圖形化編程環(huán)境下建模方式對(duì)學(xué)生計(jì)算思維與編程行為的影響研究

楊剛 張銀榮 徐佳艷 曾群芳 陳賽

[摘? ?要] 計(jì)算思維改變學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)其他事物的方式。因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)成了當(dāng)前我國(guó)中小學(xué)編程教育研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。研究以目前中小學(xué)開(kāi)展編程教育存在的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，從理論上探討了計(jì)算思維、計(jì)算建模的重要性及其兩者的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了計(jì)算教學(xué)法模式，以這一模式為研究載體，對(duì)使用不同建模方式的組別開(kāi)展編程學(xué)習(xí)活動(dòng)，并借助析因分析法、T檢驗(yàn)、滯后序列分析法等研究方法對(duì)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。結(jié)果表明：相比于開(kāi)放式建模方式，支架式建模方式更能夠提升學(xué)生計(jì)算思維的成績(jī)，但是實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間的自我效能感沒(méi)有顯著性差異。另外，在學(xué)習(xí)行為分析中出現(xiàn)的一些共性問(wèn)題值得教育研究工作者和一線教師深入思考。

[關(guān)鍵詞] 建模方式; 計(jì)算思維; 圖形化編程

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

[作者簡(jiǎn)介] 楊剛（1979—），男，湖南懷化人。副教授，博士，主要從事數(shù)字化學(xué)習(xí)、信息技術(shù)教學(xué)研究。E-mail：hnyg7906@163.com。

一、研究背景

在今天的智能時(shí)代，編程學(xué)習(xí)已經(jīng)在各個(gè)國(guó)家的中小學(xué)開(kāi)展起來(lái)，編程能力被視為適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的重要能力之一。在2017年國(guó)務(wù)院實(shí)施的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，我國(guó)應(yīng)實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育[1]。顯然編程教育在國(guó)家層面得到了重視。

從現(xiàn)今的編程教育發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，圖形化編程成了中小學(xué)開(kāi)展編程教育的首選方式，如Scratch創(chuàng)意動(dòng)畫編程、基于掌控板的圖形化編程、Python語(yǔ)言的海龜編輯器等。這些圖形化編程平臺(tái)都具有以下幾個(gè)明顯的特征：（1）界面可視化，通過(guò)直觀操作各種“可視”控件方式來(lái)完成程序的設(shè)計(jì)工作，即隨時(shí)可以看到編程的階段性結(jié)果;（2）語(yǔ)言積木化，通過(guò)封裝的形式讓字符形態(tài)的程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成具有自然語(yǔ)言形態(tài)的積木化語(yǔ)言，降低編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷;（3）操作自然化，圖形化編程主要通過(guò)拖拽和拼接積木的方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，便于學(xué)習(xí)者對(duì)編程代碼的控制與操作。

但是，在相關(guān)文獻(xiàn)的分析與實(shí)際調(diào)研過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)在中小學(xué)課堂開(kāi)展編程學(xué)習(xí)活動(dòng)中仍存在一些典型的共性問(wèn)題，比如，編程課程內(nèi)容的選取、編程工具的選擇、編程教學(xué)方式，以及編程學(xué)習(xí)活動(dòng)的思維與知識(shí)、技能關(guān)系[2]等，這都會(huì)影響編程學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展。因此，本研究在實(shí)際調(diào)研中小學(xué)編程學(xué)習(xí)活動(dòng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入分析與思考，擬提出以下問(wèn)題進(jìn)行研究：（1）在圖形化編程學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)建模是否有必要成為學(xué)習(xí)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，哪類建模方式（支架式與開(kāi)放式）會(huì)有助于計(jì)算思維的提升;（2）在編程學(xué)習(xí)過(guò)程中，自我效能感是否會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展;（3）在配對(duì)式合作編程模式中，不同組別的學(xué)習(xí)行為存在著哪些差異，這是否影響合作學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展。

二、關(guān)鍵概念：計(jì)算建模與計(jì)算思維

（一）計(jì)算建模

計(jì)算建模就是為了理解編程問(wèn)題而對(duì)實(shí)際問(wèn)題做出的一種抽象理解，形成對(duì)編程問(wèn)題的一種無(wú)歧義性的可視化文本描述，是運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維，借助計(jì)算機(jī)語(yǔ)言符號(hào)、數(shù)學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）等領(lǐng)域工具與方法來(lái)建立模型。

