摘 要：在社區(qū)教育中開展編程學(xué)習(xí)項目彌補義務(wù)教育階段信息學(xué)普通教育之不足。研究發(fā)現(xiàn)編程學(xué)習(xí)對元認知能力具有正向影響作用。通過對提升元認知能力的思維訓(xùn)練編程課程的框架、教學(xué)支架的建構(gòu)研究，力求使編程學(xué)習(xí)對學(xué)生思維能力有所助益，從而提升學(xué)生的整體學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：編程教育；元認知能力；思維訓(xùn)練 ；框架設(shè)計

中圖分類號：G642；TP311.1-4文獻標識碼：A文章編號：2095-9052（2024）10-0214-03

引言

在科技與人工智能日新月異的時代，信息學(xué)在義務(wù)教育階段的價值日益凸顯，尤其編程類課程對于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力具有顯著效果［1］。然而，現(xiàn)實情況并不理想。據(jù)顧小清等人于2022年對全國31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的義務(wù)教育階段信息科技學(xué)科的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，近半數(shù) （49.81%）中小學(xué)校并未開設(shè)信息科技課程，而只開設(shè)一門信息科技課程的學(xué)校占35.85%［2］，這揭示了我國信息學(xué)教育在地域間的普及程度存在明顯差距。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，教育部適時發(fā)布了關(guān)于發(fā)展社區(qū)教育指導(dǎo)意見，強調(diào)以社區(qū)教育的普惠性原則促進教育公平，堅持以人為本，需求導(dǎo)向［3］，旨在借助社區(qū)教育資源填補學(xué)校教育的不足，特別是在信息科技教育方面的匱乏。在此背景下，廣東開放大學(xué)分部汕頭開放大學(xué)積極響應(yīng)國家政策，于2022年在社區(qū)教育中啟動了義務(wù)教育階段的思維訓(xùn)練編程學(xué)習(xí)項目。該項目采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，旨在提供個性化、普及性思維訓(xùn)練編程課程，成為義務(wù)教育體系內(nèi)信息科技學(xué)科的有效補充。項目團隊設(shè)計出社區(qū)教育思維訓(xùn)練編程學(xué)習(xí)的路徑框架［4］，力求適應(yīng)不同學(xué)習(xí)者的需求，提升教學(xué)效果。考慮到當(dāng)前義務(wù)教育階段學(xué)生仍面對一定的應(yīng)試壓力，若編程學(xué)習(xí)對學(xué)生思維能力有提升效果，使學(xué)習(xí)能力有所增進，則可發(fā)揮對學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助作用。故本研究將深入剖析汕頭開放大學(xué)社區(qū)編程學(xué)習(xí)項目的實踐案例，提煉成功經(jīng)驗，著力于以提升學(xué)生思維能力為目標，對編程課程的教學(xué)設(shè)計有更完善的建構(gòu)。

一、編程學(xué)習(xí)通過提升元認知能力正向影響學(xué)習(xí)效果

在探索提升學(xué)生思維能力的有效路徑中發(fā)現(xiàn)個體思維能力的高低是通過思維品質(zhì)的差異體現(xiàn)，思維品質(zhì)與元認知存在顯著或非常顯著的相關(guān)，這種聯(lián)系實質(zhì)是因果關(guān)系。元認知與思維品質(zhì)實質(zhì)上是同一事物的兩個方面，思維品質(zhì)是思維整個結(jié)構(gòu)的功能和外在表現(xiàn)形式，而元認知則是思維整個結(jié)構(gòu)功能的內(nèi)在組織形式［5］。元認知能力在各個學(xué)科的學(xué)習(xí)中起著關(guān)鍵正向作用，正向結(jié)果較突出的學(xué)科是數(shù)學(xué)。另有研究發(fā)現(xiàn)元認知能力的成熟對學(xué)習(xí)自主性和學(xué)習(xí)成績有提升作用。因此，元認知能力的提升對個體學(xué)習(xí)能力具有顯著影響。

