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原文：Middle-School Science Through Design- Based Learning versus Scripted Inquiry: Better Overall Science Concept Learning and Equity Gap Reduction；作者：Matthew M. Mehalik, Yaron Doppelt, Christian D. Schunn.译者：刘博；编辑：尔瑞.

一、引言

基于设计思维的学习（系统设计方法）是什么？

Kolodner将一种方法泛称为设计学习（Learning Based on Design, LBD）。该方法整合了一些成功的学习模式，例如基于案例推理的研究、基于问题的学习。基于案例的推理是指利用过去的解决方法和经验指导未来问题的解决。基于问题的学习是一种从课堂管理角度组织课堂活动的方法。这些方法的理念都与建构主义学习方法一致。LBD的另一个重要特点是遵循认知学徒制，其关键特征是通过对语言和行为的观察进行学习，并建立一个共同体行动方式的框架。

相对于脚本式探究学习，基于真实设计任务开展科学概念教学时，学生的学习表现会有所不同吗？为获得答案，研究者基于中学科学课程中的电学相关概念教学，开发一门制作电子报警系统的实践性课程模块，并且进行了实际的教学与评估。与先前的方法不同，研究者本次采用的是系统设计方法来组织设计活动的顺序。该方法的独特之处在于增加了一个特殊环节，就是首先让学生阐述自己对设计的需求，然后再开发需求文档作为后续流程所遵循的设计规范。这样一来，设计流程就从原来由课程或者教师提出设计需求与规范，转变为由学生自主生成的方式。研究者假设如果流程能够始于自己的需求，那么他们的动机和参与感将会增加，即解决科学课中学生最核心的问题：我为什么要学这个？（表1 总结系统设计方法和脚本式探究间的区别）

这项设计学习还有一个目的是帮助学生学习有关电学的基本科学原理，提升他们像科学家那样的推理能力，帮助学生学习开展科学探究的技能。这些技能对学生未来的专业知识、能力和启发式思维的形成都至关重要（Von der Weth出版社，1995）。国家科学教育标准规定了科学探究能力所必需的基本技能：

1.    明确可以通过科学调查获得答案的问题；

2.    设计并开展科学调查；

3.    运用技术采集、分析和解释数据；

4.    利用证据进行描述、解释、预测和建模；

5.    运用逻辑思维和批判思维在证据与解释之间建立关联；

6.    发现并分析可替代的解释和预测；

7.     
交流科学程序与解释；

8. 
在科学探究的各个方面应用数学。

脚本式探究课程为了让学生“体验”科学的基本概念，提供给学生类似菜谱的具有细致方法指导的支架，为学生指明将具体实验作为一种数据采集的方式应该如何组织与实施。脚本式探究在科学探究的第一步和第二步上，对培养学生确定问题和设计科学调研能力给予了很大的限制，而对探究流程的其他环节给予了过度的支持。采用这种方式可能是出于对课堂时间限制，教师能力（例如课堂管理能力）或者其他原因的考虑。

二、系统设计课程流程

课程案例：《电子报警系统：设计、建构与反思》

课程目的：让学生了解掌握相关电学概念；能用技术设计流程解决问题；能解释一个简单系统的组成部分及各部分之间的关系。

原先脚本式探究学习法将此课程设置了九个模块，本研究将用系统设计学习法替代其中四个模块（原先脚本式探究会花四到五周时间）。这四个模块设计的电学基本内容包括电压、电流、电阻、并行电路、串行电路、电池、点灯、电阻器和欧姆定律。在完成系统设计单元教学后，小组还将采用脚本式探究完成后续关于电容、电荷、功率和其他电学概念的学习。在新的教学方法实施前，教师得到相应方法的课程前、中、后的培训。

整个课程按照系统设计法的程序实施，为期大概四到五周。系统设计法由七个阶段组成，如图1所示：

整个系统设计流程鼓励学生和教师不断对前一阶段的工作进行回顾、反思完善。

同时，研究者为学生个人或团队在系统设计的每个阶段提供支架，供学生“生成多种方案”。如图2所示，为学生提供框架，引导学生首先分析自己的设想：一个提醒用户服药的设备应该需要哪些材料、能量和信息输入才能进行分析判断，才能实现其预设的功能——为老人健康提供帮助。同时，支架材料也会引导学生思考他们的设备可能会具有哪些未曾意料到的、潜在的负面影响。

