高中信息技术学科计算思维培养的实证研究

陈兴冶 王昌国

[摘   要] 文章以CTCL（Culture，Technology，Content，Learner）范式作为理论框架，探讨如何在偏差认知转变过程中促进高中学生计算思维的发展。文章以高中“信息技术”课程中的《网络故障排查》为学习内容，在实验组依据计算思维内涵及特征，对学习者的偏差认知进行测查，分析其偏差认知及形成的原因，并进行分类;之后根据学习者的偏差认知类型进行面向计算思维能力提升的个性化学习的设计和实施，经分析发现，实验组学生计算思维水平显著高于对照组学生。结果表明：针对学习者的偏差认知，借助技术进行个性化实验教学能够有效促进学习者的偏差认知转变，显著提升学习者的计算思维水平。

[关键词] CTCL; 计算思维; 偏差认知; 实验教学; 个性化学习设计; 网络故障排查

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 陈兴冶（1979—），男，上海人。中学高级教师，博士研究生，主要从事计算思维教学研究和中小学教育信息化方面的研究。E-mail：chenxy@sesedu.cn。

一、引   言

近年来，教育技术学领域研究者越来越关注如何利用技术提升认知深度。美国Marcia Linn教授團队基于知识整合理论，开发了基于网络的探究学习环境，引导学生利用探究学习平台WISE进行科学学习，在解决问题的同时，促进学生对科学认知的整合与深度理解[1-2];美国David H. Jonassen教授团队指出，认知的目标是促进有意义学习，而认知工具或思维工具可以为学习过程提供有效的技术支持，即在有意义学习的理论基础上应用技术能提升学生的学习品质[3-5];加拿大Marlene Scardamalia教授团队基于知识建构理论，开发了知识创生环境，引导学生利用知识建构平台Knowledge Forum进行学习，以发展学生社区内的公共知识为目标，提升学生知识建构水平[6-7];台湾学者佘晓清教授所领导的“认知与科学学习实验室”，长期致力于科学概念转变和数字化学习的研究，探索如何综合运用学习心理和技术以改善物理、化学、生物等课程中的具体内容的学习过程与效果[8-10];大陆学者李克东教授、徐晓东教授、崔光佐教授等领衔的学术团队也从不同角度开展了一些基于学习者特征的技术如何促进学科教学效果的研究[11-13]。学习是发生在真实情境中的学生、学习内容和技术之间的深度互动过程，因此，无论是技术提升认知深度的研究，还是关涉学习者其他方面的技术增强学习的研究，均应综合考虑多维因素[14]。

CTCL研究团队针对具体教学问题，在问题解决取向下，在不同文化视域中将技术、学习内容、学习者相统合来开展研究[15]，在小学数学、初中物理、高中信息技术等学科中围绕“概念教学”开展了促进学生概念转变的相关研究，取得了预期的效果。本实验与团队前期的研究稍有不同，一是选取“技能操作类”学习内容;二是关注概念转变及其转变过程中学生计算思维的培养。

学科育人价值需要学科核心素养来体现[16]，高中信息技术的学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成[16]。信息技术的学科内容主要包括概念性知识与技能、原理性知识与技能、操作性知识与技能。学生在正式学习这些知识与技能前，头脑中或多或少对将要学习的内容存在一定的认知，而这些认知的正确与否，将直接影响学生的学习效果。研究表明，学习过程是知识和思维（核心素养）形成的过程，它们具有严格的内在一致性，并借助“逻辑动态运行过程”有机联系在一起[17]。映射到信息技术学科，帮助学生实现原有错误认知转变的“过程”即为该“逻辑的动态运行过程”，学生通过这一“过程”实现了学科知识和学科核心素养（计算思维）的内在一致性。

二、研究设计

本研究中计算思维的定义采用与2017版高中信息技术课程标准相吻合的计算思维五要素定义，即算法（Algorithmic）、评估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation） [18]。

本研究以高中“信息技术”课程中的《网络故障排查》为例，从心理学视角出发，以“偏差认知转变”作为中间变量，以培养和发展学生计算思维为目标，着眼于两个问题：（1）基于偏差认知的实验教学是否可以促进学生的计算思维提升;（2）基于CTCL研究范式，如何利用相应的技术进行个性化资源设计与实施，帮助学生实现偏差认知转变，进而促进学生计算思维的发展。

