STEM教育是培养创新型人才的重要载体,其成效的达成取决于学生是否真正经历了问题解决的过程以及在此过程中学习是否有效发生。我国当前的STEM教学普遍存在着“重成功而轻失败”的倾向,忽视了“失败”对于学习者问题解决能力和创新思维的促进作用。因此,利用“失败”设计和实施STEM学习活动至关重要。学者卡普尔（Manu Kapur）关注和证明了学生在问题解决过程中经历的失败可以促进有效学习的发生,总结提出了有效失败（Productive Failure）理论。同时,有效失败与STEM教育理念契合,并能在实施过程中相互促进、协同发展。本研究旨在利用有效失败设计和改进初中STEM学习活动,并在真实教学环境中实施,探究有效失败增强学生学习的效果。基于此,本研究采用基于设计的研究方法,通过三轮STEM学习活动迭代,收集并分析了学生学习过程和学习结果的数据,查明了STEM学习活动有效性的证据,挖掘了学生小组的学习现象,探析了学生小组在学习过程的静态特征和动态特征。本研究发现,基于有效失败的初中STEM学习活动能够促进学生生成多样化的问题表征和解决方案,提高学生对相似问题的迁移效果,促进学生的有效学习。多样化的问题表征和解决方案引导学生围绕核心概念展开多角度讨论,产生有效失败学习现象。学习过程的静态特征表现为“方案精制”和“问题探索”是学生小组进行问题解决的主要学习行为;在动态特征方面,学生小组产生了丰富多样的学习互动,出现了“分析导向型”“交织型”“方案导向型”和“进程引导型”四种行为模式。最后,本研究从学习活动设计和实施两方面总结了有效失败学习设计的实践启示。