师要达成的教学目标就落在这个分类表的相应单元格中。学生的学习效果体现于教师预定的教学目标是否达成，认知类目标的达成度通常可以通过相应的测试结果来表示。

在这个分类表中，“记忆/回忆”“理解”这两类需要识别、记忆和理解的认知过程被认为是低阶学习过程；而“应用”“分析”“评价”

“创造”这四类认知过程被认为是高阶学习过程[2]。在教学过程中设定目标，通过设计教学活动使学生发生预期变化，通过测评来判断是否达成目标，达成目标表明学习效果好，未能达成表明还需调整教学设计。根据上述分类，本研究的教学活动使用低阶学习和高阶学习这两个概念来对应布卢姆认知目标分类中的各个认知过程，并分别针对低阶和高阶学习来设计教学活动。

2．提取学习

千百年来，人们一般都是通过测试来评估学生的学习效果或学生在某一领域的真实水平。例如判别教师的教学目标是否达成，学生是否取得了好的学习效果。不同认知维度目标达成度的测试有不同形式，如选择、判断、简答等。通常情况下，教师们会在一学期授课结束后通过期末测试来评价学生的学习效果，但这种测试因时间放在期末，导致学生失去了改进的机会，教师也失去了针对同一批学生改进教学设计的机会。如果将这种测试作为检验学生日常学习效果和及时给教师和学生提供反馈的手段，会大大提高教学效果。

事实上，近十年来记忆心理学的研究表明，测试不仅是评价先前学习效果的手段，还能有效改善长时记忆效果。2012年，Karpicke提出了提取学习（Retrieval-based learning）的概念，他发现即使仅参加测试，不提供反馈和再学习，也能对学习产生很大影响，他将这种测试效应称为提取学习[3]。所谓“提取学习”，就是学生在参加测试的过程中需要不断地从大脑中提取信息以完成测试，这个过程本身就产生了巩固学习效果的作用。“提取”对于学习产生影响的层面可分为间接影响和直接影响，间接影响体现在对教师和学生的影响，教师会根据测试结果调整教学，学生通过测试可以知道自己的知识掌握情况，从而主动去调整自己的学习，如增加后续的再学习。直接影响是指仅仅通过测试本身因对信息的提取而导致的学习效果增强，而不是通过再学习或反馈取得的学习进步[4]。

梁秀玲等对脑成像的研究发现，“提取学习”可以充分调用认知和情感大脑机能、皮层与皮层下结构机能，同时还可以通过发挥语义、情景记忆优势来促进学习与记忆[5]。Agarwal结合布卢姆分类学中学习的低阶认知过程和高阶认知过程的分类，对应提出了低阶提取和高阶提取的概念[2]。Hanham等人结合认知理论，对高复杂度信息问题的处理进行了研究。他们发现对于复杂度较低的问题，采用即时测试可以取得比较好的测试效应，但在需要额外工作记忆资源的情况下，延时测试的效果更好[6]。此外，除课堂上采取提取学习的方式，课后练习也可以看作是提取学习的一种方式。Butler在他的课程中采用重复提取、分散提取与反馈相结合的方式来促进学习效果[7]。

笔者在“数字电子技术” 课程中根据以上研究结果，在教学设计中加入提取学习过程，即在授课过程中增加测试环节，课后习题采用分散布置的形式，探索行之有效、简单又易于推广的提升学生学习效果的方法。

二、研究设计

1．研究对象

选取“数字电子技术”课程三个授课班的本科生为研究对象。三个班级的学生上课的时间、专业和年级都不同（见表2），但授课教师是同一位教师，授课内容基本相同。

为检验样本的一致性，在开学初分别对三个班级学生对课程内容的熟悉度和对课程的期望进行调查，设置了一道选择题让学生对自己进行判断，一道填空题请学生列出课程相关信息，两道填空题判断学生对课程的期望，继而对调查结果进行方差分析。结果发现，三个班学生所具备的与本课程有关的先备知识差异不显著，对课程的期望值也没有显著差异，如表3所示。

