基于编程学习平台培养高阶思维能力的教学设计

李怡静　缑娟娟　王婧雯　潘以锋

关键词：高阶思维；编程教育；游戏化学习；项目式学习；平台支持

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）08-0113-04

1 引言

随着新经济时代的到来，越来越多的新技术、新产业兴起，如何创新成为当前社会首要考虑的问题，这也引发了高校在教学内容、教学模式和思维培养上的变革。经济合作与发展组织（Organization for Eco⁃nomic Co-operation and Development，OECD） 发布的研究指出，21世纪人才需要具备十大核心技能，其中包括创造思维、批判思维、问题解决能力、决策和自主学习能力等[1]。与钟志贤提出的高阶能力相符，他提出高阶思维能力具体为学生的问题解决能力、学生决策、批判思维和创新思维等能力[2]。

编程教学一直是信息时代培养社会创新人才的重要手段之一，高校教育在很早之前就开始重视编程教学，随着人工智能的发展，编程能力更是不可或缺的能力之一。但是当前我国编程教育在学生学习和教师教学方面都有较大的问题。学生学习方面主要的问题是学生编程水平参差不齐[3]以及学生对编程学习复杂的语法、抽象的概念性知识等难以提取兴趣[4][5]。教师教学方面的问题主要是教学形式和评价方式比较单一[6]，过分强调学生对于理论知识的掌握，忽视了学生编程学习的过程和能力培养。

如何激发学生对编程学习的兴趣，以及如何在编程教学过程中培养学生高阶思维能力是当前亟待解决的问题。

2 高阶思维内涵及培养方式

高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力，高阶思维的培养需要高阶能力的支持，高阶能力是以高阶思维为核心，解决劣构问题或复杂任务的心理特征[2]。高阶思维的培养应以学生为主体，教师为主导，并通过学习者的实践来培养，是在学习者完成新任务解决新问题的过程中完成的，它解决的真实环境下复杂的问题，其解决路径不确定，解决方案也不单一[7]。

高水平的项目式学习具有高阶学习教学模式的所有特征，是高阶思维培养的最佳教学模式[7]。项目式学习是在建构主义的指导下，师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动[8]。项目式学习最初被应用于K-12教育，后逐渐扩展到高等教育领域，对高校学生知识技能掌握、能力培养等产生了重要作用[9]。例如廖燕等研究者将项目式学习引入物理教学环节来发展学生的物理高阶思维能力[10]。梁伟虹等人在小学以项目式学习的方式以数学综合课程为载体中整合多学科教学，从而促进学习者高阶思维的发展[11]。采用项目式教学方式培养高阶思维能力时需要将已有的知识作为基础，学生需要掌握基础知识之后才能开展高水平的项目学习，所以高阶项目的开展需要与基础知识的学习相结合。然而项目化学习对于学生要求较高，若学生没有充分了解项目流程或是没有掌握好基础知识，那他们在项目实施过程中很容易因为难以完成项目实施而产生挫败感，从而对学习失去信心。

综合上述情况，文章应用自主开发的游戏化编程学习平台，设计了学生自主学习+项目化学习教学活动，旨在培养学生高阶思维能力。

3 游戏化编程学习平台功能支持

3.1 自主学习

3.1.1 游戏化闯关功能

个人闯关学习中加入了等级冲关、积分、排行榜和徽章等游戏元素。闖关学习中按照章节知识点进行划分关卡，每学习完一个章节的知识点后，系统会开放相应章节的闯关游戏，每个关卡分为“简单、中等和困难”三个难度等级，如图1所示。每次闯关完成之后系统会自动更新排行榜中的排行，每完成一次闯关会获得相应等级的积分，达到一定积分数之后可获得相应徽章，获得的徽章数量最终会计入课程总成绩中。这一过程激发了学生的学习兴趣，学生在闯关过程中也能够进行反思，意识到自己的学习情况和知识的掌握情况，从而针对未掌握的内容进一步加强学习。

3.1.2 知识图谱功能

知识图谱中根据学习内容划分知识点，每个知识点为一个节点，通过不同颜色来标记学习者的学习状态，在学习者之后的闯关过程中系统会针对未掌握的知识点继续推荐相关题目，让学生进行巩固练习。学生可在知识图谱界面中查看自己的学习情况，根据自己未掌握的内容针对性地学习。知识图谱能够让学生审视不同节点上知识点之间的关系，并在经历知识的深度加工之后最终确立正确知识联系。

