韓雪婧 汪基德 王孝培

（河南大學 河南省教育信息化發(fā)展研究中心，河南 開封 475004）

引言

人工智能時代，編程教育作為培養(yǎng)學生邏輯思維、計算思維的重要途徑，成為新時代教育變革的“助推器”。國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，這說明中小學編程教育已上升到國家發(fā)展的戰(zhàn)略層面。近年來，編程教育引起社會各界的廣泛關注，不僅是因為技術的發(fā)展，更重要的是編程教育能夠培養(yǎng)學生解決問題能力、創(chuàng)造性思維等被視為應對21世紀挑戰(zhàn)的必備技能。可以說，中小學編程教育的重要價值已得到各界的普遍共識。

梳理已有文獻發(fā)現(xiàn)，目前針對中小學編程教育能否有助于提升學生學習效果這一核心問題，學界尚無統(tǒng)一結論。有研究者發(fā)現(xiàn)，中小學編程教育對于提升學生編程學習效果有顯著的積極影響[1][2]；也有研究者發(fā)現(xiàn)，開展中小學編程教育對于提升學生的編程學習效果無顯著的積極影響[3][4]。當前，已有的元分析研究主要以兒童（0～18歲）和在校學生（不包括碩/博研究生和成人教育學生）為對象進行探究，尚未有研究以中小學生為研究對象?；诖耍狙芯坎捎迷治龇椒?，嘗試針對中小學編程教育能否有助于提升學生學習效果這一問題進行分析探討，以期為我國中小學編程教育提供些許指導，為進一步促進編程教育發(fā)展貢獻力量。其中，主要回答以下問題：（1）中小學編程教育對學生編程學習效果有何影響？（2）不同調(diào)節(jié)變量（即編程工具、編程形式、學段、實驗周期和評價工具）對中小學生編程學習效果有何影響？

一、研究方法與過程

（一）文獻選取

本研究借助國內(nèi)外文獻數(shù)據(jù)庫檢索2010—2021年編程教育相關的文獻。中文文獻通過中國知網(wǎng)（CNKI）進行檢索，關鍵詞限定為“編程”“機器人”“計算思維”并含“實驗研究”“準實驗研究”“實證研究”；外文文獻通過Web of Science核心合集進行檢索，進行關鍵詞限定。隨后，將檢索得到的文獻條目保存于文獻管理軟件中，以便進一步剔除和篩選。

為確保研究結果的準確性和有效性，剔除重復性以及與主題不符的文獻后，對文獻展開進一步篩選。標準如下：（1）研究主題要與編程教育相關，且探討的內(nèi)容是編程對學生學習效果的影響；（2）研究對象為中小學生；（3）研究必須遵循實驗或準實驗設計；（4）研究必須呈現(xiàn)實驗組和對照組的樣本量、均值、標準差，或是統(tǒng)計檢驗的p值、t值等結果數(shù)據(jù)；（5）研究必須為期刊論文，排除會議論文、學位論文?；谝陨系奈墨I篩選工作，最終共有36篇文獻滿足元分析標準，其中國外33篇，國內(nèi)3篇，全部樣本文獻共包含68個效應值（部分文獻包含多個效應值）。

（二）文獻編碼

為便于后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，本文從所納入的文獻中提取了有關研究的作者、發(fā)表年份、樣本量等關鍵信息，并對編程工具、編程形式、學段、實驗周期、評價工具等調(diào)節(jié)變量進行編碼，以綜合剖析編程教育如何影響中小學生的學習效果。其中，編程工具被編碼為文本編程、圖形編程、實體編程、混合編程（即使用兩種及以上編程工具）；編程形式被分為獨立編程和協(xié)作編程；根據(jù)研究對象所在年級，將學段劃分為小學、初中、高中三個階段；根據(jù)實驗研究的持續(xù)周期，將實驗周期分為0～4周、5～12周、13～20周、21周及以上；評價工具被編碼為量表、測試題和編程任務。

（三）分析方法和工具

本研究借助元分析方法，采用平均標準差d作為效應值。研究工具選擇CMA 2.0元分析軟件，通過輸入各研究樣本的實驗數(shù)據(jù)，如樣本量、均值、標準差等，自動計算生成每個樣本的效應值，并據(jù)此進行顯著性差異分析。

