張子儀 劉文靜 焦寶聰

摘 要：為了培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，并解決傳統(tǒng)編程課程中教學(xué)效率低下的問題，通過梳理當(dāng)前編程教育研究現(xiàn)狀，引入STEAM教學(xué)理念。在借鑒ADDIE模型與項目學(xué)習(xí)模式并綜合多種教學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提出面向邏輯能力培養(yǎng)的編程課程教學(xué)實施模型——元項目教學(xué)模型，并以Scratch教學(xué)為例進行教學(xué)設(shè)計。實踐結(jié)果表明，該教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，提升學(xué)習(xí)效率，并促進學(xué)生思維能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計模型;邏輯能力;編程;Scratch;元項目教學(xué)模式

DOI：10. 11907/rjdk. 182934

中圖分類號：G436

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）006-0216-05

Abstract： In order to cultivate students' logical thinking ability and solve the problem of low teaching efficiency in traditional programming courses， this paper combs the current research status of programming education and introduces STEAM teaching concept. By drawing on ADDIE model and project learning mode and integrating various teaching theories， this paper proposes the teaching implementation model of programming curriculum oriented to logic ability training， i.e. the meta-project teaching model is proposed，and Scratch teaching is taken as an example for teaching design. The practical results show that the teaching model can stimulate students learning motivation， improve students' learning efficiency and promote the development of students' thinking ability.

Key Words： teaching design model; logical ability; programming; Scratch; meta-project teaching model

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及“人工智能4.0”時代的到來，對學(xué)生的編程能力提出了新的要求。編程教學(xué)如今已在我國中小學(xué)信息技術(shù)課程中得到了廣泛開展，中小學(xué)編程教育已成為國際教育研究的熱點之一[1]。但由于編程工具的特殊性，即編程工具僅是編程方法與算法的載體，而且更新?lián)Q代很快，因此要求編程課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式與評價等應(yīng)與傳統(tǒng)教學(xué)方式有所區(qū)別。

國外有關(guān)編程教學(xué)的研究較早，從20世紀(jì)80年代起，編程教育研究就已從單純的編程教學(xué)轉(zhuǎn)向編程與其它學(xué)科的融合，并將編程作為一種表達(dá)思維的工具。如英國在100多所小學(xué)實施的ScratchMath（SM）項目即是利用圖形化編程工具Scratch表達(dá)學(xué)生的數(shù)學(xué)思想，Breton等[2]在該項目研究中提出融合數(shù)學(xué)學(xué)科的編程教學(xué)“5E模式”;Noss&Holves[2]指出編程具有培養(yǎng)學(xué)習(xí)者思維能力的獨特優(yōu)勢，“編程可以為學(xué)習(xí)者提供思想表達(dá)的畫布，學(xué)習(xí)者在屏幕上畫出他在腦中搭建的半具體的理性結(jié)構(gòu)”。國內(nèi)關(guān)于編程教學(xué)的研究起步較晚，主要分為以下3個方面：一是對特定編程課程，如C語言、Java語言、APP Inventor等課程適用教學(xué)模式的開發(fā)與設(shè)計研究，如藍(lán)天[3]提出基于項目、同伴、熱情、玩耍4P原則的Scratch教學(xué)設(shè)計，黃麗[4]提出基于STEAM教育理念的初中信息技術(shù)課程設(shè)計等;二是在編程工具支持下對某種思維方式的培養(yǎng)，如方海光[5]等基于3種常用編程技術(shù)提出面向計算思維培養(yǎng)的課堂模型，徐姍姍[6]以創(chuàng)客教育為背景，提出一種促進學(xué)生創(chuàng)新思維發(fā)展的教學(xué)模式等;三是對某種已提出的教學(xué)模式進行實踐研究，并根據(jù)自己的實踐經(jīng)歷進行調(diào)整，如孫聘[7]以PBL（Project-Based Learning）模式為基礎(chǔ)對小學(xué)Scratch編程教學(xué)進行實踐研究，李莉[8]根據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)設(shè)計（Web-Based Instructional Design，WBID）模型進行HTML語言課程教學(xué)設(shè)計等。

