協(xié)作編程中的計算思維發(fā)展軌跡研究

吳忭 王戈

摘要：伴隨科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算思維能力成為當(dāng)前社會各行業(yè)人才都應(yīng)具備的重要技能。計算機教育領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)作編程能夠更好地幫助學(xué)生進行編程學(xué)習(xí)，但是在協(xié)作過程中，學(xué)生計算思維的動態(tài)發(fā)展情況卻難以測評?！傲炕褡逯尽保≦uantitative Ethnographv）既是一種對質(zhì)性數(shù)據(jù)進行量化分析的方法，也是一種對專業(yè)能力進行網(wǎng)絡(luò)化建模的技術(shù)，為協(xié)作學(xué)習(xí)過程的分析和評價提供了新的思路。將該方法應(yīng)用于分析協(xié)作編程活動過程中小組成員之間的會話交流內(nèi)容，有利于構(gòu)建學(xué)生計算思維能力不同維度之間關(guān)聯(lián)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型，并揭示不同能力水平的小組在計算思維能力水平上的差異和發(fā)展軌跡。以本科一年級的“C/C++程序設(shè)計基礎(chǔ)”課作為研究情境開展的實證研究發(fā)現(xiàn)，高水平組和低水平組學(xué)生的計算思維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在初期雖有顯著不同，但是隨著協(xié)作任務(wù)的不斷深入，兩組學(xué)生的思維模式趨于相似。該研究結(jié)果表明協(xié)作編程能夠促進初學(xué)者計算思維能力的提升，且量化民族志方法能為計算思維的能力評估提供一種基于質(zhì)性數(shù)據(jù)的大規(guī)模測評方法。

關(guān)鍵詞：計算思維;協(xié)作編程;量化民族志;認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析

中圖分類號：G434文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-5195（2019）02-0076-10 doil0.3969/jissn.1009-5195.2019.02.009

一、引言

近年來，移動通訊、普適計算、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)，在社會各方面引發(fā)了一系列革命性的突破，極大地改變了人們對計算和計算機的認(rèn)識。龐大的數(shù)據(jù)資源使得學(xué)術(shù)界、商界、政府等各個領(lǐng)域開始其數(shù)字化進程。隨著這一進程的不斷深入，無處不在的計算思維成為人們認(rèn)識和解決問題的基本能力之一。2016年，我國高等教育教學(xué)指導(dǎo)委員會推動和組織了有關(guān)在大學(xué)計算機課程體系中融人“計算思維”培養(yǎng)的相關(guān)研究工作。在計算思維的教學(xué)體系中，應(yīng)正確處理好知識、能力和思維的關(guān)系，通過講授計算機的基本理論和技術(shù)，揭示計算思維的內(nèi)容。但是由于計算機語言語法邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，初學(xué)者難以熟練使用計算思維解決問題，且課堂教學(xué)任務(wù)繁重，學(xué)生學(xué)習(xí)編程的自信心不足，學(xué)習(xí)興趣也大大下降。采用何種教學(xué)策略解決普遍性問題是研究人員所關(guān)注的核心。已有研究表明，團隊協(xié)作是一種有效的教學(xué)策略。它能夠模擬軟件公司中實際的軟件開發(fā)工作模式，帶給學(xué)生真實的軟件開發(fā)項目體驗，提高學(xué)生的協(xié)作能力和編程技能。在項目實踐中，學(xué)習(xí)者也可相互學(xué)習(xí)，從而提升編程的自信心和學(xué)習(xí)興趣，達到共同進步的目的。通過讓學(xué)生以團隊協(xié)作的形式完成編程項目的教學(xué)方法又被稱為“協(xié)作編程”。協(xié)作編程作為一種計算機教育方式有諸多優(yōu)勢，比如，提高編程學(xué)習(xí)效率，減少編程錯誤，促進相互學(xué)習(xí)，提高問題解決的自我效能等（Wil-liams&Kessler，2002;Denner et al，2014）。計算機教育中越來越多的協(xié)作編程教學(xué)方法的應(yīng)用表明，協(xié)作編程已成為計算機編程教育的發(fā)展趨勢。

