K12階段編程教學數(shù)據(jù)庫 協(xié)同管理體系構(gòu)建研究

李冠瓊 魏瀾軒 殷寶媛

摘? ?要：文章從計算思維的視角切入，闡釋了K12階段編程教學的重要性。文章對存在的教學數(shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀進行梳理并找出不足，利用協(xié)同理論思想，將其融合到編程教學數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建中，最終呈現(xiàn)出該理論思想指導下的數(shù)據(jù)庫體系主要架構(gòu)。文章主要從K12階段編程教學普及的重要性、K12階段編程教學數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀分析、協(xié)同數(shù)據(jù)庫管理體系含義介紹、協(xié)同數(shù)據(jù)庫管理體系架構(gòu)四個方面呈現(xiàn)了編程教學數(shù)據(jù)庫的建立和管理。

關(guān)鍵詞：K12;編程教學;數(shù)據(jù)庫;協(xié)同管理體系

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）01-0028-04

一、從計算思維視角看K12階段編程教學的重要性

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，云計算、數(shù)據(jù)挖掘、量化學習、人工智能等新興詞匯已成為信息時代的標簽。百年大計，教育為本。面對瞬息萬變的信息技術(shù)，人才培養(yǎng)被凸顯得尤為重要。在人才培養(yǎng)中，思維方式?jīng)Q定行動方案，因此，培養(yǎng)人才還需從根本出發(fā)，調(diào)整思維方式，改變行動方案，提升問題解決的效率與質(zhì)量。這就要求教育者關(guān)注培養(yǎng)學習者的計算思維，改變學習者的思維模式，使問題解決更高效快捷。伴隨著新時代的來臨，人們所需要處理的信息及問題也在日趨繁雜。大數(shù)據(jù)將人們帶入量化時代的同時，無疑也對人們在現(xiàn)實世界信息處理過程中的計算能力提出了嚴峻考驗。為了提升問題解決的效率，將運用計算機的高速計算能力作為問題解決過程中的驅(qū)動力，但在計算機進行計算之前，需要與計算機進行“有效溝通”，在此時，計算思維就起到了至關(guān)重要的作用。通過培養(yǎng)學習者的計算思維，改變其思維模式，使問題解決更高效、更快捷。

教育部頒布的《普通高中課程方案和各學科課程標準（2017版）》新課程標準修訂中明確提出信息技術(shù)的核心素養(yǎng)，即培養(yǎng)學生的信息意識、計算思維能力、數(shù)字化學習與創(chuàng)新能力和信息社會責任感[1]，并將其納入K12階段的教學指南當中。計算思維作為核心素養(yǎng)涵蓋的重要組成部分之一，在近年來被各國政府及教育界給予了極大重視。例如：北京師范大學成立了研究院專項研究計算思維的發(fā)展與提升;各中小學校在計算思維的相關(guān)探索中，較多地嘗試將計算思維培養(yǎng)融入多學科教學中等等。基于編程教學培養(yǎng)K12階段學生的計算思維作為一種重要教學手段得到了學術(shù)界的廣泛認可[2]。

為規(guī)范、統(tǒng)一研究標準，高中信息技術(shù)課程標準起草組為計算思維作了定義，即“計算思維是能夠采用計算機領(lǐng)域?qū)W科方法界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù);通過判斷、分析、綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案;總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題之中”[3]。該定義說明了計算思維解決問題的一般過程，在這個過程中，計算機學科知識作為支撐貫穿整個環(huán)節(jié)，強調(diào)了計算思維與計算機學科的重要聯(lián)系，并指出在實踐操作過程中，編程是計算思維對現(xiàn)實問題進行自動化實現(xiàn)的重要步驟。編程教學在培養(yǎng)學習者計算思維的過程中起到了至關(guān)重要的作用，這也使人們逐漸意識到編程教學在K12階段學生發(fā)展中是不可或缺的。

二、K12階段編程教學數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀及改進措施

編程教學屬于計算科學的領(lǐng)域，因此，在計算思維還未被納入課程標準中時，在K12階段的教學中，大多數(shù)學校都將編程教學融匯于計算機學科。這也導致了我國目前K12階段存在的獨立性編程教學數(shù)據(jù)庫少之甚少。但隨著計算思維的提出，逐漸有學校作為領(lǐng)先者，將K12階段的編程教學作為一門獨立學科或者一項社團課來開展，以此來提升學生的計算水平。

