李琪　姜強(qiáng)　趙蔚

[摘? ?要] 編程作為計(jì)算思維培養(yǎng)的主要載體已經(jīng)逐漸成為K12教育關(guān)注的重點(diǎn)課程之一，但缺乏對(duì)編程投入的關(guān)注往往會(huì)加劇學(xué)生在理解編程時(shí)面臨的困難，從而阻礙計(jì)算思維的發(fā)展。ICAP理論根據(jù)外顯行為來區(qū)分學(xué)生投入程度，能夠?yàn)榇龠M(jìn)編程投入提供可操作性指導(dǎo)。因此，文章依據(jù)ICAP理論，提出了編程投入機(jī)制，以編程活動(dòng)為支撐、編程工具為動(dòng)力、編程同伴為牽引以及編程策略為手段，并在小學(xué)課堂進(jìn)行了不插電編程實(shí)證以探究該機(jī)制對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的作用效果。研究結(jié)果表明，基于ICAP理論的編程投入機(jī)制能夠顯著提高學(xué)生的計(jì)算思維技能，并且從不同計(jì)算思維水平學(xué)生的參與行為模式可以看出，三組學(xué)生的交互協(xié)作參與行為占比最高，但高分組學(xué)生偏向高階參與行為，中分組和低分組表現(xiàn)出了更多的輔助行為。此外，文章依據(jù)實(shí)證結(jié)果針對(duì)編程投入機(jī)制展開進(jìn)一步討論，為未來一線教師和相關(guān)研究者提供了編程教育發(fā)展計(jì)算思維的理論和實(shí)踐參考。

[關(guān)鍵詞] 編程投入； 投入機(jī)制； 計(jì)算思維； ICAP理論； 不插電編程

[中圖分類號(hào)] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 李琪（1997—），女，遼寧葫蘆島人。博士研究生，主要從事計(jì)算思維發(fā)展與編程教育研究。E-mail：liq410@nenu.edu.cn。姜強(qiáng)為通訊作者，E-mail：jiangqiang@nenu.edu.cn。

一、問題的提出

人工智能時(shí)代，編程具有重要的地位，而編程教育的核心目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維[1]。計(jì)算思維被視為一種問題解決的思維過程，包括抽象、算法、表征、泛化和評(píng)估五個(gè)維度[2]。除了認(rèn)知因素，目前國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)開始重視影響學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的非認(rèn)知因素。例如，在編程學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生的編程態(tài)度[3]、自我效能感[4]及編程投入[5]都被證明會(huì)影響他們的學(xué)習(xí)效果。其中，編程投入是影響計(jì)算思維培養(yǎng)效果的一個(gè)重要非認(rèn)知因素，對(duì)編程教學(xué)的成功與否起著關(guān)鍵作用，深受研究者重視。學(xué)生參與編程時(shí)的積極和持續(xù)投入對(duì)計(jì)算思維教學(xué)十分重要，同時(shí)對(duì)學(xué)生的成績(jī)、興趣和情感反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生影響[6]。然而，對(duì)于影響編程投入的編程工具選擇、活動(dòng)設(shè)計(jì)和策略應(yīng)用等關(guān)鍵元素并不是單獨(dú)運(yùn)作的，它們應(yīng)該緊密聯(lián)合、協(xié)同治理，形成促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的有效機(jī)制。ICAP是一種主動(dòng)學(xué)習(xí)理論，關(guān)注的是在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，通過更小粒度的行為活動(dòng)可以檢測(cè)到的認(rèn)知投入程度[7]，每個(gè)層次的學(xué)生活動(dòng)都是可觀察的，特別適合教師進(jìn)行多個(gè)關(guān)鍵元素協(xié)同作用的教學(xué)設(shè)計(jì)和分析。因此，本研究提出了基于ICAP理論的編程投入機(jī)制，并測(cè)量了其對(duì)計(jì)算思維的作用效果，旨在推進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)在編程領(lǐng)域的有效實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生在編程課堂上的深度學(xué)習(xí)。

