可視化編程能有效促進K12學(xué)生的發(fā)展嗎

陳鵬　王曉　楊姝　陳曉怡　楊東

摘要：編程被全球多個國家納入基礎(chǔ)教育課程，可視化編程工具因其具有操作直觀、封裝簡化等特點，已成為中小學(xué)開展編程教育的重要方式。然而學(xué)界對可視化編程能否有效促進學(xué)生的發(fā)展，尚未形成一致的結(jié)論。通過對近十年SSCI期刊39項實驗和準實驗研究進行元分析發(fā)現(xiàn)：（1）可視化編程對K12學(xué)生在認知、行為能力、情感態(tài)度三個層面都有促進作用，且對認知的影響最大，其次是情感態(tài)度層面；（2）可視化編程在小學(xué)階段的作用效果更為顯著；（3）中等規(guī)模的可視化編程教學(xué)活動對學(xué)生認知層面的影響最佳，小規(guī)模可視化編程教學(xué)活動對學(xué)生行為能力層面的影響更突出；（4）不同時長的可視化編程教學(xué)活動都對學(xué)生發(fā)展有積極促進作用，但作用效果無顯著差異。未來開展可視化編程教學(xué)與實踐，可將信息科技課程內(nèi)容與其他學(xué)科結(jié)合，綜合工具自身的特點以及學(xué)生不同年齡階段的發(fā)展特征來設(shè)計學(xué)習活動，并在實施時采用多樣化的教學(xué)策略，提高學(xué)生的學(xué)習投入和學(xué)習效果。

關(guān)鍵詞：編程教育；可視化編程；K12學(xué)生；學(xué)生發(fā)展；元分析

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2023）04-0102-11? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2023.04.012

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基金項目：北京市教育委員會科學(xué)研究計劃項目“基于學(xué)習分析技術(shù)的計算思維生成過程和評價模型研究”（KM202310028004）；首都師范大學(xué)教育學(xué)院開放課題“基于學(xué)習過程分析的計算思維水平預(yù)測研究”。

作者簡介：陳鵬，博士，高級實驗師，碩士生導(dǎo)師，首都師范大學(xué)教育學(xué)院（北京 100048）；王曉，碩士研究生，首都師范大學(xué)教育學(xué)院（北京 100048）；楊姝、陳曉怡，碩士研究生，首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院（北京 100048）；楊東，博士，講師，北京師范大學(xué)未來教育學(xué)院（廣東珠海 519087）。

為應(yīng)對人工智能的迅速發(fā)展，加快建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強國，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出“實施全民智能教育項目，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”（中華人民共和國中央人民政府，2017）。與此同時，《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022版）》將計算思維列為信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，強調(diào)通過課程學(xué)習讓學(xué)生初步具備解決問題的能力，發(fā)展計算思維（中華人民共和國教育部，2022）?？梢暬幊坦ぞ咭蚱洳僮髦庇^、封裝簡化，降低了代碼語句編寫的難度、規(guī)避了繁瑣的語法調(diào)試環(huán)節(jié)，能夠有效激發(fā)學(xué)生編程學(xué)習的興趣，更聚焦于計算思維培養(yǎng)和能力的發(fā)展（郁曉華等，2017），成為中小學(xué)開展編程教育的重要方式。目前，Scratch、App Inventor、Alice等可視化編程工具，以及與之結(jié)合的教育機器人在國內(nèi)外中小學(xué)得到廣泛的運用（陳鵬等，2018）。有研究指出，基于可視化編程開展教學(xué)活動，學(xué)生在計算思維（Noh et al.，2020）、問題解決能力（Yilmaz Ince et al.，2021）、創(chuàng)新能力等方面都能得到發(fā)展。但也有研究認為，可視化編程存在一定的局限性，并不能促進學(xué)生計算思維的提升以及能力的發(fā)展?？梢姡翱梢暬幊淌欠裼欣趯W(xué)生發(fā)展”這一問題在學(xué)界尚未達成一致的結(jié)論。本研究擬采用元分析（Meta-Analysis）的方法，梳理國際上基于可視化編程開展的實驗和準實驗研究，同時以學(xué)段、樣本規(guī)模及實驗周期為調(diào)節(jié)變量分析其對學(xué)生發(fā)展的作用，為編程教育的研究與實踐提供可行性參考。