二、研究結果

（一）發(fā)表偏倚與異質(zhì)性檢驗

為檢驗所納入的樣本是否存在發(fā)表偏倚，須對元分析結果進行偏倚檢驗。本研究結合漏斗圖和Egger’s檢驗對發(fā)表偏倚進行綜合評估。從漏斗圖中可以發(fā)現(xiàn)（如圖1所示），大部分效應值都落在漏斗圖的中部和上部有效區(qū)域，且較為對稱地散布在平均效應值的兩側，說明存在發(fā)表偏倚的可能性很小。此外，Egger’s檢驗結果顯示，Z＝1.19<1.96，p＝0.24>0.05，進一步表明所采集的文獻樣本不存在發(fā)表偏倚，數(shù)據(jù)分析結果可靠性較高。

圖1 發(fā)表偏倚檢測之漏斗圖

異質(zhì)性檢驗是為了評價所納入的獨立樣本的效應值是否具有可合并性[5]。通常采用Q檢驗和I2檢驗進行判斷。結果顯示，Q＝312.485，p＝0.000＜0.05，I2＝78.559%＞50%，說明本研究存在較高的異質(zhì)性，因此，為消除研究間的異質(zhì)性，應采用隨機效應模型對效應值進行分析。

（二）中小學編程教育對學生學習效果的整體影響

從中小學編程教育對學生學習效果的整體影響（見表1）可以發(fā)現(xiàn)，隨機效應模型的合并效應值為0.505，且達到了統(tǒng)計意義上的顯著水平（p＜0.001）。根據(jù)效應值劃分標準，若效應值d在0.2左右，認為影響程度較??；效應值d在0.5左右，認為影響程度處于中等水平；當效應值d>=0.8，認為影響程度較高[6]。由此可見，編程教育對中小學生的學習效果具有中等水平的顯著影響。這一結果說明，整體而言，在中小學開展編程教育對于學生學習有正向的促進作用，即一定程度上可以較好地促進學生的編程相關能力的提升。

表1 編程教育對學生學習效果的整體影響

（三）中小學編程教育對學生學習效果的具體影響

羅尼·謝勒（Ronny Scherer）等在總結梳理前人研究成果的基礎上，提出了中小學編程教育中所測量的認知能力類型[7]。基于此，結合對所提取原始文獻數(shù)據(jù)的梳理，本研究將編程教育的學習效果劃分為認知層面（包括計算思維、編程能力、推理能力、創(chuàng)造性思維以及數(shù)學能力等）和非認知層面（包括編程動機、編程態(tài)度、編程興趣、自我效能感等）兩個維度。

從表2中可以看出，中小學編程教育對學生認知能力發(fā)展影響的合并效應值為0.479，達到了顯著性影響水平（p＜0.001）。其中，對學生編程能力（d=0.561，p＜0.001）和計算思維（d=0.548，p＜0.001）均具有中等程度影響，且達到統(tǒng)計顯著水平。這說明編程教育能較好地促進學生的認知發(fā)展，尤其有利于培養(yǎng)學生編程能力和計算思維。此外，中小學編程教育對學生推理能力影響的效應值為0.374，p＜0.05，表明編程教育對于發(fā)展學生的推理能力有一定的促進作用，但影響水平較低。而在創(chuàng)造性思維和數(shù)學能力方面，編程教育表現(xiàn)出較小的影響水平，且不具有統(tǒng)計學意義。

表2 編程教育對不同學習效果的影響效果

表2中還顯示，中小學編程教育對學生非認知能力影響的合并效應值為0.580，達到了統(tǒng)計顯著水平（p＜0.001）。其中，編程興趣（d=1.018，p<0.001）與自我效能感（d=0.607，p<0.001）均具有較高程度的顯著影響，說明編程教育可以激發(fā)中小學生的編程興趣，增強學生對于完成編程學習活動的自我效能感。此外，編程態(tài)度的效應值為0.442，且達到統(tǒng)計顯著水平（p<0.001），說明編程教育對于中小學生編程態(tài)度具有中等偏下的促進作用。在編程動機方面，影響效果（d=0.242，p>0.05）較低且未達到顯著性水平。