二、文獻(xiàn)與理論

（一）編程投入與計(jì)算思維

目前，編程教育研究已經(jīng)進(jìn)行了理論和實(shí)踐的探索，主要探究在教學(xué)過程中編程工具和活動(dòng)策略對(duì)計(jì)算思維的影響。但是計(jì)算思維的發(fā)展受到各種因素的影響和制約，在參與編程時(shí)，學(xué)生的非認(rèn)知因素也會(huì)對(duì)他們的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生重要影響。作為衡量學(xué)習(xí)質(zhì)量最有效指標(biāo)的非認(rèn)知因素，編程投入是指對(duì)編程教學(xué)的實(shí)質(zhì)性滿足感和心理投入，當(dāng)學(xué)生擁有較高的編程投入時(shí)，他們將深入理解專業(yè)知識(shí)，真正重視自己所做的事情，并積極參與課堂和編程活動(dòng)[8]。在教育環(huán)境中，投入的學(xué)生會(huì)表現(xiàn)得更好，并隨著時(shí)間的推移擴(kuò)大學(xué)習(xí)上的優(yōu)勢(shì)。同理，學(xué)生積極參與編程活動(dòng)和學(xué)習(xí)過程對(duì)提高他們的計(jì)算思維技能至關(guān)重要。Looi等人發(fā)現(xiàn)，不插電活動(dòng)有助于學(xué)習(xí)者參與排序算法的探索，通過提高動(dòng)機(jī)和保持投入有了更好的編程表現(xiàn)[9]。此外，在一項(xiàng)在線學(xué)習(xí)研究中，Ha等人證實(shí)了編程活動(dòng)中的投入度對(duì)培養(yǎng)計(jì)算思維技能的影響，并在自我調(diào)節(jié)和計(jì)算思維之間起到中介作用[10]。相反，學(xué)生編程投入度低是阻礙他們獲得學(xué)習(xí)結(jié)果的主要因素之一，從而影響計(jì)算思維的發(fā)展。然而，不適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)形式和任務(wù)設(shè)置可能會(huì)導(dǎo)致一些學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性受限，影響編程過程的投入度。同時(shí)，編程投入隨時(shí)間而變化，并取決于不斷變化的環(huán)境、任務(wù)和干預(yù)措施[11]。因此，亟須合適的理論框架指導(dǎo)當(dāng)前編程教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生在課堂中的編程投入。

（二）ICAP理論

2014年，季清華教授（Michelene T. H. Chi）正式提出了ICAP理論，根據(jù)學(xué)生的行為來區(qū)分他們的投入程度，將認(rèn)知投入分為四種模式，分別是被動(dòng)（Passive）、主動(dòng)（Active）、建構(gòu)（Constructive）和交互（Interactive）[12]。學(xué)生處于被動(dòng)投入時(shí)不會(huì)對(duì)接收的信息采取任何外顯行為，自然也不會(huì)產(chǎn)生由外顯行為生成的任何產(chǎn)品。如果教師要求學(xué)生以某種方式使用材料，那么學(xué)生可能會(huì)積極投入。建構(gòu)投入要求學(xué)生綜合自己的想法進(jìn)行推理，以某種方式超越材料，并產(chǎn)生一個(gè)新的輸出。交互投入使學(xué)生進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的思想交流，從而達(dá)到更高的理解水平。計(jì)算思維本質(zhì)上是一種認(rèn)知能力[13]，盡管有其他認(rèn)知框架來概念化主動(dòng)學(xué)習(xí)，但I(xiàn)CAP理論描述了課堂活動(dòng)中的可觀察因素。同時(shí)，ICAP理論中的每一種投入模式都對(duì)應(yīng)一組不同的潛在知識(shí)變化過程。從傾聽到參與材料，從參與材料到超越材料，從獨(dú)立超越材料到與同伴共同推斷。編程活動(dòng)需要學(xué)生的積極參與和行為表現(xiàn)，在這個(gè)過程中，學(xué)生將完成從學(xué)習(xí)材料到解決問題，從而發(fā)展計(jì)算思維。ICAP理論是一種關(guān)于學(xué)生如何投入學(xué)習(xí)的理論，而不是教師如何教學(xué)。然而，作為一種學(xué)習(xí)理論，ICAP理論可以轉(zhuǎn)化為一種教學(xué)理論，即教師如何促進(jìn)和激發(fā)學(xué)生的投入。綜上所述，使用ICAP理論作為編程投入機(jī)制的指導(dǎo)框架是非常切合的。

（三）基于ICAP理論的編程投入機(jī)制

以ICAP理論為指導(dǎo)，構(gòu)建編程投入機(jī)制，如圖1所示。編程活動(dòng)、編程工具、編程同伴和編程策略多元協(xié)同，以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的編程投入由表及里、層層深入。

1. 以編程活動(dòng)為重要支撐，保障行為投入

編程活動(dòng)是學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維學(xué)習(xí)的載體，科學(xué)的活動(dòng)設(shè)計(jì)是保障學(xué)生參與編程的重要支撐。通過問題分解、算法設(shè)計(jì)、思維表征、泛化應(yīng)用、評(píng)估優(yōu)化五個(gè)活動(dòng)過程發(fā)展他們的計(jì)算思維技能。在問題分解環(huán)節(jié)，學(xué)生需要對(duì)任務(wù)問題進(jìn)行分析，從復(fù)雜冗余的信息中提取關(guān)鍵點(diǎn)，發(fā)展抽象技能；在算法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，產(chǎn)生解決方案的想法，培養(yǎng)學(xué)生有意識(shí)地多角度思考問題的習(xí)慣；在思維表征環(huán)節(jié)，學(xué)生可以利用偽代碼或者流程圖將腦海中的想法進(jìn)行表征，體會(huì)到表征的過程有助于理清解決問題的思路；在泛化應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)生需要對(duì)當(dāng)前的語法應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析，組織相關(guān)知識(shí)實(shí)施解決方案；評(píng)估優(yōu)化環(huán)節(jié)主要在學(xué)生初步實(shí)施解決方案后，學(xué)習(xí)者和同伴同時(shí)對(duì)自己的解決方案進(jìn)行評(píng)估與反思，從而進(jìn)行迭代優(yōu)化。

