促进计算思维发展的编程投入机制研究：基于ICAP理论.pdf

电化教育研究促进计算思维发展的编程投入机制研究：基于 ICAP 理论李琪袁 姜强袁 赵蔚渊东北师范大学 信息科学与技术学院袁 吉林 长春130117冤摘要 编程作为计算思维培养的主要载体已经逐渐成为 K12 教育关注的重点课程之一袁但缺乏对编程投入的关注往往会加剧学生在理解编程时面临的困难袁从而阻碍计算思维的发展遥ICAP 理论根据外显行为来区分学生投入程度袁能够为促进编程投入提供可操作性指导遥 因此袁文章依据 ICAP 理论袁提出了编程投入机制袁以编程活动为支撑尧编程工具为动力尧编程同伴为牵引以及编程策略为手段袁并在小学课堂进行了不插电编程实证以探究该机制对学生计算思维的作用效果遥 研究结果表明袁基于 ICAP 理论的编程投入机制能够显著提高学生的计算思维技能袁并且从不同计算思维水平学生的参与行为模式可以看出袁三组学生的交互协作参与行为占比最高袁但高分组学生偏向高阶参与行为袁中分组和低分组表现出了更多的辅助行为遥 此外袁文章依据实证结果针对编程投入机制展开进一步讨论袁为未来一线教师和相关研究者提供了编程教育发展计算思维的理论和实践参考遥关键词 编程投入曰 投入机制曰 计算思维曰 ICAP 理论曰 不插电编程中图分类号 G434文献标志码 A作者简介 李琪渊1997要冤袁女袁辽宁葫芦岛人遥 博士研究生袁主要从事计算思维发展与编程教育研究遥 E-mail院遥 姜强为通讯作者袁E-mail院遥DOI:10.13811/ki.eer.2023.08.012课程与教学基金项目院2020 年度国家自然科学基金面上项目 野网络学习空间中的学习风险预警模型和干预机制研究冶渊项目编号院62077012冤曰2021 年度教育部人文社会科学研究规划基金一般项目野数据驱动的后疫情时代高校弹性教学策略研究冶渊项目编号院21YJA880062冤一尧问题的提出人工智能时代袁编程具有重要的地位袁而编程教育的核心目标是发展学生的计算思维1遥 计算思维被视为一种问题解决的思维过程袁包括抽象尧算法尧表征尧泛化和评估五个维度2遥除了认知因素袁目前国内外的研究已经开始重视影响学生计算思维发展的非认知因素遥例如袁在编程学习时袁学生的编程态度3尧自我效能感4及编程投入5都被证明会影响他们的学习效果遥其中袁编程投入是影响计算思维培养效果的一个重要非认知因素袁 对编程教学的成功与否起着关键作用袁深受研究者重视遥学生参与编程时的积极和持续投入对计算思维教学十分重要袁同时对学生的成绩尧兴趣和情感反应会产生影响6遥然而袁对于影响编程投入的编程工具选择尧活动设计和策略应用等关键元素并不是单独运作的袁它们应该紧密联合尧协同治理袁形成促进学生计算思维发展的有效机制遥 ICAP 是一种主动学习理论袁关注的是在学生学习过程中袁通过更小粒度的行为活动可以检测到的认知投入程度7袁每个层次的学生活动都是可观察的袁 特别适合教师进行多个关键元素协同作用的教学设计和分析遥因此袁本研究提出了基于 ICAP 理论的编程投入机制袁 并测量了其对计算思维的作用效果袁旨在推进计算思维培养在编程领域的有效实现袁促进学生在编程课堂上的深度学习遥二尧文献与理论渊一冤编程投入与计算思维目前袁 编程教育研究已经进行了理论和实践的882023 年第 8 期渊总第 364 期冤探索袁 主要探究在教学过程中编程工具和活动策略对计算思维的影响遥 但是计算思维的发展受到各种因素的影响和制约袁在参与编程时袁学生的非认知因素也会对他们的学习效果产生重要影响遥 作为衡量学习质量最有效指标的非认知因素袁 编程投入是指对编程教学的实质性满足感和心理投入袁 当学生拥有较高的编程投入时袁他们将深入理解专业知识袁真正重视自己所做的事情袁 并积极参与课堂和编程活动8遥 在教育环境中袁投入的学生会表现得更好袁并随着时间的推移扩大学习上的优势遥同理袁学生积极参与编程活动和学习过程对提高他们的计算思维技能至关重要遥 Looi 