面向計算思維發展的深度學習模型建構

陳興冶 馬穎瑩 楊伊

[摘? ?要] 信息時代呼喚深度學習，它與計算思維存在著深刻且本質的關聯。在信息技術學科教學中，如何發展學生計算思維是諸多中小學教師面臨的教學困境。在此背景下，本研究建構了“面向計算思維發展的深度學習模型”，以知識建構、混合式學習理論和CTCL研究范式為指導，將課堂教學活動分為教師行為、學生行為、思維過程和評價總結四個方面，基于上述模型進行教學實驗。實驗以可視化編程課程為載體，歷時18周，通過對三階段兩維度作品的評價，比較分析實驗組和對照組學生的計算思維發展狀況。結果表明：三個階段實驗組學生的計算思維能力優于對照組學生，計算思維能力提升水平高于對照組，實驗組和對照組的計算思維各維度的發展水平比較均衡。由此可得出結論，該學習模型可以有效提升學生的計算思維水平并促進深度學習的發生。

[關鍵詞] 深度學習; 計算思維; 可視化編程; 教學模式

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 陳興冶（1979—），男，上海人。高級教師，博士研究生，主要從事中小學信息技術教學、教育信息化研究。E-mail：chenxy@sesedu.cn。楊伊為通訊作者，E-mail：839011560@qq.com。

一、引? ?言

信息時代呼喚更好的思維模式和意義建構方式，以面對日新月異的技術和瞬息萬變的知識，實現對知識內容更深層次的理解，這種對知識的綜合、評價及遷移的深度理解就是深度學習（Deep Learning）。作為信息時代產物的計算思維（Computational Thinking）的培養也成為各國關注的重點。國務院2017年7月印發并實施的《新一代人工智能發展規劃》明確提出：在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。基于可視化編程開展計算思維的培養在國內外有著較為廣泛的研究基礎，但以深度學習為目標進行計算思維培養的研究并不多見。本研究以計算思維為視角，提出促進深度學習的學習模型，并將其與可視化編程教學實踐進行對接，對基于模型教學的有效性進行理論分析和實證研究，以完善學習模型。

二、研究背景

1976年，Ference Marton和Roger Saljo在《學習的本質區別一：結果和過程》中，首次提出了深度學習的概念，而后Biggs、Ramaden、Entwistle[1]、Eric Jensen[2]等側重認知策略和認知技能，提出運用多樣化的學習策略并通過對學習過程和高水平的分析與加工來實現對知識的深度理解。2005年黎加厚率先將其引入我國，指向“與原有的認知結構相融合”和“將知識遷移到新的情境”[3]，何克抗[4]、胡航等[5]則聚焦于深度學習理論體系的建構，通過概念、過程、作用等的系統研究，提出深度學習是催生高階思維和深層認知能力的過程。總體上，深度學習內在地包含三個要點：其一，在既有經驗的基礎上理解、歸納、運用的學習，結合原有的認知結構，接收和學習新知識，即“新知理解”;其二，建立知識間的相互聯系，即“內部關聯遷移”;其三，通過分析做出解決問題的決策并拓展新知識，即“外部拓展遷移”。

“計算思維”源于算法思維和程序思維，自2006年美國卡內·基梅隆大學周以真教授首次提出完整定義起，國內外學者先后對其進行了探索，擇其共識：計算思維是解決問題過程中多種思維技能的交互，其中蘊含了不同的思維要素。它與計算機教學的結合最為緊密，《普通高中信息技術課程標準》（2017版）明確指出，計算思維包括界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據等要素以及運用算法形成問題解決的方案并能將其遷移到與之相關的其他問題解決中[6]。如若將課標進一步映射、聚焦到可視化編程教學領域，則與計算思維三維框架[7]默契呼應，即“問題的界定及抽象”對應“計算概念”（Computational Concept），“方案的建模及自動化”對應“計算實踐”（Computational Practices），“方法總結及遷移”對應“計算觀念”（Computational Perspectives）。計算思維三維框架即為計算思維的三種思維水平，分別指向概念理解、編程行為以及編程素養，故在可視化編程教學時可使用該框架進行設計、實施和評估。