一、文獻綜述

編程是人們解決問題的一種思路和方法，主要指人類將要解決的問題以計算機能理解的方式輸入計算機，讓其根據(jù)人的指令完成并實現(xiàn)某特定任務(wù)的過程。近些年，隨著信息技術(shù)對人類生活、生產(chǎn)的影響日益加深，編程教育成為發(fā)展學(xué)生計算思維、問題解決能力、創(chuàng)造力等的重要途徑（張進寶，2019）。然而基于文本的編程工具（如Python、Java）因其過于復(fù)雜的程序語法會降低學(xué)生編程學(xué)習的熱情和信心，不適宜初學(xué)者，尤其是低齡學(xué)習者（Kinnunen et al.，2006；Topalli et al.，2018）?？梢暬幊坦ぞ撸ㄒ卜Q基于塊的可視化編程工具），如常見的Scratch、App Inventor、Alice等，能通過拖動可視化塊和設(shè)置參數(shù)的方式構(gòu)建程序（Chao，2016）。它們簡單、直觀的操作界面，容易上手且極具趣味性，能夠大大降低編程學(xué)習過程中語法操作的難度，滿足初學(xué)者“低門檻、高天花板”的編程需求（張進寶，2019；Mladenovi? et al.，2018）。目前越來越多的國家和地區(qū)在計算機科學(xué)教育中運用可視化編程工具，并通過實證研究來探究其對學(xué)生發(fā)展的影響，然而相關(guān)研究的結(jié)論并不一致。

一部分研究肯定了可視化編程的積極作用，認為其能夠促進學(xué)生認知、能力、情感態(tài)度等方面的發(fā)展。例如認知方面，Rodriguez-Martinez 等（2020）在六年級開展可視化編程活動與數(shù)學(xué)任務(wù)相結(jié)合的實驗研究，發(fā)現(xiàn)利用Scratch完成數(shù)學(xué)任務(wù)有利于發(fā)展學(xué)生的數(shù)學(xué)思想和計算思維；Aksit等（2020）在中學(xué)課堂中通過基于塊的編程活動引入計算思維概念和模型構(gòu)建內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)可視化編程對物理概念學(xué)習具有促進作用。能力方面，張景（2022）、Yilmaz Ince等（2021）認為可視化編程活動能夠發(fā)展學(xué)生的批判性思維、問題解決能力、創(chuàng)造力等。Noh 等（2020）針對小學(xué)五、六年級開展了為期11周的實驗研究，論證了結(jié)合可視化編程和機器人可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。Erümit（2020）通過實驗研究證明了基于Scratch開展融合數(shù)學(xué)的教學(xué)游戲?qū)W(xué)生解決問題的算法思維、反思思維都有積極的影響。情感態(tài)度方面，研究者在實驗或準實驗研究中，通過前后測發(fā)現(xiàn)，可視化編程工具對學(xué)生編程學(xué)習的態(tài)度（Erümit，2020）、自我效能感（?zmutlu et al.，2021）和學(xué)習動機（Hsiao et al.，2022）等均具有積極影響。

也有研究者發(fā)現(xiàn)可視化編程存在著一定的局限性，其對學(xué)生思維和能力的提升效果不顯著。例如：Lewis（2010）的研究指出，對于有信息知識背景的學(xué)生而言，可視化編程工具無法為其帶來專業(yè)感，較難提升學(xué)生的學(xué)習興趣和學(xué)習效能。Garlick等（2010）對比學(xué)生使用Alice編程和傳統(tǒng)文本編程的學(xué)習效果，發(fā)現(xiàn)前者在測試和編程任務(wù)上的得分均低于后者。Kalelio?lu 等（2014）在小學(xué)開展Scratch教學(xué)后發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題解決能力沒有顯著提升，學(xué)生對可視化編程存在消極態(tài)度。郁曉華等（2017）在中小學(xué)開展App Inventor教學(xué)實踐后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生抽象思維、邏輯思維成績下降，且解決問題的系統(tǒng)化能力未得到顯著提升。

