“引導式”與“自主式”學習支架對中學生計算思維影響的實證研究

摘要：學習支架在信息科技教育中的設計與應用，是提升學生計算思維能力的關鍵環節，但支架類型的選擇依然存在爭議。本研究對“引導式”與“自主式”學習支架在中學生計算思維不同維度上的作用進行了深入探討。通過計算思維要素編碼表與認知網絡分析（ENA） ，對學習者的過程錄音進行量化編碼和分析。研究結果顯示，兩類學習支架在計算思維維度上各具優勢、互為補充。建議教師在教學初期采用“引導式”支架以降低學生認知負荷，后期逐步過渡到“自主式”支架以激發創新思維，實現支架的動態適配與有效銜接。

關鍵詞：中小學信息科技；引導式學習支架；自主式學習支架；計算思維；認知網絡分析

中圖分類號：G424" "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）18-0129-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

伴隨著人工智能和大數據的發展，計算思維已成為數字公民的重要素質。中國教育部于2022年《義務教育信息科技課程標準》中，將計算思維明確列為中小學階段信息科技學科需發展的關鍵素養之一。發展計算思維是義務教育階段信息科技課程的目標之一，開展針對計算思維發展的教學是非常必要的。

在學習科學領域，有學者發現，學習支架的使用能夠幫助學生理解復雜的學習內容，提升學習成效。學習支架能夠幫助學生分解和重構復雜問題，實現思維可視化，是有效的思維能力培養工具。

“引導式”學習支架能夠減輕學生認知負荷，緩解學生在面對新知識時的焦慮和緊張，但過多的線索提供容易使學生思維受限；“自主性”學習支架雖然為學生在思維發展中“留白”，給予學生更多自主性，但也使得學生難以聚焦于問題的解決。本研究探討在信息科技項目化教學過程中，使用不同類型學習支架對于中學生計算思維各維度的影響，設計合適的學習支架，把握學習支架搭設程度以及不同類型學習支架的應用時機。同時，也為學習支架應用于其他學科教學、培養學生思維發展提供實踐依據和借鑒。

1 概念界定

1.1 計算思維

2006年，計算機科學領域學者周以真開創性地提出“計算思維”這一概念，并對其內涵進行闡述：“計算思維就是運用計算機科學的思維方式及基礎概念進行問題解答和系統設計，像計算機科學家一樣思考問題、理解問題、解決問題等一系列涵蓋計算機科學的思維活動。”2011年，美國教育技術協會與計算機科學教師協會聯合界定計算思維，將其視為解決問題的思維范式。我國眾多學者也深受周以真的影響，在印發的《義務教育信息技術課程標準》中就將計算思維表述為“問題解決過程中的一系列思維活動”。計算思維的概念界定與問題解決息息相關。綜上，計算思維的本質是通過計算機科學的思維模式實現復雜問題的結構化解析與創新性解決。

1.2 學習支架

“支架”一詞來源于樓房搭建時使用的腳手架，在教育領域中，“學習支架”是指同伴和經驗豐富者在學習者習得新知識時提供的幫助。近年來，學習支架的含義已延伸為一系列支持學習者的工具、策略和環境。隨著學習支架應用的普及，當前教育領域常見的學習支架作為教學輔助工具，根據其呈現方式可劃分為：案例型、問題導向型、策略指導型、路徑引導型及圖示解析型等差異化形態。

在教學過程中使用學習支架的本質意義在于將復雜問題進行分解，輔助學習者進行知識建構。伴隨學習者知識儲備增長和認知能力的提升，學習支架可以被逐漸撤除，學習者可以將知識內化，自主建立知識結構。

“引導式”和“自主式”學習支架的概念來源于Chang等人關于不同概念圖對生物學習影響的研究，在該文中研究人員將概念圖分類為“自主式構建”和“支架式構建”[1]。本文以支架提供線索的多少進行分類，提供較多項目線索的，如思維導圖、表格等學習支架稱為“引導式”學習支架；提供相對較少項目線索，在學習過程中由學習者自主建立思維框架的支架稱為“自主式”學習支架。

2 研究現狀

2.1 計算思維國內外研究現狀

國外對于計算思維的培養，研究對象多集中在K-12階段的學生[2]。美國計算機科學教師協會（CSTA） 在《K-12年級計算機科學框架》中將計算思維、合作、實踐與編程納入課程內容，其中計算思維最為重要[3]。英國也在2013年對計算機課程體系重新規劃，以計算思維為核心打造高質量教育[4]。通過現有文獻可知，中小學是國外培養計算思維的主陣地。為了符合基礎教育階段學生認知水平的發展，在學習工具的選擇上更傾向于門檻較低的圖形化編程環境如Scratch，以及樂高、Arduino等開源硬件。

高校是我國開展計算思維培養的初始陣地，目前正逐步向基礎教育階段進行滲透。國內對于計算思維的研究多傾向于以計算思維為核心的教學模式的設計與實施。例如，肖鋒等[5]提出的以計算思維培養為核心的PBL教學模式，在問題解決的過程中培養學生的計算思維，經實踐證明，該模式相較于傳統教學模式，更有利于發展學生的計算思維和問題解決能力。鮑宇等[6]提出的“階梯式”引導的計算思維自主養成模式，將問題劃分層次，逐步引導學生形成計算思維和問題解決能力。

