数据驱动的编程教育脚手架教学模式探究
2021-09-17张会庆陈华马璿
张会庆 陈华 马璿
[摘 要]智慧教室等智慧育人环境的建设，为数据驱动的编程教育脚手架教学个性化精准实施提供了条件。在阐述了脚手架教学的含义、理论基础和数据驱动的编程教育脚手架教学模式的意义基础上，构建了以智慧教学环境为支撑，以数据为驱动的编程教育脚手架教学模式。以具体编程教学课程为例进行该教学模式验证性试用和应用原则总结，期望能在教学实践层面上促进编程教育的发展。
[关键词]脚手架教学;编程教育;数据驱动;教学模式;智慧教育
[中图分类号]G649.2[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2021）05-0066-09
0 引言
2018年4月，教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知（教技〔2018〕6号）正式提出了教育信息化2.0概念，标志着信息技术、智能技术支持下的智慧教学环境助力教学深化改革的新时代已经开启，智慧教学环境逐渐成为推动学校教学改革，提升人才培养质量的必然选择[1]。技术发展日新月异的当今社会，利用数据分析相关技术进行教育數据的采集、清洗、处理和分析及应用，成为教育信息化2.0时代教育教学改革的基础[2-3]。编程教育有助于培养青少年的计算思维、逻辑思维和创新思维，造就适应“人机协同”数字智能社会的人才。如何结合时代发展特点更好地开展青少年编程教育成为学术界一个重要的研究内容。
脚手架（Scaffolding）是学习科学领域的一个重要概念，作为一种帮助学习者顺利越过“最近发展区”的教学理念和策略方法，能发挥教师主导、学习者主体的“双主体”能动性，充分体现计划教学向需求化教学的转变与融合[4]。编程教育离不开各类脚手架的支持，编程学习实际上就是学习者借助于由他人或机器搭建提供的脚手架进行建构编程知识和形成编程技能，而后随着脚手架的撤离，达到独立完成编程工作的螺旋提升过程。但坦言之，目前很多编程教学实施效果并不尽如人意，教师对学习者编程学习的脚手架支持不到位，仅仅凭借教师观察和已有教学经验的主观判断开展脚手架教学的个性化和精准度等方面都无法有效保证，难以高效地帮助学习者顺利跨越编程学习的最近发展区，形成编程知识的意义建构和编程能力的快速提升。
大数据时代的教学范式正从经验模仿和计算辅助教学走向数据驱动的教学，以数据驱动的方法辅助教学将会在未来很长一段时间内存在[5-6]。随着教育大数据和学习分析等技术的发展，数据驱动的脚手架教学将成为可能，有助于解决青少年编程教学过程中存在的学习者无法跨越学习障碍，难以顺利通过“最近发展区”，到达“潜在发展区”的困境。借助智慧教育环境建设，以编程教育过程中的数据为循证进行教学脚手架的设计与应用，创新编程教育的思路与方法，设计实施数据驱动编程教学新模式成为促进编程教育发展的必然而又可行之路。
综上，本研究尝试在编程教育中引入脚手架和数据驱动的理念，重构有效编程教学模式，从智慧教育视角探索构建数据驱动的编程教育脚手架教学模式，期望促进学习者的编程学习，提升编程教育的效益。
1 脚手架教学的含义和理论基础
1.1 脚手架教学的含义
1976年，伍德（Wood）等最早借用建筑行业中施工必需的辅助脚手架提出了脚手架教学的隐喻概念，将其界定为由教师或同伴所提供的能帮助学习者有意义地解决其较难完成的任务，并获得技能的各种支持[7]。广为人知的“脚手架”一词，因其形象直观的隐喻有助于教育从业者和学习者对这一教学理念的理解，已经成为相对成熟的教学理论，被人们所接受认可并被广泛应用于教学实践中。在教学实践应用过程中，因存在翻译上用词不同，我国学者有使用支架教学，但也有很多学者倾向于使用脚手架这一名称[8]。笔者认为两者的基本含义相同，本研究不做过多区分，为表述方便，统一使用脚手架。
