認(rèn)知負(fù)荷理論視角下中學(xué)Python編程課程教學(xué)策略研究

摘要：編程教育已經(jīng)逐步受到社會(huì)、學(xué)校以及家長(zhǎng)的重視，如何提高編程教育的質(zhì)量已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。通過對(duì)目前中學(xué)Python編程課程教學(xué)中存在的一些問題進(jìn)行了總結(jié)梳理，并且以認(rèn)知負(fù)荷理論為基礎(chǔ)，從減輕內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、降低外在認(rèn)知負(fù)荷以及增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷三個(gè)大方向出發(fā)，提出了幾點(diǎn)中學(xué)Python編程課程的教學(xué)策略，從而提升其教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷；Python編程；初中編程教學(xué)；教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G642" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）33-0155-03

1 引言

隨著新一代技術(shù)的發(fā)展，編程教育已日漸成為智能時(shí)代進(jìn)行創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的實(shí)施重點(diǎn)。在教育部公布的《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》中明確指出，“推動(dòng)在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”。不僅如此，現(xiàn)在市面上的編程培訓(xùn)機(jī)構(gòu)也變得越來越多、越來越規(guī)范，許多家長(zhǎng)也意識(shí)到編程教育的重要性，通過編程教學(xué)來教會(huì)學(xué)生用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的方法來解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)新時(shí)代所需要的人才。由此可見，編程教育的迅猛發(fā)展是大勢(shì)所趨。

然而，就目前Python編程課程教學(xué)現(xiàn)狀來看，Python編程課程教學(xué)的教學(xué)效果仍然不如人意，這一結(jié)果的產(chǎn)生原因是多方面的。首先，自媒體以及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)不斷發(fā)展，使得信息的呈現(xiàn)變得碎片化、隨機(jī)化以及分散化，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的專注度產(chǎn)生了極大的沖擊。其次，編程教學(xué)的內(nèi)容相對(duì)于其他學(xué)科來說，知識(shí)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜抽象，導(dǎo)致學(xué)生難以理解其本質(zhì)含義。另外，目前對(duì)于編程教學(xué)的研究比較少，許多教師沒有足夠的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致教師對(duì)于其每節(jié)課呈現(xiàn)給學(xué)生的信息量以及呈現(xiàn)速度沒有明確把握，導(dǎo)致教師傳遞信息的量和速度與學(xué)生接受信息的量和速度不匹配。這一系列原因都使得學(xué)習(xí)者在編程課程時(shí)認(rèn)知負(fù)荷不斷增大。由此可見，編程是一項(xiàng)難度較高的認(rèn)知活動(dòng)，這項(xiàng)活動(dòng)需要學(xué)習(xí)者掌握多方面的知識(shí)，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)者會(huì)產(chǎn)生較高的認(rèn)知負(fù)荷。

綜上所述，教師應(yīng)該通過哪些方法和策略對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控是值得我們關(guān)注的問題。據(jù)此，本文根據(jù)目前Python編程課程教學(xué)中存在的一系列問題提出了幾點(diǎn)教學(xué)策略，以期能夠?qū)ython編程課程教學(xué)的研究起到一定的推動(dòng)作用。

2 認(rèn)知負(fù)荷理論

2.1 認(rèn)知負(fù)荷的內(nèi)涵

認(rèn)知負(fù)荷理論早在1988年時(shí)就已經(jīng)被提出來了，是由澳大利亞的新南威爾士大學(xué)的著名認(rèn)知心理學(xué)家約翰·斯威勒（John Sweller）提出的，是以人類信息加工容量有限理論和圖式理論為基礎(chǔ)的。從提出開始到現(xiàn)在，獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是大家都還沒有對(duì)認(rèn)知負(fù)荷這一概念形成一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。Pass和Van Merrienboer認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷由多個(gè)維度組成的，是執(zhí)行一項(xiàng)具體作業(yè)時(shí)施加在個(gè)體認(rèn)知上的負(fù)荷[1]；在國(guó)內(nèi)，對(duì)于認(rèn)知負(fù)荷理論的概念是由學(xué)者辛自強(qiáng)和林崇德率先提出的，他們認(rèn)為可以把認(rèn)知負(fù)荷看作為對(duì)指定數(shù)量信息進(jìn)行加工時(shí)所需要的“心理能量”的水平，因?yàn)樗枰M(jìn)行加工的信息數(shù)量不斷增加，認(rèn)知負(fù)荷也會(huì)隨之增加[2]。