雖然編程教育作為踐行計算思維解決實際問題的有效手段正逐漸進入K12階段，但關(guān)于編程教學的數(shù)據(jù)庫卻依舊處于邊緣化的狀態(tài)。例如：以國家力量推行的國家教育資源公共服務(wù)平臺針對不同學習階段設(shè)計了針對性的教育資源，但就編程教學而言，并未開設(shè)專欄項目，始終將編程教學納入到計算機課程中，并且沒有完整的課程體系。就存在的課程內(nèi)容而言，也不能夠與K12階段的學習者特征進行很好地適配。K12階段學習者的抽象思維、邏輯思維、批判思維有很大的局限性，因此，編程教學數(shù)據(jù)庫資源設(shè)計應當注重差異化。通過對國內(nèi)存在的數(shù)據(jù)庫教育資源進行分析，基于管理者、學習者、數(shù)據(jù)庫資源這三個角度的思考，總結(jié)出以下幾點問題。

（1）就管理者的角度而言，數(shù)據(jù)庫的管理設(shè)計連通性較弱。目前存在的數(shù)據(jù)庫平臺多屬于線性管理機制，而非多層合作，這種情形就會出現(xiàn)各種問題。例如：國家推送的資源不符合地方相應課程或者學校推出的特色課程無法面向其他地區(qū)的學生進行知識共享。面對教育資源的推送，應當聯(lián)合多部門協(xié)同管理，實行動態(tài)管理、集成管理與整體管理并行的管理機制，這樣才能有效保證資源的更新迭代，增強資源的適配性，增加數(shù)據(jù)庫的安全性。因此，編程教學數(shù)據(jù)庫的管理應當從國家、地方、學校三個層面進行協(xié)同管理，共同擁有數(shù)據(jù)庫的管理權(quán)限，這樣能夠有效管理學習資源以及學習者。

（2）就學習者的角度而言，目前國內(nèi)存在的編程教學數(shù)據(jù)庫多以資源為中心，注重資源的多樣性和豐富性而忽視了用戶體驗。因此，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計應當以資源設(shè)計和服務(wù)用戶雙中心為原則，除了要建立健全教育資源系統(tǒng)之外，還要設(shè)計針對用戶的服務(wù)平臺，如為學習者提供行為儀表盤或個性化資源推送等，以保證數(shù)據(jù)庫的人性化。

（3）就數(shù)據(jù)庫資源而言，編程數(shù)據(jù)庫的教學資源是數(shù)據(jù)庫的核心內(nèi)容，目前國內(nèi)大多數(shù)據(jù)庫的教育資源都存在著內(nèi)容時效性差、格式規(guī)范性不統(tǒng)一的問題。出現(xiàn)這一問題有兩點原因：一是因為管理者的數(shù)量不夠，擁有數(shù)據(jù)庫管理權(quán)限的人員較少，僅有的精力無法確保數(shù)據(jù)庫教育資源的準確規(guī)范和及時更新;二是因為大多數(shù)的管理者不能夠直接接觸學生，無法切實地根據(jù)需求來設(shè)計編程數(shù)據(jù)庫。除此之外，教學資源建設(shè)的隨意性較強，對于教學資源的處理僅停留在數(shù)字化的加工，在形式多樣化和規(guī)范性上都比較欠缺。因此，為了解決這一問題，應當通過協(xié)同管理來增加數(shù)據(jù)庫管理者的數(shù)量，從三方面的站位入手對教學資源進行及時增減，地方和學校的角色增加會讓設(shè)計者更了解當下學生的需求，進而增加編程教學資源的適配性。除此之外，對于數(shù)據(jù)庫的格式規(guī)范性應當統(tǒng)一標準，類目設(shè)置要與K12階段的編程教學內(nèi)容相匹配，并且對教學資源要進行橫向分類和縱向分類，也就是說，除了要對編程的橫向類別進行整理，還需要對縱向歸屬性進行區(qū)分，以便學生對編程教學資源進行檢索。

