編程教學(xué)中的迷思概念診斷及教學(xué)支架研究

摘 要 文章以“棧和隊(duì)列”為例，通過四段式測(cè)試題和訪談探查學(xué)生的迷思概念及成因，運(yùn)用駁斥文本、教師干預(yù)、編程平臺(tái)反饋三種教學(xué)支架輔助教學(xué)開展，分析各教學(xué)支架在概念轉(zhuǎn)變過程中的作用。研究發(fā)現(xiàn)，編程迷思概念易發(fā)于相似概念或抽象操作性概念；迷思概念的成因有日常經(jīng)驗(yàn)干擾、知識(shí)負(fù)遷移以及知識(shí)本身等；不同教學(xué)支架在不同教學(xué)階段和個(gè)體上作用不同；及時(shí)的反饋和個(gè)性化的指導(dǎo)是促進(jìn)編程概念轉(zhuǎn)變的重要方式。

關(guān)鍵詞 迷思概念；教學(xué)支架；編程教學(xué)；概念轉(zhuǎn)變

中圖分類號(hào)：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.04.018

Diagnosis of Misconception in Programming Teaching and

Teaching Scaffold Types Research

——Taking the Data Structure \"Stack and Queue\" as an Example

PENG Yuan， WANG Jing， HU Hanglei

（East China Normal University， Shanghai 200062）

Abstract Taking \"stack and queue\" as an example， the study explores students' misconceptions and causes through four-phrase test questions and interviews， and analyzes the role of each teaching scaffold in the process of concept change by using three teaching scaffolds： refutation text， teacher intervention， and feedback from the programming platform to assist the teaching and learning process. The study found that students' misconceptions tend to occur in similar concepts or abstract operational concepts; the causes of misconceptions include interference from daily experiences， negative transfer of knowledge， and knowledge itself; different scaffolds play different roles at different stages of teaching and for different individuals; and timely feedback and personalized instruction are important ways to promote concept change in programming teaching.

Keywords misconception; teaching scaffold; programming teaching; concept change

迷思概念指學(xué)生與科學(xué)概念存在偏差的觀點(diǎn)或想法，它的有效轉(zhuǎn)變是學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念體系的重要保證。國(guó)外對(duì)編程迷思概念的研究聚焦于迷思概念診斷及其轉(zhuǎn)變策略，如通過訪談、大數(shù)據(jù)調(diào)查等手段揭示常見的迷思概念，通過改進(jìn)學(xué)習(xí)環(huán)境[1]、轉(zhuǎn)變教學(xué)方法和優(yōu)化評(píng)估反饋[2]來促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變。雖然國(guó)內(nèi)也有學(xué)者對(duì)編程迷思概念展開研究[3]，但相對(duì)物理、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域而言其研究數(shù)量較少。鑒于此，本研究運(yùn)用案例研究法，深入分析學(xué)生在編程學(xué)習(xí)中的迷思概念，并探索三種教學(xué)支架在促進(jìn)學(xué)生迷思概念轉(zhuǎn)變中的作用，為一線教師的教學(xué)提供參考。

1" 迷思概念及教學(xué)支架的相關(guān)研究

迷思概念是由英文詞匯“misconception”音譯得來，其內(nèi)涵界定有完全否定、調(diào)和、過程和發(fā)展四種取向[9]。總的來說可以概括為學(xué)生的當(dāng)前概念與科學(xué)概念存在偏差，表現(xiàn)為學(xué)生自身概念體系存在矛盾或者無法解決當(dāng)下情境中的問題。

迷思概念的診斷可以通過量化或質(zhì)性方法進(jìn)行。量化手段多為二段、三段或四段式測(cè)試題，質(zhì)性手段多為訪談、個(gè)案研究等。研究者在實(shí)踐層面上對(duì)促進(jìn)學(xué)生迷思概念轉(zhuǎn)變進(jìn)行了深入探討，在教學(xué)支架上提出了學(xué)習(xí)任務(wù)單、駁斥文本[4]、教學(xué)輔助工具、教師干預(yù)等多種形式的支持。教學(xué)支架的內(nèi)涵為由教師或父母（輔導(dǎo)者）對(duì)學(xué)習(xí)者所提供的即時(shí)支持，這種支持能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者（被輔導(dǎo)者）有意義地參與問題解決并獲得技能[5]。教學(xué)支架形式多樣，如范例、圖表、解釋、對(duì)話等[6]。在本研究中，教學(xué)支架指的是教師或教具提供的促使學(xué)生發(fā)生迷思概念轉(zhuǎn)變的即時(shí)支持。