根據(jù)所總結(jié)的以上學(xué)者對(duì)認(rèn)知負(fù)荷這一概念的界定，并且結(jié)合Python編程課程學(xué)習(xí)的相關(guān)特點(diǎn)，在本文中，我們可以將認(rèn)知負(fù)荷定義為：學(xué)習(xí)者在對(duì)Python編程課程中的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，由于對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容難度的感知而投入到當(dāng)前學(xué)習(xí)中的心理活動(dòng)的總量。

2.2 認(rèn)知負(fù)荷的分類

隨著對(duì)認(rèn)知負(fù)荷理論研究的不斷深入，研究者們認(rèn)為根據(jù)學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的產(chǎn)生來源不同，可以將其分為三大類，分別是內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷以及相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

外在認(rèn)知負(fù)荷，常常被人們稱為無效認(rèn)知負(fù)荷，主要是由于學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中發(fā)生了一些無關(guān)于學(xué)習(xí)的認(rèn)知活動(dòng)而帶來的負(fù)荷，主要和學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式以及一些學(xué)習(xí)者自身活動(dòng)有關(guān)。

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由學(xué)習(xí)任務(wù)難度和學(xué)習(xí)材料的交互度所決定的。學(xué)習(xí)任務(wù)的難度越高，對(duì)應(yīng)的元素就越多，當(dāng)學(xué)習(xí)者的工作記憶中有許多需要進(jìn)行加工整合的元素，且元素之間的交互度較高，那么就會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。如果學(xué)習(xí)者在進(jìn)入學(xué)習(xí)之前有一定的先前知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，就會(huì)促進(jìn)圖式的自動(dòng)化，從而內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷就會(huì)減小。

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷又被稱作有效認(rèn)知負(fù)荷，是指在學(xué)習(xí)的過程中學(xué)習(xí)者將工作記憶能量投入進(jìn)一步的知識(shí)結(jié)構(gòu)建構(gòu)以及存儲(chǔ)時(shí)所產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷[3]，為了使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)是有意義的，就應(yīng)該不斷提升相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的大小。

認(rèn)知負(fù)荷的總量是由三種認(rèn)知負(fù)荷相互疊加所得到的，當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷過高或者是過低的時(shí)候都會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生負(fù)面影響，只有當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷的大小適中時(shí)才會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)起到促進(jìn)的作用[4]。

3 Python編程教學(xué)中存在的問題

Python語言相對(duì)于其他計(jì)算機(jī)編程語言來說，Python語言的語法更加簡(jiǎn)潔、相關(guān)庫十分豐富以及具有開源與擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，因此受到大眾的熱愛和一致認(rèn)可，成為中學(xué)編程教學(xué)中一門很重要的語言。目前來說，在Python編程課程教學(xué)中仍然存在很多問題，本文通過對(duì)文獻(xiàn)的梳理，分析總結(jié)出以下幾點(diǎn)問題：

3.1 學(xué)生對(duì)Python編程課程的學(xué)習(xí)興趣低

造成這一問題的原因是多種多樣的，首先，因?yàn)镻ython編程課程與學(xué)生實(shí)際生活和先前知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相差較遠(yuǎn)，此前沒有或很少接觸過編程課程；其次，Python編程課程有關(guān)于語法、變量等理論知識(shí)學(xué)習(xí)強(qiáng)度很大，在實(shí)際操作中以編寫代碼為止，相對(duì)于制作幻燈片、動(dòng)畫等內(nèi)容和其他學(xué)科，趣味性較低，使學(xué)生產(chǎn)生枯燥無趣的消極心態(tài)，對(duì)編程學(xué)習(xí)的積極性不高；最后，再加上為了跟進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)度的安排，許多老師在教學(xué)時(shí)只能采用講授法、演示法來講授課程內(nèi)容，沒有足夠的時(shí)間余地采用其他方式來激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