（一）研究方法

本研究主要采用问卷调查法、准实验法。问卷调查法主要采用二阶诊断测试工具;准实验法是指在教师、教学环境、教学实践等研究条件基本不变的情况下，对实验组和对照组学生进行不同的教学干预。

（二）研究对象

研究对象选取上海市S学校高一年级计算思维前测水平相当的两个班，共76名学生，其中A 班42人，为实验组，采用基于CTCL理论的教学方式;B 班34人，为对照组，采用任务驱动教学方式。

（三）研究工具

研究工具采用二阶诊断测试问卷，其编制过程为：初步筛选出测试知识点，编制一般二阶问卷，对四个平行班进行试测，完成后，对第二阶中选择第一阶选项的理由经分析后进行分类，从而完成第二阶选项，由此形成了二阶选择问卷。

本研究的二阶选择问卷共有4题组成，既是计算思维水平的测试，也是“网络故障排查”相关知识点认知偏差的测查。从计算思维测试角度看：第一题测查抽象思维，第二题测查概括思维，第三题测查算法思维，第四题测查分解、评估思维。问卷编码赋值规则如下：正确答案及其匹配理由（下称“基本科学”）得3分;正确答案及与其不匹配的理由得2分;错误答案及其匹配理由得1分;其余得0分。

为验证测查问卷的信度，对S学校高一年级四个班级进行了试测。问卷的信度统计分析结果显示：克隆巴赫系数为0.707>0.7，说明该问卷信度较高。

（四）研究过程

本实验的研究过程分为教学设计、教学实施、教学反思三个阶段，如图1 所示。在教学设计阶段，学习内容主要为用于解决现实生活问题的技能操作类内容，教学设计方面则以培养学生的计算思维为目标，遵循“以学为主”的教学设计;在教学实施阶段，根据学生偏差认知的类型进行个性化学习资源、实验环境和学习过程的设计;在教学反思阶段，主要对两组前后测数据进行分析对比，撰写教学反思并提炼实验结论。

三、实验设计与实施

通过文献分析、同行交流及反复研讨，研究团队认为《网络故障排查》学习内容适合的教学方式为：教师采用实验教学，创设真实情境中的真实问题，让学生在亲身体验、自主探究中解决问题。

（一）个性化实验教学设计

针对实验组学生的偏差认知及其类型，研究者设计并开发学生实验单和学习资源，从实验环境和学习过程两个视角给不同类型的学生提供个性化实验方案。该方案的基础是实验组学生的偏差认知及其类型，核心是面向计算思维的学习资源、实验环境和学习过程的设计与开发。

1. 实验组学生的偏差认知情况分析

通过汇总实验组学生测查作答情况，研究者发生学生产生偏差认知的原因有：（1）将总线与连接线路等同于一个概念范畴;（2）认为网络拓扑结构是网络连接的一部分;（3）认为网络拓扑结构只有总线型一种类型、操作系统是软件的统称;（4）上网只要有网络协议即可。由此得出偏差认知的类型：“性质使然”，指未理解不同领域的知识，导致互相之间混用;“张冠李戴”，指将其他领域的知识直接套用到本领域的相关内容上;“表未及里”，指只认识到字面意思，未掌握事物本质;“以偏概全”，指只认知到事物的部分特性，将其当作事物的全部。

2. 实验组学生的偏差认知类型分布情况

实验组学生前测数据的分析结果显示，学生的偏差认知类型的分布情况：42名学生中“基本科学”9人，占21.4%;“性质使然”13人，占31%;“张冠李戴”2人，占4.7%;“表未及里”13人，占31%;“以偏概全”5人，占11.9%。

3. 个性化实验教学设计

信息技术学科的实验教学是基于学生个体感知的认知过程，通过发现、验证、合作、体验等认知环节，提升学生认知的深度[19]。在此基础上，个性化实验教学（Individualized Experimental Teaching）针对学生偏差认知类型设计了四种不同的实验环境，为每位学生提供四种不同的学习资源包，其中包括微视频、实验单、帮助文件等。需要说明的是，9位“基本科学”学生作为助教（Teacher Assistant）参与到实验教学活动中。

