基于设计的学习策略对提高计算思维能力的影响
摘要：我们所做的这项研究的结果表明，基于设计的学习（Design Based Learning, DBL）确实提高了小学生的计算思维能力。实验参与者所使用的资料为《Scratch编程》和《创造性计算指南》两本书，这两本书都是由麻省理工学院多媒体实验室所开发的，实验时间总共15小时。实验组和对照组都由四至六年级学生组成。实验组采用DBL教学法，对照组采用传统的直接教学法。该实验旨在考察学生学习的三个方面：自我效能感、自我兴趣和自我认知。我们在实验过程中仔细比对了学生对计算机认知的变化，并根据DBL的每个步骤分析了两组学生反应的差异。然后，我们通过检查各组的进展以及两组之间的差异来验证DBL的效果。在实验结束时，我们发现两组都表现出自我效能感、自我兴趣和自我意识的增强。然而，实验组在所有方面都比对照组有更多显著的积极变化（plt;0.01）。总之，本文的研究结果表明，应用DBL比传统方法更有效地改善计算思维能力。
关键词：基于设计的学习，计算思维，编程教学，儿童教育
1.介绍
近来，一些计算机领域的教育者集中于提高学生的计算思维能力方面的研究，尤其注重培养学生利用计算思维能力将概念转化为现实产品的能力。此外，在发展学生的逻辑思维和创造力方面，计算思维也发挥着重要的作用。计算思维教育通过领导学习者将计算机视为工具，提供学习者表达个人想法和创新程序的机会。此外，学习者可以将经由计算思维开发的产品迁移到其他学习者所需创造内容的领域。因此，计算思维被认为是一项必要的技能。
本研究采用了计算思维的教学方法并证明了该应用的效果。通常，学习者是通过使用已有的游戏作为工具来进行学习。然而，在计算思维教育中，学习者是通过自己创建游戏来帮助他们更有效地学习。具体来说，由于计算思维教育是基于算法和编程教育的基础上的，所以学习者可以通过自己制作程序和游戏的过程来获得知识和技能。
因此，计算思维教育可以通过积极使用基于设计的学习DBL理论模型创造一个学习环境，而不仅仅是被动接受学习的指示。因为这种学习策略要求学习者自己设计和制作游戏环境，而不是仅仅从现成的、已经存在的游戏环境中学习，这是一个有效的学习策略所应该要求的。因此，教育者有必要鼓励学习者利用他们与生俱来的创造潜能，激发学习者无穷的创造力。事实上，一项能引起学习者兴趣的学习策略是必要的，因为对于学习者来说，关于算法和编程的课程往往是枯燥且有难度的。所以，应用基于建构主义理论的DBL学习策略显得至关重要。这种方法将激发学习者的兴趣，并帮助他们创造属于自己的成果。因此，我们目前的研究不仅调查了学习者如何学习计算机的知识。此外，我们还研究了应用DBL教学策略对小学生计算思维的影响。
2.背景
2.1基于建构主义的学习和基于设计的学习
建构主义理论认为个体学习者建构心理模型是为了更好地理解周围的世界。正如帕波特和哈雷尔在定义建构主义时所说的那样，“我们很容易就能形成对建构主义的观点；例如，可以将其视为lsquo;在创作中学习rsquo;”。帕波特同样认为要把信息技术带到学生的课堂中，一边用Logo语言教学生数学。建构主义学习包括学生通过创造性实验和创造社会对象来挑战与质疑现有的结论。教学生学习应该被帮助学生以动手的方式理解问题所所替代。从这一方面来说，DBL理论是以建构主义理论为基础的。
DBL学习理论经常性与科学领域中的研究性学习相比较。在科学研究中，假设的检验是通过实施周全的实验来进行验证的。这一过程就类似于DBL理论，因为采用的主要方法是集中于产生和测试一个人的想法。
目前，已经以多种方式对DBL的学习步骤进行了研究。例如，佐治亚理工学院的克罗德纳等人开发了“设计学习（Learning By Design, LBD）”。LBD是一种用于解决设计问题的学习方法，通过这种方法可以重复的建构、评估和修改模型。普利斯还专门为高中生开发了一种基于设计的科学学习方法。此外，福尔图斯等人为九年级学生设计了一种先进的基于设计的科学学习方法，并将这种学习方法分为了五个步骤。此外，斯坦福大学的D-school组织开放并应用了另一种DBL的学习方法。
此外，许多研究人员也提出了多种适用于不同环境和条件下更有效的DBL策略。阿尔瓦雷斯、阿拉孔和努斯鲍姆展示了一种可促进教室中协作学习环境的实施的技术，学习环境由一对一移动计算所支持。此外，皮尔、艾克和乔吉姆斯研究了DBL理论实践中是否存在事先明确的教师行为是否对学生学习和学生监督有重要的作用。此外，皮尔、艾克和乔吉姆斯确定了高等工程教育中DBL学习的关键特征。此外，斯特罗贝尔等人批判性地研究了当前将真实性作为工程教育中设计学习模块和环境的原则的概念；通过这项研究，斯特罗贝尔等人提出了一个系统衍生的真实性模型。
最近，许多教育工作者将DBL理论模型应用于STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）融合教育，这种方法包括在科学主题中设计和实施基于理念的技术和工程。另有凯西、皮尔森和菲德尔提出了将工程学应用于K-12课程的方法。此外，菲利克斯等人开发了基于设计的项目，并将其应用于STEAM教育。
3.计算思维
学会在计算机环境中学习是克服困难的一种方式；这种类型的学习可以促进有效利用时间和空间，并为学习提前准备材料。学习者可以克服时间和空间的限制，通过计算机生成和分享他们的想法，这也更容易获得学习反馈。
