Традиционный или исследовательский подход: что эффективнее в STEM-обучении?

Педагоги давно спорят, как эффективнее преподавать STEM-дисциплины, то есть естественные науки, технологии, инженерию и математику — с помощью традиционного или исследовательского обучения. Эти два типа различаются по степени активности и самостоятельности учащихся.

В чём разница между традиционным и исследовательским подходами

Традиционное, или прямое обучение (в отечественной дидактике используется термин «объяснительно-иллюстративное») нацелено на передачу ученикам готовых знаний, которые те должны запомнить. Главные виды учебной деятельности — слушание, чтение, воспроизведение изученного.

Однако прямое обучение не всегда подразумевает только пассивное усвоение информации. Оно может включать в себя и решение практических задач, и проведение экспериментов, но они в этом подходе всегда следуют за объяснением и нужны для закрепления и иллюстрации того, о чём рассказал педагог или что ученик прочёл в учебнике.

Исследовательское обучение, наоборот, подразумевает, что учащиеся сами «добывают» или конструируют новые знания, а не получают их от преподавателя в «готовом виде». Ключевые признаки этого типа обучения:

• упор на самостоятельных выводах учащихся, сделанных с помощью исследований;
• обмен учащихся друг с другом результатами исследовательской работы, опытом и критикой.

О чём спорят теоретики и практики

Некоторое время назад в США и некоторых других странах распространилась убеждённость в том, что для преподавания STEM-дисциплин лучше подходит исследовательское обучение. Однако в последние годы в научных публикациях всё чаще стали утверждать, что прямое обучение всё-таки эффективнее.

Одна из самых свежих научных работ на эту тему опубликована в 2022 году в журнале Educational Psychology Review. Среди её авторов очень известные в педагогическом дизайне эксперты — создатель теории когнитивной нагрузки Джон Свеллер и соавтор книги «Десять шагов комплексного обучения» Пол Киршнер. Вместе с коллегами они критикуют образовательную политику стран, где за стандарт в преподавании STEM-дисциплин принято исследовательское обучение.

По словам авторов этой критической работы, обычно для обоснования того, что исследовательское обучение работает лучше традиционного, проводят такие эксперименты: в классе какое-то время (условно, пару недель) применяют новые методы обучения, а потом сравнивают результаты учеников «до» и «после». Или в одном классе вводят новые методы обучения, а в другом нет, и потом их результаты сравнивают.

Проблема в том, что такие исследования не исключают и не оценивают дополнительные факторы, которые могут влиять на чистоту эксперимента. Поэтому по ним нельзя делать однозначные выводы об эффективности того или иного подхода.

В то же время, по словам авторов, эксперименты с контрольными группами и изучение взаимосвязей в большом массиве данных демонстрируют, что на одном только исследовательском подходе, без прямого обучения ученики не достигают основной учебной цели — не понимают и не усваивают концептуальные научные знания.

Однако в 2023 году в журнале Educational Research Review вышла статья международного коллектива исследователей, которые не согласились с этим выводом: по их мнению, Киршнер, Свеллер и их соавторы представили неполные и даже неверные доказательства своей позиции. В обзоре научной литературы под названием Let’s talk evidence — The case for combining inquiry-based and direct instruction («Давайте поговорим о доказательствах: аргументы в пользу сочетания исследовательского и прямого обучения») учёные рассмотрели:

• Что на самом деле говорят об эффективности разных типов обучения результаты различных исследований — контролируемых (то есть с экспериментальной и контрольной группами), корреляционных (когда анализируются взаимосвязи среди большого массива данных — таких, например, как результаты международных тестов PISA) и тех, которые авторы статьи 2022 года называют «основанными на программах» (когда на какой-то срок вводятся новые методы обучения и потом сравнивают результаты учеников до и после).
• Какие факторы и условия среды влияют на эффективность того или иного типа обучения.

Рассказываем, к каким выводам пришла эта группа исследователей и какие рекомендации они дали педагогам.

Что известно об эффективности разных типов обучения

Сначала авторы обратились к метаанализам разных лет, в которых рассмотрены результаты контролируемых исследований.

Так, работа 2011 года на основе 164 исследований показала, что традиционное обучение приводит к более высоким результатам, чем исследовательская деятельность учеников без поддержки педагога. А вот если преподаватель направлял и фасилитировал процесс исследования, ученики достигали больших успехов, по сравнению со всеми другими типами обучения.

Похожие выводы сделали авторы метаанализа 2012 года — здесь исследовательское обучение оказалось в среднем эффективнее традиционного, а ещё больше пользы ученики получали, когда их исследованиями руководил педагог. Важность скаффолдинга (именно так называют процесс, при котором обучающийся решает задачу при поддержке учителя) в исследовательском обучении продемонстрировали и метаанализы 2016 и 2017 года.

