張子儀 劉文靜 焦寶聰

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

關鍵詞：教學設計模型;邏輯能力;編程;Scratch;元項目教學模式

DOI：10. 11907/rjdk. 182934

中圖分類號：G436

文獻標識碼：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

隨著信息技術的快速發(fā)展，以及“人工智能4.0”時代的到來，對學生的編程能力提出了新的要求。編程教學如今已在我國中小學信息技術課程中得到了廣泛開展，中小學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目標、教學模式與評價等應與傳統(tǒng)教學方式有所區(qū)別。

國外有關編程教學的研究較早，從20世紀80年代起，編程教育研究就已從單純的編程教學轉向編程與其它學科的融合，并將編程作為一種表達思維的工具。如英國在100多所小學實施的ScratchMath（SM）項目即是利用圖形化編程工具Scratch表達學生的數(shù)學思想，Breton等[2]在該項目研究中提出融合數(shù)學學科的編程教學“5E模式”;Noss&Holves[2]指出編程具有培養(yǎng)學習者思維能力的獨特優(yōu)勢，“編程可以為學習者提供思想表達的畫布，學習者在屏幕上畫出他在腦中搭建的半具體的理性結構”。國內關于編程教學的研究起步較晚，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等課程適用教學模式的開發(fā)與設計研究，如藍天[3]提出基于項目、同伴、熱情、玩耍4P原則的Scratch教學設計，黃麗[4]提出基于STEAM教育理念的初中信息技術課程設計等;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，提出一種促進學生創(chuàng)新思維發(fā)展的教學模式等;三是對某種已提出的教學模式進行實踐研究，并根據(jù)自己的實踐經歷進行調整，如孫聘[7]以PBL（Project-Based Learning）模式為基礎對小學Scratch編程教學進行實踐研究，李莉[8]根據(jù)基于網(wǎng)絡的教學設計（Web-Based Instructional Design，WBID）模型進行HTML語言課程教學設計等。

算法是程序的靈魂，算法設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實施的模型，但是學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，因此如何利用編程工具的優(yōu)勢培養(yǎng)學習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，即當學習者主動參與到建構公共實體（Public Entity）時，此時被看作學習知識最有效的階段。本文從該范式出發(fā)，以“項目”作為學習者建構的公共實體進行教學模型搭建，以期有效培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，為后續(xù)學習打下堅實基礎。

1 研究背景

當代教育設計理論認為，通過培養(yǎng)學習者的邏輯思維能力等高階思維能力，以及培養(yǎng)其自主學習能力并養(yǎng)成終身學習的習慣[10]，對于當今時代學習者創(chuàng)新能力的提升極為重要。在當前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、技術、工程、數(shù)學與藝術結合在一起的跨學科教育模式，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教育強調將多個學科中的一門與多門進行有效整合，Lyn[11]指出該融合絕非學科知識的疊加，而是建立在學科內容關聯(lián)性基礎上進行的深度融合;②“做中學”理念。STEAM教育強調對學生實踐能力與問題解決能力的培養(yǎng)，同時注重培養(yǎng)學生的批判性思維能力與創(chuàng)新能力。STEAM課程鼓勵學生動手創(chuàng)作，使學生能熟練運用數(shù)學建模知識、工程設計知識及多種技術手段解決實際問題[4];③項目式教學理念與協(xié)作學習理念。項目式學習是指教師通過前期分析設計出具有一定拓展性與情境性的題目，學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，以及結合符號語言與學科知識解決特定問題的邏輯思維能力。因此，通過總結目前國際上對邏輯思維能力的定義，并結合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模型與項目學習

教學設計理論有著系統(tǒng)性、拓展性、科學性與藝術性相統(tǒng)一的特征[8]，教學系統(tǒng)設計模型是對教學設計理論直觀、精簡的表示，雖然不同教學系統(tǒng)設計模型的關注點、結構、要素、側重點各異，但都有著共同的教學設計特征，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鍵作用。ADDIE模型具體包括分析（Analysis）、設計（Design）、開發(fā)（Development）、實施（Implementation）、評價（Evaluation）5個步驟，該模型不僅總結了教學設計構成要素，而且規(guī)定了教學設計的通用流程與步驟。在該模型中將評價分為總結性評價與過程性評價，過程性評價貫穿教學設計始終，并提供對教學環(huán)節(jié)修改情況的反饋，總結性評價在教學實施階段之后進行。

項目學習（Project-based Learning，PBL）是將管理學中的“項目”概念運用于教學領域而形成的新型教學模式，強調學生要在真實的學習環(huán)境中圍繞項目進行合作式自主學習，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[17]。項目學習主要由內容、活動、情境、結果4大要素構成，其中項目學習活動由3部分組成，包括：①問題探究與調查;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 元項目教學模式

當前編程課程教學一般采用線性教學，即從語言基礎出發(fā)，逐步介紹語言功能、流程控制、數(shù)組，直到簡單系統(tǒng)設計等[15]。該教學方式重視知識結構的系統(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，不利于提高學生學習動機，也不利于學生高階思維能力與自主學習能力的培養(yǎng)。

本文教學設計模型搭建以ADDIE模型作為教學設計流程框架，結合項目學習模式，并借鑒活動理論在項目活動設計中考慮活動的六要素。本模型創(chuàng)新點在于教學實施模型的搭建，在項目教學模式基礎上，將項目教學分為兩個步驟，第一步為元項目教學，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為主、項目式教學為輔;第二步為項目學習，以學生自主學習與協(xié)作學習為主。最關鍵的是，教師的支架教學貫穿該實施模型始終。