计算思维的概念已在之前的研究中就已经被定义。2009年，Kim整理了一些研究人员提出的计算思维和计算素养的概念，并依此对形成了一个更全面的关于计算思维的定义。具体而言，他将计算思维定义为将主题分解到较小的单元，然后根据其自身对计算思维结构的理解重新组合成主题的能力。另有人将计算思维定义为基于社会的以数字和模拟形式共存的技术，这一技术包括表达和交流个人思想或使用数字材料解决问题的认知能力。
创造性计算最早出现在麻省理工学院（MIT）媒体实验室开发的《创造性计算指南》中。他们断言，创造性计算有助于制造有意义的产品，因为它使学习者能够将他们天生的创造力、想象力和兴趣与计算机科学原理联系起来。特别是，大多数年轻学生把电脑当作被动的消费者和用户，而不是创造者或设计师。创造性计算帮助学习者从单纯的计算机消费者转变为使用计算机来创建内容和制作交互式媒体材料的个人。
创造性计算概念最早出现在麻省理工学院（MIT）媒体实验室开发的《创造性计算指南》中。他们断言，创造性计算能力有助于制造有意义的产品，因为它使学习者能够将他们天生的创造力、想象力和兴趣与计算机科学原理联系起来。因为大多数年轻学生把电脑仅仅当作成被动的消费者和用户，而不是创造者或设计师。创造性计算能力帮助学习者从单纯的计算机消费者转变为使用计算机来创建内容和制作交互式媒体材料的个体。
在2012年，卡齐莫格鲁和他在格林威治大学的团队设计了一个以计算思维能力的发展为核心的教育游戏框架。他们表示，这种方法有助于帮助学生学习解决问题的技能。他们还发现，学生在学习计算问题时使用更流畅、更积极的学习方法（在本例中为游戏设计）比通过传统讲座学习的效果更好。目前的实验情况显示，一组通过游戏设计来学习计算解决问题的学生能从中受益，另一组则没有，而且第一组学生从这种积极的学习方式中受益情况比传统的讲座多得多。因此，在这项研究中，我们教小学生使用麻省理工学院开发的Scratch 游戏创造应用来创建游戏，以提高他们的计算思维能力。
此外，在一些实地研究调查中，我们已经做出了各种努力来发展和评估学生的计算思维能力。比尔斯研究了有形的机器人项目作为帮助儿童开发计算思维和学习工程设计过程的工具。此外，森古普塔等人通过在教育计算中使用特定类型的计算确定了计算思维和科学专业知识之间的协同作用。艾肯等人通过指导编程作业、书面文章和一系列面对面思考访谈对学生计算思维进行了评估。
基于游戏化学习的小学编程教育：Ouml;stersund模型
摘要：在大学阶段，学习编程被归类为问题学习，辍学率高而且动机低。就像学习自然语言一样，如果从小开始学习编程语言中的语法和基本技术那就相对会更容易、更自然。本研究基于对一所小学学生试点项目的评估，该项目基于游戏化学习将计算思维和编程概念引入。学生在没有任何计算机设备的情况下通过算法游戏学习了“气泡排序”等概念。然后将所学的概念和算法用Scratch和Python编程语言作为主要工具实现。本研究的目的是描述和讨论基于游戏化的学习，并形成五年级学生实现计算思维和编程的模型。总体研究策略是采用案例研究法对该试点项目进行评估。在15期试点课程和3期教师培训讲习班期间，通过观察、访谈和小组讨论收集了大量数据。之后对调查结果进行了主题分析，并使用SWOT框架来分析确定和讨论Ouml;stersund模型中的优势、劣势、机会和威胁。通过分析，我们发现试点学生的学习成果有了很大改善，但在学生群体中存在个体差异。在小学就引入编程和计算思维的想法似乎是一个好主意，但建议以游戏为基础，以享受为主要特征来吸引小学生。在试点中开展的课程值得复制，教师培训讲习班也值得复制。然而，仍然存在的挑战是如何创建可持续和可扩展的小学编程课程实施模式，包括小学教师专业发展。
关键词：基于游戏的学习，编程教育，计算思维，基于游戏的学习，教师培训，NOOC
外文原文资料信息
外文原文资料信息1：
[1] 外文原文作者：SooJin Juna, SeonKwan Hanb ,SooHwan Kim
[2] 外文原文所在书名或论文题目：Effect of design-based learning on improving computational thinking
[3] 外文原文来源：
出版社或刊物名称、出版时间或刊号、译文部分所在页码：BEHAVIOUR amp; INFORMATION TECHNOLOGY, 2017, 43-45
网页地址：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/0144929X.2016.1188415
外文原文资料信息2：
[1] 外文原文作者：Peter Mozelius, Lena-Maria Ouml;berg
[2] 外文原文所在书名或论文题目：Play-Based Learning for Programming Education in Primary School: The Ouml;stersund Model.
[3] 外文原文来源：
出版社或刊物名称、出版时间或刊号、译文部分所在页码：Proceedings of the European Conference on e-Learning,2017,375-376.
网页地址：https://elkssl5cfc2093668da4143b3a4ff69b74596cit.casb.hznu.edu.cn/ehost/detail/detail?vid=5amp;sid=7b4bd187-8c62-4a73-87f4-a1f21479b865@redisamp;bdata
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