富有成效失敗的協(xié)作編程策略在Arduino課程應(yīng)用效果的實(shí)證研究

鄭蘭琴 黃星星

[摘? ?要] 隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，各地在中小學(xué)階段相繼開設(shè)了人工智能技術(shù)的相關(guān)課程。編程類課程是學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)，不少中小學(xué)已經(jīng)開設(shè)了相關(guān)課程。然而，采用什么樣的教學(xué)方式能夠提升學(xué)習(xí)者的編程技能是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。文章采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略，在小學(xué)五年級(jí)Arduino課程中開展了為期三個(gè)多月的實(shí)證研究，綜合采用定性和定量研究相結(jié)合的分析方法，跟蹤學(xué)習(xí)者的編程過程和結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)：富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升小學(xué)五年級(jí)學(xué)生的編程技能、編程態(tài)度和問題解決能力。

[關(guān)鍵詞] 富有成效的失敗; 協(xié)作編程; 編程技能; 編程態(tài)度; 問題解決能力

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

[作者簡介] 鄭蘭琴（1979—），女，山西五臺(tái)人。副教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)、教學(xué)設(shè)計(jì)等研究。E-mail： bnuzhenglq@bnu.edu.cn。

一、引? ?言

（一）研究背景

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為關(guān)鍵技術(shù)的人工智能技術(shù)正影響著人們的生活和學(xué)習(xí)方式，并為教育領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。編程技能作為實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)，日益受到各個(gè)國家的高度重視并成為基礎(chǔ)教育的重要組成部分。2017年7月，我國國務(wù)院正式頒布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出要廣泛開展人工智能科普活動(dòng)，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，并且將人工智能真正寫入高中課本[1]。2017年9月，教育部印發(fā)《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》，也將“趣味編程入門”和“開源機(jī)器人初體驗(yàn)”兩個(gè)模塊作為“設(shè)計(jì)制作活動(dòng)（信息技術(shù)）”的推薦主題[2]。

人工智能技術(shù)進(jìn)課堂的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力和創(chuàng)新能力，并提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。有學(xué)者指出，小學(xué)階段的人工智能課程應(yīng)該包括編程、智能機(jī)器人等內(nèi)容，初高中階段的人工智能課程包括程序設(shè)計(jì)、算法等內(nèi)容[3]。為了幫助中小學(xué)生掌握如何設(shè)計(jì)程序并進(jìn)行趣味編程，以及如何創(chuàng)作智能機(jī)器人，選擇什么樣的教學(xué)方式就成為要解決的關(guān)鍵問題。有研究者指出，人工智能類課程應(yīng)與學(xué)生的生活密切相關(guān)，應(yīng)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、協(xié)作學(xué)習(xí)、基于問題或融入游戲機(jī)制的教學(xué)策略，讓學(xué)生切身體會(huì)人工智能的巨大效應(yīng)[4]。在人工智能課程體系中，編程類課程是普遍開設(shè)的一類課程，這類課程到底采用什么樣的教學(xué)策略才能取得良好的教學(xué)效果就成為研究熱點(diǎn)。經(jīng)過大量的文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研，本研究嘗試探索富有成效失敗的協(xié)作編程策略在小學(xué)Arduino課程中的應(yīng)用效果，重點(diǎn)關(guān)注采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略對(duì)小學(xué)生的編程技能、編程態(tài)度和問題解決能力的影響。

（二）研究問題

根據(jù)研究目標(biāo)，本研究確定以下三個(gè)研究問題：

（1）與傳統(tǒng)的講授式策略相比，富有成效失敗的協(xié)作編程策略是否能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的編程技能？

（2）與傳統(tǒng)的講授式策略相比，富有成效失敗的協(xié)作編程策略是否能夠顯著改善學(xué)習(xí)者的編程態(tài)度？

（3）與傳統(tǒng)的講授式策略相比，富有成效失敗的協(xié)作編程策略是否能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的問題解決能力？

二、文獻(xiàn)綜述

（一）中小學(xué)編程教育現(xiàn)狀及問題述評(píng)

