計算機科學教育的設計模式/設計模式
設計模式描述了一個在特定環境中反覆出現的問題，並將該問題與解決方案配對。通常，這些問題-解決方案對也可以在更大的環境中使用。解決方案通常是一個通用術語，細節留給應用模式的人或由其他低階模式闡述。解決方案在不同的環境中有著不同的定義，例如，在生產領域，解決方案可以是新事物（相當簡單或非常複雜）或人工製品，而在教育等實際領域，解決方案可能是方法而不是事物。此外，關於設計模式的重要事實是，問題的核心應該包含一個基本原理（借鑑研究、理論、經驗等）。當模式被組織起來並以全面和順序的方式相互連線時，它被稱為模式語言。
一般來說，設計模式的核心是：“對於問題 P，在環境 C 下，解決方案 S 已被證明有效”。設計模式透過將實踐智慧與理論聯絡起來，並將理論投射到實踐中，在理論和實踐之間架起了一座雙向橋樑。
整個設計模式正規化和模式語言的想法是由克里斯托弗·亞歷山大的數學和建築作品提出的。他的主要目標是將知識外部化，以收集和概括解決方案，並允許其他成員合作並討論他們關於它的想法。以下是他的話語中對設計模式的定義：“每個模式描述了在我們環境中反覆出現的問題，然後描述了該問題解決方案的核心，這樣你就可以使用這個解決方案無數次，而無需兩次都以相同的方式進行。”（亞歷山大等人，1977）
設計模式在最高級別的定義具有三個方面：規範性：它是一種元設計工具，它強調解決關鍵問題的方法 描述性：它描述了問題及其解決方案 互動性：它使不同的社群能夠討論問題及其解決方案
在本節中，我們根據自己在計算機科學教育中積極學習的經驗，展示了我們正在興起的同伴學習設計模式，這些模式由設計模式和團隊學習的文獻構建而成。這些模式側重於現有計算機科學教育設計模式中的差距以及在積極學習課堂中成功使用團隊進行同伴學習相關的問題，這些模式源於我們在本科和研究生計算機科學專案中應用翻轉課堂策略三年 [3] 的經驗。我們目前的設計模式集是在 2016 年舉辦的 3 個研討會中出現的。每個研討會都有 5-10 名教師積極實施翻轉課堂策略。在研討會期間，教師們獲得了設計模式模板和一些樣本設計模式，並被要求修改模板並根據自己的教學經驗建立模式。在每個研討會上，模式模板和設計模式都會被修訂和擴充套件，為下一個研討會提供起點。
我們的積極學習設計模式分為兩大類：課程特定積極學習模式和通用積極學習模式。課程特定積極學習模式特定於計算機科學教育中的一種學習型別。到目前為止，我們有三種類型的課程特定模式
1. 學習編碼
2. 學習計算思維概念
3. 學習設計
通用積極學習模式可以應用於任何課程。教師可以使用任何一種或多種模式來促進成功的積極學習課堂。到目前為止，我們有七種型別的“通用”模式
1. 在積極學習中學習如何學習
2. 積極學習課堂的準備
3. 課堂積極學習
4. 團隊進行同伴學習
5. 積極學習的講座
6. 積極學習的測驗
7. 積極學習的評估
我們為積極學習課堂中的同伴學習設計的模式模板源於三個來源
1. 來自 Goodyear [4] 和 Alexander [5] 的設計模式模板。
2. 我們關於在我們經驗中出現的模式的研討會。
3. 關於教育中的團隊的研究 [6,7,8]。
Goodyear [4] 展示了從 Alexander 的模式 [5] 改編而來的教學設計模式模板。Goodyear 的模板包括：問題、解決方案和基本原理。我們為我們的模式開發了一個模板，包括五個屬性：模式名稱、問題、解決方案、基本原理和潛在陷阱。該模板如表 1 所示，其中屬性與“輕量級團隊” [9] 相關聯。
表 1. 設計模式模板，顯示輕量級團隊模式
| 模式名稱：輕量級團隊 |
|---|
| 問題：學生需要幫助學習協作。通常，在團隊中協作的學習體驗會受到成績重要性的負面影響。 |
| 解決方案：將學生分配到小組，然後在第一天上課時分配座位，以便小組坐在同一張桌子旁。為小組建立課堂活動，這些活動對他們的成績沒有很大貢獻。 |
| 基本原理：學生不會感到需要為了獲得好成績而表現出色的壓力，這減少了他們對誰在他們團隊中的壓力，並培養了成功的社交學習。 |
| 解決方案：為課堂活動建立團隊，這些活動對最終成績沒有重大貢獻。 |
| 潛在陷阱：學生在入門課程中會很尷尬，尤其是在學期初。 |
我們擴充套件了用於同伴學習的設計模式模板，在問題屬性和解決方案屬性中包含維度。這種擴充套件反映了需要區分我們經驗中出現的模式，這些模式旨在創造成功的同伴學習活動，這些活動受到關於最佳化教育中團隊表現的文獻的啟發。我們在表 2 中展示了輕量級團隊模式中這些維度的使用，該模式擴充套件了表 1 中的通用概念。
表 2. 帶有同伴學習維度的輕量級團隊模式。
| 模式名稱：輕量級團隊 |
|---|
| 問題：學生需要幫助學習協作。通常，在團隊中協作的學習體驗會受到成績重要性的負面影響。 級別：入門 學期：任何學期 活動型別：程式設計、測驗、討論或解決問題 |
