面向計(jì)算思維培養(yǎng)的4C/ID+PT編程教學(xué)模型構(gòu)建

摘要：學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)是當(dāng)前編程教學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，但在其培養(yǎng)策略研究中，學(xué)者們?nèi)匀狈?duì)計(jì)算思維綜合性和學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的綜合考量，不利于學(xué)生計(jì)算思維的整合與遷移。該文基于編程教學(xué)和計(jì)算思維，將綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建了面向計(jì)算思維培養(yǎng)的4C/ID+PT編程教學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；精準(zhǔn)教學(xué)；綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)；編程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）31-0145-04

1 引言

自2006年周以真教授首次提出計(jì)算思維概念，并強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維對(duì)一般專(zhuān)業(yè)、一般大眾的重要性以來(lái)[1]，人們對(duì)它的重視程度逐漸提高。隨著人工智能對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響越來(lái)越大，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維已經(jīng)成為近年來(lái)一個(gè)熱門(mén)的研究課題。

但在現(xiàn)實(shí)的編程教學(xué)中，學(xué)生計(jì)算思維提升仍有較大阻礙。由于計(jì)算思維的綜合性和學(xué)生自身認(rèn)知水平的局限性，學(xué)生在理解計(jì)算思維，獨(dú)立完成任務(wù)，形成新的思維習(xí)慣等方面存在一定困難。因此，探究計(jì)算思維培養(yǎng)的新方法或新工具以解決其復(fù)合性問(wèn)題，減輕學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，是當(dāng)前計(jì)算思維培養(yǎng)的重要課題。在本研究中，我們將綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)教學(xué)相整合，以綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)計(jì)算思維的綜合性問(wèn)題，在開(kāi)展綜合性認(rèn)知訓(xùn)練的同時(shí)實(shí)施個(gè)性化學(xué)習(xí)，降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，共同促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維提升。

2 文獻(xiàn)綜述與理論基礎(chǔ)

2.1 計(jì)算思維

2006年，周以真教授對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了定義。她認(rèn)為計(jì)算思維是一種使用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。英國(guó)學(xué)校計(jì)算課程小組（CAS） 認(rèn)為計(jì)算思維是邏輯能力、算法能力、遞歸能力和抽象能力的綜合體現(xiàn)[2]。Korkmaz將計(jì)算思維劃分為創(chuàng)造力、問(wèn)題解決、算法思維、批判思維和合作學(xué)習(xí)五大核心技能[3]。由此可見(jiàn)，計(jì)算思維具有綜合性，并不是單一化能力。

編程教學(xué)是當(dāng)前計(jì)算思維培養(yǎng)的主流方式之一。在以編程課堂作為計(jì)算思維培養(yǎng)載體的同時(shí)，課程教學(xué)還需具備更加具體的教學(xué)設(shè)計(jì)和策略。學(xué)者們將計(jì)算思維培養(yǎng)納入教學(xué)目標(biāo)，采用基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、游戲化教學(xué)等形式開(kāi)展了一系列培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐。Ernawati將基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)融入初級(jí)計(jì)算機(jī)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的理解以及編程學(xué)習(xí)積極態(tài)度的保持[4]。丁世強(qiáng)分析計(jì)算思維與項(xiàng)目式教學(xué)之間的映射關(guān)系，提出了面向計(jì)算思維能力發(fā)展的項(xiàng)目式教學(xué)模式[5]。Panskyi在基于游戲的環(huán)境中開(kāi)展創(chuàng)造性編程教學(xué)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維能力[6]。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)基于編程教學(xué)的計(jì)算思維培養(yǎng)開(kāi)展了一系列研究，但是大多數(shù)研究缺少對(duì)計(jì)算思維綜合性和學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的綜合考量，可能會(huì)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的各能力整合和遷移造成一定影響。基于此，現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)計(jì)與策略對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)具有一定的局限性，還需要進(jìn)一步的理論與實(shí)踐探索研究。

