基于編程學習平臺培養高階思維能力的教學設計

李怡靜　緱娟娟　王婧雯　潘以鋒

關鍵詞：高階思維；編程教育；游戲化學習；項目式學習；平臺支持

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0113-04

1 引言

隨著新經濟時代的到來，越來越多的新技術、新產業興起，如何創新成為當前社會首要考慮的問題，這也引發了高校在教學內容、教學模式和思維培養上的變革。經濟合作與發展組織（Organization for Eco?nomic Co-operation and Development，OECD） 發布的研究指出，21世紀人才需要具備十大核心技能，其中包括創造思維、批判思維、問題解決能力、決策和自主學習能力等[1]。與鐘志賢提出的高階能力相符，他提出高階思維能力具體為學生的問題解決能力、學生決策、批判思維和創新思維等能力[2]。

編程教學一直是信息時代培養社會創新人才的重要手段之一，高校教育在很早之前就開始重視編程教學，隨著人工智能的發展，編程能力更是不可或缺的能力之一。但是當前我國編程教育在學生學習和教師教學方面都有較大的問題。學生學習方面主要的問題是學生編程水平參差不齊[3]以及學生對編程學習復雜的語法、抽象的概念性知識等難以提取興趣[4][5]。教師教學方面的問題主要是教學形式和評價方式比較單一[6]，過分強調學生對于理論知識的掌握，忽視了學生編程學習的過程和能力培養。

如何激發學生對編程學習的興趣，以及如何在編程教學過程中培養學生高階思維能力是當前亟待解決的問題。

2 高階思維內涵及培養方式

高階思維是發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力，高階思維的培養需要高階能力的支持，高階能力是以高階思維為核心，解決劣構問題或復雜任務的心理特征[2]。高階思維的培養應以學生為主體，教師為主導，并通過學習者的實踐來培養，是在學習者完成新任務解決新問題的過程中完成的，它解決的真實環境下復雜的問題，其解決路徑不確定，解決方案也不單一[7]。

高水平的項目式學習具有高階學習教學模式的所有特征，是高階思維培養的最佳教學模式[7]。項目式學習是在建構主義的指導下，師生通過共同實施一個完整的項目工作而進行的教學活動[8]。項目式學習最初被應用于K-12教育，后逐漸擴展到高等教育領域，對高校學生知識技能掌握、能力培養等產生了重要作用[9]。例如廖燕等研究者將項目式學習引入物理教學環節來發展學生的物理高階思維能力[10]。梁偉虹等人在小學以項目式學習的方式以數學綜合課程為載體中整合多學科教學，從而促進學習者高階思維的發展[11]。采用項目式教學方式培養高階思維能力時需要將已有的知識作為基礎，學生需要掌握基礎知識之后才能開展高水平的項目學習，所以高階項目的開展需要與基礎知識的學習相結合。然而項目化學習對于學生要求較高，若學生沒有充分了解項目流程或是沒有掌握好基礎知識，那他們在項目實施過程中很容易因為難以完成項目實施而產生挫敗感，從而對學習失去信心。

綜合上述情況，文章應用自主開發的游戲化編程學習平臺，設計了學生自主學習+項目化學習教學活動，旨在培養學生高階思維能力。

3 游戲化編程學習平臺功能支持

3.1 自主學習

3.1.1 游戲化闖關功能

個人闖關學習中加入了等級沖關、積分、排行榜和徽章等游戲元素。闖關學習中按照章節知識點進行劃分關卡，每學習完一個章節的知識點后，系統會開放相應章節的闖關游戲，每個關卡分為“簡單、中等和困難”三個難度等級，如圖1所示。每次闖關完成之后系統會自動更新排行榜中的排行，每完成一次闖關會獲得相應等級的積分，達到一定積分數之后可獲得相應徽章，獲得的徽章數量最終會計入課程總成績中。這一過程激發了學生的學習興趣，學生在闖關過程中也能夠進行反思，意識到自己的學習情況和知識的掌握情況，從而針對未掌握的內容進一步加強學習。

3.1.2 知識圖譜功能

知識圖譜中根據學習內容劃分知識點，每個知識點為一個節點，通過不同顏色來標記學習者的學習狀態，在學習者之后的闖關過程中系統會針對未掌握的知識點繼續推薦相關題目，讓學生進行鞏固練習。學生可在知識圖譜界面中查看自己的學習情況，根據自己未掌握的內容針對性地學習。知識圖譜能夠讓學生審視不同節點上知識點之間的關系，并在經歷知識的深度加工之后最終確立正確知識聯系。