在教育领域中脚手架已经成为各种教学辅助物的统称，被界定为支持学习者获得更高层次理解的工具、策略或指南[9]，其提供者是社会、学校及家庭中更有知识和能力的人，其作用是分担和支持学习者的学习，帮助学习者完成更有难度的任务[10-11]。欧洲共同体“远距离教育与训练项目”将脚手架教学定义为“学习者建构对知识的理解提供的一种为发展学习者对问题的进一步理解所需要的概念框架（conceptual framework）”[12]。学者们普遍将脚手架理解为在教学过程中以促进学习者学习为目的，由教师、父母、同伴或智能机器等搭建的平台、情境和框架等辅助物。学习科学领域学者们更侧重于将脚手架作为一种学习环境和学习情境的设计，从实用主义的角度出发，将脚手架教学界定为结合具体学习情境中嵌入必要指导的教学方法和支持学习者解决复杂问题的结构工具[13]。学者们倾向于从其价值和作用上将脚手架看作是帮助学习者架起其当前的知识和能力到更复杂的知识建构、实践应用和能力提升的桥梁，促进所学知识和技能与已有学习基础之间的弥合。脚手架教学还被看作是一种置于复杂情境任务中的情境化学习方法，利用该学习方法，学习者在技术持续支持下，激活和使用新知识，进而重构知识结构各习得新技能[14]。
脚手架教学应用的一个核心假设和前提是：学习任务能够被分解并由学习者和其他人代理分担，它不仅能使学习者更为专注于所必须学习的内容和达成的学习目标，而且能完成更复杂的学习任务，并从中获得学习经验，提升学习成效。技术的发展拓展了脚手架的类型，为教育者和学习者提供了更多的教学应用选择[15]。按照对脚手架不同理解和关注的不同维度，脚手架被划分为不同的类型，如一对一、同伴和基于计算机[16];接收、转换和输出[17];资源、问题、范例、图表、评价和情感[18];程序型、概念型、元认知型和策略型等[19]。还有研究者在认知科学理论基础上提出“类比脚手架模型”[20]，以此帮助学习者理解抽象的物理概念。目前脚手架教学模式在化学[21]、外语[22]以及跨学科的STEM教学中得以应用[23-24]，但还鲜有将脚手架教学模式引入到编程教育的专门研究。
综合已有研究观点，本研究認为脚手架是辅助学习者学习的无形观念和有形实物，脚手架教学是一种教育者通过脚手架的搭建和消退等一系列操作，帮助学习者架起各发展区之间的桥梁，促进学习者由“现有发展区”到“最近发展区”的有效过渡，最终顺利到达“潜在发展区”的教学。
1.2 脚手架教学的理论基础
从脚手架教学的历史溯源来看，脚手架的概念及其应用借鉴了多种教与学研究的理论成果。脚手架教学的理论基础来源包括了皮亚杰的建构主义学习观、维果茨基的“最近发展区”和布鲁纳的认知学习理论以及情境学习等理论。其中，脚手架教学的最直接、最重要的理论基石是维果茨基的“最近发展区”（zone of proximal development，简称ZPD）理论[25]。最近发展区理论核心观点是教学应该着眼于学习者发展的现有水平和可能的发展水平之间差异的最近发展区，为其提供带有一定难度的学习内容，调动学习者的积极性，发挥其潜能，超越其最近发展区而达到下一发展阶段的水平，然后在此基础上进行下一发展区的发展[26]。有研究采用基于功能性近红外光谱成像的多人脑成像技术验证了最近发展区理论假设的有效性[27]。
奥苏贝尔的有意义学习理论中提到了“概念架构”（ideational scaffold），将其称为“先行组织者”教学策略，是在向学习者传授新知识之前，为其呈现短暂而又具有抽象性、综合概括性和引导性的“有援”材料，能促进学习有效迁移，可以被看作脚手架教学的雏形。概念架构突出学习者认知结构中的原有观念和新学习内容之间存在某种合理的或逻辑基础上的关联性，是一个相对静态的概念，而脚手架一词的英文是scaffolding，为动名词形式，更为强调脚手架搭建使用的动态过程。情境学习理论也有效地支持了脚手架教学。脚手架隐喻的产生在一定程度上也来自于真实情境任务的学徒活动。在真实情景中的合法边缘参与过程中，师傅会有意或无意地为学徒提供示范、暗示和提示等脚手架支持，帮助学徒逐渐过渡到更高的任务工作阶段。