還有一些研究者認為，可視化編程的教學(xué)效果不能一概而論，它可能會受到學(xué)段、班級人數(shù)、學(xué)習時長等研究設(shè)計和教學(xué)設(shè)計的影響（Chen et al.，2018；Hu et al.，2021）。例如，Atmatzidou等（2016）面向初中、高職學(xué)生開展可視化編程活動后，發(fā)現(xiàn)不同年齡段學(xué)生在計算思維技能的部分維度上有著顯著差異。Fidai等（2020）在Scratch編程活動中發(fā)現(xiàn)不同學(xué)習時長對學(xué)生計算思維的提升有顯著影響。王靖等（2022）在小學(xué)三、四年級開展三輪Scratch編程教學(xué)研究后發(fā)現(xiàn)，在第一、二輪研究中學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績、計算思維水平均沒有顯著提升，而在第三輪中出現(xiàn)顯著提升。該結(jié)果表明對于低齡學(xué)習者，可視化編程學(xué)習可能需要經(jīng)過長時間才會表現(xiàn)出明顯的促進作用。崔凱麗（2021）通過準實驗研究發(fā)現(xiàn)，以技術(shù)操作為目標的可視化編程教學(xué)對小學(xué)生計算思維的發(fā)展未見顯著的影響，而以計算思維培養(yǎng)為目標的教學(xué)則會產(chǎn)生顯著效果。

綜上所述，可視化編程對學(xué)生發(fā)展是否有顯著的促進作用，學(xué)界并沒有形成一致的結(jié)論?；诖?，本研究以國際SSCI期刊文獻中的實驗和準實驗研究成果為對象，采用元分析方法探索可視化編程對K12學(xué)生發(fā)展的影響。具體的研究問題為：（1）可視化編程能否促進學(xué)生（認知、行為能力、情感態(tài)度等層面）的發(fā)展，具體效果如何？（2）哪些因素（研究學(xué)段、樣本規(guī)模、實驗時長）會影響學(xué)生的發(fā)展？在認知、行為能力、情感態(tài)度方面的影響是否有不同？

二、研究方法與過程

1.研究方法

元分析是對特定主題下已有的研究結(jié)果，運用統(tǒng)計學(xué)進行再分析的研究方法（Glass，1976）。作為一種量化研究方法，元分析方法能夠得到一些更具有普適性和可行性的結(jié)論，近年來逐漸被眾多領(lǐng)域認可和使用，教育領(lǐng)域中的研究者們也用它來分析教與學(xué)的有效性問題（楊九民等，2022；Chauhan，2017）。本研究采用元分析方法，以標準化平均差（Standardized Mean Difference，SMD）作為效應(yīng)量，運用Revman 5.4對相關(guān)實驗和準實驗的研究數(shù)據(jù)進行分析，評估可視化編程對K12學(xué)生發(fā)展的影響。

2.研究過程

（1）文獻檢索

研究設(shè)定Web of Science數(shù)據(jù)庫中“SSCI期刊”為檢索范圍，時間跨度為2013—2022年，以“Programing”“Scratch”“Visual Programming” “Alice or App Inventor”“ScratchJr”為關(guān)鍵詞進行主題檢索。通過匯總檢索結(jié)果并將重復(fù)文獻刪除，得到356篇文獻。

（2）文獻篩選

為探索可視化編程對K12學(xué)生發(fā)展的影響，研究制定如下文獻篩選標準：（1）文獻中的工具必須是可視化編程工具（如Scratch、ScratchJr、Alice、App Inventor等）；（2）文獻研究對象范圍包括學(xué)前、小學(xué)、初中和高中，排除大學(xué)及以上階段的研究；（3）文獻為可視化編程環(huán)境中開展的實驗或準實驗研究，并進行了前后測，或者實驗組與對照組的比較；（4）文獻的數(shù)據(jù)分析部分有可計算效應(yīng)量的信息。具體的篩選過程如圖 1所示。

根據(jù)上述篩選標準和過程，總共得到39項符合要求的獨立研究被納入此次元分析。由于部分獨立研究包括多個效應(yīng)量，最終共得到145個可用于元分析的效應(yīng)量。

（3）特征值編碼

除了對納入文獻的基本信息進行提取之外，本研究還對39項研究做特征值編碼。編碼由兩位研究生背對背獨立進行，Cohen Kappa系數(shù)為0.88，表明編碼結(jié)果可信。編碼的內(nèi)容包括研究學(xué)段、樣本規(guī)模、實驗時長、研究的作用效果等。綜合來看，此次元分析的39項研究，橫跨K12所有學(xué)段，并以小學(xué)階段的研究最多（N＝26）。因?qū)W前僅有1項研究，將其納入到小學(xué)階段一起分析。實驗樣本規(guī)模在11～244人之間，其中30～50人的區(qū)間最多（N＝15）。實驗時長短的有1周，長則達到5個月，其中以8周以上的最多（N＝15）。詳細編碼結(jié)果如表 1所示。