（四）調(diào)節(jié)變量對中小學生編程學習效果的影響

1.編程工具對中小學生編程學習效果的影響

不同編程工具對學生編程學習的影響效果存在一定差異，如表3（見下頁）所示。文本編程的效應值為0.441，達到了統(tǒng)計顯著水平（p<0.001）。說明文本編程的應用對中小學生的編程學習有一定的積極作用，但影響水平處于中等偏下。此外，圖形編程（d=0.583，p<0.001）和實體編程（d=0.525，p<0.001）均具有中等程度的正向影響，說明采用圖形編程和實體編程能夠較好地促進學生編程學習。然而，混合編程的效應值為0.212，p=0.067>0.05。這表明混合編程的使用對中小學生編程學習的提升效果較低，且不具有統(tǒng)計學意義。

表3 不同調(diào)節(jié)變量對中小學生編程學習效果影響的效應檢驗

2.編程形式對中小學生編程學習效果的影響

在編程教育中，編程形式對中小學生學習效果也存在不同影響。從表3中可以看出，協(xié)作編程活動（d=0.585，p<0.001）具有中等的正向影響，且達到了統(tǒng)計顯著水平。這說明協(xié)作編程形式能夠有效地促進學生編程學習。相較而言，獨立編程（d=0.459，p<0.001）對學習效果具有中等偏下的影響水平，表明獨立編程形式對于提升學習效果還有一定的發(fā)展空間。

3.學段對中小學生編程學習效果的影響

由表3可知，按效應值大小依次是初中（d=0.682，p<0.001）、小學（d=0.502，p<0.001）、高中（d=0.364，p<0.001）?？梢钥闯觯踔泻托W階段的效應值均在0.5～0.8之間，說明編程教育對小學生和初中生的學習均具有中等偏上的促進作用，尤其有利于促進初中生的編程學習。在高中階段開展編程教育的效應值在0.3～0.5之間，且達到統(tǒng)計上的顯著水平。說明編程對高中生學習有一定的正向作用，但影響效果偏低。

4.實驗周期對中小學生編程學習效果的影響

編程教學的實驗周期對學習效果的影響有所不同。從表3中可知，實驗周期在13～20周的效應值最高（d=0.721，p<0.001），這說明在該實驗周期內(nèi)，編程教育對中小學生學習效果具有較高的促進作用。實驗周期在0～4周（d=0.466，p<0.001）和5～12周（d=0.441，p<0.001）的效應值在0.3～0.5之間，且達到統(tǒng)計上的顯著水平。這表明，在上述實驗周期內(nèi)編程教育對學生學習具有一定的積極影響，但作用效果偏低，仍有較大的提升空間。而實驗周期在21周及以上的研究效應值為d=0.415，p=0.073>0.05，表明編程教育對中小學生學習效果的影響較低，且不具有統(tǒng)計學意義。

5.評價工具對中小學生編程學習效果的影響

不同的編程學習效果可以通過不同的評價工具來測量。從表3中可知，量表（d=0.594，p<0.001）的效應值略高于測試題（d=0.456，p<0.001），說明使用量表測量對中小學生編程學習效果具有中等程度的顯著影響，而采用測試題測量具有中等偏下程度的促進作用。然而，編程任務的效應值為0.325，且p=0.397>0.05，說明這一評價工具對于中小學生編程學習效果的影響偏低，且未達到統(tǒng)計學意義上的顯著水平。

