0 引 言
如何有效提升认知能力、效率、质量和学习力，始终是教学改革的一个关键和核心问题。新时期学生认知特征也发生明显改变，其思维模式不适合基于演绎的认知方式。然而，伴随着教学改革浪潮的一波又一波，尽管各种新型教学模式大量呈现，但本质上并没有基础性突破，缺乏有效教学策略指导。因此，在基础学习理论和现代教学应用之间如何连接，迫切需要一种有效的参考策略。
国内外关于教学理论的研究主要来自于认知科学，目前存在 3 个发展阶段：行为主义学习理论、认知主义学习理论和建构主义学习理论 [1]。它们侧重于宏观的基础理论研究，对于理论的有效教学应用往往取决于教师主体本身对学习理论的认知深度，因此，针对实际教学应用缺乏直接可行的指导作用。近年来，基于对学习理论的解读，国外部分教学家相继提出了多种教学模式，如问题驱动式教学、项目驱动式教学、翻转课堂、STEAM 等，本质上它们都是学习理论的一些局部应用形态。相对于学习理论本身，虽然它们降低了认知难度并具有较好的可操作性和直接的应用指导价值，但是因其缺乏系统性，太关注表现性，不能形成较为完整的教学应用参考策略。
1 SITD策略
1.1 基本原理
人类思维的基本形态和特征主要有归纳式和演绎式两种，基于此，知识学习和积累一般有直接和间接两种基本方式，直接方式来源于认知者亲身的实践活动，是对知识的直接理解（Directunderstanding），其思维模式属于归纳式思维，一般需要较长的认知过程。正是如此，鉴于浩瀚的知识谱系与人类生命时间短暂之间的矛盾，认知者大部分知识的学习和积累都是借助于中间媒介的间接方式，该方式是对知识的间接理解（Indirect understanding），其思维模式属于演绎式思维；尽管其认知过程相对较短，但提高了认知的阶度和难度，因为基于第三者语义转换的抽象认知过程隔断了认知者对知识的主动体悟过程以及知识之间内在的思维联系，从而加重了认知者的理解负担，降低其认知效率和质量。事实上，反而延长了认知过程。
针对上述问题，面向元认知能力和学习力提升及系统化思维能力培养目标， SITD 策略采用IoT（Inversion of thinking，思维倒置）方法，有效处理人类思维和认知两种基本形态的耦合及转换方法，实现间接理解到直接理解的转变。SITD策略的基本原理如图 1 所示。
图 1 中，“认知倒置”是指知识点的学习通过知识谱系的演绎展开，其过程被动并抽象，缺乏对知识点形成过程的直接体悟。并且，圄于知识谱系的体量和他人认知思维的框架约束，对于知识点之间内在的演化关系认知缺失。从而，大大提高了认知的难度，降低了认知的效率。“认知交叉”是指知识域内（或知识域间）的知识点之间存在共同的思维模式，这种思维模式属于隐性知识，它对认知起到决定性作用，直接影响认知效率和质量。然而基于演绎展开的知识谱系的学习，阻碍了隐性知识的学习并增加了知识学习的冗余。正是隐性知识的缺失，直接制约了认知能力和学习力的培养。
SITD 策略本质上填补了知识谱系的“归纳思维”维度，拓展了知识谱系的结构维度。其中向下的粗虚线箭头隐式耦合了两种基本的思维和认知形态，实现两种基本思维和认知形态的有机融合，填补“听得懂”和“不会做”之间的思维障碍和认知鸿沟，有效培养系统化思维能力。横向的虚线解决了“认知交叉”问题，将一维的显性知识拓展为二维的显性知识 + 隐性知识，填补了知识谱系的元认知能力培养缺失，并从根本上奠定了元认知能力培养的基础。向下的粗实线箭头表示拓展和迁移及创造，基于粗虚线箭头和横向虚线的综合应用，实现认知的阶提升，支持“融会贯通”及创造力培养。
1.2 教学意义
1.2.1 实现高阶认知的低阶化成本消耗
知识不是孤立的，存在相互联系，知识之间也共享了相同的思维模式，因此认知具有高阶特征。依据 SIDT 原理，认知过程稀释了认知的高阶性，或者平摊了认知的高阶性。因此， SIDT策略的教学意义之一在于实现认知的降阶，即mn → m。其中，m 表示隐性知识（依据抽象级别，本身具有高阶特征），n 表示显性知识。简单而言，就是简化了认知过程和降低学习难度，从而达到加速理解并提高学习效率和效果或质量（对应图1 横向虚线）。
1.2.2 培养系统化思维能力
SIDT 的本质在于有机地耦合了归纳思维模式与演绎思维模式，实现了认知过程的连贯性，其应用的最终效果会实现思维模式的融合。基于融合的思维模式，可以提高对问题的全局宏观认识视野及综合能力，自然地提升认知的阶度。也就是说，不仅对局部微观视图认识和全局宏观视图认识，而且对两者的关系进行认识。因此，SIDT 策略的教学意义之二在于实现系统化思维能力的培养（对应图 1 向下的虚线箭头）。
