结构化问题解决策略与支架式教学对职前科学教师十二类给定-目标型物理问题解决中科学成就与学业成就的影响研究

本研究针对职前科学教师(PSTs)在物理问题解决中常陷入表层策略、缺乏深度推理的现状，设计了一项结合五步问题解决策略与支架式教学的三阶段干预实验。通过九种领域特异性评估工具，研究发现支架支持显著提升了PSTs在十二类给定-目标问题中的科学成就（概念分析与表征）和学业成就（结果准确性），尤其在复杂隐藏目标问题中效果突出。该研究为科学教师教育中的认知建模与教学设计提供了实证依据，对优化问题解决教学具有重要理论与实践意义。

　　

在科学教育中，问题解决不仅是一项核心认知技能，更是培养职前科学教师（PSTs）高阶思维的重要教学工具。然而，现实情况却令人担忧：许多PSTs在解决物理问题时，由于时间压力和认知超载，往往采取 idiosyncratic（特质的）或 suboptimal（次优的）策略，过度依赖公式套用和机械计算，而忽视了深层的概念分析和结构化推理。这种倾向被Buseyne等人（2025）描述为“流动破坏性个体差异”，它干扰了持续的认知投入，导致科学推理与最终答案准确性之间出现严重脱节。更棘手的是，大规模国际评估如TIMSS和PISA repeatedly highlight（反复强调），许多科学学习者面对不熟悉或复合型问题时，其概念理解的可迁移性十分有限。因此，如何通过有效的教学干预，系统提升PSTs在复杂问题解决中的科学成就（强调过程性推理）与学业成就（强调结果准确性），成为了科学教师教育领域一个亟待解决的关键问题。

为了深入探究这一问题，来自Sakarya University的?smail Y?lmaz开展了一项严谨的实证研究，其研究成果发表在《Acta Psychologica》上。该研究创新性地将一种结构化的五步问题解决策略与Vygotskian理论指导下的支架式教学（Scaffolding）相结合，旨在系统考察其对PSTs在十二种不同类型的“给定-目标”（Given-Desired）物理问题中科学成就与学业成就的影响。

研究者为开展此项研究，主要采用了以下几项关键技术方法：首先，研究采用了基于设计的三阶段实验范式（Phase I: 基线诊断；Phase II: 策略教学与支架支持；Phase III: 支架撤除与保留评估），历时九周，共有72名首次选修Physics 1课程的PSTs参与。其次，研究团队自主研发了九套共计60个开放式问题的测量工具，这些问题系统地覆盖了十二种“给定-目标”问题类型（如开放给定(OGTa)、隐藏给定(HGTb)、单一开放目标(ODTa)、可选多重开放目标(ODTb1)、无选项多重开放目标(ODTb2)以及不同难度层级的隐藏目标(HDTc1, HDTc2, HDTc3)）。第三，采用了Y?lmaz（2011, 2017）提出的“最小意义单元”（Smallest Meaningful Piece, SMP）评分技术，对PSTs在“给定-目标”步骤（用于评估科学成就APS）和“结果”步骤（用于评估学业成就ASS）的反应进行精细化、标准化的评分。数据采集与评分过程借助了专用的VDO?H?软件以确保客观性和可重复性。最后，运用比率比较（ratio-based comparisons）和概率评分（probabilistic scoring）方法对数据进行分析，从而能够同时捕捉认知过程的准确性和结果输出的准确性。

研究结果

6.1. 各研究阶段的科学成就与学业成就

基线阶段（Phase I）的数据揭示了一个惊人且巨大的差距：学业成就（ASS）远超科学成就（APS），在某些问题类型上，ASS超出APS达1730%，超出概率计算的科学成就达1204.96%。这强烈表明，在没有接受策略教学和支架支持的情况下，PSTs普遍能够通过死记硬背或试错等方式获得正确的最终答案，但其对问题概念结构的理解、变量关系的表征等科学推理过程是极其薄弱甚至缺失的。在经历了Phase II的策略与支架干预后，所有十二类问题的科学成就（APS）均出现了极其显著的提升，增幅从487.5%到1530%不等，其中以开放给定结合单一开放目标（OGTa+ODTa）的问题类型提升最为显著（APS=0.75）。更令人鼓舞的是，在Phase III撤除支架后，这种提升得到了很好的维持甚至在某些问题类型上（如HGTb+HDTc3）有进一步改善，表明PSTs在一定程度上内化（internalize）了问题解决的认知图式。

6.2. 单一开放目标问题的阶段间比较差异

对单一开放目标问题的深入分析显示，Phase II的干预效果极其显著。对于OGTa+ODTa问题，科学成就（APS）相比基线提升了1530%；对于HGTb+ODTa问题，APS提升了952.63%。即使在支架撤除后的Phase III，科学成就依然保持了增长（分别增长7.36%和10%）。这表明结构化策略与支架教学对于提升PSTs解决基本类型问题的科学推理能力具有强效且持续的作用。

