基于圖形化工具的編程教學(xué)促進(jìn)初中生計(jì)算思維發(fā)展的實(shí)證研究

傅騫解 博超 鄭婭峰

[摘? ?要] 計(jì)算思維已經(jīng)成為中小學(xué)信息技術(shù)課程中核心素養(yǎng)涵蓋的重要組成部分?；诰幊坦ぞ吲囵B(yǎng)中學(xué)生計(jì)算思維作為一種重要的教學(xué)手段得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可。近幾年來(lái)，圖形化編程工具不斷涌現(xiàn)，并大量進(jìn)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(xué)生的計(jì)算思維還有待通過(guò)實(shí)證研究進(jìn)行驗(yàn)證。為此，研究通過(guò)對(duì)45名初中學(xué)生進(jìn)行為期16個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，探究基于圖形化編程工具和文本編程工具兩種不同教學(xué)工具對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的影響及其差異。研究結(jié)果表明，較之于傳統(tǒng)文本編程環(huán)境，采用圖形化編程工具的學(xué)生計(jì)算思維能力提升更為明顯，并能夠完成更為復(fù)雜的創(chuàng)意作品。這一研究發(fā)現(xiàn)將為中小學(xué)階段采用圖形化工具開(kāi)展編程教育，培養(yǎng)計(jì)算思維能力提供有效的實(shí)踐指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞] 計(jì)算思維; 圖形化編程; 問(wèn)題解決能力; 編程教育

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

一、引? ?言

計(jì)算思維是人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一種基本思維方式[1]，是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)[2]。信息時(shí)代，計(jì)算思維已成為個(gè)體在復(fù)雜的技術(shù)文化中獲得成功應(yīng)具備的基本技能[3]。研究指出，計(jì)算思維與學(xué)生的創(chuàng)造力、批判性思維、問(wèn)題解決等諸多技能高度相關(guān)[4]。因此，培養(yǎng)計(jì)算思維有助于提高學(xué)生信息技術(shù)知識(shí)與技能，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科綜合問(wèn)題解決能力[5]。

當(dāng)前，我國(guó)教育領(lǐng)域的計(jì)算思維研究與培養(yǎng)還處于初級(jí)階段，主要對(duì)計(jì)算思維的特征、內(nèi)涵、價(jià)值等進(jìn)行理論探討，并且多集中在高等教育領(lǐng)域[6]。國(guó)外研究則多在K12階段通過(guò)引入計(jì)算工具，采用游戲化或情境化教學(xué)方式，在活動(dòng)中融入計(jì)算思維思想來(lái)輔助學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的[6]。而在諸多提升計(jì)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(guó)際教育界廣泛研究。

我國(guó)研究者隨之也逐步重視基于編程教育對(duì)計(jì)算思維的能力培養(yǎng)，開(kāi)展編程教育成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要手段[7]。尤其近幾年我國(guó)政府大力倡導(dǎo)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(xué)階段廣泛開(kāi)展[8]，圖形化編程工具不斷涌現(xiàn)，并成為中小學(xué)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(xué)生認(rèn)知負(fù)荷、提升學(xué)習(xí)興趣以及提高編程思維等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，更適合中小學(xué)生的認(rèn)知水平[5，9]。然而，編程教育作為計(jì)算思維培養(yǎng)的重要載體，雖然其有效性已經(jīng)得到了諸多學(xué)術(shù)文章基于理論上的推演，但較少采用實(shí)證研究的方式檢驗(yàn)。同時(shí)，尚未發(fā)現(xiàn)有研究者嘗試比較圖形化編程工具與傳統(tǒng)文本編程工具對(duì)中小學(xué)生計(jì)算思維的提升作用。

因此，本文通過(guò)開(kāi)展使用圖形化編程工具和文本編程工具的編程教學(xué)，嘗試對(duì)比二者在提升學(xué)生計(jì)算思維能力上的表現(xiàn)是否有顯著差異。研究通過(guò)對(duì)初中學(xué)生開(kāi)展為期16個(gè)學(xué)時(shí)的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，采用計(jì)算思維測(cè)試題、量表等工具對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行更細(xì)維度的考察，探究基于圖形化編程和文本編程工具在計(jì)算思維培養(yǎng)上的差異。同時(shí)，基于研究結(jié)果，給出具體的建議，為一線教學(xué)及計(jì)算思維研究的開(kāi)展提供思路和借鑒。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）計(jì)算思維培養(yǎng)