目前關(guān)注協(xié)作編程的研究人員主要關(guān)注對學(xué)生編程結(jié)果的評價，如學(xué)生的課程成績分析、編程項目成績分析、編程代碼質(zhì)量分析等。但團隊協(xié)作完成的作品并不能完全反映小組中每一位學(xué)生參與協(xié)作編程時的投入程度、思維過程和能力水平。Lve和Koh（2014）指出可以通過記錄學(xué)生在編程時口頭表達的思維過程（又稱有聲思維），并結(jié)合其編程過程進行分析。然而，學(xué)生在參與討論時的話語會涉及計算思維的不同能力維度和要素，如何動態(tài)建模學(xué)生計算思維各維度之間的發(fā)展變化及其相互關(guān)系是質(zhì)性分析的難點。其次，學(xué)生的編程能力水平不同，不同小組的協(xié)作編程行為模式也各異，這對探索不同編程學(xué)習(xí)階段的協(xié)作編程行為模式，及其所反映的編程團隊的計算思維能力發(fā)展情況提出了挑戰(zhàn)。因此，本研究通過分析游戲開發(fā)任務(wù)中初學(xué)者的協(xié)作編程過程和完成編程任務(wù)的策略方式，建立計算思維發(fā)展軌跡模型，進而為培養(yǎng)計算思維能力的協(xié)作編程學(xué)習(xí)模式提供實證依據(jù)。

二、理論基礎(chǔ)

1.計算思維

“計算思維”一詞最早由美國麻省理工學(xué)院的西蒙·帕佩特（SeymourPapert）教授提出，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機系主任周以真教授對其進行了進一步的闡釋，指出計算思維不僅僅是計算機科學(xué)家應(yīng)具備的能力，它是每一個人都應(yīng)學(xué)習(xí)和熟練運用的專業(yè)思維方式和技能。然而，對計算思維概念的界定學(xué)術(shù)界仍存在不少爭議。例如，Chao（2016）將計算思維視作問題解決的過程，并從計算設(shè)計（理解問題、設(shè)計解決方案），計算實踐（解決問題）和計算表現(xiàn)（測試方案）三個方面對計算思維進行研究。該分類側(cè)重于關(guān)注計算思維問題解決的認(rèn)知水平。也有學(xué)者將計算思維視為一種更為全面的能力，如Brennan和Resnick（2012）認(rèn)為，計算思維包-括計算概念（核心概念）、計算實踐（應(yīng)用概念）和計算認(rèn)識（對計算思維的作用和局限的認(rèn)識）。雖然學(xué)者們對于計算思維概念的界定沒有達成共識，但大家普遍認(rèn)為，計算思維并不是單一的認(rèn)知技能，而是不同能力維度的有機結(jié)合。因此，在研究和評估計算思維能力時，應(yīng)該考慮到計算思維不同維度的層次結(jié)構(gòu)，以及各維度的子能力和不同子能力之間的聯(lián)系。

計算思維提出后受到眾多計算機教育領(lǐng)域研究者的關(guān)注。已有研究表明，關(guān)于培養(yǎng)計算思維能力的課程設(shè)計中，計算機編程教育是最常見的（Lye&Koh，2014）。編程不僅能培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，也能作為計算思維能力的示范（Grover&Pea，2013）。以往關(guān)于編程教育的研究往往側(cè)重于對初學(xué)者編程能力的考察，缺乏對計算思維能力在編程學(xué)習(xí)階段發(fā)展情況的全面評估。此外，計算思維能力的評估通常側(cè)重于總結(jié)性評價，如問卷和測驗分?jǐn)?shù)（Zhong et al，2016;Korkmaz et al，2017;Rom6n-Gonzmez et al，2017），而對編程促進計算思維發(fā)展的形成性評價較少，且傳統(tǒng)的評價更側(cè)重于單一的編程結(jié)果。例如，Kafai等人（2014）依據(jù)Brennan和Resnick的三維框架，研究了學(xué)生在三個維度上計算思維的發(fā)展情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)編程代碼的混合重組對計算思維能力的發(fā)展有顯著作用。但是，該研究并沒有考慮計算思維三個維度之間的聯(lián)系，而是分別對每個維度進行了評估。在此基礎(chǔ)上，Chao（2016）探索了三者之間的關(guān)系，并通過聚類分析識別出編程學(xué)習(xí)的獨特模式。但他對這些關(guān)系的描述仍然是粗粒度的，而且也沒有將計算思維視作整體來考察各維度問的協(xié)同發(fā)展。