深度學習與計算思維存在著深刻且本質的關聯，開展促進學生深度學習的教學研究兼具較強的理論和實踐意義。從認知視角分析，問題解決過程可分為“低階認知能力”和“高階認知能力”。高層次的計算思維水平（即計算實踐、計算觀念）是問題解決中“高階認知能力”的集中體現，而“高階認知能力”又可等價為高階思維能力[8]。諸多研究表明，發展高階思維有助于促進深度學習[9]，由此可知，提升問題解決能力同樣是促進深度學習的有效途徑，而發展計算思維是促進學生深度學習的內生動力。表1提煉了認知領域、深度學習和計算思維三者之間的關系并與“問題解決”進行了關聯。

三、深度學習模型的構建

計算思維的本質就是通過信息采集、信息處理、建模和自動化等過程進行問題解決的思維活動。Fessakis[10]、Urquiza-Fuentes[11]等研究表明，編程教學是促進計算思維能力提升的有效途徑，但常態化、長周期的實證研究較少，故而從計算思維的視角出發構建促進深度學習模型來支持一線教師開展可視化編程教學實踐迫在眉睫。

（一）理論基礎

1. 知識建構理論

知識建構的過程按照主體層次的不同可分為個人知識建構和協作知識建構[12]，前者強調學習者對外界信息主動地選擇和加工，在個人知識經驗基礎上的創新認知，建構自己的認識與理解，原有知識又因為新知識的進入而發生調整和改變[13];后者則強調協作、共享和討論形成新知識或集體認知共識。每個學習者都是一個認知源，要使學生互換信息，“交流”必不可少，而“意義建構”則是教學過程的最終目標。本研究的教學實踐中將關注學生知識的發展，利用思維導圖關注學生個人知識建構過程，同時關注學生協作知識建構中遇到的問題和困難，并為學習者提供協助其知識建構的學習支架。

2. 混合學習理論

混合學習（Blending Learning）是基于線上線下融合的學習方式，在e-Learning的基礎上發展起來的。今天教育學界普遍將其視為網絡學習與傳統學習的融合[14]，既具備了網絡學習打破時空的特點，也具備傳統教學師生面對面討論學習問題的特點[15]。本研究以面對面的方式授課，在作品創作和練習過程中借助于LearnSite在線網絡學習平臺，學生在線完成和保存各項編程作品，在分享樂園中進行共享和評價，在討論區進行異步的協作問題交流，在緊緊把握混合學習內涵的同時，回應其關鍵特征。

3. CTCL研究范式

董玉琦教授2012年提出教育技術學研究新范式——CTCL（Culture，Technology，Content，Learner）[16]，核心理念是針對具體學習內容，以問題解決為導向，將文化、技術、學習內容、學習者等因素相統合來開展研究。CTCL研究有三重境界，即學習方式轉變、學業水平提升和綜合素質改善，目前，研究主要聚焦在學業水平提升方面。尹相杰等[17]、畢景剛等[18]、陳興冶等[19]以認知為切入點，在不同學科檢驗并證實其在學科教學中具有可推廣的理論價值。計算思維屬于高階思維，其作為學科核心素養體現了學生的學業水平，而作為問題解決的思維方法逐漸成為學習者終身發展的核心技能。因此，在信息技術學科教學時，CTCL范式可以作為問題解決的理論框架。