等人发现袁不插电活动有助于学习者参与排序算法的探索袁通过提高动机和保持投入有了更好的编程表现9遥 此外袁在一项在线学习研究中袁Ha 等人证实了编程活动中的投入度对培养计算思维技能的影响袁并在自我调节和计算思维之间起到中介作用10遥 相反袁学生编程投入度低是阻碍他们获得学习结果的主要因素之一袁 从而影响计算思维的发展遥然而袁不适当的学习形式和任务设置可能会导致一些学生的学习积极性受限袁影响编程过程的投入度遥 同时袁编程投入随时间而变化袁并取决于不断变化的环境尧任务和干预措施11遥 因此袁亟须合适的理论框架指导当前编程教学袁增强学生在课堂中的编程投入遥渊二冤ICAP 理论2014 年袁季清华教授渊Michelene T.H.Chi冤正式提出了 ICAP 理论袁 根据学生的行为来区分他们的投入程度袁 将认知投入分为四种模式袁 分别是被动渊Passive冤尧主动渊Active冤尧建构渊Constructive冤和交互渊Interactive冤12遥学生处于被动投入时不会对接收的信息采取任何外显行为袁自然也不会产生由外显行为生成的任何产品遥如果教师要求学生以某种方式使用材料袁那么学生可能会积极投入遥 建构投入要求学生综合自己的想法进行推理袁以某种方式超越材料袁并产生一个新的输出遥交互投入使学生进行实质性的思想交流袁从而达到更高的理解水平遥 计算思维本质上是一种认知能力13袁尽管有其他认知框架来概念化主动学习袁但 ICAP 理论描述了课堂活动中的可观察因素遥同时袁ICAP 理论中的每一种投入模式都对应一组不同的潜在知识变化过程遥 从倾听到参与材料袁从参与材料到超越材料袁 从独立超越材料到与同伴共同推断遥 编程活动需要学生的积极参与和行为表现袁在这个过程中袁学生将完成从学习材料到解决问题袁从而发展计算思维遥 ICAP 理论是一种关于学生如何投入学习的理论袁而不是教师如何教学遥然而袁作为一种学习理论袁ICAP 理论可以转化为一种教学理论袁即教师如何促进和激发学生的投入遥综上所述袁使用 ICAP 理论作为编程投入机制的指导框架是非常切合的遥渊三冤基于 ICAP 理论的编程投入机制以 ICAP 理论为指导袁构建编程投入机制袁如图 1所示遥编程活动尧编程工具尧编程同伴和编程策略多元协同袁 以使学生在学习过程中的编程投入由表及里尧层层深入遥图 1基于 ICAP 理论的编程投入机制1.以编程活动为重要支撑袁保障行为投入编程活动是学生进行计算思维学习的载体袁科学的活动设计是保障学生参与编程的重要支撑遥通过问题分解尧算法设计尧思维表征尧泛化应用尧评估优化五个活动过程发展他们的计算思维技能遥在问题分解环节袁学生需要对任务问题进行分析袁从复杂冗余的信息中提取关键点袁发展抽象技能曰在算法设计环节袁学生进行头脑风暴袁产生解决方案的想法袁培养学生有意识地多角度思考问题的习惯曰 在思维表征环节袁学生可以利用伪代码或者流程图将脑海中的想法进行表征袁 体会到表征的过程有助于理清解决问题的思路曰在泛化应用环节袁学生需要对当前的语法应用环境进行分析袁组织相关知识实施解决方案曰评估优化环节主要在学生初步实施解决方案后袁学习者和同伴同时对自己的解决方案进行评估与反思袁从而进行迭代优化遥2.以编程工具为持续动力袁吸引主动投入学习工具的选择对于教学成功与否有着至关重要的影响袁恰当的工具将会是学习者主动投入学习活动的重要动力遥 目前可视化编程平台的成功推广袁表明低门槛尧宽围墙尧高天花板是选择工具的关键原则袁能够吸引学习者主动参与到学习活动中遥低门槛意味着使用的工具必须非常容易上手袁且不对先前经验做过多的要求袁从而有利于学习的开始曰高天花板意味着编程过程中使用的工具允许学习者创建复杂的项89电化教育研究目袁不会因为工具限制了学习者的能力发展曰宽围墙是指编程工具能够支持学生完成更多的任务类型袁为学习者技能的发展提供更多的可能性遥3.