高中信息技術學科計算思維培養的實證研究

陳興冶 王昌國

[摘? ?要] 文章以CTCL（Culture，Technology，Content，Learner）范式作為理論框架，探討如何在偏差認知轉變過程中促進高中學生計算思維的發展。文章以高中“信息技術”課程中的《網絡故障排查》為學習內容，在實驗組依據計算思維內涵及特征，對學習者的偏差認知進行測查，分析其偏差認知及形成的原因，并進行分類;之后根據學習者的偏差認知類型進行面向計算思維能力提升的個性化學習的設計和實施，經分析發現，實驗組學生計算思維水平顯著高于對照組學生。結果表明：針對學習者的偏差認知，借助技術進行個性化實驗教學能夠有效促進學習者的偏差認知轉變，顯著提升學習者的計算思維水平。

[關鍵詞] CTCL; 計算思維; 偏差認知; 實驗教學; 個性化學習設計; 網絡故障排查

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 陳興冶（1979—），男，上海人。中學高級教師，博士研究生，主要從事計算思維教學研究和中小學教育信息化方面的研究。E-mail：chenxy@sesedu.cn。

一、引? ?言

近年來，教育技術學領域研究者越來越關注如何利用技術提升認知深度。美國Marcia Linn教授團隊基于知識整合理論，開發了基于網絡的探究學習環境，引導學生利用探究學習平臺WISE進行科學學習，在解決問題的同時，促進學生對科學認知的整合與深度理解[1-2];美國David H. Jonassen教授團隊指出，認知的目標是促進有意義學習，而認知工具或思維工具可以為學習過程提供有效的技術支持，即在有意義學習的理論基礎上應用技術能提升學生的學習品質[3-5];加拿大Marlene Scardamalia教授團隊基于知識建構理論，開發了知識創生環境，引導學生利用知識建構平臺Knowledge Forum進行學習，以發展學生社區內的公共知識為目標，提升學生知識建構水平[6-7];臺灣學者佘曉清教授所領導的“認知與科學學習實驗室”，長期致力于科學概念轉變和數字化學習的研究，探索如何綜合運用學習心理和技術以改善物理、化學、生物等課程中的具體內容的學習過程與效果[8-10];大陸學者李克東教授、徐曉東教授、崔光佐教授等領銜的學術團隊也從不同角度開展了一些基于學習者特征的技術如何促進學科教學效果的研究[11-13]。學習是發生在真實情境中的學生、學習內容和技術之間的深度互動過程，因此，無論是技術提升認知深度的研究，還是關涉學習者其他方面的技術增強學習的研究，均應綜合考慮多維因素[14]。

CTCL研究團隊針對具體教學問題，在問題解決取向下，在不同文化視域中將技術、學習內容、學習者相統合來開展研究[15]，在小學數學、初中物理、高中信息技術等學科中圍繞“概念教學”開展了促進學生概念轉變的相關研究，取得了預期的效果。本實驗與團隊前期的研究稍有不同，一是選取“技能操作類”學習內容;二是關注概念轉變及其轉變過程中學生計算思維的培養。

學科育人價值需要學科核心素養來體現[16]，高中信息技術的學科核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素組成[16]。信息技術的學科內容主要包括概念性知識與技能、原理性知識與技能、操作性知識與技能。學生在正式學習這些知識與技能前，頭腦中或多或少對將要學習的內容存在一定的認知，而這些認知的正確與否，將直接影響學生的學習效果。研究表明，學習過程是知識和思維（核心素養）形成的過程，它們具有嚴格的內在一致性，并借助“邏輯動態運行過程”有機聯系在一起[17]。映射到信息技術學科，幫助學生實現原有錯誤認知轉變的“過程”即為該“邏輯的動態運行過程”，學生通過這一“過程”實現了學科知識和學科核心素養（計算思維）的內在一致性。

二、研究設計

本研究中計算思維的定義采用與2017版高中信息技術課程標準相吻合的計算思維五要素定義，即算法（Algorithmic）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation） [18]。

本研究以高中“信息技術”課程中的《網絡故障排查》為例，從心理學視角出發，以“偏差認知轉變”作為中間變量，以培養和發展學生計算思維為目標，著眼于兩個問題：（1）基于偏差認知的實驗教學是否可以促進學生的計算思維提升;（2）基于CTCL研究范式，如何利用相應的技術進行個性化資源設計與實施，幫助學生實現偏差認知轉變，進而促進學生計算思維的發展。