1. 中小學(xué)編程教育現(xiàn)狀

目前，中小學(xué)開設(shè)編程課程是傳播人工智能技術(shù)的主要途徑，旨在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和高階思維能力以及問題解決能力。作為信息技術(shù)教育起步最早的美國，非常重視對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)興趣的培養(yǎng)。2015年，美國前總統(tǒng)奧巴馬曾簽署“Every Student Succeeds Act”法案，明確指出要將計(jì)算機(jī)科學(xué)視為基礎(chǔ)學(xué)科，并盡早開展計(jì)算機(jī)科學(xué)教育[5]。2016年10月，美國制定了《K-12 計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》（K-12 Computer Science Framework），該框架規(guī)定了五大核心概念和七項(xiàng)核心實(shí)踐，并凸顯中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)課的重要地位，提倡加強(qiáng)該課程的實(shí)踐性[6]。

不僅僅是美國，其他國家也相繼制定相關(guān)政策并鼓勵(lì)把計(jì)算機(jī)課程列為基礎(chǔ)教育階段的必修課。例如：英國將2014年定為“編程年”，并將計(jì)算機(jī)課程定為5—16歲學(xué)生的必修課程;日本將從2020年開始在所有的小學(xué)全面開設(shè)編程課;韓國則從2015年進(jìn)行編程教育的試點(diǎn)，2018年編程教育全面進(jìn)入中小學(xué)[7]。

2017年，我國頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，各地中小學(xué)紛紛開設(shè)人工智能相關(guān)課程。在高中階段的信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中，新增“模塊4：人工智能初步”，該模塊包括“人工智能基礎(chǔ)”“簡單人工智能模塊開發(fā)”“人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用”[8]。小學(xué)階段，也將“算法與程序設(shè)計(jì)入門”“機(jī)器人入門”列為信息技術(shù)課程的拓展模塊[3]。

2. 我國中小學(xué)編程教育存在的問題

筆者在前期的調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，我國中小學(xué)編程教育中主要存在以下幾方面的問題：

（1）從硬件環(huán)境來看，學(xué)校建設(shè)狀況參差不齊，有的學(xué)校已經(jīng)建設(shè)好人工智能教室、創(chuàng)客教室供學(xué)生使用，有的還沒有起步。

（2）從軟件資源來看，課程體系層次不齊，很多學(xué)校自主開發(fā)校本課程。開設(shè)什么樣的人工智能類課程主要取決于教師的知識(shí)基礎(chǔ)和興趣。另外，市面上的編程教材質(zhì)量良莠不齊，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理。

（3）從師資配備來看，發(fā)現(xiàn)師資緊缺、教師工作負(fù)擔(dān)較重，教師不僅要講授信息技術(shù)課程，還要講授新增的人工智能方面的課程。另外，缺乏系統(tǒng)的教師培訓(xùn)，教師的編程教學(xué)能力亟待提升。

（4）從編程教學(xué)方式來看，為保證教學(xué)進(jìn)度，教師在教學(xué)過程中通常采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)法，即教師直接講解編程的知識(shí)、技能和程序設(shè)計(jì)思路及方法，學(xué)習(xí)者沒有自主探究的時(shí)間和空間。

（5）從評(píng)價(jià)角度來看，教師通常只關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，如學(xué)生是否制成作品、程序最終的運(yùn)行效果等，重結(jié)果輕過程，忽視了“學(xué)生經(jīng)歷了什么”以及“學(xué)習(xí)是否發(fā)生”，學(xué)生自身也缺乏完整的解決問題的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（6）從學(xué)生的學(xué)習(xí)方式來看，學(xué)生在編程過程中往往不能自主發(fā)現(xiàn)和解決問題，由于時(shí)間和精力有限，教師只能幫助部分學(xué)生排查和解決問題。同時(shí)，學(xué)生遇到一點(diǎn)小困難并且長時(shí)間不能解決而無法按時(shí)完成課堂任務(wù)，常常產(chǎn)生無助和挫敗感，由此導(dǎo)致對(duì)編程的興趣逐漸消失。

