基于计算思维培养的个性化学习系统研究

蔡荣华 喻梓桦

摘  要 个性化学习有助于培养创造型人才，是教育研究热点。同时，在中小学教育中计算思维培养得到越来越多的关注。基于计算思维对个性化学习系统进行分析，在完善该类系统的同时，使得学习者计算思维得到培养。

关键词 个性化学习;个性化学习系统;计算思维;计算机科学

中图分类号：G652    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）18-0023-04

1 引言

信息时代的发展，为教学带来重大变革，个性化学习成为教育领域的研究热点。个性化学习有助于激发学生的学习兴趣，充分利用学习资源，为学生提供个性化的学习方式，提高学生的学习效率，以实现学习目标。2015年的地平线报告（New Media Consortium）指出，个性化学习是未来3～5年采用的技术和需要解决的挑战。

美国卡内基梅隆大学周以真教授提出：“计算思维不仅限于计算机科学领域，而是每个人都应该掌握的一种思维方式。”[1]计算思维成为一种重要的思维模式，它可以有效地提高每个人解决问题的能力。《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中指出，运用计算机科学的基础概念对问题进行求解、系统设计和行为理解，即建立计算思维，可以培养创新人才[2]。计算思维对各学科的学习都能起到积极的促进作用，计算思维能力将成为新时代创新人才不可或缺的素质。计算思维既是一种方法，也是一种培养目标，可以与个性化学习系统结合，在促进个性化学习系统完善的同时，通过该系统使得这种能力得到培养。

2 计算思维概述

周以真教授提出：“计算思维代表了一种普遍使用的态度和方法，不只是计算机科学家，每个人都渴望去学习和使用它。”[1]可以从以下几个方面去了解计算思维。

计算思维的三个维度  美国麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）终身幼儿园研究小组（Lifelong Kinder-

garten Group）在多年研究互动媒体设计者活动的基础上，提出计算思维的三维度，包含三个要素，即计算概念、计算实践和计算观念[3]，并给出相关的举例，具体如表1所示。

从表1来看，计算思维的三个维度似乎是程序员在进行编程时处理问题所经历的一系列的步骤和思想变化，最终形成某种思维模式，从而去处理身边的问题。正如周以真教授所说，计算思维不只是计算机学科方面的人员掌握的技能，更是每个人都要会的解决问题的基本技能。因而说明了计算思维的适应性，以及作为一种解决问题的能力或方法的重要性。

计算思维培养的三个层次  在计算思维自主养成模式中提出有关计算思维培养的三个层次：学会解决同类问题;运用思维能力来解决已知问题;能够利用思维能力发现并加以解决问题，这同时也是创新的基础能力[4]。计算思维的这三个层次既是解决问题的一种方法，也是一种培养目标，在培养过程中恰当地使用计算思维的这三个层次，可以达到有效的培养目的。

计算思维的方法  在周以真教授有关计算思维的文献中提出，计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个知道怎样解决的问题;利用递归思维的并行处理;采用抽象和分解来迎接庞杂的任务或者设计巨大复杂的系统;关注的分离（Separa-tion of Concerns，简称SOC方法）;保护、冗余、容错、纠错和恢复，利用启发式推理来寻求解答，在不确定情况下的规划、学习和调度等。

3 基于计算思维培养的个性化学习系统

个性化学习系统概述  个性化学习是学生在教师的指导下，根据自己个性特征、内在需求和对现实情况的分析，对学习课程与内容、学习时间与进程等进行自主选择和实施，从而实现自己个性化特征的形成与发展[5]。个性化学习系统引入数据库、数据分析、网络环境、云计算、人工智能技术等去构建学习模型，从而使呈現给学习者的学习内容更加贴合不同的学习者。以系统为主发展为现今的以学习者为中心，让系统适应学习者，学习者的学习效果得到极大改善。但是以往的个性化学习系统当中并没有引入计算思维的概念，如果把计算思维和个性化学习系统结合起来，不仅能够优化系统，使学习内容更好地呈现，而且能够达到培养学习者计算思维能力的目的。