3.2 項目學習

3.2.1 項目提交功能

項目提交部分主要是讓小組定期將項目完成進度、小組討論內容以及項目中成員完成的工作內容上傳到平臺中，方便記錄網頁設計的過程，同時方便教師最后對整個項目和個人進行評分。

在平臺中開展小組項目學習能夠將小組項目完成情況和討論過程都記錄了下來，使問題解決過程和成分分工情況都可視化，能夠更加清晰地了解個人在項目中的貢獻、組內討論情況、項目當前完成情況和存在的問題，促進學生更好的分析問題，歸納整理組內觀點制定問題解決方案，培養學生問題解決能力、決策能力和批判性思維能力。

3.2.2 學習社區功能

學習社區中包括“成果分享區”和“戰績分享區”。“成果分享區”用于各小組展示最終作品，其他組成員可以在該區域中對其他組作品進行點評；在“戰績分享區”中學習者可以將自己認為進步最大或戰績最好的截圖分享出來，分享自己的學習歷程。如圖2所示。

學習社區能夠讓學生更方便地展示小組的項目成果，發表自己的觀點。小組內項目成果展示后，各組能夠發表自己的看法，評價作品提出意見。針對項目的評價能夠促進學生進行反思調整，培養學生批判性思維和創造性思維，在問答討論的過程中能夠讓學生了解對某一觀點不同的分析角度，分析辨別不同觀點的正誤或與自我價值觀的匹配程度，培養學生批判性思維能力和決策能力。

4 基于平臺的編程學習策略

4.1 游戲化學習策略

游戲化學習是指在非游戲環境中加入游戲元素[12]，可能沒有一個完整的游戲過程，只是在非游戲環境中加入積分、徽章以及排行榜等游戲元素，更注重的是學習內容，通過游戲元素的加入提升學習者的學習興趣。與游戲化相關的概念還有基于游戲的學習，它是以游戲項目為主，學生在玩游戲的過程中學習知識，更加注重的是游戲過程。文章采用的是游戲化學習策略，在平臺中設計游戲闖關，并添加積分獎章等激勵機制。

4.2 項目化學習策略

在教育領域中，項目一般是指圍繞學生所選主題所進行的一系列調查、觀察、研究、表達新學知識、展示及分享等學習活動[13]。項目式教學來自杜威的“做中學”實用主義教學理念以及建構主義理論，它是通過項目的形式，將傳統學科體系中教學內容進行重新整合，將要掌握的知識內容劃分為若干個相對獨立的教學項目，每個教學項目都有一定的工作任務[14]。與傳統的“講授-接受-檢測反饋”教學模式相比，項目式學習更趨向于“完整的學習過程”[15]。

編程課程是一門實踐性很強的課程，需要在實踐中發現問題、解決問題，才能夠深刻認識問題[16]，所以在編程學習的過程中不能只依靠理論知識的學習來提升編程能力，而應主張讓學生動手編程，通過實踐提升學生的編程能力。項目化教學能夠讓學生從一個完整的學習過程進行學習，以項目驅動的形式讓學生學會編寫程序。

5 編程學習流程設計

基于游戲化學習平臺的編程學習包括對于知識點的學習和綜合應用兩部分，如圖3所示。首先是在游戲化策略下的知識點學習，在學習過程中加入闖關、積分等游戲元素激發學生學習編程的興趣，同時利用知識圖譜中記錄知識點掌握情況。除了知識點的學習，學生還需要完成小組項目化學習，學生以設計一個完整的網頁或修改已有網站為項目分為多個小組，通過交流討論、分工合作完成對知識點的綜合運用。

5.1 自主學習

學生在平臺中的自主學習包括視頻學習、個人闖關、知識圖譜構建。學生首先自主學習教師上傳的視頻資料，根據視頻內容繪制知識圖譜，形成個人知識體系，隨后完成個人闖關學習，在闖關過程中可根據自身學習程度選擇闖關難度。每次闖關出現的錯題將會計入錯題集中，另外系統會根據每次闖關情況以及每個關卡錯題程度統計學生對于該知識點的掌握程度，并在知識圖譜中做相應標記，學生可通過查看知識圖譜以及錯題集了解自身學習情況和錯題解析，從而進行針對性的學習。

教師在每次課前查看學生闖關情況，出現某一知識點未通過率較高時則表明該知識點較難，可在課堂中進行講解。而針對某一位同學某知識點未通過的情況，可進一步查看學生視頻學習情況和闖關錯題從而了解學生學習情況，教師還可與學生進行在線交流，了解學生學習難點，針對不同學生學習情況為學生推送不同的學習資料以及學習視頻。