图2 支架材料——警报系统模型

在这个过程中学生会发现哪些部件是必要的，如检测服药时间的“检测器”、在值得关注的事件发生时进行警报的“指示器”，以及调动“检测器”、“指示器”这些子系统的“能源”系统。这些发现过程都会促进学生分析思维的发展，因为它们需要不断深入思考，将最初的想法分解成更具体的功能细节。

图3显示了“选择方案阶段”的支架材料，学生制定了三种设计装置的方案：手动、自动、手动+自动。通过一个矩阵，他们列出各功能部件在三种方案中的起作用程度（1-5评分），综合需求与性能从中选出最佳方案。

教师鼓励学生在思维方式上再进行挑战：对过程中的选择进行反思。这个结果对你有意义吗？如果没有，结果哪里不符合你的想法？然后，学生们再去检查他们整体的系统需求和替代方案，根据反思来调整他们的思维。最终，学生做出的决策是建立在广泛思考的基础之上。这种思考包括确定清晰的决策准则，对不同想法的实现方式和功能进行深入分析，以及思考此过程中应用的科学内容。

按照这种进行设计的决策程序，后面学生从已有的探究工具箱中选择电线、电阻、LED等部件，以及辅以其他电阻元件（蜂鸣器、光电池、热敏电阻）组装成电子元件来完成他们的方案。这是一个探究与发现的过程，而且是在与学生们的需求和兴趣密切相关的创造性设计思维中发生的。

三、对比分析：系统设计方法VS脚本探究式学习

与脚本式探索相比较，系统设计法为学生提供可以验证自己想法的学习框架，这是两者的重要差别。通过探究引入科学概念主要集中在系统设计过程的最后两个阶段，并且没有提供脚本，学生需要绘制尝试性的电路图，并且在建造过程中进行解释。系统设计鼓励老师在学生多次尝试在电路设计中探索概念和尝试的想法和配置后，才向学生解释科学概念。这是与脚本式探究主要区别，因为脚本式探究对调查各个方面都提供了逐步的指导。脚本式探究主要是由课程设计者决定科学概念的出现，而不是以思维模式选择的科学概念的提出。系统设计作为一种项目学习，因为是从学生兴趣和生活经验展开需求分析，所以能够提升学生的参与水平。

并非系统设计法的各方面都明显优于脚本式探究，特别从教师的角度而言更是如此。首先，系统设计课程是试验课程，需要更多的测试和优化，而脚本式探究这种经过广泛的实地测试和优化方法更加成熟，而且许多理科教师对其应用成效更好。许多教师更加熟悉脚本式探究，因此如果要求教师改用不同的方法，则需要投入额外的准备时间，既包括专业培训，又包括课程前准备工作。该系统设计法还涉及花费很多课堂时间组建学生团队，以教师作为一个催化师，而不是管理学生。因为学生获得更多的自主性，所以得确保学生把时间投入到相关的课堂任务中，这种转换会提高教师的焦虑感。教师发现不会像原来教学中那样，花费更多的时间来讲授诸如欧姆定律这样的科学概念。系统设计不会直接在科学概念的教授上花费时间，而是在设计过程中进行指导，这种原先科学师范教育中没有的训练也会增加现有教师的焦虑。最后，对于中学科学教师而言，许多科学教师没有接受过电子电荷的教学训练，电学教学本身会产生教师焦虑，再加上不熟悉的概念、系统设计方法交织在一起，焦虑就更为明显。因此，系统设计法的应用会面临教师方面的直接风险和学生方面的间接风险。

最后，对系统设计法及其效果，以及公平差距进行一下说明。美国中小学科学教育在低和高SES（社会经济地位）学生之间的差异很大，另外白种人、亚裔与拉丁裔和非裔美国学生之间学业表现差异巨大。此外，男女在科学上的表现的显著差异从初中开始，在高中加剧，然而系统设计方法对成绩的提升方面没有男女性别上的差异。系统设计方法相对于传统脚本探究学习，对学习成绩的提升有明显效果，特别是对低成就的非裔美国学生而言。为了减少公平差异，可以给学生规定设计范围。此外，学生们需要相互交流自己的想法，这被看作是促进学生拥有自主想法的过程，而且这也将有助于减少学业表现的差距。另一个公平差距问题涉及平等获得设计材料的机会。研究者创建了系统设计学习模块，这样所有的动手操作都在教室里进行，所有学生都使用相同的材料（这与脚本式探究相同）。这种安排并不总是适用于项目学习。当学生被允许使用从家里带来的材料时，他们的学业表现可能会由于获取资源的不平等和课堂外实践的不平等而导致差异加剧。

今天来聊聊你对这两种教学设计的看法？~

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