Summary

Problemløsning før instruktion (PS-I): En protokol for vurdering og intervention hos studerende med forskellige evner

Published: September 11, 2021
doi:

Summary

Denne protokol guider forskere og undervisere gennem implementering af problemløsning før instruktion tilgang (PS-I) i en bachelor statistik klasse. Den beskriver også en integreret eksperimentel evaluering af denne implementering, hvor effekten af PS-I måles i form af læring og motivation hos studerende med forskellige kognitive og affektive dispositioner.

Abstract

I dag er det en af de største bekymringer for lærere på forskellige uddannelsesniveauer, hvordan man kan fremme elevernes reflekterende tænkning. Mange studerende har problemer med opgaver, der involverer høje refleksionsniveauer, såsom på STEM -kurser (videnskab, teknologi, ingeniørvidenskab og matematik). Mange har også dybt rodfæstet angst og demotivation over for sådanne kurser. For at overvinde disse kognitive og affektive udfordringer har forskere foreslået brugen af “Problemløsning før instruktion” (PS-I) tilgange. PS-I består i at give eleverne mulighed for at generere individuelle løsninger på problemer, der senere løses i klassen. Disse løsninger sammenlignes med den kanoniske løsning i den følgende instruktionsfase sammen med præsentationen af lektionens indhold. Det er blevet foreslået, at eleverne med denne tilgang kan øge deres konceptuelle forståelse, overføre deres læring til forskellige opgaver og sammenhænge, blive mere opmærksomme på hullerne i deres viden og generere en personlig konstruktion af tidligere viden, der kan hjælpe med at opretholde deres motivation. På trods af fordelene er denne tilgang blevet kritiseret, da studerende kan bruge meget tid på formålsløs trial and error i den indledende fase af løsningsgenerering, eller de kan endda føle sig frustrerede i denne proces, hvilket kan være skadeligt for fremtidig læring. Endnu vigtigere er det, at der ikke er megen forskning i, hvordan allerede eksisterende studerendes karakteristika kan hjælpe dem med at drage fordel (eller ej) af denne tilgang. Formålet med den aktuelle undersøgelse er at præsentere udformningen og gennemførelsen af PS-I-tilgangen anvendt på statistiklæring hos bachelorstuderende samt en metodologisk tilgang, der bruges til at evaluere dens effektivitet i betragtning af de studerendes allerede eksisterende forskelle.

Introduction

Et af de spørgsmål, som lærerne er mest bekymrede over i øjeblikket, er, hvordan man stimulerer elevernes refleksion. Denne bekymring er almindelig i kurser af matematisk karakter, såsom STEM-kurser (videnskab, teknologi, teknik og matematik), hvor abstraktionen af mange begreber kræver en høj grad af refleksion, men mange studerende rapporterer, at de nærmer sig disse kurser udelukkende gennem hukommelsesbaserede metoder1. Derudover viser eleverne ofte overfladisk læring af begreberne1,2,3. De vanskeligheder, som eleverne oplever at anvende refleksion og dybe læringsprocesser, er imidlertid ikke kun kognitive. Mange studerende føler angst og demotivation konfronteret med disse kurser4,5. Faktisk har disse vanskeligheder en tendens til at vare ved under de studerendes uddannelser6. Det er derfor vigtigt at udforske uddannelsesstrategier, der motiverende og kognitivt forbereder eleverne til dyb læring, uanset deres forskellige dispositioner.

Det er især nyttigt at finde strategier, der supplerer typiske instruktions tilgange. En af de mest typiske er direkte instruktion. Direkte instruktion betyder fuldt ud at vejlede eleverne fra indførelsen af nye koncepter med eksplicit information om disse begreber og derefter følge det med konsolideringsstrategier som problemløsningsaktiviteter, feedback, diskussioner eller yderligere forklaringer7,8. Direkte instruktion kan være effektiv til nem overførsel af indhold8,9,10. Men de studerende ofte ikke reflektere over vigtige aspekter, såsom hvordan indholdet relaterer til deres personlige viden, eller potentielle procedurer, der kunne arbejde og ikke11. Det er derfor vigtigt at indføre komplementære strategier for at få eleverne til at tænke kritisk.

