人工智能輔助會(huì)話式編程：一種性別包容的程序設(shè)計(jì)教學(xué)法

王筱竹 Joseph Osunde　Danny Barthaud　Yijun Yu

【摘 要】 由于對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和職業(yè)的陌生和畏懼，技術(shù)落伍群體認(rèn)識(shí)不到與真實(shí)世界之間存在的聯(lián)系，使得將計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)教學(xué)普及到這些群體成為近年來的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。英國開放大學(xué)等機(jī)構(gòu)通過使用技術(shù)手段設(shè)計(jì)開發(fā)教育類游戲等方式在STEM領(lǐng)域擴(kuò)大學(xué)生參與度，使技術(shù)落伍群體（包括很多女性）提高對(duì)計(jì)算機(jī)編程的興趣。本文使用以亞馬遜語音技能工具包（ASK）為代表的人工智能工具，讓學(xué)生通過語音會(huì)話式交互學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)技術(shù)，探討了如何把序列性會(huì)話轉(zhuǎn)換為層次性決策樹驅(qū)動(dòng)的交互會(huì)話，提供了一種基于知識(shí)圖譜的教學(xué)法，通過個(gè)人軟件助理——“大聲說程序”（Ask Program Aloud）引導(dǎo)人機(jī)對(duì)話。通過具體案例和用戶參與，定性評(píng)估了使用“大聲說程序”發(fā)起對(duì)話這個(gè)方法的有效性。結(jié)果表明，人工智能確實(shí)能夠提升參與者對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程技能的興趣，既可以支持目前單向會(huì)話形式的計(jì)算機(jī)編程教學(xué)，也可以鼓勵(lì)技術(shù)相對(duì)落伍的學(xué)習(xí)者群體獲得計(jì)算機(jī)編程能力，進(jìn)一步提高社交友好性和技能轉(zhuǎn)化能力。

【關(guān)鍵詞】 人工智能；語音技能工具包；“大聲說程序”；交互編程；會(huì)話式編程；計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；動(dòng)畫；數(shù)字游戲

【中圖分類號(hào)】 G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1009-458x（2018）8-0070-09

一、問題提出

一般情況下，技術(shù)可以被定義為銜接科學(xué)和工程的接口。美國醫(yī)學(xué)國家圖書館（United States National Library of Medicine， 2010）把技術(shù)定義為“把包括工具、技巧、產(chǎn)品、過程和方法在內(nèi)的科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐任務(wù)”?，F(xiàn)代社會(huì)技術(shù)無處不在，普遍存在于醫(yī)療衛(wèi)生、安全、通信、教育等各個(gè)領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，要在教與學(xué)的過程中傳授技術(shù)的抽象概念需要進(jìn)行高層次的思考和令人愉悅的操練（Carbonaro， Szafron， Cutumisu， & Schaeffer， 2010）。近年來，教育技術(shù)在推廣STEM[科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科教育的總稱]專業(yè)的學(xué)習(xí)者當(dāng)中越來越受到重視。作為STEM專業(yè)基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域，尤其是在程序設(shè)計(jì)教學(xué)方面存在著這樣的不一致：理論上，“有教無類”的原則要求普及計(jì)算機(jī)教學(xué)跟其他科普領(lǐng)域一樣，需要對(duì)教學(xué)對(duì)象一視同仁，不應(yīng)該根據(jù)性別區(qū)別對(duì)待；在實(shí)踐中，鑒于計(jì)算機(jī)科學(xué)的工程學(xué)屬性和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)學(xué)的要求，卻又存在著性別上的差異性。這一現(xiàn)象使得性別包容教學(xué)法（Gender-Inclusive Approach）引起普遍關(guān)注。有研究者嘗試設(shè)計(jì)普適性數(shù)字游戲讓學(xué)習(xí)者練習(xí)程序設(shè)計(jì)，加深對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)概念的理解（Overmars， 2004； Denner， Werner， & Ortiz， 2012； Robertson， 2012）；有研究者針對(duì)特定人群設(shè)計(jì)了創(chuàng)造性教學(xué)游戲，促進(jìn)對(duì)編程概念的掌握（Kelleher & Pausch， 2007； Denner， et al.， 2012； Harteveld， Smith， Carmichael， Gee， & Stewart-Gardiner， 2014； Esper， Foster， & Griswold， 2013）。隨著人工智能（Artificial Intelligence， AI）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，探討基于人工智能賦能的工具作為新的技術(shù)路線教授計(jì)算機(jī)編程基本概念，擴(kuò)大教學(xué)的可能范圍，使得包括視力受損或?qū)W習(xí)條件受限的學(xué)習(xí)者在內(nèi)的弱勢(shì)群體更容易接受編程教學(xué)（Yu & Wang， 2017），惠及更多學(xué)習(xí)者。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)智能輔導(dǎo)系統(tǒng)