以上述研究為基礎，國內在計算思維的研究中正處于理論向實踐轉變的階段，但在K-12階段的實踐研究仍顯不足。其次值得關注的是，國內對于計算思維的評價多借助量表，例如房敏等[7]開發的師范生計算思維測評量表，張學軍等[8]提出的基于PTA視角融入計算思維的項目式學習評價量表。基于量表的評價可以準確測評學習者計算思維發展情況，但在一定程度上也忽視了學習者產生的過程性數據。值得關注的是吳忭等[9]及周平紅等[10]在研究中采用質性數據量化方法——認知網絡分析（ENA） 對學生在協作編程過程中的計算思維發展進行測評。

綜上所述，如何在中小學開展培養計算思維的教學活動，如何以更多樣的評價方式測評學生計算思維的發展，還值得更加深入地研究。

2.2 學習支架及其應用

學習支架的概念來源于維果茨基的最近發展區理論，為了幫助學習者達成最近發展區內知識和能力的提升，在學習過程中提供支持。支架式教學通常將提示內容、有助于學習的材料和學習任務等進行系統整合，形成學習支架，通過支架幫助學習者更好地理解和掌握知識。學習支架具有多種組織形式，不同形式對學習者能力提升效果各異。根據學習支架的功能和作用進行分類，可分為概念性支架、策略型支架、元認知支架和動機支架[11]。學習支架有多種表現形式，包括問題提示、反饋、概念圖、流程圖和范例等。

當前，學習支架已在多學科教學實踐中獲得廣泛普及。在信息科技學科領域，學習支架作為提升學生計算思維和問題解決能力的教育工具受到重點關注。Chen等[12]在計算思維的培養過程中引入概念圖幫助教師建構教學問題，有效提升了學習者的計算思維。郁曉華等[13]將流程圖作為思維加工的工具，探討了流程圖在計算思維發展過程中的作用，經實驗結果顯示，學生的計算思維在流程圖的支持下得到了有效提升，并且流程圖得分高和流程圖得分提升幅度大的學生，其提升效果更加顯著。

目前，針對學習支架用于計算思維能力培養的相關研究，學習支架的類型大多為流程圖，支架的表現形式較為單一，多種類型學習支架的綜合使用對于計算思維影響的相關研究較少。此外，學生需要在學習的過程中實現知識的自我建構，如果在學習中一直依賴于結構較為完整的學習支架，將不利于發展學生自主思考的能力。因此，學習支架如何設計，何時引入支架，何時可以撤銷支架還值得更加深入地研究。

3 研究設計

3.1 被試對象

本研究選取上海市嘉定區某中學七年級平行班的40名學生作為實驗對象，參與實驗的40名學生均由同一位信息科技教師授課，兩班學生具有相同的圖形化編程學習經驗，因此其編程能力處于相同水平。本研究將隨機選取學生分入“引導式”支架組和“自主式”支架組，每組20人。被試學生年齡集中在11～13歲，由同一位教師指導完成編程作品。

3.2 課程內容設計

教學內容選取《Scratch+數學與算法進階》，要求學生分析數學經典問題的解決策略，并最終在圖形化編程軟件中實現問題的解決過程及結果。該課程周期為10周，每周兩課時。本實驗選取課程中的枚舉法應用模塊的兩個教學任務：韓信點兵、冒泡排序，使用錄音的方式記錄學生完成任務的全過程。

3.3 教學活動設計及學習支架

本研究結合課程內容，基于舒特等學者提出的五個計算思維要素，從情境導入、問題分解及數據抽象、算法梳理、方案實施、方案測試、迭代優化6個活動階段展開教學活動。教學活動中的任務對于中學生而言具有一定難度，為確保教學活動能夠順利進行，最終編程作品在Scratch平臺上完成。學生需要借助學習單提供的學習支架，與小組成員協作編程，共同完成作品。

整個學習過程將為兩個實驗組提供不同類型的學習支架。其中，“引導式”支架在編寫過程中參考Ouyang等[14]提出的任務型支架，教學前教師對學習任務進行分解和細化，在學生完成具體任務的過程中提供及時指導，強調學生在高結構化的小組活動中完成具體任務。如圖2所示，“引導式”支架告知學生如何按照“抽象-分解-建模-算法設計”的思路解決經典數學問題。“自主式”支架參考有限型學習支架，僅在學習單中提供最低限度的提示，給學生預留自主思考的空間。如圖3所示，“自主式”支架僅為學生提供任務背景，引導學生進行問題分解，在實施編程前先梳理思路，但并不提供解決問題的策略。

3.4 研究工具

本實驗在學生小組協作研討時進行錄音，并在音頻轉換為文字后，針對文字信息進行編碼處理。本研究的編碼依據舒特等學者提出的計算思維要素設計，同時結合錄音內容對編碼內容做進一步詳細描述。由于在教學活動設計時，同樣依據舒特學者提出的計算思維要素，因而結合編碼表分析錄音時具有較好的適配性。

