利用有效失敗促進(jìn)計算思維發(fā)展的編程教學(xué)設(shè)計
——一項基于設(shè)計的研究

杜鴻羽 馬志強 蘆鏡羽

（1. 江南大學(xué) 江蘇“互聯(lián)網(wǎng)+教育”研究基地，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué) 人文學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

一、研究背景

計算思維涉及計算機學(xué)科基本知識、實踐應(yīng)用方法以及問題抽象的策略，可以歸納為概念理解、實踐操作和計算策略三個層面的基本內(nèi)涵，是21世紀(jì)重要的核心素養(yǎng)（Wing, 2011; Brennan &Resnick, 2012; Grover & Pea, 2013; NRC, 2010）。編程教學(xué)能夠為學(xué)生提供程序概念理解與實踐操作的基本條件，是發(fā)展計算思維的有效手段（王佑鎂，宛平，南希烜，柳晨晨，2021）。當(dāng)前在面向計算思維發(fā)展的編程教學(xué)中，教師常常會發(fā)現(xiàn)一個很有趣的現(xiàn)象：同一名學(xué)生在不同問題情境中的判斷和決策具有內(nèi)在的一致性，這是計算策略作用的結(jié)果。計算策略是一種關(guān)于如何選擇問題解決方法和步驟的傾向，是計算思維的直接體現(xiàn)，能夠幫助學(xué)生整合概念理解與實踐操作解決問題。然而，計算策略不是完成編程任務(wù)就可以形成的。這是因為目前的編程教學(xué)主要側(cè)重于編程概念理解與實踐操作，而計算策略作為情感態(tài)度層面的目標(biāo)常常以“暗線”的形式隱含在編程教學(xué)任務(wù)中（張屹等，2021），導(dǎo)致師生往往容易忽視計算策略發(fā)展（Loibl, Roll, & Rummel, 2017）。有研究表明，有意義的問題解決策略的形成來自多樣化問題解決方案的整合（Jonassen, 2010），如Van Gog、Paas和Van Merri?nboer（2006）采用設(shè)計指令的活動發(fā)展學(xué)生計算思維，學(xué)生通過總結(jié)分析不同小組的設(shè)計方案形成計算策略。DeSchryver和 Yadav（2015）發(fā)現(xiàn)，編程教學(xué)可以通過提供參考案例和建議的形式，幫助學(xué)生不斷獲取不同路徑的解決方案，發(fā)展計算思維。綜合上述來看，如何在編程教學(xué)中通過學(xué)生經(jīng)驗整合的方式來發(fā)展計算策略成為計算思維發(fā)展研究的重要議題（康斯雅，鐘柏昌，2020）。

有研究者認(rèn)為，學(xué)生在任務(wù)過程中經(jīng)歷的失敗是促進(jìn)經(jīng)驗整合的重要契機，這可能因為學(xué)生在經(jīng)歷“失敗的僵局狀態(tài)”后，會展開自我反思，并嘗試參考他人經(jīng)驗對任務(wù)情境進(jìn)行加工，進(jìn)而形成編程經(jīng)驗的整合（Sinha & Kapur, 2021; Schank, 1999;McNamara, 2001）。因此，開展基于有效失敗理論的編程教學(xué)設(shè)計可能成為促進(jìn)計算策略發(fā)展的有效途徑。本研究基于有效失敗理論建立了面向計算思維發(fā)展的編程教學(xué)設(shè)計原則與策略，并在實踐中應(yīng)用、迭代和完善。

二、面向計算思維發(fā)展的有效失敗教學(xué)設(shè)計

有效失敗理論的基本觀點認(rèn)為：知識來自學(xué)生對任務(wù)探究過程中經(jīng)驗的加工和建構(gòu)，失敗情境可能通過促進(jìn)反思或問題建構(gòu)的方式對學(xué)生思維發(fā)展起到重要作用（Ackermann, 2001）。有效失敗教學(xué)設(shè)計的基本原理是在最初的學(xué)習(xí)中針對失敗進(jìn)行設(shè)計，以促進(jìn)針對失敗的教學(xué)和學(xué)生反思。在上述理論的基礎(chǔ)上，本研究的設(shè)計理念主要涉及三個方面：促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生有意義的失敗、促進(jìn)失敗方案的迭代改進(jìn)和促進(jìn)學(xué)生通過反思完成策略學(xué)習(xí)。

（一）面向計算思維發(fā)展的有效失敗教學(xué)設(shè)計原則

基于上述設(shè)計理念，本研究凝練了以下三條教學(xué)設(shè)計原則。

第一，在面向計算思維發(fā)展的編程教學(xué)中，有意義的失敗情境通常來自于自身未完成的問題解決實踐或不確定的答案。因此，面向計算思維發(fā)展的編程任務(wù)需要具備復(fù)雜情境和多樣化問題解決路徑。教學(xué)設(shè)計需要為學(xué)生提供一個高挑戰(zhàn)性的編程任務(wù)，將問題解決階段故意設(shè)計成會導(dǎo)致學(xué)生失敗的情況，為學(xué)生提供機會來激活與區(qū)分先驗知識和直覺的猜測，批評并改進(jìn)解決復(fù)雜問題的表示和解決方法（Kapur, 2008）。這種問題情境通常是解決方案不確定性更強的劣構(gòu)問題。在隨后的鞏固階段，教師將在學(xué)生生成的解決方案的基礎(chǔ)上，促進(jìn)他們發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計與執(zhí)行中包含的計算策略?；谏鲜龇治?，凝練本研究的第一條設(shè)計原則為：設(shè)計具有高挑戰(zhàn)度的開放性編程任務(wù)。