計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的思維過(guò)程，指能夠清晰、抽象地將問(wèn)題和解決方案用信息處理代理（機(jī)器或人）所能有效執(zhí)行的方式表述出來(lái)[2]。開(kāi)展計(jì)算思維教育有助于提高學(xué)生信息技術(shù)知識(shí)與技能， 培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科、綜合應(yīng)用學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的能力， 提高學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和創(chuàng)新力[5]。

各國(guó)政府及教育界都對(duì)中小學(xué)階段計(jì)算思維能力的培養(yǎng)給予了極大的重視。其中，英國(guó)于2014年9月推行了以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)課程，美國(guó)于2014年將發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維能力列入了高中計(jì)算機(jī)科學(xué)概論課程目標(biāo)，我國(guó)在2017年公布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中也明確將“計(jì)算思維”素養(yǎng)的培養(yǎng)列入課程的核心素養(yǎng)。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外大量研究者開(kāi)展了對(duì)于K-12階段計(jì)算思維培養(yǎng)的多維度探索。國(guó)外研究者在計(jì)算思維的相關(guān)探索中，較多地嘗試將計(jì)算思維培養(yǎng)融入中小學(xué)的多學(xué)科教學(xué)中。如Swanson等人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，具有豐富計(jì)算環(huán)境的生物課程對(duì)高中學(xué)生的模型識(shí)別能力有較好的培養(yǎng)效果[10];Wolz等人則通過(guò)與語(yǔ)言、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、技術(shù)等學(xué)科教師的合作，將計(jì)算思維培養(yǎng)融入中學(xué)生交互式雜志設(shè)計(jì)項(xiàng)目中[11];Sengupta等人提出將計(jì)算思維融合到中小學(xué)科學(xué)課程中，強(qiáng)調(diào)通過(guò)對(duì)建模和模擬的支持培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，幫助中學(xué)生學(xué)習(xí)物理和生物，并通過(guò)實(shí)證研究來(lái)證明學(xué)習(xí)環(huán)境的有效性[12]。與國(guó)外研究者側(cè)重學(xué)科融合不同，國(guó)內(nèi)研究者更側(cè)重將計(jì)算思維與PBL、協(xié)作學(xué)習(xí)、游戲教學(xué)等不同教學(xué)法結(jié)合，設(shè)計(jì)融入計(jì)算思維的教學(xué)案例或教育游戲[13]。如生詩(shī)蕊構(gòu)建了基于PBL的計(jì)算思維培養(yǎng)模型[14];葛明珠將計(jì)算思維的教學(xué)理念與協(xié)作學(xué)習(xí)模式相結(jié)合，構(gòu)建了CLMCT（Collaborative Learning Model Based on Computational Thinking）教學(xué)模型[15];張立國(guó)等通過(guò)對(duì)計(jì)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(wèn)題解決理念、可視化理念的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)策略[16]。

從這些研究可以看出，我國(guó)研究者當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)為構(gòu)建能夠有效培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)模式，通過(guò)以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)目標(biāo)，嘗試將多種不同的思維方法融合到具體的、多樣的教學(xué)過(guò)程中，使得學(xué)生在多樣的學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得計(jì)算思維的能力。

（二）基于編程教育的計(jì)算思維培養(yǎng)

計(jì)算思維能力的本質(zhì)是將復(fù)雜的問(wèn)題通過(guò)計(jì)算信息處理的方式進(jìn)行表達(dá)的一種能力，因此，大量研究者將編程教育和基于技術(shù)支持的產(chǎn)品相結(jié)合，開(kāi)展了對(duì)計(jì)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(jìn)計(jì)算思維能力提升的途徑。

伴隨技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，中小學(xué)編程教育領(lǐng)域所使用的編程工具也從基于文本的傳統(tǒng)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(lǐng)域廣泛接受。研究表明，圖形化編程能夠提供更為靈活的學(xué)習(xí)過(guò)程，從而幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中保持其創(chuàng)造力[18]。國(guó)內(nèi)不同研究者也嘗試開(kāi)展基于圖形化工具編程的計(jì)算思維培養(yǎng)探索。如趙蘭蘭開(kāi)展了使用Scratch提升小學(xué)生計(jì)算思維能力的研究，通過(guò)分析不同類型代碼塊的個(gè)數(shù)證明圖形化編程提升了學(xué)生的計(jì)算思維能力[19];寧可為針對(duì)初中信息技術(shù)課程特點(diǎn)，利用編程工具App Invertor開(kāi)展課堂教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的計(jì)算思維能力及學(xué)習(xí)興趣得到明顯提升[20]。