通過對研究作用效果的特征值編碼進行提取分析，39項研究中共得到13個作用效果。根據(jù)布魯姆的目標分類原理，本研究將所得到的13個作用效果分別歸類到認知、行為能力、情感態(tài)度三個維度中進行下一步元分析，以探索可視化編程對K12學(xué)生發(fā)展的影響。其中，認知維度涵蓋學(xué)生對計算思維概念與知識的獲得，以及所涉及學(xué)科的學(xué)業(yè)成績；行為能力維度主要包括學(xué)生在編程活動中行為技能的提升，如算法設(shè)計能力、編程及數(shù)據(jù)處理能力、創(chuàng)造力、批判思維能力、協(xié)作能力、問題解決能力以及反思能力；情感態(tài)度維度主要是指學(xué)生的學(xué)習興趣、態(tài)度動機、價值認可、信心與效能感。

三、研究結(jié)果與分析

1.發(fā)表偏倚檢驗

為了避免研究者、審稿者及編輯在篩選論文時帶來的偏差（楊揚等，2002）影響到納入文獻的代表性，在元分析前首先需進行發(fā)表偏倚檢驗。本研究選用漏斗圖和失安全系數(shù)來檢驗發(fā)表偏倚。漏斗圖（見圖 2）顯示納入分析的145個效應(yīng)量相對均勻且對稱地分布在平均效應(yīng)量的兩側(cè)，但也有小部分落在了斜線外，說明研究之間可能具有異質(zhì)性。根據(jù)Rosenthal（1979）提出的失安全系數(shù)計算方法（Nfs0.05＝（∑Z/1.645）2-k，其中∑Z為每個研究效應(yīng)量的和，k為納入分析的研究個數(shù)），計算得到本研究中的失安全系數(shù)為91021.21，遠大于5k＋10 （k為納入分析的研究個數(shù)）的容許水平。該結(jié)果表明未發(fā)表的效應(yīng)值對本次元分析結(jié)果影響較小，納入的研究不存在發(fā)表偏倚。

2.異質(zhì)性檢驗

異質(zhì)性檢驗的目的是評估各研究之間是否具有可合并性。異質(zhì)性通常因不同研究所采用的不同的研究方法、研究設(shè)計而致，需要通過異質(zhì)性檢驗來判斷。本研究異質(zhì)性檢驗結(jié)果I2＝84%（見表 2），根據(jù)Higgins的標準（Higgins et al，2003）表明，可視化編程對學(xué)生發(fā)展的作用可能受學(xué)段、樣本量、實驗時長等諸多因素的影響。

3.可視化編程對學(xué)生發(fā)展的效應(yīng)檢驗

本研究采用Cohens d標準（Cohen，1992）作為統(tǒng)計合并效應(yīng)量的指標。當效應(yīng)量小于0.2時，說明存在輕度影響；處于0.2～0.8時，存在中度影響；大于0.8時，存在高度影響。本研究的合并效應(yīng)量SMD為0.68，置信區(qū)間為0.61～0.77，合并效應(yīng)量Z＝17.05（p＜0.001），達到統(tǒng)計顯著水平，表明可視化編程能夠促進中小學(xué)生發(fā)展。

研究從認知、行為能力和情感態(tài)度三個維度進一步分析了可視化編程對K12學(xué)生的影響，結(jié)果如表 3所示。認知層面，可視化編程的作用效應(yīng)量SMD＝0.86（p＜0.001），達到統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著水平，表明可視化編程對中小學(xué)生的認知發(fā)展具有顯著促進作用。具體來看，其對計算思維的效應(yīng)量為SMD＝0.83（p＜0.001），對學(xué)業(yè)成績的效應(yīng)量為SMD＝0.95（p＜0.001），作用效果都十分顯著。行為能力層面，合并效應(yīng)量SMD＝0.41（p＜0.001），表明可視化編程對學(xué)生行為能力發(fā)展具有顯著的中等作用效果。其中，其對算法設(shè)計能力（SMD＝0.93，p＜0.001）存在顯著影響，對完成活動任務(wù)過程中的創(chuàng)新創(chuàng)造能力（SMD＝0.44，p＜0.001）、編程及數(shù)據(jù)處理能力（SMD＝0.41，p＜0.001）、批判思維（SMD＝0.41，p＜0.001）、問題解決能力（SMD＝0.37，p＜0.01）存在中度影響，但是對學(xué)生的協(xié)作能力（SMD＝0.24，p＞0.05）、反思能力（SMD＝0.23，p＞0.05）作用效果不顯著，即可視化編程對學(xué)生的協(xié)作以及反思能力等的促進作用還有待提高。這一結(jié)果也可能是由于面向?qū)W生反思能力的研究數(shù)量不足造成的。因此在這些維度上進行更多的應(yīng)用探索，是后續(xù)研究的重點之一。情感態(tài)度層面，可視化編程對學(xué)生發(fā)展的合并效應(yīng)量SMD＝0.71（p＜0.001），具有顯著的中等作用效果。它能夠顯著積極地提升學(xué)生學(xué)習的價值認可（SMD＝0.92，p＜0.001）、信心與效能感（SMD＝0.85，p＜0.001），但對學(xué)習興趣（SMD＝0.70，p＜0.001）、態(tài)度動機（SMD＝0.43，p＜0.05）的作用效果中等。

