實驗室工作中的理論與實踐

華晶

【摘 要】以兩個編程教育有關的實證研究結果為基礎，將現象圖式學和變異理論的分析與學生編程活動的變異理論分析進行結合，得出了不同水平的實踐熟練程度和概念理解與變化相關的結論。本文描述了學生在實踐學習和概念學習中的復雜關系，擴大了現象學與變異理論的傳統使用范圍，為學生學習概念和編程活動提供了新的方法。

【關鍵詞】現象圖式學;理論與實踐;計算機編程;新生學習

中圖分類號： G633.7文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0079-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.037

0 引言

計算機編程教育的學習目標既有以實踐為導向，也有以理論為導向，于此實驗室工作在學生的實踐學習與理論學習中起著重要的作用。然而，據多個不同領域反映，學生們在理論與實踐相結合的方面存在許多困難。Vande Ven和Johnson[1]寫道：“對于專業學校工作的學者們而言，例如商業，工程，社會工作，醫學，農業，教育，公共行政、新聞和法律等專業，理解理論與實踐之間的關系是一個長久而又困難的問題。”

本文基于經驗，研究了理論與實踐學習兩者之間的關系，關系的研究對象是編程初學者的實驗室工作。理論學習由概念的學習討論而來，實踐學習則將“學會操作”作為重點展開研究，將實踐學習作為一個背景主題進行討論。在研究得出的數據中，有一些明顯的啟示。提出的問題是：學生在學習編程時，概念學習和實踐學習是如何相關的？分析方法使用了兩種：一是使用了一些現象學方法[2]，旨在研究學生對介紹性編程中的一些基本概念的理解;二是在對同一批學生實踐的后續分析中，使用變異理論的基本要素[3]研究學生對共同的編程活動的學習。對于計算機編程初學者而言，這兩種方法使得理解不同概念的本質與典型的實踐活動相聯系成為了可能。分析得出，不同熟練度的活動方式與變化的多種維度來理解概念的不同方式有關，這種方式作用在學生學習不同概念的理解和實際操作之間的連接中。目前，研究工作從現象圖式學和變異理論的傳統使用，擴展至概念理解和實踐中，尤其是這兩者在學生學習相關聯的具體操作。

本文提出的分析模型，其中概念維度的變化不僅用于定性不同的概念理解上，而且還用于不同水平的實踐熟練程度中。這種模型，有助于更好地理解概念學習和實踐學習之間的復雜關系。

1 實驗室學習的研究現狀

編程初學者的實驗室工作，被列入編程計算機難以掌握的學科內。在之前的計算機教育中，研究主要集中在學生的理論學習或是實踐學習中。例如，已經研究的領域當中，有學生對核心概念理解的能力，學生的閱讀、編寫、設計和調試代碼的能力，以及學生使用基于技術資源的能力。盡管存在大量關于編程學習的研究，但是在實踐與理論方面的問題依然存在。

最近，理論與實踐之間的關系的重要性在教育界引起討論。Almodaires[4]寫道：這種將理論知識轉變為實踐行為的能力是大多數職業的應屆畢業生面臨的一種常見的困難。實驗室學習的研究，從過去主要關注理論的作用或者實踐的作用，轉變成現在主要是關注理論與實踐之間的聯系。目前的研究不同于Almodaires所提出的觀點視角。基于經驗數據，理論架構與實踐之間的橋梁是一個雙向的問題，并存在編程教育的兩種方式中。

盡管理論與實踐聯系的重要性在之前已被注意到，但實際上，在某些領域比如信息科學教育領域尚未涉及。編程的學生必須學到精通，學習的范圍包括編程語言的語義、句法和不同的編程技能。學生與系統的前幾次接觸的“震驚”，大部分是由學生試圖立刻解決不同類型的困難而引起的。在許多結合實驗室工作的學科領域，如自然科學，理論與實踐的關系雖已被確認，但是深入較少。Hofstein和Lunetta[5]做了一個關于學科科學實驗室的研究，Séré[6]在歐洲項目上做了一個旨在解決在生物學，物理，化學和數學領域實驗室工作的有效性的報告。這兩項研究都討論了學生在學習實驗室工作的概念和程序的重要性，都強調實驗室活動的問題：學生未在老師所期望的范圍內學習概念，程序和技術細節。Séré評論道，概念和實踐的復雜互動，在一定程度上指出了概念學習不是實驗室工作的自動結果的原因。