2" 研究設(shè)計(jì)

2.1" 研究對(duì)象

本研究以上海某師范類高校教育信息技術(shù)學(xué)系的4名學(xué)生為研究對(duì)象開展多案例研究，被試都系統(tǒng)學(xué)習(xí)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，了解“棧和隊(duì)列”的相關(guān)知識(shí)，具備一定編程基礎(chǔ)。

2.2" 研究過程

研究分為迷思概念診斷、基于教學(xué)支架開展編程教學(xué)、概念轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)收集三個(gè)階段。在迷思概念診斷階段，研究采用四段式測(cè)試題初步探查迷思概念，并輔以訪談分析其成因。在基于教學(xué)支架開展編程教學(xué)階段，研究采用包含駁斥文本的學(xué)習(xí)材料（以下簡(jiǎn)稱學(xué)習(xí)材料）、教師干預(yù)、編程系統(tǒng)反饋三種教學(xué)支架支持學(xué)生迷思概念轉(zhuǎn)變。首先，教師提供學(xué)習(xí)材料供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，隨后發(fā)布預(yù)設(shè)的編程任務(wù)，學(xué)生借助編程平臺(tái)完成任務(wù)。過程中，教師會(huì)根據(jù)學(xué)生的掌握與完成情況與其進(jìn)行針對(duì)性交互。在概念轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)收集階段，先檢測(cè)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的效果，再通過訪談探查概念轉(zhuǎn)變過程中各支架發(fā)揮的作用。具體的研究過程見圖1。

2.3" 研究工具

本小節(jié)將介紹四段式測(cè)試題、訪談提綱、學(xué)習(xí)材料和編程任務(wù)題。研究的前、后測(cè)都以四段式測(cè)試題的形式展開，前測(cè)用于診斷迷思概念，后測(cè)用于探查概念轉(zhuǎn)變的效果。訪談分兩次進(jìn)行，第一次用于探查迷思概念的成因，第二次用于探查各教學(xué)支架在概念轉(zhuǎn)變過程中的作用。

2.3.1" 四段式測(cè)試題

四段式測(cè)試題由答案—信心指數(shù)—理由—信心指數(shù)構(gòu)成，要求學(xué)生分別對(duì)給出的答案和理由的確定性程度給予評(píng)價(jià)[7]。研究對(duì)學(xué)生是否產(chǎn)生迷思概念的判斷標(biāo)準(zhǔn)為： ①科學(xué)概念：答案和理由都對(duì)，且信心指數(shù)都為100；②低信心科學(xué)概念：答案和理由都對(duì)，信心指數(shù)至少有1個(gè)不為100；③假性迷思概念：答案和理由都不對(duì)，或者只有一個(gè)對(duì)但答對(duì)部分的信心指數(shù)低于50；④真性迷思概念：以上三種情況以外的情況[8]。前、后測(cè)涵蓋了棧和隊(duì)列的基本知識(shí)點(diǎn)，包括棧的特性、類型、操作、應(yīng)用，隊(duì)列的特性、類型、操作。研究組在與一線教師商討后，研究開發(fā)前、后測(cè)各20道題目，部分測(cè)試題見圖2。

2.3.2" 訪談提綱

訪談分兩次進(jìn)行，第一次訪談的具體內(nèi)容見圖3，第二次訪談的具體內(nèi)容見圖4。

2.3.3" 學(xué)習(xí)材料

學(xué)習(xí)材料會(huì)根據(jù)被試迷思概念的類型和成因進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。如果被試對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)是假性迷思概念或低信心科學(xué)概念，學(xué)習(xí)材料會(huì)給出具體案例詳細(xì)解釋；如果被試對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)是真性迷思概念，學(xué)習(xí)材料則以駁斥文本的形式呈現(xiàn)。駁斥文本由具體迷思概念、對(duì)迷思概念明確的駁斥、對(duì)科學(xué)概念的呈現(xiàn)與解釋三部分構(gòu)成[9]。比如帶頭結(jié)點(diǎn)的鏈棧其棧空條件是top==None，在駁斥文本中會(huì)明確指出這是迷思概念，再詳細(xì)給出順序棧、帶頭結(jié)點(diǎn)的棧、不帶頭結(jié)點(diǎn)的棧的區(qū)別，棧頂指針的作用以及各自棧空的條件，最終給出科學(xué)概念。

