基于計算思維培養的個性化學習系統研究

蔡榮華 喻梓樺

摘? 要 個性化學習有助于培養創造型人才，是教育研究熱點。同時，在中小學教育中計算思維培養得到越來越多的關注?；谟嬎闼季S對個性化學習系統進行分析，在完善該類系統的同時，使得學習者計算思維得到培養。

關鍵詞 個性化學習;個性化學習系統;計算思維;計算機科學

中圖分類號：G652? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0023-04

1 引言

信息時代的發展，為教學帶來重大變革，個性化學習成為教育領域的研究熱點。個性化學習有助于激發學生的學習興趣，充分利用學習資源，為學生提供個性化的學習方式，提高學生的學習效率，以實現學習目標。2015年的地平線報告（New Media Consortium）指出，個性化學習是未來3～5年采用的技術和需要解決的挑戰。

美國卡內基梅隆大學周以真教授提出：“計算思維不僅限于計算機科學領域，而是每個人都應該掌握的一種思維方式?！盵1]計算思維成為一種重要的思維模式，它可以有效地提高每個人解決問題的能力。《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》中指出，運用計算機科學的基礎概念對問題進行求解、系統設計和行為理解，即建立計算思維，可以培養創新人才[2]。計算思維對各學科的學習都能起到積極的促進作用，計算思維能力將成為新時代創新人才不可或缺的素質。計算思維既是一種方法，也是一種培養目標，可以與個性化學習系統結合，在促進個性化學習系統完善的同時，通過該系統使得這種能力得到培養。

2 計算思維概述

周以真教授提出：“計算思維代表了一種普遍使用的態度和方法，不只是計算機科學家，每個人都渴望去學習和使用它?！盵1]可以從以下幾個方面去了解計算思維。

計算思維的三個維度? 美國麻省理工學院媒體實驗室（MIT Media Lab）終身幼兒園研究小組（Lifelong Kinder-

garten Group）在多年研究互動媒體設計者活動的基礎上，提出計算思維的三維度，包含三個要素，即計算概念、計算實踐和計算觀念[3]，并給出相關的舉例，具體如表1所示。

從表1來看，計算思維的三個維度似乎是程序員在進行編程時處理問題所經歷的一系列的步驟和思想變化，最終形成某種思維模式，從而去處理身邊的問題。正如周以真教授所說，計算思維不只是計算機學科方面的人員掌握的技能，更是每個人都要會的解決問題的基本技能。因而說明了計算思維的適應性，以及作為一種解決問題的能力或方法的重要性。

計算思維培養的三個層次? 在計算思維自主養成模式中提出有關計算思維培養的三個層次：學會解決同類問題;運用思維能力來解決已知問題;能夠利用思維能力發現并加以解決問題，這同時也是創新的基礎能力[4]。計算思維的這三個層次既是解決問題的一種方法，也是一種培養目標，在培養過程中恰當地使用計算思維的這三個層次，可以達到有效的培養目的。

計算思維的方法? 在周以真教授有關計算思維的文獻中提出，計算思維是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個知道怎樣解決的問題;利用遞歸思維的并行處理;采用抽象和分解來迎接龐雜的任務或者設計巨大復雜的系統;關注的分離（Separa-tion of Concerns，簡稱SOC方法）;保護、冗余、容錯、糾錯和恢復，利用啟發式推理來尋求解答，在不確定情況下的規劃、學習和調度等。

3 基于計算思維培養的個性化學習系統

個性化學習系統概述? 個性化學習是學生在教師的指導下，根據自己個性特征、內在需求和對現實情況的分析，對學習課程與內容、學習時間與進程等進行自主選擇和實施，從而實現自己個性化特征的形成與發展[5]。個性化學習系統引入數據庫、數據分析、網絡環境、云計算、人工智能技術等去構建學習模型，從而使呈現給學習者的學習內容更加貼合不同的學習者。以系統為主發展為現今的以學習者為中心，讓系統適應學習者，學習者的學習效果得到極大改善。但是以往的個性化學習系統當中并沒有引入計算思維的概念，如果把計算思維和個性化學習系統結合起來，不僅能夠優化系統，使學習內容更好地呈現，而且能夠達到培養學習者計算思維能力的目的。