三、協(xié)同數(shù)據(jù)庫管理體系的含義

“協(xié)同”意指協(xié)調(diào)兩個或兩個以上的不同資源或者個體，協(xié)同一致地完成某一個目標的過程和能力[4]。協(xié)同數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由若干個不同種類的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的一個協(xié)同工作環(huán)境，它的正常工作需要這些數(shù)據(jù)庫之間能夠很好地相互協(xié)調(diào)[5]。編程教學數(shù)據(jù)庫的體系構(gòu)建要改變原有的線性管理，打破獨立管理的體系，改為“國家、地方、學校”共同管理，這里的共同管理并非單單指三者共同管理同一個數(shù)據(jù)庫，而是指增強數(shù)據(jù)庫之間的一體化和多元性，三方都將建立自己獨立的教學資源數(shù)據(jù)庫，但三者之間互相融會貫通，共同管理，以此來滿足教學需要和學習者需要，達到整體效益的最優(yōu)化。

在協(xié)同數(shù)據(jù)庫管理體系中，三方既是獨立的個體，又是統(tǒng)一的整體，彼此之間有一個共同的目標，就是完善修整數(shù)據(jù)庫的各項內(nèi)容，做一個資源和個體雙向發(fā)展的全面數(shù)據(jù)庫。這樣，既可以提高教學資源的豐富性、適配性和時效性，又可以為學習者提供一站式的學習支持服務(wù)。除此之外，協(xié)同數(shù)據(jù)庫管理體系的另外一層含義是指在數(shù)據(jù)庫的建設(shè)中，后臺監(jiān)控與前端資源推送以及用戶服務(wù)相融合，這三者的融合可以讓管理者通過后臺監(jiān)控了解到關(guān)于K12階段學習者的個人信息。例如：登錄次數(shù)、點擊的資源種類等，進而建立學習者畫像，根據(jù)數(shù)據(jù)了解到學習者的個人喜好，便于資源推送，進行更加個性化的服務(wù)。

四、協(xié)同數(shù)據(jù)庫管理體系的架構(gòu)

協(xié)同數(shù)據(jù)庫的體系架構(gòu)主要分為四個部分：前端用戶入口、資源集成系統(tǒng)、資源協(xié)同管理系統(tǒng)以及后臺監(jiān)控系統(tǒng)。其中，K12階段的編程教學主要體現(xiàn)在資源集成系統(tǒng)中。資源集成系統(tǒng)作為體系架構(gòu)中的內(nèi)容支撐，由資源協(xié)同管理系統(tǒng)管理并且規(guī)劃，而前端用戶入口和后臺監(jiān)控系統(tǒng)作為個性化服務(wù)的要素，為用戶提供便利檢索條件的同時也為數(shù)據(jù)庫的建設(shè)提供動力因素。具體框架內(nèi)容如圖1所示。

1.前端用戶入口

前端用戶入口作為用戶和數(shù)據(jù)庫平臺的銜接部分，主要分為用戶接入、資源檢索、個性化推薦和學習者儀表盤四個部分。

在K12階段的編程教學中，前端入口作為用戶的登錄入口，承擔著用戶接入數(shù)據(jù)庫的功能。當用戶信息沒有被錄入系統(tǒng)時，接口將會轉(zhuǎn)移到注冊信息界面，以此來錄入學習者的相關(guān)信息。在信息的采集過程中，最重要的是記錄學習者年齡段以及就讀年級，便于后期進行學習者畫像以及個性化資源推薦。

資源檢索是數(shù)據(jù)庫的重要功能，它便于學習者迅速定位到所要學習的編程課程。在檢索欄目中，應當設(shè)置導航頁，導航欄目也應當根據(jù)K12階段的年級特征、編程教學的階段特征以及難易程度（或者級別高低）進行設(shè)置。編程語言也是其中一項重要類別，在K12階段，涉及到的編程語言有C、C++、Python等。另外，導航欄目可以對檢索的條件進行設(shè)定，如依照時間進行檢索、地區(qū)檢索、學校檢索、語言檢索、資源類型等。學習者可以通過檢索瀏覽到不同級別、地區(qū)的編程教學資源，這就需要國家、地方、學校三方的協(xié)同配合，才能夠讓學習者有一站式的學習體驗。除了導航外，還需要在檢索欄目旁設(shè)置歷史記錄查看，便于學習者回憶和查找之前學習的內(nèi)容。