2.協(xié)作編程

協(xié)作編程（Cooperative Programming）被定義為一組學(xué)生通過分別扮演代碼編寫、任務(wù)分析和代碼評估等不同角色，在交流討論過程中，共同完成編程任務(wù)、解決編程問題的教學(xué)方法。這種教學(xué)方法源于認(rèn)知和社會建構(gòu)主義的教學(xué)理念，將社會性學(xué)習(xí)視為一種基于先備知識和社交互動體驗的積極建構(gòu)新知的過程（Kalaian&Kasim，2014）。它也反映了認(rèn)知要素可以分布在不同的人、工具和作品之中的觀念（Bedand&Lee，2011;Mangalaraj et al，2014）。協(xié)作編程一直是研究者認(rèn)為能夠支持項目編程的有效方法，尤其是對經(jīng)驗不足的學(xué)習(xí)者來說，該方法更有助于培養(yǎng)計算思維和掌握編程知識（Denner et a1，2014），同時也有助于提升學(xué)習(xí)者的問題解決能力和編程學(xué)習(xí)的自信心（Beck&Chizhik，2013）。但是，目前的研究仍然缺少在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展觀點基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的新手程序員編程特征模式的拓展，比如對團隊協(xié)作如何幫助協(xié)調(diào)組內(nèi)角色，建立共識，解決真實編程任務(wù)的研究。

在以往關(guān)于計算機編程教育的實證研究中，研究者往往面臨兩個困境。首先，對編程代碼質(zhì)量的分析僅局限于對計算思維的基本知識和技能的測量（Wang&Hwang，2012），學(xué)生在編程作品中出現(xiàn)的代碼元素并不一定能說明其對編程問題本質(zhì)的理解（Brennan&Resnick，2012）。為了更好地研究包括計算實踐和計算認(rèn)識在內(nèi)的深度學(xué)習(xí)，可以通過記錄學(xué)生在編程時口頭表達的思維過程，捕捉和分析他們的屏幕編程過程（Lye&Koh，2014）。其次，研究者們往往將不同的維度割裂分析，而沒有將他們視為相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同發(fā)展的能力（Khosa&Volet，2014;Kwon et al，2014）。在Shaffer（2006）看來，專業(yè)知識、技能、學(xué)科認(rèn)識論、價值觀和專業(yè)身份等是相互交織和促進的，專業(yè)能力正是通過這些不同能力維度之間的聯(lián)系來體現(xiàn)。例如，在某個專業(yè)領(lǐng)域（如醫(yī)學(xué)）塑造一個人的個人身份（如醫(yī)生）需要通過實踐（如治病）來展示他在該領(lǐng)域的能力，反過來，這樣的專業(yè)身份又可以激勵自己更加努力地實踐從而提升領(lǐng)域的知識和技能（foster&Shah，2016）。因此，為了系統(tǒng)客觀地評估編程初學(xué)者的計算思維能力水平和發(fā)展軌跡，我們需要深入分析協(xié)作編程過程中所展現(xiàn)的計算思維各能力維度，以及各維度下不同要素之間的關(guān)聯(lián)。

3.量化民族志

為了研究協(xié)作編程中學(xué)習(xí)者的計算思維發(fā)展過程，一種有效的方法是分析參與協(xié)作編程的學(xué)生之間的討論交流內(nèi)容。Leung（2012）認(rèn)為，民族志研究有助于我們對社會性學(xué)習(xí)過程的理解。但是，傳統(tǒng)的民族志研究是較為費時費力的質(zhì)性分析，很難開展大規(guī)模的分析評估。為了解決分析海量會話數(shù)據(jù)的困難，Shaffer（2017）提出了一種叫做“量化民族志”的分析方法。量化民族志的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析（Epistemie Network Analysis，ENA），這是一種對專業(yè)能力進行網(wǎng)絡(luò)化建模的技術(shù)。ENA的核心思想是通過計算各個能力編碼在對話的上下文中的共現(xiàn)次數(shù)，從而建立整個對話過程所體現(xiàn)的、反映不同能力編碼之間聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)化表征。它將專業(yè)能力的各個元素所構(gòu)成的高維空間網(wǎng)絡(luò)，通過奇異值分解的方法投影到二維平面上，各元素問線條的粗細代表元素問的關(guān)聯(lián)強弱，亦即討論中共現(xiàn)頻次的高低。因此，基于學(xué)習(xí)討論的內(nèi)容，構(gòu)建反映專業(yè)能力的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖，可以分析并比較不同學(xué)生個體或?qū)W習(xí)小組的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點及差異。本研究試圖將ENA應(yīng)用于計算機編程教育中，分析學(xué)生的計算思維發(fā)展情況，采用類似一般新手一專家的比較研究方法揭示高低編程水平的學(xué)生其計算思維能力發(fā)展的特征、軌跡和差異。