2. 以編程工具為持續(xù)動(dòng)力，吸引主動(dòng)投入

學(xué)習(xí)工具的選擇對(duì)于教學(xué)成功與否有著至關(guān)重要的影響，恰當(dāng)?shù)墓ぞ邔?huì)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)投入學(xué)習(xí)活動(dòng)的重要?jiǎng)恿?。目前可視化編程平臺(tái)的成功推廣，表明低門檻、寬圍墻、高天花板是選擇工具的關(guān)鍵原則，能夠吸引學(xué)習(xí)者主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中。低門檻意味著使用的工具必須非常容易上手，且不對(duì)先前經(jīng)驗(yàn)做過多的要求，從而有利于學(xué)習(xí)的開始；高天花板意味著編程過程中使用的工具允許學(xué)習(xí)者創(chuàng)建復(fù)雜的項(xiàng)目，不會(huì)因?yàn)楣ぞ呦拗屏藢W(xué)習(xí)者的能力發(fā)展；寬圍墻是指編程工具能夠支持學(xué)生完成更多的任務(wù)類型，為學(xué)習(xí)者技能的發(fā)展提供更多的可能性。

3. 以編程同伴為關(guān)鍵牽引，鼓勵(lì)建構(gòu)投入

物理制作和編程的結(jié)合對(duì)于提高編程概念和實(shí)踐投入具有重要價(jià)值，但單人學(xué)習(xí)不足以產(chǎn)生理想的學(xué)習(xí)效果，所以，協(xié)作編程成為了編程學(xué)習(xí)最為普遍的方式。適合的編程同伴有利于學(xué)習(xí)者進(jìn)行建構(gòu)性的活動(dòng)，通過協(xié)作學(xué)習(xí)活動(dòng)將個(gè)性化的想法外化并獲得不同的觀點(diǎn)。堅(jiān)持教師引導(dǎo)、學(xué)生協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)調(diào)整的準(zhǔn)則，使主觀偏好和客觀條件相輔相成，達(dá)成內(nèi)在統(tǒng)一。教師可根據(jù)學(xué)習(xí)者的技術(shù)水平和先前經(jīng)驗(yàn)等客觀條件提出組建編程小組的初步方案，然后由學(xué)生表達(dá)合作意愿，溝通交流主觀偏好，確定編程同伴。隨著編程任務(wù)的轉(zhuǎn)變以及時(shí)間的延續(xù)，編程同伴可以隨著具體情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，以最大化利用協(xié)作編程的優(yōu)勢(shì)。

4. 以編程策略為有效手段，促進(jìn)交互投入

合作并不等同于實(shí)現(xiàn)交互，交互應(yīng)該是建立在學(xué)生彼此都作出貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上。因此，本研究依據(jù)ICAP理論的交互投入提出了編程投入機(jī)制的編程策略。一是輪流主導(dǎo)。ICAP理論將交互式學(xué)習(xí)活動(dòng)描述為學(xué)習(xí)者與另一個(gè)合作伙伴進(jìn)行對(duì)話，并且雙方都對(duì)對(duì)話作出獨(dú)特貢獻(xiàn)的活動(dòng)[14]。如果學(xué)習(xí)者輪流合作或互惠地主導(dǎo)對(duì)話環(huán)節(jié)，那么每個(gè)編程同伴都在參與一種自我構(gòu)建類型的活動(dòng)。二是拼圖策略。學(xué)生首先學(xué)習(xí)其中一個(gè)子主題，然后重新組織以將他們的子主題與最初了解其他子主題的同伴進(jìn)行同伴教學(xué)。三是微型專家。學(xué)生在向編程同伴教授他們學(xué)到的概念時(shí)，充當(dāng)促進(jìn)者、評(píng)估者和實(shí)施者，而不是講師，從而最大限度地減少學(xué)生被動(dòng)地相互講授的可能性。交互活動(dòng)的例子包括建立一個(gè)彼此貢獻(xiàn)、捍衛(wèi)和爭(zhēng)論的立場(chǎng)、在同一概念或觀點(diǎn)上相互批評(píng)和爭(zhēng)辯以及相互提問和回答等。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對(duì)象

大連市某小學(xué)六年級(jí)學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象參與了本研究，共94名學(xué)生，其中男生48名，女生46名，在參與本研究之前都沒有學(xué)過任何編程語言或算法流程圖。兩名學(xué)生為一組，男生和女生計(jì)算思維的前測(cè)分?jǐn)?shù)使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，男生和女生之間的計(jì)算思維技能沒有顯著性差異（t=-1.56，p=0.12>0.05）。

