面向計(jì)算思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)模型建構(gòu)

陳興冶 馬穎瑩 楊伊

[摘? ?要] 信息時代呼喚深度學(xué)習(xí)，它與計(jì)算思維存在著深刻且本質(zhì)的關(guān)聯(lián)。在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，如何發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維是諸多中小學(xué)教師面臨的教學(xué)困境。在此背景下，本研究建構(gòu)了“面向計(jì)算思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)模型”，以知識建構(gòu)、混合式學(xué)習(xí)理論和CTCL研究范式為指導(dǎo)，將課堂教學(xué)活動分為教師行為、學(xué)生行為、思維過程和評價總結(jié)四個方面，基于上述模型進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以可視化編程課程為載體，歷時18周，通過對三階段兩維度作品的評價，比較分析實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展?fàn)顩r。結(jié)果表明：三個階段實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的計(jì)算思維能力優(yōu)于對照組學(xué)生，計(jì)算思維能力提升水平高于對照組，實(shí)驗(yàn)組和對照組的計(jì)算思維各維度的發(fā)展水平比較均衡。由此可得出結(jié)論，該學(xué)習(xí)模型可以有效提升學(xué)生的計(jì)算思維水平并促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

[關(guān)鍵詞] 深度學(xué)習(xí); 計(jì)算思維; 可視化編程; 教學(xué)模式

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 陳興冶（1979—），男，上海人。高級教師，博士研究生，主要從事中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)、教育信息化研究。E-mail：chenxy@sesedu.cn。楊伊為通訊作者，E-mail：839011560@qq.com。

一、引? ?言

信息時代呼喚更好的思維模式和意義建構(gòu)方式，以面對日新月異的技術(shù)和瞬息萬變的知識，實(shí)現(xiàn)對知識內(nèi)容更深層次的理解，這種對知識的綜合、評價及遷移的深度理解就是深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）。作為信息時代產(chǎn)物的計(jì)算思維（Computational Thinking）的培養(yǎng)也成為各國關(guān)注的重點(diǎn)。國務(wù)院2017年7月印發(fā)并實(shí)施的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出：在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。基于可視化編程開展計(jì)算思維的培養(yǎng)在國內(nèi)外有著較為廣泛的研究基礎(chǔ)，但以深度學(xué)習(xí)為目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)的研究并不多見。本研究以計(jì)算思維為視角，提出促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)模型，并將其與可視化編程教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行對接，對基于模型教學(xué)的有效性進(jìn)行理論分析和實(shí)證研究，以完善學(xué)習(xí)模型。

二、研究背景

1976年，F(xiàn)erence Marton和Roger Saljo在《學(xué)習(xí)的本質(zhì)區(qū)別一：結(jié)果和過程》中，首次提出了深度學(xué)習(xí)的概念，而后Biggs、Ramaden、Entwistle[1]、Eric Jensen[2]等側(cè)重認(rèn)知策略和認(rèn)知技能，提出運(yùn)用多樣化的學(xué)習(xí)策略并通過對學(xué)習(xí)過程和高水平的分析與加工來實(shí)現(xiàn)對知識的深度理解。2005年黎加厚率先將其引入我國，指向“與原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)相融合”和“將知識遷移到新的情境”[3]，何克抗[4]、胡航等[5]則聚焦于深度學(xué)習(xí)理論體系的建構(gòu)，通過概念、過程、作用等的系統(tǒng)研究，提出深度學(xué)習(xí)是催生高階思維和深層認(rèn)知能力的過程?？傮w上，深度學(xué)習(xí)內(nèi)在地包含三個要點(diǎn)：其一，在既有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上理解、歸納、運(yùn)用的學(xué)習(xí)，結(jié)合原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，接收和學(xué)習(xí)新知識，即“新知理解”;其二，建立知識間的相互聯(lián)系，即“內(nèi)部關(guān)聯(lián)遷移”;其三，通過分析做出解決問題的決策并拓展新知識，即“外部拓展遷移”。