算法是程序的靈魂，算法設(shè)計對于邏輯思維能力培養(yǎng)有著得天獨厚的優(yōu)勢，以上研究從理論與實踐角度探討了適用于編程教學(xué)實施的模型，但是學(xué)會編程工具并非終點，皮亞杰提出培養(yǎng)兒童抽象思維能力是教育需要實現(xiàn)的最高目標(biāo)，因此如何利用編程工具的優(yōu)勢培養(yǎng)學(xué)習(xí)者邏輯思維能力是本文研究的核心問題。研究者Papert[9]提出編程教育的一個范式，即當(dāng)學(xué)習(xí)者主動參與到建構(gòu)公共實體（Public Entity）時，此時被看作學(xué)習(xí)知識最有效的階段。本文從該范式出發(fā)，以“項目”作為學(xué)習(xí)者建構(gòu)的公共實體進行教學(xué)模型搭建，以期有效培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

1 研究背景

當(dāng)代教育設(shè)計理論認(rèn)為，通過培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的邏輯思維能力等高階思維能力，以及培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力并養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣[10]，對于當(dāng)今時代學(xué)習(xí)者創(chuàng)新能力的提升極為重要。在當(dāng)前STEAM教育火熱推進的背景下，STEAM教育與編程課程的融合展現(xiàn)出巨大的生命力。

1.1 STEAM教育理念

STEAM教育是指將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)與藝術(shù)結(jié)合在一起的跨學(xué)科教育模式，該教育模式蘊含的STEAM教育理念主要包括3部分：①整合理念。STEAM教育強調(diào)將多個學(xué)科中的一門與多門進行有效整合，Lyn[11]指出該融合絕非學(xué)科知識的疊加，而是建立在學(xué)科內(nèi)容關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)上進行的深度融合;②“做中學(xué)”理念。STEAM教育強調(diào)對學(xué)生實踐能力與問題解決能力的培養(yǎng)，同時注重培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力與創(chuàng)新能力。STEAM課程鼓勵學(xué)生動手創(chuàng)作，使學(xué)生能熟練運用數(shù)學(xué)建模知識、工程設(shè)計知識及多種技術(shù)手段解決實際問題[4];③項目式教學(xué)理念與協(xié)作學(xué)習(xí)理念。項目式學(xué)習(xí)是指教師通過前期分析設(shè)計出具有一定拓展性與情境性的題目，學(xué)生通過建立探究社區(qū)并以小組為單位，在項目實施過程中運用跨學(xué)科知識提升綜合素養(yǎng)與創(chuàng)造力[12]。

1.2 邏輯思維在STEAM教育理念下的定義

在STEAM課程中需要學(xué)生采用編程或其它方式解決實際問題，這就需要將實際問題抽象為理性概念與算法的思維能力，以及結(jié)合符號語言與學(xué)科知識解決特定問題的邏輯思維能力。因此，通過總結(jié)目前國際上對邏輯思維能力的定義，并結(jié)合STEAM編程課程，對邏輯思維定義如下：在STEAM課程中，理解抽象概念，運用概念進行判斷，并利用編程語言按照一定邏輯關(guān)系執(zhí)行判斷，以及分類、泛化、表示問題，進而通過計算解決問題的模擬與檢驗思維能力[13]。

