丁飞己 | 工科本科生问题解决能力及其影响因素研究
DOI:10.16298/j.cnki.1004-3667.2020.05.03
摘要
研究利用2019年《中国本科教与学调查China College Teaching & Learning Survey（CCTL）》数据，对我国高校工科本科生问题解决能力特征及其影响因素进行了实证分析。分析结果显示，男性工科生问题解决能力显著高于女性，食品类工科生的问题解决能力显著低于电气类，一流学科高校工科生问题解决能力显著低于一流大学高校与普通高校。在影响因素方面，深层学习动机与教学满意度是制约工科生问题解决能力的关键性因素，工科生深层学习动机越高、工科教学满意度越高，其问题解决能力越强。
关键词
问题解决能力；工科生学习；本科生学习；本科教学
受制于工科知识体系的复杂性，我国工科教学领域长期存在着重理论轻实践的问题。另一方面，工科教师去工化评价体系存在的固有弊端，加剧了工科教师工程实践经验的不足，加之工程问题本身的复杂性，围绕工程问题特别是工程实际问题展开的问题教学是制约我国工科教学提质增效的重要短板。随着国际工程教育领域回归工程实践改革浪潮的推进，国内工程教育领域以产业需求为导向的新工科理念已经渐入人心，面向工程问题的基于问题学习、基于项目学习、基于案例学习等教学方法相继涌现，工科生问题解决能力（problem-solving skills, PSS）也日益受到学界重视。尽管问题解决能力的重要性已经得到了国内工程教育研究者的普遍认同，但有关工科生问题解决能力现状、影响工科生问题解决能力的因素却少有系统研究。基于前述考虑，本研究对我国27所抽样高校特色工科专业2340位本科生进行了调查，重点探究现阶段我国工科本科生问题解决能力特征，以及背景因素、深层学习、学习方法、教学方法等因素对工科本科生问题解决能力的影响。
一、问题的提出
（一）问题缘由
20世纪以来，问题解决过程与问题解决能力的相关研究先后受到了进步主义、行为主义、信息加工等理论流派的影响，研究议题主要涵盖问题分类、问题解决定义、问题解决流程、问题解决能力培养等领域。杜威认为思维的过程是问题导向的多阶段复杂过程，新手与专家的本质区别在于是否具备根据真实情境解决问题的能力。行为主义者桑代克也指出问题解决的过程是一个循序渐进过程，其本质是刺激与反应的联接，而问题解决能力即学习者在刺激与反应的过程中消除不当反应、增加适当反应的能力。纽厄尔（Allen Newell）等人认为问题解决的过程即个体对已有信息进行加工进而寻找问题解决方案的过程，与之对应的问题解决能力即个体利用已有信息寻找问题解决方案的能力。概而言之，问题解决的目的是明确的，即解决既定问题；问题解决的过程是复杂的，由一系列相互关联的问题解决活动组成。由此可以初步明确，问题解决能力即个体在一系列问题解决活动中围绕问题解决所表现出来的特殊能力。
问题解决能力是工科生成为工程师的必备能力。从职业属性上来看，工程师的主要职责是解决工程和技术问题，工程师参与的方案制定、产品设计、工艺实现、设备操作等具体工作究其本质而言都是为了解决特定的工程问题。另一方面，问题解决能力还能够弥合学校工程教育与产业界工程实践需求之间的鸿沟，进而为工科生从事工程职业打下坚实基础，已经成为了当前工程教育中的关键抓手。国内外工程教育认证组织纷纷将工科生问题解决能力视为工科生的必备能力，并纳入了各自制定的工程教育专业认证标准。美国工程技术认证委员会将工科生的问题解决能力界定为应用工程学、科学、数学基本原理鉴别、描述、解决复杂工程问题的能力，欧洲工程教育认证合作组织（European Network for Accreditation of Engineering Education, EUR-ACE）将工科生问题解决能力定义为鉴别、描述与解决所处领域工程问题的能力，中国工程教育专业认证协会则将工科生问题解决能力概括为应用数学、自然科学和工程科学的基本原理识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题获得有效结论的能力。尽管各国工程教育认证组织对工科生问题解决能力的描述存在一定差异，但工科生的问题解决能力无外乎是利用工程学与科学基本原理鉴别、描述并解决工程问题的能力。