2.2 綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

20世紀(jì)90年代初，荷蘭教學(xué)設(shè)計(jì)理論家杰羅姆·范梅里恩伯爾及其團(tuán)隊(duì)提出了“綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)”，也稱(chēng)“四元教學(xué)設(shè)計(jì)”（Four Component Instructional Design，4C/ID） ，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜技能，促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移。綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)包含四個(gè)基本要素，分別是學(xué)習(xí)任務(wù)、相關(guān)知能、支持程序和專(zhuān)項(xiàng)操練。學(xué)習(xí)任務(wù)可指學(xué)生學(xué)習(xí)的案例、實(shí)施的項(xiàng)目和提出的問(wèn)題等內(nèi)容。相關(guān)知能指幫助學(xué)生達(dá)到完成學(xué)習(xí)任務(wù)的創(chuàng)生性層面，包含問(wèn)題解決、分析和推理等，進(jìn)而激發(fā)創(chuàng)生性技能。支持程序指幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)任務(wù)中常規(guī)再生性技能，包括規(guī)則和公式等。專(zhuān)項(xiàng)操練指學(xué)生為熟練掌握學(xué)習(xí)任務(wù)中某些常規(guī)方面進(jìn)行的額外訓(xùn)練[7]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)有利于學(xué)生復(fù)雜認(rèn)知技能的學(xué)習(xí)、整合、遷移以及能力培養(yǎng)。綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方法適用于教授不同復(fù)雜技能且需要知識(shí)、技能和態(tài)度相整合的任務(wù)[8]。在編程教育中，4C/ID模型與Scratch相結(jié)合可有效促進(jìn)小學(xué)編程教學(xué)[9]，在支持腳手架和闡明復(fù)雜項(xiàng)目過(guò)程中提升學(xué)生編程技能[10]。此外，綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)也通過(guò)與自主學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂、基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)等模式相結(jié)合，促進(jìn)了學(xué)生深層次學(xué)習(xí)、高階思維和能力養(yǎng)成，以及學(xué)習(xí)遷移[11]。

2.3 精準(zhǔn)教學(xué)

20世紀(jì)60年代，奧格登·林斯利（Ogden Lindsley）基于斯金納的行為主義學(xué)習(xí)理論提出了以“流暢度”為衡量指標(biāo)的精準(zhǔn)教學(xué)（Precision Teaching，PT） 。但由于行為主義理論本身的局限性、且存在著學(xué)生數(shù)據(jù)難以收集、操作過(guò)程復(fù)雜煩瑣、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，并沒(méi)有受到教師的廣泛推崇和應(yīng)用，從而逐漸失去活力。

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)行為主義理論的精準(zhǔn)教學(xué)開(kāi)始向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)教學(xué)轉(zhuǎn)變。以技術(shù)手段獲取學(xué)生各項(xiàng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行教學(xué)分析，制定精準(zhǔn)教學(xué)路徑，并針對(duì)學(xué)生知識(shí)薄弱點(diǎn)實(shí)施精準(zhǔn)干預(yù)[12]。

雖然，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)教學(xué)在把握教材內(nèi)容和學(xué)生學(xué)習(xí)難點(diǎn)[13]，提高學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)主動(dòng)性、學(xué)習(xí)深度和學(xué)習(xí)成績(jī)等方面均已取得了較好的成效[14]。但其也存在著被技術(shù)與數(shù)據(jù)裹挾、教師教學(xué)去技能化等現(xiàn)象。因此，基于人機(jī)協(xié)作的精準(zhǔn)教學(xué)理念應(yīng)運(yùn)而生，即在教與學(xué)過(guò)程中充分發(fā)揮教師智慧與機(jī)器智能[15]。

在人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的支持下，精準(zhǔn)教學(xué)通過(guò)發(fā)揮教師智慧和機(jī)器智能，精準(zhǔn)分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，精準(zhǔn)評(píng)估，精準(zhǔn)干預(yù)，滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化需求[16]，最大化綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，提升學(xué)生計(jì)算思維。