“計(jì)算思維”源于算法思維和程序思維，自2006年美國卡內(nèi)·基梅隆大學(xué)周以真教授首次提出完整定義起，國內(nèi)外學(xué)者先后對其進(jìn)行了探索，擇其共識：計(jì)算思維是解決問題過程中多種思維技能的交互，其中蘊(yùn)含了不同的思維要素。它與計(jì)算機(jī)教學(xué)的結(jié)合最為緊密，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）明確指出，計(jì)算思維包括界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)等要素以及運(yùn)用算法形成問題解決的方案并能將其遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中[6]。如若將課標(biāo)進(jìn)一步映射、聚焦到可視化編程教學(xué)領(lǐng)域，則與計(jì)算思維三維框架[7]默契呼應(yīng)，即“問題的界定及抽象”對應(yīng)“計(jì)算概念”（Computational Concept），“方案的建模及自動化”對應(yīng)“計(jì)算實(shí)踐”（Computational Practices），“方法總結(jié)及遷移”對應(yīng)“計(jì)算觀念”（Computational Perspectives）。計(jì)算思維三維框架即為計(jì)算思維的三種思維水平，分別指向概念理解、編程行為以及編程素養(yǎng)，故在可視化編程教學(xué)時可使用該框架進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)施和評估。

深度學(xué)習(xí)與計(jì)算思維存在著深刻且本質(zhì)的關(guān)聯(lián)，開展促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)研究兼具較強(qiáng)的理論和實(shí)踐意義。從認(rèn)知視角分析，問題解決過程可分為“低階認(rèn)知能力”和“高階認(rèn)知能力”。高層次的計(jì)算思維水平（即計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念）是問題解決中“高階認(rèn)知能力”的集中體現(xiàn)，而“高階認(rèn)知能力”又可等價為高階思維能力[8]。諸多研究表明，發(fā)展高階思維有助于促進(jìn)深度學(xué)習(xí)[9]，由此可知，提升問題解決能力同樣是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的有效途徑，而發(fā)展計(jì)算思維是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力。表1提煉了認(rèn)知領(lǐng)域、深度學(xué)習(xí)和計(jì)算思維三者之間的關(guān)系并與“問題解決”進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。

三、深度學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建

計(jì)算思維的本質(zhì)就是通過信息采集、信息處理、建模和自動化等過程進(jìn)行問題解決的思維活動。Fessakis[10]、Urquiza-Fuentes[11]等研究表明，編程教學(xué)是促進(jìn)計(jì)算思維能力提升的有效途徑，但常態(tài)化、長周期的實(shí)證研究較少，故而從計(jì)算思維的視角出發(fā)構(gòu)建促進(jìn)深度學(xué)習(xí)模型來支持一線教師開展可視化編程教學(xué)實(shí)踐迫在眉睫。

（一）理論基礎(chǔ)

1. 知識建構(gòu)理論

知識建構(gòu)的過程按照主體層次的不同可分為個人知識建構(gòu)和協(xié)作知識建構(gòu)[12]，前者強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者對外界信息主動地選擇和加工，在個人知識經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新認(rèn)知，建構(gòu)自己的認(rèn)識與理解，原有知識又因?yàn)樾轮R的進(jìn)入而發(fā)生調(diào)整和改變[13];后者則強(qiáng)調(diào)協(xié)作、共享和討論形成新知識或集體認(rèn)知共識。每個學(xué)習(xí)者都是一個認(rèn)知源，要使學(xué)生互換信息，“交流”必不可少，而“意義建構(gòu)”則是教學(xué)過程的最終目標(biāo)。本研究的教學(xué)實(shí)踐中將關(guān)注學(xué)生知識的發(fā)展，利用思維導(dǎo)圖關(guān)注學(xué)生個人知識建構(gòu)過程，同時關(guān)注學(xué)生協(xié)作知識建構(gòu)中遇到的問題和困難，并為學(xué)習(xí)者提供協(xié)助其知識建構(gòu)的學(xué)習(xí)支架。

