蔡榮華 喻梓樺

摘? 要 個(gè)性化學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)創(chuàng)造型人才，是教育研究熱點(diǎn)。同時(shí)，在中小學(xué)教育中計(jì)算思維培養(yǎng)得到越來越多的關(guān)注?；谟?jì)算思維對(duì)個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在完善該類系統(tǒng)的同時(shí)，使得學(xué)習(xí)者計(jì)算思維得到培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 個(gè)性化學(xué)習(xí);個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng);計(jì)算思維;計(jì)算機(jī)科學(xué)

中圖分類號(hào)：G652? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）18-0023-04

1 引言

信息時(shí)代的發(fā)展，為教學(xué)帶來重大變革，個(gè)性化學(xué)習(xí)成為教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。個(gè)性化學(xué)習(xí)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分利用學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。2015年的地平線報(bào)告（New Media Consortium）指出，個(gè)性化學(xué)習(xí)是未來3～5年采用的技術(shù)和需要解決的挑戰(zhàn)。

美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授提出：“計(jì)算思維不僅限于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，而是每個(gè)人都應(yīng)該掌握的一種思維方式?！盵1]計(jì)算思維成為一種重要的思維模式，它可以有效地提高每個(gè)人解決問題的能力?！毒判Ｂ?lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中指出，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念對(duì)問題進(jìn)行求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行為理解，即建立計(jì)算思維，可以培養(yǎng)創(chuàng)新人才[2]。計(jì)算思維對(duì)各學(xué)科的學(xué)習(xí)都能起到積極的促進(jìn)作用，計(jì)算思維能力將成為新時(shí)代創(chuàng)新人才不可或缺的素質(zhì)。計(jì)算思維既是一種方法，也是一種培養(yǎng)目標(biāo)，可以與個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合，在促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)完善的同時(shí)，通過該系統(tǒng)使得這種能力得到培養(yǎng)。

2 計(jì)算思維概述

周以真教授提出：“計(jì)算思維代表了一種普遍使用的態(tài)度和方法，不只是計(jì)算機(jī)科學(xué)家，每個(gè)人都渴望去學(xué)習(xí)和使用它。”[1]可以從以下幾個(gè)方面去了解計(jì)算思維。

計(jì)算思維的三個(gè)維度? 美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT Media Lab）終身幼兒園研究小組（Lifelong Kinder-

garten Group）在多年研究互動(dòng)媒體設(shè)計(jì)者活動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出計(jì)算思維的三維度，包含三個(gè)要素，即計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念[3]，并給出相關(guān)的舉例，具體如表1所示。

從表1來看，計(jì)算思維的三個(gè)維度似乎是程序員在進(jìn)行編程時(shí)處理問題所經(jīng)歷的一系列的步驟和思想變化，最終形成某種思維模式，從而去處理身邊的問題。正如周以真教授所說，計(jì)算思維不只是計(jì)算機(jī)學(xué)科方面的人員掌握的技能，更是每個(gè)人都要會(huì)的解決問題的基本技能。因而說明了計(jì)算思維的適應(yīng)性，以及作為一種解決問題的能力或方法的重要性。

計(jì)算思維培養(yǎng)的三個(gè)層次? 在計(jì)算思維自主養(yǎng)成模式中提出有關(guān)計(jì)算思維培養(yǎng)的三個(gè)層次：學(xué)會(huì)解決同類問題;運(yùn)用思維能力來解決已知問題;能夠利用思維能力發(fā)現(xiàn)并加以解決問題，這同時(shí)也是創(chuàng)新的基礎(chǔ)能力[4]。計(jì)算思維的這三個(gè)層次既是解決問題的一種方法，也是一種培養(yǎng)目標(biāo)，在培養(yǎng)過程中恰當(dāng)?shù)厥褂糜?jì)算思維的這三個(gè)層次，可以達(dá)到有效的培養(yǎng)目的。

計(jì)算思維的方法? 在周以真教授有關(guān)計(jì)算思維的文獻(xiàn)中提出，計(jì)算思維是通過約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題重新闡釋成一個(gè)知道怎樣解決的問題;利用遞歸思維的并行處理;采用抽象和分解來迎接龐雜的任務(wù)或者設(shè)計(jì)巨大復(fù)雜的系統(tǒng);關(guān)注的分離（Separa-tion of Concerns，簡(jiǎn)稱SOC方法）;保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，利用啟發(fā)式推理來尋求解答，在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度等。