為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的關(guān)注以滿足其對(duì)教學(xué)的需要，最初促成了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）領(lǐng)域的研究工作。傳統(tǒng)的智能輔導(dǎo)系統(tǒng)（ITS）主要是為了滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化需求，在呈現(xiàn)材料方面提供了相當(dāng)?shù)撵`活性和更快的反應(yīng)（Van Lehn， 2006），能夠通過明確教學(xué)法中如何教和如何學(xué)智能性地決定內(nèi)容的呈現(xiàn)（Beck， Stern， & Haugsjaa， 1996； Van Lehn， 2011）。這種創(chuàng)造智能的能力允許更大的通用性，改變著系統(tǒng)與學(xué)習(xí)者之間的交互方式。 此外，從相關(guān)研究中可以看出，ITS在提高學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)、參與、態(tài)度和動(dòng)機(jī)方面都非常有效（Bayraktar， 2001； Kulik & Fletcher， 2016）。表現(xiàn)改進(jìn)方面的研究表明，與僅使用傳統(tǒng)的課程方法相比，學(xué)習(xí)者使用CAI補(bǔ)充傳統(tǒng)的教學(xué)會(huì)取得更好的成績，使用更少的時(shí)間就能掌握課程內(nèi)容（Christmann & Badgett， 2003）。然而，傳統(tǒng)ITS的一個(gè)主要局限是需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本才能逐步提高學(xué)習(xí)者的智力和培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的深度學(xué)習(xí)（Jonassen & Reeves， 1996； Aleven， Roll， McLaren， & Koedinger， 2016）。

（二）教育類數(shù)字游戲和性別包容性

如前所述，在計(jì)算機(jī)編程教學(xué)方面存在著理論上“有教無類”的原則與實(shí)踐中計(jì)算機(jī)學(xué)科的工程性質(zhì)和程序設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)學(xué)的要求導(dǎo)致的性別上的差異性。相關(guān)的文獻(xiàn)回顧表明，關(guān)于數(shù)字教育游戲和性別的動(dòng)機(jī)吸引力有三種主要論點(diǎn)：第一種論點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字教育游戲的動(dòng)機(jī)吸引力沒有性別差異（Ke & Grabowski， 2007； Papastergiou， 2009； Koivisto & Hamari， 2014； Mekler， Brühlmann， Tuch， & Opwis， 2017）。相反，因果因素（如個(gè)人和情境因素等）可以解釋不同的游戲效果（Wang， Schneider， & Valacich， 2012； Hamari， Koivisto， & Sarsa， 2014）。第二種論點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字教育游戲的動(dòng)機(jī)吸引力存在性別差異（De Jean， Upitis， Koch， & Young， 1999； Young & Upitis， 1999； Przybylski， Weinstein， Murayama， Lynch， & Ryan， 2012； Wu， Yen， & Marek， 2011； Boyle， Connolly， & Hainey， 2012； Powell， Dainty， & Bagilhole， 2012； Possler， Klimmt， Schlütz， & Walkenbach， 2017）。有研究者進(jìn)一步論證了在數(shù)字化教育游戲的動(dòng)機(jī)吸引中性別差異的存在，但是，這些差異取決于對(duì)游戲特征的感知，而這些特征既可以支持也可以阻礙動(dòng)機(jī)（Huang， Hood， & Yoo， 2013； Ferguson & Olson， 2013）。第三種論點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字游戲提供的動(dòng)機(jī)吸引力的性別差異是與體驗(yàn)相關(guān)的復(fù)雜變量，而不是差異產(chǎn)生的真正原因（Ratan， Taylor， Hogan， Kennedy， & Williams， 2015； Shen， Ratan， Cai， & Leavitt， 2016）。雖然第一種論點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字游戲的動(dòng)機(jī)吸引力沒有性別差異存在，但第二種和第三種論點(diǎn)都論證了數(shù)字游戲的動(dòng)機(jī)訴求存在著性別差異，這些差異是否基于性別誘因尚不確定。相關(guān)研究還表明，數(shù)字化教育游戲的內(nèi)容傾向于呈現(xiàn)受限制的性別角色，具有性別身份問題以及不支持女孩的動(dòng)機(jī)吸引力的特征（Hartmann & Klimmt， 2006； Shen， et al.， 2016）。一些創(chuàng)造性的教學(xué)游戲，如Talking Alice（Kelleher & Pausch， 2007； Denner， et al.， 2012）、Gram House（Harteveld， et al.， 2014）和CodeSpells（Esper， et al.， 2013），都是針對(duì)年輕女性學(xué)習(xí)者講授基本編程概念而設(shè)計(jì)的。這些已有的智能指導(dǎo)系統(tǒng)普遍基于女性學(xué)習(xí)者群體更易接受的一系列經(jīng)驗(yàn)事實(shí)（Kulik & Fletcher， 2016； Kelleher & Pausch， 2007； Denner， et al.， 2012）。我們?cè)谥暗难芯恐幸矊?duì)性別包容性做出了定性和定量的實(shí)驗(yàn)分析（Osunde， Windall， Bacon， & Mackinnon， 2015），結(jié)果表明，動(dòng)機(jī)訴求中的性別差異在很大程度上是可以控制或改變的。