從大學物理教育研究的角度，Von Aufschnaiter[7]寫道：物理實驗教學的目的之一，就是幫助學生將理論聯系實際。他們進一步解釋說，有效教學的細節，包括有效的實驗室工作。特別是，我們還不知道在何種情況下，學生更容易聯系理論與實踐，哪種活動更容易引導他們“更好”的理解。

2 實驗室工作的研究

2.1 研究方法及理論基礎

2.1.1 研究方法

文章使用的研究方法是現象圖式學和變異理論。現象圖式學源于現象描述，側重于描述人們如何體驗世界現象的變化的定性研究。一個現象描述分析的結果為一個結果空間，與有限數量的類別描述出一個不斷增加復雜性，包容性或特異性的層次結構。高等教育研究變化和洞察力是這個過程的關鍵要素，根據變異理論，識別一個現象的特定特征的必要而不充分的條件是：學生有機會體驗特征的變化。比如一個茶壺有幾個重要的特征，如顏色，形狀和大小。一個特定的茶壺可以由它的這些特點來表示它的值，不同的茶壺由不同的值加以區分。

一個現象的每一個特征可能有一個可能的變化，即可以采取不同的值。在學習的背景下，這些特征與它們之間的關系比其他因素更為重要。從學生的視角看，現象描述分析可以識別這一現象的關鍵特征。根據變異理論，學習意味著通過認識事物的附加特征和特征之間的關系，即為一種發展了更為豐富觀看現象的方法。識別一個特征或功能之間的關系的能力，是基于能夠識別這些附加功能對應的變化維度。

2.1.2 理論基礎

本文的研究以兩個實證研究的結果為基礎，與本文最為相關的是Eckerdal 和Thuné的研究[8]和Eckerdal等人的研究[9]。前者研究的主要焦點之一是新生對編程中的一些核心概念的理解，選取學習入門編程課程的學生并非為計算機科學專業。在2014級學生中從水生和環境工程的研究計劃，采用現象描述的方法進行了采訪。該研究對目前的研究工作最有影響力。后者研究旨在探討計算機科學中的閾值概念。七名來自瑞典、英國和美國的大學的研究人員對16名畢業于他們各自母校的計算機科學專業的學生，從幾個不同的角度，進行了半結構化訪談。

在上述所提出的兩項研究中，學生的實踐學習與概念學習的復雜關系是突出的。大多數新生都提到了概念和實踐學習對于編程的重要性，并強調了很難理解無實踐操作的概念。Eckerdal和Berglund進一步討論出，一些新生將編程視為“魔術”，甚至是“可怕的”，可知他們并不能充分表達自己的學習問題。另一方面，在Eckerdal的研究中的高年級學生，詳細討論了概念學習和實踐學習之間的復雜關系，明確地描述了學習過程中獨特而關鍵的部分。

不同學生有不同的學習方式，比如先學習概念背后的理論再學習如何使用或者順序相反。但是概念和時間都是重要的，他們復雜的交織在一起，分別因個體不同而起著不同的作用。

2.2 關聯概念與實踐——分析模型

2.2.1 學生對于概念的學習

根據初學者關于課堂中核心概念的理解，通過現象描述分析方法來了解學生對概念的學習。表1總結了圖形分析的結果空間。

表1囊括了三個分類，其中分類2的分析描述中包括了對類別1的分析描述，類別3的分析描述中包括了類別1和2的分析描述。按照表一現象描述的結果空間總結，設計了后續的分析來確定兩個概念的關鍵特征。由此重測了數據，并確定數據中表現不同的分析中兩個概念的哪些特征。Eckerdal對圖形描述分析進行了一個全面地展示，并確定了其特點以及相關的變化維度。