3 基于計(jì)算思維培養(yǎng)的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)

個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)概述? 個(gè)性化學(xué)習(xí)是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)自己個(gè)性特征、內(nèi)在需求和對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的分析，對(duì)學(xué)習(xí)課程與內(nèi)容、學(xué)習(xí)時(shí)間與進(jìn)程等進(jìn)行自主選擇和實(shí)施，從而實(shí)現(xiàn)自己個(gè)性化特征的形成與發(fā)展[5]。個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、云計(jì)算、人工智能技術(shù)等去構(gòu)建學(xué)習(xí)模型，從而使呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)內(nèi)容更加貼合不同的學(xué)習(xí)者。以系統(tǒng)為主發(fā)展為現(xiàn)今的以學(xué)習(xí)者為中心，讓系統(tǒng)適應(yīng)學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果得到極大改善。但是以往的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)當(dāng)中并沒有引入計(jì)算思維的概念，如果把計(jì)算思維和個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合起來，不僅能夠優(yōu)化系統(tǒng)，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更好地呈現(xiàn)，而且能夠達(dá)到培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力的目的。

此處參照“學(xué)習(xí)分析視角下個(gè)性化學(xué)習(xí)模型的設(shè)計(jì)研究”中的個(gè)性化學(xué)習(xí)模型，在分析此模型的基礎(chǔ)上引入計(jì)算思維，從而完善此類個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，且能夠達(dá)到培養(yǎng)計(jì)算思維的目的。如圖1所示，該個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要由三大模塊構(gòu)成：一是個(gè)性化學(xué)習(xí)支持功能模塊;二是數(shù)據(jù)分析模塊;三是預(yù)測(cè)干預(yù)模塊[6]。

從圖1中可以看到，學(xué)習(xí)內(nèi)容是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)者根據(jù)系統(tǒng)給出的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí);而通過大量數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行分析后，在適當(dāng)?shù)母深A(yù)下進(jìn)行調(diào)整，再呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，以此形成一個(gè)以學(xué)習(xí)者為中心，根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀況呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

計(jì)算思維下的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)? 在個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的運(yùn)用當(dāng)中，學(xué)習(xí)者根據(jù)系統(tǒng)為自身提供的學(xué)習(xí)內(nèi)容開始這一階段的學(xué)習(xí);而引入計(jì)算思維之后，可以把計(jì)算思維運(yùn)用到學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)中，并且使用計(jì)算思維解決問題的三個(gè)層次，能夠更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。運(yùn)用計(jì)算思維的方法，可以優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，同時(shí)為教師、管理者以及學(xué)習(xí)者更有效地處理學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)資源的選擇和使用?；谟?jì)算思維的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)如圖2所示。

1）計(jì)算思維三維度的運(yùn)用。計(jì)算思維的三個(gè)維度可用于個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)。要呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)評(píng)，在這項(xiàng)測(cè)評(píng)中可以采用所羅門量表[7]，然后綜合學(xué)習(xí)者的各項(xiàng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)為學(xué)習(xí)者提供適宜的學(xué)習(xí)內(nèi)容。對(duì)于學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以把它按照計(jì)算思維的三個(gè)維度（即計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念）依次呈現(xiàn)。根據(jù)表1中所提到的，從編程設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，這三個(gè)維度展示了在解決一個(gè)編程問題時(shí)的全部思維過程。

第一階段：計(jì)算概念。如編程教學(xué)中的“變量”，學(xué)習(xí)者需要做的是理解“變量”，并且學(xué)會(huì)識(shí)別同類型的概念。這里所涉及的概念同一般教學(xué)當(dāng)中所提到的概念是相似的。又如在數(shù)學(xué)教學(xué)中，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)加減法之前要先了解“加法”和“減法”這兩個(gè)運(yùn)算符號(hào)的含義。概念是人類所認(rèn)知的思維體系中最基本的構(gòu)筑單位。在學(xué)習(xí)者掌握了以計(jì)算概念為主的教學(xué)內(nèi)容以后，再呈現(xiàn)下一階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