（三）自然語言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用

最近，傳統(tǒng)的ITS也在不斷改進(jìn)，并在自然語言處理（NLP）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）中得以應(yīng)用。自然語言處理（NLP）作為計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能的一個(gè)領(lǐng)域，涉及計(jì)算機(jī)和人類（自然）語言之間的交互，通過編程使得計(jì)算機(jī)能夠成功地處理大量自然語言的數(shù)據(jù)（Hindl， Barr， Su， Gabel， & Devanbu， 2012）。自然語言處理（NLP）與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的結(jié)合使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擁有在沒有明確編程的情況下也能夠逐步提高智能的能力（Samuel， 1959； Koza， Bennett， Andre， & Keane， 1996； Mikolov， Joulin， & Baroni， 2016）。由此產(chǎn)生的代理程序擁有模擬人類認(rèn)知（如學(xué)習(xí)和解決問題）的能力，被稱為“人工智能”的能力（Russell & Norvig， 2016）。相關(guān)研究表明人工智能技術(shù)在CAI中的廣泛應(yīng)用，包括建立一個(gè)對(duì)話程序以支持增量的方式對(duì)素材編碼，以規(guī)避諸如文法解析、強(qiáng)大計(jì)算能力以及創(chuàng)建用于編碼的框架所需的時(shí)間（Carbonell， 1970； Koffman， 1972； Michalski， Carbonell， & Mitchell， 2013）。實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的早期CAI系統(tǒng)是從具備相關(guān)專業(yè)知識(shí)的人工設(shè)計(jì)出發(fā)生成的，因此自然而然地可以導(dǎo)出相應(yīng)的問題和解決方案，提供廣泛的訓(xùn)練和輔導(dǎo)，診斷學(xué)習(xí)者的問題，并提供反饋（Koffman， 1972； Lowyck， 2014）。實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的最新CAI系統(tǒng)進(jìn)一步將其專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)擴(kuò)展到基于互聯(lián)網(wǎng)的資源，以及數(shù)據(jù)和計(jì)算處理設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）（Wenger， 2014）。

通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的回顧，我們認(rèn)為，探索一種借助語音產(chǎn)生人機(jī)交互的新型程序設(shè)計(jì)輔助教學(xué)法，嘗試取代以傳統(tǒng)的程序文本顯示的方式進(jìn)行教學(xué)，通過語音對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行教學(xué)，有助于控制或改變當(dāng)前計(jì)算機(jī)編程教學(xué)中實(shí)際存在的性別差異；通過對(duì)新教學(xué)法的案例結(jié)果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，探討實(shí)驗(yàn)得失，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，展望未來的研究方向。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究問題

借助Web和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）擴(kuò)展的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合有效的計(jì)算處理能力，可以進(jìn)一步在計(jì)算機(jī)編程教學(xué)方面進(jìn)行模式上的變革，從單向和孤立的學(xué)習(xí)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)習(xí)者為中心且更注重?cái)⑹碌挠焉骗h(huán)境（van Deemter， Krenn， Piwek， Klesen， Schr?der， & Baumann， 2008）。為此，我們?cè)趤嗰R遜提供的Alexa Skill Kit（ASK）音效庫的基礎(chǔ)上構(gòu)建了人工智能（AI）工具，讓參與者使用語音交互技術(shù)生成敘事的方式達(dá)成學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程的目的。我們提出了“大聲說程序”（Ask Programs Aloud， APA）教學(xué)法，這是借助語音人機(jī)交互的新型程序設(shè)計(jì)輔助教學(xué)法，假設(shè)教學(xué)可以通過語音同學(xué)習(xí)者交互，而不是通過傳統(tǒng)的程序文本的顯示進(jìn)行。

研究假設(shè)1：“大聲說程序”這種新型的交互手段能否在計(jì)算機(jī)編程教學(xué)中進(jìn)行模式上的變革，從單向和孤立的學(xué)習(xí)環(huán)境轉(zhuǎn)變到以學(xué)習(xí)者為中心、更為注重?cái)⑹碌挠押铆h(huán)境？