上述問題中，前面三類問題需要政策的支持、經(jīng)費(fèi)和人力的投入等才能解決，而后面三類問題則可以通過改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式得以解決。本研究嘗試探索富有成效失敗的協(xié)作編程策略，以提升學(xué)習(xí)者的編程技能、態(tài)度和問題解決能力。

（二）富有成效的失敗的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀述評(píng)

1. 概念界定及設(shè)計(jì)原理

富有成效的失敗（Productive Failure）是新加坡學(xué)者M(jìn)anu Kapur于2008年提出的。2008年，Manu Kapur及其研究團(tuán)隊(duì)在計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)（Computer Supported Collaborative Learning，簡稱CSCL）環(huán)境中開展了第一個(gè)驗(yàn)證富有成效的失敗的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在解決問題中經(jīng)歷的失敗對(duì)于促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生具有積極作用，于是提出了“Productive Failure”這一概念[9]。

2012年，Manu Kapur進(jìn)一步對(duì)富有成效失敗的教學(xué)設(shè)計(jì)模式和原理進(jìn)行了詳盡的闡述，主要包括兩個(gè)階段、三個(gè)設(shè)計(jì)原則和四種機(jī)制[10]。其中，兩個(gè)階段包括生成—探索階段和鞏固階段，如圖1所示;三個(gè)設(shè)計(jì)原則包括：創(chuàng)造解決復(fù)雜問題的學(xué)習(xí)情境、為學(xué)習(xí)者提供解釋和細(xì)化問題解決方案的機(jī)會(huì)、引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對(duì)比失敗的問題解決方案和標(biāo)準(zhǔn)方案的機(jī)會(huì);四種機(jī)制如圖2所示。

2. 富有成效失敗策略的應(yīng)用研究

國內(nèi)外學(xué)者采用富有成效失敗的策略開展了相關(guān)研究。比如，Kennedy-Clark 采用富有成效失敗的策略支持澳大利亞7—9年級(jí)的學(xué)生在多用戶虛擬環(huán)境中進(jìn)行科學(xué)探究，整個(gè)研究包括三個(gè)階段：第一階段學(xué)生參加非結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)活動(dòng)，第二階段參加結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)活動(dòng)，第三階段參加另外一個(gè)非結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)活動(dòng)，最后發(fā)現(xiàn)采用富有成效失敗的學(xué)習(xí)策略有助于學(xué)習(xí)者解決復(fù)雜問題[11]。Pathak S A.等以新加坡十年級(jí)的學(xué)生為研究對(duì)象并分為兩種情況開展研究，即一部分學(xué)生采用富有成效失敗的學(xué)習(xí)策略，另一部分學(xué)生采用傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)策略，所有學(xué)生的任務(wù)相同即學(xué)習(xí)歐姆定律和并聯(lián)電路。定性分析的結(jié)果表明，最初的失敗和探索的經(jīng)歷為學(xué)習(xí)者提供了良好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，不僅擴(kuò)大了視野，而且促進(jìn)了學(xué)習(xí)者的深度投入[12]。Loibl等研究者采用富有成效失敗的策略檢驗(yàn)學(xué)習(xí)者是否能夠正確進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，他們邀請(qǐng)240名十年級(jí)的德國學(xué)生學(xué)習(xí)變量這一概念，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生首先嘗試自己解決問題、經(jīng)歷失敗，然后再接受教師的指導(dǎo)，而控制組的學(xué)生在解決問題前先接受教師的講解和指導(dǎo)。結(jié)果表明，采用富有成效失敗策略的學(xué)生對(duì)于自身能力的感知具有更加清晰的認(rèn)識(shí)，親身經(jīng)歷了失敗和探索后能夠認(rèn)識(shí)到自身能力的不足，從而取得比接受傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)習(xí)者更好的學(xué)習(xí)效果[13]。最近，還有學(xué)者采用富有成效失敗的策略并結(jié)合基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式來考察學(xué)習(xí)者的協(xié)作問題解決技能，兩個(gè)六年級(jí)的班級(jí)參與了此項(xiàng)研究，實(shí)驗(yàn)班采用富有成效失敗的策略學(xué)習(xí)，控制班則沒有采用，學(xué)習(xí)任務(wù)相同即探索植物的適應(yīng)性問題。研究結(jié)果表明，無論在概念的理解還是小組作品方面，實(shí)驗(yàn)班的成績都比控制班好，而且實(shí)驗(yàn)班的學(xué)習(xí)者具有更強(qiáng)的學(xué)習(xí)自主性[14]。