三、結論與討論

（一）中小學編程教育對學習效果具有積極的正向影響

根據(jù)元分析結果可知，在中小學階段開展編程教育有利于提升學生學習效果，促進其編程相關能力的提升。編程不僅包括設計、編碼、調(diào)試等環(huán)節(jié)，重要的是涉及解決計算問題的復雜任務。在此過程中，編程可以作為學生表達想法與創(chuàng)意的思維工具，既有利于培養(yǎng)其編程能力與計算思維，也有助于發(fā)展其高階思維技能[8]。然而，編程教育對創(chuàng)造性思維和數(shù)學成就沒有顯著影響，這可能受編程工具、教學內(nèi)容、活動設計等因素影響[9]，后續(xù)可圍繞編程教育對創(chuàng)造力與數(shù)學學習展開探索。在非認知層面，編程教育能夠提升學習者的自我效能感，其可能原因在于編程自我效能感與計算思維存在顯著正相關系。此外，采用合適的編程教學模式，可以提高中小學生編程興趣，改善學生的編程態(tài)度[10]。然而，編程教育對編程動機不存在顯著影響，這可能與先前知識、持續(xù)投入等因素相關，因而仍需探索提升編程動機的策略與方法。

（二）相關調(diào)節(jié)變量的效應

在編程工具方面，相較于文本編程，圖形編程與實體編程均對中小學生學習效果產(chǎn)生中等偏上程度的影響。實體編程主要通過實物模擬現(xiàn)實困境，鍛煉兒童發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，具有操作簡單、實體化呈現(xiàn)、無屏幕等特征，是培養(yǎng)兒童計算思維的重要載體。相較于文本編程，圖形編程在降低中小學生認知負荷和提升學習興趣等方面具有顯著優(yōu)勢，并有益于發(fā)展和培養(yǎng)學生計算思維能力，幫助學生完成更為復雜的創(chuàng)意編程作品[11]。另外，混合編程對學習效果的影響不顯著，這可能是整合多種編程工具增加了中小學生認知負荷所造成的，因而還需要進一步探索。

在編程形式方面，與獨立編程相比，協(xié)作編程對學習效果具有更高的影響效應。有研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)作編程比獨立編程更有益于培養(yǎng)中小學生的計算思維能力[12]。從編程過程與編程作品質(zhì)量看，協(xié)作編程是一種比獨立編程更有效的教學策略。此外，相關研究也指出，同伴支持與協(xié)作問題解決在促進學生編程學習效果方面具有重要作用，尤其是發(fā)展學生計算思維方面[13]。可以說，作為一種有益的編程形式，協(xié)作編程應被廣泛應用于中小學教學實踐中，以增強中小學生編程學習質(zhì)量。

在學段方面，編程教育在初中階段和小學階段具有較高程度的影響。這是因為編程教育有益于激發(fā)學生的學習興趣與創(chuàng)造力。在學習編程過程中，結構化思維的訓練有利于兒童發(fā)現(xiàn)問題，為學生探索問題提供了靈活而寬松的環(huán)境；程序化思維的訓練則有益于兒童采用啟發(fā)式策略解決問題，并且可以遷移到不同領域；而不斷“調(diào)試”的編程經(jīng)歷，讓學生正視學習過程中的錯誤，并不斷調(diào)整和糾正錯誤[14]。這些優(yōu)勢足以充分調(diào)動兒童身體與情感參與，是吸引中小學生投入編程學習的重要力量。

在實驗周期方面，13～20周的編程教育能最大限度提升學生學習效果。然而，21周及以上的編程教育對學生學習效果的影響逐漸減弱，且不存在統(tǒng)計顯著水平。這說明編程教育周期過長，會削弱編程教育實踐的有效性。這一結果在教育技術研究中并不少見。有研究發(fā)現(xiàn)，實驗周期超過1個月的編程教育對學生計算思維能力的影響不如1周至1個月的編程教育有效[15]。出現(xiàn)此類現(xiàn)象可能是實驗干預的新奇刺激效應產(chǎn)生的結果。若干預時間設定在一個相對較短的時間內(nèi)，由于干預的新奇刺激效應激起了學生的好奇心與興趣，實驗效果自然較好；若實驗周期過長，新奇刺激效應消失，學生學習的興趣與動機減退，使實驗的效果受到影響。

在評價工具上，量表對學生的編程學習結果具有中等偏上的影響，而測試題對編程學習具有中等偏下的影響。這說明，不同測評工具的應用對編程學習的影響程度不同。其中，量表對編程學習結果的影響程度較高，這可能是量表作為操作簡單和便于實施的評價工具，被廣泛應用于編程學習評估中。由于教學目的、活動方式和學習內(nèi)容的不同，編程學習測評也會采用多種方式。有研究采用“康奈爾條件推理測驗”“學習動機策略問卷”和“數(shù)學評估測試”，對高中生參與編程學習的推理能力、自我效能和問題解決能力進行測評[16]。