1.3 ADDIE模型與項目學(xué)習(xí)

教學(xué)設(shè)計理論有著系統(tǒng)性、拓展性、科學(xué)性與藝術(shù)性相統(tǒng)一的特征[8]，教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計模型是對教學(xué)設(shè)計理論直觀、精簡的表示，雖然不同教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計模型的關(guān)注點、結(jié)構(gòu)、要素、側(cè)重點各異，但都有著共同的教學(xué)設(shè)計特征，即ADDIE模型。該模型于1975年提出，不僅被美國空軍普遍采用，而且成為教學(xué)系統(tǒng)中最重要的模型之一[14]，該模型對本研究模型的建立也起到了關(guān)鍵作用。ADDIE模型具體包括分析（Analysis）、設(shè)計（Design）、開發(fā)（Development）、實施（Implementation）、評價（Evaluation）5個步驟，該模型不僅總結(jié)了教學(xué)設(shè)計構(gòu)成要素，而且規(guī)定了教學(xué)設(shè)計的通用流程與步驟。在該模型中將評價分為總結(jié)性評價與過程性評價，過程性評價貫穿教學(xué)設(shè)計始終，并提供對教學(xué)環(huán)節(jié)修改情況的反饋，總結(jié)性評價在教學(xué)實施階段之后進行。

項目學(xué)習(xí)（Project-based Learning，PBL）是將管理學(xué)中的“項目”概念運用于教學(xué)領(lǐng)域而形成的新型教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)生要在真實的學(xué)習(xí)環(huán)境中圍繞項目進行合作式自主學(xué)習(xí)，通過不斷解決問題以完成項目，并得到最終作品，從而主動完成對知識的建構(gòu)[17]。項目學(xué)習(xí)主要由內(nèi)容、活動、情境、結(jié)果4大要素構(gòu)成，其中項目學(xué)習(xí)活動由3部分組成，包括：①問題探究與調(diào)查;②根據(jù)問題情境提出解決方案;③作品測試與公開演示。

2 元項目教學(xué)模式

當(dāng)前編程課程教學(xué)一般采用線性教學(xué)，即從語言基礎(chǔ)出發(fā)，逐步介紹語言功能、流程控制、數(shù)組，直到簡單系統(tǒng)設(shè)計等[15]。該教學(xué)方式重視知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性與邏輯性，但會大大降低編程類課程的綜合性、實用性與趣味性，不利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)動機，也不利于學(xué)生高階思維能力與自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

本文教學(xué)設(shè)計模型搭建以ADDIE模型作為教學(xué)設(shè)計流程框架，結(jié)合項目學(xué)習(xí)模式，并借鑒活動理論在項目活動設(shè)計中考慮活動的六要素。本模型創(chuàng)新點在于教學(xué)實施模型的搭建，在項目教學(xué)模式基礎(chǔ)上，將項目教學(xué)分為兩個步驟，第一步為元項目教學(xué)，元項目即項目開始之前的引入項目，在該階段教師以范例教學(xué)為主、項目式教學(xué)為輔;第二步為項目學(xué)習(xí)，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)為主。最關(guān)鍵的是，教師的支架教學(xué)貫穿該實施模型始終。

根據(jù)該設(shè)計流程，編程課程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)分為5大環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)又包括多個組成部分。在該流程中，分析階段中的客觀分析與目標(biāo)分析是首要步驟，學(xué)習(xí)需求分析是架構(gòu)客觀分析與目標(biāo)分析的橋梁。學(xué)習(xí)內(nèi)容是指為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，要求學(xué)習(xí)者系統(tǒng)學(xué)習(xí)的知識、技能與行為規(guī)范的總和，學(xué)習(xí)內(nèi)容分析則是對項目教學(xué)內(nèi)容知識深度與廣度，以及知識間的聯(lián)系與結(jié)構(gòu)進行分析。常用的內(nèi)容分析法有很多，比如歸類分析、層級分析、信息加工、圖解分析等，學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計的清晰程度越高，越有利于教學(xué)策略制定。教學(xué)者可以運用網(wǎng)絡(luò)圖繪制的方法制定教學(xué)內(nèi)容，如楊開城[16]提出的繪制知識網(wǎng)絡(luò)圖方法與WBID模型介紹的學(xué)習(xí)任務(wù)地圖法[8]。

