沈怡伶，王润梅

摘要：编程教育已经逐步受到社会、学校以及家长的重视，如何提高编程教育的质量已经成为一个热点话题。通过对目前中学Python编程课程教学中存在的一些问题进行了总结梳理，并且以认知负荷理论为基础，从减轻内在认知负荷、降低外在认知负荷以及增加相关认知负荷三个大方向出发，提出了几点中学Python编程课程的教学策略，从而提升其教学质量。

关键词：认知负荷；Python编程；初中编程教学；教学策略

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）33-0155-03

1 引言

随着新一代技术的发展，编程教育已日渐成为智能时代进行创新性人才培养的实施重点。在教育部公布的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》中明确指出，“推动在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”。不仅如此，现在市面上的编程培训机构也变得越来越多、越来越规范，许多家长也意识到编程教育的重要性，通过编程教学来教会学生用计算机领域的方法来解决问题，培养学生的计算思维，提升学生的信息素养，培养新时代所需要的人才。由此可见，编程教育的迅猛发展是大势所趋。

然而，就目前Python编程课程教学现状来看，Python编程课程教学的教学效果仍然不如人意，这一结果的产生原因是多方面的。首先，自媒体以及网络信息技术不断发展，使得信息的呈现变得碎片化、随机化以及分散化，对学生学习过程中的专注度产生了极大的冲击。其次，编程教学的内容相对于其他学科来说，知识结构较为复杂抽象，导致学生难以理解其本质含义。另外，目前对于编程教学的研究比较少，许多教师没有足够的教学经验，导致教师对于其每节课呈现给学生的信息量以及呈现速度没有明确把握，导致教师传递信息的量和速度与学生接受信息的量和速度不匹配。这一系列原因都使得学习者在编程课程时认知负荷不断增大。由此可见，编程是一项难度较高的认知活动，这项活动需要学习者掌握多方面的知识，在学习过程中学习者会产生较高的认知负荷。

综上所述，教师应该通过哪些方法和策略對学习者学习过程中产生的认知负荷进行调控是值得我们关注的问题。据此，本文根据目前Python编程课程教学中存在的一系列问题提出了几点教学策略，以期能够对Python编程课程教学的研究起到一定的推动作用。

2 认知负荷理论

2.1 认知负荷的内涵

认知负荷理论早在1988年时就已经被提出来了，是由澳大利亚的新南威尔士大学的著名认知心理学家约翰·斯威勒（John Sweller）提出的，是以人类信息加工容量有限理论和图式理论为基础的。从提出开始到现在，获得了国内外学者的广泛关注，但是大家都还没有对认知负荷这一概念形成一个统一的认识。Pass和Van Merrienboer认为认知负荷由多个维度组成的，是执行一项具体作业时施加在个体认知上的负荷[1]；在国内，对于认知负荷理论的概念是由学者辛自强和林崇德率先提出的，他们认为可以把认知负荷看作为对指定数量信息进行加工时所需要的“心理能量”的水平，因为所需要进行加工的信息数量不断增加，认知负荷也会随之增加[2]。

根据所总结的以上学者对认知负荷这一概念的界定，并且结合Python编程课程学习的相关特点，在本文中，我们可以将认知负荷定义为：学习者在对Python编程课程中的相关知识进行学习时，由于对学习内容难度的感知而投入到当前学习中的心理活动的总量。

2.2 认知负荷的分类

随着对认知负荷理论研究的不断深入，研究者们认为根据学习过程中学习者认知负荷的产生来源不同，可以将其分为三大类，分别是内在认知负荷、外在认知负荷以及相关认知负荷。

外在认知负荷，常常被人们称为无效认知负荷，主要是由于学习者在学习过程中发生了一些无关于学习的认知活动而带来的负荷，主要和学习材料的呈现方式以及一些学习者自身活动有关。

内在认知负荷是由学习任务难度和学习材料的交互度所决定的。学习任务的难度越高，对应的元素就越多，当学习者的工作记忆中有许多需要进行加工整合的元素，且元素之间的交互度较高，那么就会产生较大的内在认知负荷。如果学习者在进入学习之前有一定的先前知识经验，就会促进图式的自动化，从而内在认知负荷就会减小。

相关认知负荷又被称作有效认知负荷，是指在学习的过程中学习者将工作记忆能量投入进一步的知识结构建构以及存储时所产生的认知负荷[3]，为了使学习者的学习是有意义的，就应该不断提升相关认知负荷的大小。

认知负荷的总量是由三种认知负荷相互叠加所得到的，当认知负荷过高或者是过低的时候都会对学习者的学习效果产生负面影响，只有当认知负荷的大小适中时才会对学习者的学习起到促进的作用[4]。