此处参照“学习分析视角下个性化学习模型的设计研究”中的个性化学习模型，在分析此模型的基础上引入计算思维，从而完善此类个性化学习系统，且能够达到培养计算思维的目的。如图1所示，该个性化学习系统主要由三大模块构成：一是个性化学习支持功能模块;二是数据分析模块;三是预测干预模块[6]。

从图1中可以看到，学习内容是整个系统的一个关键环节，学习者根据系统给出的学习内容进行学习;而通过大量数据对学习内容进行分析后，在适当的干预下进行调整，再呈现给学习者，以此形成一个以学习者为中心，根据学习者的学习状况呈现学习内容的个性化学习系统。

计算思维下的个性化学习系统  在个性化学习系统的运用当中，学习者根据系统为自身提供的学习内容开始这一阶段的学习;而引入计算思维之后，可以把计算思维运用到学习内容的呈现中，并且使用计算思维解决问题的三个层次，能够更好地促进学习者的个性化学习，增强学习效果。运用计算思维的方法，可以优化数据处理，同时为教师、管理者以及学习者更有效地处理学习过程中的学习资源的选择和使用。基于计算思维的个性化学习系统如图2所示。

1）计算思维三维度的运用。计算思维的三个维度可用于个性化学习系统学习内容的呈现。要呈现学习内容，需要对学习者进行一个简单的测评，在这项测评中可以采用所罗门量表[7]，然后综合学习者的各项学习数据为学习者提供适宜的学习内容。对于学习内容，可以把它按照计算思维的三个维度（即计算概念、计算实践、计算观念）依次呈现。根据表1中所提到的，从编程设计者的角度出发，这三个维度展示了在解决一个编程问题时的全部思维过程。

第一阶段：计算概念。如编程教学中的“变量”，学习者需要做的是理解“变量”，并且学会识别同类型的概念。这里所涉及的概念同一般教学当中所提到的概念是相似的。又如在数学教学中，学习者在学习加减法之前要先了解“加法”和“减法”这两个运算符号的含义。概念是人类所认知的思维体系中最基本的构筑单位。在学习者掌握了以计算概念为主的教学内容以后，再呈现下一阶段的学习内容。

第二阶段：计算实践。以编程教学为例，计算实践所指的是学习者在理解变量的基础上，学会使用已掌握的概念去具体编程的过程，如循环、增量、迭代。延伸开，计算实践就是学习者解决实际问题的具体过程。在这一阶段向学习者呈现的应该是有关概念运用的内容，如编程教学中的一个具体案例，数学教学中加减法的运算。

第三阶段：计算观念。在编程教学中，当学习者学会使用变量这个因素去编写一个相关的循环程序以后，能够把这种解决问题的程式化步骤运用到其他的项目中去，并且能够通过这种编程的方式去测试和调试其他程序。即学习者已经能够有这种编程意识，并且能够用自己所掌握的知识去检验其他相关的程序。同样，在数学教学中的变现可归为，学习者在会运用加减法去解决问题后，能够把这种方法推广到其他会用到加减法的题目中去，并且能够很自然地产生这种解决问题的步骤，对其他题目用计算观念的方式去进行检验。所以此阶段呈现的是以计算观念为主、综合性强的学习内容。

2）计算思维培养的三个层次的运用。计算思维培养的三个层次既可以视作一种检验标准，也可以作为培养目标，它在学习者运用的同时，使得这种能力得到培养。如在按照计算思维的三个维度呈现学习内容的时候，可以用这三个层次作为一种检验的标准，去判断不同阶段的学习者是否对当前阶段所呈现的学习内容把握到位。学习者对每个阶段的学习情况由数据处理后经干预模块反馈到学习内容这一模块，三层次的应用可以根据呈现的内容不同而选择检验的方式。可以以是否达到某个层次的要求为标准，去判断是否为学习者呈现下一阶段的学习内容，同样可以把达到三个层次的要求作为标准，反馈到数据分析中，调整学习内容的呈现。

学习内容从简单到复杂可视为事实、概念、技能、原理、问题，不同程度可以选用不同标准的检验法。如为了判断学习者是否已掌握计算概念的相关内容，可以用计算思维培养的三层次的第一层次去对第一阶段的学习内容进行检验，即学会解决同类型的问题。当呈现有关计算实践的相关内容时，学习者能够达到第二层次，即运用思维能力来解决已知问题，把解决同类型问题的方法广泛运用于这些学习内容中。对于复杂抽象的问题，如计算观念当中所呈现的问题则为综合性问题，此时可以把三个层次都作为检验标准，以此判断学习者是否都达到要求。