5.2 項目化教學

編程學習不應該只停留在對知識點的學習，更重要的是讓學生學會應用所學程序知識解決實際問題。“個人闖關學習”部分是對知識點分散的學習，在游戲化的個人闖關過程中激發了學生對Web編程學習的興趣，并且學生掌握了基礎的編程知識，所以需要通過項目式的學習來完成對于知識點的綜合應用。

編程平臺支持下的項目化教學主要有八個步驟：

1） 項目選擇：該步驟需要教師根據課程內容設置情境，通常設計真實的情境，學生自行組隊，選擇感興趣的項目，并對項目進行分析，提煉項目需要解決的問題，將項目選擇過程記錄在平臺中（包括選擇項目時出現的所有想法）。

例如課程中教師設計情境，希望學生設計出宣傳家鄉的網站，課程內容重點關注學生對網頁設計前端語言（HTML） 的學習。因此學生在確定項目關注的是網頁版面的設計，可以參考網上各種資源，經過討論確定網站的主要版式，將網站設計方案以及在討論過程中出現的獨特觀點提交到平臺中。

2） 制定計劃：完成項目選擇后，教師引導學生以小組的形式展開討論制定完整項目流程和時間人員安排，并在平臺上記錄最終確定的項目計劃和成員分工情況。

學生在確定網站主要版式后，需要制定網站制作的流程，每個部分需要多長時間，在何時能夠達到什么效果等，并將小組的大致進行分工安排。

3） 項目拆解：該步驟是根據學生制定的項目計劃將完整項目拆解為能夠在1～2課時完成的微項目，教師引導學生在平臺中設置項目進展內容提交節點和在該節點應該達到的項目效果，同時教師能夠定時查看學生提交項目節點和在該節點預期完成的內容督促和引導學生實施項目。

學生可以根據網站結構將整個網站制作分為多個微項目。例如首先需要將搭建網頁的框架結構，需要學習HTML 語言搭建整體框架，這是第一個微項目，然后分別對每個塊進行設計和制作，又分為了其他的微項目，學生通過1～2課時完成這些微項目，最終能夠將微項目中產出的作品整合完成整個項目。

4） 微項目解決：在該環節教師需要引導學生提煉出微項目中的任務，微項目中涉及的任務通常較為簡單，教師需要為學生提供學習支架或者學習資源，學生小組內協作探究完成微項目中的任務。學生在微項目實施過程中能夠完成知識建構，而教師能夠在學生計劃內容中找到查看學生提交的微項目成果，提出意見和幫助。

例如第一個微項目搭建網頁框架，將空白的網頁分為多個板塊，在每個塊中需要插入行和列將塊進一步劃分，這需要學生先獲取HTML頁面結構和塊元素的相應知識搭建網頁整體框架，利用CSS設計頁面版式。教師可以根據學生微項目完成情況引導學生調整之后的項目內容，確保能在學生掌握知識的情況下繼續項目實施。

5） 項目成果制作：在該環節，學生需要將微項目的成果或在這個過程中學到的知識整合，形成整體來完成最終的項目作品。學生也能利用平臺的“知識圖譜”功能將所學的知識進行整理，形成自己的知識系統。

在Web編程課程中微項目的實施是為了能夠更好地完成整個項目，因此在所有微項目開展結束后，學生可以將微項目中生成的每個板塊的內容整合起來，形成一個完整的網頁，并且將學習的知識整合起來，形成自己的知識導圖。

6） 項目成果展示：項目展示過程學生需要在平臺的“學習社區功能”中將小組成品展示出來，小組之間交流討論、相互學習，在平臺中講解自己的作品，發表自己的觀點。

7） 活動評價：活動評價的主體通常是學生，教師在評價活動中起到引導作用，在前期可以為學生提供評價框架，教會學生如何評價，之后引導學生在平臺中發表評價語，同時學生需要根據評價意見對作品進行修改和完善。

6 結論

高階思維能力是當前社會發展信息化時代下十分重要的能力，高等教育中的編程教學對于信息化時代眾多行業的人才培養都有重要意義，所以在高等教育中的編程教育采取有效的教學措施和技術是十分有必要的，并且編程教育不應該停留在知識點的學習中，應關注對實際問題的解決，從實際問題出發，回到知識點，讓學生學會運用所學知識解決實際問題。在編程課程中培養學生高階思維能力主要通過高水平的項目式教學方式。在文章中主要借助編程學習平臺開展編程學習，通過游戲闖關提升學生編程學習興趣，促進學生掌握核心知識；通過項目式教學讓學生學會運用所學知識解決現實世界中的復雜問題，培養學生高階思維能力。