（一）編程過程是元認知訓(xùn)練過程，可促使元認知監(jiān)控成熟

元認知能力的訓(xùn)練分為內(nèi)隱訓(xùn)練與外顯訓(xùn)練兩種類型。內(nèi)隱訓(xùn)練是指情境體驗式學(xué)習(xí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過自主思考與情感體驗，對學(xué)習(xí)目標與教學(xué)過程深入剖析與感悟，從而內(nèi)化相關(guān)知識。外顯訓(xùn)練則強調(diào)通過教師的詳細指導(dǎo)與明確要求，引導(dǎo)學(xué)生將內(nèi)在思維過程外化為可見的學(xué)習(xí)行為，使他們能夠清晰地呈現(xiàn)解決問題的路徑。程序的編寫過程實際上包含了元認知訓(xùn)練內(nèi)隱和外顯訓(xùn)練兩方面的緊密結(jié)合，它嚴格遵循元認知監(jiān)控的各個步驟，為學(xué)習(xí)者提供了系統(tǒng)的思維訓(xùn)練平臺。具體言之，編程過程可細分為以下幾基本的步驟：

1.分析問題與流程圖繪制，呈現(xiàn)程序的基本輪廓。這一階段，編程者首先需深入理解待解決的問題，梳理其內(nèi)在邏輯，預(yù)測可能的解決方案，并通過繪制流程圖直觀展現(xiàn)程序的基本架構(gòu)。此步驟對應(yīng)于元認知監(jiān)控中的計劃與預(yù)估階段，要求學(xué)習(xí)者運用內(nèi)隱訓(xùn)練中的自我反思與問題解析能力，在外顯訓(xùn)練的助力下，清晰地規(guī)劃解決問題的步驟與邏輯脈絡(luò)。

2.用編程語言實現(xiàn)程序。根據(jù)已繪制的流程圖，編程者先用適當(dāng)?shù)恼Z言將邏輯設(shè)計轉(zhuǎn)化為實際代碼。這一過程要求學(xué)習(xí)者精準地將抽象思維轉(zhuǎn)化為具體程序指令，是對內(nèi)隱訓(xùn)練中知識內(nèi)化的實踐檢驗。同時教師在此階段的適時指導(dǎo)與反饋構(gòu)成外顯訓(xùn)練的重要組成部分。在內(nèi)隱和外顯訓(xùn)練的共同作用下，即使所寫程序無法實現(xiàn)目標，編程者也會及時調(diào)整實現(xiàn)策略。

3.編譯運行與調(diào)試。完成編碼后，通過編譯器運行程序以驗證其是否實現(xiàn)目標。若發(fā)現(xiàn)程序未能達到預(yù)期效果或存在錯誤，編程者會啟動元認知的監(jiān)控與調(diào)整機制，重新審視問題、代碼檢查，識別錯誤根源，并據(jù)此進行調(diào)試。這一反復(fù)調(diào)試、修正的過程，既是內(nèi)隱訓(xùn)練中問題解決策略的動態(tài)調(diào)整，也是外顯訓(xùn)練中教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會利用調(diào)試工具，遵循調(diào)試方法論的實戰(zhàn)演練。

4.錯誤修正與迭代優(yōu)化。針對編譯過程中發(fā)現(xiàn)的錯誤，編程者進行修正。隨后再編譯、測試，直到程序完全滿足目標要求。這一階段體現(xiàn)了元認知訓(xùn)練中評價與反饋的過程，內(nèi)隱訓(xùn)練體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者自我評估和自我修正的能力上，而外顯訓(xùn)練則反映在教師對修正過程的指導(dǎo)和對學(xué)生修正成果的評價中。