2. 混合學(xué)習(xí)理論

混合學(xué)習(xí)（Blending Learning）是基于線上線下融合的學(xué)習(xí)方式，在e-Learning的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。今天教育學(xué)界普遍將其視為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的融合[14]，既具備了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)打破時空的特點(diǎn)，也具備傳統(tǒng)教學(xué)師生面對面討論學(xué)習(xí)問題的特點(diǎn)[15]。本研究以面對面的方式授課，在作品創(chuàng)作和練習(xí)過程中借助于LearnSite在線網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生在線完成和保存各項(xiàng)編程作品，在分享樂園中進(jìn)行共享和評價，在討論區(qū)進(jìn)行異步的協(xié)作問題交流，在緊緊把握混合學(xué)習(xí)內(nèi)涵的同時，回應(yīng)其關(guān)鍵特征。

3. CTCL研究范式

董玉琦教授2012年提出教育技術(shù)學(xué)研究新范式——CTCL（Culture，Technology，Content，Learner）[16]，核心理念是針對具體學(xué)習(xí)內(nèi)容，以問題解決為導(dǎo)向，將文化、技術(shù)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者等因素相統(tǒng)合來開展研究。CTCL研究有三重境界，即學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變、學(xué)業(yè)水平提升和綜合素質(zhì)改善，目前，研究主要聚焦在學(xué)業(yè)水平提升方面。尹相杰等[17]、畢景剛等[18]、陳興冶等[19]以認(rèn)知為切入點(diǎn)，在不同學(xué)科檢驗(yàn)并證實(shí)其在學(xué)科教學(xué)中具有可推廣的理論價值。計(jì)算思維屬于高階思維，其作為學(xué)科核心素養(yǎng)體現(xiàn)了學(xué)生的學(xué)業(yè)水平，而作為問題解決的思維方法逐漸成為學(xué)習(xí)者終身發(fā)展的核心技能。因此，在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)時，CTCL范式可以作為問題解決的理論框架。

（二）模型的構(gòu)建

深度學(xué)習(xí)是高階思維的過程，是對知識的高度組織和深度加工，映射到可視化編程教學(xué)活動，這種高階思維指向計(jì)算思維。深度學(xué)習(xí)模型以真實(shí)情境的問題為載體，橫向由教師行為、學(xué)生行為、思維過程（包括設(shè)計(jì)維度）和評價總結(jié)四個維度組成，縱向以“教學(xué)設(shè)計(jì)—學(xué)習(xí)發(fā)生—學(xué)習(xí)評價”為主線。其中，教學(xué)設(shè)計(jì)對應(yīng)于教師行為，意在為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供支撐。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，故學(xué)習(xí)發(fā)生是核心部分，對應(yīng)于學(xué)習(xí)行為和思維過程，其中學(xué)生行為以在線或離線的協(xié)作學(xué)習(xí)為主，包括利用思維工具和學(xué)習(xí)支架進(jìn)行思維呈現(xiàn)，利用可視化編程工具進(jìn)行思維的表達(dá)，圍繞問題解決進(jìn)行討論分享和實(shí)踐等;思維過程則主要對教學(xué)進(jìn)行整體定位，即將問題解決、深度學(xué)習(xí)及計(jì)算思維三者關(guān)系融入教與學(xué)的活動。最后，學(xué)習(xí)評價屬評價總結(jié)維度，確保計(jì)算思維的反思與強(qiáng)化（如圖1所示）。