3.2 教師對(duì)教學(xué)目標(biāo)的把握不夠明確

教學(xué)目標(biāo)是指教學(xué)活動(dòng)中所期待得到的學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果。在整個(gè)教學(xué)過程中，教學(xué)目標(biāo)都是尤為重要的，一切的教學(xué)活動(dòng)都是圍繞著教學(xué)目標(biāo)開展的。教師對(duì)于教學(xué)目標(biāo)的把握程度對(duì)教學(xué)效果的優(yōu)劣起著決定性作用。但因?yàn)榫幊探逃艅倓偱d起，教學(xué)研究者對(duì)于其研究還比較少，教師教學(xué)缺乏教學(xué)參考，所以很多教師對(duì)于編程教學(xué)的理解還不夠深入，對(duì)其教學(xué)目標(biāo)的把握不夠明確。因此，在教學(xué)中許多教師只注重于學(xué)習(xí)任務(wù)是否完成、作業(yè)結(jié)果是否達(dá)標(biāo)，而忽略了在這個(gè)過程中學(xué)生編程思路和計(jì)算思維的培養(yǎng)；同時(shí)也是因?yàn)榻處煂?duì)教學(xué)目標(biāo)的把握不夠明確，導(dǎo)致學(xué)生也不能夠把握每節(jié)課的具體任務(wù)和目標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷有所增大。

3.3 教師教學(xué)方式過于單一

在Python編程課程教學(xué)中，大多數(shù)教師仍然采用講授法、演示法，一些有助于發(fā)揮學(xué)習(xí)者主動(dòng)性的教學(xué)方法被忽略，如任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、小組合作學(xué)習(xí)等。首先，在單向傳授的教學(xué)模式下，沒有體現(xiàn)出新課改要求的“以學(xué)生為主體”的教學(xué)觀念；其次，Python編程課程的實(shí)踐操作性很強(qiáng)，教師的教學(xué)重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的編程思路和計(jì)算思維，如果令學(xué)生處于被動(dòng)地位的傳統(tǒng)教學(xué)方式不利于學(xué)生編程思路和計(jì)算思維的培養(yǎng)與發(fā)展。

3.4 Python編程課程學(xué)習(xí)任務(wù)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)吃力

首先，Python編程課程所相關(guān)的知識(shí)相對(duì)于中學(xué)階段其他知識(shí)來說本身就晦澀難懂，存在很多基本的語法、概念等，學(xué)生之前從未接觸，短時(shí)間內(nèi)也難以理解。其次，在編程過程中出現(xiàn)一點(diǎn)小問題就會(huì)導(dǎo)致程序無法運(yùn)行或者是運(yùn)行結(jié)果有誤，學(xué)生難以找出問題出在哪里，對(duì)著紅色的報(bào)錯(cuò)框不知所措，這樣的情況隨著教學(xué)難度的提升變得越來越多，在教學(xué)的后期階段已有部分學(xué)生出現(xiàn)“習(xí)得性”無助現(xiàn)象，開始放棄學(xué)習(xí)[5]。

4 認(rèn)知負(fù)荷理論視角下中學(xué)Python編程課程教學(xué)策略

本文主要從減輕內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、降低外在認(rèn)知負(fù)荷以及增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷三個(gè)大方向出發(fā)，分別提出以下具體幾點(diǎn)教學(xué)策略：

4.1 降低任務(wù)難度，減輕內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

4.1.1 清楚明確地向?qū)W生闡述學(xué)習(xí)任務(wù)