面向編程教育的計(jì)算建模方法一般分為兩類：一是對(duì)問(wèn)題過(guò)程的建模方法，二是對(duì)問(wèn)題實(shí)體的建模方法。前者是從問(wèn)題分析的視角強(qiáng)調(diào)問(wèn)題概念化的思維方式，后者是從問(wèn)題描述的視角著重問(wèn)題概念化的表現(xiàn)形式。無(wú)論哪種建模方式運(yùn)用在編程活動(dòng)中，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，在編程活動(dòng)中選擇哪一種編程建模方式需要根據(jù)問(wèn)題的主要矛盾，結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)尋求最佳問(wèn)題解決途徑。本研究將從問(wèn)題的建模方法出發(fā)，將建模具體形式分為支架式和開(kāi)放式。其中支架式建模，是一種在建立模型過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題給予一定的額外解釋或者指示，為學(xué)生在實(shí)現(xiàn)解決問(wèn)題過(guò)程中提供思維化線索的認(rèn)知策略[3]。這種策略能減輕學(xué)生的緊張感或焦慮感，但也容易讓學(xué)生在建模過(guò)程中思維受限。開(kāi)放式建模，是一種沒(méi)有給學(xué)生任何額外解釋或者指示，主要讓學(xué)生在建模過(guò)程中能夠最大化發(fā)揮想象空間，為問(wèn)題解決尋找最優(yōu)路徑，這種方式解除了學(xué)生在建模過(guò)程中的思維禁錮，滿足了學(xué)生自由想象與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思想，但也容易讓學(xué)生陷入無(wú)從下手或者對(duì)問(wèn)題無(wú)法聚焦的困境之中。

（二）計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）

計(jì)算機(jī)教育家Pepert在1996年第一次提出了計(jì)算思維概念的內(nèi)涵，認(rèn)為“計(jì)算思維體現(xiàn)了改變學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)其他事物的方式”[4]。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，需要引導(dǎo)學(xué)生像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣在解決問(wèn)題過(guò)程中利用編程方式促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展。盡管計(jì)算思維有不同的定義，但已有研究表明，計(jì)算思維與領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)、學(xué)習(xí)策略、評(píng)估、工具、因素和能力建設(shè)這六個(gè)方面關(guān)聯(lián)密切[5]。因此，計(jì)算思維對(duì)于當(dāng)今乃至未來(lái)學(xué)生發(fā)展的必要性已得到廣泛認(rèn)同，在世界范圍內(nèi)被認(rèn)為是21世紀(jì)的基本技能之一。

本研究主要以凱倫·布倫南、米切爾·雷斯尼克在兒童編程研究中對(duì)計(jì)算思維的評(píng)估與界定為基礎(chǔ)，即計(jì)算思維被視為一種解決問(wèn)題的方法論，體現(xiàn)了學(xué)生在制定問(wèn)題以及設(shè)計(jì)解決方案時(shí)所涉及的思維過(guò)程，以便解決方案能夠利用信息技術(shù)的方式來(lái)執(zhí)行。這一界定涉及三個(gè)可操作維度：計(jì)算概念（設(shè)計(jì)者在編程時(shí)使用的概念，如數(shù)據(jù)、運(yùn)算符、條件句、并行、事件、循環(huán)、序列等）、計(jì)算實(shí)踐（設(shè)計(jì)者在編程開(kāi)發(fā)中所涉及的思考與學(xué)習(xí)過(guò)程，即建構(gòu)的過(guò)程）和計(jì)算觀念（設(shè)計(jì)者在表達(dá)、聯(lián)結(jié)和質(zhì)疑中形成的關(guān)于周圍世界的自身認(rèn)知視角）[6]。本研究根據(jù)這三個(gè)維度設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)計(jì)算思維水平測(cè)量表，便于后續(xù)研究的實(shí)施。

（三）計(jì)算建模與計(jì)算思維的內(nèi)在關(guān)聯(lián)

計(jì)算思維與計(jì)算建模存在著天然的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，兩者都對(duì)促進(jìn)人的思維發(fā)展具有一致的邏輯起點(diǎn)，無(wú)論是計(jì)算建模，還是計(jì)算思維都關(guān)注著學(xué)習(xí)者養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式、能力與習(xí)慣。其次，培養(yǎng)計(jì)算思維是學(xué)習(xí)者計(jì)算建模學(xué)習(xí)活動(dòng)中重要的目標(biāo)之一。學(xué)習(xí)者在計(jì)算建模的描述、結(jié)構(gòu)化、重用、修正、改進(jìn)等過(guò)程中強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維的運(yùn)用，如果沒(méi)有學(xué)習(xí)者的分析、表征、推理、迭代等深層次思維活動(dòng)的介入，那么計(jì)算建?；顒?dòng)就會(huì)停留在淺層性認(rèn)知上，所以，在建模過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)。最后，計(jì)算建模中的關(guān)聯(lián)思維能力是學(xué)會(huì)計(jì)算思維的重要體現(xiàn)。計(jì)算思維活動(dòng)強(qiáng)調(diào)了關(guān)聯(lián)思維能力，顯然如何獲取這種關(guān)聯(lián)關(guān)系，就是體現(xiàn)學(xué)習(xí)者運(yùn)用計(jì)算建模方式去歸納、抽象、挖掘問(wèn)題中的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的解決。因此，獲取關(guān)聯(lián)思維能力是學(xué)會(huì)計(jì)算思維的重要體現(xiàn)。44DEDAA2-D71C-458B-92D5-F1A29B988D47