綜上所述，本研究主要探究以下兩個問題：

問題1：在完成協(xié)作編程任務(wù)的過程中，高水平組和低水平組的學(xué)生在計算思維能力模式上各自具有怎樣的特點（即計算思維的各能力維度之間呈現(xiàn)何種關(guān)聯(lián)）？

問題2：在完成協(xié)作編程任務(wù)的不同階段，高水平組和低水平組學(xué)生的計算思維能力的發(fā)展軌跡呈現(xiàn)怎樣的特點？

三、模型建立

建立對計算思維的可操作評價模型，需要從評價維度與評價方法兩方面著手。在評價維度上，本研究采用Brennan和Resnick的三維框架，將計算思維的評價維度界定為專業(yè)概念、專業(yè)實踐和專業(yè)認(rèn)識。此框架實現(xiàn)了對學(xué)生的計算思維的概念理解、從設(shè)計到開發(fā)的計算思維實踐活動，以及學(xué)生對計算機科學(xué)的認(rèn)知和觀念轉(zhuǎn)變這三個層面的關(guān)注與評估。在評價方法上，本研究采用“以證據(jù)為中心”的評價設(shè)計模式（Evidence-Centered Design，ECD）。該模式是Mislevy等人提出的關(guān)于能力評價的有效測評模式（Mislevy etal.，2003）。近幾十年學(xué)習(xí)科學(xué)研究形成的共識是，深度學(xué)習(xí)的發(fā)生和能力的習(xí)得往往都是基于社會互動和情境化的。因此，能力評估需要在創(chuàng)設(shè)的實境學(xué)習(xí)情境之中，來獲得關(guān)于行為的證據(jù)并對這些證據(jù)進行建模。而ECD正是這樣一種設(shè)計、制作和提供教育評估的概念框架，它包括三個關(guān)鍵組成部分，分別是領(lǐng)域分析、領(lǐng)域建模、能力評估。領(lǐng)域分析是指關(guān)于特定領(lǐng)域的態(tài)度、能力以及專業(yè)知識的信息;領(lǐng)域建模是指能夠證明學(xué)生熟練程度的證據(jù)結(jié)構(gòu);能力評估是指能夠分析學(xué)生熟練程度的評估工具或評估模型。在本模型中，筆者將依照該模式對計算思維的發(fā)展評估進行設(shè)計。具體而言，領(lǐng)域分析模塊界定為計算思維領(lǐng)域的能力評價及發(fā)展軌跡分析;領(lǐng)域建模中的證據(jù)結(jié)構(gòu)包含計算思維發(fā)展過程中的表現(xiàn)行為、話語、制品、過程及反饋，其中關(guān)于證據(jù)的獲得筆者設(shè)計了基于項目的協(xié)作學(xué)習(xí)活動，以實現(xiàn)構(gòu)建社會性的、真實問題的學(xué)習(xí)環(huán)境;能力評估模塊依照計算思維的評價維度設(shè)計了對專業(yè)概念、專業(yè)實踐、專業(yè)認(rèn)識三個視角的編碼框架。三個模塊共同構(gòu)成了協(xié)作編程學(xué)習(xí)中的計算思維評價模型（如圖1所示）。

四、實驗研究

1.研究對象

在本研究中，筆者以華東地區(qū)某大學(xué)教育技術(shù)專業(yè)一年級的“C/C++程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程為研究情境。在該門課中有四周時間，學(xué)生將以小組形式（每組3～4名學(xué)生，學(xué)生自由組合）在課外共同完成兩個相關(guān)聯(lián)的游戲開發(fā)項目作為課程作業(yè)，學(xué)生在參與課程學(xué)習(xí)之前基本沒有編程經(jīng)驗。項目要求各組學(xué)生在課后約定同一時間和地點共同完成項目任務(wù)。每次編程過程中，每組學(xué)生需共同使用一臺電腦進行編程操作，其中一名組員負(fù)責(zé)編寫代碼，其他組員負(fù)責(zé)查看代碼是否正確，并共同討論編程思路。由于研究對象是編程初學(xué)者，對操作的不熟練使得實驗過程中的多人協(xié)作活動更側(cè)重于二人協(xié)作編程的模式，即一人編寫代碼，其余人提出建議。每一次的討論，編程者的角色可以更換，整個項目分多次完成。本研究根據(jù)項目完成表現(xiàn)選擇了最具代表性的兩組進行深度分析，并采用錄屏的方式收集分析數(shù)據(jù)。