表3的检验结果说明三个教学班学生的初始状态基本相同。此外，三个班级由同一位教师授课，采用的教材、教学内容和教学进度基本一致。

2．研究设计

提取学习就是个体不断地从记忆库中提取信息，这不仅能进一步增强对该信息的记忆，同时还能促进对该信息的理解[8]。研究设计主要围绕提取学习的方式、级别、时间和作业布置形式几个方面来进行。首先，将提取学习分为课堂测试和课后作业两种方式。课堂测试又分为两种：低阶提取学习和高阶提取学习。低阶提取学习就是针对低阶学习的认知过程设计相应的测试题，低阶提取学习主要为多选题形式。高阶提取学习就是针对高阶学习的认知过程设计相应的测试题，主要为简答题形式。其次，将提取时间分为即时提取和延时提取。即时提取就是讲授完知识点就立即测试，延时提取是在学生做完作业后在课堂上再测试。再次，课后作业的布置也分两种：常规的课后作业布置方式安排在一章结束之后，而分散布置作业的方式一般将每章作业分散在后续阶段持续布置。第一次作业在讲授完相关内容就布置，相同知识点的第二、三次作业在后续其他章节内容讲授完之后持续布置，也就是后续章节结束之后除了布置相关章节作业之外，之前布置过作业的章节知识点会再次布置。课程整体提取学习方案如表4所示。

反馈为学习者提供纠正错误的信息，从而促进其对知识的进一步理解[9]。已有研究发现即时反馈的效果比延时反馈的效果更好[10]。在我们的教学过程中，课堂测试和课后作业都给学生提供反馈。但课堂测试采用即时反馈形式，即学生们做完测试之后，教师立刻给学生反馈错误之处及正确答案。课后作业因提交时间为非即时方式，一般为助教批改之后再反馈，因此有一周的延迟时间。3个教学班的提取学习方案具体见表5。

3．教学安排

在“数字电子技术”课上，要求学生在理解各部分基本概念的基础上，能分析和设计对应的电路，教学的重点是培养学生分析问题和解决问题的能力。每周两次课程，课堂上除讲授关键知识点外，采用测试提取学习方式（低阶+高階），课后作业布置也分别采用常规布置和分散布置的方式。每个教学班的具体实施方案如表6所示。

研究表明，虽然没有反馈的测试也能促进知识的长时记忆，但提供反馈及时纠正错误可以使测试促进记忆的效果发挥得更好。可以说反馈既促进了测试的直接效应，又发挥了测试的间接效应[11]。为充分发挥反馈的作用，我们在课内测试的反馈为即时反馈，即学生课堂上通过扫描问卷星的问卷填答二维码现场答题，在学生提交答题之后，全班的答题情况将立刻显示，学生也可以立刻查看正确答案和相关题目的解析以进一步理解相关知识点。在课后，有些同学还会重做课上的题目，相当于进行了多次提取。课后作业的反馈一般滞后一周，学生提交作业后，助教批改并整理典型错误，同时将正确答案和所整理的典型错误放在在线教学管理系统上，供学生们查阅。三个教学班所采用的反馈策略基本相同。

三、结果与讨论

1．课内测试

（1）低阶提取测试结果

低阶提取是针对低阶学习目标设计的测试。低阶问题主要用来强化学生们对基本概念的记忆和基本运用。根据教学设计方案，3个教学班的学生无规律地实施即时提取和延时提取，图1为各班在即时提取和延时提取情况下学生在每个章节测试题目上的正确率。

分析正确率对比图1发现，图中第3章第5题和第5章第5题有两个异常点，分析原因发现是这两题的题干和选项答案有歧义，将这两个异常点去除后，虽然不同章节不同题目三个教学班的正确率各不相同，但大多数测试题各教学班正确率相近，从平均值看，第1、3、5、6、7章各教学班的得分从高到低分别为：3—1—2、1—2—3、3—2—1、3—1—2、3—2—1，各个班级的高分顺序并没有规律性。说明测试时间点（延时/即时）对测试结果的影响不大，这与Kulik & Kulik（1988）[10]的研究结果不太一致。此外，从图1还可以看出，相比于教学1班和2班测试成绩的忽高忽低现象，教学3班基本维持在比较稳定的较高水平，测试成绩更稳定。