好的項目需要精細(xì)化的設(shè)計，項目設(shè)計階段需要結(jié)合項目情境，根據(jù)學(xué)習(xí)需要與對學(xué)習(xí)內(nèi)容等的分析作出具體教學(xué)序列安排。筆者認(rèn)為，項目活動設(shè)計不只是對項目的安排與設(shè)計，還應(yīng)包括對活動的考慮與設(shè)計。根據(jù)項目學(xué)習(xí)理論與活動層次模型，項目活動設(shè)計應(yīng)包括4個環(huán)節(jié)，如圖1所示。與一般項目教學(xué)模型不同的是，該設(shè)計流程將活動中的規(guī)則設(shè)計與共同體設(shè)計納入教學(xué)設(shè)計步驟。共同體是指知識建構(gòu)環(huán)境中學(xué)習(xí)者、指導(dǎo)者和教師共同組成的團體，共同體設(shè)計屬于學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計，積極的相互依賴、高度凝聚與有效的支架策略以及明確的任務(wù)安排都屬于共同體設(shè)計范疇，良好的共同體可促進學(xué)生更積極地參與學(xué)習(xí)活動，從而有利于其邏輯思維等高階思維能力的發(fā)展。有效的教學(xué)活動需要一定課堂規(guī)則，教師在設(shè)計階段有必要考慮制定通用或特殊的課堂實施規(guī)則，同時應(yīng)設(shè)計課堂評價規(guī)則，為貫徹全程的過程性評價與最后階段的總結(jié)性評價提供參考[14]。

項目活動設(shè)計完成后將進行備課，也即進入開發(fā)階段。在前兩階段基礎(chǔ)上選擇主教材資源，同時編制輔助教學(xué)材料，從而生成具體項目教學(xué)內(nèi)容，以最大化地傳達(dá)教學(xué)信息量。在該階段還需要進行支架材料開發(fā)，設(shè)計概念支架訓(xùn)練材料及策略，并進行程序支架活動內(nèi)容編排等。

基于邏輯思維發(fā)展的教學(xué)模型實施模型共包含6個環(huán)節(jié)。經(jīng)過前期的分析、設(shè)計與開發(fā)階段，將得出的項目內(nèi)容、小組分組、活動規(guī)則、學(xué)習(xí)者認(rèn)知風(fēng)格與學(xué)習(xí)風(fēng)格作為輸入，經(jīng)元項目教學(xué)與項目活動教學(xué)的實施，最終實現(xiàn)學(xué)習(xí)者邏輯思維等高階思維能力與編程課程知識與編程能力的輸出。在教學(xué)實施過程中，教師的支架教學(xué)輔導(dǎo)與過程性評價貫穿始終。

（1）元項目教學(xué)環(huán)節(jié)。北京大學(xué)丘維聲教授[17]認(rèn)為，深刻、抽象的教學(xué)可通過“解剖麻雀”方式講解深刻的理論是如何得來的，提出要研究的問題并探索論證其中的可能規(guī)律。編程教學(xué)也是一樣，編程教學(xué)語言對初學(xué)者而言過于抽象，教學(xué)者若進行逐句講解將會大大降低教學(xué)的有效性，而元項目教學(xué)可以給學(xué)習(xí)者提供一個內(nèi)容精簡而全面的“麻雀”。元項目選擇策略包括：①基于真實且切身的情境;②體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容且具有開拓性;③根據(jù)學(xué)習(xí)者認(rèn)知基礎(chǔ)進行編排設(shè)計且符合學(xué)習(xí)規(guī)律。

（2）項目學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。學(xué)生在該環(huán)節(jié)進行基于一定情境的項目學(xué)習(xí)活動，教師應(yīng)對分組策略與活動組織策略加以關(guān)注，比如研究表明異質(zhì)小組比同質(zhì)小組更有利于學(xué)習(xí)者邏輯思維能力的發(fā)展，高水平學(xué)習(xí)者集中在一起會阻礙合作，主動和反思型學(xué)習(xí)者構(gòu)成的混合型小組容易產(chǎn)生更高績效等[18]?；顒咏M織策略包括頭腦風(fēng)暴、旋轉(zhuǎn)木馬、虛擬圓桌等。小組確定之后，小組內(nèi)部與小組之間以元項目涉及的知識與技能為范圍，結(jié)合真實情境自主確定項目，并交予教師審核，項目確定之后小組按照一定策略與方法制定方案、體驗實施并進行最終的測試與調(diào)整。