1. 教師行為

教師須完成真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)基于問題驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)，主要通過教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)組織、課堂答疑及支架提供等為學(xué)習(xí)活動提供支持。教學(xué)設(shè)計(jì)分為問題情境和教學(xué)過程的設(shè)計(jì)。問題情境除符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)外，還需要充分考慮到問題本身的開放性;教學(xué)過程的設(shè)計(jì)則應(yīng)充分關(guān)照學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)內(nèi)容的交互關(guān)系，以此為基點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)。教學(xué)組織以“教+學(xué)”并進(jìn)方式展開。可視化編程教學(xué)中，“教”主要針對知識與技能的講授和鞏固，教師針對課堂教學(xué)狀況及時調(diào)整教學(xué)過程和策略;“學(xué)”既包括同伴協(xié)作，綜合運(yùn)用知識技能完成項(xiàng)目，還包括自主學(xué)習(xí)，即聯(lián)系生活實(shí)際，獨(dú)立創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目、評估項(xiàng)目，使技能得到遷移，思維得到發(fā)展。課堂答疑方式分為面對面答疑和在線協(xié)作平臺答疑，教師一是要從學(xué)生回答中發(fā)現(xiàn)錯誤或偏差，后續(xù)面對所有學(xué)生進(jìn)行糾正;二是學(xué)生在協(xié)作學(xué)習(xí)中遇到困惑并求助時，教師通過個別輔導(dǎo)加以解決。在促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的可視化編程教學(xué)中，教師共設(shè)計(jì)了資源支架、個人學(xué)習(xí)支架、協(xié)作學(xué)習(xí)支架、評價學(xué)習(xí)支架和反思支架五種。通過這五種學(xué)習(xí)支架，讓學(xué)生經(jīng)歷有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者（如教師）所經(jīng)歷的思維過程，有助于學(xué)生對于知識，特別是隱性知識的體悟與理解[20]。

2. 學(xué)生行為

學(xué)生是問題解決的主體，基于真實(shí)情境的各種問題是客體，通過計(jì)算思維視角來促進(jìn)深度學(xué)習(xí)是結(jié)果。因此，學(xué)生行為處于模型內(nèi)環(huán)，模型中的思維過程和設(shè)計(jì)維度均屬于學(xué)生行為。本研究以討論、分享和實(shí)踐等學(xué)習(xí)方式，通過在線協(xié)作學(xué)習(xí)平臺/線下的學(xué)習(xí)、思維呈現(xiàn)、思維表達(dá)三個方面的學(xué)習(xí)活動，實(shí)現(xiàn)在問題解決過程中計(jì)算思維的可視化、高階化。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要通過教師講授、學(xué)生協(xié)作、學(xué)生交流分享等途徑獲得，經(jīng)過線下/在線協(xié)作學(xué)習(xí)平臺兩種途徑進(jìn)行知識建構(gòu)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的改善。學(xué)習(xí)方式包括個體學(xué)習(xí)和同伴互助學(xué)習(xí)，前者強(qiáng)調(diào)對知識技能自我認(rèn)知能力，后者則強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)情境的問題分析、方案設(shè)計(jì)及問題解決等群體協(xié)作能力。學(xué)生思維呈現(xiàn)處于問題情境、深度學(xué)習(xí)框架及計(jì)算思維三者的最底層，主要任務(wù)是將問題分析、方案確定的過程顯現(xiàn)出來。學(xué)生主要采用思維工具和學(xué)習(xí)支架并基于計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)問題分析和方案制定的可視化。學(xué)生思維表達(dá)屬于問題情境、深度學(xué)習(xí)框架以及計(jì)算思維視角三者的上位維度，主要任務(wù)是將思維呈現(xiàn)的內(nèi)容利用可視化編程工具進(jìn)行模型化和自動化。學(xué)生一方面采用可視化編程工具解決問題，另一方面從編程實(shí)踐中歸納問題解決的一般路徑，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的遷移。