研究假設(shè)2：“大聲說程序”方法應(yīng)用于編程教學(xué)能否比傳統(tǒng)的數(shù)字化教育游戲帶來更好的性別包容性？

針對(duì)假設(shè)1，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)話性敘事的Skill實(shí)驗(yàn)，用以展示研究方案的可行性。

針對(duì)假設(shè)2，通過實(shí)驗(yàn)我們對(duì)傳統(tǒng)的采用圖形用戶界面（GUI）的教育游戲和采用語音交互界面（Voice User Interface）的“大聲說程序”游戲進(jìn)行比較，研究兩者在不同學(xué)習(xí)者之間的性別包容性。

（二）研究方法

1.“大聲說程序”的技術(shù)可行性實(shí)驗(yàn)

我們提出使用對(duì)話性敘事作為一個(gè)包容性的形式，以開發(fā)交互式和敘事性的計(jì)算機(jī)編程技術(shù)。通過使用語音交互AI功能（如Alexa Skill Kit），將順序性的單一敘述轉(zhuǎn)換成由學(xué)習(xí)者需求驅(qū)動(dòng)的分層敘事（Lapouchnian， Yu， Liaskos， & Mylopoulos， 2006）。在實(shí)驗(yàn)中使用了若干臺(tái)Alexa Echo Dot設(shè)備，讓多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以同時(shí)參與。這項(xiàng)設(shè)計(jì)的目的是既能夠聚焦于學(xué)習(xí)者編程練習(xí)的任何細(xì)節(jié)，又能夠同時(shí)概括學(xué)習(xí)相關(guān)的抽象概念。在實(shí)踐方面，我們引入了一個(gè)基于知識(shí)地圖的教學(xué)方法——“大聲說程序”，一類個(gè)人軟件助理，可以響應(yīng)語音命令觸發(fā)對(duì)編程概念的解釋，并對(duì)編程上下文進(jìn)行概括等。這種語音驅(qū)動(dòng)是響應(yīng)學(xué)習(xí)者的新型交互模式，可以與學(xué)習(xí)者產(chǎn)生智能對(duì)話，中肯地回答關(guān)于編程概念的問題（Yu & Wang， 2017； Yu， Thein， & Bashar， 2011）。為了在編程概念的上下文中展示我們的方案，以下面的一個(gè)簡單Java程序?yàn)槔齺碚f明問題。

這個(gè)簡單的Java程序要實(shí)現(xiàn)在控制臺(tái)輸出“Hello，World！”。將由學(xué)習(xí)者的個(gè)人助理軟件（即“大聲說程序”）表達(dá)出來，從而構(gòu)成了人機(jī)對(duì)話的基礎(chǔ)。

“大聲說程序”，請(qǐng)告訴我程序的類名是什么？系統(tǒng)可能回應(yīng)：程序的類名是“Hello”。下一個(gè)問題：“調(diào)用了方法嗎？”可能的反應(yīng)是：程序調(diào)研了“print”方法。下一個(gè)問題：“要print什么呢？”可能的反應(yīng)是：程序?qū)⒃诳刂婆_(tái)打印“Hello，World！”消息。下一個(gè)問題：“有沒有其他顯示消息的方法可以調(diào)用？”可能的反應(yīng)是：也可以在對(duì)話框中顯示消息。下一個(gè)問題：“如何在對(duì)話框中顯示消息呢？”可能的反應(yīng)是：需要通過“import javax.swing.Joptionpane”語句導(dǎo)入類庫，才能在對(duì)話框中顯示消息“Hello，World！”。從上述對(duì)話可以看出使用“大聲說程序”的優(yōu)點(diǎn)：不必提供程序的每一個(gè)細(xì)節(jié)，只需要提供部分答案，并通過后續(xù)問題的回答對(duì)答案進(jìn)一步擴(kuò)展。換言之，這是一種對(duì)話，而不是一言堂式的獨(dú)角戲，是與學(xué)習(xí)者溝通的全新方式。圖1給出了ASK大聲說程序（APA）框架的概述。