3 Python编程教学中存在的问题

Python语言相对于其他计算机编程语言来说，Python语言的语法更加简洁、相关库十分丰富以及具有开源与扩展性好等特点，因此受到大众的热爱和一致认可，成为中学编程教学中一门很重要的语言。目前来说，在Python编程课程教学中仍然存在很多问题，本文通过对文献的梳理，分析总结出以下几点问题：

3.1 学生对Python编程课程的学习兴趣低

造成这一问题的原因是多种多样的，首先，因为Python编程课程与学生实际生活和先前知识经验相差较远，此前没有或很少接触过编程课程；其次，Python编程课程有关于语法、变量等理论知识学习强度很大，在实际操作中以编写代码为止，相对于制作幻灯片、动画等内容和其他学科，趣味性较低，使学生产生枯燥无趣的消极心态，对编程学习的积极性不高；最后，再加上为了跟进学习进度的安排，许多老师在教学时只能采用讲授法、演示法来讲授课程内容，没有足够的时间余地采用其他方式来激发学习者的学习兴趣和积极性。

3.2 教师对教学目标的把握不够明确

教学目标是指教学活动中所期待得到的学生的学习结果。在整个教学过程中，教学目标都是尤为重要的，一切的教学活动都是围绕着教学目标开展的。教师对于教学目标的把握程度对教学效果的优劣起着决定性作用。但因为编程教育才刚刚兴起，教学研究者对于其研究还比较少，教师教学缺乏教学参考，所以很多教师对于编程教学的理解还不够深入，对其教学目标的把握不够明确。因此，在教学中许多教师只注重于学习任务是否完成、作业结果是否达标，而忽略了在这个过程中学生编程思路和计算思维的培养；同时也是因为教师对教学目标的把握不够明确，导致学生也不能够把握每节课的具体任务和目标，进而导致学生的认知负荷有所增大。

3.3 教师教学方式过于单一

在Python编程课程教学中，大多数教师仍然采用讲授法、演示法，一些有助于发挥学习者主动性的教学方法被忽略，如任务驱动法、小组合作学习等。首先，在单向传授的教学模式下，没有体现出新课改要求的“以学生为主体”的教学观念；其次，Python编程课程的实践操作性很强，教师的教学重点是培养学生的编程思路和计算思维，如果令学生处于被动地位的传统教学方式不利于学生编程思路和计算思维的培养与发展。

3.4 Python编程课程学习任务难度大，学生学习吃力

首先，Python编程课程所相关的知识相对于中学阶段其他知识来说本身就晦涩难懂，存在很多基本的语法、概念等，学生之前从未接触，短时间内也难以理解。其次，在编程过程中出现一点小问题就会导致程序无法运行或者是运行结果有误，学生难以找出问题出在哪里，对着红色的报错框不知所措，这样的情况随着教学难度的提升变得越来越多，在教学的后期阶段已有部分学生出现“习得性”无助现象，开始放弃学习[5]。

4 认知负荷理论视角下中学Python编程课程教学策略

本文主要从减轻内在认知负荷、降低外在认知负荷以及增加相关认知负荷三个大方向出发，分别提出以下具体几点教学策略：

4.1 降低任务难度，减轻内在认知负荷

4.1.1 清楚明确地向学生阐述学习任务

在Python编程课程的教学中，学生其实很难深刻明确地理解到这一堂课的学习任务是什么，甚至一堂课已经结束了学生都不知道学到了什么，这一现象很常见。因此，在教学活动开始之初，教师就需要清除明确地向学生阐述本节课的学习任务，但学生对于学习任务有一个清晰的认知时，学习的方向才会更加明确。其次，学习者明确任务要求后，还能快递将其和相关的先前知识经验结合起来，将新旧知识进行整合，进一步减轻了新任务带来的认知负荷。

4.1.2 将学习任务进行分层

处于同一阶段每个学生对知识概念理解和代码编写的水平也是存在很大的差异的，如果给每个学生布置同样的任务，那么任务难度较大时，水平略低的学生会跟不上教学进度，心理负担增大，任务难度较低时，水平略高的学生会觉得过于简单，失去学习兴趣。因此，在教学当中教师可以对学习任务进行分层，难度逐渐递增，针对不同水平的学生提出不同的任务要求。

4.1.3 在教学中提供相关样例

“样例效应”是指从那些具有具体解决方案或解决步骤的问题中归纳出隐含的抽象知识来解决问题[6]，应用于教学中的具体操作是指在教师讲授新知识时向学习者展示样例，学习者再仿照样例进行练习。在学习进行一段时间后，学习者已经获得了一些有关学习内容的知识，释放了一部分工作记忆的容量，在这个时候再给学习者提供有关样例，就能够进一步促进图式的生成，同时还可以帮助学习者在学习的过程中进行自我解释，进而增大了学习者的相关认知负荷[7]。提供样例的变式给学习者也是使学习者的相关认知负荷增加的途径之一，有利于问题图式的构建和学习的迁移，促进学生的有意义学习。