2.任務(wù)設(shè)計

該課程中的編程項目需要學(xué)生利用所學(xué)的編程知識完成真實的應(yīng)用程序開發(fā)，并隨著學(xué)生所掌握編程技能和知識的增多，項目會逐漸加大難度。

圖2是本研究選擇的兩個項目的主界面。第一個項目要求學(xué)生開發(fā)基于控制臺的字符格式的魚塘模擬應(yīng)用程序。在這個程序的主界面中，魚缸、魚、魚餌和魚鉤用不同的顯示字符表示。魚塘中所有物體按既定的方式運動。例如，隨機出現(xiàn)的四條魚在魚塘中自左向右水平勻速運動，到右側(cè)邊緣后再重新從左側(cè)出現(xiàn)，循環(huán)往復(fù)。第一個項目的學(xué)習(xí)目標(biāo)是幫助學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的基本技能，以及基本的c語言語法知識，如循環(huán)、分支、數(shù)組、參數(shù)傳遞和函數(shù)調(diào)用等。第二個項目是在第一個項目基礎(chǔ)上，實現(xiàn)圖形用戶界面的魚塘模擬。完成項目的目的是希望學(xué)生初步建立面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，掌握相關(guān)概念（如類和對象、類的屬性和方法、對象之間的調(diào)用、類的繼承）以及圖形用戶界面的編程技術(shù)（包括繪圖、動畫、交互事件等）。

3.數(shù)據(jù)采集與分析

兩組學(xué)生在協(xié)作編程過程中都需要進行錄屏，除了提交編程作品之外，還要提供協(xié)作編程全程討論交流的音視頻數(shù)據(jù)。研究所采用的錄屏軟件是Camtasia，用于記錄小組在Visual Studio 2015 IDE環(huán)境下的編程過程，以及編程過程中的組內(nèi)對話，并通過筆記本電腦前置攝像頭記錄所有成員在編程中的交流情形。這樣，通過攝像頭錄制的學(xué)生交流的視頻信息可以幫助區(qū)分交流語音中不同學(xué)生的發(fā)言內(nèi)容，也可以和錄屏的代碼編寫過程進行相互印證。數(shù)據(jù)分析過程包括對各組在協(xié)作編程過程中的會話內(nèi)容進行采集、轉(zhuǎn)錄、編碼，最后采用認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)建模的方法進行量化分析。具體的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析方法詳見第五部分。兩個小組在完成兩個項目的合作編程任務(wù)中生成的錄屏數(shù)據(jù)時長473分鐘，以每個組員的發(fā)言作為編碼單位，將語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄為文字稿，得到的發(fā)言條數(shù)為1533條。

4.編碼方案

筆者在Brennan和Resnick（2012）提出的三維計算思維框架的基礎(chǔ)上設(shè)計編碼方案，用來分析學(xué)生在協(xié)作編程中的對話數(shù)據(jù)（見表1）。第一個維度的專業(yè)概念是指編程語言中的核心概念，如順序、循環(huán)、條件、運算符和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等;第二個維度的專業(yè)實踐是指學(xué)生的編程活動，如代碼的增量和迭代、測試和調(diào)試、重用和混合、模塊化和抽象化;第三個維度的專業(yè)認(rèn)識是指學(xué)生對于程序設(shè)計的認(rèn)識，比如將軟件程序作為自我表達的工具，或者是對計算技術(shù)的功能和局限性提出疑問。

為了對小組項目活動的會話內(nèi)容進行編碼，首先將音視頻轉(zhuǎn)錄成文字，而轉(zhuǎn)錄稿中的對話記錄體現(xiàn)了發(fā)言人的對話輪次。每輪發(fā)言的內(nèi)容（即一條對話記錄）作為一個分析單元，可以歸類到一個或多個編碼中。所有對話記錄由兩名研究人員獨立編碼，編碼結(jié)果具有很好的一致性（Kappa=0.83）。關(guān)于編碼評分的差異，研究人員通過討論協(xié)商解決。五、分析結(jié)果