结合前述工程教育认证组织对工科生问题解决能力的描述可以看出，工科生的问题解决能力是工科生特有的一种特殊能力，这种特殊性主要表现在两个方面。其一，工科生的问题解决能力是解决工程问题的特殊能力，工科生所要解决的工程问题既包括结构良好问题（well-structured problem），也包括结构不良问题（ill-structured problem）。随着工程现代化进程的加快，需求不明、数据不全、结果未知的结构不良工程问题不断增多，工程问题解决能力也因工程问题的复杂性而日趋独特。其二，工科生的问题解决能力是以工程知识和科学知识为基础的特殊能力，问题解决能力并非无本之木，相关学科知识能够为问题解决提供必要的知识基础。乔尼科（D. M. Chorneyko）指出工程知识、工程态度与动手能力是解决工程问题的先决条件。为解决日渐复杂的工程问题，工科生不仅需要掌握工程学知识与自然科学知识，还需要学习必要的人际交往、历史文化、环境与可持续等相关学科领域知识。
基于上述梳理，不难看出工科生的问题解决能力是工科生成为工程师的必备能力，这一能力有别于非工科生问题解决能力，是一种以工程和科学知识为基础，以鉴别、描述并解决工程问题为核心的特殊能力。
（二）研究假设
问题解决能力是工科生在本科教与学的过程中形成的，其影响因素可以从背景因素、深层学习、学习方法因素、教学方法因素四个方面进行分析。
1. 背景因素。早期的研究者认为，问题解决能力是与生俱来的，性别是导致学习者问题解决能力差异的直接原因。针对这一现象，米尔顿（G. A. Milton）推断性别本身并不能直接解释问题解决能力的性别差异，不同性别学习者在学习行为、学习态度、学习情感、学习动机方面存在的差异能够一定程度上解释学习者问题解决能力的差异。米尔顿的推测激励了后续研究者，学者们逐渐认同性别不能直接预测问题解决能力的观点，转而开始研究性别背后所蕴含的问题解决能力影响机制。较为主流的观点认为，不同性别学习者的自我效能感差异是影响其问题解决能力的主要因素，男性工科生自我效能感显著高于女性，其问题解决能力也显著高于女性。基于此，本研究将性别视为预测工科生问题解决能力的解释变量，并提出假设1.1。
假设1.1：不同性别工科生问题解决能力存在显著差异。
此外，国内相关研究表明不同层次高校本科生学习质量存在显著差异，不同层次高校本科生关键能力存在一定差异。结合我国现阶段高校教与学实际情况，将我国高校层次划分为一流大学高校、一流学科高校与普通高校，并提出假设1.2。
假设1.2：不同层次高校工科生问题解决能力存在显著差异。
2. 深层学习。从认知角度来看，深层学习（deep learning）是影响学生问题解决能力的核心因素。所谓深层学习即学习者出于对学习任务的内在学习动机，而关注学习任务本身的意义，并通过探索学习任务与其他任务之间联系增进其对学习内容理解的学习方式。深层学习强调学习者内部学习动机，注重学习迁移与信息整合，能够促进学习者问题解决能力、批判性思维能力、创造性思维能力等高阶思维能力的提升。自乔尼科将学习动机看作问题解决的重要基础后，学术界就深层学习动机与深层学习策略对问题解决能力的影响机制进行了探讨，杨（Mark R. Young）的研究说明深层学习动机能够激发深层学习策略，进而改善学习者的学习态度，提高学习者的学习效果。本研究将深层学习动机与深层学习策略作为影响问题解决能力的重要因素，并提出假设2.1与假设2.2。
假设2.1：深层学习动机越高的工科生问题解决能力越强。
假设2.2：深层学习策略使用越频繁的工科生问题解决能力越强。
3. 学习方法因素。在学习方法方面，主动学习是影响工科生问题解决能力的主要因素。主动学习即一类以课堂学习活动为基础、强调学生参与和高阶认知过程的一系列教与学方法总称。大量研究结果表明，学生采取主动学习方法进行学习时，其问题解决能力也会随之提升。希雯（Atara Sivan）等人的研究进一步指出，在基于产业界的真实学习情境中，学生主动学习参与度越高，其问题解决能力越强。据此，本研究选取主动学习作为预测工科生问题解决能力的核心变量，并做出假设3。
假设3：主动学习水平越高的工科生问题解决能力越强。