En sådan strategi er problemløsning før instruktion (PS-I) tilgang12, også kaldet Opfindelse tilgang11 eller Productive Failure tilgang13. PS-I er anderledes end direkte undervisning i den forstand, at eleverne ikke er direkte introduceret til begreberne, i stedet er der en problemløsningsfase forud for de typiske direkte undervisningsaktiviteter, hvor eleverne søger individuelle løsninger på problemer, før de får nogen forklaring på procedurer for at løse dem.

I dette indledende problem forventes eleverne ikke fuldt ud at opdage målkoncepterne13. Studerende kan også føle kognitiv overbelastning14,15,16 og endda negativ indflydelse17 med usikkerheden og de mange aspekter at overveje. Denne oplevelse kan dog være produktiv på lang sigt, fordi den kan lette kritisk tænkning om vigtige funktioner. Specifikt kan det oprindelige problem hjælpe eleverne med at blive mere opmærksomme på hullerne i deres viden18, aktivere forudgående viden relateret til indholdet til at dække13og øge motivationen på grund af muligheden for at basere deres læring på personlig viden7,17,19.

Med hensyn til læring ses virkningerne af PS-I generelt, når resultaterne evalueres med deep learning-indikatorer20,21. Generelt er der ikke fundet nogen forskelle mellem studerende, der lærte gennem PS-I, og dem, der lærte gennem direkte instruktion med hensyn til proceduremæssig viden20,22, som henviser til evnen til at reproducere lærde procedurer. Men studerende, der går gennem PS-I generelt udviser højere læring i konceptuel viden7,19,23, som henviser til at forstå det dækkede indhold, og overførsel7,15,19,24, som henviser til kapacitet til at anvende denne forståelse til nye situationer. For eksempel viste en nylig undersøgelse i en klasse om statistisk variation, at studerende, der fik mulighed for at opfinde deres egne løsninger til måling af statistisk variation, før de modtog forklaringer om de generelle begreber og procedurer i dette emne, demostrated bedre forståelse i slutningen af klassen end dem, der var i stand til direkte at studere de relevante begreber og procedurer, før de blev involveret i nogen problemløsningsaktivitet23. Nogle undersøgelser har dog ikke vist nogen forskelle i læring16,25,26 eller motivation19,26 mellem PS-I og direkte instruktionsalternativer eller endnu bedre læring i direkte instruktionsalternativer14,26, og det er vigtigt at overveje potentielle kilder til variation.

De designfunktioner, der ligger til grund for implementeringen af PS-I, er en vigtig funktion20. En systematisk gennemgang20 viste, at der var større sandsynlighed for at være en læringsfordel for PS-I frem for direkte instruktionsalternativer, når PS-I-interventionerne blev implementeret med mindst en af to strategier, enten ved at formulere det oprindelige problem med kontrasterende sager eller opbygge den efterfølgende instruktion med detaljeret feedback om de studerendes løsninger. Kontrasterende tilfælde består af forenklede eksempler, der adskiller sig i nogle få vigtige karakteristika11 (se figur 1 for eksempel), og kan hjælpe eleverne med at identificere relevante funktioner og evaluere deres egne løsninger under det oprindelige problem11,20. Den anden strategi, der giver forklaringer, der bygger på de studerendes løsninger13, består i at forklare det kanoniske koncept og samtidig give feedback om de råd og begrænsninger af løsninger, der genereres af studerende, hvilket også kan hjælpe eleverne med at fokusere på relevante funktioner og evaluere hullerne i deres egen viden20, men efter den indledende problemløsningsfase er afsluttet (se figur 3 for et eksempel på stilladserne fra elevernes typiske løsninger).