3 面向計(jì)算思維培養(yǎng)的4C/ID+PT編程教學(xué)模型

本文試圖通過(guò)綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)教學(xué)的實(shí)施，面向?qū)W生計(jì)算思維培養(yǎng)，提出一個(gè)4C/ID+PT編程教學(xué)模型。如圖1所示，在編程教學(xué)背景下，為提升學(xué)生計(jì)算思維，本文將教學(xué)模型分為教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施兩部分。在教學(xué)設(shè)計(jì)部分，我們將編程教學(xué)分為學(xué)習(xí)任務(wù)、相關(guān)知能、支持程序、專(zhuān)項(xiàng)操練四個(gè)模塊，它們相互貫通、循環(huán)迭代。在教學(xué)實(shí)施部分，智能教學(xué)系統(tǒng)收集分析學(xué)生在線(xiàn)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，教師觀(guān)察學(xué)生學(xué)習(xí)情感變化，綜合分析平臺(tái)數(shù)據(jù)和情感數(shù)據(jù)，為編程教學(xué)提供精準(zhǔn)測(cè)評(píng)、精準(zhǔn)推送、精準(zhǔn)干預(yù)、精準(zhǔn)反饋和精準(zhǔn)反思。

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)

學(xué)習(xí)任務(wù)是教學(xué)活動(dòng)的核心，它促使學(xué)生在任務(wù)實(shí)踐中進(jìn)行歸納學(xué)習(xí)，形成綜合型知識(shí)能力體系，有助于實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力的整合與遷移。教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，將計(jì)算思維融于各編程任務(wù)，使學(xué)生通過(guò)對(duì)各項(xiàng)編程知識(shí)與技能的整合與協(xié)調(diào)，提升學(xué)生計(jì)算思維能力水平。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容難易程度和學(xué)生當(dāng)前計(jì)算思維能力水平，教師把握任務(wù)組難易跨度，劃分任務(wù)組類(lèi)別，且任務(wù)組難度呈階梯式增長(zhǎng)。

3.1.2 排定相關(guān)知能

相關(guān)知能是包含問(wèn)題解決方法和邏輯推理的支持性信息，為學(xué)生提供認(rèn)知策略和心理模式指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)精細(xì)加工生成創(chuàng)生性技能。在編程教學(xué)中，相關(guān)知能站在編程專(zhuān)家視角，為學(xué)生提供任務(wù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則、問(wèn)題解決步驟和方法，以及語(yǔ)言、算法等編程模型。

在內(nèi)容呈現(xiàn)上，教師分析明確學(xué)生自身的編程認(rèn)知策略和心理模式的不足，提供具有針對(duì)性的相關(guān)知能，以避免學(xué)生因信息冗余和認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生學(xué)習(xí)倦怠。在呈現(xiàn)策略上，課前教師以導(dǎo)學(xué)資源呈現(xiàn)相關(guān)編程心理模型，課中以示范樣例的形式帶領(lǐng)學(xué)生歸納形成正確編程認(rèn)知策略。在呈現(xiàn)形式上，借助媒體等技術(shù)手段，注重教學(xué)趣味性，生成多重感官相結(jié)合的支持性信息。

3.1.3 設(shè)計(jì)支持程序

支持程序是指包含固定程序規(guī)則和前提知識(shí)的程序性信息，為學(xué)生提供認(rèn)知規(guī)則和前提知識(shí)的支持，促進(jìn)學(xué)生通過(guò)知識(shí)編輯生成再生性技能。在編程教學(xué)中，支持程序具體包含編程操作步驟、編程規(guī)范、程序開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程工具的應(yīng)用規(guī)則等內(nèi)容。

相較于相關(guān)知能，支持程序更強(qiáng)調(diào)即需即用和同時(shí)呈現(xiàn)。依據(jù)當(dāng)前的具體編程步驟和學(xué)習(xí)需求，支持程序即時(shí)給予學(xué)生相對(duì)應(yīng)的程序性信息支持。支持程序與編程界面的同時(shí)呈現(xiàn)，防止學(xué)生因?yàn)樾畔⒎蛛x而導(dǎo)致學(xué)習(xí)注意力分散。