在以三层次为检验的标准下，学习内容则是围绕这三个层次不断调整，从而在学习过程中让学习者这三个层次的能力也得到培养。

3）计算思维方法的运用。计算思维的方法既可以优化系统设计，也可以提高系统使用者（管理员、教师、学习者）的系统利用率。

在大数据的运用下，使用计算思维约简、嵌入、转化、仿真等方法对数据进行有效处理，从而反馈出学习者数据。利用计算思维方法中关注的分离，对呈现出来的问题以适当的方式去阐述它，或者是针对该问题的某个方面以适当的方式进行建模，使该问题变得更容易处理，即针对学习者数据分析得到的结果，抓住某一学习者的特征，围绕某一特征自动化地得出最适合该学习者的个性化学习路径的一部分，然后结合整个系统的运行，得到最佳路径。

计算思维的这种方法的最大优势，就是在无须理解系统是如何运行的、路径是如何制定的等每个细节的情况下，就能够安全地使用、调整和影响一个大型复杂系统的信息。计算思维中通过抽象和分解，设计系统对预期的未来应用进行预取和缓存，即通过数据库，有效地提取学习过程中所需的资源，作为一个备选储存。

在个性化干预中，主要通过数据处理模块对学习者学习分析得出的可视化分析呈现结果，并传递给教师和管理员，教师和管理员又根据所呈现的学习者的学习数据起到辅助作用，对学习者的学习进行个性化干预。在这个过程中需要对各种资源以及学习方法进行合理利用和筛选。基于计算思维的个性化干预，其实质在于使教师和管理员以及学习者利用计算思维的方法，对学习资源进行自主收集和运用，以及对学习方法进行选择。在这一过程中，教师和管理员能够利用计算思维的递归，关注点分离，约简、嵌入、转化、仿真，启发式推理等方法，辅助学习者对资源进行筛选、优化和信息的有效提取，从而得到高效的学习资源和良好的教学方法。同时，学习者同样可以利用计算思维的这类方法为自己构建知识点，归纳得出解决问题的一系列学习方法[8]。如此，把计算思维的方法运用到教师、管理员以及学习者上，既让他们通过使用计算思维的方法去获取所需的资源和信息，也达到计算思维培养的目的。

4 结语

本文通過对原有个性化学习模型加以分析，引入计算思维，使学习模型中的学习内容呈现更加丰富且富有层次，更有助于学习者从不同的阶段进行个性化学习，并且能够在个性化学习下掌握计算思维的方法，以及达到利用计算思维的三层次去解决问题。同时，用计算思维的方法处理数据，促进干预模块的运行，使得教师或管理员辅助学习者学习，能够更加有效地筛选学习资源。作为学习者，不仅是使用计算思维，也在潜移默化中达到计算思维的培养。

计算思维运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，既对使用者给出有效的问题解决能力，也为系统设计的完善提出高效的方法，它不仅应用在计算机科学领域，更是可以延展到各学科的学习中去。在个性化学习系统中结合计算思维的运用与培养，可以更有效地使用计算思维。

参考文献

[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communica-tions of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养：《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学，2010（9）：5-9.

[3]Lye S Y， Koh J H L. Review on teaching and lear-ning of computational thinking through programming： What is next for K-12？[J].Computers in Human Behavior，2014（41）：51-61.

[4]鲍宇，孟凡荣，张艳群.“阶梯式”引导的计算思维自主养成模式[J].电化教育研究，2015，36（6）：87-92，99.

[5]董君武.构建个性化学习系统的研究[D].上海：华东师范大学，2016.

[6]蔡荣华，范云霞.学习分析视角下个性化学习系统模型的设计研究[J].发明与创新：教育信息化，2016（12）：22-26.

[7]吴洪艳.智慧学习视角下个性化在线学习系统设计与应用[J].中国电化教育，2015（6）：127-131.

[8]牟琴，谭良，吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究[J].电化教育研究，2011（5）：53-60.