三、促進(jìn)初中生計(jì)算思維發(fā)展的教學(xué)模型：計(jì)算教學(xué)法

本研究旨在信息技術(shù)教學(xué)過(guò)程中以學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展為基本目標(biāo)，借助計(jì)算建模為學(xué)習(xí)中介設(shè)計(jì)統(tǒng)一的教學(xué)方法，即計(jì)算教學(xué)法。這一教學(xué)法以APOS（A—行動(dòng)、P—過(guò)程、O—對(duì)象、S—模式）理論為基礎(chǔ)，其原因是APOS理論與計(jì)算思維之間有著密切的聯(lián)系，而且相關(guān)研究也表明，借助APOS理論可以使用計(jì)算程序的方式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的心智與創(chuàng)造力[7-8]。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版 2020年修訂）[9]和美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（ISTE &CSTA，2011）[10]針對(duì)中小學(xué)K-12 教育提出的計(jì)算思維能力的操作性定義為教學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)，提出了以“問(wèn)題識(shí)別與分解—數(shù)據(jù)抽象與表征—解決問(wèn)題與評(píng)估—學(xué)習(xí)遷移與反思”為主線的教學(xué)過(guò)程。具體如圖1所示。（1）問(wèn)題識(shí)別與分解階段，重點(diǎn)讓學(xué)生形成問(wèn)題意識(shí)。一是能夠理解情境中的問(wèn)題，并能分析問(wèn)題的關(guān)鍵所在，即需要解決什么樣的問(wèn)題;二是針對(duì)已知邊界條件能夠?qū)?wèn)題進(jìn)行細(xì)化，形成問(wèn)題的基本結(jié)構(gòu)。（2）數(shù)據(jù)抽象與表征階段，主要是讓學(xué)生學(xué)會(huì)建模，即借助數(shù)據(jù)抽象思維，通過(guò)建立模型來(lái)刻畫問(wèn)題。（3）解決問(wèn)題與評(píng)估階段，表現(xiàn)為學(xué)生能夠獨(dú)立形成解決問(wèn)題的方案，即合理選擇算法，以編程方式來(lái)解決問(wèn)題，繼而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決過(guò)程的自動(dòng)化。（4）學(xué)習(xí)遷移與反思階段，借助反思與學(xué)習(xí)遷移，強(qiáng)化學(xué)生系統(tǒng)化聯(lián)結(jié)思維，拓展問(wèn)題域。

四、實(shí)證研究

本研究將獲取的數(shù)據(jù)從三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)證分析。首先，分析實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組以計(jì)算思維測(cè)量結(jié)果為學(xué)習(xí)成績(jī)的總體差異性。其次，分析建模方式、自我效能感（自變量）對(duì)學(xué)習(xí)成績(jī)（因變量）的影響。其中建模方式分為開(kāi)放式與支架式兩種不同的類型，自我效能感則分為高自我效能感和低自我效能感兩種不同水平。最后，考察在配對(duì)式合作編程模式中，不同組別學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)上的差異。另外，本研究選擇智能掌控板作為編程工具，該工具是盛思公司開(kāi)發(fā)的一款融學(xué)與教于一體的開(kāi)源硬件，其特點(diǎn)是在不外接設(shè)備的情況下也能快速設(shè)計(jì)多種創(chuàng)意智能作品。

（一）研究對(duì)象

研究對(duì)象為溫州市某中學(xué)八年級(jí)學(xué)生，整體上他們對(duì)編程學(xué)習(xí)有一定的經(jīng)驗(yàn)，但是基于開(kāi)源硬件的編程學(xué)習(xí)還處在初級(jí)階段。另外，在可選擇的8個(gè)班級(jí)中，前測(cè)篩選出實(shí)驗(yàn)組29人（男生14人，女生15人）、對(duì)照組28人（男生12人，女生16人），學(xué)生年齡處于12—15歲之間。

（二）研究工具

1. 計(jì)算思維水平測(cè)量表

本研究以Brennan和Resnick提出的計(jì)算思維三維框架為依據(jù)[6]，在分析《浙江省義務(wù)教育信息技術(shù)新教材（八年級(jí)上）》中的案例和習(xí)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合CTS、CTt、CTPA[11]量表的設(shè)計(jì)思路與理念開(kāi)發(fā)了計(jì)算思維前測(cè)和后測(cè)的量表，兩份測(cè)量表題項(xiàng)各20道。測(cè)量表采用克隆巴赫α系數(shù)（Cronbach α）作為度量方式進(jìn)行信度分析[12]，結(jié)果表明，前測(cè)量表Cronbach α=0.830，后測(cè)量表Cronbach α=0.756，在整體上兩份測(cè)量表的信度可以接受。同時(shí)，效度檢驗(yàn)顯示分維度KMO值均>0.7，Bartlett球體檢驗(yàn)為0.007，整體效度良好。