3. 思維過程

設(shè)計(jì)維度是學(xué)生活動的基礎(chǔ)，是思維過程的一部分，而思維過程主要包括了問題驅(qū)動、深度學(xué)習(xí)和計(jì)算思維三個方面的設(shè)計(jì)和實(shí)施。問題驅(qū)動的任務(wù)是設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義的問題情境并分析、解決這些問題，指向問題分析、方案綜合和方案評估并實(shí)現(xiàn)三個要素，學(xué)生需進(jìn)行充分討論、分工協(xié)作，開展互相之間認(rèn)知分享。深度學(xué)習(xí)主要包括新知理解、內(nèi)部關(guān)聯(lián)遷移和外部拓展遷移三個維度，每個維度又與問題驅(qū)動三個要素相對應(yīng)。新知理解既包括問題涉及的新知識，還將問題分析能力視作新知識;內(nèi)部關(guān)聯(lián)遷移不僅包括問題所涉及的知識技能之間的聯(lián)結(jié)，還包括協(xié)作過程不同方案的“取長補(bǔ)短”中的分析綜合;外部拓展遷移除方案評估與實(shí)現(xiàn)外，還涉及運(yùn)用相同方法完成同類問題的能力與思維遷移。計(jì)算思維通過三維框架與深度學(xué)習(xí)三個維度所形成的對應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了隱性思維顯性化、顯性思維模型化和高效思維自動化，進(jìn)而與問題驅(qū)動三個要素建立了關(guān)聯(lián)，同時計(jì)算思維三個維度又為學(xué)生行為中的思維呈現(xiàn)與表達(dá)提供支撐。

4. 評價總結(jié)

評價總結(jié)以計(jì)算思維發(fā)展作為評價指標(biāo)，對學(xué)生的深度學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行評價，具體可拆分為“評價”和“總結(jié)”。評價包括過程性和終結(jié)性評價，前者主要以完成教師所提供的學(xué)習(xí)支架作為評價載體;后者則主要將學(xué)生完成問題解決的程序作品作為評價載體。總結(jié)主要以學(xué)生個人或小組交流為主，分享及反思在問題解決過程中認(rèn)知過程、計(jì)算思維等有效策略，從而實(shí)現(xiàn)一般問題解決時計(jì)算思維的模式化。

四、研究設(shè)計(jì)

（一）研究問題及對象

實(shí)驗(yàn)圍繞“面向計(jì)算思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)模型”對于學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的作用進(jìn)行設(shè)計(jì)。以上海市S學(xué)校初中二年級兩個班為研究對象，共計(jì)69人（男生35，女生34）。為排除無關(guān)因素的干擾采取隨機(jī)分組（對照組34，實(shí)驗(yàn)組35），由同一位教師承擔(dān)兩組的教學(xué)任務(wù)。

（二）教學(xué)內(nèi)容

將“Scratch可視化編程”課程中8個項(xiàng)目主題作為本研究的載體，課程內(nèi)容分為概念學(xué)習(xí)、項(xiàng)目創(chuàng)作以及綜合運(yùn)用三種類型，學(xué)習(xí)進(jìn)度遵循課程內(nèi)容由易及難的原則加以安排。

（三）評價工具

本研究學(xué)生完成的作品分為項(xiàng)目進(jìn)行前的思維導(dǎo)圖及每個項(xiàng)目主題完成后的Scratch作品。針對思維導(dǎo)圖作品采用以經(jīng)典的霍夫[21]評價模式為基礎(chǔ)的評價框架：將學(xué)生的思維導(dǎo)圖作品分為7個要素，對7個要素分別打分，計(jì)算每個維度的得分，再將三個維度成績總和作為計(jì)算思維的總體評價，見表2。針對Scratch作品則采用Dr.Scratch計(jì)算思維評價工具：學(xué)生將完成的Scratch作品上傳至Dr.Scratch專用網(wǎng)站，點(diǎn)擊“分析”后出現(xiàn)包括流程控制、數(shù)據(jù)表示、抽象、用戶交互、同步、并行和邏輯七個計(jì)算思維指標(biāo)的得分及總分。對兩個工具進(jìn)行內(nèi)部一致性信度分析。思維導(dǎo)圖評價框架和Dr.Scratch評價工具的峰度偏度的絕對值均在1以內(nèi)，且漸進(jìn)顯著性概率（雙側(cè)）均大于0.05，說明樣本數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，評價工具有效。此外，思維導(dǎo)圖評價框架和Dr.Scratch評價工具的克隆巴赫α系數(shù)分別為0.731和0.795，信度較好。

