傅騫解 博超 鄭婭峰

[摘? ?要] 計算思維已經成為中小學信息技術課程中核心素養(yǎng)涵蓋的重要組成部分。基于編程工具培養(yǎng)中學生計算思維作為一種重要的教學手段得到了學術界的廣泛認可。近幾年來，圖形化編程工具不斷涌現，并大量進入K12教育階段的課堂中。然而，使用圖形化編程工具是否能夠更好地提升學生的計算思維還有待通過實證研究進行驗證。為此，研究通過對45名初中學生進行為期16個學時的教學實驗，探究基于圖形化編程工具和文本編程工具兩種不同教學工具對計算思維培養(yǎng)的影響及其差異。研究結果表明，較之于傳統文本編程環(huán)境，采用圖形化編程工具的學生計算思維能力提升更為明顯，并能夠完成更為復雜的創(chuàng)意作品。這一研究發(fā)現將為中小學階段采用圖形化工具開展編程教育，培養(yǎng)計算思維能力提供有效的實踐指導。

[關鍵詞] 計算思維; 圖形化編程; 問題解決能力; 編程教育

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

一、引? ?言

計算思維是人類經濟和社會發(fā)展的一種基本思維方式[1]，是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[2]。信息時代，計算思維已成為個體在復雜的技術文化中獲得成功應具備的基本技能[3]。研究指出，計算思維與學生的創(chuàng)造力、批判性思維、問題解決等諸多技能高度相關[4]。因此，培養(yǎng)計算思維有助于提高學生信息技術知識與技能，培養(yǎng)學生跨學科綜合問題解決能力[5]。

當前，我國教育領域的計算思維研究與培養(yǎng)還處于初級階段，主要對計算思維的特征、內涵、價值等進行理論探討，并且多集中在高等教育領域[6]。國外研究則多在K12階段通過引入計算工具，采用游戲化或情境化教學方式，在活動中融入計算思維思想來輔助學生的知識學習和問題解決，從而達到培養(yǎng)學生計算思維的目的[6]。而在諸多提升計算思維的手段中，編程教育以其特有的邏輯思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的潛能被國際教育界廣泛研究。

我國研究者隨之也逐步重視基于編程教育對計算思維的能力培養(yǎng)，開展編程教育成為培養(yǎng)學生計算思維的重要手段[7]。尤其近幾年我國政府大力倡導創(chuàng)客教育、STEM教育等新型教育模式，使得作為主力軍的編程教育在中小學階段廣泛開展[8]，圖形化編程工具不斷涌現，并成為中小學生編程教育的主要載體。諸多研究表明，圖形化編程工具在降低學生認知負荷、提升學習興趣以及提高編程思維等方面具有明顯優(yōu)勢，更適合中小學生的認知水平[5，9]。然而，編程教育作為計算思維培養(yǎng)的重要載體，雖然其有效性已經得到了諸多學術文章基于理論上的推演，但較少采用實證研究的方式檢驗。同時，尚未發(fā)現有研究者嘗試比較圖形化編程工具與傳統文本編程工具對中小學生計算思維的提升作用。

因此，本文通過開展使用圖形化編程工具和文本編程工具的編程教學，嘗試對比二者在提升學生計算思維能力上的表現是否有顯著差異。研究通過對初中學生開展為期16個學時的準實驗研究，采用計算思維測試題、量表等工具對學生的計算思維進行更細維度的考察，探究基于圖形化編程和文本編程工具在計算思維培養(yǎng)上的差異。同時，基于研究結果，給出具體的建議，為一線教學及計算思維研究的開展提供思路和借鑒。

二、文獻綜述

（一）計算思維培養(yǎng)

計算思維是一種解決問題的思維過程，指能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理（機器或人）所能有效執(zhí)行的方式表述出來[2]。開展計算思維教育有助于提高學生信息技術知識與技能， 培養(yǎng)學生跨學科、綜合應用學科知識解決問題的能力， 提高學生的內驅力和創(chuàng)新力[5]。

各國政府及教育界都對中小學階段計算思維能力的培養(yǎng)給予了極大的重視。其中，英國于2014年9月推行了以培養(yǎng)計算思維能力為目標的計算機課程，美國于2014年將發(fā)展學生計算思維能力列入了高中計算機科學概論課程目標，我國在2017年公布的《普通高中信息技術課程標準》中也明確將“計算思維”素養(yǎng)的培養(yǎng)列入課程的核心素養(yǎng)。