2. 自我效能感問(wèn)卷

本研究的自我效能感問(wèn)卷是在黃國(guó)禎教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的量表[13]基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化與改編。量表采用李克特5點(diǎn)評(píng)分法，其Cronbach系數(shù)為0.89，說(shuō)明該量表具有突出的內(nèi)部一致性。量表選項(xiàng)由“非常同意”“較同意”“沒(méi)有什么意見(jiàn)”“不同意”“非常不同意”組成，各選項(xiàng)得分依次降低，共計(jì)6題，總計(jì)30分。學(xué)生成績(jī)?cè)礁?，意味著自我效能感水平也越高?/p>

3. 滯后學(xué)習(xí)行為分析測(cè)量表

研究通過(guò)分析課堂錄像視頻中學(xué)生的編程行為，篩選出無(wú)關(guān)的偶發(fā)性編程行為，結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)[14]，設(shè)計(jì)了閱讀、討論、指導(dǎo)、求助、拖放、設(shè)置參數(shù)、調(diào)整、連接、檢查和其他行為等10種編程行為類型，并將其歸納為合作行為、軟件操作、硬件操作和其他行為四個(gè)維度，作為行為序列分析的指標(biāo)。表1呈現(xiàn)的是10種編程行為的一級(jí)維度名稱、二級(jí)維度名稱、研究編碼以及行為描述。

（三）實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。首先通過(guò)前測(cè)篩選出實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組人數(shù)。在學(xué)情分析后，由于學(xué)生是第一次接觸mPython軟件和掌控板硬件，前三周讓學(xué)生熟悉編程工具，三周后對(duì)學(xué)生計(jì)算思維水平進(jìn)行前測(cè)，并填寫自我效能感量表。在接下的14周編程學(xué)習(xí)活動(dòng)中，由同一位教師統(tǒng)一授課，其中實(shí)驗(yàn)組采用支架建模的方式開(kāi)展編程活動(dòng)，對(duì)照組采用開(kāi)放建模的方式。學(xué)習(xí)活動(dòng)結(jié)束后，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維水平和自我效能感進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)隨機(jī)抽取實(shí)驗(yàn)組學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)滿意度的訪談，以了解學(xué)生在編程學(xué)習(xí)活動(dòng)中的感受與體驗(yàn)。

（四）數(shù)據(jù)分析

1. 研究一：縱橫對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組在以計(jì)算思維測(cè)量結(jié)果為綜合成績(jī)以及不同維度上均值之間是否存在著顯著性差異

首先，在橫向?qū)Ρ确治鲋胁捎锚?dú)立樣本T檢驗(yàn)方法對(duì)兩組學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行前后測(cè)分析。分析表明，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生在前測(cè)計(jì)算思維（p=0.568>0.05）測(cè)量綜合成績(jī)上沒(méi)有顯著差異，這說(shuō)明兩個(gè)組在計(jì)算思維能力水平上基本一致，可視為同質(zhì)組并選擇為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。但是，兩個(gè)組后測(cè)計(jì)算思維水平結(jié)果上卻存在顯著差異（p=0.000<0.01），同時(shí)計(jì)算概念維度（p=0.030<0.05）、計(jì)算實(shí)踐維度（p=0.003<0.01）、計(jì)算觀念維度（p=0.015<0.05）也存在著差異，其中計(jì)算實(shí)踐差異性最為顯著。另外，實(shí)驗(yàn)組均值成績(jī)都明顯優(yōu)于對(duì)照組。

其次，縱向?qū)Ρ确治鲋饕獙?duì)兩個(gè)組成績(jī)是否各自會(huì)有不同程度的提升進(jìn)行了配對(duì)樣本T檢驗(yàn)分析。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組計(jì)算思維測(cè)量成績(jī)（p=0.000<0.01）在前后測(cè)上存在顯著差異，而且計(jì)算概念、計(jì)算觀念維度上也呈現(xiàn)顯著性差異，但是計(jì)算實(shí)踐（p=0.080>0.05）維度沒(méi)有呈現(xiàn)顯著性差異。對(duì)照組前后計(jì)算思維測(cè)量成績(jī)與計(jì)算概念維度都不存在顯著差異，但是，計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念維度上前后測(cè)存在顯著性差異。兩個(gè)組前后測(cè)在成績(jī)均值上大部分有所提高，但發(fā)現(xiàn)對(duì)照組的計(jì)算實(shí)踐均值成績(jī)反而有所降低（M前=25.71>M后=17.28），結(jié)果有點(diǎn)出乎意料，需要進(jìn)一步分析與思考。44DEDAA2-D71C-458B-92D5-F1A29B988D47

2. 研究二：分析建模方式與自我效能感對(duì)計(jì)算思維測(cè)量成績(jī)是否產(chǎn)生交互效應(yīng)影響，以及進(jìn)一步分析三者之間的內(nèi)在關(guān)系