（二）研究實(shí)例

本研究選取不插電編程活動(dòng)，對(duì)ICAP理論指導(dǎo)的編程投入機(jī)制進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，如圖2所示。

采用棋盤、卡片、木質(zhì)形狀和人偶作為不插電編程活動(dòng)的主要工具，學(xué)生在活動(dòng)中的任務(wù)是考慮移動(dòng)步驟，然后操作人偶，以獲取完成任務(wù)目標(biāo)所需的形狀?？ㄆ羁ê涂刂瓶āＣ羁òㄈ齻€(gè)命令：前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。一張卡只能移動(dòng)人偶一步。控制卡包括重復(fù)和復(fù)合兩種。重復(fù)控制卡的使用規(guī)則相當(dāng)于編程中的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一張或多張卡片橫向放置在重復(fù)的控制卡片旁邊，以指示重復(fù)該動(dòng)作或一組動(dòng)作。重復(fù)次數(shù)由學(xué)生填寫的卡片上的數(shù)字決定。復(fù)合控制卡的使用規(guī)則與編程中的調(diào)用類似。學(xué)生需要在卡片的空白處填上一個(gè)數(shù)字來命名復(fù)合，并將復(fù)合控制卡中包含的命令卡按執(zhí)行順序放在一邊，復(fù)合卡中的命令卡數(shù)量將計(jì)入使用的卡片總數(shù)中。這些工具符合低門檻、高天花板和寬圍墻的設(shè)計(jì)原則。在選擇同伴時(shí)，由教師基于對(duì)學(xué)生情況的掌握，將學(xué)生分成兩人一組，之后學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。此外，不要求兩人小組固定，可以根據(jù)每周的具體情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)組隊(duì)。在正式開始前，使用拼圖策略，每個(gè)小組的兩個(gè)成員分別觀看一個(gè)視頻，學(xué)習(xí)控制卡或者命令卡的使用方法，然后重新組織以將他們的知識(shí)內(nèi)容傳授給同伴。掌握不同的卡片使用方法為學(xué)生提供了投入的條件，任務(wù)的多種解決方案也需要學(xué)生參與討論和分析。在基于ICAP理論的不插電編程的投入機(jī)制中，每個(gè)學(xué)生在每一個(gè)活動(dòng)階段都被賦予了積極的角色，他們成為不同的微型專家，每個(gè)學(xué)生都必須投入活動(dòng)才能完成任務(wù)。

（三）數(shù)據(jù)采集與處理

目前對(duì)計(jì)算思維作用效果的評(píng)價(jià)主要集中于總結(jié)性評(píng)價(jià)，很少關(guān)注學(xué)習(xí)者利用計(jì)算思維去解決日常問題的遷移表現(xiàn)，然而計(jì)算思維技能應(yīng)該轉(zhuǎn)移到其他問題情境中。本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的計(jì)算思維評(píng)價(jià)工具[2]圍繞計(jì)算思維的抽象、算法、表征、泛化和評(píng)估五個(gè)維度設(shè)計(jì)，每一維度設(shè)有三級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)涉及日常生活問題情境，符合本研究計(jì)算思維評(píng)價(jià)的需求，同時(shí)該評(píng)估工具具有良好的信效度（Cronbach's α=0.75）。

學(xué)習(xí)者對(duì)計(jì)算思維材料的口頭表達(dá)和行動(dòng)反映了他們的思維過程，是全面了解學(xué)生計(jì)算思維的重要材料之一。為了系統(tǒng)地探討計(jì)算思維與計(jì)算參與行為之間的關(guān)聯(lián)，參考已有研究[15]，計(jì)算思維活動(dòng)的參與行為具體編碼見表1。每10秒鐘內(nèi)發(fā)生的最多事件編碼為一項(xiàng)主要行為，使用kappa統(tǒng)計(jì)的評(píng)分者間信度為0.80，表明具有高度一致性。編碼后的數(shù)據(jù)使用滯后序列分析軟件GSEQ5.0進(jìn)行編譯分析，Z>1.96表示行為序列顯著。

在進(jìn)行正式不插電編程活動(dòng)前，對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維前測(cè)。依據(jù)前測(cè)分?jǐn)?shù)，識(shí)別出高分組學(xué)生（N=25，前27%）、中分組學(xué)生（N=44，中46%）和低分組學(xué)生（N=25，后27%），以便進(jìn)一步分析本研究所提出的投入機(jī)制對(duì)不同水平學(xué)生的影響。一周后開始不插電編程活動(dòng)，首先向?qū)W生解釋活動(dòng)規(guī)則，播放提前錄制好的說明視頻。接著給學(xué)生時(shí)間以小組形式熟悉規(guī)則和熱身。然后給出任務(wù)，讓學(xué)生按照要求進(jìn)行編程活動(dòng)。在學(xué)習(xí)活動(dòng)過程中，主要由學(xué)生編程小組獨(dú)立完成，教師不會(huì)主動(dòng)干預(yù)他們，只提供必要的指導(dǎo)和答疑。該活動(dòng)持續(xù)四周，每周一課時(shí)，大約30分鐘。在全部編程活動(dòng)結(jié)束后，要求學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維后測(cè)。最后，對(duì)計(jì)算思維測(cè)試分?jǐn)?shù)和計(jì)算參與行為進(jìn)行分析，探討基于ICAP理論的編程投入機(jī)制對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的作用效果。