第二，有效失敗教學(xué)設(shè)計秉持“先探索，后建構(gòu)”的基本理念，倡導(dǎo)學(xué)生開展充分探索并形成對策略或方案的理解，以促進(jìn)不同經(jīng)驗的交流和整合，有效失敗教學(xué)設(shè)計形成了獨特的環(huán)節(jié)和流程。在探究任務(wù)的問題解決過程中，學(xué)生需要經(jīng)歷探索、生成、整合、建構(gòu)四個相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)（Kapur, 2008），即探索問題的表征方法，生成多樣化的解決方案，整合并對比各種方案，建構(gòu)對問題核心概念的理解，最終形成關(guān)鍵概念并應(yīng)用于不同情境的策略與限制條件中。在前兩個環(huán)節(jié)中，學(xué)生活動主要為情境探索和方案生成；后兩個環(huán)節(jié)中，學(xué)生活動主要為整合對比與建構(gòu)理解，整個環(huán)節(jié)可以分為探索生成、整合建構(gòu)兩個階段。有效教學(xué)設(shè)計關(guān)注的核心是如何設(shè)計任務(wù)、如何支持探索生成以及如何促進(jìn)整合建構(gòu)。對于缺乏經(jīng)驗的學(xué)生而言，獨自完成上述階段的任務(wù)是不現(xiàn)實的。并且，在開展任務(wù)的過程中，同伴之間的交流和協(xié)作能夠促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)更有創(chuàng)造性的問題解決方案，降低高挑戰(zhàn)任務(wù)中的挫敗感，有利于學(xué)生以更加積極的心態(tài)面對任務(wù)中出現(xiàn)的失敗并嘗試改進(jìn)?；谏鲜龇治觯毐狙芯康牡诙l設(shè)計原則為：采用協(xié)作探究支持編程方案迭代。

第三，有效失敗能夠促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的關(guān)鍵，是在學(xué)生經(jīng)歷高挑戰(zhàn)性任務(wù)帶來的失敗困境和嘗試改進(jìn)方案的多輪迭代后，整合經(jīng)驗，建構(gòu)計算策略。因此，面向計算思維發(fā)展的有效失敗教學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是促進(jìn)學(xué)生反思。計算策略建構(gòu)的關(guān)鍵是基于現(xiàn)有經(jīng)驗有意識地、批判性地回顧與反思，進(jìn)而達(dá)到完善和優(yōu)化（Nguyen, Fernandez,Karsenti, & Charlin, 2014）。因此，計算策略建構(gòu)的關(guān)鍵階段是整合建構(gòu)階段，在整合不同解決方案，建構(gòu)計算策略的過程中，反思是計算思維有效教學(xué)中探究經(jīng)驗成果向計算策略轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。但學(xué)生獨立撰寫的反思報告常常以回憶經(jīng)歷和過程為主，難以對其他小組的方案形成深入理解（Plack, Driscoll,Blissett, Mckenna, & Plack, 2005），需要為其提供一種結(jié)構(gòu)化的支持，才能促進(jìn)其深入的、批判的反思。結(jié)構(gòu)化反思通過為學(xué)生提供逐漸深入的問題，引導(dǎo)并促進(jìn)學(xué)生從簡單經(jīng)驗回顧轉(zhuǎn)向?qū)Ψ椒ǖ囊饬x與價值的思考（晉欣泉，姜強，趙蔚，2020）?；谏鲜龇治觯毐狙芯康牡谌龡l設(shè)計原則為：采用結(jié)構(gòu)化反思支持編程經(jīng)驗整合。

綜上，基于有效失敗理論構(gòu)建的編程教學(xué)設(shè)計初始原則如圖1所示。

圖1 基于有效失敗理論的編程教學(xué)設(shè)計初始原則

（二）面向計算思維發(fā)展的有效失敗教學(xué)設(shè)計策略

在上述原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)研究成果和發(fā)現(xiàn)，對三條原則對應(yīng)的具體教學(xué)設(shè)計策略凝練如下。

1. 原則一：設(shè)計具有高挑戰(zhàn)度的開放性編程任務(wù)