2.3.4" 編程任務(wù)題

編程任務(wù)基于棧的應(yīng)用、棧的操作、隊(duì)列的操作等實(shí)踐應(yīng)用性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，" 共計(jì)括號(hào)匹配、后綴表達(dá)式求值、順序隊(duì)列實(shí)現(xiàn)三道編程任務(wù)題。

3" 研究結(jié)果與分析

3.1" “棧和隊(duì)列”課程中迷思概念類型及成因分析

對(duì)被試前測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，迷思概念出現(xiàn)在棧的認(rèn)識(shí)、類型、應(yīng)用、操作，隊(duì)列的類型、操作6個(gè)方面，具體的迷思概念及類型如表1所示。

表1" " 棧和隊(duì)列的迷思概念及類型

研究從真性和假性迷思概念兩個(gè)方面進(jìn)一步總結(jié)其成因。假性迷思概念的產(chǎn)生主要是知識(shí)的遺忘，在測(cè)試前沒有讓學(xué)生充分回顧以喚醒科學(xué)前概念。真性迷思概念的成因可概括為3個(gè)方面：①日常經(jīng)驗(yàn)的干擾。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，往往會(huì)試圖基于生活中已習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)來理解和闡釋新知，產(chǎn)生適用于部分情境但不完整的概念理解。比如迷思概念7，學(xué)生認(rèn)為排隊(duì)時(shí)隊(duì)尾的人等不及會(huì)先走，因此隊(duì)列的刪除在隊(duì)尾進(jìn)行。②知識(shí)的負(fù)遷移。學(xué)生在學(xué)習(xí)新概念時(shí)，會(huì)將相似但不完全相同的知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單遷移，從而產(chǎn)生迷思概念。比如迷思概念4，學(xué)生認(rèn)為順序棧的棧空條件為top=0，所以帶頭結(jié)點(diǎn)的棧空條件為top==None。比如迷思概念8，學(xué)生認(rèn)為鏈表是由結(jié)點(diǎn)連接形成，可以在任意部分展開操作，所以鏈?zhǔn)疥?duì)列也可以在中間部分展開操作。③知識(shí)本身的因素。由于概念本身較為抽象，理解時(shí)對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力有一定要求，所以學(xué)生容易混淆、忽視部分細(xì)節(jié)，產(chǎn)生迷思概念。比如迷思概念9，以插入為例，學(xué)生認(rèn)為無論是先把原隊(duì)尾指針指向新結(jié)點(diǎn)，再將隊(duì)尾指針指向新結(jié)點(diǎn)，還是先將隊(duì)尾指針指向新結(jié)點(diǎn)，再將原隊(duì)尾指針指向新結(jié)點(diǎn)，其效果相同。

3.2" 各教學(xué)支架對(duì)概念轉(zhuǎn)變的促進(jìn)作用分析

后測(cè)結(jié)果顯示，被試的迷思概念均已完成轉(zhuǎn)變。分析第二次訪談數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，三種教學(xué)支架在概念轉(zhuǎn)變的不同階段以及不同學(xué)生個(gè)體上發(fā)揮著不同的作用。值得注意的是，編程系統(tǒng)反饋指代碼執(zhí)行后，系統(tǒng)向用戶展示輸出結(jié)果。由于系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)多為語(yǔ)法或數(shù)據(jù)類型的錯(cuò)誤，與棧和隊(duì)列關(guān)聯(lián)不大，因此不做過多分析。

學(xué)習(xí)材料中的駁斥文本能明確列出迷思概念，引發(fā)認(rèn)知沖突，再給出駁斥線索和科學(xué)解釋，從而促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變。比如迷思概念4，學(xué)生表示在自主學(xué)習(xí)時(shí)，材料上明確指出這是迷思概念，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。文本上給出的駁斥線索幫助其厘清了前后知識(shí)點(diǎn)的區(qū)別與聯(lián)系，從而高效地完成概念轉(zhuǎn)變。

教師干預(yù)主要發(fā)生在完成編程任務(wù)的過程中，當(dāng)學(xué)生在編程過程中出現(xiàn)問題時(shí)，教師會(huì)提供個(gè)性化、針對(duì)性的反饋指導(dǎo)，從而促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變。比如，學(xué)生完成任務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然自己在理論上理解了棧先入后出的特性，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不清楚該如何利用這種特性實(shí)現(xiàn)括號(hào)匹配。經(jīng)過教師針對(duì)性地講解后，學(xué)生能夠即時(shí)領(lǐng)悟并遷移到之后的編程任務(wù)中。

