編程教學中的迷思概念診斷及教學支架研究

摘 要 文章以“棧和隊列”為例，通過四段式測試題和訪談探查學生的迷思概念及成因，運用駁斥文本、教師干預、編程平臺反饋三種教學支架輔助教學開展，分析各教學支架在概念轉變過程中的作用。研究發(fā)現，編程迷思概念易發(fā)于相似概念或抽象操作性概念；迷思概念的成因有日常經驗干擾、知識負遷移以及知識本身等；不同教學支架在不同教學階段和個體上作用不同；及時的反饋和個性化的指導是促進編程概念轉變的重要方式。

關鍵詞 迷思概念；教學支架；編程教學；概念轉變

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.04.018

Diagnosis of Misconception in Programming Teaching and

Teaching Scaffold Types Research

——Taking the Data Structure \"Stack and Queue\" as an Example

PENG Yuan， WANG Jing， HU Hanglei

（East China Normal University， Shanghai 200062）

Abstract Taking \"stack and queue\" as an example， the study explores students' misconceptions and causes through four-phrase test questions and interviews， and analyzes the role of each teaching scaffold in the process of concept change by using three teaching scaffolds： refutation text， teacher intervention， and feedback from the programming platform to assist the teaching and learning process. The study found that students' misconceptions tend to occur in similar concepts or abstract operational concepts; the causes of misconceptions include interference from daily experiences， negative transfer of knowledge， and knowledge itself; different scaffolds play different roles at different stages of teaching and for different individuals; and timely feedback and personalized instruction are important ways to promote concept change in programming teaching.

Keywords misconception; teaching scaffold; programming teaching; concept change

迷思概念指學生與科學概念存在偏差的觀點或想法，它的有效轉變是學生構建科學概念體系的重要保證。國外對編程迷思概念的研究聚焦于迷思概念診斷及其轉變策略，如通過訪談、大數據調查等手段揭示常見的迷思概念，通過改進學習環(huán)境[1]、轉變教學方法和優(yōu)化評估反饋[2]來促進概念轉變。雖然國內也有學者對編程迷思概念展開研究[3]，但相對物理、化學等學科領域而言其研究數量較少。鑒于此，本研究運用案例研究法，深入分析學生在編程學習中的迷思概念，并探索三種教學支架在促進學生迷思概念轉變中的作用，為一線教師的教學提供參考。

1" 迷思概念及教學支架的相關研究

迷思概念是由英文詞匯“misconception”音譯得來，其內涵界定有完全否定、調和、過程和發(fā)展四種取向[9]?？偟膩碚f可以概括為學生的當前概念與科學概念存在偏差，表現為學生自身概念體系存在矛盾或者無法解決當下情境中的問題。

迷思概念的診斷可以通過量化或質性方法進行。量化手段多為二段、三段或四段式測試題，質性手段多為訪談、個案研究等。研究者在實踐層面上對促進學生迷思概念轉變進行了深入探討，在教學支架上提出了學習任務單、駁斥文本[4]、教學輔助工具、教師干預等多種形式的支持。教學支架的內涵為由教師或父母（輔導者）對學習者所提供的即時支持，這種支持能夠促進學習者（被輔導者）有意義地參與問題解決并獲得技能[5]。教學支架形式多樣，如范例、圖表、解釋、對話等[6]。在本研究中，教學支架指的是教師或教具提供的促使學生發(fā)生迷思概念轉變的即時支持。

2" 研究設計

2.1" 研究對象

本研究以上海某師范類高校教育信息技術學系的4名學生為研究對象開展多案例研究，被試都系統(tǒng)學習過數據結構課程，了解“棧和隊列”的相關知識，具備一定編程基礎。

2.2" 研究過程

研究分為迷思概念診斷、基于教學支架開展編程教學、概念轉變數據收集三個階段。在迷思概念診斷階段，研究采用四段式測試題初步探查迷思概念，并輔以訪談分析其成因。在基于教學支架開展編程教學階段，研究采用包含駁斥文本的學習材料（以下簡稱學習材料）、教師干預、編程系統(tǒng)反饋三種教學支架支持學生迷思概念轉變。首先，教師提供學習材料供學生自主學習，隨后發(fā)布預設的編程任務，學生借助編程平臺完成任務。過程中，教師會根據學生的掌握與完成情況與其進行針對性交互。在概念轉變數據收集階段，先檢測學生概念轉變的效果，再通過訪談探查概念轉變過程中各支架發(fā)揮的作用。具體的研究過程見圖1。