綜上，完整的編程思維訓(xùn)練過程不僅與元認知監(jiān)測步驟高度契合（如表1所示），而且通過內(nèi)隱與外顯訓(xùn)練的交織進行，有力地促進了學(xué)習(xí)者元認知能力的成熟與發(fā)展。編程中調(diào)試與改錯環(huán)節(jié)尤為重要，它們不僅是元認知監(jiān)控訓(xùn)練的具體實踐，更是確保程序設(shè)計步驟有效執(zhí)行，實現(xiàn)思維能力全面提升的關(guān)鍵所在。因此，學(xué)生在編程中對錯誤的識別，分析與修正，不僅是提升編程技能，更是培養(yǎng)其獨立思考、自主解決問題的重要途徑。

（二）編程過程中反思性思維的發(fā)生，有助于提升元認知水平

編程，是一個從需求出發(fā)而解決問題的過程。在編程伊始，編程者需明確界定目標問題。個體視角與思維差異決定了學(xué)生在面對相同問題時，可能采取不同的編程策略。正是這種差異性，賦予了編程學(xué)習(xí)提升元認知的獨特優(yōu)勢：當(dāng)學(xué)生能獨立分析并編寫程序以達成目標時，教師則可適時引導(dǎo)其尋求更優(yōu)算法，觸發(fā)學(xué)生反思如何編寫更優(yōu)程序；反之，若學(xué)生編寫的程序不能達到目標，他們則更容易自發(fā)進行自我反思性思考。此外，教師也可在程序設(shè)計過程中適時給予反思引導(dǎo)，如處理一些特殊、不可預(yù)見的情況，或?qū)λ季S邏輯混亂但不影響運行的程序段進行反思與檢查。大量文獻研究已證實，編程學(xué)習(xí)中反思性思維對提升學(xué)習(xí)者元認知能力具有積極作用。

（三）編程學(xué)習(xí)中加入認知靈活性訓(xùn)練策略，調(diào)節(jié)元認知監(jiān)測

認知靈活性是指個體能夠根據(jù)情境的變化靈活調(diào)整思維路徑，快速適應(yīng)新任務(wù)或活動的能力。它是執(zhí)行功能（大腦的高級認知機制）的關(guān)鍵組成部分，且通常在個體發(fā)展中較晚成熟。在編程學(xué)習(xí)過程中，具備高認知靈活性的學(xué)生能有效地運用元認知監(jiān)測，即對自己思維過程進行監(jiān)控與調(diào)整，達到有效的元認知控制；而低認知靈活性的學(xué)生其元認知監(jiān)測水平不能有效地改善元認知控制。在編程的學(xué)習(xí)中通常把培養(yǎng)和提升認知靈活性作為重要目標之一，常見的兩種策略是：

1.調(diào)動積極情感情境以促進認知靈活性。

有研究表明，情緒狀態(tài)會影響認知靈活性。積極情緒有助于注意定向的轉(zhuǎn)換，消極情緒延緩了注意定向的轉(zhuǎn)換。積極情緒擴展認知范圍，相反，消極情緒縮窄認知范圍。在編程學(xué)習(xí)中，低年級學(xué)生在圖形化編程、制作動畫游戲、實物編程、物聯(lián)網(wǎng)等，本身趣味性更強，與數(shù)學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)在形式上有一定差別。情緒狀態(tài)通常是積極、期待與高漲的，這些都屬于積極情緒。因此，編程過程有助于注意力定向的轉(zhuǎn)換，提高認知靈活性。

2.編程中實施的認知靈活性訓(xùn)練學(xué)習(xí)策略。

編程教育在鍛煉學(xué)生的認知靈活性方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，它通過多種直接且針對性的方法，幫助學(xué)生超越表象、洞察本質(zhì)，學(xué)會從不同角度思考問題并尋求多種解決方案。比如用編程方式繪制一個正方形與繪制一個五角星、三角形，甚至圓形，其核心使用的都是同一個編程語句。從不同的具象到相同的本質(zhì)，打破學(xué)生對事物固化認知模式。另外，編程實踐強調(diào)“舉一反三”與問題多解的學(xué)習(xí)策略，比如繪制一個圓形的程序可以改編成繪制一朵花，因為花的輪廓也是一個圓。這些學(xué)習(xí)策略都有助于認知靈活性的提升。