我國關(guān)于“Productive Failure”一詞的中文譯法尚不統(tǒng)一，共有三種譯法：“啟發(fā)性挫敗”[15]、“有價(jià)值的失敗”[16]、“有效失敗”[17]。本文將“Productive Failure”理解為“富有成效的失敗”。國內(nèi)學(xué)者也采用富有成效的失敗開展了相關(guān)研究。比如，探索如何在翻轉(zhuǎn)課堂中利用啟發(fā)性挫敗進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[15]。還有研究者把有效失敗作為學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，支持八年級(jí)學(xué)生在生物課中利用虛擬3D星球開展科學(xué)探究[18]。也有研究者基于設(shè)計(jì)的研究范式并采用有效失敗理論作為指導(dǎo)，在初一年級(jí)的編程課中“循環(huán)結(jié)構(gòu)”這一個(gè)單元通過三輪迭代并經(jīng)過三周的嘗試，發(fā)現(xiàn)有效失敗的腳手架設(shè)計(jì)能夠與學(xué)習(xí)者的已有知識(shí)相匹配并提升學(xué)習(xí)效果[19]。

通過對(duì)已有研究的回顧和分析，筆者發(fā)現(xiàn)存在三方面的問題：第一，鮮有研究采用富有成效失敗的策略在小學(xué)生的編程課中開展實(shí)證研究并論證其效果;第二，已有的研究通常引導(dǎo)學(xué)習(xí)者自主探索，較少開展協(xié)作學(xué)習(xí)以鼓勵(lì)與同伴一起探索，并體驗(yàn)失敗進(jìn)而走向成功;第三，現(xiàn)有研究大多采用基于設(shè)計(jì)的研究范式通過多輪迭代的方式開展研究，較少有研究通過實(shí)證研究的范式對(duì)比富有成效的協(xié)作編程策略與傳統(tǒng)策略的差異?；谝陨蠁栴}，本研究通過準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方法在小學(xué)五年級(jí)開展為期三個(gè)多月的實(shí)證研究，采用定性和定量研究相結(jié)合的方法，對(duì)比不同教學(xué)策略對(duì)學(xué)習(xí)者編程技能、態(tài)度和問題解決能力方面的影響。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究樣本

本研究選取北京某小學(xué)五年級(jí)的56名學(xué)生作為研究樣本，這些學(xué)生通過學(xué)校興趣班的方式進(jìn)行招募。隨機(jī)分配所有學(xué)生在兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，每個(gè)班級(jí)28人。由于部分學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中未能全程參加，因此，最后全程參與的學(xué)生共計(jì)42名，每個(gè)班級(jí)21名。

（二）研究方法

本研究采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)法開展研究，隨機(jī)分配21名學(xué)生為實(shí)驗(yàn)班，另外21名學(xué)生在控制班。實(shí)驗(yàn)班采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略開展教學(xué)活動(dòng)，而控制班則采用傳統(tǒng)講授式的方法開展教學(xué)活動(dòng)。

在數(shù)據(jù)的搜集和分析方法方面，本研究選取定量研究和定性研究相結(jié)合的方法。其中，定量研究主要采用調(diào)查法來了解學(xué)習(xí)者的編程態(tài)度和問題解決能力，定性研究主要采用訪談法來了解學(xué)習(xí)者在編程過程中遇到的失敗以及解決策略等。另外，采用統(tǒng)計(jì)分析方法來檢驗(yàn)兩個(gè)班級(jí)在編程技能、編程態(tài)度以及問題解決能力方面的差異。

（三）研究假設(shè)