2.3" 研究工具

本小節(jié)將介紹四段式測試題、訪談提綱、學習材料和編程任務題。研究的前、后測都以四段式測試題的形式展開，前測用于診斷迷思概念，后測用于探查概念轉變的效果。訪談分兩次進行，第一次用于探查迷思概念的成因，第二次用于探查各教學支架在概念轉變過程中的作用。

2.3.1" 四段式測試題

四段式測試題由答案—信心指數—理由—信心指數構成，要求學生分別對給出的答案和理由的確定性程度給予評價[7]。研究對學生是否產生迷思概念的判斷標準為： ①科學概念：答案和理由都對，且信心指數都為100；②低信心科學概念：答案和理由都對，信心指數至少有1個不為100；③假性迷思概念：答案和理由都不對，或者只有一個對但答對部分的信心指數低于50；④真性迷思概念：以上三種情況以外的情況[8]。前、后測涵蓋了棧和隊列的基本知識點，包括棧的特性、類型、操作、應用，隊列的特性、類型、操作。研究組在與一線教師商討后，研究開發(fā)前、后測各20道題目，部分測試題見圖2。

2.3.2" 訪談提綱

訪談分兩次進行，第一次訪談的具體內容見圖3，第二次訪談的具體內容見圖4。

2.3.3" 學習材料

學習材料會根據被試迷思概念的類型和成因進行針對性設計。如果被試對知識點的認識是假性迷思概念或低信心科學概念，學習材料會給出具體案例詳細解釋；如果被試對知識點的認識是真性迷思概念，學習材料則以駁斥文本的形式呈現。駁斥文本由具體迷思概念、對迷思概念明確的駁斥、對科學概念的呈現與解釋三部分構成[9]。比如帶頭結點的鏈棧其?？諚l件是top==None，在駁斥文本中會明確指出這是迷思概念，再詳細給出順序棧、帶頭結點的棧、不帶頭結點的棧的區(qū)別，棧頂指針的作用以及各自棧空的條件，最終給出科學概念。

2.3.4" 編程任務題

編程任務基于棧的應用、棧的操作、隊列的操作等實踐應用性較強的知識點進行設計，" 共計括號匹配、后綴表達式求值、順序隊列實現三道編程任務題。

3" 研究結果與分析

3.1" “棧和隊列”課程中迷思概念類型及成因分析

對被試前測數據進行分析發(fā)現，迷思概念出現在棧的認識、類型、應用、操作，隊列的類型、操作6個方面，具體的迷思概念及類型如表1所示。

表1" " 棧和隊列的迷思概念及類型

研究從真性和假性迷思概念兩個方面進一步總結其成因。假性迷思概念的產生主要是知識的遺忘，在測試前沒有讓學生充分回顧以喚醒科學前概念。真性迷思概念的成因可概括為3個方面：①日常經驗的干擾。學生在學習時，往往會試圖基于生活中已習得的經驗來理解和闡釋新知，產生適用于部分情境但不完整的概念理解。比如迷思概念7，學生認為排隊時隊尾的人等不及會先走，因此隊列的刪除在隊尾進行。②知識的負遷移。學生在學習新概念時，會將相似但不完全相同的知識進行簡單遷移，從而產生迷思概念。比如迷思概念4，學生認為順序棧的棧空條件為top=0，所以帶頭結點的棧空條件為top==None。比如迷思概念8，學生認為鏈表是由結點連接形成，可以在任意部分展開操作，所以鏈式隊列也可以在中間部分展開操作。③知識本身的因素。由于概念本身較為抽象，理解時對學生的邏輯思維能力有一定要求，所以學生容易混淆、忽視部分細節(jié)，產生迷思概念。比如迷思概念9，以插入為例，學生認為無論是先把原隊尾指針指向新結點，再將隊尾指針指向新結點，還是先將隊尾指針指向新結點，再將原隊尾指針指向新結點，其效果相同。

