去年，学习如何编写程序，或者至少如何“思考计算”，已经引起了全国的关注。 去年9月，纽约市市长比尔·德布拉西奥（Bill de Blasio）宣布，到2025年，纽约市的所有公立学校都必须向所有学生提供计算机科学。1月，白宫发布了“全民计算机科学”计划，“ 为每位学生提供“动手实践的计算机科学和数学课程，使他们在第一天就可以上班了” （奥巴马总统，2016年国情咨文）。
麻省理工学院，斯坦福大学，伯克利大学和华盛顿大学等学校已经扩展，可在一个编程班上容纳数百或数千名学生。 在Codecademy，Kahn Academy和Code School之类的教程网站上进行更多更完整的练习，或者在General Assembly和Hackbright Academy之类的编码学校和训练营中注册。 一对一补习被认为是教育的黄金标准，师生比例只会越来越差。
随着我们开发新的工具，技术和课程来服务于这批即将来临的学生，重要的是要扎根或至少了解教育心理学的研究人员数十年来所做的工作：分清所需要的东西学习有效和良好的东西。
课堂内外有许多因素对学习有重要影响，但我们无法考虑的因素，例如，同龄人群体和家庭环境（有关影响程度的更多信息，请参阅Walberg）。 关于发展可持续实践社区的完整文献，可以促进学生的发展和掌握，这与传统柔道柔道的运作方式非常相似。 关于身份形成如何能够帮助萌芽的专家在学习环境中坚持和发展的工作也很出色。 要对这两种与工程教育有关的文献进行高水平的处理，请阅读此从业人员简要手册：学习教育理论：工程教育学者的非正式指南。
但是，我将专注于一些理论和概念，这些理论和概念将特别帮助教师发展更有效的信息表达和练习实践。 这种来自教育心理学的思想，技巧和基准的简短清单指导了我自己的工具开发，这些工具可用于教师一次教授成千上万的编程学生。
黄金标准
1984年，本杰明·布鲁姆（Benjamin Bloom）教授发表了他的实验室收集的一系列证据，证实了这种做法的优越性，从而使人认为最好的私人导师是最好的。 他的研究生发现，在只进行了11次概率或制图学指导的情况下，按常规的30个学生班级进行辅导的小学生和中学生，以一到三个学生为一组，平均比后生好两个标准差 。 本杰明·布鲁姆（Benjamin Bloom）教授向学术界提出挑战，希望找到一种与一对一辅导一样好的集体指导方法。 三十多年前发出的这一挑战仍然是现代系统和技术可与之相对比的基准。
一对一辅导实践
导师在做什么使他们如此有效？ 伍德（Wood）和坦纳（Tanner）总结了我们目前对将受辅导的学生推向自己的位置的机制的了解，该水平比传统授课的同伴高两个标准差。 有效的辅导员通常具有Lepper和Wolverton的INSPIRE模型的许多特征（在此表中进行了概述）：出色的领域和教学内容知识，培育和鼓励与学生的关系，苏格拉底风格提示学生进行解释和概括，逐步提供内容，以及对解决方案的反馈不是学生。 一种见解很突出：自我解释对促进学生学习的价值。
自我解释
有效的补习会引起自我解释，这是学生为自己产生的解释（Chi et al.’94）。 这些自我解释促进了新知识的整合。 辅导老师的学生通过提出诸如“为什么？”和“如何？”之类的提示性问题来促进自我解释，其学习成果类似于辅导老师提供解释，反馈和更多信息的学生（Chi等人，’01）
故意练习
K. Anders Ericsson教授是学习者如何有效学习特定领域知识和技能（例如成为有效程序员所必需的知识）的最重要专家之一。 基于他的工作，马尔科姆·格拉德威尔（Malcolm Gladwell）在他的书《离群值》中推广了“ 10,000小时规则”。 但是，如果您问爱立信（像《狂热经济学》的主持人那样），格拉德韦尔就简化了太多。 一万小时或十年是达到专家水平所需要花费的时间的标准，因为学生是“故意”练习的。