第二階段：計(jì)算實(shí)踐。以編程教學(xué)為例，計(jì)算實(shí)踐所指的是學(xué)習(xí)者在理解變量的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)使用已掌握的概念去具體編程的過程，如循環(huán)、增量、迭代。延伸開，計(jì)算實(shí)踐就是學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的具體過程。在這一階段向?qū)W習(xí)者呈現(xiàn)的應(yīng)該是有關(guān)概念運(yùn)用的內(nèi)容，如編程教學(xué)中的一個(gè)具體案例，數(shù)學(xué)教學(xué)中加減法的運(yùn)算。

第三階段：計(jì)算觀念。在編程教學(xué)中，當(dāng)學(xué)習(xí)者學(xué)會(huì)使用變量這個(gè)因素去編寫一個(gè)相關(guān)的循環(huán)程序以后，能夠把這種解決問題的程式化步驟運(yùn)用到其他的項(xiàng)目中去，并且能夠通過這種編程的方式去測(cè)試和調(diào)試其他程序。即學(xué)習(xí)者已經(jīng)能夠有這種編程意識(shí)，并且能夠用自己所掌握的知識(shí)去檢驗(yàn)其他相關(guān)的程序。同樣，在數(shù)學(xué)教學(xué)中的變現(xiàn)可歸為，學(xué)習(xí)者在會(huì)運(yùn)用加減法去解決問題后，能夠把這種方法推廣到其他會(huì)用到加減法的題目中去，并且能夠很自然地產(chǎn)生這種解決問題的步驟，對(duì)其他題目用計(jì)算觀念的方式去進(jìn)行檢驗(yàn)。所以此階段呈現(xiàn)的是以計(jì)算觀念為主、綜合性強(qiáng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2）計(jì)算思維培養(yǎng)的三個(gè)層次的運(yùn)用。計(jì)算思維培養(yǎng)的三個(gè)層次既可以視作一種檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也可以作為培養(yǎng)目標(biāo)，它在學(xué)習(xí)者運(yùn)用的同時(shí)，使得這種能力得到培養(yǎng)。如在按照計(jì)算思維的三個(gè)維度呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的時(shí)候，可以用這三個(gè)層次作為一種檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，去判斷不同階段的學(xué)習(xí)者是否對(duì)當(dāng)前階段所呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容把握到位。學(xué)習(xí)者對(duì)每個(gè)階段的學(xué)習(xí)情況由數(shù)據(jù)處理后經(jīng)干預(yù)模塊反饋到學(xué)習(xí)內(nèi)容這一模塊，三層次的應(yīng)用可以根據(jù)呈現(xiàn)的內(nèi)容不同而選擇檢驗(yàn)的方式。可以以是否達(dá)到某個(gè)層次的要求為標(biāo)準(zhǔn)，去判斷是否為學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)下一階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容，同樣可以把達(dá)到三個(gè)層次的要求作為標(biāo)準(zhǔn)，反饋到數(shù)據(jù)分析中，調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)。

學(xué)習(xí)內(nèi)容從簡(jiǎn)單到復(fù)雜可視為事實(shí)、概念、技能、原理、問題，不同程度可以選用不同標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)法。如為了判斷學(xué)習(xí)者是否已掌握計(jì)算概念的相關(guān)內(nèi)容，可以用計(jì)算思維培養(yǎng)的三層次的第一層次去對(duì)第一階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)，即學(xué)會(huì)解決同類型的問題。當(dāng)呈現(xiàn)有關(guān)計(jì)算實(shí)踐的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)習(xí)者能夠達(dá)到第二層次，即運(yùn)用思維能力來解決已知問題，把解決同類型問題的方法廣泛運(yùn)用于這些學(xué)習(xí)內(nèi)容中。對(duì)于復(fù)雜抽象的問題，如計(jì)算觀念當(dāng)中所呈現(xiàn)的問題則為綜合性問題，此時(shí)可以把三個(gè)層次都作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以此判斷學(xué)習(xí)者是否都達(dá)到要求。