（四）研究實(shí)施

實(shí)驗(yàn)歷時18周，實(shí)驗(yàn)組采用深度學(xué)習(xí)模型，對照組則遵循傳統(tǒng)講練結(jié)合的教學(xué)方式，教學(xué)設(shè)計(jì)的具體操作步驟見表3。實(shí)驗(yàn)完成后，借助經(jīng)過驗(yàn)證的評價工具對兩組學(xué)生的作品進(jìn)行檢測。

（五）數(shù)據(jù)收集

本研究在學(xué)期初期（T1）、中期（T2）、末期（T3）各抽取了1份思維導(dǎo)圖和Scratch作品，共計(jì)收到兩種作品各207份。Scratch作品的評價由Dr.Scratch工具完成，思維導(dǎo)圖作品則由兩位教師根據(jù)評價框架獨(dú)立打分形成兩組數(shù)據(jù)，對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析得到相關(guān)系數(shù)為0.892，說明針對同一個標(biāo)準(zhǔn)的評分具有較好的穩(wěn)定性，故每個作品取兩次評分的平均值作為最終得分。最后，使用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行信度分析及多維度的數(shù)據(jù)比較。

五、結(jié)果分析

（一）實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的計(jì)算思維能力優(yōu)于對照組學(xué)生

T1階段兩組學(xué)生在思維導(dǎo)圖和Scratch作品上呈現(xiàn)的計(jì)算思維水平基本相當(dāng)（p>0.05）;T2階段實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在思維導(dǎo)圖和Scratch作品上的成績分別高于對照組2.111和2.595，且p值均小于0.05，計(jì)算思維水平呈現(xiàn)出顯著性差異。比較兩組平均成績的差值：Scratch作品上呈現(xiàn)的計(jì)算思維水平增幅要明顯高于思維導(dǎo)圖;相比T2階段，T3兩組學(xué)生的計(jì)算思維水平得到進(jìn)一步的發(fā)展，且均存在顯著性差異。對兩組兩種作品的不同階段計(jì)算思維水平兩兩進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，p=0.000（<0.05），說明兩組實(shí)驗(yàn)前后計(jì)算思維水平存在顯著性差異，見表4。

實(shí)驗(yàn)組和對照組在T1階段兩種作品的計(jì)算思維水平存在顯著正相關(guān)（r=0.648和0.622，p<0.01）;實(shí)驗(yàn)組在T2階段兩種作品的計(jì)算思維水平存在高度正相關(guān)（r=0.895，p<0.01），對照組存在顯著正相關(guān)（r=0.446，p<0.01）;實(shí)驗(yàn)組在T3階段兩種作品的計(jì)算思維水平存在高度正相關(guān)（r=0.788，p<0.01），對照組存在顯著正相關(guān)（r=0.574，p<0.01）。

基于數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，（1）實(shí)驗(yàn)初期，兩種作品呈現(xiàn)的計(jì)算思維相關(guān)性相當(dāng);（2）T2、T3階段，實(shí)驗(yàn)組計(jì)算思維水平增長幅度明顯高于對照組，說明基于模型的教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。

（二）實(shí)驗(yàn)組計(jì)算思維能力的提升水平高于對照組

在T1與T2過程，實(shí)驗(yàn)組兩個作品上的差值顯著性要高于對照組，其中，實(shí)驗(yàn)組的差值之間存在顯著正相關(guān)（r=0.730，p<0.01），對照組的差值之間存在顯著正相關(guān)（r=0.378，p<0.05）;在T2與T3過程，對照組兩個作品上的差值顯著性要高于實(shí)驗(yàn)組，其中，實(shí)驗(yàn)組的差值之間相關(guān)性不顯著，對照組的差值之間存在顯著正相關(guān)（r=0.374，p<0.05）;在T1與T3過程，實(shí)驗(yàn)組兩個作品上的差值顯著性又高于對照組，實(shí)驗(yàn)組的差值之間存在顯著正相關(guān)（r=0.498，p<0.01），對照組的差值之間存在顯著正相關(guān)（r=0.456，p<0.01），見表5。