一般认为，有针对性的练习是针对目标的，努力的，不愉快的，重复的，伴随着快速的反馈，并且只有在学习者可以完全专注于任务的情况下（即，不超过几个小时），这种持续性才能持续（故意练习） 。 例如，一个有抱负的职业球员可能不只是在附近打篮球，而是设计特定的练习来解决他/她的缺点。 老师可以帮助进行有意识的练习，因为他们可以设计适当的练习并提供反馈，直到学生可以区分好成绩和差表现并将其反馈给自己。
最近在大型教室中结合故意实践的工作已显示出巨大的好处。 最近对大学物理教室的研究发现，以有意识的实践作为教学设计的基础，改进可以达到并超过Bloom的2σ阈值。
近端发展和脚手架区
近端发育区或ZPD的概念最早是在1920年代中期由苏联心理学家列夫·维果茨基（Lev Vygotsky）提出的。 它指的是学习者在没有帮助的情况下可以做什么与学习者仍然不能做的事情之间的差距，无论他们得到了多少帮助。 这意味着严格在ZPD之外进行学习的对象要么太容易要么太难，几乎不会发生学习。
大约五十年后，伍德等人。 介绍了一种称为脚手架的补充工艺。 脚手架使学习者能够“解决问题，执行任务或达成目标，否则将超出他的无助努力”，因为老师控制了最初超出学习者能力的方面。 最近的工作表明，最大的学习收益来自于在脚手架的帮助下使学生能够完成的最艰巨的任务。
超越思维方式的辅导
导师及其学生的研究有助于我们确定互动的特征和风格，从而有助于解释补习的有效性。 其中一些可以成功部署在大型教室中。 但是，我们设计内容的方式也会对学生如何理解，归纳和将其学习转移到新环境中产生很大影响。
变异
学习对象的具体示例（例如如何在统计字问题中应用适当的统计测试）以表面的（例如无关紧要的）和基础的（例如相关的）方式变化。 用教育心理学家的语言，这些通常称为表面和结构特征。 （有关此挑战的详细信息，请参阅Quilici和Mayer的研究。）在解决方程式（Rittle-Johnson和Star）或在谈判中研究案例研究（Loewenstein等人）时，进行简单的比较和对比练习可以使这种变化脱颖而出，并产生收益。学习的好处。
在这些功能存在差异的情况下进行学习有助于学习者将其知识概括并转移到新的情况下，例如更好地转移解决几何问题的技能（实践的可变性）。 几种教育模型，例如变异理论和4C / ID模型，通过建议在教室中如何部署变异性的具体方法，来建立变异性的价值。
类比学习
类比对于人类认知至关重要。 它们可以帮助学习者了解知识和技能，并将其转移到新的环境中。 当学习者拥有将其带到一个新目标的知识基础时，以及当他们比较两个可以相互照亮的部分被理解的情况时，类比学习就发挥了作用。既是信息的来源，又是信息的接受者（Kurtz等。 ，Loewenstein等）。 Kolodner建议创建可与示例对齐的软件工具，以促进类比学习。
但是，为了获得类比学习的全部好处，学习者必须深入参与。 在会话中连续读取两种情况是不够的； 除非有明确的比较说明，否则学习者不一定会建立必要的联系（Loewenstein等人，Catrambone和Holyoak）。
类比学习可能非常困难。 例如， 结构特征可以在基本情况和新的目标情况之间对齐，但是表面特征的巨大差异将损害学习者查看任何连接的能力（Kurtz等人）。 这可以用我们的记忆如何运作来解释。 看来，对于新手来说，最可靠的检索形式是基于表面相似度，而不是深层类比相似度。 专家可以更轻松地检索结构相似的情况，因此与手头的新情况更加相关（Loewenstein等人）。