第一類的描述表示計算機程序的文本理解，如編程語言規則和實踐如何構造程序文本。在第二類中，在焦點意識中加入了新的特征，其在編程中為積極行為。對于編程功能的理解：程序在運行時會發生什么，將參考ACTION中相應的特征。第三類描述的新功能是建模，這意味著程序中的對象是依類創建的，能模擬現實待解決的問題、現實問題的性質和運行狀況應該被充分地模擬，所以程序能夠有目的的運行。在計算機科學中，模擬是一個概念，通常指一種情形和問題被轉移或改造為一個程序。由此，可以參考模型中相應的新特征。

2.2.2 實踐反映在常見的活動中

本節的實踐分析為基于普遍的差異理論的重要元素以及重要的新生編程行為，分析數據主要來源于研究[8]。研究重點為學會實踐，而不是通過實踐學習。對于技術與活動的區分為：技術指學生應該在受教育的過程中獲得的實踐能力，包括讀取，寫以及測試。

對于學生實踐分析的目標源于能反映三種技術的活動的詳細列表。在不同活動中的每一項技術已被列出，這些活動有不同的優勢，學生學習時需要不同水平的熟練度。表格3的列表涵蓋了新生編程活動中常見的合理討論，其中有部分數據，如有關閱讀技巧的第一個活動即理解段程序的主要功能，寫作或使用偽碼相關活動未得到確認，是因為在早期階段或老師較少提到。科學教育研究者給出的相關建議中，Séré寫道：“在研究的第一步，現在應該盡可能詳盡來描述發生在實驗室的工作。這個詳盡的名單具體地列出什么是新手學生編程實踐。”關于有些學生在執行某些活動中存在的大問題，Runesson進一步解釋，意義和維度變化的關系：“這意味著我們構成了一個可以同時識別尺寸變化的模式。”

為了辨別特定活動的意義，學生必須同時集中意識到這個活動相關變異的某些維度。活動涉及到代碼的文本表示，為了識別出短程序的主要部分，以及識別閱讀代碼和關鍵詞，學生需要意識到文本維度的變化。另一方面，為掌握活動的閱讀代碼和何種情況執行指令，學生需要意識到除了文本變化作用的維度，以及文本和行動維度之間的關系。

“讀取和將編碼與應用在一起以及問題范圍”的活動需要學生不僅理解文本和動作的差異維度，也需要學生理解模式維度以及它們三者之間的關系。前兩個維度和讀取編碼以及理解程序運行結果有關。將相關問題范圍和程序相聯系，需要概括出程序文本和操作層面的能力，并且在應用中理解如何被模式化。表4重新分類了活動并且根據分析得出，活動與不同的差異維度的重組有關，并且其有關的差異維度越大，熟練度越高。

2.2.3 一種將理論與實踐相結合的分析模式

從性質上講，理解概念的方法越先進，變化的維度越大。類似的，對實踐活動越熟悉，變化的規模也越大。表格5合并了表格2和表格4的內容，表明變化維度是分析的核心，并將概念理解和實踐相互聯系起來。表5中間欄是變化的維度，與定性不同的概念理解以及不同水平的活動有關。其描述了不同熟練度的活動與概念對象和類別的不同理解之間的關系是實踐和概念相關的例子。重要的意義在于，為了辨別概念的某個特征并使活動有意義，都要求學生開放學習空間的某些變化的維度。

研究[9]的實證結果表明，當學生達到一定程度的實踐能力，這可以幫助他們學習新的概念，并且他們對概念的理解會幫助他們掌握新的實踐。表5顯示了這個分析模型，其中變化的維度是討論學生學習的中心。圖1是模型的更抽象和一般的說明，顯示了活動以及概念可以與變化的多個維度相關聯。這個發現的含義在于：一個學生覺察動作的維度可以通過一個相關的活動，或者從理論上來說研究概念和類時，或者通過學習其他概念活動。

圖1證明了概念學習和實踐學習之間的復雜關系。在學習概念和進行相關活動時，學生可以辨別變化的一個維度。當一個維度被識別出來時，這就開啟了更廣泛的概念理解和以新的方式學習相關活動的可能性。這與研究[9]的實證結果一致，即有些學生表示先學習活動再學習概念，而有些學生順序相反。