圖1 一個(gè)APA框架的說明

該框架的第一階段把Java程序解析為一個(gè)抽象語法樹（AST），將代碼的嵌套結(jié)構(gòu)表示為一棵樹，其根節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)對(duì)話的起點(diǎn)。APA系統(tǒng)將初始問題Q0翻譯成初始參數(shù)（通常被置為AST的根節(jié)點(diǎn)）。結(jié)合問題Qi和參數(shù)Ti，APA將答案Ai（Ti）作為結(jié)果返回給學(xué)習(xí)者。學(xué)習(xí)者可以使用返回參數(shù)Ti作為新的上下文詢問后續(xù)問題Qi+1（Ti）。為了便于AST的逐級(jí)導(dǎo)航和Alexa的語音合成，需要在ASK的服務(wù)器端將程序解析成AST，并根據(jù)學(xué)習(xí)者在交互中提出的附加問題移動(dòng)參數(shù)Ti。所使用的基礎(chǔ)設(shè)施遵循亞馬遜AWS云服務(wù)，使用Alexa Skill Kit工具包基于云的開發(fā)環(huán)境，并使用開源項(xiàng)目Flask簡化開發(fā)和部署Python接口的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。在客戶端使用Alexa強(qiáng)大的合成模型，ASK必須被配置為可以回答多種類型的問題，而我們則必須通過識(shí)別在先前問題的答案中使用的參數(shù)來定義上下文變量。由于Alexa可以問開放式的問題，我們預(yù)定義了一些參數(shù)，便于學(xué)習(xí)者在遇到困難時(shí)能夠使用AST導(dǎo)航設(shè)置的初始著陸點(diǎn)（根節(jié)點(diǎn)），跳出上下文的局限。

2.“大聲說程序”的對(duì)照實(shí)驗(yàn)

（1）采用傳統(tǒng)圖形交互的游戲

要成功地調(diào)查這些游戲結(jié)構(gòu)是否可以用作創(chuàng)建為11-14歲女孩學(xué)習(xí)基本的計(jì)算機(jī)編程概念的具有吸引力的數(shù)字教育游戲，必須確定和應(yīng)用合適的方法。在現(xiàn)有的學(xué)習(xí)基本的計(jì)算機(jī)編程概念的數(shù)字教育游戲基礎(chǔ)上，定制兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)字教育游戲：第一個(gè)包括游戲結(jié)構(gòu)，包含支持女孩的動(dòng)機(jī)吸引力；第二個(gè)游戲與第一個(gè)游戲相反，所包含的結(jié)構(gòu)不支持吸引女孩的動(dòng)機(jī)。

（2）研究樣本規(guī)模及素材

由于這項(xiàng)研究的超前性，我們采用了探索式的定性研究方法。152名女生和152名男生共304名參加者都參加了這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)游戲，以獲得研究中參與兩個(gè)游戲的女孩和男孩兩組看法的數(shù)據(jù)。

（3）樣本分布和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

采集的樣本數(shù)據(jù)包括在線問卷和兩個(gè)探索類游戲。參與的男女同學(xué)年齡在11-14歲之間，都來自英國東南區(qū)的5所初中，包括3所單一性別學(xué)校和2所混合性別學(xué)校。這樣選擇的目的是進(jìn)一步分析不同類型的學(xué)校是否會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。學(xué)生選取的過程由學(xué)校老師根據(jù)研究者提供的指導(dǎo)原則完成，這些原則對(duì)學(xué)習(xí)成績、計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣或者領(lǐng)域的背景知識(shí)并不預(yù)設(shè)要求。另外，指導(dǎo)原則只要求參與者的年齡在11-14歲之間，并不要求學(xué)生的家境和階層。表1列出了參與調(diào)查的學(xué)校人員結(jié)構(gòu)分布情況。

表1 參與調(diào)查的學(xué)校人員結(jié)構(gòu)分布情況

[ 學(xué)校1 學(xué)校2 學(xué)校 3 學(xué)校4 學(xué)校5 參與者總數(shù) 149 50 50 27 28 女性參與者數(shù)量 76 26 50 0 0 男性參與者數(shù)量 73 24 0 27 28 參與者性別 男女 男女 女 男 男 ]

在實(shí)驗(yàn)過程中，允許參與者自主選擇游戲的次序。這樣設(shè)計(jì)的理由是消除或最大程度上減少次序可能帶來的偏好，從而避免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)60分鐘，而不同批次的學(xué)生可以在不同日期完成。但是，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程都必須在同一天完成，避免影響實(shí)驗(yàn)的有效性。

首先預(yù)調(diào)查問卷記錄下每個(gè)參與者對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，然后在兩個(gè)游戲結(jié)束時(shí)分別回答一個(gè)事后調(diào)查問卷，最后再回答一個(gè)比較兩個(gè)游戲的評(píng)估問卷。設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)查問卷是為了在游戲之前了解參與者對(duì)數(shù)字游戲的認(rèn)識(shí)；兩個(gè)事后調(diào)查問卷是為了了解參與者對(duì)游戲中的知識(shí)的理解；設(shè)計(jì)評(píng)估問卷是為了獲得參與者對(duì)兩個(gè)游戲差異的認(rèn)識(shí)。在線問卷采集到的數(shù)據(jù)首先用定性分析的方法處理，然后使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件分析并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的顯著差異。