盡管編程教育對(duì)計(jì)算思維的重要性已經(jīng)得到認(rèn)同，然而在這一領(lǐng)域開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究仍顯不足。Lye等人在其調(diào)查研究中就指出，基于編程的計(jì)算思維培養(yǎng)的研究更多地體現(xiàn)在概念解釋、文獻(xiàn)綜述，而缺乏實(shí)證的研究[21]。另外，計(jì)算思維是一個(gè)綜合的能力，包含創(chuàng)造、邏輯、抽象、算法、問(wèn)題解決、綜合、調(diào)試等多個(gè)維度[18]。雖然一些研究表明圖形化編程可以有效培養(yǎng)計(jì)算思維、促進(jìn)問(wèn)題解決，然而其與文本編程在培養(yǎng)計(jì)算思維更細(xì)維度上的差異，以及是否存在教學(xué)缺陷等相關(guān)實(shí)證研究還非常少。因而，本研究通過(guò)圖形化工具與文本編輯工具教學(xué)的對(duì)比，探索使用圖形化編程工具學(xué)習(xí)編程對(duì)初中生計(jì)算思維能力提升的影響。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對(duì)象

研究對(duì)象為公開(kāi)招募的45名初中學(xué)生，來(lái)自北京地區(qū)多所中學(xué)，平均年齡為13歲。本研究采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)法，根據(jù)學(xué)生的年級(jí)、性別及是否學(xué)過(guò)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行隨機(jī)分組。22名學(xué)生為實(shí)驗(yàn)組，采用圖形化編程工具教學(xué);23名學(xué)生為控制組，采用文本編程工具教學(xué)。兩組學(xué)生使用相同的教學(xué)方案。所有學(xué)生都能夠熟練操作計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，共回收有效數(shù)據(jù)39份，其中實(shí)驗(yàn)組回收18份，控制組回收21份，其余被試的數(shù)據(jù)因未能完成測(cè)試或完整參加整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)而被舍棄。

（二）研究工具

實(shí)驗(yàn)采用研究者自編的計(jì)算思維試卷（A、B卷）作為測(cè)量工具進(jìn)行前后測(cè)，試卷中的試題全部選自2015和2016年《Bebras國(guó)際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽試題冊(cè)》，因而試題具有良好的區(qū)分度。為進(jìn)一步刻畫(huà)計(jì)算思維，研究選用Selby等人于2013年提出的標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算思維水平進(jìn)一步分解為抽象、算法思想、分解、評(píng)估和泛化這五個(gè)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(píng)估思維和泛化思維五個(gè)思維層面中的兩個(gè)或兩個(gè)以上，題目示例如圖1所示。

在編程工具的選擇上，實(shí)驗(yàn)組使用Mixly for microPython，該工具是由北京師范大學(xué)米思齊團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(xué)生通過(guò)拖拽、拼接圖形塊的方式編寫(xiě)程序?？刂平M采用Python Editor文本編輯工具（Mu），該工具提供了自動(dòng)縮進(jìn)、自動(dòng)補(bǔ)全、語(yǔ)法檢查等功能，降低了初學(xué)者發(fā)生格式和拼寫(xiě)錯(cuò)誤的可能性。兩組均使用micro：bit作為編程教學(xué)的硬件載體。Micro：bit 是一款A(yù)RM 架構(gòu)的單片機(jī)，集成5×5 LED點(diǎn)陣、按鈕、無(wú)線、加速度計(jì)和電子羅盤(pán)等，主要用于青少年編程教育，對(duì)于入門(mén)者而言是較易上手的編程硬件。

（三）實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程主要分為計(jì)算思維前測(cè)、教學(xué)階段、創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)、計(jì)算思維后測(cè)四個(gè)階段。

前測(cè)階段：在正式課程開(kāi)始前，實(shí)驗(yàn)組和控制組的學(xué)生作答計(jì)算思維試卷A卷，時(shí)間為30分鐘。該階段的目的是測(cè)量?jī)山M學(xué)生初始的計(jì)算思維水平是否相當(dāng)。