通過評估各組的程序作品來確定小組的編程表現(xiàn)，課程教師從四個維度對學(xué)生作品進行打分，包括代碼正確性、功能完整性、代碼簡潔性和設(shè)計創(chuàng)意性。每個維度的分?jǐn)?shù)范圍是0～5分，滿分為20分。對全班15個組的成績進行統(tǒng)計后得出，平均分為14.50，標(biāo)準(zhǔn)差為4.19。將平均分作為分割線，將所有小組劃分為高能力組和低能力組，從高低能力組中各選擇一個小組的學(xué)生，進行量化民族志分析。高能力組（總分為18.6）中，組員是三名男生，分別匿名用GZR、ZMZ和LYX表示;低能力組（總分為13.84）中，組員是兩名男生和一名女生，分別匿名用WXL、ALM和CJM（女）表示。

為了說明高能力組和低能力組在協(xié)作編程活動中的交流互動模式，筆者選擇其中一個會話片段作為定性的會話文本分析案例，以展示學(xué)生編程活動中的討論內(nèi)容，然后通過認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果來進一步說明所節(jié)選的會話片段如何反映兩組學(xué)生的計算思維能力特點和發(fā)展趨勢。

1.在控制臺上輸出魚塘

第一個項目的第一個任務(wù)是要求學(xué)生輸出一個魚塘，32列代表魚塘的寬度，8排代表魚塘的深度（見圖2左）。高能力組學(xué)生采用自頂向下的方式來分析解決問題，從分析探討問題的計算表達（專業(yè)認(rèn)識），到如何定義變量和方法（專業(yè)實踐），再進一步到研究方法中的參數(shù)選擇和變量作用域的相關(guān)知識（專業(yè)概念）（見表2）。首先，#1 GZR和#2LYX確定了任務(wù)目標(biāo)并將目標(biāo)分解為兩個計算表達的任務(wù)步驟，即魚塘生成和魚塘輸出。隨后，#3ZMZ提出在編程中實現(xiàn)第一個任務(wù)可以用到的方法。然后他們開始討論方法的定義和調(diào)用這種數(shù)據(jù)模塊化的操作，進而來實現(xiàn)生成魚塘的功能（#5～#7）。#8 ZMZ進一步提出疑問，就具體代碼編寫中定義變量所要考慮的作用域問題展開討論。

相反，在編程初期，低能力組的談?wù)搩?nèi)容始終圍繞計算概念展開（見表3），例如，數(shù)組的維度和變量類型（#2～#4）、嵌套循環(huán)（#5～#12）、打一些基礎(chǔ)概念比較模糊，他們需要花費一定的時間來厘清嵌套循環(huán)中內(nèi)外循環(huán)的作用、二維數(shù)組中兩個維度的索引和二維數(shù)組變量取值的含義。

2.認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析

ENA的核心思想是通過計算各個編碼在對話上下文中的共現(xiàn)次數(shù)，從而建立整個對話過程中所有編碼之間聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)化表征。ENA分析過程如圖3所示，首先，根據(jù)小組成員會話中每個人的發(fā)言對數(shù)據(jù)進行分割，基于計算思維的編碼框架對每條發(fā)言的內(nèi)容進行編碼。其次，根據(jù)任意兩個編碼在一個固定長度的對話線索（稱為對話窗）中共現(xiàn)與否，生成編碼共現(xiàn)的鄰接矩陣。最后，通過在整個對話中滑動對話窗得到的所有鄰接矩陣?yán)奂硬凑站仃嚨男姓归_為鄰接向量，通過歸一化操作和奇異值分解，生成一個二維投影平面的旋轉(zhuǎn)矩陣，用來表征高維編碼網(wǎng)絡(luò)在二維的投影。

通過建立基于全部對話數(shù)據(jù)的量化分析模型，可以為上述定性分析結(jié)果提供統(tǒng)計意義上的證據(jù)支持，并進一步確定高水平組和低水平組的計算思維能力發(fā)展趨勢。筆者根據(jù)學(xué)生的對話編碼數(shù)據(jù)繪制了兩個小組以及各個學(xué)生的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖。圖4中的圓點代表每個學(xué)生的計算思維認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖的質(zhì)心，正方形代表各組成員的網(wǎng)絡(luò)圖質(zhì)心的平均值（或可視為小組網(wǎng)絡(luò)圖的質(zhì)心），黑框代表各組的質(zhì)心位置在95%水平上的置信區(qū)間。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果顯示，生成的二維投影中第一維度（x軸）占數(shù)據(jù)總體方差的34%，第二維度（Y軸）占數(shù)據(jù)總體方差的27%。從圖4可以看出，兩個組的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在第一維度的數(shù)據(jù)差異是顯著的（高能力組M=0.24，低能力組M=-0.24，t=4.143，p=0.019<0.05，Cohens d=4.143），而在第二維度的數(shù)據(jù)卻沒有顯著差異。這兩個二維投影的坐標(biāo)維度的含義可以通過圖3的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖進行解釋。