具體來說，從每個(gè)參與者那里獲取的數(shù)據(jù)包括每一個(gè)游戲?qū)⑴c者的吸引度、游戲中使用的特定游戲特征的吸引力以及每個(gè)游戲?qū)?shù)字教育游戲參與者的感知的影響。通過對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字教育游戲進(jìn)行定制，創(chuàng)建出包括探索性研究中需要識(shí)別的游戲特征變量的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)游戲。谷歌Blockly Maze迷宮游戲滿足了技術(shù)和教育上的定制化學(xué)習(xí)需求，用來創(chuàng)建兩個(gè)實(shí)驗(yàn)游戲以供研究。該游戲環(huán)境中包含10個(gè)層次，每個(gè)層次都集中在使用不同的編程結(jié)構(gòu)，如排序、決策和循環(huán)指令。難度較小的游戲允許參與者使用無限數(shù)量的指令塊，而更高級(jí)別的游戲則只允許使用指定數(shù)量的指令塊，從而迫使玩家提出更有效的解決方案。圖2為定制的實(shí)驗(yàn)游戲（a）“迷失的宇航員”和（b）“迷失的河馬”。

（4）采用“大聲說程序”語音交互的游戲

在最初的APA助手的實(shí)現(xiàn)中，我們采用了一個(gè)簡單的非編程語言分層對(duì)話來說明這個(gè)教學(xué)法的關(guān)鍵。這個(gè)例子是一個(gè)游戲，通過與參與者進(jìn)行有意義的對(duì)話幫助他們?cè)谖宸昼妰?nèi)解除定時(shí)炸彈。該示例采用Python語言實(shí)現(xiàn)，其核心知識(shí)點(diǎn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)為嵌套幾何圖形，而不是前面程序語言教學(xué)中提到的抽象語法樹。盡管存在差異，從游戲概念產(chǎn)生的對(duì)話也遵循一種基于規(guī)則的通用教學(xué)方法。參與者需要通過確認(rèn)游戲程序陳述所生成的句子來表達(dá)他們對(duì)游戲概念的理解，這個(gè)陳述是通過對(duì)比顯示的內(nèi)容和游戲概念自動(dòng)生成的。諸如“左邊有箭頭嗎？”的“是非題”和諸如“方塊的顏色是什么”的“枚舉題”，都是游戲啟發(fā)參與者的提示性問題。當(dāng)學(xué)習(xí)者能夠正確地理解這些概念時(shí)，他們的答案被組合起來滿足預(yù)先配置的定時(shí)炸彈解除條件。

最初實(shí)施的目的是確定如何應(yīng)用APA框架來啟動(dòng)APA助理和學(xué)習(xí)者之間的有意義對(duì)話。樣本組涉及女性（n=7）和男性（n=5），參與者與APA助理互動(dòng)，使用問卷調(diào)查他們的反應(yīng)。對(duì)性別反應(yīng)差異的定性評(píng)價(jià)可以用來檢驗(yàn)這種方法的性別包容性。實(shí)際任務(wù)是在五分鐘內(nèi)將基本的陳述句子翻譯成層次化幾何表示。在五分鐘內(nèi)圓滿完成對(duì)話才能確保定時(shí)炸彈被解除，否則定時(shí)炸彈將會(huì)爆炸。圖3說明了模擬APA助手和實(shí)際任務(wù)。任務(wù)完成后，參與者完成問卷以提供對(duì)活動(dòng)的評(píng)價(jià)性反應(yīng)。

游戲開始于隨機(jī)生成定時(shí)炸彈，它的幾何元素必須被正確地描述給APA助理才能提供正確的化解代碼。圖3顯示了三個(gè)炸彈生成的例子，其中要傳達(dá)的元素是形狀、顏色、箭頭方向以及字母和數(shù)字。應(yīng)用程序?qū)嶋H上并不是在任何時(shí)候都知道向參與者顯示哪個(gè)炸彈，而是有一個(gè)“參考手冊(cè)”，幫助理解如何用所描述的拓?fù)鋷缀紊山獬◤椀恼_代碼。這樣，如果參與者錯(cuò)誤地描述了炸彈或者錯(cuò)誤地解析了他們的描述，APA助手實(shí)際上可以提供不正確的撤消代碼（導(dǎo)致炸彈爆炸）。參與者還可以看到倒計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器，并鼓勵(lì)他們以“說出你所看到的”開始。

圖3 游戲可能產(chǎn)生的一些炸彈

當(dāng)APA框架解析語音時(shí)，它響應(yīng)參與者以便能夠檢查指令是否被正確理解。參與者可以通過重復(fù)一個(gè)元素來輕松地在任何時(shí)候糾正APA的輔助理解。參與者也可以在任何時(shí)候通過問“你知道了什么？”和其他類似的問題讓助手進(jìn)行回顧。參與者參看了Alexa平臺(tái)配置（翻譯并解釋過的語音命令）和處理文本化命令的Python代碼以及驅(qū)動(dòng)前端應(yīng)用程序的Web技術(shù)。接下來，參與者被給予再次嘗試的機(jī)會(huì)，他們對(duì)游戲的功能有了更高的技術(shù)理解。