I betragtning af den støtte i litteraturen for disse to strategier, kontrasterende sager og byggeundervisning på de studerendes løsninger, er det vigtigt at overveje dem, når fremme inddragelsen af PS-I i reel pædagogisk praksis. Dette er det første mål i vores protokol. Protokollen indeholder materialer til en PS-I intervention, der inkorporerer disse to principper. Det er en protokol, der, mens den kan tilpasses, kontekstualiseres til en lektion om statistisk variation, en meget almindelig lektion for universitets- og gymnasieelever, der generelt er målgrupperne i litteraturen på PS-I29. Den indledende problemløsningsfase består i at opfinde variabilitetsforanstaltninger for indkomstfordelinger i lande, som er et kontroversielt emne30, der kan være velkendt for studerende inden for mange læringsområder. Derefter leveres materialer til studerende til at studere løsninger på dette problem i et arbejdede eksempel og til et foredrag, der inkorporerer diskussion af almindelige løsninger produceret af studerende sammen med indlejrede praksisproblemer.

Det andet mål med vores protokol er at gøre den eksperimentelle evaluering af PS-I tilgængelig for undervisere og forskere, hvilket kan lette undersøgelsen af PS-I fra en større vifte af perspektiver og samtidig opretholde nogle betingelser konstant på tværs af litteraturen. Men betingelserne for denne eksperimentelle evaluering er fleksible til ændringer. Den eksperimentelle evaluering, der er beskrevet i protokollen, kan anvendes i almindelige lektioner, da studerende i en enkelt klasse kan tildeles materialerne til PS-I-betingelsen eller materialerne til en direkte instruktionstilstand på samme tid (Figur 4). Denne direkte instruktion betingelse er også tilpasningsdygtige til forskning og uddannelse behov, men som oprindeligt beskrevet i protokollen studerende starter med at få de første forklaringer om målet konceptet med det arbejdede eksempel, og derefter konsolidere denne viden med en praksis problem (kun præsenteret i denne tilstand for at kompensere for den tid PS-I studerende bruger på det oprindelige problem), og medforedraget 23. Potentielle tilpasninger omfatter at starte med foredraget og derefter have eleverne til at gøre problemløsning aktivitet, som er en typisk kontrol betingelse for at sammenligne PS-I, der ofte har ført til bedre læring for PS-I betingelse7,13,19,26. Alternativt kan kontroltilstanden reduceres til udforskning af et fungerende eksempel efterfulgt af forelæsningsfasen, som, selv om en mere forenklet version af direkte instruktionsmetoder end oprindeligt foreslået, er mere almindelig i litteraturen og har ført til varierede resultater, hvor nogle undersøgelser indikerer bedre læring i PS-I15,24, og andre angiver bedre læring fra denne type direkte instruktionstilstand14,26.

Endelig er et tredje mål med protokollen at give ressourcer til evaluering af, hvordan studerende med forskellige dispositioner og kognitive evner kan drage fordel af PS-I15. Evalueringen af disse dispositioner er især vigtig, hvis vi overvejer de negative dispositioner, som nogle studerende ofte har med STEM-kurser, og det faktum, at PS-I stadig kan producere negative reaktioner i nogle tilfælde14. Der forskes imidlertid kun lidt i dette.

På den ene side, da PS-I letter foreningen af læring med individuelle ideer, snarere end blot formel viden, PS-I kan hypotese som værende i stand til at hjælpe med at motivere studerende fra lave akademiske niveauer, dem, der har lave følelser af kompetence, eller lav motivation om emnet13,27. En undersøgelse viste, at studerende med lav beherskelse orientering, dvs færre mål i forbindelse med personlig læring, nydt mere fra PS-I end dem med højere motivation til at lære27. På den anden side kan studerende med andre profiler støde på vanskeligheder, når de er involveret i PS-I. Mere specifikt spiller metakognition en vigtig rolle i PS-I31, og studerende med lave metakognitionsfærdigheder drager muligvis ikke fordel af PS-I på grund af vanskeligheder med at være opmærksom på deres videnshuller eller kræsne relevant indhold15. Da den indledende fase af PS-I er baseret på produktion af individuelle løsninger, kan studerende med lave divergerende evner, vanskeligheder, der genererer en række svar i en given situation, drage mindre fordel af PS-I end andre studerende. Protokollen indeholder pålidelige instrumenter til vurdering af disse dispositioner (tabel 1), selv om andre kan overvejes.