В 2014 году исследователи проанализировали 59 научных работ, где рассматривалась эффективность интерактивных симуляций по сравнению с традиционными уроками. И снова выяснилось, что виртуальные эксперименты при поддержке педагога приводят к лучшим результатам, чем самостоятельная активность учеников и обычные уроки с объяснением материала.

Подходящие корреляционные исследования проводились в основном на данных тестирования PISA-2015 — в этом году в опроснике был пункт о том, насколько часто на уроках ведётся исследовательская деятельность. Правда, как отмечают авторы обзора, по ответам учеников нельзя определить, имеют ли они в виду эксперименты для конструирования знаний или стандартные опыты по образцу, как и оценить качество исследовательских уроков.

То есть делаем первый вывод: исследовательское обучение эффективнее традиционного, но ключевой фактор при этом — что исследовательскую работу учащиеся должны проводить не совсем самостоятельно, а с поддержкой преподавателя.

При этом есть немало работ, выявивших, что частая исследовательская деятельность последовательно снижает успеваемость по соответствующим STEM-предметам (например, вот исследование 2021 года). Однако исследователи отмечают, что на деле связь не прямолинейная — эксперименты в обучении всё же приносят пользу, но только если происходят на некоторых уроках, а не на всех. Так, исследование 2016 года на тех же данных PISA-2015 показало, что самый высокий средний балл по STEM-предметам — у школьников, которые преимущественно получают знания от учителя, а самостоятельными исследованиями занимаются лишь периодически. По мнению авторов, причина может быть в том, что объяснения научных концепций дают ученикам необходимую основу, чтобы они получили пользу от проведения эксперимента.

Результаты PISA-2105 тоже подчёркивают важность учительской поддержки. Исследование 2021 года выявило, что лучше всего осваивают STEM-предметы те ребята, которыми в исследовательской деятельности руководит учитель. А чем меньше поддержки со стороны педагога, тем меньше пользы приносят эксперименты на уроках.

С критикой исследований, которые Киршнер, Свеллер и их соавторы называют «основанными на программах», авторы обзора не согласны. По их мнению, даже если вмешательства в ходе таких исследований не исключают множества посторонних факторов, это относится и к реализации традиционного обучения, поэтому вполне уместно сравнивать два подхода по тому, как они воплощаются на практике. Результаты таких научных работ обычно свидетельствуют в пользу исследовательского обучения или же не обнаруживают значимых различий между экспериментальным и традиционным подходами.

Какие ещё факторы влияют на эффективность типов обучения

Авторы обзора заметили, что от обсуждения эффективности разных типов обучения «в вакууме» стоит перейти к изучению факторов, которые могут увеличить или уменьшить пользу того или иного подхода. Метаанализы, рассмотренные ранее, уже показали, например, как эффективность исследовательского обучения повышается при поддержке педагога. А какие ещё условия стоит принять во внимание?

В 2022 году шведские исследователи выявили четыре группы факторов, влияющих на результаты применения разных методов обучения:

• относящиеся к ученику — уровень успеваемости, когнитивные (то есть интеллектуальные) способности, предварительные знания;
• относящиеся к учителю — профессиональный опыт, предметно-специфические знания, владение конкретным методом обучения;
• факторы среды — состав и численность класса, обстановка в классе;
• факторы содержания — изучаемый предмет, качество образовательной программы.

Подчеркнём: на самом деле круг факторов, которые так или иначе оказывают влияние на обучение конкретного человека, ещё шире (здесь, например, мы рассказывали про факторы, влияющие на успеваемость школьника). Выше перечислены лишь факторы, которые связаны с обучением самым непосредственным образом.

Из них авторы обзора рассмотрели наиболее значимые, которые могут определить, насколько успешной получится реализация исследовательского или традиционного подхода к обучению.

Фактор 1

Тема и цели обучения

Не каждая тема подходит для того, чтобы изучать её с помощью экспериментов. Строгие факты — ну, например, химические формулы или алгоритмы расчёта — лучше передавать ученикам напрямую, считают авторы обзора.

В то же время исследовательский подход способствует более глубокому пониманию, а также применению изученного в разных контекстах, если:

• тему нельзя полностью представить в виде фактического материала;
• в этой области возможны разные трактовки или имеются устоявшиеся заблуждения.

По словам авторов обзора, ещё более важную роль, чем изучаемая тема, играют планируемые цели обучения. Теоретики педагогического дизайна ещё в XX веке рекомендовали, например:

• использовать прямую передачу знаний, если учебная цель состоит в запоминании новой информации;
• а исследовательский подход применять — если в первую очередь важно понимание и применение изученного.