編程系統(tǒng)反饋能即時(shí)、直觀地向?qū)W生展示代碼邏輯的準(zhǔn)確性，當(dāng)運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期不符時(shí)，會(huì)引發(fā)認(rèn)知沖突。比如在括號(hào)匹配任務(wù)中，當(dāng)學(xué)生只輸入了一個(gè)中括號(hào)時(shí)，系統(tǒng)沒有給出任何反饋，這與預(yù)期不符，引發(fā)了認(rèn)知沖突。隨后在教師針對(duì)性的反饋引導(dǎo)下，學(xué)生意識(shí)到自己對(duì)邊界條件的處理不當(dāng)，沒有充分考慮或正確處理輸入數(shù)據(jù)的特殊情況，在領(lǐng)悟后也能將其應(yīng)用在其他任務(wù)中。值得注意的是，部分學(xué)生并不能自主理解系統(tǒng)反饋的非預(yù)期結(jié)果，往往需要輔以教師提供的針對(duì)性反饋。

4" 研究結(jié)論

①編程迷思概念易發(fā)于相似概念或抽象的操作性概念上，教師在開展編程教學(xué)時(shí)要注重前后知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系及抽象操作上的易混細(xì)節(jié)。在本例中，學(xué)生在棧和隊(duì)列的操作上迷思概念較多，原因有兩方面。一是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，進(jìn)行知識(shí)的負(fù)遷移，將相似概念混為一談，忽視了前后知識(shí)點(diǎn)的區(qū)別與聯(lián)系，導(dǎo)致概念體系內(nèi)部出現(xiàn)誤解，形成迷思概念。二是棧和隊(duì)列的操作本身較為抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)容易忽視部分細(xì)節(jié)，對(duì)概念的理解存在偏差，形成迷思概念。因此，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注前后相似知識(shí)點(diǎn)和抽象的操作性概念，對(duì)于相似知識(shí)點(diǎn)可作對(duì)比分析，對(duì)于抽象的操作性概念可舉具體案例進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生注意易混細(xì)節(jié)。

②不同教學(xué)支架在不同教學(xué)階段、不同個(gè)體上的作用不同，教學(xué)時(shí)要根據(jù)情況合理選用。當(dāng)學(xué)生在回顧舊知激活前概念時(shí)，其認(rèn)為學(xué)習(xí)材料的作用很大，尤其是駁斥文本部分。當(dāng)學(xué)生嘗試應(yīng)用編程知識(shí)解決問題時(shí)，一部分學(xué)生認(rèn)為教師干預(yù)的作用最大，因?yàn)檫@部分學(xué)生往往難以自主梳理解題思路或理解系統(tǒng)非預(yù)期的反饋，一部分學(xué)生認(rèn)為系統(tǒng)反饋的作用最大，因?yàn)檫@部分學(xué)生的水平較高，能夠自主進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變，無須過多干預(yù)。因此，當(dāng)教師開展教學(xué)時(shí)，要根據(jù)教學(xué)階段、學(xué)生個(gè)體水平的不同，合理選擇和運(yùn)用不同的教學(xué)支架，以最大化提升課堂教學(xué)的效果。

③ 及時(shí)的反饋和個(gè)性化的指導(dǎo)是促進(jìn)編程概念轉(zhuǎn)變的重要方式。編程系統(tǒng)反饋是對(duì)學(xué)生代碼邏輯的及時(shí)反饋，教師干預(yù)是對(duì)學(xué)生個(gè)性化的指導(dǎo)。編程教學(xué)注重學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用，它要求學(xué)生不僅要理解概念，還需要在實(shí)踐中綜合運(yùn)用知識(shí)，以解決實(shí)際問題。由于不同學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度不同，在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題也多種多樣，往往需要不斷試錯(cuò)和調(diào)整以達(dá)到目的。因此，及時(shí)的反饋和個(gè)性化的指導(dǎo)對(duì)于促進(jìn)學(xué)生編程迷思概念的轉(zhuǎn)變起到至關(guān)重要的作用。由于實(shí)際教學(xué)中班級(jí)人數(shù)眾多，教師往往難以及時(shí)向?qū)W生提供個(gè)性化的指導(dǎo)，已有研究分析了ChatGPT應(yīng)用于編程和學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的方法，未來可以考慮引入生成式人工智能作為課堂助教，輔助教師進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)[10]。

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