面向計算思維培養的人機協同精準教學模式研究
——以小學六年級信息技術課“絲綢之路大闖關”為例

梁云真 劉瑞星 任麗玲

（河南師范大學 教育學部，河南新鄉 453007）

一 計算思維培養與精準教學

人工智能技術的迅速興起，推動社會各領域向智能化方向發展，人與機器相互合作、相互影響，計算思維的培養已然成為國際人才競爭的重要抓手[1]。編程教育作為培養計算思維的重要途徑[2]，引起了世界各國教育部門的廣泛關注。早在2013年，英國就已嚴格要求進入小學的學齡兒童學習如何編程[3]；2016年，芬蘭正式將小學編程教育納入教學大綱[4]；2017年，日本提出在2020年“全面落實小學編程教育必修化”[5]；而在我國，《新一代人工智能發展規劃》《教育信息化2.0行動計劃》等系列文件中明確指出，要逐步推廣編程教育，發展學生的計算思維。相關研究表明，可視化編程能有效促進計算思維的發展[6]，如圖形化編程能促進初中生計算思維能力的培養，且有助于學生完成高質量的創意作品[7]；借助可視化編程工具App Inventor，能提升學生的計算概念水平和問題解決能力[8]。但是，當前的編程教學在計算思維培養方面還存在學生主體地位缺失、過于關注個別優秀學生、忽視學生個體差異和個性化需求、注重編程知識而不是編程能力等問題[9]。

精準教學聚焦于個體差異和個性化教學，為計算思維培養提供了新思路。精準教學由美國學者Lindsley[10]首次提出，起初是為了測量教學過程來跟蹤小學生的學習情況以干預教學，后來逐漸作為一種框架用于教學方法的評估[11]；White[12]認為精準教學是彌補學習者學習能力不足的有效策略。伴隨智能時代的到來，人機協同成為當下教育信息化的明智之舉，精準教學也將從技術層面走向人機協同，實現課堂輕負、高質[13]。祝智庭[14]指出，精準教學最大的價值在于能夠針對學生遇到的具體問題設計教學，據此設計了包括精準確定目標、開發材料與教學過程、計數與繪制表現、數據決策等四個環節的精準教學模式，以通過人機協同改善精準教學效果。王亞飛等[15]設計了以自動記錄、多維觀察、精準調整為核心的大數據精準教學應用框架，驗證了大數據精準教學相較于傳統的精準教學更適合應用于教學實踐。此外，有研究者結合數學、物理等學科展開教學實踐[16][17][18]，驗證了精準教學的有效性。

以教育大數據和人工智能為代表的信息技術為學習數據的全過程記錄提供了技術支持，也為精準教學的快速發展提供了良好契機。而關于如何建立新技術與教學過程相互融合的適切性發展模式、如何發揮精準教學的優勢以促進計算思維在編程教學中的發展等問題，還有待深入探究。因此，本研究試圖構建面向計算思維培養的人機協同精準教學模式，旨在改進信息技術課堂上編程教學的不足，為培養計算思維提供新思路；同時，拓展精準教學的學科應用，進一步推動精準教學的發展和教學改革。

二 面向計算思維培養的人機協同精準教學模式建構

計算思維由周以真教授于2006年首次提出[19]，隨后研究者圍繞這一概念提出了多種不同的理解。其中，Brennan等[20]提出的計算思維三維框架強調計算思維作為問題解決能力的特征，便于表征、評價學生的編程實踐活動和學習結果，具有較強的可操作性。本研究依托計算思維三維框架，同時借鑒發展學生計算思維的教學設計[21]，在深入分析人機協同技術與機制的基礎上，結合精準教學的已有研究成果，構建了面向計算思維培養的人機協同精準教學模式，如圖1所示。該模式分為“三層”——人機協同層、精準教學層和培養目標層，核心內容是“六精準”——精準問題、精準分組、精準理解、精準目標、精準提升、精準測評，旨在通過精準教學活動的設計和教學活動中人與技術的協同，達成計算思維培養目標。

圖1 面向計算思維培養的人機協同精準教學模式

1 人機協同層

人機協同層是實現精準教學的重要基礎，其通過智能技術的強大計算與感知能力，實現對人類教師的“認知外包”，達成“技術+教師”的協同教學。教師、智能技術和學生組成人機協同機制（如圖2所示），三者相互融合，貫穿于教學的全過程：①課前，教師借助智能技術自動出題，并將試題推送給學生；智能技術對學生提交的作業或試卷進行自動批改，并對收集的數據進行自動分析，將結果反饋給教師以幫助其掌握學情。②課中，智能技術采集與分析學生的各類學習數據，并將可視化分析結果即時反饋給教師，以便于教師實時把握課堂教學進程；與此同時，智能技術根據學生需要，智能推送適配的學習資源，幫助學生完成學習任務。③課后，智能技術根據學科知識圖譜測評學生的學習障礙、分析其知識缺陷，精準定位學生的問題之所在，幫助教師快速發現問題并及時調控、干預，為教師靈活調整教學計劃、修改教學方案、實施教學策略等提供了技術層面的支持。