四、研究發(fā)現(xiàn)

（一）計(jì)算思維測(cè)試分析

將高、中、低分組學(xué)生的計(jì)算思維前后測(cè)成績(jī)進(jìn)行了配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。從學(xué)生的計(jì)算思維各維度來看，三組學(xué)生的后測(cè)分?jǐn)?shù)都顯著高于前測(cè)（p<0.001）。對(duì)于高分組和中分組，算法維度的后測(cè)平均分最高，分別是13.96和12.91，然而中分組算法維度（M后測(cè)=12.91，M前測(cè)=10.16）提升最明顯，高分組學(xué)生的評(píng)估維度（M后測(cè)=10.56，M前測(cè)=7.68）提升最明顯。低分組學(xué)生抽象維度后測(cè)分?jǐn)?shù)最高，為10.40，但是提升最明顯的是算法維度（M后測(cè)=9.88，M前測(cè)=5.88）。中、低水平的學(xué)生更關(guān)注編程活動(dòng)的核心任務(wù)，即算法的設(shè)計(jì)，而高水平學(xué)生在前測(cè)算法技能分?jǐn)?shù)較高的基礎(chǔ)上提升是有限的，并且更偏向高級(jí)任務(wù)，評(píng)估技能是他們提升最顯著的維度。因此，基于ICAP理論的編程投入機(jī)制對(duì)提高不同計(jì)算思維水平學(xué)生的表現(xiàn)具有顯著效果，這與Looi等人[9]的研究發(fā)現(xiàn)一致，即學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維技能與積極投入活動(dòng)任務(wù)有關(guān)，但具體到各維度會(huì)依據(jù)計(jì)算思維前測(cè)的分?jǐn)?shù)有些微不同，可以依據(jù)他們?cè)诰幊袒顒?dòng)中的參與行為進(jìn)行進(jìn)一步分析。

（二）計(jì)算參與行為分析

為了深入探討編程投入機(jī)制對(duì)不同計(jì)算思維水平學(xué)生的影響，分別從高、中、低分組中各選取8名學(xué)生的最后一次活動(dòng)視頻依據(jù)表1進(jìn)行編碼，進(jìn)一步分析他們?cè)谠撚?jì)算思維活動(dòng)中的參與行為。在三個(gè)組中，團(tuán)隊(duì)交互行為總體數(shù)量是最高的（高分組：501，55.73%；中分組：457，50.28%；低分組：468，52.47%），無關(guān)行為是最低的（高分組：28，3.11%；中分組：48，5.28%；低分組：47，5.27%），而且協(xié)作執(zhí)行行為（CI）是最頻繁的，分別為144（16.02%）、132（14.52%）和135（15.13%），這可能是因?yàn)樵诰幊虣C(jī)制的設(shè)計(jì)下，學(xué)生的編程投入得到了有效的增強(qiáng)，并且在活動(dòng)過程中進(jìn)行了深度交互以完成編程任務(wù)。對(duì)于高分組，個(gè)人計(jì)算思維能力高會(huì)促使他們?cè)诨顒?dòng)中偏向主導(dǎo)，無意識(shí)地出現(xiàn)更多的個(gè)人行為，高分組學(xué)生的個(gè)人行為也占據(jù)了較高的比例（29.50%），尤其是指揮與服從的行為（10.90%）。對(duì)于中分組和低分組，輔助行為發(fā)生的頻率（27.06%、30.49%）高于個(gè)人行為（17.38%、11.77%），所以，規(guī)則講解和情緒反饋等類似腳手架的支持更有利于計(jì)算思維一般水平學(xué)生的學(xué)習(xí)，尤其是起始能力較低的學(xué)生。

依據(jù)高分組、中分組和低分組行為序列調(diào)整后的殘差值，繪制行為模式圖，如圖3所示。高分組共有8種顯著參與行為序列，他們的協(xié)作參與行為豐富，并且偏向高水平行為，如優(yōu)化和糾錯(cuò)等，然而在計(jì)算參與過程中也表現(xiàn)出了顯著的個(gè)人行為序列。在編程投入機(jī)制的作用下，高分組學(xué)生與編程同伴協(xié)作決策共同操作人偶的移動(dòng)（CS→CI），且思維反應(yīng)較快，會(huì)對(duì)操作過程進(jìn)行直接糾錯(cuò)（CI→CC）。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這些具有計(jì)算思維優(yōu)勢(shì)的學(xué)生在活動(dòng)過程中逐漸開始獨(dú)自決策以優(yōu)化行為（RS→RO），獨(dú)自決策后會(huì)不自覺命令同伴操作，而同伴一般會(huì)按照決策者提出的方案移動(dòng)人偶（RO→RC）。在這些顯著行為序列中，評(píng)估和優(yōu)化也是非常重要的兩個(gè)行為（CE→CO、CO→CE）。