（二）模型的構建

深度學習是高階思維的過程，是對知識的高度組織和深度加工，映射到可視化編程教學活動，這種高階思維指向計算思維。深度學習模型以真實情境的問題為載體，橫向由教師行為、學生行為、思維過程（包括設計維度）和評價總結四個維度組成，縱向以“教學設計—學習發生—學習評價”為主線。其中，教學設計對應于教師行為，意在為學生的學習提供支撐。學生是學習的主體，故學習發生是核心部分，對應于學習行為和思維過程，其中學生行為以在線或離線的協作學習為主，包括利用思維工具和學習支架進行思維呈現，利用可視化編程工具進行思維的表達，圍繞問題解決進行討論分享和實踐等;思維過程則主要對教學進行整體定位，即將問題解決、深度學習及計算思維三者關系融入教與學的活動。最后，學習評價屬評價總結維度，確保計算思維的反思與強化（如圖1所示）。

1. 教師行為

教師須完成真實情境的創設，幫助學生實現基于問題驅動的深度學習，主要通過教學設計、教學組織、課堂答疑及支架提供等為學習活動提供支持。教學設計分為問題情境和教學過程的設計。問題情境除符合學生認知特點外，還需要充分考慮到問題本身的開放性;教學過程的設計則應充分關照學習者與學習內容的交互關系，以此為基點設計教學。教學組織以“教+學”并進方式展開。可視化編程教學中，“教”主要針對知識與技能的講授和鞏固，教師針對課堂教學狀況及時調整教學過程和策略;“學”既包括同伴協作，綜合運用知識技能完成項目，還包括自主學習，即聯系生活實際，獨立創設項目、評估項目，使技能得到遷移，思維得到發展。課堂答疑方式分為面對面答疑和在線協作平臺答疑，教師一是要從學生回答中發現錯誤或偏差，后續面對所有學生進行糾正;二是學生在協作學習中遇到困惑并求助時，教師通過個別輔導加以解決。在促進深度學習的可視化編程教學中，教師共設計了資源支架、個人學習支架、協作學習支架、評價學習支架和反思支架五種。通過這五種學習支架，讓學生經歷有經驗的學習者（如教師）所經歷的思維過程，有助于學生對于知識，特別是隱性知識的體悟與理解[20]。

2. 學生行為

學生是問題解決的主體，基于真實情境的各種問題是客體，通過計算思維視角來促進深度學習是結果。因此，學生行為處于模型內環，模型中的思維過程和設計維度均屬于學生行為。本研究以討論、分享和實踐等學習方式，通過在線協作學習平臺/線下的學習、思維呈現、思維表達三個方面的學習活動，實現在問題解決過程中計算思維的可視化、高階化。學習內容主要通過教師講授、學生協作、學生交流分享等途徑獲得，經過線下/在線協作學習平臺兩種途徑進行知識建構和認知結構的改善。學習方式包括個體學習和同伴互助學習，前者強調對知識技能自我認知能力，后者則強調基于真實情境的問題分析、方案設計及問題解決等群體協作能力。學生思維呈現處于問題情境、深度學習框架及計算思維三者的最底層，主要任務是將問題分析、方案確定的過程顯現出來。學生主要采用思維工具和學習支架并基于計算思維實現問題分析和方案制定的可視化。學生思維表達屬于問題情境、深度學習框架以及計算思維視角三者的上位維度，主要任務是將思維呈現的內容利用可視化編程工具進行模型化和自動化。學生一方面采用可視化編程工具解決問題，另一方面從編程實踐中歸納問題解決的一般路徑，實現計算思維的遷移。

3. 思維過程

設計維度是學生活動的基礎，是思維過程的一部分，而思維過程主要包括了問題驅動、深度學習和計算思維三個方面的設計和實施。問題驅動的任務是設計具有現實意義的問題情境并分析、解決這些問題，指向問題分析、方案綜合和方案評估并實現三個要素，學生需進行充分討論、分工協作，開展互相之間認知分享。深度學習主要包括新知理解、內部關聯遷移和外部拓展遷移三個維度，每個維度又與問題驅動三個要素相對應。新知理解既包括問題涉及的新知識，還將問題分析能力視作新知識;內部關聯遷移不僅包括問題所涉及的知識技能之間的聯結，還包括協作過程不同方案的“取長補短”中的分析綜合;外部拓展遷移除方案評估與實現外，還涉及運用相同方法完成同類問題的能力與思維遷移。計算思維通過三維框架與深度學習三個維度所形成的對應關系實現了隱性思維顯性化、顯性思維模型化和高效思維自動化，進而與問題驅動三個要素建立了關聯，同時計算思維三個維度又為學生行為中的思維呈現與表達提供支撐。