2 构建数据驱动的编程教育脚手架教学模式的意义
2.1 符合编程教育的特殊规律
编程语言是人与机器的对话交流语言，被称为未来社会人类的“第三种语言”，相对于语文、数学等传统学科教学，编程教育的目标、实施手段等各方面都具有一定的特殊规律，而基于数据驱动的脚手架教学模式能较好地满足这些特殊规律的要求。首先，编程学习具有极强的规则性、层次性和逻辑性，必须借助于脚手架确保事前预定义的语义规则得到严格执行。学习者无论是在代码编程或是可视化编程，抑或实体化编程等编程学习时，都必须遵循一定的编程逻辑顺序，将程序细化为若干实施步骤、模块和编程语言的“元操作”，若其中某一步出现差错，并且得不到及时有效的修正将会影响整个编程学习的进度和效果。因此，需要脚手架支撑不断地、及时地发现和解决问题，以保证编程学习的逻辑性和连续性。
其次，编程教学侧重于实践操作，离不开大量的协作学习和情感支撑。编程学习任务的完成往往很难限定唯一的方案，学习过程成为一种不断尝试的过程，并要接受错误，进而不断调试直至满意为止，需要一定的编程韧性[28]，对此脚手架教学能够有效地予以保障。研究表明富有成效失败的协作编程策略能够显著提升学习者的编程技能、编程态度和问题解决能力[29]，但是学习者可能会因失败带来的挫败感产生负面影响，恰当的脚手架可以降低其挫败感和学习风险，保持学习的兴趣和积极性。在编程学习中，初学者会对编程语言的关键字或规则等方面存在识记的障碍，比如经常出现编程关键字拼写错误或遗忘分号等低级错误，数据驱动的智能化脚手架在捕捉到这些错误后，可以及时给予隐形提示，能在修正错误的同时，避免挫败学习者的学习热情。编程行业的工作实践已经充分证明，复杂编程任务需要团队协作完成，合作与共享是完成编程任务的必备品质[30]，采用协作编程策略，在团队的互动过程中协作编写程序能有助于培养学习者的计算思维并掌握编程知识，提升编程绩效水平[31]。协作编程学习成为青少年编程教育的重要形式，借助脚手架能为协作学习小组成员有效和深度互动学习提供指导[32]，保障协作编程学习的开展。编程协作学习中有效的脚手架设置能够降低学习者的认知负荷，使其保持适度的相关负荷，促进积极的认知活动，实现协作学习中个体与群体的共同意义建构[33]。同时，当学习者长时间面对冷冰冰的没有情感的编程指令和机器时，教师若不能感知到其学习情感并及时干预，将容易使学习者产生枯燥乏味的感觉，对学习产生反感，影响学习效果，甚至危害到学习者的心理健康[34]。情绪是学习过程中学习者的一项重要的内隐式学习特征，教师可以根据学习者回答问题时的语气、眼神以及表情等获得其情绪信息，进而分析和调节其心理状态[35]。因此，及时感知学习者的编程学习情绪、学习态度和学习投入度等内容，提供必要的情感、协作等脚手架支持显得尤为重要。
2.2 满足精准个性化编程教学需要
学习者在编程学习中存在先验知识结构和能力水平、学习习惯和动机、认知风格和性格特质、情感态度和心理发展以及文化背景等多方面特征上的差异，实施精准个性化编程教学成为有效方式。传统以班级为单位的大规模“一刀切”编程教学模式难以适应学习者个性化需求，难以保障个性化互动服务，难以准确追踪编程学习状态，无法实施精准教学。掌握学习者编程学习的“现有发展区”“最近发展区”“潜在发展区”一直是编程教学中的难点。因教育成本、编程教学的复杂度和互动层面等限制，个性化编程教学难以短时间内全面铺开，将个性化教育与规模化教育的优势结合起来，实施规模个性化编程教育是编程教育发展的一种趋势和必然选择[36]。随着大数据、物联网、5G和人工智能等技术与教育应用场景的深度融合，研究者通过各种传感器、摄像头和眼动仪等设备能够精准采集到教学多模态数据，加以快速准确分析，及时有效地可视化呈现分析结果，以此来指导相对应的脚手架设计与应用，将有助于解决这一难点问题，满足精准个性化编程教学的需求。
2.3 减轻教师负担，提升教学精致性