| 解決方案：將學生分配到小組，然後在第一天上課時分配座位，以便小組坐在同一張桌子旁。為小組建立課堂活動，這些活動對他們的成績沒有很大貢獻。 形成：隨機 規模：中等 構成：隨機 持續時間：整個學期 個人成績：個人貢獻的成績 對最終成績的貢獻：很小 活動程序：個人到小組 角色：平等 |
| 基本原理：學生不會感到需要為了獲得好成績而表現出色的壓力，這減少了他們對誰在他們團隊中的壓力，並培養了成功的社交學習。 |
| 潛在陷阱：學生在入門課程中會很尷尬，尤其是在學期初。 |
在本節中，我們報告了我們所有關於同伴學習相關的通用模式和課程特定模式的設計模式。在這個識別我們積極學習模式的早期階段，我們專注於讓學生在入門課程中參與輕量級團隊的好處。
到目前為止，我們開發的設計模式是
輕量級團隊: 這是一個建立對最終成績影響很小的團隊的通用模式。
形成輕量級團隊: 在輕量級團隊中形成小組對教師來說是一個挑戰。該模式提供了形成成功的學生團隊的問題-解決方案模式。
輕量級團隊的規模 : 該模式提供瞭解決學生在大型課堂中不願交談和參與問題的解決方案。
輕量級團隊訓練 - 破冰 : 本模式包含幫助學生學習如何在輕量級團隊中有效合作的解決方案。
課堂輕量級團隊 - 進展 : 學生擔心團隊活動，因為他們的成績取決於其他學生。本模式包括一些在鼓勵小組討論後進行個人測驗的解決方案。
期末考試準備的輕量級團隊 : 學生總是希望或需要期末考試的指導。老師很難完全複述整個學期。學生需要一種方法來分享知識，討論期末考試中可能出現的內容，並獲得新的視角。本模式包含一些解決此問題的方案。
學生準備的簡短講座 : 學生不僅僅透過聽來學習。本模式討論了學生如何合作製作一段簡短影片來描述主題。
主動學習測驗 : 通常情況下，參加測驗更傾向於個人評估，而不是學習。本模式提供了一些解決方案，將測驗作為主動學習課堂中的學習工具。
同行評審 : 本模式包含一些幫助學生學習如何評價同伴作品的解決方案。
同行教學 : 一些學生比其他學生更快更好地理解課程內容，或者一些學生透過反覆嘗試從同伴那裡學到的東西比從老師那裡學到的東西更好。本模式提供了一些解決方案來幫助學生相互學習。
小組討論 : 本模式提供了一些解決方案來幫助學生在課堂上分享、提問或批評他們的知識。
從小範圍討論擴充套件到大範圍討論 : 在主動學習課堂中，學生的討論和協作學習僅限於他們坐在同一桌的群體。本模式提供了一些解決方案來將討論範圍從小組擴充套件到整個班級。
點選問題活動 : 學生在學習課程材料和概念時，不一定意識到自己的概念性誤解。本模式描述瞭如何讓學生積極地獨立進行類似考試的問題，然後與他們的團隊討論他們如何回答這些問題。
主動測試 : 對於老師來說，編寫大量的題目可能很困難，學生也可能對題型或被認為重要的知識感到意外。本模式透過要求學生小組識別和編寫相關測試題目並將其用作題庫來提供解決方案。
結對程式設計 : 這些模式提供了一個結構，幫助學生一起完成程式設計任務。
性別結對程式設計 : 男性和女性在合作時具有不同的動態。在早期的程式設計課程中，男性往往會主導活動。本模式透過將女性學生相互配對來提供解決方案。
資源
[1] Goodyear & Retails, 2010, 科技增強學習書籍
[2] http://www.ld-grid.org/resources/representations-and-languages/design-patterns
[3] Maher, M.L., Latulipe, C., Lipford, H., Rorrer, A. 2015. 翻轉課堂策略用於 CS 教育，第 46 屆 ACM 技術研討會計算機科學教育論文集。第 218-223 頁。Doi:10.1145/2676723.2677252.
[4] Goodyear, P. 2004. 模式、模式語言和教育設計。
[5] Alexander, C.，等人。1997. 模式語言。
[6] Michaelsen, L.K. 和 Sweet, M. 2008. 團隊學習的必要元素。教學和學習新方向，(116)，第 7-27 頁。
[7] Mennecke, B. 和 Bradley, J. 1998. 讓專案組工作：結構化組角色對資訊系統專案組績效和感知的影響。計算機資訊系統雜誌，39(1)，30–36。
[8] Johnson, D. W.，Johnson, R. T. 和 Smith, K. A. 1991. 主動學習：大學課堂中的合作。互動圖書公司愛丁娜，明尼蘇達州。
[9] Latulipe, C.，Long, N.B.，Seminario, C. 2015. 使用輕量級團隊和遊戲化構建翻轉課堂。SIGCSE '15 第 46 屆 ACM 技術研討會計算機科學教育論文集，392- 397。