Sammenfattende har denne protokol til formål at gøre en implementering af en PS-I-intervention, der følger accepterede principper i PS-I-litteraturen, tilgængelig for undervisere og forskere. Derudover giver protokollerne en eksperimentel evaluering af denne intervention og letter evalueringen af elevernes kognitive og motiverende dispositioner. Det er en protokol, der ikke kræver adgang til nye teknologier eller specifikke ressourcer, og som kan ændres på grundlag af forsknings- og uddannelsesbehov.

Protocol

Denne protokol følger Helsinki-erklæringen om etiske principper for forskning med mennesker, men anvender disse principper på de ekstra vanskeligheder med at integrere forskning i det virkelige liv i uddannelse32. Konkret kan hverken tildelingen af læringsbetingelser eller beslutningen om at deltage have konsekvenser for elevernes læringsmuligheder. Derudover opretholdes fortroligheden og de studerendes anonymitet, selv når det er lærerne, der står for evalueringen. Protokollens formål, a…

Representative Results

Denne protokol blev gennemført tilfredsstillende i en tidligere undersøgelse23, med undtagelse af målinger af de studerendes dispositioner med hensyn til deres følelse af kompetence, mastery tilgangsmål, metakognition og divergerende tænkning. For at håndtere disse dispositioner indeholder denne protokol foranstaltninger, der tidligere er valideret, og som har vist en høj pålidelighed (tabel 1). Typiske løsninger ge…

Discussion

Formålet med denne protokol er at vejlede forskere og undervisere i gennemførelsen og evalueringen af PS-I-tilgangen i virkelige klasseværelsessammenhænge. Ifølge nogle tidligere erfaringer kan PS-I hjælpe med at fremme deep learning og motivation hos studerende19,21,24, men der er behov for mere forskning om dens effektivitet hos studerende med forskellige evner og motiverende dispositioner14,…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af et projekt fra Fyrstendømmet Asturien (FC-GRUPIN-IDI/2018/000199) og et prædoktoralt tilskud fra Spaniens ministerium for uddannelse, kultur og sport (FPU16/05802). Vi vil gerne takke Stephanie Jun for hendes hjælp med at redigere engelsk i undervisningsmaterialet.

Materials

SPSS Program International Business Machines Corporation (IBM) Other programs for general data analysis might be used instead
PROCESS program Andrew F. Hayes (Ohio State University) Freely accesible at: http://www.processmacro.org. Other programs for mediation, moderation, or conditional process analyses might be used instead
Cognitive Competence Scale in the Survey of Attitudes towards Statistics (SATS-28) Candace Schau (Arizona State University) In case it is used, request should be requested from the author, who whold the copyright
Mastery Approach Scale in the Achievement Goal Questionnaire-Revised Andrew J. Elliot (University of Rochester) In case it is used, request should be requested from the author
Regulation of Cognition Scale of the Metacognitive Awareness Inventory Gregory Schraw (University of Nevada Las Vegas) In case it is used, request should be requested from the creator