這一部分采用雙因素析因方差分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[21]，其結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明：以建模方式和自我效能感為自變量，對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維（F=0.63，p=0.433>0.05）測(cè)量成績(jī)沒(méi)有顯著交互影響，與計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀念等分維度也不存在顯著統(tǒng)計(jì)交互性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)建模方式以及自我效能感這兩大自變量各自進(jìn)行單因素方差分析。分析表明：不同建模方式對(duì)計(jì)算思維測(cè)量成績(jī)（F=16.05，p=0.000<0.01）影響有顯著差異，并且在計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念三個(gè)分維度上也有顯著性差異;而不同自我效能感對(duì)計(jì)算思維測(cè)量成績(jī)（F=1.60，p=0.211>0.05）影響沒(méi)有顯著差異，而且在計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐和計(jì)算觀念上也都沒(méi)有顯著性差異。

3. 研究三：分析在配對(duì)式合作編程模式中，不同類型的學(xué)習(xí)小組會(huì)引起什么樣的學(xué)習(xí)行為，其行為序列的差異有哪些，其原因是什么

這一部分采用滯后序列分析法（Lag Sequential Analysis，LSA）進(jìn)行分析，其目的是從配對(duì)式合作編程學(xué)習(xí)過(guò)程中的質(zhì)性數(shù)據(jù)來(lái)解讀學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，并對(duì)比不同性別在主導(dǎo)配對(duì)式合作編程學(xué)習(xí)過(guò)程中是否使學(xué)習(xí)行為模式出現(xiàn)顯著性差異。

當(dāng)確定編碼方案后，從實(shí)驗(yàn)組的14個(gè)小組中隨機(jī)抽取4個(gè)典型小組的視頻進(jìn)行分析，包括男生—男生組（BB組，由男生主導(dǎo)的男生小組）、男生—女生組（BG組，由男生主導(dǎo)的男女生混合小組），女生—男生組（GB組，由女生主導(dǎo)的男女生混合小組），女生—女生組（GG組，由女生主導(dǎo)的女生小組）。另外，對(duì)兩位編碼者行為一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，本檢驗(yàn)的克隆巴赫系數(shù)為Alpha=0.891，說(shuō)明兩位編碼者的編碼行為具有一致性[15]。通過(guò)對(duì)20多分鐘的學(xué)習(xí)活動(dòng)視頻的分析，兩位編碼研究者共得到583個(gè)學(xué)習(xí)行為，并形成了學(xué)習(xí)行為的原始序列和行為轉(zhuǎn)換頻率的統(tǒng)計(jì)。

其中，BG組在“合作行為”（74.3%）、“軟件操作”（73.6%）、“硬件操作”（74.0%）三個(gè)一級(jí)編碼類別中行為頻次都是最高。另外，在“合作行為”二級(jí)編碼類別中，GG（1.8%）和BB（1.8%）組在“求助”頻次、GB組（7.7%）和GG組（0%）在“指導(dǎo)”頻次數(shù)量上都很低;從“合作行為”的行為頻次的統(tǒng)計(jì)數(shù)量上來(lái)看，女生主導(dǎo)的合作學(xué)習(xí)行為數(shù)量（16.4%）相對(duì)較低;在“軟件操作”學(xué)習(xí)行為頻次分析上，“設(shè)置參數(shù)”（26.8%）與“調(diào)整”（35.4%）的學(xué)習(xí)行為數(shù)量相對(duì)較低。值得注意的是，雖然學(xué)習(xí)行為出現(xiàn)的頻次并不能成為衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的唯一指標(biāo)。但是，我們從學(xué)習(xí)頻次分析上能夠看到哪一類小組在學(xué)習(xí)活動(dòng)中能引起什么樣的學(xué)習(xí)行為。

為了進(jìn)一步探究不同性別組合的合作小組在學(xué)習(xí)行為序列上的差異，本研究借助GSEQ軟件開(kāi)展滯后序列分析。將BB、BG、GB、GG小組的一系列編碼后得到的行為序列按時(shí)間出現(xiàn)的先后順序輸入軟件工具之中，并生成調(diào)整后的殘差表。最后，根據(jù)調(diào)整后的殘差表，將Z-score>1.96的行為繪制成行為序列轉(zhuǎn)換圖[16]。這四個(gè)小組的學(xué)習(xí)行為的序列圖如圖3～圖6所示，每?jī)煞N學(xué)習(xí)行為之間連線上的數(shù)值標(biāo)示了Z值，連線越粗則表示兩種行為先后出現(xiàn)的概率越大。

