提升元認知的思維訓練編程課程框架建構研究

摘 要：在社區教育中開展編程學習項目彌補義務教育階段信息學普通教育之不足。研究發現編程學習對元認知能力具有正向影響作用。通過對提升元認知能力的思維訓練編程課程的框架、教學支架的建構研究，力求使編程學習對學生思維能力有所助益，從而提升學生的整體學習能力。

關鍵詞：編程教育；元認知能力；思維訓練 ；框架設計

中圖分類號：G642；TP311.1-4文獻標識碼：A文章編號：2095-9052（2024）10-0214-03

引言

在科技與人工智能日新月異的時代，信息學在義務教育階段的價值日益凸顯，尤其編程類課程對于培養學生的計算思維能力具有顯著效果［1］。然而，現實情況并不理想。據顧小清等人于2022年對全國31個省（自治區、直轄市）的義務教育階段信息科技學科的調查數據顯示，近半數 （49.81%）中小學校并未開設信息科技課程，而只開設一門信息科技課程的學校占35.85%［2］，這揭示了我國信息學教育在地域間的普及程度存在明顯差距。為應對這一挑戰，教育部適時發布了關于發展社區教育指導意見，強調以社區教育的普惠性原則促進教育公平，堅持以人為本，需求導向［3］，旨在借助社區教育資源填補學校教育的不足，特別是在信息科技教育方面的匱乏。在此背景下，廣東開放大學分部汕頭開放大學積極響應國家政策，于2022年在社區教育中啟動了義務教育階段的思維訓練編程學習項目。該項目采用線上線下相結合的混合式教學模式，旨在提供個性化、普及性思維訓練編程課程，成為義務教育體系內信息科技學科的有效補充。項目團隊設計出社區教育思維訓練編程學習的路徑框架［4］，力求適應不同學習者的需求，提升教學效果。考慮到當前義務教育階段學生仍面對一定的應試壓力，若編程學習對學生思維能力有提升效果，使學習能力有所增進，則可發揮對學生學習的輔助作用。故本研究將深入剖析汕頭開放大學社區編程學習項目的實踐案例，提煉成功經驗，著力于以提升學生思維能力為目標，對編程課程的教學設計有更完善的建構。

一、編程學習通過提升元認知能力正向影響學習效果

在探索提升學生思維能力的有效路徑中發現個體思維能力的高低是通過思維品質的差異體現，思維品質與元認知存在顯著或非常顯著的相關，這種聯系實質是因果關系。元認知與思維品質實質上是同一事物的兩個方面，思維品質是思維整個結構的功能和外在表現形式，而元認知則是思維整個結構功能的內在組織形式［5］。元認知能力在各個學科的學習中起著關鍵正向作用，正向結果較突出的學科是數學。另有研究發現元認知能力的成熟對學習自主性和學習成績有提升作用。因此，元認知能力的提升對個體學習能力具有顯著影響。

（一）編程過程是元認知訓練過程，可促使元認知監控成熟

元認知能力的訓練分為內隱訓練與外顯訓練兩種類型。內隱訓練是指情境體驗式學習，學生在學習過程中通過自主思考與情感體驗，對學習目標與教學過程深入剖析與感悟，從而內化相關知識。外顯訓練則強調通過教師的詳細指導與明確要求，引導學生將內在思維過程外化為可見的學習行為，使他們能夠清晰地呈現解決問題的路徑。程序的編寫過程實際上包含了元認知訓練內隱和外顯訓練兩方面的緊密結合，它嚴格遵循元認知監控的各個步驟，為學習者提供了系統的思維訓練平臺。具體言之，編程過程可細分為以下幾基本的步驟：

1.分析問題與流程圖繪制，呈現程序的基本輪廓。這一階段，編程者首先需深入理解待解決的問題，梳理其內在邏輯，預測可能的解決方案，并通過繪制流程圖直觀展現程序的基本架構。此步驟對應于元認知監控中的計劃與預估階段，要求學習者運用內隱訓練中的自我反思與問題解析能力，在外顯訓練的助力下，清晰地規劃解決問題的步驟與邏輯脈絡。

2.用編程語言實現程序。根據已繪制的流程圖，編程者先用適當的語言將邏輯設計轉化為實際代碼。這一過程要求學習者精準地將抽象思維轉化為具體程序指令，是對內隱訓練中知識內化的實踐檢驗。同時教師在此階段的適時指導與反饋構成外顯訓練的重要組成部分。在內隱和外顯訓練的共同作用下，即使所寫程序無法實現目標，編程者也會及時調整實現策略。

3.編譯運行與調試。完成編碼后，通過編譯器運行程序以驗證其是否實現目標。若發現程序未能達到預期效果或存在錯誤，編程者會啟動元認知的監控與調整機制，重新審視問題、代碼檢查，識別錯誤根源，并據此進行調試。這一反復調試、修正的過程，既是內隱訓練中問題解決策略的動態調整，也是外顯訓練中教師指導學生學會利用調試工具，遵循調試方法論的實戰演練。