编程教育在我国刚刚起步，相对于语文、数学等主科来说，其经验欠缺、基础薄弱、积蓄不足，尤其是编程教育师资力量薄弱且地区分布不均，很多教师欠缺编程知识基础和编程教学经验。面对学习者编程学习的强烈诉求，教师精力有限，分身无术，心有余而力不足。加之部分年轻教师虽然相对于老教师而言对编程接触较多，但其教学经验不足，难以在教学中关注到每个学习者的动态学情，直接影响到编程教学的实施。这些都致使很多中小学生家长对现行的学校班级规模化授课模式下编程教学的质量和效果产生质疑，纷纷让孩子参加校外编程教育机构的编程培训。同样，很多高校大学生即使参加了校内开设的编程课程学习，但仍难以真正掌握编程并通过编程解决现实问题，进而会为了通过计算机等级考试或为了就业不得不再去参与各种网络编程教育课程培训或校外线下编程专题培训班。基于脚手架理念，设计开发数据驱动的具有共享交流、远程协助、智能辅导等相关学习辅助功能的脚手架教学智能系统[37]，能够赋能教师组织实施脚手架教学，更好地为学习者提供编程学习脚手架支持，有助于缓解当前编程教师资源欠佳的问题，提升编程教学的精致性和满意度。
3 数据驱动的编程教育脚手架教学模式构建
基于以上分析，笔者结合编程教育的自身规律性和教育信息化2.0建设发展，以智慧教学环境为支撑，构建了包括理论层、数据层、技术层、教学层和目标层相互依存的5个层次的智慧教育环境下的数据驱动编程教育脚手架教学模式，如图1所示。其中，教育大数据的收集、分析和可视化应用贯穿于整个教学过程的始终，辅助于教师和学习者脚手架的使用，驱动各个教学环节的联动。教师、学习者等编程教育的相关人员通过主动学习适应数字时代的智慧教育教学方式变革，借助于现代教育技术手段，共同围绕学习者最近发展区的跨越而展开教与学，发挥脚手架在其中起到的至关重要作用。
该教学模式以建构主义、最近发展区、脚手架教学、编程教育和智慧教育等理论为基础，理论层为其他各层提供理论支撑，指导智慧教育环境下数据驱动的编程教育脚手架教学的实践。
数据层包括数据采集、存储、分析和应用等环节，以数据驱动脚手架教学为宗旨，对编程学习内容数据、学习者的年龄、性别等基本信息数据以及编程学习的行为、心理和生理等数据，进行采集、存储、分析和可视化应用[38]，支持教学层脚手架搭建、使用和消退等教学各个环节的实施。
技术层主要是利用多模态学习分析、人工智能、“互联网+”、云计算、物联网和5G等现代技术支持智慧教育环境下数据驱动的编程教育脚手架教学模式的应用。现代科学技术的飞速发展为精准个性化脚手架教学的实施不断使能、赋能和增能，融合多种技术的智慧教育系统为准确有效的脚手架构建、应用和及时消退提供了便利，能够智能化辅助教师动态调整脚手架和学习者利用脚手架学习。
教学层是教学模式的主体部分和编程教学具体实施的关键部分，包括学习者现有发展区、最近发展区和潜在发展区等各发展区识别，脚手架搭建，借助脚手架学习，脚手架及学习评估和脚手架消退及改进5个主要环节，由教师、学伴、智能机器和家长等教学活动主体共同参与，借助于信息技术和智能技术为学习者提供问题、资源、策略和情感等多种类型脚手架。这5个环节紧紧相扣、相互耦合，是一个循环迭代、螺旋上升的过程，以智慧教育环境为依托，以数据驱动为动力，为编程教学的开展提供脚手架支持。
目标层主要针对学习者编程学习所处的现有发展区、最近发展区和潜在发展区3个不同发展区而设定教学的最终目标，促进学习者的编程知识和编程技能水平不断攀升，帮助学习者在现有发展区的基础上，穿越最近发展区，迈入潜在发展区。
3.1 追踪学习者状况，准确把握学习者各发展区
数据驱动的脚手架教学首先要准确识别学习者的“最近发展区”等各发展区，这对于整个脚手架教学的效果起到了基础性作用。在编程教学中，教师等脚手架搭建主体要借助于各种技术手段，以学习者已有的编程知识积累和学习能力为基础，参照学习者已有的学习行为轨迹和学习状态数据，准确把握其心理状况和学习水平、教学内容的难易程度和侧重点，进而摸准学习者“最近发展区”等各发展区，构建学习者的学习画像，为脚手架设置提供参考依据。换言之，脚手架搭建者要通过技术手段，收集与分析学习者编程学习过程的编程操作、认知情感、生理等数据，借助智能化可视化的分析结果，做出综合分析研判，防止因机器在数据收集和分析过程的失误而造成错误的判断，及时追踪学习者学习进展情况，准确把握学习者各发展区。需要强调的是脚手架搭建过程离不开学习者的积极主动配合，学习者要主动真实地展示自我，提出学习需求，帮助构建其编程学习中的全方位立体精准画像，促进脚手架的搭建。