綜合而言，可視化編程能夠促進K12學(xué)生在認知、行為能力和情感態(tài)度三個方面的正向發(fā)展，且對認知層面發(fā)展的促進作用最明顯，其次是情感態(tài)度層面。該研究結(jié)果表明，可視化編程對于學(xué)生發(fā)展的促進作用具有多元性；在編程教育中需加強學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造、批判思維、問題解決等行為能力的發(fā)展，提升學(xué)習信心與效能感、學(xué)習興趣和態(tài)度動機。

4.不同學(xué)段學(xué)生的發(fā)展差異

目前雖然已有針對中小學(xué)全學(xué)段開展可視化編程的相關(guān)探討，但研究主要集中在小學(xué)階段。按照效應(yīng)量大小進行排列（見表 4），可視化編程對不同學(xué)段學(xué)生整體認知發(fā)展的影響依次是小學(xué)（SMD＝0.99，p＜0.001）、初中（SMD＝0.57，p＜0.001）、高中（SMD＝0.56，p＜0.001）。由合并效應(yīng)量檢驗Z＝13.50（p＜0.001）、組間效應(yīng)檢驗結(jié)果Chi2＝11.46（p＜0.01）可知：可視化編程對不同學(xué)段學(xué)生認知發(fā)展的促進作用存在顯著差異。具體而言，其對三個學(xué)段的學(xué)生認知發(fā)展均具有顯著的中等偏上的促進作用，但對小學(xué)階段學(xué)生的影響最為顯著，其次是初中和高中。計算思維維度出現(xiàn)了類似的結(jié)果，即可視化編程對小學(xué)（SMD＝0.92，p＜0.001）、初中（SMD＝0.55，p＜0.001）、高中（SMD＝0.48，p＜0.01）學(xué)生的計算思維發(fā)展均具有顯著的中等偏上促進作用，但三個學(xué)段存在顯著差異（Chi2＝7.88，p＜0.05），對小學(xué)生的影響最大，其次為初中和高中。在學(xué)業(yè)成績維度，可視化編程對小學(xué)（SMD＝1.20，p＜0.001）、初中（SMD＝0.59，p＜0.01）、高中（SMD＝0.69，p＜0.05）學(xué)生都有顯著中等偏上的促進作用，但三者之間不存在顯著差異（Chi2＝3.91，p＞0.05）。行為能力層面，可視化編程作用效果最大的是高中（SMD＝0.65，p＜0.001）、其次為小學(xué)（SMD＝0.40，p＜0.001）、初中（SMD＝0.33，p＜0.05）。由合并效應(yīng)量檢驗Z＝7.81（p＜0.001）、組間效應(yīng)檢驗結(jié)果Chi2＝6.59（p＜0.05）可知：可視化編程對不同學(xué)段學(xué)生行為能力發(fā)展存在較為顯著的差異。情感態(tài)度層面，可視化編程作用效果依次是小學(xué)（SMD＝0.86，p＜0.001）、高中（SMD＝0.58，p＜0.001）、初中（SMD＝0.32，p＞0.05），合并效應(yīng)量檢驗Z＝8.12（p＜0.001），表明可視化編程對小學(xué)、高中學(xué)生的情感態(tài)度發(fā)展有中等偏上的促進作用，但是對初中生的促進作用并不顯著。同時由組間效應(yīng)檢驗結(jié)果（Chi2＝6.19，p＝0.05）可知，可視化編程對小學(xué)、初中、高中學(xué)生情感態(tài)度方面的影響不存在顯著差異。