此處參照“學習分析視角下個性化學習模型的設計研究”中的個性化學習模型，在分析此模型的基礎上引入計算思維，從而完善此類個性化學習系統，且能夠達到培養計算思維的目的。如圖1所示，該個性化學習系統主要由三大模塊構成：一是個性化學習支持功能模塊;二是數據分析模塊;三是預測干預模塊[6]。

從圖1中可以看到，學習內容是整個系統的一個關鍵環節，學習者根據系統給出的學習內容進行學習;而通過大量數據對學習內容進行分析后，在適當的干預下進行調整，再呈現給學習者，以此形成一個以學習者為中心，根據學習者的學習狀況呈現學習內容的個性化學習系統。

計算思維下的個性化學習系統? 在個性化學習系統的運用當中，學習者根據系統為自身提供的學習內容開始這一階段的學習;而引入計算思維之后，可以把計算思維運用到學習內容的呈現中，并且使用計算思維解決問題的三個層次，能夠更好地促進學習者的個性化學習，增強學習效果。運用計算思維的方法，可以優化數據處理，同時為教師、管理者以及學習者更有效地處理學習過程中的學習資源的選擇和使用?；谟嬎闼季S的個性化學習系統如圖2所示。

1）計算思維三維度的運用。計算思維的三個維度可用于個性化學習系統學習內容的呈現。要呈現學習內容，需要對學習者進行一個簡單的測評，在這項測評中可以采用所羅門量表[7]，然后綜合學習者的各項學習數據為學習者提供適宜的學習內容。對于學習內容，可以把它按照計算思維的三個維度（即計算概念、計算實踐、計算觀念）依次呈現。根據表1中所提到的，從編程設計者的角度出發，這三個維度展示了在解決一個編程問題時的全部思維過程。

第一階段：計算概念。如編程教學中的“變量”，學習者需要做的是理解“變量”，并且學會識別同類型的概念。這里所涉及的概念同一般教學當中所提到的概念是相似的。又如在數學教學中，學習者在學習加減法之前要先了解“加法”和“減法”這兩個運算符號的含義。概念是人類所認知的思維體系中最基本的構筑單位。在學習者掌握了以計算概念為主的教學內容以后，再呈現下一階段的學習內容。

第二階段：計算實踐。以編程教學為例，計算實踐所指的是學習者在理解變量的基礎上，學會使用已掌握的概念去具體編程的過程，如循環、增量、迭代。延伸開，計算實踐就是學習者解決實際問題的具體過程。在這一階段向學習者呈現的應該是有關概念運用的內容，如編程教學中的一個具體案例，數學教學中加減法的運算。

第三階段：計算觀念。在編程教學中，當學習者學會使用變量這個因素去編寫一個相關的循環程序以后，能夠把這種解決問題的程式化步驟運用到其他的項目中去，并且能夠通過這種編程的方式去測試和調試其他程序。即學習者已經能夠有這種編程意識，并且能夠用自己所掌握的知識去檢驗其他相關的程序。同樣，在數學教學中的變現可歸為，學習者在會運用加減法去解決問題后，能夠把這種方法推廣到其他會用到加減法的題目中去，并且能夠很自然地產生這種解決問題的步驟，對其他題目用計算觀念的方式去進行檢驗。所以此階段呈現的是以計算觀念為主、綜合性強的學習內容。

2）計算思維培養的三個層次的運用。計算思維培養的三個層次既可以視作一種檢驗標準，也可以作為培養目標，它在學習者運用的同時，使得這種能力得到培養。如在按照計算思維的三個維度呈現學習內容的時候，可以用這三個層次作為一種檢驗的標準，去判斷不同階段的學習者是否對當前階段所呈現的學習內容把握到位。學習者對每個階段的學習情況由數據處理后經干預模塊反饋到學習內容這一模塊，三層次的應用可以根據呈現的內容不同而選擇檢驗的方式。可以以是否達到某個層次的要求為標準，去判斷是否為學習者呈現下一階段的學習內容，同樣可以把達到三個層次的要求作為標準，反饋到數據分析中，調整學習內容的呈現。