基于數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，（1）不同階段，兩組學(xué)生兩種作品上呈現(xiàn)的計(jì)算思維提升水平都有提高;（2）與其他階段相比， T2至T3階段兩組學(xué)生的計(jì)算思維提升水平較低;（3）實(shí)驗(yàn)組計(jì)算思維提升水平整體上高于對照組。

（三）實(shí)驗(yàn)組的計(jì)算思維發(fā)展水平優(yōu)于對照組，在計(jì)算觀念維度的表現(xiàn)更為突出

以思維導(dǎo)圖作品為基礎(chǔ)，對計(jì)算思維三個維度在三個階段成績進(jìn)行兩組間的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，見表6。從計(jì)算概念上分析，T3階段P小于0.05，表示兩組計(jì)算概念水平在T3階段存在顯著性差異，但T1階段P值大于0.05，T2的P值接近0.05且小于T1的P值，說明計(jì)算概念在三階段兩組間存在差異擴(kuò)大的顯著性趨勢。從計(jì)算實(shí)踐上分析，T2、T3階段P值均小于0.05，表示兩組計(jì)算實(shí)踐水平在T2、T3階段存在顯著性差異，但T1階段的P值大于0.05，說明后兩階段計(jì)算實(shí)踐水平兩組間存在顯著性差異擴(kuò)大較快。從計(jì)算觀念上分析，T2、T3階段P值均小于0.05，表示兩組計(jì)算觀念水平在T2、T3階段存在顯著性差異，但在T1階段的P值大于0.05，說明兩組間計(jì)算觀念水平在T2、T3階段增長較快?？傮w上，T3階段兩組間計(jì)算思維三個維度都存在顯著性差異。

六、討? ?論

基于深度學(xué)習(xí)模型的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)了包括動機(jī)、方法、態(tài)度等學(xué)習(xí)文化的改變，在“變”的過程中進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)，進(jìn)而提升了學(xué)習(xí)品質(zhì)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，而對學(xué)習(xí)效果的測量則是驗(yàn)證模型可靠性的重要環(huán)節(jié)。

（一）學(xué)習(xí)文化與計(jì)算思維發(fā)展之間的關(guān)系

本研究模型始終將學(xué)習(xí)者置于核心位置，不僅關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，還特別強(qiáng)調(diào)對學(xué)生思維發(fā)展過程的引導(dǎo)與支持，學(xué)生、活動以及人際等要素交互形成了“以學(xué)習(xí)者為中心”的學(xué)習(xí)文化。前人研究表明，學(xué)習(xí)系統(tǒng)的迭代發(fā)展可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效益與品質(zhì)[22]。本研究實(shí)驗(yàn)組在“以學(xué)習(xí)者為中心”文化的氛圍中，T2及T3階段呈現(xiàn)出顯著性差異，且基于思維導(dǎo)圖的計(jì)算思維差值擴(kuò)大到6%（T2）和23.9%（T3），基于Scratch作品的計(jì)算思維差值擴(kuò)大到12.4%（T2）和25.5%（T3）。其中蘊(yùn)含了學(xué)習(xí)文化對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)品質(zhì)，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展和提升計(jì)算思維水平的意義。

（二）計(jì)算思維發(fā)展與深度學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)系

在本研究教學(xué)模型中，問題驅(qū)動是教學(xué)活動的基石，三個層次的問題解決思維過程對應(yīng)著深度學(xué)習(xí)的三個維度，因此，計(jì)算思維一定程度上可以揭示學(xué)生深度學(xué)習(xí)的總體水平，而計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念則在微觀層面表征了學(xué)生深度學(xué)習(xí)發(fā)展趨勢。研究結(jié)果表明，起點(diǎn)相同的學(xué)生經(jīng)過18周學(xué)習(xí)，計(jì)算思維水平都得到了提升，但實(shí)驗(yàn)組的發(fā)展水平更優(yōu)。T3階段計(jì)算觀念差異性的顯著性最大，計(jì)算實(shí)踐次之。由此表明，基于真實(shí)情境的問題解決，由項(xiàng)目分析引導(dǎo)思維結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使學(xué)生在問題解決過程中不斷做出分解、抽象、概括以及方案制定等學(xué)習(xí)反應(yīng)，并使之發(fā)展成為一種能力，形成計(jì)算思維的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