1.2.3 培养元认知能力
知识分为显性知识和隐性知识。依据建构主义学习理论，隐性知识相当于图式，应该是认知的最终目标，或者说是真正的知识，它在认知过程中起到决定性作用 [2-3]。事实上，显性知识除了作为应用常识并服务应用外，主要承载面向隐性知识培养过程所需思维案例的隐式功能。隐性知识对认知的决定性作用本质上提升了知识的阶度，可以高效映射到相似新问题的处理。伴随着新问题的处理，图式会发生同化和顺应，会对图式进行拓展和扩展，从而形成一个良性的认知螺旋循环。因此，在融合思维基础上， SIDT 策略的教学意义之三在于可以转变学生的认知思维方式，培养其元认知能力（对应图 1 横向虚线和向下粗实线箭头的综合）。
1.2.4 培养兴趣驱动的自主性和内驱力
SIDT 策略的应用会带来连续进阶性问题和情景驱动，伴随着教学活动的展开，这些问题和情景会激发学生的兴趣及探索欲望（对应图 1 右半向上的细线箭头）。基于心理学知识，自我表现及个性展示正是学生时期的主要行为特征，因此，探索欲望会加强学习的兴趣和好奇心，进而激发想象力；同时，在教学设计中配合构建迁移并给出拓展性问题（对应图 1 向下的粗实线箭头），可以进一步培养学生自主学习及研讨，自然地培养学生的内驱力，进一步加强想象力的培养。
基于 SIDT 策略，可以构建一种全新的教学方法和模式，实现应有的教学目标。SIDT 策略可以为新工科教学应用建立相应参考理论，直接有效指导新工科教学应用的实践及发展。
2 应用案例及解析
SIDT 策略的具体应用就是将 SIDT 策略投影到具体课程的教学应用实践，其基本过程包括解构和重构 [4-5]。解构是指对基于演绎思维的现有具体课程知识体系进行分解，重构是指依据SITD 原理、基于归纳思维重新组织具体课程的知识体系。显然， SIDT 策略应用的核心和关键在于重构。相对于解构，重构对教师自身的认知具有较高的要求，该问题可以通过教学五要素之教材要素进行处理，即通过基于 SIDT 策略具体应用的教材来间接驱动教学过程的 SIDT 策略具体应用。
以普通高校计算机相关专业第一门专业基础课程序设计课程为例，摘取其中两个知识域，解析其 SIDT 策略的具体应用方法。
2.1 数据组织基础方法构建及其应用知识域
针对该部分知识，现有教材及其延伸的教学设计普遍采用演绎思维构建其知识体系，依据数据类型、常量及变量、数组、结构体与指针等知识构建相关章节，并在其中进一步交叉穿插运算符及表达式、分支语句、循环语句等有关数据处理方法及应用的知识章节。此种教材体系及其带来的教学设计及应用割裂了知识之间的思维联系，导致知识碎片和孤岛，并且在此基础上进一步放弃了隐性知识的教学，如方法构建的思维演化、方法与其应用的多阶思维升华、基于方法的创造能力等，从而也就放弃了思维和认知能力的培养，仅仅停留在知识记忆层面。
事实上，程序语言作为一种描述和表达工具，其各种机制的设置是为了支持程序构造的方法及范型，因此，程序设计课程的知识体系及教学应该围绕程序构造方法及范型展开。程序构造方法及范型的发展本身就是归纳式思维的具现，它从抽象的角度，首先将自然界一切待处理对象统称为数据，考虑到处理对象的多样性，进一步引入数据类型概念用于确定相应的表达范围及运算特征；其次，在此基础上，考虑一个数据的表达方法；再次，考虑多个数据之间的关系，以实现多个数据的表达方法；最后，构建针对程序设计数据组织的通用基础方法 [5-7]。因此，针对程序设计数据组织知识域， SIDT 策略具体应用如图 2 所示。
图 2 中，通过解构，围绕方法建立、方法应用及方法拓展创造应用 3 个思维层次，对现有教材的对应知识点进行了重构，突出了思维层次之间的自然拓展关系。针对每个思维层次和每个阶段，通过设置问题和建构辅助认知情景，以“方法及范型”为主线，通过讲故事形式构建其教学设计。伴随着故事的展开，自然融入各种语言机制。如此，既激发学习兴趣和探索欲望，也解析了各种语言机制设置的目的和原由，从而达到培养思维能力和元认知能力的教学目标。最后，在归纳思维基础上，通过演绎思维的叠加综合，达到“豁然开朗”的顿悟及“融会贯通”的认知效果，提高对该知识域的创新应用能力。经作者所在单位多届学生的教学应用实践，该教学方法取得较好的教学效果，相对于其他平行教学班，学生的求知兴趣得到有效激发，自主研学能力得到加强，学生分小组进行 PK，基于该知识域的学习，创新设计出自己梦想的复杂数据组织结构并实现。