與此同時，國內外大量研究者開展了對于K-12階段計算思維培養(yǎng)的多維度探索。國外研究者在計算思維的相關探索中，較多地嘗試將計算思維培養(yǎng)融入中小學的多學科教學中。如Swanson等人經研究發(fā)現，具有豐富計算環(huán)境的生物課程對高中學生的模型識別能力有較好的培養(yǎng)效果[10];Wolz等人則通過與語言、藝術、數學、技術等學科教師的合作，將計算思維培養(yǎng)融入中學生交互式雜志設計項目中[11];Sengupta等人提出將計算思維融合到中小學科學課程中，強調通過對建模和模擬的支持培養(yǎng)學生的計算思維，幫助中學生學習物理和生物，并通過實證研究來證明學習環(huán)境的有效性[12]。與國外研究者側重學科融合不同，國內研究者更側重將計算思維與PBL、協作學習、游戲教學等不同教學法結合，設計融入計算思維的教學案例或教育游戲[13]。如生詩蕊構建了基于PBL的計算思維培養(yǎng)模型[14];葛明珠將計算思維的教學理念與協作學習模式相結合，構建了CLMCT（Collaborative Learning Model Based on Computational Thinking）教學模型[15];張立國等通過對計算思維不同概念界定的特征分析，提出了基于游戲化理念、問題解決理念、可視化理念的計算思維培養(yǎng)教學策略[16]。

從這些研究可以看出，我國研究者當前關注的重點為構建能夠有效培養(yǎng)計算思維的教學模式，通過以計算思維能力培養(yǎng)為核心的教學目標，嘗試將多種不同的思維方法融合到具體的、多樣的教學過程中，使得學生在多樣的學習過程中獲得計算思維的能力。

（二）基于編程教育的計算思維培養(yǎng)

計算思維能力的本質是將復雜的問題通過計算信息處理的方式進行表達的一種能力，因此，大量研究者將編程教育和基于技術支持的產品相結合，開展了對計算思維技能培養(yǎng)的研究[6]。這些研究表明，編程教育是較為有效地促進計算思維能力提升的途徑。

伴隨技術領域的不斷發(fā)展，中小學編程教育領域所使用的編程工具也從基于文本的傳統形式發(fā)展到目前基于塊的圖形化編程形式[17]，如Scratch、APP Inventor、Mixly等工具被K12教育領域廣泛接受。研究表明，圖形化編程能夠提供更為靈活的學習過程，從而幫助學生在學習過程中保持其創(chuàng)造力[18]。國內不同研究者也嘗試開展基于圖形化工具編程的計算思維培養(yǎng)探索。如趙蘭蘭開展了使用Scratch提升小學生計算思維能力的研究，通過分析不同類型代碼塊的個數證明圖形化編程提升了學生的計算思維能力[19];寧可為針對初中信息技術課程特點，利用編程工具App Invertor開展課堂教學，發(fā)現學生的計算思維能力及學習興趣得到明顯提升[20]。

盡管編程教育對計算思維的重要性已經得到認同，然而在這一領域開展的實驗研究仍顯不足。Lye等人在其調查研究中就指出，基于編程的計算思維培養(yǎng)的研究更多地體現在概念解釋、文獻綜述，而缺乏實證的研究[21]。另外，計算思維是一個綜合的能力，包含創(chuàng)造、邏輯、抽象、算法、問題解決、綜合、調試等多個維度[18]。雖然一些研究表明圖形化編程可以有效培養(yǎng)計算思維、促進問題解決，然而其與文本編程在培養(yǎng)計算思維更細維度上的差異，以及是否存在教學缺陷等相關實證研究還非常少。因而，本研究通過圖形化工具與文本編輯工具教學的對比，探索使用圖形化編程工具學習編程對初中生計算思維能力提升的影響。

三、研究設計

（一）研究對象

研究對象為公開招募的45名初中學生，來自北京地區(qū)多所中學，平均年齡為13歲。本研究采用準實驗法，根據學生的年級、性別及是否學過程序設計進行隨機分組。22名學生為實驗組，采用圖形化編程工具教學;23名學生為控制組，采用文本編程工具教學。兩組學生使用相同的教學方案。所有學生都能夠熟練操作計算機。實驗結束后，共回收有效數據39份，其中實驗組回收18份，控制組回收21份，其余被試的數據因未能完成測試或完整參加整個教學環(huán)節(jié)而被舍棄。