本研究建立如下三個(gè)假設(shè)：

（1）基于富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的編程技能;

（2）基于富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的編程態(tài)度;

（3）基于富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的問題解決能力。

（四）研究程序

本研究的程序如圖3所示，主要包括三個(gè)階段：第一個(gè)階段，針對(duì)學(xué)習(xí)者的編程技能、編程態(tài)度和問題解決能力進(jìn)行前測，從而確保兩個(gè)班級(jí)在編程技能、編程態(tài)度、問題解決能力方面具有相同的水平。此外，還對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行Arduino編程工具的培訓(xùn)。第二個(gè)階段，開展實(shí)驗(yàn)階段。為了控制各種干擾因素，兩個(gè)班級(jí)的學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)時(shí)長、教師、學(xué)習(xí)資源等均相同。所不同的是實(shí)驗(yàn)班采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略開展教學(xué)，控制班則采用傳統(tǒng)的講授式進(jìn)行教學(xué)。就實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生而言，首先，學(xué)習(xí)者以小組協(xié)作學(xué)習(xí)的方式自主探索，進(jìn)行初次編程實(shí)踐，體驗(yàn)失敗;其次，每個(gè)小組分析失敗的原因、提出修改方案并完成編程和調(diào)試;最后，小組分享作品并進(jìn)行反思和總結(jié)?？刂瓢鄬W(xué)生的實(shí)施程序包括三個(gè)步驟：第一步，教師講解相關(guān)的編程知識(shí)、方法和設(shè)計(jì)思路;第二步，學(xué)習(xí)者自己編寫程序;第三步，學(xué)生分享編程作品、教師總結(jié)。第三個(gè)階段，就學(xué)習(xí)者的編程技能、編程態(tài)度和問題解決能力進(jìn)行后測，并隨機(jī)選取七名學(xué)生進(jìn)行深度訪談。每個(gè)班級(jí)完成四個(gè)Arduino編程任務(wù)，每個(gè)任務(wù)實(shí)施2—3周，整體實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)13周。第一個(gè)編程任務(wù)是制作模擬交通燈和智能信號(hào)燈，即首先利用LED燈完成交通燈的變換過程，然后加入按鈕模塊，實(shí)現(xiàn)黃燈閃爍，制作智能交通信號(hào)燈。第二個(gè)任務(wù)是利用LED燈設(shè)計(jì)創(chuàng)意臺(tái)燈，然后利用樂高積木搭建創(chuàng)意臺(tái)燈。第三個(gè)任務(wù)則利用Arduino中的套件制作坐姿提示器，當(dāng)距離小于20厘米時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲音進(jìn)行提示。第四個(gè)任務(wù)是制作智能風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊搖頭。

（五）研究工具

本研究采用的研究工具主要包括編程技能測試題目、編程態(tài)度和問題解決能力的調(diào)查問卷、學(xué)習(xí)單以及Arduino編程工具。

1. 編程技能測試題目

主要測試學(xué)生對(duì)Arduino編程技能的掌握程度。前測題目主要包括順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、函數(shù)三大模塊，題目以偽代碼和文本、圖片相結(jié)合的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，適合小學(xué)生的閱讀方式和認(rèn)知水平，旨在測量實(shí)驗(yàn)班和控制班學(xué)生在編程技能方面是否存在顯著性差異。后測題目主要考察學(xué)生解決實(shí)際問題的編程技能。

2. 編程態(tài)度和問題解決能力的調(diào)查問卷

編程態(tài)度問卷改編自Shim， Kwon， Lee的調(diào)查問卷，該問卷包括三個(gè)維度即編程的價(jià)值、編程的興趣、編程的信心[20]。該問卷為五點(diǎn)量表，一共11個(gè)題目。問卷總體信度為0.905。問題解決能力問卷改編自Heppner等開發(fā)的調(diào)查問卷，該問卷包括三個(gè)維度即解決問題的信心、風(fēng)格、情緒控制力[21]，該問卷為五點(diǎn)量表，一共15個(gè)題目。問卷總體信度為0.794。