個性化學習推薦是系統(tǒng)根據(jù)學習者的個性化特征，如學習興趣偏好、學習風格、認知水平等，主動地推送其可能感興趣和需要或滿足其個性化特征的學習資源的一種推薦技術(shù)[6]。利用后臺獲取學習者的學習信息，分析學習者行為數(shù)據(jù)的特征，進行針對性地推薦資源，便于學習者進行更好的學習體驗。這里的資源推薦包含文檔、視頻、課件等多種形式，方便學習者進行選擇。

學習者儀表盤可以看作是“個人信息系統(tǒng)”的一種特殊應用[7]，為教與學提供了有效的指引和激勵，促進自我意識、自我反思、自我行為監(jiān)控和學情追蹤，培養(yǎng)和發(fā)展學生的高階思維能力，進而優(yōu)化設(shè)計學習過程[8]。

學習儀表盤將學習者的學習行為轉(zhuǎn)換為量化數(shù)據(jù)并進行分析，然后以活動流、表格概覽、圖表數(shù)據(jù)等方式可視化表達出來。圖2為學習儀表盤的學習能力蛛網(wǎng)圖，通過行為數(shù)據(jù)分析達到可視化呈現(xiàn)，從圖中可以看到學習者在學習適應能力、學習感知能力、學習創(chuàng)新能力、學習注意力、發(fā)散思維能力、知識運用能力等方面的平均水平和個人水平。展示學習者的學習情況，便于學生自我檢查和自我認知，并為教育者的下一步教育計劃提供參考。同時，在儀表盤中，要體現(xiàn)學習預警功能，如圖3所示。通過不同顏色或者標記向?qū)W習者進行預警，以此來提示學習者對某知識點掌握的不足之處并及時補充。在K12階段編程教學的數(shù)據(jù)庫中，學習儀表盤可以提供學習者提交代碼的正確次數(shù)和錯誤次數(shù)、觀看編程教學視頻的類型及次數(shù)、提交代碼的總次數(shù)等。

2.資源集成系統(tǒng)

資源集成系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫服務(wù)平臺的主要組成部分，分為合作資源平臺和校內(nèi)資源平臺。

合作資源平臺是指除了自己發(fā)布的資源之外，與其他部門、地區(qū)或者學校合作開展的資源共享，如校園編程教學精品課、地區(qū)特色課程、教參同步課程資源、在線學習資源等。學習者可以通過資源集成系統(tǒng)瀏覽其他地區(qū)的編程教學資源，通過超文本的方式鏈接學習文檔，或通過超鏈接的方式進入到其他合作資源平臺中，避免了一般數(shù)據(jù)庫資源平臺中的冗雜操作，可以實現(xiàn)一站式服務(wù)。集成系統(tǒng)包含各種格式的資源類型，如視頻、音頻、Word、PPT以及源代碼文件等。除此之外，合作資源平臺也可以包括微信公眾平臺，在該平臺中有名師發(fā)布的編程系列課程，可以供學生進行學習。通過與公眾平臺建立協(xié)議，進而在數(shù)據(jù)庫資源集成系統(tǒng)中加入超鏈接，便于學生一站式訪問編程教學資源。

校內(nèi)資源平臺包含校內(nèi)比賽、教學、精品課和本校優(yōu)秀教師的編程教學課等資源。主要讓學習者能夠通過校內(nèi)資源對所學的編程知識進行鞏固復習，增加學生對同步課堂講授內(nèi)容的掌握程度。

另外，資源集成系統(tǒng)中包含模擬考試資源系統(tǒng)以及題庫系統(tǒng)。學習者可以通過題庫系統(tǒng)進行自測，在測試中了解自己對學習內(nèi)容的掌握程度。針對編程教學，題庫系統(tǒng)可以包含K12階段信息學奧林匹克競賽（NOI）的競賽題，以此來提升學生的計算思維和代碼編寫能力。模擬考試系統(tǒng)也可以協(xié)同共享，學習者能夠進入合作資源平臺的考試系統(tǒng)。此外，模擬考試系統(tǒng)還為學習者保留相應的錯題庫以及參考代碼，以便于對知識進行回顧，并根據(jù)參考代碼來檢查自己編寫代碼的不足之處。