3.2 项目学习

3.2.1 项目提交功能

项目提交部分主要是让小组定期将项目完成进度、小组讨论内容以及项目中成员完成的工作内容上传到平台中，方便记录网页设计的过程，同时方便教师最后对整个项目和个人进行评分。

在平台中开展小组项目学习能够将小组项目完成情况和讨论过程都记录了下来，使问题解决过程和成分分工情况都可视化，能够更加清晰地了解个人在项目中的贡献、组内讨论情况、项目当前完成情况和存在的问题，促进学生更好的分析问题，归纳整理组内观点制定问题解决方案，培养学生问题解决能力、决策能力和批判性思维能力。

3.2.2 学习社区功能

学习社区中包括“成果分享区”和“战绩分享区”。“成果分享区”用于各小组展示最终作品，其他组成员可以在该区域中对其他组作品进行点评；在“战绩分享区”中学习者可以将自己认为进步最大或战绩最好的截图分享出来，分享自己的学习历程。如图2所示。

学习社区能够让学生更方便地展示小组的项目成果，发表自己的观点。小组内项目成果展示后，各组能够发表自己的看法，评价作品提出意见。针对项目的评价能够促进学生进行反思调整，培养学生批判性思维和创造性思维，在问答讨论的过程中能够让学生了解对某一观点不同的分析角度，分析辨别不同观点的正误或与自我价值观的匹配程度，培养学生批判性思维能力和决策能力。

4 基于平台的编程学习策略

4.1 游戏化学习策略

游戏化学习是指在非游戏环境中加入游戏元素[12]，可能没有一个完整的游戏过程，只是在非游戏环境中加入积分、徽章以及排行榜等游戏元素，更注重的是学习内容，通过游戏元素的加入提升学习者的学习兴趣。与游戏化相关的概念还有基于游戏的学习，它是以游戏项目为主，学生在玩游戏的过程中学习知识，更加注重的是游戏过程。文章采用的是游戏化学习策略，在平台中设计游戏闯关，并添加积分奖章等激励机制。

4.2 项目化学习策略

在教育领域中，项目一般是指围绕学生所选主题所进行的一系列调查、观察、研究、表达新学知识、展示及分享等学习活动[13]。项目式教学来自杜威的“做中学”实用主义教学理念以及建构主义理论，它是通过项目的形式，将传统学科体系中教学内容进行重新整合，将要掌握的知识内容划分为若干个相对独立的教学项目，每个教学项目都有一定的工作任务[14]。与传统的“讲授-接受-检测反馈”教学模式相比，项目式学习更趋向于“完整的学习过程”[15]。

编程课程是一门实践性很强的课程，需要在实践中发现问题、解决问题，才能够深刻认识问题[16]，所以在编程学习的过程中不能只依靠理论知识的学习来提升编程能力，而应主张让学生动手编程，通过实践提升学生的编程能力。项目化教学能够让学生从一个完整的学习过程进行学习，以项目驱动的形式让学生学会编写程序。

5 编程学习流程设计

基于游戏化学习平台的编程学习包括对于知识点的学习和综合应用两部分，如图3所示。首先是在游戏化策略下的知识点学习，在学习过程中加入闯关、积分等游戏元素激发学生学习编程的兴趣，同时利用知识图谱中记录知识点掌握情况。除了知识点的学习，学生还需要完成小组项目化学习，学生以设计一个完整的网页或修改已有网站为项目分为多个小组，通过交流讨论、分工合作完成对知识点的综合运用。

5.1 自主学习

学生在平台中的自主学习包括视频学习、个人闯关、知识图谱构建。学生首先自主学习教师上传的视频资料，根据视频内容绘制知识图谱，形成个人知识体系，随后完成个人闯关学习，在闯关过程中可根据自身学习程度选择闯关难度。每次闯关出现的错题将会计入错题集中，另外系统会根据每次闯关情况以及每个关卡错题程度统计学生对于该知识点的掌握程度，并在知识图谱中做相应标记，学生可通过查看知识图谱以及错题集了解自身学习情况和错题解析，从而进行针对性的学习。

教师在每次课前查看学生闯关情况，出现某一知识点未通过率较高时则表明该知识点较难，可在课堂中进行讲解。而针对某一位同学某知识点未通过的情况，可进一步查看学生视频学习情况和闯关错题从而了解学生学习情况，教师还可与学生进行在线交流，了解学生学习难点，针对不同学生学习情况为学生推送不同的学习资料以及学习视频。