6.3. 评估指标间的差异

Phase I中不同评估指标（古典APS、概率APS、ASS）间的巨大差异，在Phases II and III 中大幅缩小。例如，对于OGTa+ODTa问题，ASS与APS的差距从1730%降至Phase III的10.57%。这表明干预措施有效弥合了“过程”与“结果”之间的鸿沟，促使PSTs的推理过程与最终答案变得一致和协调。

6.4. 多重开放目标问题

对于涉及多重目标的问题，支架干预同样效果显著。例如，对于HGTb+ODTb1问题，Phase II的APS相比Phase I提升了1403.21%。然而，在支架撤除后的Phase III，学业成就（ASS）的表现出现了一些波动和不一致性，其提升不如科学成就稳定，这表明对于更复杂的多重目标问题，学业成就的维持可能需要更长时间或更具适应性的支架支持。

6.5. 可选与不可选多重开放目标问题的比较

对比分析表明，在Phase I，提供可选目标（ODTb1）的问题其学业成就（ASS）显著高于无选项（ODTb2）的问题（差距达-72.17%）。经过干预，这种差距在Phases II and III 有所缩小，但无选项问题在学业成就上依然面临更大挑战。这提示教学设计者，提供适当的选择性可能有助于降低初学者的认知门槛，但同时也需通过策略教学帮助他们最终攻克无选项的复杂问题。

6.7. 隐藏目标问题的阶段间比较分析

隐藏目标问题代表了更高的认知复杂度。结果显示，支架干预对提升此类问题的科学成就效果巨大（Phase II相比Phase I，APS提升范围从487.5%到937.5%）。其中，涉及隐藏给定和第二层级隐藏目标（HGTb+HDTc2）的问题提升幅度最大（803.13%）。在Phase III，科学成就继续保持增长势头（例如HGTb+HDTc3的APS继续增长89.36%），但学业成就的增益则因问题类型而异，有的增长，有的略有下降，再次印证了复杂问题中结果输出环节的稳定性需要额外关注。

6.8. 隐藏目标问题中科学与学业成就的百分比差距

在隐藏目标问题中，Phase I同样显示出ASS远高于APS的巨大差距（最高达900%）。经过干预，到Phase III，这一差距已大幅收窄至较低水平（例如OGTa+HDTc1的差距降至22.68%）。然而，对于最复杂的隐藏目标问题（如HGTb+HDTc3），到Phase III其ASS反而略低于APS（差距为-11.23%），这表明经过训练后，PSTs对问题结构的理解（科学成就）可能已经超过了其执行计算并获得完美结果的即时能力（学业成就），这是一种有趣的、体现了深度学习的“滞后”现象。

研究结论与讨论

本研究得出明确结论：整合了五步问题解决策略的支架式教学干预，能极其有效地提升PSTs across a wide range of（ across a wide range of）问题类型的科学成就（APS）和学业成就（ASS）。它不仅帮助PSTs在干预期间取得巨大进步，更重要的是，在支架撤除后，尤其是在科学成就方面，显示了良好的保留效果，表明发生了有效的认知图式内化和转移。

该研究的深刻意义在于多方面。首先，它从实证角度验证了结构化策略和支架式教学在科学教师教育中的巨大价值，为优化物理学乃至STEM（Science, Technology, Engineering, Mathematics）教育的教学设计提供了强有力的证据。其次，它操作化地区分并精确测量了“科学成就”与“学业成就”，这为更细致地评估和理解学生的 problem-solving 过程提供了可复制的方法论框架（如SMP技术）。再者，研究结果与国际大规模评估（如PISA, TIMSS）的发现相呼应，强调了超越单纯答案正确性、关注过程性推理的全球性教育趋势。

当然，研究也存在一些局限，例如未监测PSTs在解题过程中的实时认知负荷与情感状态，样本来源相对单一等。未来的研究可以整合 eye-tracking（眼动追踪）、EEG（脑电图）等生理测量技术，深入探查支架支持下的认知过程；扩大样本的文化和背景多样性以检验结论的普适性；以及探索人工智能（AI）驱动的自适应学习系统，为实现规模化、个性化的支架式教学提供可能。

总之，Y?lmaz的这项研究成功地阐明了一条通过结构化认知支持提升职前科学教师问题解决专业素养的有效路径。它不仅贡献了具体的教学策略与评估方法，更重要的是，它深化了我们对“如何教会未来的教师更深刻地思考科学问题”这一核心问题的理解，对推动科学教师教育与认知心理学的发展都具有重要的理论与实践意义。