3.2 精准搭建脚手架，创设“有援”学习环境
精准提供合适的脚手架是实施脚手架教学的关键环节，是教师现代教學技能的重要体现[39]。教师作为脚手架的主要供给者，要树立以学习者为中心的教学理念，强化教学设计，根据学习者的个性化特点和学习需求，结合编程学习知识和技能目标，依据学习者的各发展区状况，分层次动态提供精准个性化的各种类型脚手架，创设“有援”学习环境，这成为脚手架教学实施最为关键的一步。
脚手架的种类繁杂多样，学习者的学习基础、学习习惯、认知风格、情感态度、学习策略和学习动机等学情差异性也很大，同时不同学习者的编程学习内容和能力培养目标定位也有很大差别，为了促进学习者有效元认知、计算思维、批判性思维、创新思维的培养，应该提供与任务性质、所学习的知识性质以及每位学习者的特点相匹配适当的元认知脚手架支持[40]，并有针对性地分别投放各类脚手架。数据驱动的脚手架搭建，成为智慧教育时代编程教学的不二之选。提供有效的软件工具是搭建脚手架的重要步骤，有助于促进复杂的学习[41]，教师、家长、学习者可以利用智能化系统的推荐，并根据以往的经验加以分析和整合，循序渐进，灵活地提供各种类型和不同层次的脚手架，确保脚手架对每个学习者的有效性。例如，情感脚手架能够联接学习者的情感与特定学科内容[42]，可以用于编程学习情感支持，促进编程学习。智能化脚手架可以帮助学习者解决一些编程中的低级错误，如学习者会对编程语言的关键字和语法规则存在识记的障碍，智能化的隐形提示有着很强的必要性，能及时修正出现的低级错误，使其更好地关注于算法等学习任务的完成，同时避免挫败其学习热情，提升学习的成效;还可以利用虚拟仿真技术，为学习者提供更为直观的脚手架，让学习者产生更强的临场感和体验感。比如，针对学习者初步接触到“变量”“结构体”等抽象概念，可以为其搭建虚拟仿真的认知脚手架，模拟展示变量和结构体在程序运行中的变化状态。
3.3 进入学习情境，借助脚手架开展编程学习
在数据驱动的脚手架编程学习智慧环境中，借助脚手架的中介作用实现学习者和教师的主体间性交互。学习者充分发挥主动性、积极性和创新性，利用脚手架学习策略，寻求脚手架帮助实现具有一定难度的编程学习挑战，开展深度学习。教师借助数据驱动的脚手架使用反馈情况和教学观察不断追踪学习者的编程学习过程，适时给予必要且有针对性的脚手架，支持其顺利完成编程学习任务，防止其迷失或偏离预期的目标方向或因学习挫折失败而丧失信心退出学习。
学习者在个性化自主编程学习过程中，要学会利用脚手架和能够自主搭建脚手架学习，善于与嵌入脚手架的学习环境进行互动，通过脚手架的支持自我探索、自我建构，自定步调开展适合自己的个性化学习，沿着脚手架不断攀升，发展学习能力，逐步摆脱脚手架的支持，达到新的发展水平。
学习者在协作编程学习过程中，借助协作脚手架的支持与教师、同伴进行协作，共同完成编程学习。教师需要提供协作学习脚手架，支持学习者的反思学习和帮助团队评估学习绩效[43]，可以采用“量化民族志”分析方法获得编程学习中基于学习证据的学习者个人及小组的能力水平和发展轨迹[44]，并据此提供更有针对性的协作学习脚手架。学习者在协作学习、情感等脚手架支持下，将协作产生的外部动机转化为内部动机，保持学习动力，以小组协商、讨论的形式开展学习，进行协作知识建构[45]，共享调节，达到对编程所学内容全面准确的理解，通过“最近发展区”。
3.4 评估脚手架效能和学习者学习状态