四、研究發(fā)現(xiàn)

對(duì)304名參與者的調(diào)查結(jié)果為支持?jǐn)?shù)字教育游戲特征WHI動(dòng)機(jī)和吸引力的性別差異提供了實(shí)證證據(jù)。他們有的支持動(dòng)機(jī)有的反對(duì)動(dòng)機(jī)。也就是說，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不適合所有方面。這項(xiàng)調(diào)查的結(jié)果支持教育學(xué)家、研究人員以及數(shù)字教育游戲設(shè)計(jì)者，以一種包容（inclusive approach）的方法創(chuàng)設(shè)數(shù)字教育游戲的學(xué)習(xí)。對(duì)于第一個(gè)假設(shè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論十分明確：采用“大聲說程序”方法是完全可以教授復(fù)雜程序結(jié)構(gòu)和概念的。對(duì)于第二個(gè)假設(shè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是經(jīng)驗(yàn)式的，借助參與者問卷得出結(jié)論。對(duì)于對(duì)照組（傳統(tǒng)GUI游戲），需要對(duì)從評(píng)估問卷收集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量分析，以分別比較兩個(gè)游戲?qū)τ趨⑴c的女孩和男孩的吸引力。

（一）游戲?qū)⑴c的男孩和女孩的吸引力的比較

對(duì)使用問卷收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用以確認(rèn)在游戲的吸引力方面是否存在顯著差異，同時(shí)需要考慮到它們包含從探索性研究所獲得的有選擇的顯著游戲特征的變量，結(jié)果如圖4所示。分析表明，女孩們發(fā)現(xiàn)“迷失的宇航員”比“迷失的河馬”更吸引人；男孩們則發(fā)現(xiàn)“迷失的河馬”比“迷失的宇航員”更吸引人。

圖4 “迷失的宇航員”和“迷失的河馬”對(duì)參與

游戲的男孩和女孩的吸引力比較

為了在抽樣總體的情境下定量地檢驗(yàn)該結(jié)果，我們進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析以確定數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性，測(cè)定結(jié)果是否具有一般性。通過正態(tài)檢驗(yàn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)在抽樣總體內(nèi)的分布。

使用Kurtotic檢驗(yàn)（Doane & Seward， 2011）、方框圖和夏皮羅-威爾克檢驗(yàn)（Razali & Wah， 2011）等方法進(jìn)行測(cè)試。有跡象表明，數(shù)據(jù)并非一致地近似正態(tài)分布。對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，最后確定它們不滿足正態(tài)分布。因此，假定分析所獲得的數(shù)據(jù)不是正態(tài)分布的，不使用參數(shù)分析工具進(jìn)行定量分析，而是采納非參數(shù)測(cè)試方法測(cè)量兩個(gè)獨(dú)立樣本（“迷失的宇航員”和“迷失的河馬”）之間的差異。使用Mann-Whitney測(cè)試檢驗(yàn)游戲?qū)τ谀挲g在11-14歲女孩和男孩參加者的吸引力差異之重要性，測(cè)試的結(jié)果如表2所示。游戲?qū)ε⒌奈Φ钠骄燃?jí)值為64.10，對(duì)男孩的吸引力的平均等級(jí)值為76.95，差異顯著。

表2 游戲吸引力測(cè)試結(jié)果的性別等級(jí)

Ranks

[ 性別 數(shù)量 平均等級(jí) 總和 迷失的

宇航員 女 80 64.10 5，128.00 男 58 76.95 4，463.00 總計(jì) 138 ]

此外，表3所示的測(cè)試統(tǒng)計(jì)表明，女孩和男孩之間吸引力值的分布存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異（z=-2.154， p=.031）。測(cè)試統(tǒng)計(jì)的無效假設(shè)是：如果p>0.05，那么參與的女孩和男孩對(duì)游戲的吸引力沒有顯著差異。因?yàn)閜=0.031<0.05，無效假設(shè)不成立，那么就意味著游戲?qū)⒓拥呐⒑湍泻⒃谖Ψ矫娲嬖陲@著差異。也就是說，有證據(jù)表明，在這項(xiàng)試驗(yàn)中“迷失的宇航員”對(duì)女孩的吸引力和“迷失的河馬”對(duì)男孩的吸引力之間具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異。

表3 游戲吸引力差異的統(tǒng)計(jì)測(cè)試

測(cè)試統(tǒng)計(jì)a

[ 游戲 曼-惠特尼U 1，888.000 威爾克森W 5，128.000 Z -2.154 阿西普西格（雙側(cè)檢驗(yàn)） 0.031 ]