4. 評價總結

評價總結以計算思維發展作為評價指標，對學生的深度學習狀況進行評價，具體可拆分為“評價”和“總結”。評價包括過程性和終結性評價，前者主要以完成教師所提供的學習支架作為評價載體;后者則主要將學生完成問題解決的程序作品作為評價載體。總結主要以學生個人或小組交流為主，分享及反思在問題解決過程中認知過程、計算思維等有效策略，從而實現一般問題解決時計算思維的模式化。

四、研究設計

（一）研究問題及對象

實驗圍繞“面向計算思維發展的深度學習模型”對于學生計算思維能力培養的作用進行設計。以上海市S學校初中二年級兩個班為研究對象，共計69人（男生35，女生34）。為排除無關因素的干擾采取隨機分組（對照組34，實驗組35），由同一位教師承擔兩組的教學任務。

（二）教學內容

將“Scratch可視化編程”課程中8個項目主題作為本研究的載體，課程內容分為概念學習、項目創作以及綜合運用三種類型，學習進度遵循課程內容由易及難的原則加以安排。

（三）評價工具

本研究學生完成的作品分為項目進行前的思維導圖及每個項目主題完成后的Scratch作品。針對思維導圖作品采用以經典的霍夫[21]評價模式為基礎的評價框架：將學生的思維導圖作品分為7個要素，對7個要素分別打分，計算每個維度的得分，再將三個維度成績總和作為計算思維的總體評價，見表2。針對Scratch作品則采用Dr.Scratch計算思維評價工具：學生將完成的Scratch作品上傳至Dr.Scratch專用網站，點擊“分析”后出現包括流程控制、數據表示、抽象、用戶交互、同步、并行和邏輯七個計算思維指標的得分及總分。對兩個工具進行內部一致性信度分析。思維導圖評價框架和Dr.Scratch評價工具的峰度偏度的絕對值均在1以內，且漸進顯著性概率（雙側）均大于0.05，說明樣本數據呈現正態分布，評價工具有效。此外，思維導圖評價框架和Dr.Scratch評價工具的克隆巴赫α系數分別為0.731和0.795，信度較好。

（四）研究實施

實驗歷時18周，實驗組采用深度學習模型，對照組則遵循傳統講練結合的教學方式，教學設計的具體操作步驟見表3。實驗完成后，借助經過驗證的評價工具對兩組學生的作品進行檢測。

（五）數據收集

本研究在學期初期（T1）、中期（T2）、末期（T3）各抽取了1份思維導圖和Scratch作品，共計收到兩種作品各207份。Scratch作品的評價由Dr.Scratch工具完成，思維導圖作品則由兩位教師根據評價框架獨立打分形成兩組數據，對兩組數據進行相關性分析得到相關系數為0.892，說明針對同一個標準的評分具有較好的穩定性，故每個作品取兩次評分的平均值作為最終得分。最后，使用SPSS 21.0對數據進行信度分析及多維度的數據比較。

五、結果分析

（一）實驗組學生的計算思維能力優于對照組學生

T1階段兩組學生在思維導圖和Scratch作品上呈現的計算思維水平基本相當（p>0.05）;T2階段實驗組學生在思維導圖和Scratch作品上的成績分別高于對照組2.111和2.595，且p值均小于0.05，計算思維水平呈現出顯著性差異。比較兩組平均成績的差值：Scratch作品上呈現的計算思維水平增幅要明顯高于思維導圖;相比T2階段，T3兩組學生的計算思維水平得到進一步的發展，且均存在顯著性差異。對兩組兩種作品的不同階段計算思維水平兩兩進行配對樣本t檢驗發現，p=0.000（<0.05），說明兩組實驗前后計算思維水平存在顯著性差異，見表4。