中分組共有9種參與行為序列顯著，在編程活動(dòng)過程中，他們傾向與同伴共同解決問題，并涉及更多的輔助行為。他們與同伴協(xié)商決策方案時(shí)會(huì)查看規(guī)則要求以進(jìn)行確認(rèn)（CS→AR），然后再協(xié)作移動(dòng)人偶（AR→CI），并且會(huì)對(duì)操作過程進(jìn)行隨時(shí)糾錯(cuò)（CI→CC、CC→CI）和評(píng)價(jià)（CI→CE）。學(xué)生的優(yōu)化行為發(fā)生在評(píng)價(jià)之后（CE→CO），或者學(xué)生在觀察其他組學(xué)生的操作后進(jìn)行思考（AP→AT），再和同伴協(xié)商優(yōu)化操作（AT→CO）。對(duì)于中分組學(xué)生，情緒表達(dá)也是非常重要的行為，主要在優(yōu)化步驟之后（CO→AM），會(huì)對(duì)同伴表達(dá)積極的情緒，更有利于他們協(xié)作活動(dòng)的開展。

低分組共有9種顯著參與行為序列，學(xué)生一般依據(jù)活動(dòng)設(shè)計(jì)參與編程，與中分組同樣表現(xiàn)出更多的輔助行為，但更偏向基礎(chǔ)性行為，如協(xié)作決策和操作（CS→CI）。他們對(duì)方案設(shè)計(jì)的評(píng)估是與同伴協(xié)作完成，同時(shí)主要在協(xié)作執(zhí)行（CI→CE）或者查看規(guī)則之后（AR→CE），所以，類似腳手架的輔助資源有助于促進(jìn)學(xué)生高水平參與行為。對(duì)于低分組學(xué)生，算法的優(yōu)化需要基于評(píng)估的行為（CE→CO），糾錯(cuò)行為也主要發(fā)生在評(píng)估（CE→CC）和優(yōu)化之后（CO→CC），他們起始思維水平有限，并不能直接對(duì)執(zhí)行的方案進(jìn)行優(yōu)化。此外，情緒表達(dá)和查看規(guī)則的行為序列也是顯著的（AM→AR），情緒上的反應(yīng)通?；谒麄儗?duì)任務(wù)完成的步驟設(shè)計(jì)所進(jìn)行的思考（AT→AM），其實(shí)花更多的時(shí)間去思考、確認(rèn)活動(dòng)規(guī)則要求并不是一件消極的事件，但是將行為與計(jì)算思維測(cè)試成績(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以推斷出，活動(dòng)規(guī)則和任務(wù)的設(shè)定可能對(duì)這些學(xué)生造成了較高的認(rèn)知負(fù)荷。

五、研究啟示

通過基于ICAP理論的編程投入機(jī)制的干預(yù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的計(jì)算思維表現(xiàn)有了顯著性的提高，在算法維度上學(xué)生的成績(jī)提升幅度更大，說明所設(shè)計(jì)的編程投入機(jī)制對(duì)這個(gè)維度的計(jì)算思維技能培養(yǎng)效果更加明顯。通過對(duì)計(jì)算思維高分組、中分組和低分組的計(jì)算參與行為模式的分析，發(fā)現(xiàn)不同計(jì)算思維水平學(xué)生在參與編程過程中具有不同的行為傾向，但總體上三個(gè)小組組員間分工明確，交互協(xié)作行為突出，且更專注于任務(wù)本身，達(dá)到了較好的投入水平。在編程活動(dòng)中建立相關(guān)規(guī)則和機(jī)制，提高學(xué)生投入編程過程中同伴反饋和互動(dòng)的質(zhì)量，是有效提高學(xué)生計(jì)算思維能力的關(guān)鍵。