（1）男生—男生（BB）組在遇到問(wèn)題時(shí)易向外求助，同時(shí)也具有良好的編程行為習(xí)慣。

BB小組一共產(chǎn)生了10種行為序列，Z值都大于1.96，達(dá)到顯著水平。具體如圖3所示。從圖中發(fā)現(xiàn)， BB組的學(xué)習(xí)行為模式具有以下特征：①“指導(dǎo)行為”與下一個(gè)行為之間的Z值都沒(méi)有達(dá)到顯著性水平，在BG組和GG組都出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。為什么該小組在配對(duì)式合作學(xué)習(xí)中難以出現(xiàn)“指導(dǎo)行為”？經(jīng)訪談后發(fā)現(xiàn)，其背后的原因是他們?cè)趦?nèi)心里更傾向接受討論方式，而不是指導(dǎo);討論方式能使他們站在平等身份的視角進(jìn)行交流。②在“檢查→求助”行為序列達(dá)到了顯著水平，同時(shí)在“求助→指導(dǎo)”也達(dá)到了顯著水平，這說(shuō)明BB組在運(yùn)行硬件設(shè)備的檢查過(guò)程中，在遇到問(wèn)題時(shí)并沒(méi)有進(jìn)行相互深入討論，而是借助外組同伴的幫助解決問(wèn)題。③“調(diào)整→設(shè)置參數(shù)”行為序列達(dá)到了顯著水平，這表現(xiàn)出了學(xué)生在調(diào)整圖形化編程模塊后及時(shí)設(shè)置相關(guān)參數(shù)的良好習(xí)慣，這種習(xí)慣減少了編程錯(cuò)誤的出現(xiàn)。但是該行為序列并非唯一的走向，還存在“調(diào)整→其他行為”的支路，這也表明學(xué)生在完成部分模塊的調(diào)整后，還會(huì)有閑聊或者瀏覽新聞網(wǎng)頁(yè)的行為出現(xiàn)。

（2）男生—女生（BG）組編程合作行為較為豐富，同時(shí)循序漸進(jìn)操作軟件，在遇到問(wèn)題時(shí)能夠深入討論。

在BG小組中一共產(chǎn)生了13種顯著行為序列。具體如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該組的學(xué)習(xí)行為模式具有以下特征：①由男生主導(dǎo)的混合配對(duì)小組更能夠激發(fā)“異性效應(yīng)”，讓合作學(xué)習(xí)發(fā)揮出最佳效率。同時(shí)，無(wú)論在行為數(shù)量還是在行為類型上，BG組都成為了四個(gè)小組中最優(yōu)的配對(duì)合作方式。②在圖中序列行為模式上，“拖放→調(diào)整”“調(diào)整→設(shè)置參數(shù)”“設(shè)置參數(shù)→閱讀”“閱讀→拖放”這4個(gè)行為序列形成了一個(gè)閉合循環(huán)，這說(shuō)明BG組在編程過(guò)程中會(huì)循序漸進(jìn)地對(duì)圖形化編程模塊進(jìn)行操作，并借助導(dǎo)學(xué)單進(jìn)行模塊調(diào)整與思考，這種行為序列模式反映了該小組有著良好的自主學(xué)習(xí)行為。③“討論→檢查”行為序列達(dá)到了顯著水平，這說(shuō)明BG組在運(yùn)行硬件設(shè)備的檢查過(guò)程中，就編程問(wèn)題進(jìn)行了深入討論并及時(shí)調(diào)試設(shè)備。但是該行為序列還存在“討論→其他行為”以及“檢查→其他行為”的分支，這也表明了與其他小組一樣出現(xiàn)了“其他行為”。

（3）女生—男生（GB）組在合作學(xué)習(xí)過(guò)程中，傾向于先組內(nèi)討論，制定問(wèn)題解決計(jì)劃，然后再開(kāi)始編程，另外，相較于男生—女生組，顯著性的行為序列相對(duì)較少。

在GB小組中一共產(chǎn)生了9種顯著的行為序列。具體如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該組的學(xué)習(xí)行為模式具有以下特征：①“討論”行為是所有行為序列的起點(diǎn)。通過(guò)課堂觀察和課后訪談得知，學(xué)生在合作學(xué)習(xí)過(guò)程中，傾向于組內(nèi)成員先相互探討問(wèn)題解決的方案、制定計(jì)劃和分工等，然后開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)。但GB組學(xué)生“討論”行為后出現(xiàn)了“其他行為”。②GB組和BG組在學(xué)習(xí)行為序列上存在著較大差異。首先，BG組行為序列對(duì)顯著性要高于GB組。在BG組中有8對(duì)Z值大于3的行為序列對(duì)，而GB組沒(méi)有;其次，BG組的行為序列對(duì)組合數(shù)量多于GB組。經(jīng)過(guò)課堂觀察以及現(xiàn)場(chǎng)訪談發(fā)現(xiàn)，相較于BG小組，GB小組深入交流較少，而且在編程過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)男生沒(méi)有出現(xiàn)積極學(xué)習(xí)行為，而且給予同伴的建議也相對(duì)較少，這也導(dǎo)致了GB組與BG組在行為序列上產(chǎn)生了差距。③GB組只有在“檢查→閱讀”行為序列上達(dá)到了顯著水平。這說(shuō)明GB組在“檢查”程序運(yùn)行結(jié)果的同時(shí)，傾向“閱讀”相關(guān)資料尋找程序運(yùn)行效果不佳的原因以及解決方式。但“閱讀”之后并沒(méi)有出現(xiàn)及時(shí)“調(diào)整”編程模塊等操作行為序列，這說(shuō)明該組自主解決問(wèn)題的能力還有待提升。44DEDAA2-D71C-458B-92D5-F1A29B988D47