4.錯誤修正與迭代優化。針對編譯過程中發現的錯誤，編程者進行修正。隨后再編譯、測試，直到程序完全滿足目標要求。這一階段體現了元認知訓練中評價與反饋的過程，內隱訓練體現在學習者自我評估和自我修正的能力上，而外顯訓練則反映在教師對修正過程的指導和對學生修正成果的評價中。

綜上，完整的編程思維訓練過程不僅與元認知監測步驟高度契合（如表1所示），而且通過內隱與外顯訓練的交織進行，有力地促進了學習者元認知能力的成熟與發展。編程中調試與改錯環節尤為重要，它們不僅是元認知監控訓練的具體實踐，更是確保程序設計步驟有效執行，實現思維能力全面提升的關鍵所在。因此，學生在編程中對錯誤的識別，分析與修正，不僅是提升編程技能，更是培養其獨立思考、自主解決問題的重要途徑。

（二）編程過程中反思性思維的發生，有助于提升元認知水平

編程，是一個從需求出發而解決問題的過程。在編程伊始，編程者需明確界定目標問題。個體視角與思維差異決定了學生在面對相同問題時，可能采取不同的編程策略。正是這種差異性，賦予了編程學習提升元認知的獨特優勢：當學生能獨立分析并編寫程序以達成目標時，教師則可適時引導其尋求更優算法，觸發學生反思如何編寫更優程序；反之，若學生編寫的程序不能達到目標，他們則更容易自發進行自我反思性思考。此外，教師也可在程序設計過程中適時給予反思引導，如處理一些特殊、不可預見的情況，或對思維邏輯混亂但不影響運行的程序段進行反思與檢查。大量文獻研究已證實，編程學習中反思性思維對提升學習者元認知能力具有積極作用。

（三）編程學習中加入認知靈活性訓練策略，調節元認知監測

認知靈活性是指個體能夠根據情境的變化靈活調整思維路徑，快速適應新任務或活動的能力。它是執行功能（大腦的高級認知機制）的關鍵組成部分，且通常在個體發展中較晚成熟。在編程學習過程中，具備高認知靈活性的學生能有效地運用元認知監測，即對自己思維過程進行監控與調整，達到有效的元認知控制；而低認知靈活性的學生其元認知監測水平不能有效地改善元認知控制。在編程的學習中通常把培養和提升認知靈活性作為重要目標之一，常見的兩種策略是：

1.調動積極情感情境以促進認知靈活性。

有研究表明，情緒狀態會影響認知靈活性。積極情緒有助于注意定向的轉換，消極情緒延緩了注意定向的轉換。積極情緒擴展認知范圍，相反，消極情緒縮窄認知范圍。在編程學習中，低年級學生在圖形化編程、制作動畫游戲、實物編程、物聯網等，本身趣味性更強，與數學學科學習在形式上有一定差別。情緒狀態通常是積極、期待與高漲的，這些都屬于積極情緒。因此，編程過程有助于注意力定向的轉換，提高認知靈活性。

2.編程中實施的認知靈活性訓練學習策略。

編程教育在鍛煉學生的認知靈活性方面展現出顯著的優勢，它通過多種直接且針對性的方法，幫助學生超越表象、洞察本質，學會從不同角度思考問題并尋求多種解決方案。比如用編程方式繪制一個正方形與繪制一個五角星、三角形，甚至圓形，其核心使用的都是同一個編程語句。從不同的具象到相同的本質，打破學生對事物固化認知模式。另外，編程實踐強調“舉一反三”與問題多解的學習策略，比如繪制一個圓形的程序可以改編成繪制一朵花，因為花的輪廓也是一個圓。這些學習策略都有助于認知靈活性的提升。

二、提升元認知能力的思維訓練編程教學框架構建

（一）編程教學框架

基于以上分析，本研究聚焦于在編程課程設計中如何通過提升元認知能力，進而提升計算思維能力及整個思維能力表現出優秀的思維品質，促進學生學業學習。結合伯南與雷斯尼克計算思維三維框架和羅伯特·馬扎諾勾勒教育目標新分類學框架，建構提升元認知能力的思維訓練編程課程的教學框架。此框架是建立教學者在教學中引入編程領域特定策略，適用于學習任一編程語言時，提升學習者的元認知能力的通用范式。

1.理論框架選擇與元認知能力關聯。

伯南與雷斯尼克計算思維三維框架涵蓋計算概念（編程語言基礎、數據結構、算法原理等）、計算實踐（通過實際編程項目，鍛煉程序設計、調試與優化能力）及計算視角（從宏觀角度理解計算在社會各領域的角色）。羅伯特·馬扎諾教育目標新分類學框架，特別是其知識加工維度，劃分認知（學科知識掌握）、元認知（自我認知過程的認識、監控與調控）與自我（關注情感態度、價值觀、人生觀等非智力因素，影響學習動機、毅力與創新精神）三個層級。兩者結合，為編程課程設計構建了兼具專業深度與策略情感支持的指導體系。伯南與雷斯尼克框架確保課程內容的專業扎實，馬扎諾框架特別是元認知與自我維度，旨在強化學習策略與情感支撐，通過提升元認知能力，使學生不僅能高效學習編程知識，還能在應對復雜編程任務時展現出自我調適、問題解決與創新思維。