教學(xué)階段：實(shí)驗(yàn)組和控制組的學(xué)生分別參與16課時(shí)，每?jī)蓚€(gè)課時(shí)完成一個(gè)教學(xué)單元，兩組均采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，由同一名教師授課;講授內(nèi)容相同，涵蓋程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和Micro：bit板載無(wú)線等電子元件的控制知識(shí)。

創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)組和控制組的學(xué)生自選主題，編寫(xiě)程序完成一個(gè)創(chuàng)意電子作品，時(shí)間為80分鐘（2學(xué)時(shí)）。

后測(cè)階段：實(shí)驗(yàn)組和控制組的學(xué)生作答計(jì)算思維試卷B卷，時(shí)間為30分鐘。

四、研究結(jié)果

（一）實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組計(jì)算思維前后測(cè)結(jié)果比較

為研究實(shí)驗(yàn)前后學(xué)生計(jì)算思維水平的變化，分別對(duì)兩組學(xué)生計(jì)算思維水平的前后測(cè)進(jìn)行分析。對(duì)于小樣本研究，異常值的影響尤其顯著，因此，需檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中的異常值。實(shí)驗(yàn)組計(jì)算思維前后測(cè)差值正態(tài)檢驗(yàn)顯著性水平低于0.05，數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，因此，使用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)組計(jì)算思維前后測(cè)的差異，數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表1?？刂平M計(jì)算思維前后測(cè)差值正態(tài)檢驗(yàn)顯著性水平均高于0.05，認(rèn)為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，使用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)分析前后測(cè)的差異，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)分析的顯著性水平（p = 0.001）和配對(duì)樣本T檢驗(yàn)的顯著性水平（p = 0.009）均低于0.05，表明實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)組和控制組的計(jì)算思維水平較實(shí)驗(yàn)前均有顯著提高。說(shuō)明無(wú)論采用圖形化編程還是文本編程，學(xué)生經(jīng)過(guò)16學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)后，計(jì)算思維都有較為明顯的提升。

（二）兩組學(xué)生學(xué)業(yè)水平后測(cè)結(jié)果比較

本研究項(xiàng)目的學(xué)業(yè)水平包含計(jì)算思維水平及創(chuàng)意電子作品質(zhì)量?jī)蓚€(gè)緯度。為研究?jī)山M學(xué)生在編程學(xué)習(xí)前后計(jì)算思維水平是否均有提升，研究使用SPSS分別對(duì)兩組學(xué)生計(jì)算思維測(cè)試題（A、B卷）的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別比較兩組在前后測(cè)的表現(xiàn)是否存在差異。

本研究將被試分為初始能力相當(dāng)?shù)膬山M樣本，采取不同的干預(yù)手段，得到兩個(gè)相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)樣本。由于樣本容量均小于30，屬于獨(dú)立小樣本，因此，采用Shapiro-Wilk Test進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，顯著性水平均大于0.05，表明實(shí)驗(yàn)組及控制組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布。采用Levene Test進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，顯著性水平均大于0.05，表明各組方差沒(méi)有顯著性差異。因此，可以采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)前測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3;可以采用單因素方差分析對(duì)后測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

前測(cè)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)組和控制組學(xué)生在計(jì)算思維水平上沒(méi)有顯著差異（T = 1.58， p = 0.123）;而后測(cè)單因素方差分析結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)組和控制組在計(jì)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(xiàn)（F = 8.69， p < 0.05， η2 = 0.44）上均存在顯著性差異，并且實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)顯著高于控制組。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)前兩組的計(jì)算思維水平相當(dāng);而從后測(cè)得分以及創(chuàng)意電子作品得分看，實(shí)驗(yàn)組的表現(xiàn)明顯優(yōu)于控制組。

（三）實(shí)驗(yàn)組與控制組創(chuàng)意電子作品中計(jì)算思維五維度差異對(duì)比分析

為研究實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)組和控制組學(xué)生的創(chuàng)意電子作品在計(jì)算思維的五個(gè)維度上水平是否有差異，將每個(gè)創(chuàng)意電子作品覆蓋的條目所對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維概念進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表5。

五個(gè)維度上的Wilcoxon檢驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組和控制組學(xué)生的創(chuàng)意電子作品在計(jì)算思維五個(gè)維度中的算法思想（Z = 2.042， p < 0.05）和評(píng)估（Z = 2.784， p < 0.01）這兩個(gè)維度上出現(xiàn)了顯著性差異，且實(shí)驗(yàn)組得分高于控制組。其他三個(gè)維度雖未出現(xiàn)顯著性差異，但從平均分上看，實(shí)驗(yàn)組均高于控制組。