為了進一步分析這兩個組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的差異，筆者繪制了這兩個小組整體上的平均認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)（如圖5）。ENA網(wǎng)絡(luò)模型中線條的粗細和飽和度代表元素間連接的強弱。圖5b顯示，高水平組各元素問的連接更為復(fù)雜，在測試和調(diào)試以及與循學(xué)生的計算思維認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)【右圖為左圖中心區(qū)域的局部放大）環(huán)之間的連接相較低能力組更強，說明高能力組學(xué)生在完成編程任務(wù)時更多關(guān)注代碼的測試和調(diào)試循環(huán)（C.Loo）之間的關(guān)系;而低能力組更多是在提出計算思維相關(guān)的疑問、重用和混合、增量和迭代以及序列之間進行交流。此外，從圖5中還可以看出，與其他元素連接最緊密的是計算表達，兩個組都強調(diào)了其他元素和計算表達之間的聯(lián)系。通過將圖5a和圖5b相減可以得出圖5c，圖5c能夠更清晰地看出高低能力組學(xué)生平均認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的差異。如果兩組存在元素間連線的重疊，最終呈現(xiàn)出來的是連接較強組的線條，并且線條粗細都會相互疊減。從圖5c可以看出，低能力組更側(cè)重于左邊區(qū)域元素問的連接，高能力組更側(cè)重于右邊元素的連接，這也印證了前文得出的二者在第一維度上差異性顯著、在第二維度上無顯著性差異的結(jié)論。

接下來，筆者通過分析這兩個組在完成各項項目不同階段的計算思維認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)軌跡，以期了解高低能力組的計算思維變化趨勢。由于高能力組分3次完成了第一個項目，1次完成了第二個項目，而低能力組分3次完成了第一個項目，通過2次討論后完成了第二個項目，因此可以對各組每次的談話分別構(gòu)建認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖，從而得到高能力組學(xué)生的4次計算思維網(wǎng)絡(luò)圖和低能力組學(xué)生的5次計算思維網(wǎng)絡(luò)圖。

圖6中各點是根據(jù)每個學(xué)生的各次討論生成的網(wǎng)絡(luò)圖質(zhì)心，可以發(fā)現(xiàn)，兩組學(xué)生的計算思維能力呈現(xiàn)出不同的發(fā)展軌跡。在項目開始時，不同小組學(xué)生的計算思維各維度呈現(xiàn)顯著差異（具體表現(xiàn)為每位學(xué)生的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖質(zhì)心在二維投影平面上所處的位置），而組內(nèi)學(xué)生之間的網(wǎng)絡(luò)圖質(zhì)心位置相對接近;但值得注意的是，隨著協(xié)作編程過程的深入，兩組成員的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖質(zhì)心位置趨于一致。圖6顯示，雖然高能力組學(xué)生在開始時更多地關(guān)注其他計算思維的能力維度與抽象化和模塊化、以及程序測試之間的關(guān)系，而低能力組更多地關(guān)注其他能力維度與重用和混合之間的關(guān)系，但網(wǎng)絡(luò)軌跡顯示這兩組最終趨近于相似的計算思維能力模式，即均建立起其他能力維度與增量和迭代之間的顯著聯(lián)系。