4. 教学方法因素。承前述，工科生的问题解决能力是其在本科教与学的过程中形成的，教师在教学过程中对教学方法的使用频率与教学方法使用质量（即教学满意度）都会影响工科生的问题解决能力。伍兹（Donald R. Woods）通过多年的跟踪调查发现，并非所有的教学方法都能够有效促进工科生问题解决能力的提升。米尔斯（Julie E. Mills）等在对基于问题学习（Problem-based Learning）与基于项目学习（Project-based Learning）两种教学方法进行系统比较的基础上发现，虽然基于问题学习与基于项目学习都能促进学习者问题解决能力的提升，但单纯强调一种教学方法并不能确保工科生掌握工程问题解决能力。根据以上分析，本研究提出假设4.1与假设4.2。
假设4.1：教师教学方法使用频率越高工科生问题解决能力越强。
假设4.2：教师教学满意度越高工科生问题解决能力越强。
二、研究对象与方法
（一）研究对象选择
本研究利用2019年《中国本科教与学调查China College Teaching & Learning Survey（CCTL）》，对38所抽样高校的特色专业本科生进行了调查，6027位本科生匿名参与了本次调查，获得有效样本4461份。其中，来自27所抽样高校特色工科专业的2340位工科生参与了此次调查。从样本分布来看，（见表1）有效样本中男性工科生样本达1514份，占比64.70%，与我国高校工科在校生性别分布基本吻合。调查对象主要为一流大学建设高校工科生与一流学科建设高校工科生，同时兼顾普通高校，一流大学建设高校工科生与一流学科建设高校工科生样本为1782份，占比76.20%；调查对象年级分布较为合理，大一、大二、大三工科本科生占比略高于20%，大四本科生占比略低于实际占比；调查涵盖了主要工科专业大类，各专业大类占比基本合理，机械类本科生样本537份占比最高，计算机类和化学类两个专业大类占比与实际在校生占比存在一定差异。
（二）模型构建与变量选择
基于前述分析，本研究借助SPSS26.0将影响工科生问题解决能力的背景变量、深层学习、学习方法、教学方法等变量分层纳入回归模型如下式所示的层次回归模型：
PSS=α+β1TB+β2DLM+β3DLS+β4AL+β5TM+β6TS+∈
式中，PSS（问题解决能力）为因变量，α为常数项，TB（背景因素）为控制变量，DLM（深层学习动机）、DLS（深层学习策略）、AL（主动学习）、TM（教学方法）、TS（教学满意度）为自变量集，β1为控制变量回归系数，β2、β3、β4、β5、β6为五个自变量集的回归系数，∈为误差。各变量具体含义如下。
（1）背景变量。包括性别与学校层次两个子变量，学校层次按一流大学高校、一流学科高校、普通高校进行划分。
（2）深层学习。深层学习包括深层学习动机（deep learning motivation, DLM）与深层学习策略（deep learning strategy, DLS）两个维度，深层学习动机由求知欲望、学习兴趣、解决困难3个子变量组成，深层学习策略由学习迁移、问题学习、理解学习等3个子变量组成，认同程度按1（“极不认同”）到5（“非常认同”）进行计分。
（3）学习方法。主动学习包括主动参与、主动提问与主动响应三个子变量，主动参与即工科生参与课堂讨论、小组活动等主动学习活动的频率，主动提问即工科生在参与主动学习时主动发起提问的频率，主动响应即工科生在参与主动学习时通过回答问题、思考问题等方式主动响应教师教学的频率，所有频率按1（“从不出现”）到5（“总是出现”）计分。
（4）教学方法。结合工科教学实际情况，选取讲授、讨论、小组项目、课堂汇报展示、实地调研、实验操作等6种主要教学方法作为教学方法变量，教学方法出现频率按1（“从未”）到5（“总是”）5点计分（“未出现”的计为0）；教学满意度包括师生互动、学习支持、校园文化等3个子变量，满意度按1（“极不满意”）到5（“非常满意”）5点计分。
三、研究发现
（一）工科生问题解决能力特征分析
表2所示的调查结果说明，我国高校工科生问题解决能力整体得分情况良好，75.2%的工科生认为自身的问题解决能力有了较大及以上程度提高。Mann-Whitney U检验结果表明工科生的问题解决能力显著高于非工科生（p<0.05），意味着工科教学过程中可能较为注重围绕工程问题进行教学。在性别差异方面，男性工科生的问题解决能力显著高于女性工科生（p<0.001）。这一调查结果与金冬梅等人针对未区分学科的本科生的调查结果相左，究其原因可能是工科生群体中男性占比远高于女性，而工科生群体中的男性工科生的自我效能感显著高于女性工科生，限于本研究初始设计并未涉及自我效能感的测量，暂时无法验证这一推断。