（3）展示與交流環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)給予學(xué)習(xí)者將項目構(gòu)思、設(shè)計步驟與框架、糾錯迭代及思維轉(zhuǎn)化過程“說出來”的機會。復(fù)述是重新組織認(rèn)知過程的一個重要策略，可以有效培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的邏輯思維能力。教師首先制定評價展示答辯環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，并制作成評價表發(fā)放給每個小組，講述評價規(guī)則與流程，使每個成員都成為“評價者”;然后進入答辯環(huán)節(jié)，教師與部分學(xué)生代表通過有意義的提問使學(xué)習(xí)者思路更加清晰;得出一定評判結(jié)論后，最后進入小組評價環(huán)節(jié)。

（4）支架教學(xué)輔導(dǎo)環(huán)節(jié)。根據(jù)漢納芬對支架的分類，即將支架分為概念支架、元認(rèn)知支架、程序性支架與策略支架[18]，教師可根據(jù)不同教學(xué)情境選擇不同的支架策略。研究表明，教師可通過在概念闡釋過程中有意識地使用思維導(dǎo)圖、概念構(gòu)圖等概念支架，以提高學(xué)生的邏輯思維能力。如陸航[10]提出在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)加入6S元認(rèn)知策略，有利于提高學(xué)生邏輯思維能力。教師還可利用線上平臺設(shè)計一種專門提供問題解決方案的程序性支架，以支持學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)與自主性學(xué)習(xí)。

（5）評價環(huán)節(jié)。根據(jù)ADDIE模型，將評價分為過程性評價與總結(jié)性評價。在前期設(shè)計開發(fā)階段確定評價規(guī)則與評價方式能有效預(yù)防與克服惰性，激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機。教學(xué)實施過程中，教師通過提供相關(guān)量表進行課中測試，并結(jié)合線上平臺學(xué)生提交的成果進行評分;設(shè)計多元化的課程展示方式如答辯匯報、角色扮演、小組演出等進行總結(jié)性評價，通過師生提問、組間爭論，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思考與思辨能力。在形成性評價中，學(xué)習(xí)者可以了解問題解決與思路形成過程中的問題與不足，從而提高學(xué)習(xí)者的認(rèn)知與元認(rèn)知能力。

3 元項目教學(xué)模型應(yīng)用——以Scratch為例

基于邏輯思維能力發(fā)展的編程課程實施模型包括6個基本環(huán)節(jié)，本文以Scratch編程軟件中制作“畫圓機器人”為例進行教學(xué)設(shè)計（見表1），并對元教學(xué)環(huán)節(jié)中的教學(xué)實施流程進行設(shè)計與記錄（見表2），從而為教學(xué)模式的實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

項目活動階段，教師可以分發(fā)制作好的元認(rèn)知調(diào)控單，以幫助學(xué)生調(diào)控認(rèn)知過程。以Scratch課程為例的項目元認(rèn)知調(diào)控單如表3所示。

4 結(jié)語

本文提出一種基于邏輯能力發(fā)展的編程課程教學(xué)模式，將教學(xué)實施過程分解為元項目教學(xué)與項目活動階段，并將教師的支架輔導(dǎo)策略應(yīng)用于教學(xué)全過程，從而建立將范例教學(xué)與項目教學(xué)方式相結(jié)合、自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)方式相結(jié)合的教學(xué)模型。本文還有很多需要突破與改進的地方，一是本文提出的教學(xué)模型是結(jié)合文獻研究與親身教學(xué)實踐基礎(chǔ)上總結(jié)得出的，屬于教學(xué)設(shè)計模型的預(yù)成模式，因而不能全面考慮現(xiàn)場情況，難免顯得死板與僵硬;二是研究時間較短，思考尚不夠深入;三是需進一步簡化模型，并加入更多認(rèn)知與元認(rèn)知策略方案。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>