（三）評價工具的選擇及評價的有效性

由于課程內(nèi)容的局限導(dǎo)致評價工具選擇余地較小，Scratch專用評價工具Dr.Scratch的評價指標(biāo)主要指向計(jì)算實(shí)踐，僅有的計(jì)算概念及計(jì)算觀念的評價指標(biāo)均為描述性評價，難以量化。為使計(jì)算思維評價更客觀全面，本研究還評價了學(xué)生作品完成前的項(xiàng)目分析和設(shè)計(jì)階段的思維導(dǎo)圖作品，其框架由深度學(xué)習(xí)、計(jì)算思維以及認(rèn)知領(lǐng)域的理論演繹而來，形成了兩種評價工具的交叉互證關(guān)系。從效果看，評價工具的信度和相關(guān)性都較好。在對兩組部分學(xué)生在線討論內(nèi)容分析后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生從T1階段關(guān)注探討項(xiàng)目解決的操作方法到T2階段相當(dāng)一部分學(xué)生關(guān)注解決方案的優(yōu)化再到T3階段有學(xué)生開始討論解決方案是否適用于其他問題情境，這一變化過程與學(xué)生計(jì)算思維評價的結(jié)果也較為一致。

七、結(jié)? ?語

研究結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)教學(xué)，基于“面向計(jì)算思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)模型”的教學(xué)更顯著地提升了學(xué)生計(jì)算思維水平，且高水平的計(jì)算思維可幫助學(xué)生完成更高質(zhì)量的作品并促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。這將為中小學(xué)教師采用可視化編程工具開展促進(jìn)計(jì)算思維和深度學(xué)習(xí)發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的證據(jù)支撐。然而，目前計(jì)算思維的評價工具處于研究初期，還沒有一個經(jīng)嚴(yán)格論證且本土的、通用的工具出現(xiàn)，加上受時間和樣本等因素所限，本研究還存在一定的局限性。因此，通過計(jì)算思維視角來審視學(xué)生深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)難免會產(chǎn)生一定誤差，期待在后續(xù)實(shí)踐過程中不斷優(yōu)化評價標(biāo)準(zhǔn)來加以完善。

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Deep Learning Model Construction for the Development of Computational Thinking： Taking Visual Programming Teaching as An Example

CHEN Xingye1，? MA Yingying1，? YANG Yi2

（1.Shanghai Experimental School， Shanghai 200125;? 2.College of Education， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

[Abstract] The information age calls for deep learning， which is deeply and intrinsically related to computational thinking. In the teaching of information technology， how to develop students' computational thinking is a teaching dilemma faced by many primary and secondary school teachers. In this context， this study constructs a "deep learning model for the development of computational thinking". Guided by knowledge construction， blended learning theory and CTCL research paradigm， classroom teaching activities are divided into four aspects： teacher behavior， student behavior， thinking process and evaluation summary. Based on this model， an eighteen-week experiment is conducted in a visual programming course. Through the evaluation of the works of three stages and two dimensions， the development of computational thinking of students in experimental group and control group is compared and analyzed. The results indicate that in the three stages， the computational thinking ability of the experimental group is better than that of the control group， and the improvement level of computational thinking ability is higher than that of the control group. The development level of each dimension of computational thinking in the experimental group and the control group is relatively balanced. It can be concluded that this learning model can effectively improve students' computational thinking level and promote the occurrence of deep learning.

[Keywords] Deep Learning; Computational Thinking; Visual Programming; Teaching Model