С этим согласны и современные исследователи. Так, в 2017 году педагоги Дуглас Фишер, Нэнси Фрей и Джон Хэтти (мы писали об их книге «Учим в любых условиях») рекомендовали выбирать подход к обучению в зависимости от того, какое знание нужно сформировать ученику: поверхностное, глубокое или готовое для применения в различных условиях. На двух последних уровнях хорошо себя показывают именно основанные на экспериментах методы обучения.

Фактор 2

Предварительные знания ученика

Насколько эффективным окажется исследовательское обучение, зависит ещё и от предварительных знаний учащихся. Но это тоже не новость: ещё в 1980-х психолог Роберт Ганье представил иерархию когнитивных навыков, которая показывает, чему должен научиться человек, прежде чем ему станут доступны более комплексные навыки, такие как решение проблем.

Поэтому исследователи (например, здесь) рекомендуют сначала дать ученикам базовые знания по теме, на основе которых те смогут эффективно выдвигать гипотезы, проводить эксперименты и анализировать результаты.

Но это не значит, что для успешного применения исследовательского обучения учащиеся должны уже блестяще владеть темой. Так, эксперимент 2022 года показал, что учащиеся, лишь поверхностно знакомые с темой обучения, получали больше пользы от поддержки преподавателя в исследовательской деятельности, чем их сверстники, владеющие знаниями на среднем и высоком уровне.

Похожие результаты получились в исследовании 2014 года: из отстающих студентов колледжа заметнее улучшили свои оценки те, кто прошёл курс математики, основанный на исследованиях с поддержкой преподавателя, а не те, кто лишь прослушал лекционный курс. А вот оценки студентов со средней и высокой успеваемостью не различались в зависимости от подхода.

Есть ещё условие, довольно очевидное, но, вероятно, иногда упускаемое из виду: для эффективного обучения по исследовательскому методу важно, чтобы учащиеся знали, как грамотно проводить исследования. Это подтверждает и работа учёных из Эстонии. Проще говоря, нельзя дать классу или группе студентов задание в надежде, что они сами «как-то» придумают и проведут эксперимент или соберут множество данных и толково обобщат результаты. Предварительно их нужно научить методологии исследований.

Фактор 3

Базовые навыки и способности учеников

От этого никуда не денешься: помимо знаний по соответствующей теме, есть и другие факторы, относящиеся к ученику, которые влияют на эффективность разных подходов к обучению.

Среди них — читательская грамотность: высокие результаты в понимании прочитанного имеют явную связь с владением навыками исследования. Если ученик не в состоянии понять даже суть задачи, как он проведёт мини-исследование для её решения? То же самое касается базовых математических навыков, таких как сравнение, измерение, классификация, вычисление.

Исследования среди старшеклассников и студентов вузов выявили, что эффективность применения исследовательских методов и вообще сама способность учащихся конструировать у себя новые знания зависит от их уровеня интеллекта, а ещё — от их ингибиторного контроля (так называют способность контролировать импульсы и автоматические реакции, то есть саморегуляцию человека). Проще говоря, исследовательский метод годится для учащихся, которые уже достаточно хорошо управляют своими вниманием и способны организовать свою деятельность.

Читайте также:

Какие когнитивные способности важны для успешной учёбы и как их развить

В 2007 году исследователи обнаружили, что на успех учеников в исследовательской деятельности влияет ещё и их самоэффективность — то есть вера в свою способность достичь положительного результата в конкретной деятельности.

Исследование 2022 года показало, что прямая передача знаний эффективнее, чем формирование знаний путём исследований, которые проводят учащиеся. Но при дальнейшем анализе это оказалось справедливо только для студентов с низким уровнем самоэффективности (то есть не очень верящих в свои способности).

Но хорошая новость в том, что с помощью поддержки сомневающихся в себе учащихся можно повысить их самоэффективность. Проще говоря, для исследовательского обучения нужно сначала подготовить почву и сопровождать его определённым образом. Учащиеся не должны быть предоставлены сами себе. Тогда оно будет хорошо работать.

Опишем результаты упомянутого выше эксперимента 2007 года. Школьники с высокой самоэффективностью изначально больше, чем их менее уверенные в своих способностях ровесники, вовлекались в исследовательские задачи (такие как сбор данных). Однако те, кто изначально отличался низкой самоэффективностью, действовали активнее с каждым следующим занятием, и к четвёртому уроку различия в исследовательском поведении между школьниками с низкой и высокой самоэффективностью вообще исчезли. По мнению авторов обзора, ученики с изначально низкой самоэффективностью получили успешный опыт своей деятельности и поэтому на следующих уроках чувствовали себя увереннее.

Принципы эффективного обучения

Из того, что описано выше, внимательному читателю уже ясно: эффективнее всего работает сочетание традиционного и исследовательского подхода.