在完成編程任務(wù)的過程中，學(xué)生關(guān)注的重點應(yīng)該是如何探索更多的解決方案以及如何對比得到更優(yōu)的方案，而不是學(xué)習(xí)基本概念是什么。因此，有研究者認(rèn)為高挑戰(zhàn)性任務(wù)應(yīng)該基于學(xué)生已知概念來設(shè)計，在學(xué)生探究完成后，通過提供相關(guān)問題解決案例為學(xué)生創(chuàng)造對比和分析不同方案的機會，促進(jìn)建構(gòu)計算策略（Kapur & Rummel, 2012; Li,2010）。Kafai（2012）也發(fā)現(xiàn)，在具有高挑戰(zhàn)度的任務(wù)中，學(xué)生雖然掌握了任務(wù)情境中的概念，但對于如何使用概念解決問題尚不明確，于是學(xué)生在探究過程中會不斷試誤，以此對比不同方案的設(shè)計效果，獲取關(guān)于如何決策的經(jīng)驗。因此，具有高挑戰(zhàn)度的任務(wù)需要為學(xué)生構(gòu)建安全的探究環(huán)境，鼓勵學(xué)生積極參與。Kapur和Bielaczyc（2012）就高挑戰(zhàn)度任務(wù)的設(shè)計從環(huán)境、參與和內(nèi)容三個維度提出了設(shè)計原則：首先，建立開放、平等、促進(jìn)交流的課堂環(huán)境是開展有效教學(xué)的前提；其次，在任務(wù)探究中，學(xué)生是參與的主體，需要為其提供適當(dāng)?shù)膮⑴c活動；最后，教師需要設(shè)計與學(xué)生經(jīng)驗相關(guān)的探究任務(wù)。在此基礎(chǔ)上提出有效失敗教學(xué)設(shè)計策略：激活與目標(biāo)概念相關(guān)的先驗知識，關(guān)注目標(biāo)概念的表征，提供解釋并細(xì)化的機會以及將關(guān)鍵概念重新組裝。在教學(xué)實施過程中，具有高挑戰(zhàn)度的任務(wù)讓學(xué)生幾乎不可避免地面對“失敗的困境”，但這種失敗是有意義的，在探究過程中教師的引導(dǎo)能夠有效避免學(xué)生放棄任務(wù)的情況，而經(jīng)歷高挑戰(zhàn)度任務(wù)的學(xué)生能夠獲得更豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，也更容易在相關(guān)情境中遷移（鄭蘭琴，黃星星，2019）。

上述研究表明，面向計算思維發(fā)展的任務(wù)設(shè)計需要具有一定挑戰(zhàn)度，為學(xué)生提供更大的探究空間，而這種高挑戰(zhàn)度任務(wù)的探究需要同伴協(xié)作和教師指導(dǎo)。因此，凝練第一條設(shè)計原則中的具體策略為：①圍繞學(xué)生已知的計算概念來設(shè)計劣構(gòu)任務(wù)；②為任務(wù)陷入僵局的小組提供解決方案提示；③鼓勵小組成員在總結(jié)環(huán)節(jié)查看其他小組的方案。

2. 原則二：采用協(xié)作探究支持編程方案迭代

一個編程任務(wù)的探究過程包括分解、抽象、算法、調(diào)試、迭代和遷移（Hermans & Aivaloglou,2017）——將任務(wù)目標(biāo)分解為更容易解決的子問題，抽象出影響判斷和決策的關(guān)鍵信息，忽略無關(guān)信息和不必要的細(xì)節(jié)，設(shè)計算法生成具體的指令，測試指令運行結(jié)果，在迭代環(huán)節(jié)不斷測試和發(fā)展更優(yōu)化的算法，最后考慮如何將算法應(yīng)用于更廣泛的問題情境。因此，計算思維問題解決其實是一個“探究—設(shè)計—再設(shè)計”的循環(huán)，實現(xiàn)這個循環(huán)的關(guān)鍵是通過分享獲得同伴的評價與他人的設(shè)計經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上迭代并完善作品（Kolodner et al., 2003）。這說明在高挑戰(zhàn)度的編程任務(wù)中，開展協(xié)作探究能夠為學(xué)生提供發(fā)現(xiàn)解決方案的機會和必要的情感支持。然而在基礎(chǔ)教育階段，開展同伴之間的分享與評估具有一定難度，交流和評估的機會更適合隱含在協(xié)作探究的過程中，如在小組協(xié)作的過程中，由于觀點差異而對概念做出更多討論和解釋的小組在任務(wù)中收獲更多（Kerrigan, Weber, &Chinn, 2021; 朱龍，胡小勇，2016）。綜上，凝練第二條設(shè)計原則中的具體策略為：①建立具有理解差異的異質(zhì)性小組；②促進(jìn)學(xué)生調(diào)試修正設(shè)計方案。

3. 原則三：采用結(jié)構(gòu)化反思支持編程經(jīng)驗整合

計算策略的整合與建構(gòu)是計算思維發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是教學(xué)設(shè)計的“重頭戲”，結(jié)構(gòu)化反思是促進(jìn)計算策略整合的有效途徑。結(jié)構(gòu)化反思經(jīng)典模型ALACT將反思理解為行動、回顧、發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)新方法和試驗五個循環(huán)過程（Korthagen & Kessels,1999）。在這樣的循環(huán)過程中，反思是對行動結(jié)果的分析，分析的具體維度包括任務(wù)目標(biāo)、具體行動和方法策略，這些維度構(gòu)成了結(jié)構(gòu)化反思問題的設(shè)計維度（Korthagen, 2001）。在面向計算思維發(fā)展的編程教學(xué)設(shè)計中，反思的目的是對比分析不同編程方案從而形成計算策略，因此，在計算思維編程教學(xué)的結(jié)構(gòu)化反思題目中，任務(wù)目標(biāo)是程序要實現(xiàn)的具體功能，具體行動是程序編寫的具體內(nèi)容，方法策略是對編程方案在不同情境中應(yīng)用效果的思考。