3. 學(xué)習(xí)單

主要為學(xué)習(xí)者提供指導(dǎo)，包括編程任務(wù)描述、編程要求和流程提示三部分。

4. Arduino編程工具

Arduino是一套開源的電子微控制器和編程平臺(tái)，其軟件部分使用類似于C語言的開發(fā)環(huán)境，硬件部分即Arduino主板則是在計(jì)算機(jī)程序的控制下，通過傳感器來感知環(huán)境，并能夠控制LED燈、電機(jī)等裝置輸出信號(hào)。

四、研究結(jié)果

（一）編程技能

編程技能測試主要衡量學(xué)習(xí)者動(dòng)手編程的操作技能，包括順序、循環(huán)、選擇結(jié)構(gòu)等。前測旨在了解實(shí)驗(yàn)班和控制班在編程技能方面的差異。根據(jù)前測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班和控制班在編程技能方面沒有顯著性差異（t=1.808，p=0.078）。因此，可以進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。為了檢驗(yàn)富有成效失敗的協(xié)作編程策略對(duì)編程技能的影響，采用協(xié)方差分析法進(jìn)一步對(duì)后測成績進(jìn)行檢驗(yàn)。首先，需要檢測是否滿足協(xié)方差分析的條件，即變量是否正態(tài)分布、方差是否齊性。結(jié)果表明，后測編程技能測試成績呈現(xiàn)正態(tài)分布（p=0.134>0.05），方差齊性（F=1.935，p=0.172>0.05）。因此，可以采用協(xié)方差進(jìn)行分析。協(xié)方差分析的結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)班（M=70.71， SD=11.03）和控制班（M=54.29，SD=10.80）在編程技能方面具有顯著性差異（F=19.75，p=0.000<0.05），并且實(shí)驗(yàn)班的編程技能顯著高于控制班。因此，富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的編程技能。

（二）編程態(tài)度

編程的態(tài)度主要衡量學(xué)習(xí)者利用Arduino工具進(jìn)行編程的興趣和信心。前測結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)班和控制班在開展實(shí)驗(yàn)前的編程態(tài)度方面沒有顯著性差異（t=1.770，p=0.084）。然后，檢測是否滿足協(xié)方差分析的條件，即變量是否正態(tài)分布、方差是否齊性。結(jié)果表明，后測的態(tài)度呈現(xiàn)正態(tài)分布（p=0.200>0.05），方差齊性（F=2.318，p=0.136>0.05）。進(jìn)一步采用協(xié)方差分析法檢驗(yàn)富有成效失敗的協(xié)作編程策略對(duì)編程態(tài)度的影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班（M=4.29，SD=0.55）和控制班（M=3.68，SD=0.75）在開展實(shí)驗(yàn)后的編程態(tài)度方面具有顯著性差異（F=5.708，p=0.022<0.05），并且實(shí)驗(yàn)班的編程態(tài)度顯著高于控制班。因此，富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著改善學(xué)習(xí)者的編程態(tài)度。

（三）問題解決能力

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的問題解決能力進(jìn)行前測，獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)班和控制班在問題解決能力方面沒有顯著差異（t=0.116，p=0.908> 0.05）。然后檢測是否滿足協(xié)方差分析的條件，即變量是否正態(tài)分布、方差是否齊性。結(jié)果表明后測的問題解決能力數(shù)值呈現(xiàn)正態(tài)分布（p=0.200>0.05），方差齊性（F=0.835，p=0.366>0.05）。進(jìn)一步采用協(xié)方差分析法來檢驗(yàn)富有成效失敗的協(xié)作編程策略對(duì)問題解決能力的影響。研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)班（M=3.79，SD= 0.66）和控制班（M=3.36，SD=0.46）在開展實(shí)驗(yàn)之后的問題解決能力存在顯著性差異（F=5.815，p=0.021<0.05），并且實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的問題解決能力顯著高于控制班。因此，富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升學(xué)習(xí)者的問題解決能力。