Основой урока или целой образовательной программы может быть какой-то один подход, будь то исследовательский или традиционный. При этом, отмечают авторы обзора, чтобы обучение хорошо работало, лучше всего добавлять к этому дополнительные учебные стратегии и виды деятельности.

Сочетать исследовательские и традиционные учебные активности можно по-разному. Эксперимент может предварять объяснение учителя — это способствует активации предварительных знаний и вовлекает учеников, показывая значимость той или иной темы.

Так, например, работает стратегия «продуктивной неудачи», когда ученики пробуют решить задачу или проблему, задействуют свои навыки и знания, формулируют новые идеи, совершают ошибки. А педагог затем строит объяснение именно так, чтобы разобрать возникшие сложности и ответить на вопросы учеников. В завершение исследовательского урока можно обсудить с учениками, что они узнали и к каким выводам пришли, после чего рассказать о научной концепции, которая лежит в основе этих открытий.

Есть и другой подход, когда прямое обучение предшествует исследовательской активности. Это может быть, например, объяснение теоретического материала: ученики получат предварительные знания, чтобы вынести больше пользы из дальнейшего исследования. Или учитель может начать с формирования базовых навыков, необходимых для проведения экспериментов.

Читайте также:

Как лучше учить: сначала дать теорию, потом задачу, или наоборот?

Наконец, прямая передача информации может сопровождать исследовательское обучение — в этом случае ученики получают объяснения от учителя прямо в процессе экспериментов. В 2004 году исследователи выяснили, что такой подход приводит к лучшим учебным результатам, по сравнению с отсутствием объяснений. А исследование 2010 года показало, что передача знаний о предмете и перед экспериментами, и во время них эффективнее, чем только перед исследованием.

Но в любом случае, комбинируя разные учебные стратегии и активности, важно соблюдать меру. В 2013 году немецкие учёные выявили, что ученики, получавшие во время исследовательской деятельности одновременно два вида учебной поддержки (помощь с интерпретацией данных и с саморегуляцией) показали худшие результаты, чем их сверстники, которых поддерживали только одним способом. Причина в умственной нагрузке — два вида поддержки увеличили количество информации, которую пришлось обрабатывать рабочей памяти учеников, что сказалось на усвоении знаний.

Авторы обзора отмечают: вопрос, как подбирать и комбинировать методы обучения и поддержки, наиболее эффективные для учеников, остаётся очень сложным, и здесь нужны дополнительные исследования. Однако, по их мнению, научные доказательства свидетельствуют о том, что очень важно учитывать индивидуальные особенности и потребности учащихся.

В этой задаче преподавателю могут помочь виртуальные образовательные ресурсы — онлайн-лаборатории и VR-симуляции с адаптивным подходом и автоматизированной обратной связью. Большой потенциал исследователи тут видят в использовании искусственного интеллекта — современные ИИ-системы способны давать учащимся персонализированные рекомендации, направлять и поддерживать их в исследовательском обучении, отслеживать активность учеников в виртуальной лаборатории и предоставлять отчёты учителю.

Если ученики столкнутся с трудностями, важно, чтобы педагог вовремя обеспечивал необходимую поддержку.

Читайте также:

Как работает доказательное образование в EdTech: опыт «Яндекс Практикума»

Конкретные рекомендации преподавателям

Авторы обзора сформулировали на основе анализа научной литературы несколько рекомендаций для преподавателей:

• Учитывать образовательную цель и содержание обучения. Исследовательское обучение полезно, когда нужно достичь глубокого понимания материала и сформировать у учеников способность использовать изученное для решения разнообразных задач. В первую очередь это касается комплексного, неоднозначного содержания. Для передачи фактической, чётко структурированной информации, вероятнее всего, нет ничего лучше традиционной прямой передачи знаний.
• Убедиться, что ученики владеют необходимыми знаниями и навыками, прежде чем приступят к исследовательскому обучению. Это касается и базовых предметно-специфических знаний, и собственно методов проведения исследований. Если ученики пока не готовы самостоятельно формировать знания на основе экспериментов, важно дать им необходимую основу методами прямого обучения.
• Адаптировать процесс обучения и поддержку в зависимости от особенностей учеников. Напомним, что важными факторами являются читательская грамотность и математические навыки, общие интеллектуальные способности, ингибиторный контроль и самоэффективность. Чем ниже показатели учащихся в этих областях, тем больше учебной поддержки им требуется. Она может включать и использование методов традиционного обучения (прямого объяснения).
• Комбинировать разные подходы к обучению. Как показывают результаты исследований, наиболее эффективно сочетать исследовательское обучение с прямым, когда какую-то часть знаний ученики открывают самостоятельно, а другую получают от учителя.