實驗組和對照組在T1階段兩種作品的計算思維水平存在顯著正相關（r=0.648和0.622，p<0.01）;實驗組在T2階段兩種作品的計算思維水平存在高度正相關（r=0.895，p<0.01），對照組存在顯著正相關（r=0.446，p<0.01）;實驗組在T3階段兩種作品的計算思維水平存在高度正相關（r=0.788，p<0.01），對照組存在顯著正相關（r=0.574，p<0.01）。

基于數據發現，（1）實驗初期，兩種作品呈現的計算思維相關性相當;（2）T2、T3階段，實驗組計算思維水平增長幅度明顯高于對照組，說明基于模型的教學效果優于傳統教學。

（二）實驗組計算思維能力的提升水平高于對照組

在T1與T2過程，實驗組兩個作品上的差值顯著性要高于對照組，其中，實驗組的差值之間存在顯著正相關（r=0.730，p<0.01），對照組的差值之間存在顯著正相關（r=0.378，p<0.05）;在T2與T3過程，對照組兩個作品上的差值顯著性要高于實驗組，其中，實驗組的差值之間相關性不顯著，對照組的差值之間存在顯著正相關（r=0.374，p<0.05）;在T1與T3過程，實驗組兩個作品上的差值顯著性又高于對照組，實驗組的差值之間存在顯著正相關（r=0.498，p<0.01），對照組的差值之間存在顯著正相關（r=0.456，p<0.01），見表5。

基于數據發現，（1）不同階段，兩組學生兩種作品上呈現的計算思維提升水平都有提高;（2）與其他階段相比， T2至T3階段兩組學生的計算思維提升水平較低;（3）實驗組計算思維提升水平整體上高于對照組。

（三）實驗組的計算思維發展水平優于對照組，在計算觀念維度的表現更為突出

以思維導圖作品為基礎，對計算思維三個維度在三個階段成績進行兩組間的獨立樣本t檢驗，見表6。從計算概念上分析，T3階段P小于0.05，表示兩組計算概念水平在T3階段存在顯著性差異，但T1階段P值大于0.05，T2的P值接近0.05且小于T1的P值，說明計算概念在三階段兩組間存在差異擴大的顯著性趨勢。從計算實踐上分析，T2、T3階段P值均小于0.05，表示兩組計算實踐水平在T2、T3階段存在顯著性差異，但T1階段的P值大于0.05，說明后兩階段計算實踐水平兩組間存在顯著性差異擴大較快。從計算觀念上分析，T2、T3階段P值均小于0.05，表示兩組計算觀念水平在T2、T3階段存在顯著性差異，但在T1階段的P值大于0.05，說明兩組間計算觀念水平在T2、T3階段增長較快。總體上，T3階段兩組間計算思維三個維度都存在顯著性差異。

六、討? ?論

基于深度學習模型的教學實踐，學習者實現了包括動機、方法、態度等學習文化的改變，在“變”的過程中進行計算思維的培養，進而提升了學習品質，促進深度學習的發生，而對學習效果的測量則是驗證模型可靠性的重要環節。

（一）學習文化與計算思維發展之間的關系

本研究模型始終將學習者置于核心位置，不僅關注學生的學習行為，還特別強調對學生思維發展過程的引導與支持，學生、活動以及人際等要素交互形成了“以學習者為中心”的學習文化。前人研究表明，學習系統的迭代發展可以提升學生的學習效益與品質[22]。本研究實驗組在“以學習者為中心”文化的氛圍中，T2及T3階段呈現出顯著性差異，且基于思維導圖的計算思維差值擴大到6%（T2）和23.9%（T3），基于Scratch作品的計算思維差值擴大到12.4%（T2）和25.5%（T3）。其中蘊含了學習文化對提升學生的學習品質，促進認知發展和提升計算思維水平的意義。