（四）訪談結(jié)果

為了探究學(xué)生在學(xué)習(xí)編程過程中的體驗(yàn)，本研究隨機(jī)選取了7名學(xué)生進(jìn)行深度訪談。根據(jù)訪談結(jié)果，學(xué)生們表示自己非常喜歡與同伴進(jìn)行協(xié)作編程，從一開始討論算法設(shè)計(jì)思路到協(xié)作解決編程過程中遇到的困難和問題，都離不開同伴的支持和幫助。各個(gè)小組的編程結(jié)果展示和分享，也開闊了他們的視野，進(jìn)一步拓展了編程思路。

被訪者還表示，一開始和同伴一起繪制流程圖，然后組內(nèi)討論解決問題方案，最后嘗試編程，這樣的學(xué)習(xí)過程不僅為他們提供了充分的探索空間，而且提供了方向上的引導(dǎo)。與傳統(tǒng)的教師講授編程方案的教學(xué)方式相比，學(xué)生們更認(rèn)可富有成效失敗的協(xié)作編程策略，他們認(rèn)為這種學(xué)習(xí)方式提供了更多的思考和探究的機(jī)會(huì)。

當(dāng)被問到實(shí)際編程中遇到問題、遭遇失敗后如何解決時(shí)，大多數(shù)學(xué)生保持積極樂觀的態(tài)度。一般的解決方案是：首先，努力嘗試自己解決，有問題時(shí)，一方面借助學(xué)習(xí)單上的引導(dǎo)和提示并重新對(duì)照流程圖思考失敗的原因，另一方面與小組其他成員討論，尋求組內(nèi)成員的幫助，而非單純依賴于教師的直接指導(dǎo)。被訪的學(xué)生都表示，他們非常喜歡和同伴共同解決問題的體驗(yàn)，因?yàn)楹芏鄦栴}可以通過同伴的幫助有效解決，這樣的學(xué)習(xí)過程不僅增強(qiáng)了學(xué)生的成就感，而且從失敗的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)生收獲更多，如解決問題的遷移能力、承受挫折能力等。最后，通過教師的總結(jié)，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生的深度思考，促使他們逐漸走向成功。

五、討? ?;論

（一）編程技能提高的原因

編程技能主要考量學(xué)生在學(xué)習(xí)編程后，對(duì)編程相關(guān)概念的理解程度以及編程實(shí)踐操作的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組在編程技能測試中表現(xiàn)更為優(yōu)異，所完成的編程作品更加精致。筆者深入分析實(shí)驗(yàn)組編程技能能夠提高的主要原因，在于富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠切實(shí)幫助學(xué)習(xí)者體驗(yàn)失敗、解決問題、走向成功。由于實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略，學(xué)習(xí)者在整個(gè)編程過程中經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即生成—探索階段和鞏固階段。在生成—探索階段，學(xué)習(xí)者通過對(duì)任務(wù)的分析，繪制流程圖并與同伴一起討論，確定初步的編程方案后嘗試初次編程，這個(gè)過程中學(xué)生常常會(huì)遇到各種各樣的問題，經(jīng)歷了不同程度的失敗和挫折，這時(shí)候有的學(xué)生有放棄的苗頭。為此，在教師的引導(dǎo)下首先與同伴進(jìn)行面對(duì)面交流和討論，能夠解決一部分問題，而對(duì)于同伴也無法解決的問題則在教師的幫助下最終解決。在鞏固階段，每個(gè)小組需要認(rèn)真反思失敗的原因，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比失敗的編程方案與標(biāo)準(zhǔn)方案之間的區(qū)別，從而幫助學(xué)生鞏固編程技能。