（二）研究工具

實驗采用研究者自編的計算思維試卷（A、B卷）作為測量工具進行前后測，試卷中的試題全部選自2015和2016年《Bebras國際計算思維挑戰(zhàn)賽試題冊》，因而試題具有良好的區(qū)分度。為進一步刻畫計算思維，研究選用Selby等人于2013年提出的標準，將計算思維水平進一步分解為抽象、算法思想、分解、評估和泛化這五個層面[22]。因此，A、B兩套試卷各包含6道涉及思維能力的情景題目，所選每道試題均覆蓋抽象思維、分解思維、算法思維、評估思維和泛化思維五個思維層面中的兩個或兩個以上，題目示例如圖1所示。

在編程工具的選擇上，實驗組使用Mixly for microPython，該工具是由北京師范大學米思齊團隊開發(fā)的基于塊的圖形化編程工具。工具將編程代碼“包裝”為可拖拽的塊，學生通過拖拽、拼接圖形塊的方式編寫程序?？刂平M采用Python Editor文本編輯工具（Mu），該工具提供了自動縮進、自動補全、語法檢查等功能，降低了初學者發(fā)生格式和拼寫錯誤的可能性。兩組均使用micro：bit作為編程教學的硬件載體。Micro：bit 是一款ARM 架構的單片機，集成5×5 LED點陣、按鈕、無線、加速度計和電子羅盤等，主要用于青少年編程教育，對于入門者而言是較易上手的編程硬件。

（三）實驗流程

實驗流程主要分為計算思維前測、教學階段、創(chuàng)意作品設計、計算思維后測四個階段。

前測階段：在正式課程開始前，實驗組和控制組的學生作答計算思維試卷A卷，時間為30分鐘。該階段的目的是測量兩組學生初始的計算思維水平是否相當。

教學階段：實驗組和控制組的學生分別參與16課時，每兩個課時完成一個教學單元，兩組均采用任務驅動的教學模式，由同一名教師授課;講授內容相同，涵蓋程序設計基礎知識和Micro：bit板載無線等電子元件的控制知識。

創(chuàng)意作品設計：實驗組和控制組的學生自選主題，編寫程序完成一個創(chuàng)意電子作品，時間為80分鐘（2學時）。

后測階段：實驗組和控制組的學生作答計算思維試卷B卷，時間為30分鐘。

四、研究結果

（一）實驗組和對照組計算思維前后測結果比較

為研究實驗前后學生計算思維水平的變化，分別對兩組學生計算思維水平的前后測進行分析。對于小樣本研究，異常值的影響尤其顯著，因此，需檢驗數據中的異常值。實驗組計算思維前后測差值正態(tài)檢驗顯著性水平低于0.05，數據不服從正態(tài)分布，因此，使用Wilcoxon符號秩檢驗分析實驗組計算思維前后測的差異，數據分析見表1。控制組計算思維前后測差值正態(tài)檢驗顯著性水平均高于0.05，認為數據服從正態(tài)分布，使用配對樣本T檢驗分析前后測的差異，數據分析結果見表2。數據結果表明，Wilcoxon符號秩檢驗分析的顯著性水平（p = 0.001）和配對樣本T檢驗的顯著性水平（p = 0.009）均低于0.05，表明實驗后實驗組和控制組的計算思維水平較實驗前均有顯著提高。說明無論采用圖形化編程還是文本編程，學生經過16學時的學習后，計算思維都有較為明顯的提升。

（二）兩組學生學業(yè)水平后測結果比較

本研究項目的學業(yè)水平包含計算思維水平及創(chuàng)意電子作品質量兩個緯度。為研究兩組學生在編程學習前后計算思維水平是否均有提升，研究使用SPSS分別對兩組學生計算思維測試題（A、B卷）的數據進行統計分析，分別比較兩組在前后測的表現是否存在差異。