（二）計算思維發展與深度學習效果之間的關系

在本研究教學模型中，問題驅動是教學活動的基石，三個層次的問題解決思維過程對應著深度學習的三個維度，因此，計算思維一定程度上可以揭示學生深度學習的總體水平，而計算概念、計算實踐和計算觀念則在微觀層面表征了學生深度學習發展趨勢。研究結果表明，起點相同的學生經過18周學習，計算思維水平都得到了提升，但實驗組的發展水平更優。T3階段計算觀念差異性的顯著性最大，計算實踐次之。由此表明，基于真實情境的問題解決，由項目分析引導思維結構的優化，使學生在問題解決過程中不斷做出分解、抽象、概括以及方案制定等學習反應，并使之發展成為一種能力，形成計算思維的發展，進而促進深度學習的發生。

（三）評價工具的選擇及評價的有效性

由于課程內容的局限導致評價工具選擇余地較小，Scratch專用評價工具Dr.Scratch的評價指標主要指向計算實踐，僅有的計算概念及計算觀念的評價指標均為描述性評價，難以量化。為使計算思維評價更客觀全面，本研究還評價了學生作品完成前的項目分析和設計階段的思維導圖作品，其框架由深度學習、計算思維以及認知領域的理論演繹而來，形成了兩種評價工具的交叉互證關系。從效果看，評價工具的信度和相關性都較好。在對兩組部分學生在線討論內容分析后發現，實驗組學生從T1階段關注探討項目解決的操作方法到T2階段相當一部分學生關注解決方案的優化再到T3階段有學生開始討論解決方案是否適用于其他問題情境，這一變化過程與學生計算思維評價的結果也較為一致。

七、結? ?語

研究結果表明，相比傳統教學，基于“面向計算思維發展的深度學習模型”的教學更顯著地提升了學生計算思維水平，且高水平的計算思維可幫助學生完成更高質量的作品并促進深度學習。這將為中小學教師采用可視化編程工具開展促進計算思維和深度學習發展的教學實踐提供了強有力的證據支撐。然而，目前計算思維的評價工具處于研究初期，還沒有一個經嚴格論證且本土的、通用的工具出現，加上受時間和樣本等因素所限，本研究還存在一定的局限性。因此，通過計算思維視角來審視學生深度學習的狀態難免會產生一定誤差，期待在后續實踐過程中不斷優化評價標準來加以完善。

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Deep Learning Model Construction for the Development of Computational Thinking： Taking Visual Programming Teaching as An Example

CHEN Xingye1，? MA Yingying1，? YANG Yi2

（1.Shanghai Experimental School， Shanghai 200125;? 2.College of Education， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

[Abstract] The information age calls for deep learning， which is deeply and intrinsically related to computational thinking. In the teaching of information technology， how to develop students' computational thinking is a teaching dilemma faced by many primary and secondary school teachers. In this context， this study constructs a "deep learning model for the development of computational thinking". Guided by knowledge construction， blended learning theory and CTCL research paradigm， classroom teaching activities are divided into four aspects： teacher behavior， student behavior， thinking process and evaluation summary. Based on this model， an eighteen-week experiment is conducted in a visual programming course. Through the evaluation of the works of three stages and two dimensions， the development of computational thinking of students in experimental group and control group is compared and analyzed. The results indicate that in the three stages， the computational thinking ability of the experimental group is better than that of the control group， and the improvement level of computational thinking ability is higher than that of the control group. The development level of each dimension of computational thinking in the experimental group and the control group is relatively balanced. It can be concluded that this learning model can effectively improve students' computational thinking level and promote the occurrence of deep learning.

[Keywords] Deep Learning; Computational Thinking; Visual Programming; Teaching Model