References

  1. Silver, E. A., Kenney, P. A. Results from the seventh mathematics assessment of the National Assessment of Educational Progress. Council of Teachers of Mathematics. , (2000).
  2. OECD. Results (Volume I): Excellence and Equity in Education. PISA, OECD. , (2016).
  3. Mallart Solaz, A. . La resolución de problemas en la prueba de Matemáticas de acceso a la universidad: procesos y errores. , (2014).
  4. García, T., Rodríguez, C., Betts, L., Areces, D., González-Castro, P. How affective-motivational variables and approaches to learning predict mathematics achievement in upper elementary levels. Learning and Individual Differences. 49, 25-31 (2016).
  5. Lai, Y., Zhu, X., Chen, Y., Li, Y. Effects of mathematics anxiety and mathematical metacognition on word problem solving in children with and without mathematical learning difficulties. PloS one. 10 (6), 0130570 (2015).
  6. Ma, X., Xu, J. The causal ordering of mathematics anxiety and mathematics achievement: a longitudinal panel analysis. Journal of Adolescence. 27 (2), 165-179 (2004).
  7. Kapur, M. Productive Failure in Learning Math. Cognitive science. 38 (5), 1008-1022 (2014).
  8. Kirschner, P. A., Sweller, J., Clark, R. E. Why Minimal Guidance During Instruction Does Not Work: An Analysis of the Failure of Constructivist, Discovery, Problem-Based, Experiential, and Inquiry-Based Teaching. Educational Psychologist. 41 (2), 75-86 (2006).
  9. Stockard, J., Wood, T. W., Coughlin, C., Khoury, C. R. The Effectiveness of Direct Instruction Curricula: A Meta-Analysis of a Half Century of Research. Review of educational research. 88 (4), 479-507 (2018).
  10. Clark, R., Kirschner, P. A., Sweller, J. Putting students on the path to learning: The case for fully guided instruction. American Educator. , (2012).
  11. Schwartz, D. L., Martin, T. Inventing to prepare for future learning: The hidden efficiency of encouraging original student production in statistics instruction. Cognition and instruction. 22 (2), 129-184 (2004).
  12. Loibl, K., Rummel, N. The impact of guidance during problem-solving prior to instruction on students’ inventions and learning outcomes. Instructional Science. 42 (3), 305-326 (2014).
  13. Kapur, M., Bielaczyc, K. Designing for Productive Failure. Journal of the Learning Sciences. 21 (1), 45-83 (2012).
  14. Glogger-Frey, I., Fleischer, C., Grueny, L., Kappich, J., Renkl, A. Inventing a solution and studying a worked solution prepare differently for learning from direct instruction. Learning and Instruction. 39, 72-87 (2015).
  15. Glogger-Frey, I., Gaus, K., Renkl, A. Learning from direct instruction: Best prepared by several self-regulated or guided invention activities. Learning and Instruction. 51, 26-35 (2017).
  16. Likourezos, V., Kalyuga, S. Instruction-first and problem-solving-first approaches: alternative pathways to learning complex tasks. Instructional Science. 45 (2), 195-219 (2017).
  17. Lamnina, M., Chase, C. C. Developing a thirst for knowledge: How uncertainty in the classroom influences curiosity, affect, learning, and transfer. Contemporary educational psychology. 59, 101785 (2019).
  18. Loibl, K., Rummel, N. Knowing what you don’t know makes failure productive. Learning and Instruction. 34, 74-85 (2014).
  19. Weaver, J. P., Chastain, R. J., DeCaro, D. A., DeCaro, M. S. Reverse the routine: Problem solving before instruction improves conceptual knowledge in undergraduate physics. Contemporary educational psychology. 52, 36-47 (2018).
  20. Loibl, K., Roll, I., Rummel, N. Towards a Theory of When and How Problem Solving Followed by Instruction Supports Learning. Educational psychology review. 29 (4), 693-715 (2017).
  21. Darabi, A., Arrington, T. L., Sayilir, E. Learning from failure: a meta-analysis of the empirical studies. Etr&D-Educational Technology Research and Development. 66 (5), 1101-1118 (2018).
  22. Chen, O. H., Kalyuga, S. Exploring factors influencing the effectiveness of explicit instruction first and problem-solving first approaches. European Journal of Psychology of Education. , (2019).
  23. González-Cabañes, E., García, T., Rodríguez, C., Cuesta, M., Núñez, J. C. Learning and Emotional Outcomes after the Application of Invention Activities in a Sample of University Students. Sustainability. 12 (18), 7306 (2020).
  24. Schwartz, D. L., Chase, C. C., Oppezzo, M. A., Chin, D. B. Practicing Versus Inventing With Contrasting Cases: The Effects of Telling First on Learning and Transfer. Journal of educational psychology. 103 (4), 759-775 (2011).