3.資源協(xié)同管理平臺

資源協(xié)同管理平臺是針對資源集成系統(tǒng)建立的管理平臺，主要對資源集成系統(tǒng)中提到的合作資源、校內(nèi)資源、模擬考試資源和模擬題庫進行管理。管理者是國家、地方以及各個學校所組成的K12階段編程教學的教師團隊。在管理過程中，簽訂協(xié)議的雙方均具有平臺管理權(quán)限，這樣一方面可以保證資源互通互享和有效更迭，也可以保證資源集成系統(tǒng)的動力性和時效性;另一方面，教師作為協(xié)同管理平臺的管理者，也是學生的直接接觸者，能夠真實了解到學生的需求并觀察學生的學習動態(tài)，進而更好地掌握以及規(guī)劃資源建設(shè)，推進個性化服務(wù)的實施。

4.后臺監(jiān)控系統(tǒng)

后臺監(jiān)控系統(tǒng)是協(xié)同數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，全面的監(jiān)控服務(wù)使用戶和管理員能夠快速識別資源使用異常狀況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，定位并診斷故障原因，從而合理利用資源，提高系統(tǒng)可靠性，提升服務(wù)質(zhì)量和用戶滿意度[9]。后臺監(jiān)控系統(tǒng)包含學習者個人日志、系統(tǒng)日志、系統(tǒng)安全防護日志三方面內(nèi)容。

系統(tǒng)日志是學習者在數(shù)據(jù)庫中的行為簇，包含所有學習者在進行數(shù)據(jù)訪問過程中的行為軌跡;個人日志是指每個學習者的個人軌跡日志，日志中收集了個人在數(shù)據(jù)庫中從進入到關(guān)閉的全部操作行為。

后臺監(jiān)控者需要對日志進行數(shù)據(jù)挖掘。數(shù)據(jù)挖掘的目的是對日志中所包含的行為數(shù)據(jù)進行特征化，數(shù)據(jù)挖掘主要有兩個方向：一是學習者在數(shù)據(jù)庫中的行為序列;二是學習者的特征集。圖4為后臺監(jiān)控者對日志數(shù)據(jù)進行處理的過程。

通過日志數(shù)據(jù)的挖掘，對學習者群體進行聚類，找到具有相同行為特征的學習者，并針對聚類結(jié)果進行學習者畫像，通過畫像展示出該類學習者都具有怎樣的行為特征或?qū)W習特征，最終針對畫像找出不足之處，進而實行個性化推薦或平臺建設(shè)。數(shù)據(jù)挖掘使數(shù)據(jù)庫資源建設(shè)更加精準化、個性化。

系統(tǒng)安全防護是管理員對數(shù)據(jù)庫進行保護，防止不合法使用造成的數(shù)據(jù)泄露、更改或損壞。在數(shù)據(jù)庫防護中，管理人員需要時刻注意短板問題，因為“入侵”會從短板防護口流入，造成數(shù)據(jù)損失。管理員需要定時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層、操作系統(tǒng)、核心信息數(shù)據(jù)庫的動態(tài)運行。通過對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的監(jiān)控，可以有效維持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時，能夠及時找到故障原因，并進行優(yōu)化設(shè)計。

五、結(jié)語

K12階段編程教學數(shù)據(jù)庫的建立是當今時代大力號召計算思維發(fā)展的有效支撐。建立完善的編程教學數(shù)據(jù)庫還需要國家、地方、學校三個層面共同努力，未來的數(shù)據(jù)庫建立應當以資源和用戶服務(wù)雙重心的方式開展。數(shù)據(jù)庫后臺監(jiān)控技術(shù)也應不斷增強，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)用戶畫像的精準分析。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，后臺維護和監(jiān)控的工作量日益繁重，未來仍需繼續(xù)深入研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下高效處理數(shù)據(jù)和提取信息的方法。

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（編輯：王曉明）