3.1.4 安排專(zhuān)項(xiàng)操練

專(zhuān)項(xiàng)操練是學(xué)習(xí)任務(wù)的延伸，發(fā)揮學(xué)習(xí)強(qiáng)化和拓展作用。依據(jù)每位學(xué)生的最終評(píng)估反饋結(jié)果，教師總結(jié)分析學(xué)生再生性編程技能的不足，確定專(zhuān)項(xiàng)操練內(nèi)容。專(zhuān)項(xiàng)操練形式分為練習(xí)題和實(shí)踐操作任務(wù)。在技術(shù)支持下，針對(duì)學(xué)生再生性編程技能的不足，智能教學(xué)系統(tǒng)推送練習(xí)題，教師布置實(shí)踐操作任務(wù)，并按需提供任務(wù)支持。同時(shí)，針對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，按照其思維水平，實(shí)施個(gè)性化學(xué)習(xí)拓展，激發(fā)學(xué)生編程興趣以及對(duì)問(wèn)題的深層次思考。

3.2 教學(xué)實(shí)施

3.2.1 精準(zhǔn)測(cè)評(píng)

精準(zhǔn)測(cè)評(píng)貫穿于課程教學(xué)全過(guò)程，為精準(zhǔn)匹配學(xué)習(xí)任務(wù)提供依據(jù)。在課前，教學(xué)平臺(tái)負(fù)責(zé)及時(shí)推送導(dǎo)學(xué)資源與診斷試題，收集分析學(xué)生行為數(shù)據(jù)和試題測(cè)驗(yàn)結(jié)果。教師結(jié)合個(gè)人教育經(jīng)驗(yàn)，關(guān)注學(xué)生情感表現(xiàn)，多方面精準(zhǔn)判定學(xué)生當(dāng)前編程學(xué)習(xí)情況和班級(jí)整體情況，包括學(xué)生答題情況、學(xué)生計(jì)算思維能力水平、學(xué)生學(xué)習(xí)特征、知識(shí)點(diǎn)分析等內(nèi)容。在課中，教學(xué)平臺(tái)借助數(shù)據(jù)挖掘等手段，收集分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)，獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)訪(fǎng)問(wèn)行為、互動(dòng)行為、作業(yè)提交行為等數(shù)據(jù)。教師結(jié)合學(xué)生自評(píng)和互評(píng)，以更全面的視角精準(zhǔn)判定學(xué)生編程學(xué)習(xí)時(shí)思維能力的潛在問(wèn)題和缺陷。

3.2.2 精準(zhǔn)推送

在同一任務(wù)組中，隨著學(xué)生思維能力的提高，相關(guān)資源支持也會(huì)在任務(wù)中逐漸減少直至消失。針對(duì)學(xué)生不同學(xué)習(xí)情況，明確學(xué)習(xí)需求，精準(zhǔn)教學(xué)只推送學(xué)生當(dāng)前所需的任務(wù)支持信息，達(dá)到教學(xué)資源與學(xué)生水平的精準(zhǔn)匹配。并且，依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)特征，教學(xué)資源搭配適宜呈現(xiàn)方式。這既提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，也減少教師教學(xué)的機(jī)械性操作。教師可將更多精力和時(shí)間用于解決學(xué)生個(gè)性問(wèn)題，學(xué)生也可以自定步調(diào)地合理安排學(xué)習(xí)時(shí)間以及選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.2.3 精準(zhǔn)反饋