评估脚手架效能和学习者学习状态主要是借助于教育大数据分析等技术，评价学习者借助于脚手架的学习效果和脚手架的作用发挥情况，为脚手架的消退和改进、更好地促进学习者的学习提供参考依据。借助数据循证评估脚手架教学效能和学习者学习状态是否已经跨越“最近发展区”，达到“潜在发展水平”，以及达到的程度如何，支持后续其学习步调确定和脚手架的隐退，这是保证脚手架支持编程教学过程顺利实施的关键。数据驱动教学过程能够更好地理解教学是如何发生的[46]，更好地评估脚手架的教学效果和作用。以往的编程教学囿于技术和环境等条件限制，只关注到学习者的人口属性、知识储备等静态特征，对学习者的编程学习状况以总结性评价为主，难以及时有效实施过程性评价和增值性评价，更多地依靠教师的观察来主观判定脚手架的应用情况，而借助于多模态学习分析等技术的数据驱动脚手架教学中，利用基于xAPI的后台记录软件、手环、摄像头、眼动仪、皮肤电测试仪等设备，采集并分析学习者的编程代码语句书写情况、鼠标和键盘操作、情绪和协作学习状态等多模态编程学习行为，心理和生理数据，及时有效地评价反馈脚手架效能等教学情况，能更好地发挥评价的导向、激励与反思作用。目前教育市场上已经有一些数据驱动的智能教学系统，如清华大学和学堂在线共同推出的智慧教学平台“雨课堂”，北京师范大学未来教育高精尖创新中心研发的智能交互公共服务平台“智慧学伴”，为刻画学习者个性化的动态编程学习过程，量化学习者最近发展区，提供重要的诊断框架和数据支撑[47]，能有效地评价学习者的编程学习情况，可以用来测定和诊断脚手架的使用效能状况，为脚手架的修正和及时消退提供了一定的保障。值得一提的是，学习者作为脚手架使用者最有发言权，在该阶段要突出学习者的主体地位，以学习成果产出为导向，引导学习者主动展示自我学习状态，开展自我評价、自我反馈、自我调节和自我修正，评估和提升脚手架的效能。
3.5 及时消退并改进脚手架，进入更高层次的学习
学习者在学习过程中已经达到了学习目标，超越了脚手架支持范围后，要及时地抛弃脚手架，而不是长期依赖于脚手架，避免妨碍了更高层次的学习。脚手架在编程教学中起到导学和助学功能，而不是完全代替学习者的学习，沿着脚手架攀登确实省力省时，却不是最终目的，最终目的是实现学习者达到潜在发展区，在无脚手架的情况也能更有效地深度学习。因此，根据学习者的学习状况评估结果，当判定脚手架完成其功能使命后，应予以及时消退，促进学习者进入更高层次的学习阶段。同时还要根据脚手架效能改进脚手架的不足，以利于后续教学。作为一个持续循环的教学过程，还要再次依据学习者新的最近发展区，构建脚手架以促进学习者不断逐步攀升，并将脚手架所提供的内容和方法等迁移应用到后续学习中，直至不依靠脚手架也能自如地学习，具备编程知识和技能，并最终掌握编程自主学习能力，确保最优化的编程学习产出。
4 数据驱动的编程教育脚手架教学模式应用及原则
4.1 教学模式应用
笔者和任课教师在某高校33名大学生选修的《C语言程序设计》课程中进行了数据驱动的编程教育脚手架教学模式的教学应用。在编程课程教学中借助于QQ群与微信群即时通信工具，以及雨课堂和超星学习通等智能化教学系统的智能数据收集、处理、分析和可视化呈现等功能[48]，利用智慧教室各种数据采集、处理和多屏展示等功能，为学习者及时提供线上和线下的资源、策略、情感、问题等各种类型的编程学习脚手架，以支持学习者的编程学习。
该教学模式的应用结果显示，这对于学习者的编程学习有较好的促进作用，更好地实现了教学目标。在同等难度的编程知识和编程能力测试中，学习者的成绩平均分比往届学习者高出9.2分。本研究参考已有编程学习效果量表，从学习者的编程态度、编程知识、编程技能、问题解决能力和创新能力5个维度自编了李克特五级编程学习量表，共25个题目，在应用该教学模式前后进行了量表测量，Cronbachs α值均达到了0.8以上，信度较好。学习者的编程态度、编程知识、编程技能、问题解决能力和创新能力5个维度的均值前后变化情况均达到了显著水平（p<0.05），均有大幅提升，如图2所示。学习者对编程知识的建构水平得到了提升，均值由2.38上升为4.88。创新能力提升幅度最大，均值由2.17上升为4.81，增加了2.64。编程态度更为端正，对编程有了更准确的认识，均值由3.55上升为4.75。编程技能有所增强，均值由2.31上升为4.36。问题解决能力也得以提升，均值由2.54上升为4.44。