（4）女生—女生（GG）組在合作學(xué)習(xí)中遇到問(wèn)題偏向于小組內(nèi)部討論解決，同時(shí)也易出現(xiàn)注意力轉(zhuǎn)移與學(xué)習(xí)無(wú)關(guān)行為的現(xiàn)象。

在GG小組中5種行為序列達(dá)到顯著水平，其行為序列圖如圖 6 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該組的學(xué)習(xí)行為模式中具有以下特征：①與BG組、GB組和BB組相比，GG組的行為序列類型較為單一，而且行為關(guān)聯(lián)頻次不高。對(duì)訪談?dòng)涗浥c視頻分析后，GG組對(duì)該學(xué)習(xí)任務(wù)沒(méi)有產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)為這次學(xué)習(xí)任務(wù)太難，討論后也沒(méi)有解決問(wèn)題，對(duì)任務(wù)完成與否抱著消極的態(tài)度。最終，該組也不會(huì)有積極的學(xué)習(xí)行為出現(xiàn)。②“其他行為→檢查”“檢查→其他行為”行為序列雖然達(dá)到了顯著水平，但是，與其他組別還是存在一定的差異，因?yàn)镚G組中的“其他行為”與“檢查”形成一種雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系，這說(shuō)明該組在檢查學(xué)習(xí)行為上，會(huì)頻繁出現(xiàn)閑聊或?yàn)g覽網(wǎng)頁(yè)新聞、娛樂(lè)等行為。

五、問(wèn)題討論

在上述研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)還有一些共性的問(wèn)題值得進(jìn)一步探討。首先是自我效能感的問(wèn)題。無(wú)論實(shí)驗(yàn)組還是對(duì)照組，自我效能感都沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的正面效應(yīng)，擁有不同水平自我效能感的學(xué)生在總體成績(jī)上沒(méi)有顯著性差異，高自我效能感與低自我效能感之間的均值成績(jī)也差異不大。具體如圖7所示。

自我效能感體現(xiàn)了個(gè)體對(duì)自己是否有能力完成某一項(xiàng)任務(wù)所進(jìn)行的推測(cè)與預(yù)判，也是個(gè)體自信心的表現(xiàn)[17]。為了深入了解這一現(xiàn)象背后的原因，本研究對(duì)部分學(xué)生進(jìn)行了訪談，有些學(xué)生認(rèn)為，“相比語(yǔ)數(shù)外等課程，信息技術(shù)課的要求并不高，即使有些程序完成了，也沒(méi)有什么成就感?！绷硗猓恍W(xué)生則反映，“基于開(kāi)源硬件的編程學(xué)習(xí)還是有點(diǎn)難度，第一次接觸嘛，學(xué)習(xí)上的困難比較多也影響了學(xué)習(xí)的信心?！苯?jīng)訪談，究其原因有三個(gè)方面：一是信息技術(shù)課程地位的問(wèn)題;二是初學(xué)基于開(kāi)源硬件的編程，給學(xué)生帶來(lái)了壓力;三是周課時(shí)的問(wèn)題，每周一次的課時(shí)難以使學(xué)習(xí)有連貫性，容易讓學(xué)生失去興趣。這些問(wèn)題的解決雖然有制度層面上的阻力，但是教師做好課程單元內(nèi)容的設(shè)計(jì)，使學(xué)習(xí)項(xiàng)目具有連續(xù)性，也是一項(xiàng)可行的策略。其次是“其他行為”普遍出現(xiàn)在各個(gè)小組的學(xué)習(xí)過(guò)程之中的問(wèn)題?！捌渌袨椤钡念l繁出現(xiàn)，說(shuō)明了在學(xué)習(xí)過(guò)程中有“開(kāi)小差”現(xiàn)象，如上網(wǎng)看娛樂(lè)新聞、閑聊等行為，學(xué)習(xí)注意力易發(fā)生轉(zhuǎn)移;同時(shí)也反映出教師在課堂教學(xué)中的監(jiān)管與指導(dǎo)力度上存在問(wèn)題。一旦課堂缺乏有效的監(jiān)管與指導(dǎo)，很容易導(dǎo)致小組在尋求教師幫助時(shí)，學(xué)生會(huì)由于等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和教師監(jiān)管不到位導(dǎo)致出現(xiàn)這一現(xiàn)象。為了防止這些“其他行為”的頻繁出現(xiàn)，需要教師一方面合理安排好學(xué)生用網(wǎng)時(shí)間，從技術(shù)上控制好無(wú)關(guān)行為的出現(xiàn);另一方面，教師在小組合作組織上可以采用能力分組與意愿分組方式，讓小組內(nèi)有制約機(jī)制;同時(shí)安排好個(gè)人學(xué)習(xí)任務(wù)單，明確學(xué)習(xí)任務(wù)與目標(biāo)。