在完成某一項(xiàng)編程任務(wù)后，學(xué)生會(huì)獲得認(rèn)知反饋和矯正反饋?；趯W(xué)生認(rèn)知思維不足，認(rèn)知反饋呈現(xiàn)學(xué)生與專(zhuān)家的問(wèn)題解決方式和思維方式對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生反思自我思維方式，實(shí)現(xiàn)相關(guān)知能與問(wèn)題解決的雙向促進(jìn)?；趯W(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)不足，矯正反饋給予學(xué)生修正錯(cuò)誤行為提示。矯正反饋會(huì)明確告知學(xué)生錯(cuò)誤點(diǎn)，并指出學(xué)習(xí)錯(cuò)誤，常常以一個(gè)相似的案例或示范引導(dǎo)學(xué)生探索出正確的步驟和方法。在課程結(jié)束后，教師為學(xué)生制定個(gè)性化學(xué)習(xí)總結(jié)性反饋報(bào)告。學(xué)習(xí)報(bào)告涉及個(gè)人和班級(jí)學(xué)習(xí)情況、各項(xiàng)任務(wù)完成情況分析、個(gè)人編程能力和計(jì)算思維分析，以及認(rèn)知提示和學(xué)習(xí)建議。同時(shí)，采用雷達(dá)圖、折線(xiàn)圖等統(tǒng)計(jì)圖形，將學(xué)習(xí)評(píng)估數(shù)據(jù)可視化，直觀(guān)地展現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

3.2.4 精準(zhǔn)干預(yù)

基于學(xué)業(yè)評(píng)估和學(xué)生學(xué)習(xí)特征，教師為學(xué)生提供個(gè)性化干預(yù)。面對(duì)不同干預(yù)對(duì)象，教師會(huì)采取不同干預(yù)方式，提供不同干預(yù)內(nèi)容。干預(yù)對(duì)象分為班級(jí)和學(xué)生個(gè)人，干預(yù)方式分為師生交流、教師指導(dǎo)、問(wèn)題提示和學(xué)習(xí)建議等內(nèi)容，干預(yù)內(nèi)容可涉及編程知識(shí)、編程技能、編程策略、編程技巧和編程學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)等內(nèi)容?；趯W(xué)生學(xué)習(xí)情況、問(wèn)題答疑情況和學(xué)業(yè)評(píng)估結(jié)果，面對(duì)班級(jí)群體，教師總結(jié)并集中講解學(xué)習(xí)共性問(wèn)題，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和任務(wù)內(nèi)容。面對(duì)學(xué)生個(gè)人，在教學(xué)過(guò)程中，教師針對(duì)學(xué)生編程知識(shí)點(diǎn)困惑、編程困難等情況，及時(shí)采取適宜教學(xué)干預(yù)。

3.2.5 精準(zhǔn)反思

精準(zhǔn)反思包括教師教學(xué)反思和學(xué)生自我反思。在課程結(jié)束后，教師通過(guò)編制教學(xué)反思報(bào)告，分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，從教學(xué)實(shí)施過(guò)程、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)關(guān)系、教學(xué)理論融合等多方面反思教學(xué)過(guò)程。學(xué)生接收并查看學(xué)習(xí)反饋報(bào)告，掌握個(gè)人學(xué)習(xí)情況、編程任務(wù)完成情況和計(jì)算思維能力水平情況，從個(gè)人學(xué)習(xí)態(tài)度、知識(shí)技能掌握、學(xué)習(xí)整合遷移、任務(wù)訓(xùn)練過(guò)程和學(xué)習(xí)策略等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)反思。

4 結(jié)束語(yǔ)

在人工智能飛速發(fā)展的時(shí)代，計(jì)算思維是每個(gè)人應(yīng)該具備的技能之一，計(jì)算思維培養(yǎng)也日趨受到重視。針對(duì)計(jì)算思維的綜合性以及學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷問(wèn)題，本文將綜合學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)教學(xué)相結(jié)合，教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施相貫通，構(gòu)建了4C/ID+PT編程教學(xué)模型。在計(jì)算思維如火如荼的當(dāng)下，期望該教學(xué)模型能夠給利用編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的同仁提供一定參考。后期，我們將會(huì)關(guān)注如何為此模型開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工具，以使該模型能夠更好地服務(wù)于學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2022-07-05

作者簡(jiǎn)介：龍姣（1997—） ，女，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⒒虒W(xué)的理論與實(shí)踐。