  25. Chase, C. C., Klahr, D. Invention Versus Direct Instruction: For Some Content, It’s a Tie. Journal of Science Education and Technology. 26 (6), 582-596 (2017).
  26. Newman, P. M., DeCaro, M. S. Learning by exploring: How much guidance is optimal. Learning and Instruction. 62, 49-63 (2019).
  27. Belenky, D. M., Nokes-Malach, T. J. Motivation and Transfer: The Role of Mastery-Approach Goals in Preparation for Future Learning. Journal of the Learning Sciences. 21 (3), 399-432 (2012).
  28. Bergold, S., Steinmayr, R. The relation over time between achievement motivation and intelligence in young elementary school children: A latent cross-lagged analysis. Contemporary educational psychology. 46, 228-240 (2016).
  29. Mazziotti, C., Rummel, N., Deiglmayr, A., Loibl, K. Probing boundary conditions of Productive Failure and analyzing the role of young students’ collaboration. NPJ science of learning. 4, 2 (2019).
  30. Stiglitz, J. E. Las limitaciones del PIB. Investigacion y ciencia. (529), 26-33 (2020).
  31. Holmes, N. G., Day, J., Park, A. H., Bonn, D., Roll, I. Making the failure more productive: scaffolding the invention process to improve inquiry behaviors and outcomes in invention activities. Instructional Science. 42 (4), 523-538 (2014).
  32. Herreras, E. B. La docencia a través de la investigación-acción. Revista Iberoamericana de Educación. 35 (1), 1-9 (2004).
  33. Schau, C., Stevens, J., Dauphinee, T. L., Delvecchio, A. The development and validation of the survey of attitudes toward statistics. Educational and Psychological Measurement. 55 (5), 868-875 (1995).
  34. Elliot, A. J., Murayama, K. On the measurement of achievement goals: Critique, illustration, and application. Journal of educational psychology. 100 (3), 613-628 (2008).
  35. Schraw, G., Dennison, R. S. Assessing metacogntive awareness. Contemporary educational psychology. 19 (4), 460-475 (1994).
  36. Guilford, J. P. . The nature of human intelligence. , (1967).
  37. Zmigrod, L., Rentfrow, P. J., Zmigrod, S., Robbins, T. W. Cognitive flexibility and religious disbelief. Psychological Research-Psychologische Forschung. 83 (8), 1749-1759 (2019).
  38. Wilson, S. Divergent thinking in the grasslands: thinking about object function in the context of a grassland survival scenario elicits more alternate uses than control scenarios. Journal of Cognitive Psychology. 28 (5), 618-630 (2016).
  39. Autin, F., Croizet, J. -. C. Improving working memory efficiency by reframing metacognitive interpretation of task difficulty. Journal of experimental psychology: General. 141 (4), 610 (2012).
  40. Pekrun, R., Vogl, E., Muis, K. R., Sinatra, G. M. Measuring emotions during epistemic activities: the Epistemically-Related Emotion Scales. Cognition and Emotion. 31 (6), 1268-1276 (2017).
  41. Pallant, J. Statistical techniques to compare groups. SPSS survival manual. , 211 (2013).
  42. Pallant, J. Statistical techniques to explore relationships among variables. SPSS survival manual. , 125-149 (2013).
  43. Hayes, A. F. . Introduction to mediation, moderation, and conditional process analysis: A regression-based approach. , (2017).
  44. Kapur, M. Productive failure in learning the concept of variance. Instructional Science. 40 (4), 651-672 (2012).
  45. Nolan, M. M., Beran, T., Hecker, K. G. Surveys Assessing Students’ Attitudes Toward Statistics: A Systematic Review of Validity and Reliability. Statistics Education Research Journal. 11 (2), (2012).
  46. Schraw, G., Dennison, R. S. Assessing metacognitive awareness. Contemporary educational psychology. 19 (4), 460-475 (1994).
  47. Dumas, D., Dunbar, K. N. Understanding Fluency and Originality: A latent variable perspective. Thinking Skills and Creativity. 14, 56-67 (2014).
  48. Roberts, R., et al. An fMRI investigation of the relationship between future imagination and cognitive flexibility. Neuropsychologia. 95, 156-172 (2017).
  49. Chamorro-Premuzic, T. Creativity versus conscientiousness: Which is a better predictor of student performance. Applied Cognitive Psychology: The Official Journal of the Society for Applied Research in Memory and Cognition. 20 (4), 521-531 (2006).
  50. Kapur, M. Examining productive failure, productive success, unproductive failure, and unproductive success in learning. Educational Psychologist. 51 (2), 289-299 (2016).

Play Video

Cite This Article
González-Cabañes, E., García, T., Núñez, J. C., Rodríguez, C. Problem-Solving Before Instruction (PS-I): A Protocol for Assessment and Intervention in Students with Different Abilities. J. Vis. Exp. (175), e62138, doi:10.3791/62138 (2021).

View Video