在Python編程課程的教學(xué)中，學(xué)生其實(shí)很難深刻明確地理解到這一堂課的學(xué)習(xí)任務(wù)是什么，甚至一堂課已經(jīng)結(jié)束了學(xué)生都不知道學(xué)到了什么，這一現(xiàn)象很常見。因此，在教學(xué)活動(dòng)開始之初，教師就需要清除明確地向?qū)W生闡述本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)，但學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)任務(wù)有一個(gè)清晰的認(rèn)知時(shí)，學(xué)習(xí)的方向才會(huì)更加明確。其次，學(xué)習(xí)者明確任務(wù)要求后，還能快遞將其和相關(guān)的先前知識(shí)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，將新舊知識(shí)進(jìn)行整合，進(jìn)一步減輕了新任務(wù)帶來的認(rèn)知負(fù)荷。

4.1.2 將學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行分層

處于同一階段每個(gè)學(xué)生對(duì)知識(shí)概念理解和代碼編寫的水平也是存在很大的差異的，如果給每個(gè)學(xué)生布置同樣的任務(wù)，那么任務(wù)難度較大時(shí)，水平略低的學(xué)生會(huì)跟不上教學(xué)進(jìn)度，心理負(fù)擔(dān)增大，任務(wù)難度較低時(shí)，水平略高的學(xué)生會(huì)覺得過于簡(jiǎn)單，失去學(xué)習(xí)興趣。因此，在教學(xué)當(dāng)中教師可以對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行分層，難度逐漸遞增，針對(duì)不同水平的學(xué)生提出不同的任務(wù)要求。

4.1.3 在教學(xué)中提供相關(guān)樣例

“樣例效應(yīng)”是指從那些具有具體解決方案或解決步驟的問題中歸納出隱含的抽象知識(shí)來解決問題[6]，應(yīng)用于教學(xué)中的具體操作是指在教師講授新知識(shí)時(shí)向?qū)W習(xí)者展示樣例，學(xué)習(xí)者再仿照樣例進(jìn)行練習(xí)。在學(xué)習(xí)進(jìn)行一段時(shí)間后，學(xué)習(xí)者已經(jīng)獲得了一些有關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識(shí)，釋放了一部分工作記憶的容量，在這個(gè)時(shí)候再給學(xué)習(xí)者提供有關(guān)樣例，就能夠進(jìn)一步促進(jìn)圖式的生成，同時(shí)還可以幫助學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中進(jìn)行自我解釋，進(jìn)而增大了學(xué)習(xí)者的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷[7]。提供樣例的變式給學(xué)習(xí)者也是使學(xué)習(xí)者的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷增加的途徑之一，有利于問題圖式的構(gòu)建和學(xué)習(xí)的遷移，促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)。

4.2 合理呈現(xiàn)材料，減少外在認(rèn)知負(fù)荷

4.2.1 根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容采取合理的教學(xué)組織形式

教師每次在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)每堂課或每個(gè)教學(xué)階段所對(duì)應(yīng)的不同的教學(xué)內(nèi)容選擇采取合適的教學(xué)組織形式。如在講解Python編程相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和概念性知識(shí)時(shí)，可以采用講授法，但應(yīng)該主要采用一些導(dǎo)入方法，由此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在講解具體編程操作等實(shí)踐操作性比較高的知識(shí)時(shí)，教師就應(yīng)該采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、小組合作學(xué)習(xí)等方法，能夠起到調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的作用。編程學(xué)習(xí)和其他知識(shí)的學(xué)習(xí)存在一定的差異，編程學(xué)習(xí)更加注重學(xué)生的實(shí)際操作能力。因此，在教師講授知識(shí)時(shí)不能一味地采取講授法、演示法等使學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，而應(yīng)該讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，主動(dòng)去學(xué)習(xí)。

4.2.2 通過思維導(dǎo)圖來總結(jié)所學(xué)知識(shí)