四、研究啟示

（一）以中小學人工智能教育為抓手，創(chuàng)新編程教育實踐

鑒于中小學編程教育對提升學生編程能力、計算思維、學習興趣、自我效能等認知與非認知層面的積極影響，本研究建議加快推進中小學編程教育實踐。具體而言，借助我國推進中小學人工智能教育課程建設優(yōu)勢，整合編程教育與人工智能課程理念，充分融合并加以深化。盡管教育部門出臺了編程教育相關的政策舉措，但中小學編程教育的落地生根離不開各科教師的課堂行動。一方面，強化在職教師編程教育培訓與指導，提升在職教師編程教育能力；另一方面，推進師范生課程教學改革，強化師范生編程教育內(nèi)容與技能的學習。此外，各地中小學校應積極推進并鼓勵教師開展跨學科整合的編程教育，讓學生體驗跨領域知識和編程在解決現(xiàn)實世界中復雜問題的作用。比如，結合編程教育與數(shù)學學科特點，大力探索跨學科教學模式，創(chuàng)新中小學編程教育實踐。

（二）合理選用編程工具，積極開展協(xié)作編程教育

由于圖形編程與實體編程均有較好的應用效果，而協(xié)作編程的促進作用要高于獨立編程。本研究建議根據(jù)學習者特征和教學內(nèi)容合理選用編程工具，積極開展協(xié)作編程教育。根據(jù)皮亞杰認知發(fā)展階段論，中小學生的認知發(fā)展主要處于具體運算階段與形式運算階段。處于具體運算階段的學生需要借助具體事物進行思維，而處于形式運算階段的學生可以不依賴具體事物進行語言假設的推論。因而，小學階段可以選用實體編程開展教學活動，初中階段可以結合實體編程與圖形編程，而高中階段可以嘗試文本編程。然而，中小學校還需考慮地區(qū)教育水平、師資現(xiàn)狀、經(jīng)費投入等條件，綜合評估以合理選用編程工具。另外，根據(jù)教學內(nèi)容與活動特點，一線教師應將協(xié)作編程合理應用于編程教育設計中。通過整合編程任務與學習內(nèi)容，最大限度發(fā)揮協(xié)作編程對學生學習的促進作用。

（三）因地制宜，靈活開設編程課程

由于編程教育對初中和小學階段的學習影響較高，實驗周期在13～20周能達到最佳學習效果。因此，本研究建議各區(qū)域?qū)W校因地制宜，靈活開設編程課程。具體而言，根據(jù)各學校實際現(xiàn)狀，在教學編排上優(yōu)先在初中階段開設編程課程，并依據(jù)教學條件在小學階段推進編程教育，而在高中階段因地制宜開展編程學習活動。教師需充分考慮學生的認知能力和思維水平的差異，為學生提供合適的編程材料。由于編程實驗周期持續(xù)過長或過短，均不利于發(fā)揮編程教育優(yōu)勢，建議中小學開展編程教育的周期可設置為3～4個月，同時要綜合考慮任務難度、學習興趣等因素，提高編程教育設計的可持續(xù)性，以保障和促進中小學生編程學習質(zhì)量。

（四）開發(fā)多元評價方式和工具，綜合評估編程教育質(zhì)量

從編程評價工具的元分析結果來看，研究所選用的不同類型的評價工具會影響學生編程學習效果。由于教學目的、教學內(nèi)容和學習策略的差異，編程實踐過程也會有所不同，單獨使用任何測量工具都可能導致對學生編程學習結果的理解出現(xiàn)偏差。因此，本研究建議發(fā)展多元評價方式，綜合評估編程教育質(zhì)量。根據(jù)學段特征、學習內(nèi)容、教學策略等因素，教師應綜合考慮和選擇多種評價方式和工具。另外，由于編程教育目標的側重點不同，教師需加強對編程學習過程與學習結果的綜合評估。