数据结构课程中用于解决结构不良设计问题的学习环境

《ACM Transactions on Computing Education》：Learning Environment for Ill-Structured Design Problem-Solving in a Data Structures Course

针对非结构化设计问题，Fathom技术增强学习环境通过外部表示、提问提示、示例和即时反馈，有效提升计算机工程本科生的问题解决技能，实验组显著优于传统教学对照组。

　　

摘要

设计问题往往结构不明确，因为需求定义较为宽泛且存在多种正确的解决方案。专家在正式制定规范和设计方案之前，会运用各种认知和元认知技能来解决这类问题。由于缺乏相关技能和经验，新手在解决结构不明确的设计问题时往往需要帮助，他们容易只关注系统的某个方面，从而导致设计不完整。我们旨在通过设计和开发一个技术辅助的学习环境Fathom来解决这一问题，帮助新手掌握解决结构不明确设计问题所需的技能。Fathom提供了认知和元认知支持，使学习者能够练习并反思这些关键技能。我们针对计算机科学与工程专业的大二学生进行了一个跨组实验研究。对照组接受了传统的课堂教学干预，包括提示和示例讲解；实验组则使用了Fathom，该工具整合了外部表示形式、问题提示、示例讲解以及即时反馈功能。定量和定性分析表明，实验组在问题解决能力和方法上明显优于对照组。研究结果表明，像Fathom这样的技术辅助学习环境能够有效促进本科生在计算机工程教育中解决结构不明确设计问题的能力发展。