3.5 數據處理與分析

為檢驗不同形式學習支架對學生計算思維的影響，本研究將在錄音文本進行編碼后，進一步通過認知網絡進行量化分析。在正式編碼前，邀請兩位經過培訓的編碼員對前兩組學生錄音進行獨立編碼，結果顯示編碼具有良好一致性（Cohen’s Kappa = 0.821） 。隨后，兩位編碼員就不一致的編碼內容進行討論并達成共識，最后由其中一位編碼員完成后續編碼。研究使用ENA分析工具對編碼數據進行認知網絡分析，將學生計算思維要素的共現及結構特征進行可視化，為觀察不同支架對計算思維的影響提供參考依據。

4 研究結果分析

4.1 “引導式”支架組關注調試與迭代，“自主式”支架組關注分解與抽象

兩組學生在計算思維各要素上表現出一定差異和共性。“引導式”支架組出現頻率最高的計算思維要素為調試，占所有行為編碼的25.97%，其次是算法（22.82%） 和迭代（18.69%） ；而“自主式”支架組出現頻率最高的要素為算法（25.35%） 和分解（25.35%） ，其次是抽象（21.69%） 。統計數據顯示，兩組學生均較關注算法，但“引導式”支架組在協作編程和修改環節上的關注更高，而“自主式”支架組則在研讀資料和方案研討中投入更多精力。

4.2 “引導式”支架組調試與算法迭代連接緊密，“自主式”支架分解與抽象算法頻繁共現

在ENA平臺生成的認知網絡圖中，觀察節點大小及節點間連線的粗細，可以發現兩組學生的認知網絡模型存在明顯差異。如圖4、圖5所示，“引導式”支架組中，調試—算法和調試—迭代的共現系數均為0.46，表明這三個要素在學生思考和討論中高度交替，調試為核心節點，說明學生在調試過程中主要通過算法步驟的核查和迭代完善程序。“自主式”支架組則以分解為核心節點，與算法的共現系數為0.47，與抽象的共現系數為0.38，說明分解是該組學生完成編程任務的關鍵環節。

4.3 兩組認知網絡質心差異顯著，各元素重要性具有差異

如圖6所示，兩組認知網絡疊減圖顯示，質心相距較遠，表明“引導式”支架組與“自主式”支架組在計算思維表現上存在較大差異。“引導式”支架組的質心位于X軸正向，而“自主式”支架組的質心位于X軸負向。Mann-Whitney U檢驗結果顯示，兩組質心在Y軸上無顯著性差異（P=1.00） ，但在X軸上存在顯著性差異（P＜0.001） 。

進一步結合計算思維各要素節點，觀察疊減圖可以發現：調試和迭代位于X軸正值區，抽象與分解則位于X軸負值區，說明上述要素在學生思考過程中的重要性有所不同。其中，算法位于Y軸負值，表明算法在兩組學生的思考中起到相似的作用和位置。

5 研究結論與討論

5.1 “引導式”支架促進學生調整迭代編程作品，“自主式”支架培養學生分解與抽象能力

據各元素頻率統計與認知網絡模型結果表明，不同學習支架支持下的學生計算思維要素差異顯著。“引導式”支架通過教師的適時介入和問題設置，幫助學生在學習初期明確目標、理清思路，并逐步引導學生進入更高層次的學習狀態[15]。在編程過程中，學生可以在實施編程任務時通過調試，反思自己在問題理解方面的不足，再重新審視算法設計或用更適合自己理解的方式進行迭代。

另一方面，“自主式”支架則更加強調學生的獨立性和創造性，通過減少教師的直接干預，鼓勵學生在已有支架的基礎上獨立完成任務。這種支架方式不僅培養了學生的獨立思考能力，還促進其抽象思維的發展[16]。學生在編程實施前，借助有限的支架內容，進行問題的分解，提取問題關鍵，實現抽象，并依據分解內容設計算法實施。研究表明，通過設計開放性問題鼓勵學生自主探索和發現規律，使學生能夠通過自主實驗發現問題的本質[17]。“自主式”支架在使用過程中對學生抽象思維和問題解決能力的發展具有促進作用。

5.2 課程活動設計中各支架的應用建議

依據上述結果討論，可發現“引導式”支架與“自主式”支架對學生能力維度的培養存在差異，在實施教學時應根據教學側重點設置支架，并綜合使用。

在教學開展前期，給予學生“引導式”支架，告知學生可以根據支架的結構解決問題，為學生提供一定的參考。學生在實施過程中，通過試錯和反思，嘗試自主建構解決問題的模型。在教學開展中期，可逐步削減支架內容，給予“自主式”支架，讓學生依據經驗，協作探索問題任務的解決方式，培養學生自主解決問題的能力。最后，在教學后期可以鼓勵學生在完成作品的基礎上進一步改進，從而在培養計算思維能力的基礎上發展創新意識。

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【通聯編輯：唐一東】