以编程同伴为关键牵引袁鼓励建构投入物理制作和编程的结合对于提高编程概念和实践投入具有重要价值袁 但单人学习不足以产生理想的学习效果袁所以袁协作编程成为了编程学习最为普遍的方式遥 适合的编程同伴有利于学习者进行建构性的活动袁 通过协作学习活动将个性化的想法外化并获得不同的观点遥 坚持教师引导尧学生协调尧动态调整的准则袁使主观偏好和客观条件相辅相成袁达成内在统一遥 教师可根据学习者的技术水平和先前经验等客观条件提出组建编程小组的初步方案袁 然后由学生表达合作意愿袁沟通交流主观偏好袁确定编程同伴遥 随着编程任务的转变以及时间的延续袁编程同伴可以随着具体情况动态调整袁以最大化利用协作编程的优势遥4.以编程策略为有效手段袁促进交互投入合作并不等同于实现交互袁 交互应该是建立在学生彼此都作出贡献的基础上遥 因此袁本研究依据 ICAP理论的交互投入提出了编程投入机制的编程策略遥 一是轮流主导遥 ICAP 理论将交互式学习活动描述为学习者与另一个合作伙伴进行对话袁并且双方都对对话作出独特贡献的活动14遥如果学习者轮流合作或互惠地主导对话环节袁 那么每个编程同伴都在参与一种自我构建类型的活动遥 二是拼图策略遥 学生首先学习其中一个子主题袁 然后重新组织以将他们的子主题与最初了解其他子主题的同伴进行同伴教学遥 三是微型专家遥 学生在向编程同伴教授他们学到的概念时袁充当促进者尧评估者和实施者袁而不是讲师袁从而最大限度地减少学生被动地相互讲授的可能性遥交互活动的例子包括建立一个彼此贡献尧捍卫和争论的立场尧在同一概念或观点上相互批评和争辩以及相互提问和回答等遥三尧研究设计渊一冤研究对象大连市某小学六年级学生作为实验对象参与了本研究袁共 94 名学生袁其中男生 48 名袁女生 46 名袁在参与本研究之前都没有学过任何编程语言或算法流程图遥 两名学生为一组袁男生和女生计算思维的前测分数使用独立样本检验进行分析袁结果表明袁男生和女生之间的计算思维技能没有显著性差异 渊=-1.56袁=0.120.05冤遥渊二冤研究实例本研究选取不插电编程活动袁 对 ICAP 理论指导的编程投入机制进行实践应用袁如图 2 所示遥图 2基于 ICAP 理论的编程投入机制设计实例采用棋盘尧卡片尧木质形状和人偶作为不插电编程活动的主要工具袁学生在活动中的任务是考虑移动步骤袁然后操作人偶袁以获取完成任务目标所需的形状遥卡片包括命令卡和控制卡遥命令卡包括三个命令院前进尧左转和右转遥一张卡只能移动人偶一步遥控制卡包括重复和复合两种遥重复控制卡的使用规则相当于编程中的循环结构遥一张或多张卡片横向放置在重复的控制卡片旁边袁以指示重复该动作或一组动作遥 重复次数由学生填写的卡片上的数字决定遥复合控制卡的使用规则与编程中的调用类似遥学生需要在卡片的空白处填上一个数字来命名复合袁并将复合控制卡中包含的命令卡按执行顺序放在一边袁复合卡中的命令卡数量将计入使用的卡片总数中遥这些工具符合低门槛尧高天花板和宽围墙的设计原则遥在选择同伴时袁由教师基于对学生情况的掌握袁 将学生分成两人一组袁之后学生在此基础上进行适当的调整遥 此外袁不要求两人小组固定袁可以根据每周的具体情况进行动态组队遥在正式开始前袁使用拼图策略袁每个小组的两个成员分别观看一个视频袁学习控制卡或者命令卡的使用方法袁 然后重新组织以将他们的知识内容传授给同伴遥掌握不同的卡片使用方法为学生提供了投入的条件袁 任务的多种解决方案也需要学生参与讨论和分析遥在基于 ICAP 理论的不插电编程的投入机制中袁每个学生在每一个活动阶段都被赋予了积极的角色袁他们成为不同的微型专家袁每个学生都必须投入活动才能完成任务遥渊三冤数据采集与处理目前对计算思维作用效果的评价主要集中于总结性评价袁很少关注学习者利用计算思维去解决日常问题的迁移表现袁然而计算思维技能应该转移到其他问题情境中遥 本团队开发的计算思维评价工具2围绕计算思维的抽象尧算法尧表征尧泛化和评估五个维度设计袁每一维度设有三级评分标准袁同时涉及日常生活902023 年第 8 期渊总第 364 期冤表 1计算参与行为编码类别编码名称解释示例团队交互CS协作决策在移动人偶之前袁 向同组伙伴提供有关方向的意见袁团队成员讨论以决定路径野我