（2）高阶提取测试结果

高阶提取是针对高阶学习目标设计的测试。高阶知识涉及分析问题、解决问题的能力以及创新能力。课堂内有些分析和设计的内容采取检验学生高阶思维的案例分析法进行。例如教学2班的学生在学习同步时序电路设计时，要讲解分析2个工作案例，没有任何测试。从课后相关作业题的批改情况看，还有不少同学出现错误。教学3班的同学讲解分析1个工作案例后即刻做1个测试题，测试结果发现有87.28%的同学正确，说明1次高阶认知过程的练习就能让绝大部分同学掌握了相关的知识点，课后相关作业题几乎没有错误。

（3）期末测试结果

统计1班和3班（这两个班级期末试卷考核的知识点相似，2班期末试卷考核的知识点完全不同，因此不列入比较）期末试卷每道题的得分情况，并将得分较高的知识点和得分较低的知识点进行分别统计（见表7）。

进一步深入分析表7得分率较高的知识点后发现，这些知识点都在课堂上做过提取练习，有的是即时提取，有的是延时提取，可见提取时间与学生学习效果的关联不大。此外，从表7还可以看出教学1班在组合电路分析模块和时序电路模型概念模块得分较低，原因是这两个模块未做课内测试，未布置课后作业。而教学3班在组合电路部分既有课内测试也有课后作业，因此得分率明显提高。教学3班在“计数器模数计算”和“异步计数器毛刺”这两个知识点答题准确率很低，仅23.61%和36.11%的同学答对。分析原因发现，这两道题都属于应用和分析类的高阶问题，而计数器模数计算只进行了课内举例讲解，异步计数器毛刺相关知识为课内快速讲解，二者都未做课内测试，未布置课后作业。从学生期末不同模块知识点的得分情况可以看出，课内的即时测试和课后的延时作业能有效提高学生的学习效果。此外从表7还可以看到，虽然教学班在组合电路和逻辑表达式做了低阶测试，相关低阶测试取得较好结果，但是在高阶的组合电路分析这部分得分率较低，这表明低阶测试对于低阶知识的掌握有促进作用，但是低阶测试对于高阶知识的学习无明显促进作用。

2．课后作业提取进一步巩固了学生的学习效果

由表7可见，教学3班的学生期末成绩总体上要高于教学1班学生。主要原因在于教学3班增加了课后作业的分散布置方式，也就是前面课程内容的相关知识点会在后续阶段持续布置。与常规作业布置的不同之处在于，分散布置作业方式能使同一知识点在后续课程中获得多次练习和反馈。这相当于增加了相应知识的提取次数，强化了学生对相关知识的理解和记忆。

此外，进一步统计学生期末卷面成绩与参加课内测试及作业次数的相关关系发现（图2），从未做课内测试和作业的学生得了最低分26分，其他未参与测试次数较多的同学的得分也相应较低，这进一步说明了测试提取对于学习效果具有正面影响。

使用Pearson相关检验期末卷面分数和总测试次数之间的相关关系，发现二者的相关系数值为0.627，存在0.01水平的显著性，说明期末卷面分数和总测试次数之间存在显著的正相关关系（见表8）。

3．其他调查数据进一步证实了提取学习效果

每次课程结束时，我们都会向学生们收集有关“提取学习”教学方式的匿名意见和建议。为防止学生不理解提取这一概念，收集学生意见时采用的是更通俗的语言，如提取这个概念用课堂测试表示，提取时机用即时测试和延时测试来表示。表9列出了学生对于课内测试以及课后作业布置方式的赞成度。

从表9的统计数据可见，学生对于测试这种提取方式持积极的赞同态度。对于提取的时机，虽然从数据看测试时机对学习效果的影响不大，但大多数同学依然希望采取延时提取的方式。进一步的访谈发现，学生希望采取延时提取的主要原因是希望复习之后能答得更好。这从实际效果方面来说不仅促进了学生的主动学习，还间接提升了学习的积极性和效果。关于课后习题的分散布置形式，有95.08%的同学认为这种方式有利于学习内容的掌握，说明同学们认为从这种方式获益良多。根据学生的建议反馈，关于课堂练习和课后作业，大家给予了更多期望，如：“小测很好用！若时间允许建议多测反复测。”“作业分散到后续章节完成很好！可以防止学了新的内容遗忘之前的内容。”说明无论课内测试还是课后作业的提取方式都得到了学生的正向反馈。