（二）采用“大聲說程序”方法設(shè)計(jì)教育游戲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們對(duì)從調(diào)查問卷中獲取的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分析，采用描述喜歡程度的Likert五級(jí)量表，如“這項(xiàng)活動(dòng)對(duì)你的編程認(rèn)知有多大的積極影響？”等。圖5顯示了來自參與者初始響應(yīng)的定性評(píng)價(jià)，表明它是一個(gè)能夠影響計(jì)算機(jī)編程學(xué)習(xí)意愿的性別包容性工具。

圖5 調(diào)查結(jié)果中的定性評(píng)價(jià)

五、研究結(jié)論和建議

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)廣泛應(yīng)用于個(gè)性化學(xué)習(xí)，并且可以通過人工智能來增強(qiáng)這一應(yīng)用。AI工具（如ASK）中語音交互技術(shù)的出現(xiàn)提供了利用人工智能將序列性敘事轉(zhuǎn)化成交互式編程的機(jī)會(huì)。綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)層次化教學(xué)目標(biāo)，圍繞“大聲說程序”，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以回應(yīng)音頻命令的私人助理，為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)以知識(shí)地圖為基礎(chǔ)的教學(xué)法以觸發(fā)對(duì)話。

評(píng)估參與者的評(píng)價(jià)意見分析表明，APA框架可以被用作一個(gè)包容性的工具，提高女性和男性學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程技能的意愿。我們?cè)谠u(píng)測(cè)中引入的游戲是使用Python構(gòu)建的，ASK最近升級(jí)了自動(dòng)機(jī)以使用故事板創(chuàng)建任何文本冒險(xiǎn)游戲，無須直接編寫代碼。接下來我們準(zhǔn)備探索使用開源故事線工具TWIN構(gòu)造教和學(xué)的狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，通過使用通用技能本身開發(fā)一種ASK技能來加強(qiáng)學(xué)習(xí)。我們準(zhǔn)備更進(jìn)一步將英國開放大學(xué)的交互式計(jì)算機(jī)批改作業(yè)教學(xué)系統(tǒng)（iCMA）設(shè)計(jì)為一個(gè)通用的ASK技能。我們也希望在未來將APA框架應(yīng)用于使用Java語言學(xué)習(xí)編程的會(huì)話式學(xué)習(xí)過程中。由于學(xué)習(xí)和教學(xué)的概念是獨(dú)立于語言選擇的，我們可以部署試驗(yàn)到其他的環(huán)境，如在中國國家開放大學(xué)的動(dòng)畫教學(xué)中進(jìn)一步擴(kuò)大參與度。

從遠(yuǎn)程教育的目標(biāo)來看，“大聲說程序”教學(xué)法是一個(gè)新穎的探索和嘗試。同傳統(tǒng)的面授教學(xué)方法相比，遠(yuǎn)程教育的局限性是缺乏教學(xué)的親和度。雖然通過電子郵件、遠(yuǎn)程網(wǎng)站設(shè)計(jì)、虛擬對(duì)話應(yīng)用等，能夠把教育者和學(xué)習(xí)者的距離縮短，接近傳統(tǒng)面授教學(xué)的效果。但是，這種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)并不能擴(kuò)大受眾范圍，學(xué)習(xí)者數(shù)量的增加必然導(dǎo)致教育者在每個(gè)學(xué)習(xí)者身上關(guān)注時(shí)間的減少，從而容易影響到教學(xué)質(zhì)量。MOOC教學(xué)法不及傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育的教學(xué)質(zhì)量，其根源很大程度上是由于教育者的時(shí)間沒有保證。因此，自動(dòng)化教學(xué)過程是一個(gè)理想的程序設(shè)計(jì)授課方式。從遠(yuǎn)程教育的社會(huì)意義來說，增加學(xué)習(xí)者的參與度，“有教無類”是一個(gè)極為重要的宗旨。對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域而言，程序設(shè)計(jì)是對(duì)性別差異敏感的科目。如果在教學(xué)法中注意到這一點(diǎn)，就可以有目的地選取教學(xué)材料，調(diào)整問卷內(nèi)容。這也是我們?cè)谖磥碛?jì)劃實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。從已有的實(shí)踐看來，我們的設(shè)計(jì)方法能夠在一定程度上緩解學(xué)習(xí)者的性別焦慮。

致謝

感謝英國開放大學(xué)eSTEeM基金對(duì)Ask Program Aloud和Learner Gender Diversity項(xiàng)目的資助，也感謝ERC Advanced Grant on Adaptive Security and Privacy的財(cái)政支持。特別感謝英國皇家計(jì)算機(jī)博物館對(duì)群體實(shí)驗(yàn)的場地支持。

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