六、總結(jié)與建議

本研究在圖形化編程環(huán)境中，以建模方式作為研究變量，并探討了不同建模方式、自我效能感對(duì)計(jì)算思維測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，編程建模方式不僅影響了學(xué)習(xí)成績(jī)的提升，而且也成為學(xué)生學(xué)習(xí)編程的一種思維方式。尤其是支架式編程建模方式，給學(xué)生提供了思考問(wèn)題的線索，以線索為基礎(chǔ)分析問(wèn)題所關(guān)聯(lián)的基本要素，厘清問(wèn)題結(jié)構(gòu)并尋找合理的解決方案。由于多方面的影響，自我效能感沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的功能，未能顯著性影響學(xué)習(xí)成績(jī)。為了進(jìn)一步探討學(xué)習(xí)行為，本研究借助滯后序列分析法對(duì)不同性別主導(dǎo)配對(duì)式合作編程學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析，其結(jié)果是不同小組的學(xué)習(xí)行為序列模式出現(xiàn)了顯著性差異，同時(shí)在這些差異中也發(fā)現(xiàn)了一些共性問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本研究提出以下幾點(diǎn)建議，以便今后更加順利地開(kāi)展此類學(xué)習(xí)活動(dòng)。

（一）在圖形化編程環(huán)境中需要重視編程建模這一方法，讓建模成為學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的重要支架工具與途徑

在編程學(xué)習(xí)活動(dòng)中，通過(guò)建立模型的方法，一方面能夠澄清相關(guān)問(wèn)題假設(shè)，幫助學(xué)生更有邏輯地思考并理解問(wèn)題的核心所在，幫助學(xué)生對(duì)問(wèn)題建構(gòu)起某種內(nèi)部表征（概念模型）;另一方面表征的模型為小組成員提供了一個(gè)可供討論的對(duì)象，其表征過(guò)程所包含的事實(shí)、想法或假說(shuō)、學(xué)習(xí)重點(diǎn)以及行動(dòng)計(jì)劃也成了他們?cè)诮鉀Q問(wèn)題過(guò)程中增加理解和交流思想的基礎(chǔ)。顯然，建模方法為學(xué)生認(rèn)知發(fā)展提供了支持，包括檢驗(yàn)假設(shè)、猜想、推理以及許多重要的認(rèn)知技能[18]。因此，在中小學(xué)編程教育中建模方法成了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維不可或缺的認(rèn)知工具。顯然，建模不僅僅只是一種表征客體事物（問(wèn)題）原型的映射過(guò)程，更是學(xué)生發(fā)展計(jì)算思維方式的一種認(rèn)知途徑。當(dāng)學(xué)生在編程活動(dòng)中為了解決某一實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)建模方式構(gòu)建了問(wèn)題模型，而這一模型信息會(huì)在大腦中被加工編碼并內(nèi)化為自身知識(shí)體系，最終被學(xué)生所“理解”。顯然，這就成了培養(yǎng)計(jì)算思維的一種重要學(xué)習(xí)方式：基于模型的學(xué)習(xí)。

（二）編程學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展不僅需要關(guān)注編程學(xué)習(xí)內(nèi)容的實(shí)用化設(shè)計(jì)，而且還需要考慮活動(dòng)組織的精細(xì)化安排

在編程學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)成為了教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的“主旋律”。如何讓學(xué)生能夠成功依賴于自己的認(rèn)知策略、先前知識(shí)和動(dòng)機(jī)，并有責(zé)任地組織學(xué)習(xí)活動(dòng)，這是學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)的重中之重。顯然，在學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，首先應(yīng)站在學(xué)習(xí)者的角度來(lái)進(jìn)行總體構(gòu)思，在了解基本學(xué)情的基礎(chǔ)上合理搭建活動(dòng)要素（如學(xué)習(xí)組織方式、知識(shí)傳遞策略、評(píng)估學(xué)習(xí)方式等）;其次，學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)盡量融入學(xué)生的生活經(jīng)歷，讓所學(xué)的編程知識(shí)與技能能夠遷移并應(yīng)用于生活實(shí)踐之中，超越自身已有的經(jīng)驗(yàn)，避免學(xué)習(xí)認(rèn)知的單調(diào)性變化;最后，學(xué)習(xí)內(nèi)容在組織策略上需要多樣化，如多通道策略、多表征策略、支架策略等綜合運(yùn)用，凸顯在學(xué)習(xí)活動(dòng)上的多變性，旨在發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，讓學(xué)生獲得更多的自我效能感。另外，在活動(dòng)組織上需要精細(xì)化，不僅從個(gè)人意愿與興趣基礎(chǔ)上進(jìn)行分組，還應(yīng)考慮能力分組方式，促進(jìn)不同小組成員之間相互依賴與相互監(jiān)督;同時(shí)重視學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程中的監(jiān)管問(wèn)題，防止課堂出現(xiàn)過(guò)多的“無(wú)關(guān)行為”。

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