（四）創(chuàng)意電子作品得分與計(jì)算思維后測(cè)得分的相關(guān)分析

單純使用一種測(cè)評(píng)方式很容易導(dǎo)致研究者對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力發(fā)展的理解出現(xiàn)偏差，因此，本研究通過(guò)計(jì)算創(chuàng)意電子作品得分與計(jì)算思維試題得分的一致性，探究計(jì)算思維得分與學(xué)生創(chuàng)意電子作品的表現(xiàn)是否相關(guān)。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，創(chuàng)意電子作品得分和計(jì)算思維試題后測(cè)得分在0.01水平上存在顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.454，見(jiàn)表7。

五、討? ?論

（一）圖形化編程能夠促進(jìn)初中生計(jì)算思維能力培養(yǎng)

在當(dāng)前的研究中，通過(guò)采用實(shí)證研究的方法對(duì)比不同編程工具對(duì)于初中生計(jì)算思維能力的影響。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，基于編程教育的教學(xué)方式可以有效提升學(xué)生的編程思維能力。這也與先前的研究所獲得的結(jié)果較為一致[21]。更進(jìn)一步，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，與文本編程相比較，采用圖形化編程工具的教學(xué)無(wú)論在計(jì)算思維能力提升還是學(xué)生最終的創(chuàng)意作品質(zhì)量表現(xiàn)上都存在顯著性差異。這一結(jié)果也說(shuō)明，對(duì)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(fù)雜代碼編寫(xiě)所帶來(lái)的認(rèn)知難度，從而使得學(xué)生的注意力更關(guān)注于問(wèn)題解決本身，最終使得基于圖形化編程的教學(xué)更有助于提升學(xué)生的計(jì)算思維能力，以及更容易完成更為復(fù)雜的創(chuàng)意作品。進(jìn)一步探討其深層次的原因，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)文本編程語(yǔ)言雖然具有與計(jì)算機(jī)思維極其相似的表示形式，但其晦澀的語(yǔ)法、關(guān)鍵字拼寫(xiě)等細(xì)節(jié)常常加重了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，使得學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。而圖形化編程工具可以有效減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，讓學(xué)生“專注于編程所涉及的邏輯和結(jié)構(gòu)，而不用擔(dān)心編寫(xiě)程序的機(jī)制”[23]。同樣地，在Weintrop等人的研究中也發(fā)現(xiàn)，使用圖形化編程的學(xué)生會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望、更高的學(xué)習(xí)興趣以及對(duì)未來(lái)學(xué)習(xí)更復(fù)雜內(nèi)容的期待[24]。因而使用圖形化編程工具編程的學(xué)員獲得了更大的計(jì)算思維能力提升。

（二）圖形化編程工具更有助于學(xué)生完成高質(zhì)量的創(chuàng)意作品

創(chuàng)意作品作為課程最終作業(yè)的評(píng)估，是對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的一個(gè)考察，也體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)計(jì)算思維能力、問(wèn)題解決能力等的具體實(shí)踐應(yīng)用。在本研究中，教師分別給兩個(gè)組80分鐘的時(shí)間完成創(chuàng)意電子作品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。采用圖形化編程工具的實(shí)驗(yàn)組平均用時(shí)為48分鐘，而采用文本編程工具的控制組在80分鐘時(shí)僅有不到一半的學(xué)生完成了程序的編寫(xiě)。兩組在用時(shí)上的差異與Garner等人的研究結(jié)果[25]相似。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明，實(shí)驗(yàn)組與控制組在創(chuàng)意作品質(zhì)量上存在顯著差異，實(shí)驗(yàn)組平均成績(jī)遠(yuǎn)高于控制組。通過(guò)觀察及課后訪談，這一情況的出現(xiàn)可能存在的原因如下：第一，使用文本編輯工具時(shí)頻繁的報(bào)錯(cuò)和調(diào)試使得學(xué)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(xué)說(shuō)：“為了幫助我們獨(dú)立完成創(chuàng)意電子作品，教師在上課過(guò)程中特意教給了我們一些很實(shí)用的調(diào)試技巧。然而在實(shí)際編程的過(guò)程中，調(diào)試一些因?yàn)榇中亩a(chǎn)生的低級(jí)錯(cuò)誤會(huì)讓我分心，有時(shí)候就忘了接下來(lái)該做什么了?！钡诙?，圖形化編程工具有助于學(xué)生將復(fù)雜的任務(wù)分解為更小、更易實(shí)現(xiàn)且更為明確的內(nèi)部邏輯塊。這也與Maloney的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)生發(fā)生語(yǔ)法錯(cuò)誤的可能性，使得學(xué)生更關(guān)注于問(wèn)題本身，而非不斷地與程序是否能編譯通過(guò)“做斗爭(zhēng)”[26]。更進(jìn)一步，實(shí)驗(yàn)組使用了更為豐富的功能塊，任務(wù)復(fù)雜度和完成性都更好，并且部分學(xué)生開(kāi)始嘗試使用更為優(yōu)化的邏輯完成作品。這也說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始有意識(shí)地評(píng)估自己的代碼，這也與數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基于圖形化編程的實(shí)驗(yàn)組所表現(xiàn)的算法思想和評(píng)估這兩個(gè)維度上都與控制組出現(xiàn)了顯著性差異相一致。