思維導(dǎo)圖，通常又被大家稱作心智圖，這是一種可以表達(dá)發(fā)射性思維的有效的圖形思維工具，可以幫助學(xué)習(xí)者將所學(xué)的知識(shí)串接起來，理清每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，在頭腦中留下一張清晰的關(guān)系圖。在課程學(xué)習(xí)結(jié)束之后，學(xué)習(xí)者并不能完全理解所學(xué)內(nèi)容，在頭腦中留下的知識(shí)是雜亂無章的，這些信息分散的、沒有結(jié)構(gòu)地存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶中，但需要對(duì)其進(jìn)行提取使用時(shí)存在很大的困難。因此，一堂課或一個(gè)階段的學(xué)習(xí)結(jié)束前，教師可以通過用思維導(dǎo)圖的方式來對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行梳理，將每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串接，幫助學(xué)生進(jìn)行理解。

4.3 引發(fā)學(xué)生注意力，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

4.3.1 將學(xué)習(xí)內(nèi)容盡可能與學(xué)生生活實(shí)際相聯(lián)系

Python編程課程本身的知識(shí)內(nèi)容就存在枯燥乏味的特點(diǎn)，在課堂中教師如果完全按照書本知識(shí)來講授，那么學(xué)生必然就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知疲勞，對(duì)相關(guān)編程概念和思路的理解也不到位，一段時(shí)間過去了就會(huì)學(xué)過的知識(shí)產(chǎn)生遺忘。因此，在教學(xué)過程中教師可以把教學(xué)內(nèi)容與生活實(shí)際關(guān)聯(lián)起來，增大兩者之間的聯(lián)系，以身邊的日常生活發(fā)生的事情作為教學(xué)的案例，這樣當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)就會(huì)與生活中的例子產(chǎn)生聯(lián)想，更加容易幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行理解、記憶，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生投入更多的認(rèn)知努力。

4.3.2 建立合理的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制

在實(shí)際的教學(xué)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生受到了老師的表揚(yáng)時(shí)，不論是學(xué)習(xí)積極性還是學(xué)習(xí)質(zhì)量都會(huì)有所提高，這一點(diǎn)對(duì)于平時(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)不是特別優(yōu)秀的學(xué)生來說體現(xiàn)的效果會(huì)更加明顯。在教學(xué)中，如果教師能夠在每一階段教學(xué)中給予學(xué)生合理的反饋和獎(jiǎng)勵(lì)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性會(huì)逐步增加并長(zhǎng)期保持。因此，在教學(xué)中應(yīng)該建立合理的獎(jiǎng)勵(lì)的機(jī)制，同時(shí)要注意獎(jiǎng)勵(lì)的頻率不應(yīng)該過高，獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)機(jī)也要把握好，在學(xué)生做出積極行為的時(shí)候應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。通過適當(dāng)?shù)貙?duì)學(xué)生進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，可以使學(xué)生對(duì)Python編程課程學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性大大增加并且有效保持穩(wěn)定，從而從Python編程課程學(xué)習(xí)投入更多的認(rèn)知資源，促進(jìn)相關(guān)圖式的構(gòu)建。

5 結(jié)束語

Python編程課程才正式進(jìn)入中學(xué)課堂不久，在后期還會(huì)有很大的發(fā)展空間，將逐步進(jìn)入全國(guó)各地的中小學(xué)課堂，也會(huì)逐步獲得社會(huì)、學(xué)校和家長(zhǎng)的重視。同時(shí)，Python編程課程的教學(xué)研究目前仍處于萌芽階段，應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)、逐步發(fā)展，需要融入更多的理論，在真實(shí)的教學(xué)情境中進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。

認(rèn)知負(fù)荷理論的影響已經(jīng)在教育領(lǐng)域變得越來越深遠(yuǎn)，逐步變成了一種重要的指導(dǎo)教學(xué)的理論。基于認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)Python編程課程教學(xué)提出的一系列教學(xué)策略是科學(xué)有效的，能夠有效地對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)。

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