二、提升元認知能力的思維訓(xùn)練編程教學(xué)框架構(gòu)建

（一）編程教學(xué)框架

基于以上分析，本研究聚焦于在編程課程設(shè)計中如何通過提升元認知能力，進而提升計算思維能力及整個思維能力表現(xiàn)出優(yōu)秀的思維品質(zhì)，促進學(xué)生學(xué)業(yè)學(xué)習(xí)。結(jié)合伯南與雷斯尼克計算思維三維框架和羅伯特·馬扎諾勾勒教育目標新分類學(xué)框架，建構(gòu)提升元認知能力的思維訓(xùn)練編程課程的教學(xué)框架。此框架是建立教學(xué)者在教學(xué)中引入編程領(lǐng)域特定策略，適用于學(xué)習(xí)任一編程語言時，提升學(xué)習(xí)者的元認知能力的通用范式。

1.理論框架選擇與元認知能力關(guān)聯(lián)。

伯南與雷斯尼克計算思維三維框架涵蓋計算概念（編程語言基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法原理等）、計算實踐（通過實際編程項目，鍛煉程序設(shè)計、調(diào)試與優(yōu)化能力）及計算視角（從宏觀角度理解計算在社會各領(lǐng)域的角色）。羅伯特·馬扎諾教育目標新分類學(xué)框架，特別是其知識加工維度，劃分認知（學(xué)科知識掌握）、元認知（自我認知過程的認識、監(jiān)控與調(diào)控）與自我（關(guān)注情感態(tài)度、價值觀、人生觀等非智力因素，影響學(xué)習(xí)動機、毅力與創(chuàng)新精神）三個層級。兩者結(jié)合，為編程課程設(shè)計構(gòu)建了兼具專業(yè)深度與策略情感支持的指導(dǎo)體系。伯南與雷斯尼克框架確保課程內(nèi)容的專業(yè)扎實，馬扎諾框架特別是元認知與自我維度，旨在強化學(xué)習(xí)策略與情感支撐，通過提升元認知能力，使學(xué)生不僅能高效學(xué)習(xí)編程知識，還能在應(yīng)對復(fù)雜編程任務(wù)時展現(xiàn)出自我調(diào)適、問題解決與創(chuàng)新思維。

2.思維訓(xùn)練編程課程教學(xué)框架的三層結(jié)構(gòu)。

本編程課程的教學(xué)框架遵循從基礎(chǔ)認知到高級思維能力培養(yǎng)的遞進路徑，設(shè)計了三個相互關(guān)聯(lián)、層層遞進的結(jié)構(gòu)層次：第一， 位于認知系統(tǒng)中屬于計算概念范疇的編程學(xué)習(xí)的普遍表征層。編程學(xué)習(xí)的普遍表征層概括了一般編程學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)范式。教學(xué)過程中可借用“案例教學(xué)法”或“實驗教學(xué)法”等實例教學(xué)，實現(xiàn)“做中學(xué)”，減低語法語句學(xué)習(xí)的枯燥感；根據(jù)學(xué)習(xí)者年齡，結(jié)合數(shù)學(xué)背景配置相應(yīng)的編程算法學(xué)習(xí)，編程思維會逐步形成，并隨著普遍表征層的循環(huán)練習(xí)而不斷深化。第二，位于元認知系統(tǒng)中屬于計算實踐范疇的編程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)策略層。 學(xué)習(xí)策略層使用編程思維策略、反思思維策略、認知靈活度策略等。這一層次強調(diào)三個編程策略的重要性，不可欠缺，也不可由教師代勞，由此才可對元認知起有效訓(xùn)練作用。第三，位于自我系統(tǒng)屬于計算視角的學(xué)習(xí)者元認知及思維能力提升層。在編程兩層學(xué)習(xí)活動推進中，學(xué)習(xí)者的元認知監(jiān)控水平得以訓(xùn)練，元認知能力得以提升，從而又助力于外層學(xué)習(xí)活動的持續(xù)進行，進而形成思維理念、觀點、視角等指導(dǎo)思想。