4.2 合理呈现材料，减少外在认知负荷

4.2.1 根据学习内容采取合理的教学组织形式

教师每次在进行教学活动时，应该根据每堂课或每个教学阶段所对应的不同的教学内容选择采取合适的教学组织形式。如在讲解Python编程相关基础知识和概念性知识时，可以采用讲授法，但应该主要采用一些导入方法，由此来激发学生的学习兴趣；在讲解具体编程操作等实践操作性比较高的知识时，教师就应该采用任务驱动法、小组合作学习等方法，能够起到调动学生学习积极性的作用。编程学习和其他知识的学习存在一定的差异，编程学习更加注重学生的实际操作能力。因此，在教师讲授知识时不能一味地采取讲授法、演示法等使学生被动学习的教学方法，而应该让学生成为学习的主体，主动去学习。

4.2.2 通过思维导图来总结所学知识

思维导图，通常又被大家称作心智图，这是一种可以表达发射性思维的有效的图形思维工具，可以帮助学习者将所学的知识串接起来，理清每一個知识点之间的关系，在头脑中留下一张清晰的关系图。在课程学习结束之后，学习者并不能完全理解所学内容，在头脑中留下的知识是杂乱无章的，这些信息分散的、没有结构地存储在长时记忆中，但需要对其进行提取使用时存在很大的困难。因此，一堂课或一个阶段的学习结束前，教师可以通过用思维导图的方式来对所学的知识进行梳理，将每一个知识点进行串接，帮助学生进行理解。

4.3 引发学生注意力，增加相关认知负荷

4.3.1 将学习内容尽可能与学生生活实际相联系

Python编程课程本身的知识内容就存在枯燥乏味的特点，在课堂中教师如果完全按照书本知识来讲授，那么学生必然就会产生认知疲劳，对相关编程概念和思路的理解也不到位，一段时间过去了就会学过的知识产生遗忘。因此，在教学过程中教师可以把教学内容与生活实际关联起来，增大两者之间的联系，以身边的日常生活发生的事情作为教学的案例，这样当学生在进行学习时就会与生活中的例子产生联想，更加容易帮助学生对所学的知识进行理解、记忆，同时还能激发学习的学习兴趣，使学生投入更多的认知努力。

4.3.2 建立合理的奖励机制

在实际的教学中可以发现，当学生受到了老师的表扬时，不论是学习积极性还是学习质量都会有所提高，这一点对于平时学习成绩不是特别优秀的学生来说体现的效果会更加明显。在教学中，如果教师能够在每一阶段教学中给予学生合理的反馈和奖励，学生的学习积极性会逐步增加并长期保持。因此，在教学中应该建立合理的奖励的机制，同时要注意奖励的频率不应该过高，奖励时机也要把握好，在学生做出积极行为的时候应该及时进行奖励。通过适当地对学生进行奖励，可以使学生对Python编程课程学习的积极性和主动性大大增加并且有效保持稳定，从而从Python编程课程学习投入更多的认知资源，促进相关图式的构建。

5 结束语

Python编程课程才正式进入中学课堂不久，在后期还会有很大的发展空间，将逐步进入全国各地的中小学课堂，也会逐步获得社会、学校和家长的重视。同时，Python编程课程的教学研究目前仍处于萌芽阶段，应该与时俱进、逐步发展，需要融入更多的理论，在真实的教学情境中进行教学实践。

认知负荷理论的影响已经在教育领域变得越来越深远，逐步变成了一种重要的指导教学的理论。基于认知负荷理论对Python编程课程教学提出的一系列教学策略是科学有效的，能够有效地对学习者学习过程中的认知负荷进行调控，进一步促进学生的有效学习。

参考文献：

[1] Paas F G W C，van Merriënboer J J G.The efficiency of instructional conditions：an approach to combine mental effort and performance measures[J].Human Factors：the Journal of the Human Factors and Ergonomics Society，1993，35（4）：737-743.

[2] 辛自强，林崇德.认知负荷與认知技能和图式获得的关系及其教学意义[J].华东师范大学学报（教育科学版），2002，20（4）：55-60，77.

[3] 王朋娇，田华，孙革.远程学习者认知负荷水平的调控策略研究[J].现代远距离教育，2009（1）：8-11.

[4] Paas F，Renkl A，Sweller J.Cognitive load theory：instructional implications of the interaction between information structures and cognitive architecture[J].Instructional Science，2004，32（1/2）：1-8.

[5] 邱振华.基于循证实践的初中Python语言教学研究[J].电脑知识与技术，2020，16（13）：194-198.

[6] 许永勤，朱新明.关于样例学习中样例设计的若干研究[J].心理学动态，2000，8（2）：45-49.

[7] 张建波.认知负荷理论：教学设计研究的新视角[J].上海教育科研，2006（11）：51-53.

【通联编辑：王力】