學習內容從簡單到復雜可視為事實、概念、技能、原理、問題，不同程度可以選用不同標準的檢驗法。如為了判斷學習者是否已掌握計算概念的相關內容，可以用計算思維培養的三層次的第一層次去對第一階段的學習內容進行檢驗，即學會解決同類型的問題。當呈現有關計算實踐的相關內容時，學習者能夠達到第二層次，即運用思維能力來解決已知問題，把解決同類型問題的方法廣泛運用于這些學習內容中。對于復雜抽象的問題，如計算觀念當中所呈現的問題則為綜合性問題，此時可以把三個層次都作為檢驗標準，以此判斷學習者是否都達到要求。

在以三層次為檢驗的標準下，學習內容則是圍繞這三個層次不斷調整，從而在學習過程中讓學習者這三個層次的能力也得到培養。

3）計算思維方法的運用。計算思維的方法既可以優化系統設計，也可以提高系統使用者（管理員、教師、學習者）的系統利用率。

在大數據的運用下，使用計算思維約簡、嵌入、轉化、仿真等方法對數據進行有效處理，從而反饋出學習者數據。利用計算思維方法中關注的分離，對呈現出來的問題以適當的方式去闡述它，或者是針對該問題的某個方面以適當的方式進行建模，使該問題變得更容易處理，即針對學習者數據分析得到的結果，抓住某一學習者的特征，圍繞某一特征自動化地得出最適合該學習者的個性化學習路徑的一部分，然后結合整個系統的運行，得到最佳路徑。

計算思維的這種方法的最大優勢，就是在無須理解系統是如何運行的、路徑是如何制定的等每個細節的情況下，就能夠安全地使用、調整和影響一個大型復雜系統的信息。計算思維中通過抽象和分解，設計系統對預期的未來應用進行預取和緩存，即通過數據庫，有效地提取學習過程中所需的資源，作為一個備選儲存。

在個性化干預中，主要通過數據處理模塊對學習者學習分析得出的可視化分析呈現結果，并傳遞給教師和管理員，教師和管理員又根據所呈現的學習者的學習數據起到輔助作用，對學習者的學習進行個性化干預。在這個過程中需要對各種資源以及學習方法進行合理利用和篩選。基于計算思維的個性化干預，其實質在于使教師和管理員以及學習者利用計算思維的方法，對學習資源進行自主收集和運用，以及對學習方法進行選擇。在這一過程中，教師和管理員能夠利用計算思維的遞歸，關注點分離，約簡、嵌入、轉化、仿真，啟發式推理等方法，輔助學習者對資源進行篩選、優化和信息的有效提取，從而得到高效的學習資源和良好的教學方法。同時，學習者同樣可以利用計算思維的這類方法為自己構建知識點，歸納得出解決問題的一系列學習方法[8]。如此，把計算思維的方法運用到教師、管理員以及學習者上，既讓他們通過使用計算思維的方法去獲取所需的資源和信息，也達到計算思維培養的目的。

4 結語

本文通過對原有個性化學習模型加以分析，引入計算思維，使學習模型中的學習內容呈現更加豐富且富有層次，更有助于學習者從不同的階段進行個性化學習，并且能夠在個性化學習下掌握計算思維的方法，以及達到利用計算思維的三層次去解決問題。同時，用計算思維的方法處理數據，促進干預模塊的運行，使得教師或管理員輔助學習者學習，能夠更加有效地篩選學習資源。作為學習者，不僅是使用計算思維，也在潛移默化中達到計算思維的培養。

計算思維運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，既對使用者給出有效的問題解決能力，也為系統設計的完善提出高效的方法，它不僅應用在計算機科學領域，更是可以延展到各學科的學習中去。在個性化學習系統中結合計算思維的運用與培養，可以更有效地使用計算思維。

參考文獻

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