接下来讨论的变异理论是专门设计用来帮助学生更深刻地理解结构特征的，这可以帮助他们将学习成果转移到新的情况中，而不是因表面差异而感到迷茫。
弗伦斯·马顿的变异理论
“他不会，英格兰知道，只有谁知道英国。”
这种格言在门铃罗（Mun Ling Lo）的著作《变异理论》和《教与学的改进》的前言中找到，很好地抓住了变异理论（VT）核心的思想。 VT是相对较新的技术，目前仍在研究其在众多学科（包括数学和计算机科学）中的用处。
VT关心通过具体示例教给学生的方式。 它断言，由于某些与机器学习算法相同的原因，人类学习会遭受过度拟合的困扰。 过度拟合是我从机器学习社区借来的一个术语。 如果机器学习算法“思考”猫和狗的照片之间的主要区别是天空的颜色（这显然与区分猫和狗的照片无关），那么可能的解释是该算法是在照片上训练的变化不足或有偏差。 如果它看到的所有猫照片都是在阴天拍摄的，而它看到的所有狗照片都是在晴天拍摄的，您能怪罪于这个幼稚的程序导致了这种明显的差异性吗？
如果没有足够多的学习对象实例，人类可能会犯同样的推理错误。 VT对变异模式进行了分类，旨在使学习者免受这种错误的影响。
更抽象地讲，VT是基于这样的理解，即无法辨别学习的目标是什么，就不可能进行学习（Marton和Booth）。 如果不经历学习对象及其所在世界的变化，就不可能进行辨别（Marton等人）。 从方面和特征 方面描述了这种变化。 方面是指变化的维度，特征是该变化的维度（Lo）的值。 某些功能无关紧要，而关键功能则共同定义了学习的对象。
有关变体的更具体讨论，请考虑以下示例：
- 除非读者已经与各种重量的物体进行了交互，否则“重物”一词对读者可能没有意义。
- 考虑一个孩子，他最近学会了如何加数字，但是总是以较大的数字开头： 2 + 1 = 3、4 + 2 = 6，依此类推。要求孩子以相反的顺序加数字，首先是较小的数字，然后是验证结果是否相同，引入加法的可交换特性。
- 不论杯子与典型的茶杯示例有多大差异，如果它不具有能够容纳某些东西的关键特征 ，那么它就不是杯子。
Marton等。 确定四种变化模式：对比，分离，概括和融合。 如果孩子正在学习“三个”的概念，那么对比就是指引入三个苹果，一对苹果或十几个苹果。 泛化是指被引入三个不同的组：三个苹果，三个狗，三个海滩和三种语言。 这说明，赋予“三个”含义的不是苹果。 分离是指帮助学习者将变化的一个维度与其他变化的一个维度分开的示例模式。 例如，可以将一个孩子引入一个几乎相同的幼犬窝中，这些幼犬只在外套颜色上有所不同。 融合是变化的最终模式，学习者可以立即获得沿变化的所有维度变化的示例，因为这是现实世界中最常见的情况。 这些变化方式旨在揭示概念或现象的哪些方面是肤浅的和不相关的，哪些是固有的且对其定义至关重要。
VT是指导教材的框架，并已在多种情况下用作分析框架，包括有关批判性阅读，词汇学习，光色，数学，化学，拉普拉斯变换，供求和计算机教育的课程。 这是香港政府为期三年的纵向研究的主题，取得了可喜的成果。 虽然我们还没有数据可以直接将VT启发式课程的效果与私人辅导员的课程进行比较，但编程老师在教授递归等概念时可以牢记“变分理论”。
包起来
学习是困难的，而且可能永远都是困难的。 学习编程也没有什么不同。 帮助学生掌握编程之类的赋能技能可能会非常令人满意。 但是，如果没有为教师和学生提供教学或创作工具，而他们没有从教育心理学和认知科学中扎实扎实的丰富文献基础，可能会使学习变得比以往更加困难。 更一般而言，无论您是指导工作中的新员工，还是在教室里堆满学生，还是在教孩子新技能，这些见解都可以帮助您分享人类的知识和技能。