實證結果表明，維度可以作為不同概念理解的活動之間的接口。當一個維度被辨別出來時，能夠以新的方式學習概念和實踐，本文研究得出的新發現是：實踐和概念的理解可以通過變化的共同維度來相關。根據學生識別的變化維度，學生很有可能能夠學習與這些維度相關的活動。以類似的方式，辨別變化的這些維度可以使學生以新的方式理解相關的概念，更高的實踐水平和更高級的概念理解要求學生辨別更多的特征或更多維度的變化及其關系。

圖1 學習空間變化的兩個維度

3 結論與展望

本文提出的研究探討了新生編程的理論與實踐學習之間的復雜的關系及相互之間的關系。在目前的研究中，該理論涉及到一些重要的計算機編程概念，而實踐則指常見的新生編程活動。理論學習與實踐學習之間的關系是根據概念學習和程序設計活動的學習是如何互相依賴、互相攜帶以及如何使學習成為可能而被定義的。研究建立在于計算機科學專業學生的兩次探討研究之上，數據分析方法利用現象學和變異理論。目前分析的結論如下：

1）提出了一個學生學習的分析模型，證明了活動和概念理解與變化維度有關。

2）較高水平的實踐能力涉及更多的變化維度，正如更先進的概念理解與更多變化的維度相關。

3）本研究中最重要的發現是，實踐和概念理解可以具有共同的變化維度。

4）當學生可以看見變化的一個變化維度時，這就使學生獲得一個機會來以多種新的方式學習相關的概念和互動。

結論解釋了學生的學習大致分為的兩種情況，從理論走向實踐，從實踐走向理論。概念或活動的學習可以通過變化的維度相結合，為其兩者的學習開辟了道路。另外，研究結果有在某種程度上解釋了活動與概念的學習不能相互促進的原因，即如果學習情境中的學生沒有看出變化的相關維度，可能是由于概念和實踐學習的不一致。

現象學和變異理論在傳統上討論識別概念的特點的關鍵方法和為學生開放學習空間的方式。目前的研究有助于學生學習的知識體系的形成，通過提出一個分析模型，即變量的維度如何與概念和實踐學習的相關。使用該模型作為進一步實證研究的基礎，研究對象是實踐和理論兩者在學習背景下的關系。未來這將吸引更多有趣的研究。

【參考文獻】

[1]Van de Ven，A.，and P.Johnson.2006.“Knowledge for Theory and Practice.”Academy of Management Review 31（4）：802-21.

[2]Marton，F.，and S.Booth.1997.Learning and Awareness.Mahwah，NJ：Lawrence Erlbaum.

[3]Marton，F.，and A.Tsui.2004.Classroom Discourse and the Space of Learning.Mahwah，NJ：Lawrence Erlbaum.

[4]Almodaires，A.2009“Technology-Supported Reflection：Towards Bridging the Gap Between Theory and Practice in Teacher Education.” PhD diss.，University of Twente，Enschede.

[5]Hofstein，A.，and V.Lunetta.2003.“The Laboratory in Science Education：Foundations for the Twenty-First Century.”Science Education 88（1）：28–54.

[6]Séré，M.2002.“Towards Renewed Research Questions from the Outcomes of the European Project Labwork in Science Education.” Science Education 86（5）：624–44.

[7]von Aufschnaiter，C.，and S.von Aufschnaiter.2007.“University StudentsActivities，Thinking and Learning During Laboratory Work.” European Journal of Physics 28（3）：51–60.

[8]Eckerdal，A.，and A.Berglund.2005.“What does it take to Learn ‘Programming Thinking？.”In Proceedings of ICER 2005，the First International Computing Education Research Workshop，October 1–2，2005，University of Washington，Seattle，WA，USA，edited by R.Anderson，S.Fincher，and M.Guzdial，135–42.New York：ACM Press.

[9]Eckerdal，A.，R.McCartney，J.E.Mostrm，K.Sanders，L.Th omas，and C.Zande r.2007.“From Limen to Lumen：Computing Students in Liminal Spaces.”In Proceedings of ICER 2007，the Third International Computing Education Research Workshop，September 15–16，2007，Atlanta，GA，USA，edited by R.Anderson，S. Fincher，and M.Guzdial，123–32.New York：ACM Press.