2.2 数据处理基础方法构建及其应用知识域
程序设计数据处理知识域的方法构建以数据组织知识域为基础，首先将数据（基于数据组织基础方法及其应用得到的所有数据组织结构实例，从本质上都可以看做是单个数据）的内涵从直接的形态（即不需要加工），通过引入基本的预定义确定型数据处理（即运算符），拓展为“函”数（即通过处理得到的数据，也就是表达式结果）；其次，在此基础上考虑一个最小子集基本处理的表达方法；再次，考虑多个基本处理表达方法之间的一阶关系，构建出相对完整的基本处理表达方法；接着，进一步考虑基本表达方法之间的二阶关系；最后，构建针对程序设计数据处理的通用基础方法 [5-7]。
图 3 给出了针对程序设计数据处理知识域的 SIDT 策略具体应用。图 3 中，基本处理的表达方法，即基本语句，其构建经历两个阶度。其中，流程控制语句本身比较特殊，它实现了阶的提升，从而将线性逻辑控制拓展到非线性逻辑控制，奠定了数据处理基础方法构建的基础。基于图 3 的教学设计及应用实践，在学校连续多届本科教学中，取得较好效果，通过课堂研讨、课外创新设计及 SRTP项目的实施，学生可以分析及评价语言机制的优劣，从而提高认知的质量。
3 结 语
SIDT 策略的本质在于回归认知的自然直接演化过程，可以将离散的松耦合知识重构为连续的紧耦合知识，突出思维的联系和系统化，实现显性知识到隐性知识的拓展。正是这种拓展降低了认知的负荷，提高了认知的效率和质量。经作者所在学校的教学应用实践，采用 SIDT 策略的班级，对程序设计基础及语言课程的学习时间降低了约 20%，课外创新应用能力显著提高，说明学生相应的认知图式能够基本建立。下一步的工作可以与建构主义学习理论进行融合，研究并设计与各个阶段配套的问题和情景建构案例集，建立较为完整的教学资源。对于新工科的教学研究及发展， SIDT 策略可以为之提供相应的理论基础及有效的实践指导，实现事半功倍的学习效果并提升学生的认知质量和认知能力。
参考文献：
[1] Yuan M, Shen J. Research on a new knowledge model in network teaching [C]. International Conference on Artificial Intelligence and Computer Science (AICS). Guilin, 2016.
[2] Huang Y, Shen J. An implicit knowledge oriented algorithm for learning path recommendation[C]. 3rd International Conference on Computational Intelligence and Applications(ICCIA), 2018.
[3] Xu M, Shen J. Cognitive ability evaluation model for network teaching[C]. 4th International Conference on Big Data and Computing, 2019.
[4] 沈军. 转“间接理解”为“直接理解” : 计算机网络课程的一种教学策略[J]. 计算机教育, 2010(23): 101-104.
[5] 沈军. 基于计算思维的大学程序设计课程教材建设新思路[J]. 计算机教育, 2019(7): 29-32.
[6] 沈军. 计算思维之程序设计（C++描述） [M]. 南京: 东南大学出版社, 2018.
[7] 沈军. 计算思维之快乐编程（初级·C++描述） [M]. 南京: 东南大学出版社, 2019.
作者简介：沈军，男，东南大学教授，研究方向为计算机网络技术及应用、认知计算及网络教学，junshen@seu.edu.cn。
引文格式：沈 军. SITD 策略在程序设计课程教学中的应用[J].计算机教育,2022(11):123-127.
转自：“计算机教育”微信公众号
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