（一）研究方法

本研究主要采用問卷調查法、準實驗法。問卷調查法主要采用二階診斷測試工具;準實驗法是指在教師、教學環境、教學實踐等研究條件基本不變的情況下，對實驗組和對照組學生進行不同的教學干預。

（二）研究對象

研究對象選取上海市S學校高一年級計算思維前測水平相當的兩個班，共76名學生，其中A 班42人，為實驗組，采用基于CTCL理論的教學方式;B 班34人，為對照組，采用任務驅動教學方式。

（三）研究工具

研究工具采用二階診斷測試問卷，其編制過程為：初步篩選出測試知識點，編制一般二階問卷，對四個平行班進行試測，完成后，對第二階中選擇第一階選項的理由經分析后進行分類，從而完成第二階選項，由此形成了二階選擇問卷。

本研究的二階選擇問卷共有4題組成，既是計算思維水平的測試，也是“網絡故障排查”相關知識點認知偏差的測查。從計算思維測試角度看：第一題測查抽象思維，第二題測查概括思維，第三題測查算法思維，第四題測查分解、評估思維。問卷編碼賦值規則如下：正確答案及其匹配理由（下稱“基本科學”）得3分;正確答案及與其不匹配的理由得2分;錯誤答案及其匹配理由得1分;其余得0分。

為驗證測查問卷的信度，對S學校高一年級四個班級進行了試測。問卷的信度統計分析結果顯示：克隆巴赫系數為0.707>0.7，說明該問卷信度較高。

（四）研究過程

本實驗的研究過程分為教學設計、教學實施、教學反思三個階段，如圖1 所示。在教學設計階段，學習內容主要為用于解決現實生活問題的技能操作類內容，教學設計方面則以培養學生的計算思維為目標，遵循“以學為主”的教學設計;在教學實施階段，根據學生偏差認知的類型進行個性化學習資源、實驗環境和學習過程的設計;在教學反思階段，主要對兩組前后測數據進行分析對比，撰寫教學反思并提煉實驗結論。

三、實驗設計與實施

通過文獻分析、同行交流及反復研討，研究團隊認為《網絡故障排查》學習內容適合的教學方式為：教師采用實驗教學，創設真實情境中的真實問題，讓學生在親身體驗、自主探究中解決問題。

（一）個性化實驗教學設計

針對實驗組學生的偏差認知及其類型，研究者設計并開發學生實驗單和學習資源，從實驗環境和學習過程兩個視角給不同類型的學生提供個性化實驗方案。該方案的基礎是實驗組學生的偏差認知及其類型，核心是面向計算思維的學習資源、實驗環境和學習過程的設計與開發。

1. 實驗組學生的偏差認知情況分析

通過匯總實驗組學生測查作答情況，研究者發生學生產生偏差認知的原因有：（1）將總線與連接線路等同于一個概念范疇;（2）認為網絡拓撲結構是網絡連接的一部分;（3）認為網絡拓撲結構只有總線型一種類型、操作系統是軟件的統稱;（4）上網只要有網絡協議即可。由此得出偏差認知的類型：“性質使然”，指未理解不同領域的知識，導致互相之間混用;“張冠李戴”，指將其他領域的知識直接套用到本領域的相關內容上;“表未及里”，指只認識到字面意思，未掌握事物本質;“以偏概全”，指只認知到事物的部分特性，將其當作事物的全部。

2. 實驗組學生的偏差認知類型分布情況

實驗組學生前測數據的分析結果顯示，學生的偏差認知類型的分布情況：42名學生中“基本科學”9人，占21.4%;“性質使然”13人，占31%;“張冠李戴”2人，占4.7%;“表未及里”13人，占31%;“以偏概全”5人，占11.9%。

3. 個性化實驗教學設計

信息技術學科的實驗教學是基于學生個體感知的認知過程，通過發現、驗證、合作、體驗等認知環節，提升學生認知的深度[19]。在此基礎上，個性化實驗教學（Individualized Experimental Teaching）針對學生偏差認知類型設計了四種不同的實驗環境，為每位學生提供四種不同的學習資源包，其中包括微視頻、實驗單、幫助文件等。需要說明的是，9位“基本科學”學生作為助教（Teacher Assistant）參與到實驗教學活動中。