4. 个性化学习资源包设计

学习资源包主要包含：关于网络拓扑结构和网络协议的微视频各一个，学生实验单一份，“锦囊妙计”帮助文件一个，而个性化体现在资源包中资源组合的个性化。

微视频设计主要以“惊讶型策略”和“概念转变”（Conceptual Change）的相关理论作为基础。“惊讶型策略”认为，概念转变的基础是引发学习者产生与原有认知相冲突的新认知[20]，因此，教学中教师可以直接呈现反例，在学生产生认知冲突后，通过教学干预引导学习者改变原来的认知结构，获取正确的知识。概念转变需要一定条件的支撑，“概念转变”模型指出四个必备条件为：对现有概念的不满、新概念的可理解性、新概念的合理性和新概念的有效性[21]。关于纠正“网络拓扑结构是网络连接的一部分”偏差认知的微视频设计见表1。

为将学生实验过程中的计算思维活动进行可视化，学生实验单中设计了三个梯度的学习任务，分别指向不同学习维度的计算思维，具体为：“成为网络故障观察行家”，主要培养学生的分解和抽象思维;“成为网络故障分析达人”， 主要培养学生的算法、抽象、评估思维;“成就故障分析专家”，主要培养学生的概括思维。

5. 个性化学习过程的设计

学生的学习过程主要包括：（1）教师在准备教室布置实验的具体要求，学生通过完成实验单第一部分“成为网络故障观察行家”中“日常网络故障汇总”的内容;（2）学生进入实验室，找到对应学号的实验计算机;（3）教师及助教巡视，学生根据所提供的学习资源（或向教师及助教求助）来完成实验;（4）实验完成后，学生分析、概括并完成实验单第二部分“成为网络故障分析达人”中“网络故障排查的方法”的内容;（5）交流分享，小结实验过程;（6）學生通过完成实验单第三部分“成就故障分析专家”中“一般计算机故障问题”的内容;（7）总结。

学习过程的个性化主要体现在教师提供了个性化的实验环境、学习资源及学习路径。个性化实验过程中，每位学生在获取新知识的过程中，与之前偏差认知产生了认知冲突，教师引导学生根据现有资源和所学新知识来解决问题，进而表明新概念的有效性，实现了偏差认知的转变及计算思维的提升。

（二）实验的实施

在前测完成一周后，根据教学设计实施教学。实验组和对照组的教学时间均为80分钟（两课时）。两组均由同一名教师授课，讲授内容所覆盖的知识点相同，主要包括硬件和软件故障诊断、排查、解决的方法与技能。

两组学生在教学结束后马上完成计算思维能力后测问卷，时间为20分钟，以了解实验完成后两组学生计算思维的发展状况。

四、研究结果

课堂观察发现，实验组除9人担任助教外，剩下33人中有31人成功完成网络故障的排查，实验完成率为93.9%。实验结束，参照对照组的做法，对实验组所有学生进行了后测，发出问卷42份，收到问卷42份，回收率100%，其中有效问卷42份，有效率100%。

（一）两组前后测数据分析

将实验组和对照组的前测成绩进行对比分析，两组均值相差7.16分（见表2），独立样本t 检验后发现Sig（=0.202）>0.05，表明两组数据无显著差异，说明在实验开始之前，两组学生的计算思维水平基本相同。

实验组后测成绩均值比对照组高出25.33分，对两组学生的后测数据进行独立样本t检验，见表3，Sig（=0.000）<0.05，表明两组数据存在显著差异，说明采用个性化实验教学的学生，计算思维发展水平优于采用常规教学的对照组学生。

（二）对照组前后测与实验组前后测成绩分析

从两组的前后测数据的配对样本t检验（见表4）的结果中发现，对照组Sig（=0.671）>0.05，表明前后测数据不存在显著性差异，表示对照组计算思维发展水平无显著提升;实验组Sig（=0.000）<0.05，表明前后测数据存在显著性差异，表示实验组计算思维发展水平显著提升。

（三）两组前后测计算思维“五要素”成绩分析

为研究计算思维“五要素”发展水平是否存在差异，将两组前后测成绩根据问卷对应的计算思维 “五要素”（其中一题对应两个要素）进行分类统计分析。经过实验，两组学生的计算思维 “五要素”发展水平是不平衡的（见表5）。其中，实验组前后“算法”思维提升幅度最大;对照组中“抽象”“概括”思维出现减幅;实验组中，“分解”“评估”思维提升幅度最小，“抽象”思维提升幅度接近“算法”思维的提升幅度，“概括”思维平均成绩接近“算法”思维的平均成绩。结果说明，较对照组而言，实验组学生的“抽象”“概括”思维的平均成绩提升幅度最大，此结果与学生实验单中“成为网络故障观察行家”（培养抽象思维）和“成就故障分析专家”（培养概括思维）两部分内容学生完成质量较为一致。