（一）編程活動(dòng)與計(jì)算思維深度融合，實(shí)現(xiàn)解決問題的思維遷移

思維遷移和跨學(xué)科應(yīng)用是當(dāng)前研究必須認(rèn)識(shí)到的計(jì)算思維培養(yǎng)的最重要目標(biāo)[16]。恰當(dāng)?shù)木幊袒顒?dòng)設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)學(xué)生將從計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域培養(yǎng)的計(jì)算思維遷移到其他問題情境中，使學(xué)生的自我意識(shí)從“知道如何編程”轉(zhuǎn)化為“知道如何解決問題”。計(jì)算思維培養(yǎng)最核心的任務(wù)在于解決問題能力的訓(xùn)練，包括問題分解、方案生成、思維外化、應(yīng)用分析、評(píng)價(jià)優(yōu)化五個(gè)環(huán)節(jié)，分別對(duì)應(yīng)計(jì)算思維的抽象、算法、表征、泛化和評(píng)估五個(gè)維度，通過每個(gè)環(huán)節(jié)的活動(dòng)內(nèi)容將計(jì)算思維每個(gè)維度與問題解決過程相聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生將在編程中培養(yǎng)的計(jì)算思維遷移到其他問題解決過程中。編程活動(dòng)設(shè)計(jì)可以通過選擇開放式問題來適應(yīng)其他學(xué)科，鼓勵(lì)教師在設(shè)置的主題又可以分解成更小組建的復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成，這種方法有助于培養(yǎng)解決問題的跨學(xué)科應(yīng)用，使知識(shí)和技能能夠無縫地遷移到其他需要解決的問題上。此外，教師應(yīng)為學(xué)生設(shè)計(jì)適宜的任務(wù)或相關(guān)活動(dòng)，促使學(xué)生反思自己的思維過程，并有意識(shí)地認(rèn)識(shí)到問題解決時(shí)所涉及的計(jì)算思維元素。

（二）資源設(shè)計(jì)與認(rèn)知水平內(nèi)在統(tǒng)一，調(diào)控投入編程的認(rèn)知負(fù)荷

物理制作和編程的結(jié)合對(duì)于提高編程概念和實(shí)踐的投入很有價(jià)值，尤其是在結(jié)合學(xué)習(xí)的社會(huì)性維度時(shí)[17]，所以選擇適宜交互協(xié)作的編程工具是十分必要的，但工具資源的設(shè)計(jì)要符合學(xué)生的認(rèn)知水平，從而調(diào)控學(xué)生在參與編程過程中的認(rèn)知負(fù)荷?？紤]使用不同的材料來培養(yǎng)計(jì)算思維，學(xué)生通過彼此合作、親身體驗(yàn)去解決問題并進(jìn)行創(chuàng)造性思考，使計(jì)算科學(xué)概念具體而簡(jiǎn)單，促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展。另外，活動(dòng)規(guī)則說明和各種工具使用盡量保持在最低認(rèn)知限度，以便學(xué)生可以快速嘗試練習(xí)，防止因?yàn)檫@些非關(guān)鍵問題增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。適宜的認(rèn)知負(fù)荷對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有正向的促進(jìn)作用，但學(xué)生認(rèn)知水平有所差異，相同的任務(wù)設(shè)置會(huì)造成不同的認(rèn)知負(fù)荷程度。如果任務(wù)偏簡(jiǎn)單，會(huì)讓學(xué)生感到無聊，沒有挑戰(zhàn)，而任務(wù)偏難會(huì)降低學(xué)生的信心，影響學(xué)習(xí)的積極性，所以教師在任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮任務(wù)難度的梯度，并在學(xué)習(xí)過程中對(duì)進(jìn)展速度不同的編程小組及時(shí)提供幫助。

（三）策略應(yīng)用與同伴選擇聯(lián)動(dòng)優(yōu)化，促進(jìn)編程活動(dòng)的交互投入

交互投入有利于促進(jìn)學(xué)生在編程過程中的深度學(xué)習(xí)，提高他們的計(jì)算思維，策略設(shè)計(jì)是保障交互學(xué)習(xí)質(zhì)量的關(guān)鍵，然而交互策略的應(yīng)用效果又會(huì)受到編程同伴的影響。從學(xué)生的計(jì)算思維分析中可以看出，交互學(xué)習(xí)可以增加信心，鼓勵(lì)學(xué)生參與活動(dòng)。如果組內(nèi)兩個(gè)成員是關(guān)系很親密的朋友，容易被相同的無關(guān)事物或者話題分散注意力，當(dāng)然如果兩個(gè)人關(guān)系不融洽也會(huì)影響編程學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行，教師需要對(duì)學(xué)生間的人際關(guān)系有一定了解來進(jìn)行合理的同伴分配。此外，如果組內(nèi)兩個(gè)學(xué)生的認(rèn)知差異較大，那么邏輯思維能力較弱的學(xué)生需要更長(zhǎng)時(shí)間的思考，容易被思維邏輯反應(yīng)快的學(xué)生主導(dǎo)編程活動(dòng)，從而失去參與感，大大降低編程學(xué)習(xí)對(duì)計(jì)算思維的促進(jìn)效果。通過交互策略強(qiáng)調(diào)學(xué)生必須注意小組中每個(gè)成員的參與，因此，以相互生成或共同生成的方式進(jìn)行交互協(xié)作可能會(huì)更好地促進(jìn)學(xué)生的表現(xiàn)，更好地采取觀點(diǎn)和反思，從而實(shí)現(xiàn)更高的學(xué)習(xí)收益和更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（四）編程投入機(jī)制依據(jù)學(xué)生水平動(dòng)態(tài)調(diào)整，切合計(jì)算思維的動(dòng)態(tài)發(fā)展