在以三層次為檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)下，學(xué)習(xí)內(nèi)容則是圍繞這三個(gè)層次不斷調(diào)整，從而在學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)習(xí)者這三個(gè)層次的能力也得到培養(yǎng)。

3）計(jì)算思維方法的運(yùn)用。計(jì)算思維的方法既可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可以提高系統(tǒng)使用者（管理員、教師、學(xué)習(xí)者）的系統(tǒng)利用率。

在大數(shù)據(jù)的運(yùn)用下，使用計(jì)算思維約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，從而反饋出學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)。利用計(jì)算思維方法中關(guān)注的分離，對(duì)呈現(xiàn)出來的問題以適當(dāng)?shù)姆绞饺リU述它，或者是針對(duì)該問題的某個(gè)方面以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行建模，使該問題變得更容易處理，即針對(duì)學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，抓住某一學(xué)習(xí)者的特征，圍繞某一特征自動(dòng)化地得出最適合該學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑的一部分，然后結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，得到最佳路徑。

計(jì)算思維的這種方法的最大優(yōu)勢(shì)，就是在無須理解系統(tǒng)是如何運(yùn)行的、路徑是如何制定的等每個(gè)細(xì)節(jié)的情況下，就能夠安全地使用、調(diào)整和影響一個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)的信息。計(jì)算思維中通過抽象和分解，設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)預(yù)期的未來應(yīng)用進(jìn)行預(yù)取和緩存，即通過數(shù)據(jù)庫，有效地提取學(xué)習(xí)過程中所需的資源，作為一個(gè)備選儲(chǔ)存。

在個(gè)性化干預(yù)中，主要通過數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)分析得出的可視化分析呈現(xiàn)結(jié)果，并傳遞給教師和管理員，教師和管理員又根據(jù)所呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)起到輔助作用，對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)行個(gè)性化干預(yù)。在這個(gè)過程中需要對(duì)各種資源以及學(xué)習(xí)方法進(jìn)行合理利用和篩選。基于計(jì)算思維的個(gè)性化干預(yù)，其實(shí)質(zhì)在于使教師和管理員以及學(xué)習(xí)者利用計(jì)算思維的方法，對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主收集和運(yùn)用，以及對(duì)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行選擇。在這一過程中，教師和管理員能夠利用計(jì)算思維的遞歸，關(guān)注點(diǎn)分離，約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真，啟發(fā)式推理等方法，輔助學(xué)習(xí)者對(duì)資源進(jìn)行篩選、優(yōu)化和信息的有效提取，從而得到高效的學(xué)習(xí)資源和良好的教學(xué)方法。同時(shí)，學(xué)習(xí)者同樣可以利用計(jì)算思維的這類方法為自己構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)，歸納得出解決問題的一系列學(xué)習(xí)方法[8]。如此，把計(jì)算思維的方法運(yùn)用到教師、管理員以及學(xué)習(xí)者上，既讓他們通過使用計(jì)算思維的方法去獲取所需的資源和信息，也達(dá)到計(jì)算思維培養(yǎng)的目的。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)原有個(gè)性化學(xué)習(xí)模型加以分析，引入計(jì)算思維，使學(xué)習(xí)模型中的學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)更加豐富且富有層次，更有助于學(xué)習(xí)者從不同的階段進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，并且能夠在個(gè)性化學(xué)習(xí)下掌握計(jì)算思維的方法，以及達(dá)到利用計(jì)算思維的三層次去解決問題。同時(shí)，用計(jì)算思維的方法處理數(shù)據(jù)，促進(jìn)干預(yù)模塊的運(yùn)行，使得教師或管理員輔助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，能夠更加有效地篩選學(xué)習(xí)資源。作為學(xué)習(xí)者，不僅是使用計(jì)算思維，也在潛移默化中達(dá)到計(jì)算思維的培養(yǎng)。

計(jì)算思維運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，既對(duì)使用者給出有效的問題解決能力，也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善提出高效的方法，它不僅應(yīng)用在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，更是可以延展到各學(xué)科的學(xué)習(xí)中去。在個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)中結(jié)合計(jì)算思維的運(yùn)用與培養(yǎng)，可以更有效地使用計(jì)算思維。

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