（三）高水平的計(jì)算思維有助于學(xué)生完成高質(zhì)量的創(chuàng)意作品

數(shù)據(jù)分析表明，創(chuàng)意電子作品得分和計(jì)算思維試題后測(cè)得分呈現(xiàn)顯著差異。這一結(jié)果說(shuō)明，具有較高計(jì)算思維能力的學(xué)生能夠完成更復(fù)雜的創(chuàng)意電子作品。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在創(chuàng)意電子作品中，學(xué)生對(duì)于變量和功能的使用，實(shí)驗(yàn)組均多于控制組，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組程序的復(fù)雜度比控制組要高。這一發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步印證，計(jì)算思維作為綜合能力的表現(xiàn)體現(xiàn)了學(xué)生的邏輯思維能力、抽象能力、算法思維、問(wèn)題解決能力等[18]，可以被擴(kuò)展為有利的技術(shù)方法，降低學(xué)生完成創(chuàng)新作品的門(mén)檻。因而，在目前的中小學(xué)編程教育課程中，應(yīng)該將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為核心目標(biāo)，貫穿于課程教學(xué)的整個(gè)環(huán)節(jié)。研究同時(shí)表明，在中小學(xué)編程教育的初級(jí)階段，引入圖形化編程工具將有效提升計(jì)算思維培養(yǎng)的效率，從而使學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和成果。然而值得注意的是，圖形化編程工具作為初學(xué)者編程教學(xué)中的一個(gè)腳手架，不能做到像文本編程工具一樣強(qiáng)大。因此，在教學(xué)中，待學(xué)生掌握了基本的編程知識(shí)且認(rèn)知水平達(dá)到一定層次時(shí)，應(yīng)慢慢撤去這個(gè)腳手架，過(guò)渡到文本編程環(huán)境中。同時(shí)，過(guò)于依賴工具而缺乏獨(dú)立思考，反而會(huì)阻礙計(jì)算思維的發(fā)展，特別是抽象、泛化等能力的形成。

六、結(jié)論與展望

本研究開(kāi)展了初中生采用不同編程工具培養(yǎng)計(jì)算思維能力的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，使用圖形化編程工具和文本編程工具開(kāi)展創(chuàng)意電子設(shè)計(jì)課程均可以提高初中生的計(jì)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(shí)，高水平的計(jì)算思維可以幫助學(xué)生完成更高質(zhì)量的創(chuàng)意作品。這一研究發(fā)現(xiàn)將為中小學(xué)階段采用圖形化工具開(kāi)展編程教育課程提供有力的證據(jù)支撐。

然而，由于時(shí)間和樣本所限，項(xiàng)目研究還存在一定的局限性。在未來(lái)的研究中，可以采用每周1～2學(xué)時(shí)的間斷授課方式，進(jìn)行常態(tài)課堂的整班教學(xué)，從而明確圖形化編程工具在真實(shí)教學(xué)場(chǎng)景下的效果。同時(shí)，由于圖形化編程工具本身也有其局限性，學(xué)生進(jìn)入高中階段最終還是要學(xué)習(xí)文本編程。因而，在編程教育中，何時(shí)從圖形化編程過(guò)渡到文本編程以及如何使學(xué)生將學(xué)習(xí)圖形化編程的經(jīng)驗(yàn)遷移到文本編程學(xué)習(xí)中，也是值得研究的問(wèn)題。

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