（四）实验组偏差认知学生的转变情况及其与计算思维前后测的相关分析

实验组经过实验教学后，原来33位偏差认知学生中的40%（13人）实现了认知转变，除“以偏概全”人數增加3人，其他三种偏差类型人数均明显减少。根据表5数据可知，实验组学生后测计算思维水平显著提高，由此说明偏差认知的转变较大程度上促进了学生计算思维的发展。进一步数据分析发现，“表未及里”类型中还未实现偏差认知转变的学生（7人），其计算思维水平较低（33.32分），即实验教学对这部分学生的学习效果并不明显;“以偏概全”的偏差人数由原来5人增加到8人，但是学生整体计算思维水平较高（71.89分），经过对该类型中学生问卷答题情况逐一分析发现，产生这种情况的原因是“以偏概全”与“基本科学”的分类标准较为接近，导致在实际分类过程中存在误差。

五、研究结论

（一）关注学习者与学习内容之间的关系是偏差认知转变的基础

数据结果表明，78.6%的学生对“网络故障排查”所涉及的知识或技能存在偏差认知。教师从学习者和学习内容两个维度对这些偏差认知形成的原因进行深入分析，结果发现偏差认知可分类。这与尹相杰等人的研究发现相一致，即前概念是可以分类的，并且充分地关注学生，精准把握学生对学习内容的认知（C-L）是十分必要的[22]。因此，综合考虑学习者与学习内容，根据偏差认知类型设计学习资源，是偏差认知转变的基础，也是促进学生有效学习的起点。

（二）偏差认知转变的过程也是计算思维发展的过程

知识、思维和价值三个层面的因素形成了素养，三个层面有机整合在一起，就能促进学生全面而和谐的发展[23]。学科知识、学科思维和学科价值三个层面的有机整合形成了学科核心素养，因此，作为信息技术学科思维的计算思维的发展离不开本体性知识的学习。研究结果显示，偏差认知学生中的40%实现了偏差认知的完全转变，90%学生的计算思维得到了发展。由此证明，实现偏差认知的转变是有效学习学科知识的基础，偏差认知转变与计算思维发展正相关。相关研究表明，偏差认知转变的条件之一是对原有认知的不满[21]，更进一步的研究表明，“引发认知冲突”成为偏差认知转变的传统方法。这些观点也与赵国庆等的研究结论相一致，赵国庆在其研究中表明，认知冲突是思维发展的起点，也是思维发展的必要条件[24]。因此，知识、思维在学生偏差认知转变这一“过程”中得以发生、升华，即“引发认知冲突”并促使学生偏差认知转变的过程就是计算思维发展的过程。

（三）个性化学习设计可以有效促进计算思维的发展

本研究表明，对照组学生的计算思维发展水平没有显著性变化，实验组学生的计算思维水平有显著性变化。由此推断，计算思维水平不会因学习者个体自然认知的发展而发展，而个性化实验环境、学习资源包和学习过程的设计，更接近学习者学习的本质需求，促使学生更加主动地学习、更加自主地建构知识，因此，学生计算思维得到发展。这也与林崇德等的研究结论相似：学习是一个积极主动建构的过程，学生积极主动的思考，促进了学生思维结构的发展[25]。

（四）技术应着眼于学习者与学习内容的差异性和发展性

研究结果表明，仍有个别学生的计算思维没有得到发展或提升，说明以实验教学为主的学习设计对于个别学生在促进计算思维方面是无效的。即个性化实验教学对大部分学生的计算思维发展是有效的，但不一定适合所有学生及学习内容的需求。这与CTCL理论的观点相一致：技术的运用要适应于学习者的状况以及学习内容，使它们相互间达到最好的融合状态，以达到改善学习的效果[26]。因此，教学实践中，教师不应为了使用技术而使用技术，而是要充分关注由学习者构成的共同体的发展性以及学习者、学习内容的个体差异性，方能真正体现技术带来的系统优化的根本价值所在[26]。

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