Dewey（1910）認(rèn)為反思的前提是對現(xiàn)有狀態(tài)的存疑，在課堂情境中，教師具有權(quán)威性，因此當(dāng)教師不提供可靠答案時，學(xué)生會對所有答案存疑，進(jìn)而開始探討和反思。反思的目標(biāo)聚焦于現(xiàn)實結(jié)果與目標(biāo)狀態(tài)的差異和聯(lián)系（Simon & Tzur, 2004）。對于K-12階段的學(xué)生而言，標(biāo)準(zhǔn)化考試是他們更為熟悉的測評形式，Kyoungna、Barbara和Priya（2004）分析了在K-12階段實施結(jié)構(gòu)化反思的影響因素后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更傾向于采用標(biāo)準(zhǔn)化考試的形式進(jìn)行單獨反思。因此，凝練本研究的第三條原則中的具體策略為：①促進(jìn)基于同伴作品的反思；②提供針對方案差異的結(jié)構(gòu)化反思問題；③提供選擇填答式的反思報告。

三、研究設(shè)計

（一）研究方法

本研究采用基于設(shè)計的研究方法，基于理論原型凝練設(shè)計原則與設(shè)計策略，通過應(yīng)用和評價進(jìn)行迭代完善，教學(xué)設(shè)計原則與策略包含設(shè)計、應(yīng)用與評價三個環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 研究思路圖

（二）研究對象

本研究在小學(xué)五年級編程課堂環(huán)境下開展實證研究，研究對象為華東地區(qū)某小學(xué)五年級編程課程中的24名學(xué)生，其中男生15人，女生9人，學(xué)生為編程課程的初學(xué)者，具備編程基本操作技能，在數(shù)學(xué)、科學(xué)等計算思維相關(guān)學(xué)科中表現(xiàn)無顯著性差異。

（三）數(shù)據(jù)收集與處理

本研究主要考察學(xué)生任務(wù)完成度、經(jīng)驗整合情況和計算思維水平三個方面的變化。其中，任務(wù)完成度由學(xué)生提交的小組編程作品展示，經(jīng)驗整合情況通過學(xué)生反思報告及遷移任務(wù)完成度反映，計算思維水平采用Bebras試題測評。

1. 任務(wù)探究過程報告

任務(wù)探究過程報告根據(jù)作用不同分為兩類，一類是推進(jìn)學(xué)生探究過程的報告，包括問題分析報告、方案設(shè)計報告和故障檢測報告，將學(xué)生任務(wù)過程中的觀點、計劃、步驟等以圖文形式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生清晰地規(guī)劃和執(zhí)行，也能夠在交流分享環(huán)節(jié)幫助學(xué)生更清楚地理解他人的策略規(guī)劃與方案設(shè)計。探究過程報告作為學(xué)生任務(wù)探究的支持和反思的依據(jù)，在評價階段不做分析。另一類是用于推進(jìn)學(xué)生反思的報告，為結(jié)構(gòu)化反思報告。采用內(nèi)容編碼的方法從目標(biāo)、行動和策略三個方面對學(xué)生的反思深度進(jìn)行編碼。編碼框架根據(jù)Webb（2007）對科學(xué)學(xué)習(xí)中認(rèn)知深度的層級規(guī)定，確定為5個水平層級（見表1）。

表1 反思深度編碼框架

本研究共有兩位編碼者共同編碼，經(jīng)過指導(dǎo)、測試和校正后，編碼信度達(dá)到0.918，表明兩名編碼者編碼一致性較高，編碼結(jié)果可靠。

2. 計算思維測試題

Bebras計算思維測試是由國際計算思維聯(lián)盟發(fā)起，全世界60多個國家參與的計算思維專項挑戰(zhàn)賽，測試題目的編寫、評審、優(yōu)化和校對由研究專家、中小學(xué)教師、教育企業(yè)人員和優(yōu)秀學(xué)生代表共同參與，是世界公認(rèn)的計算思維可靠測試。在每道試題的題目說明中，都包含該題目應(yīng)用于不同年齡段的難度說明及試題類型說明，不同試題類型分別對應(yīng)于計算思維的分解、抽象、算法、評估和概括五個維度，題目可以根據(jù)難度比例在不同應(yīng)用場景中重新編制。本研究根據(jù)研究對象年齡階段，在Ⅱ階段中等難度至Ⅲ階段中等難度區(qū)間內(nèi)篩選試題，低中高難度占比為2：2：1，題目以文本形式呈現(xiàn)。根據(jù)學(xué)生答案正誤判分，在教學(xué)實踐前后分別開展前測和后測，通過兩次測試的差異反映基于有效失敗的編程教學(xué)設(shè)計對計算思維提升的效果。

3. 計算思維遷移任務(wù)