从学校层次来看，（见表3）不同层次高校工科生问题解决能力存在显著差异（p<0.01），呈现出两端高中间低的总体趋势，即一流大学建设高校工科生问题解决能力与普通高校相当，一流学科建设高校工科生问题解决能力显著低于一流大学建设高校与普通高校。前述金冬梅等人的研究结论认为不同层次高校本科生问题解决能力不存在显著差异，可能的原因是一流大学高校与普通高校较为重视教学方法创新，导致其工科教学质量显著高于一流学科建设高校，工科生问题解决能力也显著高于一流学科建设高校。
在年级差异方面，不同年级工科生问题解决能力仅存在数值上的差异，不存在统计学上的显著差异。这一结果从侧面反映出，尽管当前我国工科教学实践中基于问题教学、基于项目教学等诸多教学方法已经并不罕见，但当前的工科教学并未围绕实际工程问题进行系统设计，基于问题教学、基于项目教学等教学方法的使用还停留在概念探讨阶段，一体化工科教学体系尚未完全确立，工科生的问题解决能力，特别是实际工程问题解决能力并未得到持续提升。
在专业差异方面，不同专业工科生问题解决能力存在显著差异（p<0.01）。方差分析及事后检验的结果显示，在所有调查专业中，仅食品类工科生与电气类存在显著差异，食品类工科生的问题解决能力显著低于电气类（p<0.05），其他各工科专业本科生问题解决能力仅存在数值上的微弱差异。结合国内食品类专业与电气类本科教学研究现状，可以推测食品类专业教学改革可能滞后于电气类专业。
（二）工科生问题解决能力影响因素分析
为便于计算，本研究对教学方法数据进行了清理，剔除所有教学方法中存在“未出现”的样本，得到包含所有教学方法的有效数据2213份。依据前述层次回归模型对工科生问题解决能力影响因素进行层次回归分析，得到如表4所示的层次回归分析结果。从结果来看，模型的整体解释力为0.367，六个预测变量的影响均达到了显著水平（p<0.01）。随着纳入变量的增多，模型的解释力也稳步提高。
虽然不同性别、不同学校层次的工科生问题解决能力存在显著差异，但回归分析结果说明性别与学校层次对工科生问题解决能力的影响并不显著，证伪了假设1.1与假设1.2。逐次加入深层学习与学习方法后，学校层次对工科生问题解决能力的影响呈现出显著特征（p<0.05），加入教学方法后学校层次变量对工科生问题解决能力的影响不再显著，说明教学方法能够解释学校层次产生的变异，意即不同高校工科生问题解决能力不同的本质原因是不同层次高校工科教师的教学方法存在差异。
在模型2中，纳入深层学习动机变量后，模型对问题解决能力的解释力大大增加，解释变异达到20.2%，学习动机变量对工科生问题解决能力影响最大。尽管如此，学习兴趣子变量对问题解决能力影响并不显著。求知欲望动机与解决困难动机对问题解决能力影响显著（p<0.05），工科生求知欲望动机与解决困难动机越大，其问题解决能力越强。从回归系数来看，解决困难动机对问题解决能力的影响要高于求知欲望动机，部分证实了假设2.1。
模型3纳入深层学习策略后，深层学习策略各子变量对工科生问题解决能力影响显著（p<0.001），问题学习策略对工科生问题解决能力影响最大，学习迁移对工科生问题解决能力影响次之，理解学习对工科生问题解决能力影响相对较弱；加入主动学习变量后，学习迁移对问题解决能力的影响不再显著，说明主动学习能够解释学习迁移产生的变异，部分证实了假设2.2。结合模型2与模型3不难发现，深层学习动机对工科生问题解决能力的影响大于深层学习策略，这一结果与王靖和崔鑫的研究结论不同，究其原因可能是深层学习动机主导了工科生深层学习策略的使用。
模型4显示，主动学习各子变量对工科生问题解决能力影响均达到了显著（p<0.05）。工科生主动参与和主动响应频率越高，其问题解决能力越强；主动提问对工科生问题解决能力有微弱的负向影响（回归系数为-0.054），部分证实了假设3。工科生主动提问频率越高，问题解决能力越差，可能的解释是现阶段工科生提问能力不足，导致其提问质量低下，不能有效提高问题解决能力。加入教学方法变量后，主动提问对工科生问题解决能力的影响趋于消失，从侧面揭示了当前我国工科教学可能存在着未能积极引导学生提出高质量问题的弊端。