圖2 人機協同機制

2 精準教學層

精準教學層是教學活動開展的依據，是培養目標達成的主要路徑，具體包括六個維度：試題檢測明確“精準問題”、智能評估達成“精準分組”、范例研習促進“精準理解”、自主探究實現“精準目標”、協作創新確保“精準提升”、評價交流輔助“精準測評”。其中，“精準分組”是指采用人工智能算法對學生進行精準評估，從學習風格、知識水平等方面建立學習者模型庫[22]，之后將個性特征相似的學習者劃分為同一小組；“精準理解”即根據學情精準選擇“范例”進行精準加工[23]；而“精準目標”是指教學目標必須與學生的學習現狀、學習風格和學習需求密切相關且高度匹配[24]，即通過細粒度化教學內容，將教學目標轉化為難度分級的編程任務，并結合學習者模型庫提供的數據，使學生學情與教學結果預期精準對應。精準教學層設計了六個環環相扣的教學環節，以從六個“精準”出發，順利升入培養目標層。

3 培養目標層

培養目標層是精準教學的最終指向，旨在通過人機協同的精準教學培養學生的計算思維。計算思維三維框架作為計算思維評價的理論指導已被多次應用于實踐，其與我國信息技術課程三維目標對應[25]，如圖3所示。其中，“計算概念”指學生在使用編程工具設計可交互媒體時所使用的概念，具體指編程軟件（如Scratch、編程貓）提供的代碼塊；“計算實踐”側重于思考和學習的過程，不僅關注“學什么”，更關注“如何學”，即編程的策略和方法；“計算觀念”則指學生在編程時形成的與自身和周圍環境相關的觀念。培養目標層以計算思維三維框架與我國信息技術課程三維目標的對應關系為依據，為計算思維水平的評測提供方向。

圖3 計算思維三維框架與我國信息技術課程三維目標的對應關系

三 研究設計與實施

1 教學案例設計

本研究以小學六年級信息技術課“絲綢之路大闖關”為例，基于面向計算思維培養的人機協同精準教學模式進行教學活動設計，具體如圖4所示。

圖4 “絲綢之路大闖關”教學活動設計

（1）課前：完成試題檢測，進行精準定位

課前，教師從布魯姆認知領域的六個層次（即識記、理解、應用、分析、綜合與評價）測試學生對已學編程知識的掌握情況。教師根據測試情況，精準定位學生在知識或技能方面存在的問題，為精準教學設計提供依據。

（2）課中：通過人機協同，獲得精準提升

①智能評估進行精準分組：首先，教師為學生創設真實情景；然后，教師結合課前檢測結果、現有編程能力水平、編程學習興趣和學習風格等，將學生分為低分段、中間段和高分段三類同質小組——其中，低分段學生的基礎知識較為薄弱，在識記、理解層面有待提高；中間段學生的編程知識較為牢固，但仍需在應用、分析層面努力；高分段學生的理解能力較強，且能夠靈活運用先前所學知識進行自由創作，但尚未達成高階目標。

②范例研習實現精準理解：教師演示范例程序“絲綢之路大百科.exe”，并將范例程序通過班級優化大師發送給學生，引導學生分解積木塊、精準理解所涉代碼塊的編程思想。

③自主探究達成精準目標：首先，學生根據精準學習任務單自主探究，小組協作完成任務一；之后，教師對知識結構進行深入剖析，基于學生學情設定精準教學目標，如表1所示，學生在完成探究任務的過程中達成精準目標。

表1 “絲綢之路大闖關”教學目標

④協作創新獲得精準提升：首先，學生在完成任務一的基礎上完成任務二，即通過嘗試和迭代、測試和調試，以小組合作的方式完成創意作品設計“絲綢之路大闖關2.0”；之后，學生靈活運用積木塊為闖關程序添加功能。

通過課中的精準教學活動，各組學生均可得到不同程度的提升。自主游戲正是基于原有知識的遷移和應用效果而設計的，作品創意也體現了創造力、問題解決能力等高階思維的發展。

（3）課后：通過測評交流，開展精準測評

課后，小組匯報交流、測試和調試游戲作品，教師指導學生針對本組的不足之處進行修改調試和迭代優化；同時，教師從作品的思想性、創造性、藝術性、技術性等四個維度制定編程作品評價量表通過班級優化大師組織各小組進行組內自評和組間互評。之后，學生完成試題檢測，教師根據測評結果調整、優化教學設計。