基于ICAP理論的編程投入機(jī)制作為一種有效的計(jì)算思維干預(yù)方式，有助于促進(jìn)學(xué)生的深度參與，但具體的教學(xué)應(yīng)用要依據(jù)學(xué)生的計(jì)算思維水平發(fā)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。處于初始水平的學(xué)生思維邏輯較慢，需要更多的時(shí)間思考，容易聽從邏輯反應(yīng)更快的同伴命令而控制人偶的移動(dòng)，所以在交互策略設(shè)計(jì)上應(yīng)該提供給他們更多的教學(xué)支持，而編程同伴的配置也要考慮思維水平差異的問題。對(duì)于計(jì)算思維較好的學(xué)生，嚴(yán)格的輪流主導(dǎo)策略限制了他們的高階參與行為，過多的教學(xué)支持或許會(huì)阻礙他們的發(fā)展，要為這類學(xué)生提供更加開放的思維空間。此外，編程工具作為吸引學(xué)生主動(dòng)投入活動(dòng)的關(guān)鍵因素，也需要根據(jù)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。例如，不插電編程適用于完全沒有經(jīng)驗(yàn)的編程入門，可視化編程更適用于有編程思維的新手，而更高級(jí)的編程學(xué)習(xí)需要在文本編程中進(jìn)行，要依據(jù)計(jì)算思維動(dòng)態(tài)發(fā)展的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整多元協(xié)同的編程投入機(jī)制，以符合學(xué)生的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

六、結(jié)? ?語

投入是編程教育中不可忽視的重要變量，與學(xué)生計(jì)算思維學(xué)習(xí)效果密切相關(guān)。研究將ICAP理論融合到編程教學(xué)中，提出了活動(dòng)、工具、同伴和策略多元協(xié)同的編程投入機(jī)制，并通過實(shí)證驗(yàn)證了基于ICAP理論的編程投入機(jī)制能夠顯著提高學(xué)生的計(jì)算思維水平，發(fā)現(xiàn)不同計(jì)算思維水平學(xué)生的促進(jìn)效果具有不同優(yōu)勢(shì)。另外，在應(yīng)用基于ICAP理論的編程投入機(jī)制時(shí)，應(yīng)該注意科學(xué)性和合理性，從而促進(jìn)計(jì)算思維教育的高質(zhì)量發(fā)展。研究證實(shí)了編程投入對(duì)于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)價(jià)值，提供了可以復(fù)制和推廣的編程投入理論框架，豐富了指導(dǎo)計(jì)算思維和編程教育的知識(shí)體系。此外，研究為在編程課堂上促進(jìn)學(xué)生的投入和發(fā)展計(jì)算思維提供了可參考的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，教育者應(yīng)該意識(shí)到編程投入在解釋和彌合計(jì)算思維差異方面的重要作用。然而在當(dāng)前研究中，只對(duì)小學(xué)六年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，且實(shí)驗(yàn)周期較短，因此，未來應(yīng)將這些成果進(jìn)行進(jìn)一步輻射和推廣。

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Research on Programming Engagement Mechanism to Promote the Development of Computational Thinking： Based on ICAP Theory

LI Qi，? JIANG Qiang，? ZHAO Wei

（School of Information Science and Technology， Northeast Normal University， Changchun Jilin 130117）

[Abstract] Programming， as the main carrier of the cultivation of computational thinking， has gradually become one of the key courses concerned by K12 education. However， the lack of attention to programming engagement often aggravates the difficulties students face in understanding programming， thus hindering the development of computational thinking. ICAP theory distinguishes the degree of student engagement based on explicit behaviors， providing operable guidance for promoting programming engagement. Therefore， based on ICAP theory， this paper proposes a programming engagement mechanism with programming activities as the support， programming tools as the power， programming partners as the traction， and programming strategies as the means， and conducts an empirical study of unplugged programming in a primary school classroom to explore the effect of this mechanism on students' computational thinking. The results show that the programming engagement mechanism based on ICAP theory can significantly improve students' computational thinking skills. According to the participation behavior patterns of students with different computational thinking levels， the three groups of students have the highest proportion of interactive and cooperative participation behaviors， but students in high scoring groups tend to high-order participation behaviors， and students in middle and low scoring groups show more auxiliary behaviors. In addition， this paper further discusses the programming engagement mechanism based on the empirical results， providing theoretical and practical references for future front-line teachers and related researchers to develop computational thinking in programming education.

[Keywords] Programming Engagement; Engagement Mechanism; Computational Thinking; ICAP Theory; Unplugged Programming

基金項(xiàng)目：2020年度國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間中的學(xué)習(xí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型和干預(yù)機(jī)制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：62077012）；2021年度教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金一般項(xiàng)目“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的后疫情時(shí)代高校彈性教學(xué)策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：21YJA880062）