本研究將被試分為初始能力相當的兩組樣本，采取不同的干預手段，得到兩個相互獨立的實驗樣本。由于樣本容量均小于30，屬于獨立小樣本，因此，采用Shapiro-Wilk Test進行正態(tài)檢驗，顯著性水平均大于0.05，表明實驗組及控制組數據呈現正態(tài)分布。采用Levene Test進行方差齊性檢驗，顯著性水平均大于0.05，表明各組方差沒有顯著性差異。因此，可以采用獨立樣本T檢驗對前測數據進行分析，結果見表3;可以采用單因素方差分析對后測數據進行分析，結果見表4。

前測獨立樣本T檢驗結果表明，實驗前實驗組和控制組學生在計算思維水平上沒有顯著差異（T = 1.58， p = 0.123）;而后測單因素方差分析結果表明，實驗后實驗組和控制組在計算思維水平（F = 15.35， p < 0.05， η2 = 0.41）以及創(chuàng)意電子作品表現（F = 8.69， p < 0.05， η2 = 0.44）上均存在顯著性差異，并且實驗組的數據顯著高于控制組。數據結果表明，實驗前兩組的計算思維水平相當;而從后測得分以及創(chuàng)意電子作品得分看，實驗組的表現明顯優(yōu)于控制組。

（三）實驗組與控制組創(chuàng)意電子作品中計算思維五維度差異對比分析

為研究實驗后實驗組和控制組學生的創(chuàng)意電子作品在計算思維的五個維度上水平是否有差異，將每個創(chuàng)意電子作品覆蓋的條目所對應的計算思維概念進行計數，并對計數結果進行描述性統計，見表5。

五個維度上的Wilcoxon檢驗結果

數據結果顯示，實驗組和控制組學生的創(chuàng)意電子作品在計算思維五個維度中的算法思想（Z = 2.042， p < 0.05）和評估（Z = 2.784， p < 0.01）這兩個維度上出現了顯著性差異，且實驗組得分高于控制組。其他三個維度雖未出現顯著性差異，但從平均分上看，實驗組均高于控制組。

（四）創(chuàng)意電子作品得分與計算思維后測得分的相關分析

單純使用一種測評方式很容易導致研究者對學生計算思維能力發(fā)展的理解出現偏差，因此，本研究通過計算創(chuàng)意電子作品得分與計算思維試題得分的一致性，探究計算思維得分與學生創(chuàng)意電子作品的表現是否相關。數據結果顯示，創(chuàng)意電子作品得分和計算思維試題后測得分在0.01水平上存在顯著的相關關系，相關系數為0.454，見表7。

五、討? ?論

（一）圖形化編程能夠促進初中生計算思維能力培養(yǎng)

在當前的研究中，通過采用實證研究的方法對比不同編程工具對于初中生計算思維能力的影響。數據結果表明，基于編程教育的教學方式可以有效提升學生的編程思維能力。這也與先前的研究所獲得的結果較為一致[21]。更進一步，數據結果表明，與文本編程相比較，采用圖形化編程工具的教學無論在計算思維能力提升還是學生最終的創(chuàng)意作品質量表現上都存在顯著性差異。這一結果也說明，對于初中生而言，采用更易于理解的圖形化編程工具可以有效降低復雜代碼編寫所帶來的認知難度，從而使得學生的注意力更關注于問題解決本身，最終使得基于圖形化編程的教學更有助于提升學生的計算思維能力，以及更容易完成更為復雜的創(chuàng)意作品。進一步探討其深層次的原因，這是因為傳統文本編程語言雖然具有與計算機思維極其相似的表示形式，但其晦澀的語法、關鍵字拼寫等細節(jié)常常加重了學生的認知負荷，使得學生產生畏難情緒。而圖形化編程工具可以有效減輕學生的認知負荷，讓學生“專注于編程所涉及的邏輯和結構，而不用擔心編寫程序的機制”[23]。同樣地，在Weintrop等人的研究中也發(fā)現，使用圖形化編程的學生會表現出更強烈的學習欲望、更高的學習興趣以及對未來學習更復雜內容的期待[24]。因而使用圖形化編程工具編程的學員獲得了更大的計算思維能力提升。