4. 個性化學習資源包設計

學習資源包主要包含：關于網絡拓撲結構和網絡協議的微視頻各一個，學生實驗單一份，“錦囊妙計”幫助文件一個，而個性化體現在資源包中資源組合的個性化。

微視頻設計主要以“驚訝型策略”和“概念轉變”（Conceptual Change）的相關理論作為基礎?！绑@訝型策略”認為，概念轉變的基礎是引發學習者產生與原有認知相沖突的新認知[20]，因此，教學中教師可以直接呈現反例，在學生產生認知沖突后，通過教學干預引導學習者改變原來的認知結構，獲取正確的知識。概念轉變需要一定條件的支撐，“概念轉變”模型指出四個必備條件為：對現有概念的不滿、新概念的可理解性、新概念的合理性和新概念的有效性[21]。關于糾正“網絡拓撲結構是網絡連接的一部分”偏差認知的微視頻設計見表1。

為將學生實驗過程中的計算思維活動進行可視化，學生實驗單中設計了三個梯度的學習任務，分別指向不同學習維度的計算思維，具體為：“成為網絡故障觀察行家”，主要培養學生的分解和抽象思維;“成為網絡故障分析達人”， 主要培養學生的算法、抽象、評估思維;“成就故障分析專家”，主要培養學生的概括思維。

5. 個性化學習過程的設計

學生的學習過程主要包括：（1）教師在準備教室布置實驗的具體要求，學生通過完成實驗單第一部分“成為網絡故障觀察行家”中“日常網絡故障匯總”的內容;（2）學生進入實驗室，找到對應學號的實驗計算機;（3）教師及助教巡視，學生根據所提供的學習資源（或向教師及助教求助）來完成實驗;（4）實驗完成后，學生分析、概括并完成實驗單第二部分“成為網絡故障分析達人”中“網絡故障排查的方法”的內容;（5）交流分享，小結實驗過程;（6）學生通過完成實驗單第三部分“成就故障分析專家”中“一般計算機故障問題”的內容;（7）總結。

學習過程的個性化主要體現在教師提供了個性化的實驗環境、學習資源及學習路徑。個性化實驗過程中，每位學生在獲取新知識的過程中，與之前偏差認知產生了認知沖突，教師引導學生根據現有資源和所學新知識來解決問題，進而表明新概念的有效性，實現了偏差認知的轉變及計算思維的提升。

（二）實驗的實施

在前測完成一周后，根據教學設計實施教學。實驗組和對照組的教學時間均為80分鐘（兩課時）。兩組均由同一名教師授課，講授內容所覆蓋的知識點相同，主要包括硬件和軟件故障診斷、排查、解決的方法與技能。

兩組學生在教學結束后馬上完成計算思維能力后測問卷，時間為20分鐘，以了解實驗完成后兩組學生計算思維的發展狀況。

四、研究結果

課堂觀察發現，實驗組除9人擔任助教外，剩下33人中有31人成功完成網絡故障的排查，實驗完成率為93.9%。實驗結束，參照對照組的做法，對實驗組所有學生進行了后測，發出問卷42份，收到問卷42份，回收率100%，其中有效問卷42份，有效率100%。

（一）兩組前后測數據分析

將實驗組和對照組的前測成績進行對比分析，兩組均值相差7.16分（見表2），獨立樣本t 檢驗后發現Sig（=0.202）>0.05，表明兩組數據無顯著差異，說明在實驗開始之前，兩組學生的計算思維水平基本相同。

實驗組后測成績均值比對照組高出25.33分，對兩組學生的后測數據進行獨立樣本t檢驗，見表3，Sig（=0.000）<0.05，表明兩組數據存在顯著差異，說明采用個性化實驗教學的學生，計算思維發展水平優于采用常規教學的對照組學生。

（二）對照組前后測與實驗組前后測成績分析

從兩組的前后測數據的配對樣本t檢驗（見表4）的結果中發現，對照組Sig（=0.671）>0.05，表明前后測數據不存在顯著性差異，表示對照組計算思維發展水平無顯著提升;實驗組Sig（=0.000）<0.05，表明前后測數據存在顯著性差異，表示實驗組計算思維發展水平顯著提升。

（三）兩組前后測計算思維“五要素”成績分析

為研究計算思維“五要素”發展水平是否存在差異，將兩組前后測成績根據問卷對應的計算思維 “五要素”（其中一題對應兩個要素）進行分類統計分析。經過實驗，兩組學生的計算思維 “五要素”發展水平是不平衡的（見表5）。其中，實驗組前后“算法”思維提升幅度最大;對照組中“抽象”“概括”思維出現減幅;實驗組中，“分解”“評估”思維提升幅度最小，“抽象”思維提升幅度接近“算法”思維的提升幅度，“概括”思維平均成績接近“算法”思維的平均成績。結果說明，較對照組而言，實驗組學生的“抽象”“概括”思維的平均成績提升幅度最大，此結果與學生實驗單中“成為網絡故障觀察行家”（培養抽象思維）和“成就故障分析專家”（培養概括思維）兩部分內容學生完成質量較為一致。