2.思維訓練編程課程教學框架的三層結構。

本編程課程的教學框架遵循從基礎認知到高級思維能力培養的遞進路徑，設計了三個相互關聯、層層遞進的結構層次：第一， 位于認知系統中屬于計算概念范疇的編程學習的普遍表征層。編程學習的普遍表征層概括了一般編程學習的學習范式。教學過程中可借用“案例教學法”或“實驗教學法”等實例教學，實現“做中學”，減低語法語句學習的枯燥感；根據學習者年齡，結合數學背景配置相應的編程算法學習，編程思維會逐步形成，并隨著普遍表征層的循環練習而不斷深化。第二，位于元認知系統中屬于計算實踐范疇的編程領域的學習策略層。 學習策略層使用編程思維策略、反思思維策略、認知靈活度策略等。這一層次強調三個編程策略的重要性，不可欠缺，也不可由教師代勞，由此才可對元認知起有效訓練作用。第三，位于自我系統屬于計算視角的學習者元認知及思維能力提升層。在編程兩層學習活動推進中，學習者的元認知監控水平得以訓練，元認知能力得以提升，從而又助力于外層學習活動的持續進行，進而形成思維理念、觀點、視角等指導思想。

（二）編程教學支架

支架設計是一種使教學和學習策略可以得到落實的干預手段，可以使學習者在編程學習中按給定的方法方式通過學習策略完成思維訓練。

1.實現編程思維策略支架。

編程思維策略支架是用不同的方法對程序設計流程的梳理與強調。可根據學生年齡使用互動教學；圖畫流程法、填表梳理流程法等各種方法，其目的都是輔助學生提練編程思路。學生編程前先獲得情境，理清自己的目標與目的。在整理問題思路的過程中，有些學生僅需教師示范講解新知識點即可自行運用既有知識與策略，于新情境中構建程序流程。對無法獨立列出流程的學生，教師會在其困惑點提供指導，逐步助其將思維具象為流程。

2.實現反思思維策略支架。

反思思維策略支架的設計是為了在編程過程中引起學習者反省，思考，從而修正。教師可使用注釋提問法在程序中與學生交流提問，引導學生反思；教師可引導學生在編寫代碼過程中對于實現某一功能代碼段加以注釋，在寫代碼的過程中同時反思代碼與目標的關系；充分利用學生編程錯誤與實現目標失敗的機會，反思分析錯因；教師可建立評價表，同時引導學生進行自我評價。

3.實現認知靈活性策略支架。

認知靈活性策略支架設計是在編程過程中有目標地融入多種認知靈活性學習策略，即使在學生已經正確完成編程任務時，有意識地為學生設計多種“障礙”。比如多結合編程過程中的多情況多分支思考的思維習慣，打破固化的單一思維方式；多設置一題多解要求，讓學生形成同一目標可以有多路到達的思維方式；設置在多解中尋找最優解要求，養成多路思維中尋找最短、最優路徑的思維習慣；設置學習將現有代碼遷移應用的要求，讓學生靈活利用代碼，在不同問題進行代碼遷移。

結語

隨著信息技術的飛速發展，教育需要與時俱進，但學生的思維能力與學習能力的培養仍需遵循教育規律，不可急于求成。社區教育在普及信息科技知識、填補學校教育可能存在的覆蓋空白方面，扮演著重要角色。社區教育堅守教育公平原則，尊重并適應每個學生的個體發展節奏，為他們提供有針對性的教育支持。鑒于元認知能力對提升學生學習效能的決定性影響，著力于通過提升元認知能力來優化編程課程設計，構建了一套適用于社區教育培訓項目的通用教學模式。這一模式旨在系統性地培養青少年的編程思維，增強其自主學習能力，為他們在快速變化的信息時代奠定堅實的學習基礎。如此，社區教育能夠在信息技術教育領域發揮獨特而有力的輔助作用，促進青少年全面發展。

參考文獻：

［1］陳鵬，王曉，楊姝等.可視化編程能有效促進K12學生的發展嗎——基于SSCI期刊39項實驗和準實驗的元分析［J］.現代遠程教育研究，2023，35（4）：102-112.

［2］顧小清，宛平，姜冰倩等.信息科技教師教育相關者為新課標做好準備了嗎？——基于多維視角的全國調研［J］.中國遠程教育，2023，43（10）：29-40.

［3］教育部.教育部等九部門關于進一步推進社區教育發展的意見［J］. 中華人民共和國教育部公報，2016（9）：44-48.

［4］蘇絢.社區教育中開展編程思維培訓項目的路徑研究［J］.廣東開放大學報，2022，31（5）：14-19.

［5］董奇.元認知與思維品質關系性質的相關、實驗研究［J］.北京師范大學學報，1990，（5）：51-58.