計算思維遷移任務(wù)是反映學(xué)生將計算思維應(yīng)用于具體問題解決時的水平，分為良構(gòu)遷移任務(wù)和劣構(gòu)遷移任務(wù)，用以測試學(xué)生不同維度的計算思維。其中，良構(gòu)任務(wù)具有明確的限制條件和目標(biāo)結(jié)果，主要用于測試學(xué)生概念理解的水平，劣構(gòu)任務(wù)用于測試學(xué)生實踐操作的水平，是教學(xué)任務(wù)設(shè)計改進(jìn)和迭代的直接依據(jù)。本研究參考Van Gog等（2006）的設(shè)計方法，遷移任務(wù)的設(shè)計來源于與任務(wù)主題相關(guān)的Bebras試題，為了保證良構(gòu)任務(wù)和劣構(gòu)任務(wù)主題的一致性，將依據(jù)同一道難度中等的試題進(jìn)行改編。良構(gòu)任務(wù)為具有明確限制條件的測試題目，要求學(xué)生通過計算的形式作答，以此檢驗學(xué)生是否理解問題情境中的主要概念。劣構(gòu)任務(wù)在Bebras試題基礎(chǔ)上補充與生活實際相關(guān)的問題情境，設(shè)計為與教學(xué)任務(wù)具有相似問題解決方法但情境不同的評價任務(wù)，考察學(xué)生在不同情境中的問題解決實踐能力。

四、研究實施

（一）第一輪實施與調(diào)整

1. 設(shè)計與實施

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，初始教學(xué)設(shè)計原則與策略見表2。通過教學(xué)實踐對策略進(jìn)行應(yīng)用與迭代。在三條設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，采用以學(xué)生探究為主的教學(xué)方法，具體教學(xué)活動分為探索生成和整合建構(gòu)兩個階段。融入設(shè)計策略形成六個具體的環(huán)節(jié)：回憶生活經(jīng)驗、任務(wù)情境引入、協(xié)作編程探究、組間交流分享、經(jīng)驗總結(jié)反思與策略遷移應(yīng)用。通過回憶與任務(wù)主題相關(guān)的已知概念了解任務(wù)背景信息，并明確任務(wù)目標(biāo)。教師組織學(xué)生進(jìn)行異質(zhì)性分組，小組協(xié)作設(shè)計解決方案，協(xié)作編程驗證并迭代方案。整合階段首先在班級內(nèi)分享方案和作品，結(jié)合探究經(jīng)驗分析方案或案例完成結(jié)構(gòu)化反思報告，整合實踐經(jīng)驗，建構(gòu)策略知識，發(fā)展計算思維。最后完成良構(gòu)及劣構(gòu)遷移任務(wù)，以此反映策略知識建構(gòu)水平。

表2 基于有效失敗的編程教學(xué)設(shè)計原則與策略（初始）

根據(jù)理論框架中的原則與策略進(jìn)行第一輪活動設(shè)計，活動主題為“花圃設(shè)計”，要求學(xué)生使用循環(huán)語句繪制不同形狀的花圃，并劃分不同花卉的種植區(qū)域。首先由學(xué)生提出個人設(shè)計思路，在教師幫助下完成異質(zhì)性分組。在第一輪活動中，24名學(xué)生分為12個小組，開展協(xié)作探究編寫程序，調(diào)試及完善方案，并且學(xué)生需要在規(guī)定時間內(nèi)上傳作品。最后學(xué)生查看其他小組作品，開展組間交流，分享小組作品，填寫個人反思報告并完成遷移任務(wù)。其中，良構(gòu)遷移任務(wù)是復(fù)雜圖形的重復(fù)執(zhí)行頻次計算，劣構(gòu)遷移任務(wù)要求學(xué)生策劃如何重復(fù)利用同一圖形組裝成規(guī)定圖形。

2. 評價與調(diào)整

通過興趣度調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生積極性極高，九成以上學(xué)生表示“非常感興趣”，但學(xué)生提交的作品顯示，12個小組中僅有5個小組完成了任務(wù)，任務(wù)完成度僅為40%多。于是進(jìn)一步開展了學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷均值達(dá)到3.71，說明任務(wù)難度過高，在不影響學(xué)生探究的情況下，需要為學(xué)生提供適當(dāng)?shù)闹С謳椭渫瓿扇蝿?wù)。分析學(xué)生遷移任務(wù)作品發(fā)現(xiàn)，學(xué)生良構(gòu)和劣構(gòu)遷移任務(wù)完成度分別達(dá)到91.6%和83.3%，學(xué)生在遷移任務(wù)中表現(xiàn)良好，說明盡管教學(xué)任務(wù)對學(xué)生而言難度較高，但確實有助于發(fā)展學(xué)生計算思維。對學(xué)生的反思報告進(jìn)行編碼和分析，結(jié)果顯示，學(xué)生反思深度在三個維度的得分均值分別為0.46、1.21和0.46，說明學(xué)生整體反思深度不足，且更多關(guān)注于具體行動維度。這可能是由于整體任務(wù)完成度較低，學(xué)生難以從未完成的作品中獲得經(jīng)驗，并且選擇題形式的結(jié)構(gòu)化反思題目留給學(xué)生的空間過小，不利于學(xué)生開展深層次的反思。

根據(jù)實施過程中的問題，對活動設(shè)計做出如下調(diào)整：第一，在協(xié)作探究前為學(xué)生提供多樣化的參考方案；第二，將學(xué)生反思依據(jù)改為優(yōu)秀學(xué)生案例；第三，將結(jié)構(gòu)化反思問題改為開放性作答題目。