在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生前期擁有充分探索和嘗試的機(jī)會(huì)，由此獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，特別是經(jīng)過學(xué)生自己探索而生成的編程思路和方案，更容易在其他情境下遷移和應(yīng)用。已有的研究表明，學(xué)習(xí)者經(jīng)過自主探究而生成的知識(shí)，記憶更加持久并且更容易遷移[22]。另外，通過與同伴的交流、教師的指導(dǎo)能夠幫助學(xué)習(xí)者更加清晰地認(rèn)識(shí)到自身編程技能的不足。已有的研究也曾指出，教師的指導(dǎo)和同伴的互動(dòng)能夠顯著提升協(xié)作學(xué)習(xí)效果[23]。學(xué)習(xí)者也經(jīng)歷了表征問題、生成問題解決方案、嘗試編程、檢驗(yàn)解決方案的完整學(xué)習(xí)過程。與傳統(tǒng)講授式的教學(xué)方式相比，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對(duì)編程相關(guān)的知識(shí)和技能的理解更深刻。因此，編程技能有顯著提升。

（二）編程態(tài)度改善的原因

編程態(tài)度主要考量學(xué)生在編程興趣、信心和價(jià)值認(rèn)同方面的觀點(diǎn)。通過本研究，筆者發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)組采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略，學(xué)習(xí)者經(jīng)過自主探索編程思路和方案并嘗試編寫程序，提升了對(duì)編程的興趣，特別是自主發(fā)現(xiàn)編程問題和解決方案時(shí)，極大地增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的編程信心。另外，學(xué)習(xí)者雖然會(huì)遇到困難并經(jīng)歷失敗，但是失敗卻能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者的深度反思并幫助修正錯(cuò)誤的認(rèn)知[24]，而且通過同伴的幫助和教師的指導(dǎo)及時(shí)解決問題。因此，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者對(duì)編程價(jià)值的認(rèn)同感。特別是一些女生，一開始對(duì)編程持抵觸的態(tài)度，但是經(jīng)過同伴的鼓勵(lì)和教師的指導(dǎo)，特別是經(jīng)過親自探索程序設(shè)計(jì)思路并調(diào)試程序、成功創(chuàng)作作品的學(xué)習(xí)過程，激勵(lì)了她們對(duì)編程的喜愛。

（三）問題解決能力提升的原因

本研究設(shè)計(jì)的問題源于實(shí)際生活，無論是制作智能交通燈、創(chuàng)意臺(tái)燈，還是創(chuàng)作坐姿矯正器和智能風(fēng)扇，與學(xué)習(xí)者的生活密切相關(guān)。因此，在一定程度上激發(fā)了學(xué)習(xí)者解決問題的興趣。已有的研究也表明，解決真實(shí)生活中的問題能夠提升問題解決技能[25]。最重要的原因在于，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生經(jīng)歷失敗、協(xié)作解決問題，對(duì)于編程知識(shí)和技能的理解更加深刻，相比于傳統(tǒng)教學(xué)方式而言，經(jīng)歷了自主探索的階段，更容易促進(jìn)記憶的保持和遷移能力，由此提升了實(shí)驗(yàn)組學(xué)習(xí)者的問題解決能力。

六、結(jié)? ?語

本研究通過為期三個(gè)多月的實(shí)證研究，探索了富有成效失敗的協(xié)作編程策略對(duì)于小學(xué)五年級(jí)學(xué)生在編程技能、編程態(tài)度和問題解決能力方面的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用富有成效失敗的協(xié)作編程策略能夠顯著提升小學(xué)五年級(jí)學(xué)生的編程技能、編程態(tài)度和問題解決能力。本研究也存在兩方面的不足：第一，由于研究條件所限，研究樣本量較小，未來研究將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本，并在不同學(xué)校開展實(shí)證研究，進(jìn)一步論證富有成效失敗的協(xié)作編程策略的效果。第二，本研究只針對(duì)小學(xué)五年級(jí)學(xué)生的Arduino課程開展實(shí)證研究，未來研究需要在其他課程并選擇其他研究對(duì)象進(jìn)一步探索。

經(jīng)過本研究的探索，筆者建議改變傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方法，改變以結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)方式，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，并鼓勵(lì)學(xué)生自主探索，為學(xué)生提供完整的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)生體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、協(xié)作編程、探索問題解決方案、經(jīng)歷失敗、走向成功的學(xué)習(xí)過程，從而促使學(xué)習(xí)者更加熱愛編程，由此提升邏輯思維和推理能力以及創(chuàng)新意識(shí)。

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