对于课堂测试提取方式的引入，随堂听课的教学督导也给予了積极评价：“老师的课堂互动与节奏掌握特别值得学习，虽然是大课堂，但从例题讲解过程中学生的反应来看，大多数学生都能紧跟授课节奏和解题思路，非常难得！另外，老师采用随堂线上小测等方式很好地增加了学生的参与度。”

四、结论与展望

通过对三个教学班教学实践数据的分析，可以得出以下结论：

（1）对于低层次的知识目标（记忆、理解），课内低阶提取，无论是即时提取还是延时提取，正确率都比较高，在最终的期末测试中学生的成绩也比较好，说明在课堂上对低阶知识引入测试方式，是一种帮助学生提升学习效果的有效方法。但仅对低阶问题的提取，并不能提升高阶知识的学习效果，教学1班的实践结果验证了这点。这一结论与Agarwal的研究结论一致，他们的研究结果也表明低阶提取有益于事实类知识的学习，但对高阶认知目标的学习没有效果，提升高阶学习目标的效果需要使用高阶提取[4]。每一门课都有基本概念和理论的识记和理解任务，针对这类低阶认知目标可以采用选择、判断、匹配等测试题型帮助学生达成，花费几分钟时间就可以获得很好的提取效果，因此这个方法可以推广到各类课程的概念性、事实类知识的学习效果提升上。

（2）只通过一次测试，并不能让学生很快将新知识融入自己的知识结构并加以灵活应用，难以达到较高阶的认知目标。Hanham的研究也发现，仅一次学习不足以将多个互相作用的信息转换为有意义的长时记忆[6]。因此，对于应用、分析、评价和创造这些高层次的学习目标，要促进学生的意义学习，需要给学生提供更多参与式学习的机会，比如采取项目式学习、任务式学习，搭脚手架等。这相当于给学生提供了更多在大脑中加工、思考和练习知识、技能的时间和机会，在这种情况下再使用提取学习的方式，会取得较好的效果。后续教学研究将进一步在这方面进行探索，寻求促进高阶认知目标达成的有效提取学习方式。

（3）课后作业的分散布置形式借鉴于Butler[7]的研究成果，他的研究发现，将课后作业分散在一个较长的时间里并多次重复，可促进相关知识的记忆和理解，对提升学习效果很有帮助。教学3班的课后作业就采取了类似策略，效果较好。这种课后习题的布置方式从收取作业批改至发还学生有时间间隔，并且没有对学生查看作业反馈意见进行强制要求。而Butler在其研究中则对反馈有严格要求，他将学生是否阅读反馈作为评分的一部分，能更好地确保反馈效果[7]。这一点在后续教学中可以进一步改进，比如借助在线教学平台，线上交作业，线上批改等，来缩短反馈周期。另外，还可以要求学生必须阅读作业反馈，以进一步提升学生的学习效果。

（4）从应用实践角度来看，提取学习（课内，课后）是一种简便、高效、易于推广的教学策略。对于教师来讲，需要仔细设计测试题，合理安排课后习题的分散形式。本研究所采用的作业分散频率和Butler在其研究中采用的频率相同，即同一知识点用3组题目分散在连续的3次课后习题中布置[7]。对于其他类型或不同专业的课程，教师可以根据学生对相应知识点的答题情况，降低或增加分散作业布置的次数，以获得更好效果。

参考文献：

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[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，张玮. 利用测试促进学习：记忆心理学的研究进展与教育启示[J]. 北京师范大学学报（社会科学版），2012（1）：43-50.

[基金项目：上海交通大学教学发展中心2019年教学发展基金项目“提取学习对于提高工科学生知识掌握程度的效果研究”；2020年教学发展基金项目“结合认知科学的提取学习对于提高工科学生知识掌握程度的效果研究”]

[责任编辑：杨裕南]