2 實驗研究設計

（1）研究對象

本研究從鄭州市W小學六年級的8個自然班中隨機選取1班和5班的學生作為研究對象。其中，1班為實驗組（42人），采用面向計算思維培養的人機協同精準教學模式；5班為控制組（46人），采用任務驅動的教學模式，不涉及精準分組、精準目標和精準測評等。此外，這兩個班的授課教師、學習內容、教學時長均相同。

（2）研究工具

本研究以計算思維三維框架為理論指導，從計算概念水平、計算實踐水平和計算觀念水平三個方面評價學生的計算思維：

①計算概念水平方面，試題選自Romaán-Gonzaález[26]開發的計算思維測試（Computational Thinking Test，CTT）。CTT共28個封閉式題目，本研究將其分成兩份測試（每份14道題目），分別用于前、后測，要求學生在課上25分鐘內完成，答對得1分，答錯不得分，滿分14分。

②計算實踐水平方面，教師通過課堂觀察與基于作品的訪談對學習成效進行質性評價，以了解學生在編程學習過程中計算思維的潛在變化，借助開源Web應用程序Dr.Scratch自動分析學生的編程項目，每個維度給出“0-3級”的評分來判定學習者在編程中的計算思維能力水平[27]。

③計算觀念水平方面，參考計算觀念的測評量表[28]，結合Korkmaz[29]的計算思維量表，設計了包括創造力、算法思維、協作能力、批判性思維、問題解決能力五個維度的計算觀念量表，共29道題，采用李克特七點量表計分。教師在課堂上發放問卷，前、后測均回收問卷88份，回收率達100%。采用SPSS 25.0處理、分析數據，得到前、后測量表總的Cronbach’s α系數值分別為0.872、0.891，五個維度的Cronbach’s α系數值均大于0.813，說明量表的信度較好。

（3）研究過程

利用上述研究工具，本研究開展了實驗組和對照組的前、后測準實驗，為期16周，每周1學時。其中，第1周在課上進行計算概念水平和計算觀念水平的前測；第16周在課上進行計算概念水平和計算觀念水平的后測；中間的14周對學生進行訪談，評價學生的計算實踐水平。

四 研究結果與討論

1 人機協同精準教學能顯著提升小學生的計算概念水平

兩組學生計算概念前、后測數據的獨立樣本t檢驗結果如表2所示，具體分析如下：①實驗組計算概念的前測水平（M=8.48）略高于控制組（M=8.37），但不存在顯著性差異（t=-0.222，Sig.=0.825＞0.05）。可見，實驗前兩組學生的計算概念水平基本持平。②計算概念水平的后測數據表明，經過一學期的學習，兩組學生的計算概念水平均得到了一定程度的提升。但是，實驗組的水平（M=10.02）高于控制組（M=8.74），且存在顯著性差異（t=2.806，Sig.=0.006＜0.05）。可見，人機協同精準教學更有助于提升學生的計算概念水平。

表2 計算概念前、后測數據的獨立樣本t檢驗

為了深入探究人機協同精準教學模式對于不同學情學生的精準提升效果，本研究將計算概念水平測試得分劃分為高分段、中間段、低分段等三個分數段，各分數段人數及其變化如表3所示。對兩組前、后測的三個分數段人數進行比較，可以看出：實驗組的高分段學生數量增加3人、低分段減少8人；控制組的高分段學生數量僅增加1人、低分段減少4人。可見，實驗組不同學情學生的計算概念水平均得到了更為顯著的提升和發展。表3中兩組各分數段人數的變化，可以印證已有研究中關于精準教學有效性的結論。例如，本研究中實驗組前后測高分組學生的占比由9.5%上升至16.7%、低分段學生的占比由33.3%降至14.3%，這與王永固等[30]發現精準教學能顯著提高學生成績，同時增加“學優生”比例、降低“學困生”比例的結論一致。

表3 計算概念前后測中高分段、中間段、低分段人數及其變化

2 人機協同精準教學能顯著提升小學生的計算實踐水平

本研究對實驗組的學習過程進行了實錄，課堂觀察結果顯示：經過一段時間的學習，學生已能基于對抽象問題的理解形成自己的想法，再將這些想法轉換成具體的編程腳本，說明學生逐漸發展了抽象和建模的計算實踐能力；當程序出現問題時，學生的應對策略從原來直接刪除積木轉為對原有積木進行修改和調試，表明學生測試和調試的計算實踐水平也得到了提升。

對學生的深度訪談結果顯示，學生作品中體現了嘗試和迭代等思想。例如，學生A說：“我能根據最初始的項目計劃與目標，在自主探究和同伴學習的過程中獲取靈感，不斷完善最初的作品設計——我的第10個作品‘古城交易’就是這樣創作出來的。”學生B說：“我會對已有的編程作品進行二次修改，我第7節課的作品就是在‘獎勵軍功’作品的基礎上添加定義函數的功能而形成的。”可見，人機協同精準教學顯著提升了小學生的計算實踐水平。