5.2 项目化教学

编程学习不应该只停留在对知识点的学习，更重要的是让学生学会应用所学程序知识解决实际问题。“个人闯关学习”部分是对知识点分散的学习，在游戏化的个人闯关过程中激发了学生对Web编程学习的兴趣，并且学生掌握了基础的编程知识，所以需要通过项目式的学习来完成对于知识点的综合应用。

编程平台支持下的项目化教学主要有八个步骤：

1） 项目选择：该步骤需要教师根据课程内容设置情境，通常设计真实的情境，学生自行组队，选择感兴趣的项目，并对项目进行分析，提炼项目需要解决的问题，将项目选择过程记录在平台中（包括选择项目时出现的所有想法）。

例如课程中教师设计情境，希望学生设计出宣传家乡的网站，课程内容重点关注学生对网页设计前端语言（HTML） 的学习。因此学生在确定项目关注的是网页版面的设计，可以参考网上各种资源，经过讨论确定网站的主要版式，将网站设计方案以及在讨论过程中出现的独特观点提交到平台中。

2） 制定计划：完成项目选择后，教师引导学生以小组的形式展开讨论制定完整项目流程和时间人员安排，并在平台上记录最终确定的项目计划和成员分工情况。

学生在确定网站主要版式后，需要制定网站制作的流程，每个部分需要多长时间，在何时能够达到什么效果等，并将小组的大致進行分工安排。

3） 项目拆解：该步骤是根据学生制定的项目计划将完整项目拆解为能够在1～2课时完成的微项目，教师引导学生在平台中设置项目进展内容提交节点和在该节点应该达到的项目效果，同时教师能够定时查看学生提交项目节点和在该节点预期完成的内容督促和引导学生实施项目。

学生可以根据网站结构将整个网站制作分为多个微项目。例如首先需要将搭建网页的框架结构，需要学习HTML 语言搭建整体框架，这是第一个微项目，然后分别对每个块进行设计和制作，又分为了其他的微项目，学生通过1～2课时完成这些微项目，最终能够将微项目中产出的作品整合完成整个项目。

4） 微项目解决：在该环节教师需要引导学生提炼出微项目中的任务，微项目中涉及的任务通常较为简单，教师需要为学生提供学习支架或者学习资源，学生小组内协作探究完成微项目中的任务。学生在微项目实施过程中能够完成知识建构，而教师能够在学生计划内容中找到查看学生提交的微项目成果，提出意见和帮助。

例如第一个微项目搭建网页框架，将空白的网页分为多个板块，在每个块中需要插入行和列将块进一步划分，这需要学生先获取HTML页面结构和块元素的相应知识搭建网页整体框架，利用CSS设计页面版式。教师可以根据学生微项目完成情况引导学生调整之后的项目内容，确保能在学生掌握知识的情况下继续项目实施。

5） 项目成果制作：在该环节，学生需要将微项目的成果或在这个过程中学到的知识整合，形成整体来完成最终的项目作品。学生也能利用平台的“知识图谱”功能将所学的知识进行整理，形成自己的知识系统。

在Web编程课程中微项目的实施是为了能够更好地完成整个项目，因此在所有微项目开展结束后，学生可以将微项目中生成的每个板块的内容整合起来，形成一个完整的网页，并且将学习的知识整合起来，形成自己的知识导图。

6） 项目成果展示：项目展示过程学生需要在平台的“学习社区功能”中将小组成品展示出来，小组之间交流讨论、相互学习，在平台中讲解自己的作品，发表自己的观点。

7） 活动评价：活动评价的主体通常是学生，教师在评价活动中起到引导作用，在前期可以为学生提供评价框架，教会学生如何评价，之后引导学生在平台中发表评价语，同时学生需要根据评价意见对作品进行修改和完善。

6 结论

高阶思维能力是当前社会发展信息化时代下十分重要的能力，高等教育中的编程教学对于信息化时代众多行业的人才培养都有重要意义，所以在高等教育中的编程教育采取有效的教学措施和技术是十分有必要的，并且编程教育不应该停留在知识点的学习中，应关注对实际问题的解决，从实际问题出发，回到知识点，让学生学会运用所学知识解决实际问题。在编程课程中培养学生高阶思维能力主要通过高水平的项目式教学方式。在文章中主要借助编程学习平台开展编程学习，通过游戏闯关提升学生编程学习兴趣，促进学生掌握核心知识；通过项目式教学让学生学会运用所学知识解决现实世界中的复杂问题，培养学生高阶思维能力。