（二）圖形化編程工具更有助于學生完成高質量的創(chuàng)意作品

創(chuàng)意作品作為課程最終作業(yè)的評估，是對學生綜合運用所學知識解決復雜問題的一個考察，也體現了學生對計算思維能力、問題解決能力等的具體實踐應用。在本研究中，教師分別給兩個組80分鐘的時間完成創(chuàng)意電子作品的設計與開發(fā)。采用圖形化編程工具的實驗組平均用時為48分鐘，而采用文本編程工具的控制組在80分鐘時僅有不到一半的學生完成了程序的編寫。兩組在用時上的差異與Garner等人的研究結果[25]相似。同時，統計結果也表明，實驗組與控制組在創(chuàng)意作品質量上存在顯著差異，實驗組平均成績遠高于控制組。通過觀察及課后訪談，這一情況的出現可能存在的原因如下：第一，使用文本編輯工具時頻繁的報錯和調試使得學生只能拼湊代碼從而使得作品本身不夠完整。如在訪談中，控制組的李同學說：“為了幫助我們獨立完成創(chuàng)意電子作品，教師在上課過程中特意教給了我們一些很實用的調試技巧。然而在實際編程的過程中，調試一些因為粗心而產生的低級錯誤會讓我分心，有時候就忘了接下來該做什么了。”第二，圖形化編程工具有助于學生將復雜的任務分解為更小、更易實現且更為明確的內部邏輯塊。這也與Maloney的實驗結論相一致。Maloney在其研究中表明，圖形化編程中的模塊化可以降低學生發(fā)生語法錯誤的可能性，使得學生更關注于問題本身，而非不斷地與程序是否能編譯通過“做斗爭”[26]。更進一步，實驗組使用了更為豐富的功能塊，任務復雜度和完成性都更好，并且部分學生開始嘗試使用更為優(yōu)化的邏輯完成作品。這也說明，實驗組的學生已經開始有意識地評估自己的代碼，這也與數據結果顯示基于圖形化編程的實驗組所表現的算法思想和評估這兩個維度上都與控制組出現了顯著性差異相一致。

（三）高水平的計算思維有助于學生完成高質量的創(chuàng)意作品

數據分析表明，創(chuàng)意電子作品得分和計算思維試題后測得分呈現顯著差異。這一結果說明，具有較高計算思維能力的學生能夠完成更復雜的創(chuàng)意電子作品。統計結果表明，在創(chuàng)意電子作品中，學生對于變量和功能的使用，實驗組均多于控制組，說明實驗組程序的復雜度比控制組要高。這一發(fā)現也進一步印證，計算思維作為綜合能力的表現體現了學生的邏輯思維能力、抽象能力、算法思維、問題解決能力等[18]，可以被擴展為有利的技術方法，降低學生完成創(chuàng)新作品的門檻。因而，在目前的中小學編程教育課程中，應該將計算思維能力的培養(yǎng)作為核心目標，貫穿于課程教學的整個環(huán)節(jié)。研究同時表明，在中小學編程教育的初級階段，引入圖形化編程工具將有效提升計算思維培養(yǎng)的效率，從而使學生獲得更好的學習體驗和成果。然而值得注意的是，圖形化編程工具作為初學者編程教學中的一個腳手架，不能做到像文本編程工具一樣強大。因此，在教學中，待學生掌握了基本的編程知識且認知水平達到一定層次時，應慢慢撤去這個腳手架，過渡到文本編程環(huán)境中。同時，過于依賴工具而缺乏獨立思考，反而會阻礙計算思維的發(fā)展，特別是抽象、泛化等能力的形成。

六、結論與展望

本研究開展了初中生采用不同編程工具培養(yǎng)計算思維能力的實驗研究。結果表明，使用圖形化編程工具和文本編程工具開展創(chuàng)意電子設計課程均可以提高初中生的計算思維水平，且使用圖形化編程工具提升效果更為明顯。同時，高水平的計算思維可以幫助學生完成更高質量的創(chuàng)意作品。這一研究發(fā)現將為中小學階段采用圖形化工具開展編程教育課程提供有力的證據支撐。

然而，由于時間和樣本所限，項目研究還存在一定的局限性。在未來的研究中，可以采用每周1～2學時的間斷授課方式，進行常態(tài)課堂的整班教學，從而明確圖形化編程工具在真實教學場景下的效果。同時，由于圖形化編程工具本身也有其局限性，學生進入高中階段最終還是要學習文本編程。因而，在編程教育中，何時從圖形化編程過渡到文本編程以及如何使學生將學習圖形化編程的經驗遷移到文本編程學習中，也是值得研究的問題。

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