通过对学习者的访谈和观察可以看出学习者在数据驱动的脚手架帮助下，能够挑战完成更为复杂的编程任务，对编程学习不再畏惧，有了更强的编程学习信心，能够实现一定难度的编程任务。任课教师认为数据驱动的脚手架教学更能体现个性化教学和精准教学的时代特征，减轻了教师负担的同时提高了编程教学的效果。学生访谈中大部分学生都认为：在编程学习中得到系统化的脚手架支持时，会更加主动学习编程，能够更容易地将编程任务完成，并能将新的编程知识内化并整合到已有的知识结构体系中，也很好地学会了编程技巧。
图2 学习者编程学习能力前后测比较
4.2 教学模式应用原则
通过智慧教学环境下数据驱动的编程教育脚手架教学模式实践应用，笔者总结了该教学模式的实践应用原则，以有助于该教学模式更好地应用于编程教育或其他课程教学中。
一是适时性和适量性。脚手架的搭建和提供需要借助于技术手段并加以必要的人工判断，因人而异，因事而定，因时而动，在学习者最为需要的时候，迅速提供，避免将学习者长时间“晾晒”在无助的学习困境中。在通过数据分析探明学习者已有的知识与能力水平基础上，脚手架搭建者需要借助于信息化平台随时掌控学习者的学习进程，把握好“度”，为不同水平的学习者、不同的学习任务和不同时段的学习需要提供个性化的脚手架，方能确保学习成就的最大化。脚手架应该定位为学习者学习的辅助支持，而不能替代学习者的学，过量的脚手架反而会让学习者感觉无所适从，增加其认知负荷，或是让学习者轻易完成学习，能力提升将无从获得。
二是灵活性和渐退性原则。随着学习的发生，学习者的最近发展区处于动态变化中，因此脚手架需要随之不断地灵活动态调整，并在学习者达到了对应的学习目标，习得相应的知识和技能，不再需要脚手架之时，予以逐渐隐退，给学习者留出更广阔的意义建构空间。还应重视脚手架的渐退操作，逐渐实施脚手架的消退过程并具有一定的隐蔽性，避免引起学习者因脚手架的突然撤离而产生不适。
三是个性化和多元性原则。整齐划一的脚手架将不能满足每个学习者的个性化学习需求，因此需要根据学习者的学习基础、惯习、目标及内容等，为学习者精准提供个性化的脚手架。借助于技术手段可以根据不同学习者的需求，将笼统的脚手架进一步细化为若干颗粒度更小的精准脚手架，发挥脚手架的最大功效，提高学习支持的精准度和有效性。
脚手架的提供者和脚手架的类型及使用方式是多元的。传统意义上的脚手架提供者仅仅只是具有知识权威的教师和专家，而真正意义上讲，学习同伴、家长和学习者自身以及智能化系统都可以成为脚手架的提供者，尤其是在科技日新月异的智能时代中，脚手架完全可以由内嵌了专家知识的智能导师系统提供更为精准和及时有效的脚手架。与仅仅为学习者推送学习资源的资源、提问、示范等脚手架相比，智能技术飞速发展的当下，教学中被证明可以应用的脚手架类型越来越丰富，需要根据学习者的学情和培养目标进行合理的选择确定。脚手架策略和功能使用上，可以通过在各种教学设计元素中嵌入来实现，比如：可以将脚手架嵌入到教师的课堂教学干预策略中，或以程序的形式嵌入到数字化学习系统中。
四是有援性和技术性原则。脚手架教学中，搭建的脚手架要具有超前的有援引导价值，而且有着明确的目的，有的放矢，致力于降低学习者的挫败感和学习风险，引导和支持学习者发挥潜力，帮助学习者跨越最近发展区，顺利达到潜在发展区。教学中的任何一个脚手架的设置都不是任凭搭建者的主观意愿随意搭建的，具有一定的引导目的，而不是可有可无之物，更不是仅仅简单给出学习任务的结论或问题的答案，甚至是完全替代学习者的学习。脚手架的来源可以是教师、同伴，也可以是技术[49]，尤其是在智慧教育深入普及的教育环境中，更要充分体现脚手架技术性的时代特征，更好地通过技术服务于教学。同时，也要借助于技术掌握学习者的学习状态，实现脚手架的搭建和及时消退。
5 结束语