總體而言，可視化編程能正向促進各學(xué)段學(xué)生的個體發(fā)展，其中，對小學(xué)階段學(xué)生認知層面的正向促進作用最為突出，對高中生行為能力層面的效果更明顯。這一方面可能是由于可視化編程易操作但豐富性有所欠缺，提供的適合中學(xué)生高認知水平的任務(wù)有限；另一方面高中生掌握操作更快，在問題解決過程中行為能力能得到更多鍛煉。

5.不同樣本規(guī)模的學(xué)生發(fā)展差異

為考察不同樣本規(guī)模的可視化編程活動對學(xué)生發(fā)展的影響，本研究分析了三種不同樣本規(guī)模下可視化編程對學(xué)生認知、行為能力、情感態(tài)度三個方面發(fā)展的促進作用，分別是小規(guī)模（＜50人）、中規(guī)模（50～100 人）、大規(guī)模（＞100人）。如表 5所示，認知層面，小規(guī)模（SMD＝0.92，p＜0.001）、中等規(guī)模（SMD＝1.03，p＜0.001）及大規(guī)模（SMD＝0.58，p＜0.001）樣本下可視化編程對學(xué)生認知發(fā)展均具有顯著的中等偏上的促進作用。組間效應(yīng)量結(jié)果（Chi2＝10.89，p＜0.01）表明，不同樣本規(guī)模下可視化編程對認知的影響有顯著差異，具體來說：中等規(guī)模的可視化編程活動比小規(guī)模、大規(guī)模時更能促進學(xué)生認知發(fā)展。各規(guī)模樣本下可視化編程對學(xué)生計算思維發(fā)展的合并效應(yīng)量均為正值（Z＝11.09，p＜0.001），且達到顯著水平，表明無論多大的樣本規(guī)模，可視化編程都會對學(xué)生計算思維有中等偏上的正向影響，但是不同規(guī)模之間沒有顯著差異（Chi2＝4.58，p＞0.05）。學(xué)業(yè)成績維度，不同規(guī)模下可視化編程都對學(xué)業(yè)成績有正向促進作用，且不同規(guī)模之間的影響作用具有顯著差異（Chi2＝7.06，p＜0.05），即中等規(guī)模（SMD＝1.30，p＜0.001）高于小規(guī)模（SMD＝0.91，p＜0.001）、大規(guī)模（SMD＝0.48，p＜0.05）。行為能力層面，不同規(guī)模樣本下可視化編程對學(xué)生均具有顯著的正向影響，且小規(guī)模（SMD＝1.01，p＜0.001）合并效應(yīng)量高于大規(guī)模（SMD＝0.42，p＜0.001）和中等規(guī)模（SMD＝0.33，p＜0.001）。組間效應(yīng)量（Chi2＝14.87，p＜0.001）表明，可視化編程對學(xué)生行為發(fā)展的影響在不同規(guī)模樣本中有顯著差異。情感態(tài)度層面，中等規(guī)模（SMD＝0.77，p＜0.001）及大規(guī)模（SMD＝0.73，p＜0.05）樣本下，可視化編程對學(xué)生發(fā)展均具有顯著的中等偏上的促進作用，但是小規(guī)模（SMD＝0.14，p＞0.05）樣本下其對學(xué)生情感態(tài)度的影響并不顯著。組間效應(yīng)量結(jié)果（Chi2＝1.55，p＞0.05）表明，不同樣本規(guī)模對學(xué)生情感態(tài)度的影響不存在顯著差異。

總的來說，中等規(guī)模人數(shù)的編程教學(xué)活動對學(xué)生認知層面的影響是最佳的，而過大或過小的樣本規(guī)模會降低作用效果。

6.不同實驗周期的學(xué)生發(fā)展差異

為考察實驗周期的長短對學(xué)生發(fā)展的影響差異，本研究按照短期（4周以內(nèi)）、中期（5～8周）、長期（8周以上）進行亞組分析，結(jié)果如表 6所示。合并效應(yīng)量檢驗的結(jié)果表明，無論實驗周期多長，可視化編程對學(xué)生認知（Z＝15.49，p＜0.001）、行為能力（Z＝7.81，p＜0.001）、情感態(tài)度（Z＝8.12，p＜0.001）的發(fā)展都具有顯著的促進作用。認知層面，短期（SMD＝0.93，p＜0.001）、中期（SMD＝0.92，p＜0.001）、長期（SMD＝0.73，p＜0.001）的可視化編程活動都對學(xué)生發(fā)展有顯著的促進作用，但是三者之間不存在顯著差異（Chi2＝3.41，p＞0.05）。具體到計算思維、學(xué)業(yè)成績維度，具有相類似的結(jié)果。同樣的，在行為能力和情感態(tài)度層面，短期、中期、長期的實驗活動對學(xué)生有中等偏上的促進作用，但三者之間也不存在顯著差異。