（二）編程教學(xué)支架

支架設(shè)計是一種使教學(xué)和學(xué)習(xí)策略可以得到落實的干預(yù)手段，可以使學(xué)習(xí)者在編程學(xué)習(xí)中按給定的方法方式通過學(xué)習(xí)策略完成思維訓(xùn)練。

1.實現(xiàn)編程思維策略支架。

編程思維策略支架是用不同的方法對程序設(shè)計流程的梳理與強調(diào)?？筛鶕?jù)學(xué)生年齡使用互動教學(xué)；圖畫流程法、填表梳理流程法等各種方法，其目的都是輔助學(xué)生提練編程思路。學(xué)生編程前先獲得情境，理清自己的目標與目的。在整理問題思路的過程中，有些學(xué)生僅需教師示范講解新知識點即可自行運用既有知識與策略，于新情境中構(gòu)建程序流程。對無法獨立列出流程的學(xué)生，教師會在其困惑點提供指導(dǎo)，逐步助其將思維具象為流程。

2.實現(xiàn)反思思維策略支架。

反思思維策略支架的設(shè)計是為了在編程過程中引起學(xué)習(xí)者反省，思考，從而修正。教師可使用注釋提問法在程序中與學(xué)生交流提問，引導(dǎo)學(xué)生反思；教師可引導(dǎo)學(xué)生在編寫代碼過程中對于實現(xiàn)某一功能代碼段加以注釋，在寫代碼的過程中同時反思代碼與目標的關(guān)系；充分利用學(xué)生編程錯誤與實現(xiàn)目標失敗的機會，反思分析錯因；教師可建立評價表，同時引導(dǎo)學(xué)生進行自我評價。

3.實現(xiàn)認知靈活性策略支架。

認知靈活性策略支架設(shè)計是在編程過程中有目標地融入多種認知靈活性學(xué)習(xí)策略，即使在學(xué)生已經(jīng)正確完成編程任務(wù)時，有意識地為學(xué)生設(shè)計多種“障礙”。比如多結(jié)合編程過程中的多情況多分支思考的思維習(xí)慣，打破固化的單一思維方式；多設(shè)置一題多解要求，讓學(xué)生形成同一目標可以有多路到達的思維方式；設(shè)置在多解中尋找最優(yōu)解要求，養(yǎng)成多路思維中尋找最短、最優(yōu)路徑的思維習(xí)慣；設(shè)置學(xué)習(xí)將現(xiàn)有代碼遷移應(yīng)用的要求，讓學(xué)生靈活利用代碼，在不同問題進行代碼遷移。

結(jié)語

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教育需要與時俱進，但學(xué)生的思維能力與學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)仍需遵循教育規(guī)律，不可急于求成。社區(qū)教育在普及信息科技知識、填補學(xué)校教育可能存在的覆蓋空白方面，扮演著重要角色。社區(qū)教育堅守教育公平原則，尊重并適應(yīng)每個學(xué)生的個體發(fā)展節(jié)奏，為他們提供有針對性的教育支持。鑒于元認知能力對提升學(xué)生學(xué)習(xí)效能的決定性影響，著力于通過提升元認知能力來優(yōu)化編程課程設(shè)計，構(gòu)建了一套適用于社區(qū)教育培訓(xùn)項目的通用教學(xué)模式。這一模式旨在系統(tǒng)性地培養(yǎng)青少年的編程思維，增強其自主學(xué)習(xí)能力，為他們在快速變化的信息時代奠定堅實的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。如此，社區(qū)教育能夠在信息技術(shù)教育領(lǐng)域發(fā)揮獨特而有力的輔助作用，促進青少年全面發(fā)展。

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