综合模型5与模型6可以看出，教学满意度对工科生问题解决能力的影响要大于教学方法的影响。六种常见教学方法中仅讲授与实验操作能够显著影响工科生问题解决能力，部分证实了假设4.1；教学满意度各子变量都能显著影响工科生问题解决能力，证实了假设4.2。加入教学满意度后，讲授对工科生问题解决能力的影响减弱，实验操作对工科生问题解决能力的影响消失，证明工科生对实验操作教学的满意度不高，可能的原因是工科生在实验操作教学中缺乏有效指导。结合回归系数可知，教学满意度对工科生问题解决能力的影响仅次于深层学习动机。
四、结论与建议
（一）结论
1. 工科生问题解决能力整体得分情况较好，多数工科专业本科生问题解决能力差异不大。75.2%的工科生认为自身的问题解决能力有了较大及以上程度提高，男性工科生的问题解决能力显著高于女性工科生，一流学科建设高校工科生问题解决能力显著低于一流大学建设高校与普通高校。食品类工科生的问题解决能力显著低于电气类，其他专业工科生问题解决能力无显著差异。
2. 深层学习是影响工科生问题解决能力的关键因素，深层学习动机与深层学习策略都能显著影响工科生问题解决能力。深层学习动机对工科生问题解决能力的影响大于深层学习策略，工科生深层学习动机越高、深层学习策略使用越频繁，其问题解决能力越强。
3. 教学方法与学习方法对工科生问题解决能力的影响有限。教学方法与学习方法虽然能够显著影响工科生问题解决能力，但并非所有教学方法与学习方法子变量对工科生问题解决能力的影响都达到了显著水平。考虑教学满意度因素后，仅主动响应和讲授能够略微影响工科生的问题解决能力。
4. 教学满意度对工科生问题解决能力有重要影响。教学满意度对工科生问题解决能力的影响仅次于深层学习动机，工科生师生互动满意度、学业支持满意度、校园文化满意度越高，其问题解决能力越强。
（二）相关建议
本研究最重要的发现是深层学习与教学满意度是影响工科生问题解决能力的核心因素，而教学方法与学习方法对工科生问题解决能力的影响有限。前述发现有助于工科教师和工科教学研究者进一步改进教学工作，具体可从3个方面开展相关工作。
1. 以内生动机为导向，强化问题解决能力。研究结果显示，深层学习动机对工科生问题解决能力的影响最大。在工科教学实践中，应积极引导工科生重视学习任务本身的意义，采取多元化、差异化教学方法，激发工科生内在学习兴趣，满足工科生的求知欲望。与此同时，工科教师在教学中，还应注重学业任务的挑战性，适当安排高挑战度学业任务，并对完成高挑战度学业任务的学生进行适当奖励，激励工科生养成努力解决学习困难的意志品质，为工科生问题解决能力的习得夯实基础。
2. 以教学满意为准绳，提升工科教与学质量。随着我国工程教育规模的不断扩张，工科课堂规模也随之不断扩大，加之工科知识体系复杂，理论教学任务较重，工科教师在教学中经常有意或无意地忽略了师生互动、课堂氛围、校园文化等学习环境因素对学生学习的影响。研究结果表明，学习环境因素对工科生问题解决能力的影响不容小觑，教学满意度对工科生问题解决能力的影响明显高于教学方法和学习方法。因此，工科教师在教学过程中，应以教学满意为准绳，鼓励学生主动参与课堂内外的教与学活动，积极响应学生遇到的疑难和困惑，着力营造良好的学习环境，切实提高工科生学习质量。
3. 以教学质量为依据，强化工科教学研究。在工科教学研究领域，长期存在着唯方法论倾向，即主要关注教与学方法的创新（如基于问题教学、基于项目教学、探究式教学等），较少关注既有教与学方法的质量，对特定教与学所处的师生互动环境、学业支持环境、校园文化环境的研究更是凤毛麟角。本研究发现多样化的教学方法（如讨论、小组项目等）并不能促进工科生问题解决能力的提高，传统的讲授法反而能够显著提高工科生的问题解决能力。在今后工科教学研究中，应适当减少教学方法研究，转而走向以教学质量为依据的高水平研究，对工科教学质量评价标准、工科教学质量提升路径进行系统研究。
作者
丁飞己，华东师范大学高等教育研究所博士研究生，上海 200062
原文刊载于《中国高教研究》2020年第5期第17-23页
栏目
本科教与学研究
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