3.2" 各教學支架對概念轉變的促進作用分析

后測結果顯示，被試的迷思概念均已完成轉變。分析第二次訪談數據后發(fā)現，三種教學支架在概念轉變的不同階段以及不同學生個體上發(fā)揮著不同的作用。值得注意的是，編程系統(tǒng)反饋指代碼執(zhí)行后，系統(tǒng)向用戶展示輸出結果。由于系統(tǒng)報錯多為語法或數據類型的錯誤，與棧和隊列關聯不大，因此不做過多分析。

學習材料中的駁斥文本能明確列出迷思概念，引發(fā)認知沖突，再給出駁斥線索和科學解釋，從而促進概念轉變。比如迷思概念4，學生表示在自主學習時，材料上明確指出這是迷思概念，引發(fā)學生的認知沖突。文本上給出的駁斥線索幫助其厘清了前后知識點的區(qū)別與聯系，從而高效地完成概念轉變。

教師干預主要發(fā)生在完成編程任務的過程中，當學生在編程過程中出現問題時，教師會提供個性化、針對性的反饋指導，從而促進概念轉變。比如，學生完成任務時發(fā)現，雖然自己在理論上理解了棧先入后出的特性，但在實際應用時不清楚該如何利用這種特性實現括號匹配。經過教師針對性地講解后，學生能夠即時領悟并遷移到之后的編程任務中。

編程系統(tǒng)反饋能即時、直觀地向學生展示代碼邏輯的準確性，當運行結果與預期不符時，會引發(fā)認知沖突。比如在括號匹配任務中，當學生只輸入了一個中括號時，系統(tǒng)沒有給出任何反饋，這與預期不符，引發(fā)了認知沖突。隨后在教師針對性的反饋引導下，學生意識到自己對邊界條件的處理不當，沒有充分考慮或正確處理輸入數據的特殊情況，在領悟后也能將其應用在其他任務中。值得注意的是，部分學生并不能自主理解系統(tǒng)反饋的非預期結果，往往需要輔以教師提供的針對性反饋。

4" 研究結論

①編程迷思概念易發(fā)于相似概念或抽象的操作性概念上，教師在開展編程教學時要注重前后知識點的聯系及抽象操作上的易混細節(jié)。在本例中，學生在棧和隊列的操作上迷思概念較多，原因有兩方面。一是學生在學習時，進行知識的負遷移，將相似概念混為一談，忽視了前后知識點的區(qū)別與聯系，導致概念體系內部出現誤解，形成迷思概念。二是棧和隊列的操作本身較為抽象，學生學習時容易忽視部分細節(jié)，對概念的理解存在偏差，形成迷思概念。因此，教師在進行教學設計時，要重點關注前后相似知識點和抽象的操作性概念，對于相似知識點可作對比分析，對于抽象的操作性概念可舉具體案例進行講解，引導學生注意易混細節(jié)。

②不同教學支架在不同教學階段、不同個體上的作用不同，教學時要根據情況合理選用。當學生在回顧舊知激活前概念時，其認為學習材料的作用很大，尤其是駁斥文本部分。當學生嘗試應用編程知識解決問題時，一部分學生認為教師干預的作用最大，因為這部分學生往往難以自主梳理解題思路或理解系統(tǒng)非預期的反饋，一部分學生認為系統(tǒng)反饋的作用最大，因為這部分學生的水平較高，能夠自主進行概念轉變，無須過多干預。因此，當教師開展教學時，要根據教學階段、學生個體水平的不同，合理選擇和運用不同的教學支架，以最大化提升課堂教學的效果。

③ 及時的反饋和個性化的指導是促進編程概念轉變的重要方式。編程系統(tǒng)反饋是對學生代碼邏輯的及時反饋，教師干預是對學生個性化的指導。編程教學注重學生的實踐應用，它要求學生不僅要理解概念，還需要在實踐中綜合運用知識，以解決實際問題。由于不同學生對知識的掌握程度不同，在實際應用中可能出現的問題也多種多樣，往往需要不斷試錯和調整以達到目的。因此，及時的反饋和個性化的指導對于促進學生編程迷思概念的轉變起到至關重要的作用。由于實際教學中班級人數眾多，教師往往難以及時向學生提供個性化的指導，已有研究分析了ChatGPT應用于編程和學生個性化學習的方法，未來可以考慮引入生成式人工智能作為課堂助教，輔助教師進行個性化指導[10]。

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