四、研究結(jié)論與啟示

1.研究結(jié)論

本研究運用元分析方法對可視化編程環(huán)境下開展的39項研究進行梳理與分析，從認知、行為能力、情感態(tài)度三個方面評估可視化編程對K12學(xué)生發(fā)展的影響，并以學(xué)段、樣本規(guī)模、實驗周期作為調(diào)節(jié)變量討論了其對學(xué)生發(fā)展的作用效果及其差異。

（1）可視化編程對學(xué)生認知、行為能力、情感態(tài)度三個方面的發(fā)展均具有正向促進作用

整體來說，可視化編程可以促進學(xué)生的發(fā)展。認知方面，可視化編程不僅能提升學(xué)生對計算思維概念的理解，還有助于提高學(xué)生的學(xué)業(yè)成績；行為能力方面，除了提高學(xué)生的算法設(shè)計、編程及數(shù)據(jù)處理能力之外，可視化編程還能有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造、批判思維、問題解決能力；情感態(tài)度方面，可視化編程能夠提升學(xué)生對計算思維學(xué)習的價值認可、信心與效能感、學(xué)習興趣、態(tài)度動機等，且情感態(tài)度上的積極作用也能正向影響學(xué)生認知和行為能力方面的發(fā)展。

可見，可視化編程有利于學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習以及多元能力的培養(yǎng)。分析其原因：首先，可視化編程工具相較于傳統(tǒng)的基于文本的編程，更直觀且更易操作（Sykes，2007），不僅可以節(jié)省學(xué)生記憶復(fù)雜編程語法和調(diào)試錯誤的時間和精力（Wang et al.，2009），還能降低學(xué)生學(xué)習編程的認知負荷（Vasilopoulos et al.，2019），增加學(xué)生的學(xué)習信心，讓其專注于學(xué)習過程（Lindberg et al.，2019）。其次，可視化編程工具提供了多種功能設(shè)置及外部設(shè)備（如Arduino）接口，有利于學(xué)生創(chuàng)建更多交互式的游戲、動畫等 ，激發(fā)學(xué)習興趣，豐富學(xué)習體驗，讓他們在游戲中解決數(shù)學(xué)、科學(xué)、語言等不同學(xué)科的學(xué)習問題（Topalli et al.，2018）；在問題解決過程中，還可以幫助學(xué)生理解更深層次的概念知識，發(fā)展學(xué)生的算法設(shè)計、批判思維、創(chuàng)新創(chuàng)造、問題解決等多元能力。未來不僅可以在信息科技學(xué)科內(nèi)，也可以擴展到其他學(xué)科中，探索如何更好地綜合跨學(xué)科知識設(shè)計教學(xué)活動，運用可視化編程工具培養(yǎng)學(xué)生多元知識和行為能力。

（2）可視化編程對學(xué)生認知、行為能力、情感態(tài)度發(fā)展的促進作用受學(xué)段、樣本規(guī)模、實驗周期等調(diào)節(jié)變量的影響

從學(xué)段來看，首先，可視化編程對小學(xué)、初中、高中學(xué)生整體的認知發(fā)展具有顯著的促進作用，且對小學(xué)生的作用效果最為顯著，其次是初中生、高中生。組間效應(yīng)顯示，可視化編程在不同學(xué)段對計算思維的促進作用存在顯著差異，效果由大到小分別為小學(xué)、初中、高中；但對不同學(xué)段學(xué)生的學(xué)業(yè)成績的促進作用不存在顯著差異。這可能是由于編程教育主要聚焦在計算思維的培養(yǎng)上，其他學(xué)科知識融入以基礎(chǔ)知識為主，三個學(xué)段之間知識的難度層次差異不大。其次，可視化編程對小學(xué)生、高中生的情感態(tài)度提升有較強的促進作用，但對初中生的促進作用并不顯著；在行為能力方面的影響也存在相類似的結(jié)果，對初中生的促進作用低于小學(xué)生和高中生。分析其原因，可能是由于可視化編程工具的直觀和易操作性，基于其開展的學(xué)習活動對小學(xué)生是有趣且愉快的，但是對于初中生來說有些過于簡單了（Cheung et al.，2009），無法提供符合其需求的復(fù)雜的、具有挑戰(zhàn)性的活動與任務(wù)（Hu et al.，2021）。而在高中階段，將可視化編程與其他學(xué)科知識相結(jié)合（Zha et al.，2020），能夠緩解學(xué)習壓力，促進學(xué)習投入。未來研究可以更多關(guān)注如何設(shè)計符合中學(xué)生認知能力和學(xué)習水平的活動，探索可視化編程工具和文本編程工具相結(jié)合的編程教學(xué)。