（二）第二輪實施與調(diào)整

1. 設(shè)計與實施

第二輪活動主題為“區(qū)間測速系統(tǒng)設(shè)計”，要求學(xué)生編寫指令實現(xiàn)速度計算并判斷是否超速。同樣由教師將學(xué)生分為12個異質(zhì)性小組，學(xué)生協(xié)作完成編程作品。在學(xué)生正式開展作品設(shè)計之前，教師首先展示了3種不同的設(shè)計思路，并給出一些可供參考的修改意見。組間交流環(huán)節(jié)由教師選擇優(yōu)秀小組作品進(jìn)行分享，學(xué)生填寫反思報告并完成遷移任務(wù)。其中，良構(gòu)遷移任務(wù)是車輛平均速度計算，劣構(gòu)遷移任務(wù)是搭乘公交車時，需要多次換乘并在指定時間內(nèi)到達(dá)的路線規(guī)劃。

2. 評價與調(diào)整

第二輪學(xué)生提交的作品顯示，12個小組中有7個小組完成了任務(wù)，任務(wù)完成度接近60%，說明教師的參考方案對學(xué)生完成任務(wù)具有重要作用。分析學(xué)生反思報告，結(jié)果見表3。相較于第一輪，學(xué)生在任務(wù)目標(biāo)、具體行動和策略方法三個維度的得分均顯著提高，但整體得分依然偏低，且策略方法維度的得分明顯低于其他兩個維度，說明優(yōu)秀的學(xué)生案例和開放性反思題目確實能夠促進(jìn)學(xué)生開展深度反思，但仍需增加策略方法維度的內(nèi)容。

表3 前兩輪學(xué)生反思情況對比

學(xué)生良構(gòu)和劣構(gòu)遷移任務(wù)完成情況較第一輪均有所下降（見表4）。經(jīng)過與學(xué)生的溝通發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生對該主題很陌生，所以盡管學(xué)生已經(jīng)掌握了相關(guān)編程概念和代碼模塊，但對于目標(biāo)功能并不確定，很難完成解決方案的設(shè)計和實踐，說明任務(wù)主題設(shè)計需要貼近學(xué)生的生活情境。并且在這一輪實施過程中，教師通過課堂觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生對同伴方案的權(quán)威性存疑，在整合和建構(gòu)過程中不愿意深入探究該方案的遷移應(yīng)用價值。典型對話如：“他們這個（代碼）用了這個藍(lán)色的塊，跟我們的不一樣?！薄澳俏覀兿麓我眠@個嗎？”“也不用吧，他寫的也不一定對。”

表4 前兩輪遷移情況配對樣本t檢驗（n=24）

根據(jù)實施過程中的問題，對活動設(shè)計做出如下調(diào)整：第一，任務(wù)主題圍繞與學(xué)生學(xué)習(xí)生活緊密相關(guān)的話題設(shè)計；第二，在反思階段同時為學(xué)生提供優(yōu)秀學(xué)生案例和教師參考案例；第三，增加有關(guān)應(yīng)用情境差異的結(jié)構(gòu)化反思問題。

（三）第三輪實施與調(diào)整

1. 設(shè)計與實施

第三輪活動主題圍繞學(xué)生生活經(jīng)驗開展“垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計”，要求學(xué)生編寫程序自動判斷輸入的垃圾名稱為何種類別。探索生成階段教學(xué)活動與前一輪相同，但組間交流環(huán)節(jié)包括優(yōu)秀學(xué)生案例分享和教師參考案例分享。在結(jié)構(gòu)化反思報告中增加了兩道關(guān)于編程作品如何在具體情境中應(yīng)用的問題。學(xué)生需要完成的良構(gòu)遷移任務(wù)是關(guān)于小區(qū)內(nèi)垃圾如何收納的計算，劣構(gòu)遷移任務(wù)是根據(jù)小區(qū)特點設(shè)計智能清掃機器人的工作程序。

2. 評價與總結(jié)

第三輪學(xué)生提交的作品顯示，12個小組中有10個小組完成了任務(wù)，任務(wù)完成度超過80%，說明貼近學(xué)生生活主題的任務(wù)更有利于學(xué)生理解任務(wù)目標(biāo)。但這樣一來，任務(wù)主題設(shè)計具有較大的局限性，如何支持學(xué)生在較為陌生的主題下明確任務(wù)目標(biāo)并開展探究依然需要探討。學(xué)生結(jié)構(gòu)化反思報告分析結(jié)果表明，學(xué)生在三個反思維度的得分分別達(dá)到2.75、1.96和2.46，說明關(guān)于應(yīng)用策略的結(jié)構(gòu)化反思題目能夠有效提升學(xué)生在策略方法維度上的反思深度。分析學(xué)生在遷移任務(wù)中的得分發(fā)現(xiàn)，第三輪中學(xué)生在良構(gòu)和劣構(gòu)任務(wù)遷移中的得分均值分別為2.21和3.54，說明學(xué)生的遷移水平有所提升，且劣構(gòu)遷移水平提升更多。