值得关注的是，任何一种教学模式都不可能是万能的和一劳永逸的，最适切学习者学习的教学模式才是最好的。脚手架教学一直是学习科学领域研究的重要内容，并不断地在教学实践中被应用探索，取得了一定的教学效果，但还存在一些挑战和质疑。编程教育在青少年中广泛开展受到诸多因素影响[50]，在智慧教育初见端倪的当下，教育大数据与学习分析在教学中的深度应用也是近些年才开始得以实现，因此探寻编程教育中应用数据驱动的脚手架教学，促进青少年编程教育的发展和脚手架教学仍然任重道远。本研究初步构建了数据驱动的编程教育脚手架教学模式，选取了一定样本的学习者验证了教学应用效果，期望为青少年编程教育的发展提供一定的参考和借鉴。基于教育大数据的支持，创建适应学习者不同学习需求、有效实用的脚手架并非易事，仅靠教师个体和单一的教学信息化平台难以实现，需要整合更多力量的广泛参与。同时，有形的和无形的脚手架种类繁杂，教师和学习者未必能全部掌握和灵活运用，需要相关的引荐，围绕这些问题开展更深入的后续研究有着很强的必要性。
参考文献
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Research on teaching mode of data driven programming education
ZHANG Hui-qing1，2，CHEN Hua1，MA Xuan3
（1.School of Education，Xizang Minzu University，Xianyang，Shaanxi712082，China;2.Department of Education， East China Normal University，Shanghai200062，China;3.School of Information Engineering，Xizang Minzu University，Xianyang，Shaanxi712082，China）
Abstract The construction of smart education environment such as smart classroom provides conditions for the personalized and accurate implementation of data-driven programming education scaffolding teaching. This paper expounds the meaning and theoretical basis of Scaffolding Teaching and the significance of data-driven programming education scaffolding teaching mode， and constructs a data-driven programming education scaffolding teaching mode supported by intelligent teaching environment. Taking programming teaching as an example， this paper makes a confirmatory trial of the teaching mode and summarizes the application principles， hoping to promote the development of programming education in the level of teaching practice.
Keywords scaffolding teaching; programming educationfor teenagers;data-driven;teaching mode;smart education.
[责任编辑 孙 菊]