（四）實驗組偏差認知學生的轉變情況及其與計算思維前后測的相關分析

實驗組經過實驗教學后，原來33位偏差認知學生中的40%（13人）實現了認知轉變，除“以偏概全”人數增加3人，其他三種偏差類型人數均明顯減少。根據表5數據可知，實驗組學生后測計算思維水平顯著提高，由此說明偏差認知的轉變較大程度上促進了學生計算思維的發展。進一步數據分析發現，“表未及里”類型中還未實現偏差認知轉變的學生（7人），其計算思維水平較低（33.32分），即實驗教學對這部分學生的學習效果并不明顯;“以偏概全”的偏差人數由原來5人增加到8人，但是學生整體計算思維水平較高（71.89分），經過對該類型中學生問卷答題情況逐一分析發現，產生這種情況的原因是“以偏概全”與“基本科學”的分類標準較為接近，導致在實際分類過程中存在誤差。

五、研究結論

（一）關注學習者與學習內容之間的關系是偏差認知轉變的基礎

數據結果表明，78.6%的學生對“網絡故障排查”所涉及的知識或技能存在偏差認知。教師從學習者和學習內容兩個維度對這些偏差認知形成的原因進行深入分析，結果發現偏差認知可分類。這與尹相杰等人的研究發現相一致，即前概念是可以分類的，并且充分地關注學生，精準把握學生對學習內容的認知（C-L）是十分必要的[22]。因此，綜合考慮學習者與學習內容，根據偏差認知類型設計學習資源，是偏差認知轉變的基礎，也是促進學生有效學習的起點。

（二）偏差認知轉變的過程也是計算思維發展的過程

知識、思維和價值三個層面的因素形成了素養，三個層面有機整合在一起，就能促進學生全面而和諧的發展[23]。學科知識、學科思維和學科價值三個層面的有機整合形成了學科核心素養，因此，作為信息技術學科思維的計算思維的發展離不開本體性知識的學習。研究結果顯示，偏差認知學生中的40%實現了偏差認知的完全轉變，90%學生的計算思維得到了發展。由此證明，實現偏差認知的轉變是有效學習學科知識的基礎，偏差認知轉變與計算思維發展正相關。相關研究表明，偏差認知轉變的條件之一是對原有認知的不滿[21]，更進一步的研究表明，“引發認知沖突”成為偏差認知轉變的傳統方法。這些觀點也與趙國慶等的研究結論相一致，趙國慶在其研究中表明，認知沖突是思維發展的起點，也是思維發展的必要條件[24]。因此，知識、思維在學生偏差認知轉變這一“過程”中得以發生、升華，即“引發認知沖突”并促使學生偏差認知轉變的過程就是計算思維發展的過程。

（三）個性化學習設計可以有效促進計算思維的發展

本研究表明，對照組學生的計算思維發展水平沒有顯著性變化，實驗組學生的計算思維水平有顯著性變化。由此推斷，計算思維水平不會因學習者個體自然認知的發展而發展，而個性化實驗環境、學習資源包和學習過程的設計，更接近學習者學習的本質需求，促使學生更加主動地學習、更加自主地建構知識，因此，學生計算思維得到發展。這也與林崇德等的研究結論相似：學習是一個積極主動建構的過程，學生積極主動的思考，促進了學生思維結構的發展[25]。

（四）技術應著眼于學習者與學習內容的差異性和發展性

研究結果表明，仍有個別學生的計算思維沒有得到發展或提升，說明以實驗教學為主的學習設計對于個別學生在促進計算思維方面是無效的。即個性化實驗教學對大部分學生的計算思維發展是有效的，但不一定適合所有學生及學習內容的需求。這與CTCL理論的觀點相一致：技術的運用要適應于學習者的狀況以及學習內容，使它們相互間達到最好的融合狀態，以達到改善學習的效果[26]。因此，教學實踐中，教師不應為了使用技術而使用技術，而是要充分關注由學習者構成的共同體的發展性以及學習者、學習內容的個體差異性，方能真正體現技術帶來的系統優化的根本價值所在[26]。

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