第三輪結(jié)束后對學(xué)生的計算思維水平進(jìn)行了測試（見表5）。計算思維Bebras測試結(jié)果顯示，在三輪教學(xué)實踐前后，學(xué)生在分解、抽象和評估方面的能力顯著提升，算法與概括兩個維度的提升并不明顯，這可能是由于這兩個維度主要檢測學(xué)生提煉出普適性規(guī)律并應(yīng)用的能力，而小學(xué)生尚處于學(xué)習(xí)的初級階段，很難在短時間內(nèi)達(dá)到提煉規(guī)律并應(yīng)用的水平。

表5 學(xué)生計算思維測試結(jié)果（n=24）

表6呈現(xiàn)了學(xué)生反思水平在第一輪與第三輪中的變化，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過三輪教學(xué)，學(xué)生在任務(wù)目標(biāo)、具體行動和方法策略三個維度的反思水平均顯著提升，學(xué)生整合探究經(jīng)驗并建構(gòu)計算策略的能力顯著提升，說明基于有效失敗理論的教學(xué)策略能夠幫助學(xué)生從不同問題解決方案中獲取策略知識，進(jìn)而發(fā)展計算思維。

表6 學(xué)生第三輪反思水平與第一輪對照（n=24）

進(jìn)一步分析第三輪較第二輪的反思水平提升情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在任務(wù)目標(biāo)維度的反思水平無顯著變化，具體行動維度較第二輪有顯著下降，方法策略維度則顯著提升，分析結(jié)果見表7。這說明隨著學(xué)生對操作方法熟悉程度的增加，對完成任務(wù)需要如何操作的關(guān)注開始減少，逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Σ煌鉀Q策略的對照和分析，因此方法策略維度的反思水平有顯著提升。與第二輪相比，第三輪增加了教師案例，與優(yōu)秀學(xué)生案例相比，教師案例的問題解決策略的呈現(xiàn)更清晰，也有助于支持學(xué)生在方法策略維度中反思水平的提升。

表7 學(xué)生第三輪反思水平與第二輪對照（n=24）

五、研究結(jié)論

以往面向計算思維發(fā)展的教學(xué)設(shè)計中對計算策略的關(guān)注不足，有效失敗理論為這一問題的解決提供了教學(xué)設(shè)計的新思路。研究通過梳理現(xiàn)階段國內(nèi)外研究成果凝練初始的設(shè)計原則及策略。在編程任務(wù)設(shè)計方面，關(guān)注任務(wù)情境設(shè)計和為學(xué)生提供的支持。在方案迭代方面，關(guān)注促進(jìn)協(xié)作開展的分組策略和促進(jìn)成果改進(jìn)的策略。在通過反思促進(jìn)經(jīng)驗整合方面，關(guān)注反思材料和反思呈現(xiàn)形式。

初始原則和策略在實證研究中開展了三輪迭代和完善，實證研究發(fā)現(xiàn)：第一，有效失敗教學(xué)設(shè)計中的任務(wù)需要與學(xué)生的已有經(jīng)驗具有較為緊密的關(guān)聯(lián)，否則會因?qū)W生對任務(wù)情境的不理解而造成任務(wù)難以完成。因此，任務(wù)設(shè)計不僅要圍繞學(xué)生已知的計算概念，還要與生活實際相關(guān)。第二，當(dāng)學(xué)生無法在自主探究中提出任何解決方案或解決方案不可行時，有效失敗教學(xué)設(shè)計很難進(jìn)一步發(fā)揮作用。這時，來自其他同伴的經(jīng)驗或教師提供的不完整的參考案例能夠幫助學(xué)生找到解決問題的思路或想到新的方法。因此，在任務(wù)過程中可以鼓勵學(xué)生查看其他小組的方案，并為學(xué)生提供多樣化的參考案例。第三，結(jié)構(gòu)化反思能夠促進(jìn)學(xué)生整合探究經(jīng)驗，形成計算策略，但是過于封閉的結(jié)構(gòu)化反思問題不利于學(xué)生深層次的思考。因此，結(jié)構(gòu)化反思題目需要設(shè)計適當(dāng)?shù)拈_放性問題。第四，在總結(jié)反思環(huán)節(jié)中，學(xué)生急于得到肯定的答案，同伴作品雖然會提供多樣化的設(shè)計思路，但學(xué)生對權(quán)威性的質(zhì)疑不利于反思開展。因此，總結(jié)環(huán)節(jié)中的優(yōu)秀案例由教師提供并確定將更有利于深層次反思的發(fā)生。

基于上述研究結(jié)果，最終形成了任務(wù)設(shè)計、方案探究和經(jīng)驗整合三個方面的設(shè)計原則及其相應(yīng)策略（見表8）。

表8 基于有效失敗的編程教學(xué)設(shè)計原則與策略

原則一：設(shè)計具有高挑戰(zhàn)度的開放性編程任務(wù)。高挑戰(zhàn)度的編程任務(wù)是促進(jìn)學(xué)生計算思維發(fā)展的基礎(chǔ)，但任務(wù)主題需要與學(xué)生日常生活學(xué)習(xí)緊密相關(guān)，教師還需為學(xué)生提供多樣化的參考方案以促進(jìn)學(xué)生對任務(wù)目標(biāo)產(chǎn)生多樣化的理解，確保學(xué)生探究順利開展。在探究過程中，教師需要為陷入僵局的學(xué)生提供適當(dāng)?shù)奶崾就七M(jìn)探究進(jìn)程，并允許學(xué)生在總結(jié)環(huán)節(jié)查看其他小組方案來獲得不同的實踐經(jīng)驗。