3 人機協同精準教學能顯著提升小學生的計算觀念水平

為深入探究人機協同精準教學模式能否提升小學生的計算觀念水平，本研究對兩組學生的計算觀念前、后測數據進行了獨立樣本t檢驗，結果如表4所示，可以看出：實驗組計算觀念前測的整體水平（M=4.76）略低于控制組（M=4.77），但五個維度與整體水平均不存在顯著性差異，據此可以認為實驗前兩組學生的計算觀念水平基本持平。

表4 計算觀念前、后測數據的獨立樣本t檢驗

從后測數據來看，兩組學生的計算觀念水平都得到了一定提升。但實驗組后測的整體水平（M=5.37）明顯高于控制組（M=4.92），且五個維度與整體水平均存在顯著性差異，這表明經過一個學期的學習，實驗組學生具有了更高的計算觀念水平。同時，實驗組學生在創造力（p=0.000＜0.01）、算法思維（p=0.005＜0.01）、協作能力（p=0.001＜0.01）、批判性思維（p=0.001＜0.01）四個維度的提升效果也非常顯著；問題解決能力維度雖然也有顯著提升，但提升效果不如其它四個維度理想（p=0.014＞0.001），其原因可能在于教師為了確保問題解決的成效，不自覺地為學生預設了問題解決思路[31]。這就要求教師轉變觀念，在教學過程中充分關注學生的思維發展，并為學生提供明確的教學支架，鼓勵學生提出多元化的問題解決策略。

五 人機協同支持的精準教學培養小學生計算思維的啟示

1 以學情為基礎實現精準分組，有助于精準目標達成

精準分組是精準教學能否達成預期目標的重要保障。在進行學情分析的基礎上，本研究根據存在問題的類型將實驗組學生劃分為三類同質小組，為每個小組設置兩個進階的編程任務，以實現精準教學的目標。通過課堂觀察和深度訪談，本研究發現：每個層次的學生都能在原有基礎上有所提升，如低分段學生C在完成組內任務的基礎上，自學了有關“廣播”的積木創新作品。分層的小組劃分能夠促進精準教學高效地達成預期目標，依據學情進行分層教學，能夠提高學習興趣，促進專業技能的提升[32]。此外，本研究通過智能評估精準分組，通過實驗發現實驗組學生在創造力、算法思維、協作能力和批判性思維維度得到了顯著提升；同時，分組差異有利于激發學生的競爭意識，良性競爭能夠提升學習熱情，有助于形成良好的學習氛圍[33]。

2 人機協同技術支持精準測評，促進教學效果不斷優化

人機協同精準教學模式在實施過程中，依托人機協同技術智能采集學生的學習行為數據，包括課前的學情分析、課中的實時調控、課后的測評反饋等，將精準教學的理念貫穿于教學全過程，取得了良好的教學效果。人工智能技術實時監控學生的學習行為，縮小了班級成員間的學習差距，提高了學生的學習自覺性。本研究通過實驗，有效地將計算概念水平測試中實驗組的高分段和中分段學生數量增加8人、低分段減少8人，說明通過即時評價交流、全過程學習數據記錄、可視化的學生畫像展示等智能技術支持的精準教學，可以促進學生計算概念水平的精準提升。人機協同技術支持精準識別學生個性化的學習特征，精準測評學生個體及群體在各個維度的學習狀態，教師可以根據測評結果有針對性地采取干預措施，從而優化教學效果。

3 教師需轉變傳統教學觀念，提供支架助力精準教學

本研究將精準教學的理念引入編程教學，根據學情進行個性化教學設計，促進了學生計算思維水平的精準提升。針對實驗中問題解決能力維度提升效果不理想的問題，本研究提出了如下建議：①為使計算思維培養的效果更佳，除了教學模式的創新，教師的教學觀念也需進一步轉變。②要為學生提供必要的教學支架，可利用人工智能技術幫助教師更好地構建支架和創設情境，從而將復雜的問題分解，促進解決問題[34]。③對計算思維的培養有必要結合多樣化的生活情境，并與不同學科融合。這是因為，跨學科的學習情境不僅有助于計算思維的遷移，也能幫助學生在不同情境下通過不斷地抽象、重組尋找問題解決方案[35]。因此，在計算思維教學中，教師需要轉變以往的教學觀念，以學生探索為主，為學生提供具體、明確的教學支架，而不是直接規定解題路徑；同時，教師應注重將計算思維融入不同學科，促進計算思維的培養逐漸從編程教育走向跨學科綜合設計。