根據(jù)該設計流程，編程課程教學系統(tǒng)設計環(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分析是首要步驟，學習需求分析是架構客觀分析與目標分析的橋梁。學習內容是指為實現(xiàn)教學目標，要求學習者系統(tǒng)學習的知識、技能與行為規(guī)范的總和，學習內容分析則是對項目教學內容知識深度與廣度，以及知識間的聯(lián)系與結構進行分析。常用的內容分析法有很多，比如歸類分析、層級分析、信息加工、圖解分析等，學習內容設計的清晰程度越高，越有利于教學策略制定。教學者可以運用網(wǎng)絡圖繪制的方法制定教學內容，如楊開城[16]提出的繪制知識網(wǎng)絡圖方法與WBID模型介紹的學習任務地圖法[8]。

好的項目需要精細化的設計，項目設計階段需要結合項目情境，根據(jù)學習需要與對學習內容等的分析作出具體教學序列安排。筆者認為，項目活動設計不只是對項目的安排與設計，還應包括對活動的考慮與設計。根據(jù)項目學習理論與活動層次模型，項目活動設計應包括4個環(huán)節(jié)，如圖1所示。與一般項目教學模型不同的是，該設計流程將活動中的規(guī)則設計與共同體設計納入教學設計步驟。共同體是指知識建構環(huán)境中學習者、指導者和教師共同組成的團體，共同體設計屬于學習環(huán)境設計，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安排都屬于共同體設計范疇，良好的共同體可促進學生更積極地參與學習活動，從而有利于其邏輯思維等高階思維能力的發(fā)展。有效的教學活動需要一定課堂規(guī)則，教師在設計階段有必要考慮制定通用或特殊的課堂實施規(guī)則，同時應設計課堂評價規(guī)則，為貫徹全程的過程性評價與最后階段的總結性評價提供參考[14]。

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

基于邏輯思維發(fā)展的教學模型實施模型共包含6個環(huán)節(jié)。經過前期的分析、設計與開發(fā)階段，將得出的項目內容、小組分組、活動規(guī)則、學習者認知風格與學習風格作為輸入，經元項目教學與項目活動教學的實施，最終實現(xiàn)學習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。在教學實施過程中，教師的支架教學輔導與過程性評價貫穿始終。

（1）元項目教學環(huán)節(jié)。北京大學丘維聲教授[17]認為，深刻、抽象的教學可通過“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。編程教學也是一樣，編程教學語言對初學者而言過于抽象，教學者若進行逐句講解將會大大降低教學的有效性，而元項目教學可以給學習者提供一個內容精簡而全面的“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)教學內容且具有開拓性;③根據(jù)學習者認知基礎進行編排設計且符合學習規(guī)律。

（2）項目學習環(huán)節(jié)。學生在該環(huán)節(jié)進行基于一定情境的項目學習活動，教師應對分組策略與活動組織策略加以關注，比如研究表明異質小組比同質小組更有利于學習者邏輯思維能力的發(fā)展，高水平學習者集中在一起會阻礙合作，主動和反思型學習者構成的混合型小組容易產生更高績效等[18]?；顒咏M織策略包括頭腦風暴、旋轉木馬、虛擬圓桌等。小組確定之后，小組內部與小組之間以元項目涉及的知識與技能為范圍，結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整。

（3）展示與交流環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)給予學習者將項目構思、設計步驟與框架、糾錯迭代及思維轉化過程“說出來”的機會。復述是重新組織認知過程的一個重要策略，可以有效培養(yǎng)學習者的邏輯思維能力。教師首先制定評價展示答辯環(huán)節(jié)的標準，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)，教師與部分學生代表通過有意義的提問使學習者思路更加清晰;得出一定評判結論后，最后進入小組評價環(huán)節(jié)。

（4）支架教學輔導環(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、元認知支架、程序性支架與策略支架[18]，教師可根據(jù)不同教學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圖、概念構圖等概念支架，以提高學生的邏輯思維能力。如陸航[10]提出在課堂教學環(huán)節(jié)加入6S元認知策略，有利于提高學生邏輯思維能力。教師還可利用線上平臺設計一種專門提供問題解決方案的程序性支架，以支持學生的協(xié)作學習與自主性學習。

（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性評價。在前期設計開發(fā)階段確定評價規(guī)則與評價方式能有效預防與克服惰性，激發(fā)學習者學習動機。教學實施過程中，教師通過提供相關量表進行課中測試，并結合線上平臺學生提交的成果進行評分;設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性評價，通過師生提問、組間爭論，培養(yǎng)學生的邏輯思考與思辨能力。在形成性評價中，學習者可以了解問題解決與思路形成過程中的問題與不足，從而提高學習者的認知與元認知能力。

3 元項目教學模型應用——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”為例進行教學設計（見表1），并對元教學環(huán)節(jié)中的教學實施流程進行設計與記錄（見表2），從而為教學模式的實際應用提供參考依據(jù)。

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

4 結語

本文提出一種基于邏輯能力發(fā)展的編程課程教學模式，將教學實施過程分解為元項目教學與項目活動階段，并將教師的支架輔導策略應用于教學全過程，從而建立將范例教學與項目教學方式相結合、自主學習與協(xié)作學習方式相結合的教學模型。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模型是結合文獻研究與親身教學實踐基礎上總結得出的，屬于教學設計模型的預成模式，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，并加入更多認知與元認知策略方案。

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（責任編輯：黃 健）