原則二：采用協(xié)作探究支持編程方案迭代。計算策略的形成來自經(jīng)驗整合，而學(xué)生更容易從個人探究的直觀經(jīng)驗中完成深層次的整合和建構(gòu)，因此，采用異質(zhì)性分組的策略能夠促進(jìn)學(xué)生在協(xié)作過程中探索不同方案，形成更加多樣化的經(jīng)驗。另外，迭代是計算思維探究的關(guān)鍵，采用任務(wù)成果檢測報告能夠為學(xué)生方案迭代提供動力。

原則三：采用結(jié)構(gòu)化反思支持編程經(jīng)驗整合。經(jīng)驗整合是直接指向計算策略形成的教學(xué)環(huán)節(jié)，以開放性問答形式呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)化反思報告能夠促進(jìn)學(xué)生開展深層次反思，建構(gòu)計算策略。反思報告的設(shè)計需要覆蓋任務(wù)目標(biāo)、具體行動和方法策略三個維度，設(shè)置關(guān)于應(yīng)用情境差異的問題更容易引發(fā)學(xué)生方法策略維度的反思。在反思依據(jù)方面，同時提供優(yōu)秀學(xué)生案例和教師參考案例能夠很好地平衡經(jīng)驗多樣性與權(quán)威性，有利于學(xué)生開展深層次的反思。

在基于有效失敗理論開展的三輪教學(xué)實踐中，相較而言，分解、抽象和評估是計算思維發(fā)展最顯著的維度。另外，學(xué)生的反思深度顯著提升，在學(xué)生自主探究的開放性任務(wù)中，發(fā)現(xiàn)不同的問題解決方案，通過反思建構(gòu)不同方案的應(yīng)用策略，在這一過程中，學(xué)生的主要關(guān)注點由概念和技能“是什么”轉(zhuǎn)向“怎么用”的問題，發(fā)展問題解決計算策略。但算法和概括維度提升較小，這兩個維度的能力均涉及提煉普適性規(guī)律的能力，且“算法”“概括”等概念在編程課程中與其他學(xué)科的概念內(nèi)涵存在一定差異，低年級學(xué)生更容易在描述時使用混淆的概念。有研究發(fā)現(xiàn)，跨學(xué)科問題情境更有助于學(xué)生將同一名詞的不同意義內(nèi)涵聯(lián)系起來，發(fā)展學(xué)生總結(jié)和概括普適性規(guī)律的能力（Waite, Curzon,Marsh, & Sentence, 2020）。

六、研究不足與展望

計算思維的核心是計算策略的構(gòu)建，然而計算策略的培養(yǎng)作為高階目標(biāo)卻常常在教學(xué)實踐中得不到有針對性的發(fā)展。有效失敗理論揭示了學(xué)生在完成任務(wù)過程中的失敗對高階思維的培養(yǎng)和作用，提供了計算思維教學(xué)設(shè)計的新思路。本研究基于有效失敗理論凝練教學(xué)設(shè)計原則與策略，并通過三輪迭代最終得到編程課程中具有實踐參考意義的教學(xué)設(shè)計原則及相應(yīng)策略，對發(fā)展計算策略的編程教學(xué)設(shè)計具有借鑒意義。但是計算思維的發(fā)展需要長期培養(yǎng)，本研究的實驗時間較短，迭代仍不夠充分，在不同的具體教學(xué)應(yīng)用場景中可能存在未盡之處。另外，本研究涉及的學(xué)科比較局限。教學(xué)設(shè)計原則和策略的設(shè)計與迭代均基于編程教學(xué)展開，并未針對其他與計算思維發(fā)展相關(guān)的課程，如機器人、STEM等展開研究，因此，本研究得出的教學(xué)設(shè)計原則和策略對其他學(xué)科任務(wù)設(shè)計的支持力度不夠。

在未來的研究中，可以從以下幾個方面開展深入研究：第一，有效失敗理論對面向高階思維或能力的教學(xué)設(shè)計研究中具有廣闊的應(yīng)用前景，可以對理論本身展開更加深入的挖掘和探討。第二，對面向計算思維發(fā)展的教學(xué)設(shè)計而言，不同學(xué)段和不同學(xué)科均具有較大差異，可以擴大研究范疇，針對中學(xué)生、大學(xué)生、教師教育，以及不插電活動、機器人或跨學(xué)科項目等學(xué)段及學(xué)科開展研究，探索不同教學(xué)設(shè)計范式（周盼盼，馬志強，岳蕓竹，2021）。第三，在有效失敗教學(xué)設(shè)計方法中融合其他教學(xué)設(shè)計方法和評價方法，如采用表現(xiàn)性評價方法或多模態(tài)分析方法（馬志強，2021），支持更加精細(xì)、全面的教學(xué)設(shè)計和迭代。