六、研究討論

1.計算思維結(jié)構(gòu)存在雙向思維特征

在協(xié)作編程的不同階段，筆者選取兩組學(xué)生的典型會話片段進行定性分析，對具體問題解決過程中所體現(xiàn)的計算思維能力特征進行了微觀分析和詮釋。此前Chao（2016）的研究揭示了編程實踐、程序設(shè)計思維以及編程表現(xiàn)之間的關(guān)系，本研究的質(zhì)性分析進一步拓展了他的研究成果，可以看到編程問題解決存在自頂向下和自底向上的雙向思維過程。從自頂向下的角度來看，學(xué)生首先應(yīng)該分析需求，思考如何通過程序設(shè)計表征問題，然后進一步分析實現(xiàn)這一設(shè)計目標(biāo)使用的具體技術(shù)方案。而從自底向上的角度來看，學(xué)生還需要考慮技術(shù)實現(xiàn)的可能性和局限性，從而尋找更優(yōu)的解決方案并對原型設(shè)計進行改進，甚至從根本上重構(gòu)整個系統(tǒng)實現(xiàn)的方式。高能力組和低能力組就具體編程任務(wù)的討論，體現(xiàn)了兩組學(xué)生的計算思維結(jié)構(gòu)特征分別側(cè)重于建立專業(yè)認(rèn)識和專業(yè)實踐，以及專業(yè)概念和專業(yè)實踐之間聯(lián)系的差別。

2.高低能力組學(xué)生的計算思維發(fā)展存在趨同演化趨勢

通過對各組會話內(nèi)容進行編碼和建立認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型，可以從定量角度進一步揭示高低水平小組的計算思維能力差異和發(fā)展軌跡的不同。追蹤分析發(fā)現(xiàn)，雖然在項目最初不同水平的編程小組之間，其計算思維特征存在顯著差異，但隨著項目的不斷迭代，低能力組表現(xiàn)出的思維特征不斷向高水平組趨同。具體而言，在項目一開始高能力組更多關(guān)注代碼功能模塊，同時在協(xié)作編程期間他們不斷地提高調(diào)試技巧;而低能力組在協(xié)作編程過程中更多關(guān)注代碼行的次序正確與否，并且在編程過程中主要采用復(fù)制和粘貼代碼的方式來完善程序，是一種相對低效、淺層次的程序修補策略。隨后高能力組的計算思維網(wǎng)絡(luò)從抽象設(shè)計和代碼的模塊化，延伸到創(chuàng)建和應(yīng)用不同類型的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)其設(shè)計，最終不斷完善和改進程序。然而，在低能力組的編程過程中，一開始他們試圖重用和混合已有的代碼片段，這表明他們沒有在編程之前制定計劃，并沒有對項目問題和編寫的代碼進行深入思考，他們甚至質(zhì)疑技術(shù)實現(xiàn)的可行性;但隨著編程經(jīng)驗的累積和對已完成的程序重新審視和反思，在后續(xù)程序開發(fā)中，他們逐步意識到不斷迭代優(yōu)化程序?qū)崿F(xiàn)方式的重要性，并且加深了對面向?qū)ο笤O(shè)計思想的理解，最終他們的思維結(jié)構(gòu)特征逐步向高水平組靠攏。

綜上所述，已有研究表明定量的民族志方法是一種很有前景的對質(zhì)性數(shù)據(jù)進行量化分析的方法，它可以推廣至其他專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)科思維或能力評價中，并為協(xié)作學(xué)習(xí)過程的分析評價提供了新的思路。在研究學(xué)生的專業(yè)能力發(fā)展時，我們首先基于理論驅(qū)動的認(rèn)知模型設(shè)計編碼方案，再將會話數(shù)據(jù)進行編碼，利用認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析工具以及跟蹤分析的方法分析小組合作編程在項目編程初期、中期和末期的能力模型特征和軌跡，從而建立學(xué)生的領(lǐng)域認(rèn)知模型。這就實現(xiàn)了將社會性學(xué)習(xí)過程中的會話交流外顯化，使我們可以獲得基于學(xué)習(xí)證據(jù)的個人及小組的能力水平和發(fā)展軌跡，并據(jù)此提供更有針對性的協(xié)作學(xué)習(xí)干預(yù)。當(dāng)然，本研究尚屬探索性質(zhì)，還存在一些不足。例如，我們只選擇了兩個具有代表性的小組的編程項目展開分析，由于樣本量較小，使得本研究建立的計算思維模型未必可以直接推廣到其他程序設(shè)計課程情境和學(xué)生群體中。未來的研究中將增加個案，提高研究結(jié)果的泛化效果。此外，在研究過程中我們主要將會話編碼為計算思維的特定能力維度，未采用其他已采集的數(shù)據(jù)，且只分析了會話中是否涉及到該維度能力，而并未評價這個維度上能力的高低。未來研究中我們可以進一步改進認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析法，采用多模態(tài)數(shù)據(jù)建模方法以及加權(quán)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對學(xué)生專業(yè)認(rèn)知能力更為精細的建模分析。