對樣本規(guī)模的分析顯示，可視化編程能夠促進不同樣本規(guī)模學(xué)生的認知發(fā)展，但不同規(guī)模下其對計算思維的影響不存在顯著差異，對學(xué)業(yè)成績的影響存在顯著差異，且在中等規(guī)模樣本上的作用更為顯著。行為能力方面，小規(guī)模的教學(xué)效果要顯著高于大規(guī)模和中等規(guī)模。小規(guī)模教學(xué)時，學(xué)生分配到的學(xué)習資源增加，同時教師也便于管理和控制教學(xué)節(jié)奏，有助于學(xué)習活動的開展。但另一方面，大規(guī)模教學(xué)也有其優(yōu)勢，如學(xué)生人數(shù)的增加有利于課堂中學(xué)生合作氛圍的形成（Sun et al.，2021）。因此，未來可探索適合不同規(guī)模的教學(xué)策略和模式。

從實驗周期來看，無論實驗周期多長，可視化編程對學(xué)生認知、行為能力、情感態(tài)度的發(fā)展都具有積極顯著的促進作用，但是這種正向的影響在短、中、長的實驗活動之間不存在顯著差異。換個角度來說，可視化編程工具有著抽象分析、模塊分解、自動化編程、編程調(diào)試等相對固定的步驟（Li et al.，2022），因此學(xué)生能在短時間內(nèi)了解并掌握計算思維技能，并完成相應(yīng)的任務(wù)挑戰(zhàn)。

2.研究啟示

綜合來看，元分析結(jié)果肯定了可視化編程對學(xué)生認知、行為能力、情感態(tài)度方面的發(fā)展具有積極促進作用，但這種作用效果會受到學(xué)習者、學(xué)習情境等外在因素的影響，因此開展可視化編程教學(xué)與實踐時，應(yīng)綜合考慮多方要素。

（1）跨學(xué)科綜合化設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生多元能力

教育要消除各學(xué)科知識之間的孤立狀態(tài)（懷特海，2016），學(xué)科整合與融合是教育面向社會發(fā)展的必然?！读x務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》將“信息技術(shù)”課程更改為“信息科技”課程，將過去關(guān)注操作、強調(diào)知識點學(xué)習的技術(shù)導(dǎo)向，轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾握J識與理解世界，培養(yǎng)學(xué)生解決真實世界問題的知識運用能力、批判性思維、創(chuàng)新創(chuàng)造能力等。可視化編程對于學(xué)生計算思維、學(xué)業(yè)成績都有顯著的積極作用。編程課程與其他學(xué)科內(nèi)容相結(jié)合，在提升學(xué)生計算思維的基礎(chǔ)上，還能促進其他學(xué)科知識的學(xué)習（Barr et al.，2011；Swaid，2015）。因此，可以將信息科技課程內(nèi)容與其他相關(guān)學(xué)科進行跨學(xué)科的綜合化設(shè)計，關(guān)注知識的交叉與動態(tài)變化，幫助學(xué)生在復(fù)雜的學(xué)習環(huán)境中理解計算思維，通過計算思維技能和多元能力的發(fā)展來應(yīng)對其他學(xué)科問題的挑戰(zhàn)。

（2）結(jié)合工具特點設(shè)計，適應(yīng)不同階段學(xué)生的發(fā)展特征

可視化編程對不同學(xué)段學(xué)生的認知、行為能力、情感態(tài)度的作用效果不同，因此編程教育應(yīng)結(jié)合工具自身的特點以及學(xué)生不同年齡階段的發(fā)展特征，綜合設(shè)計學(xué)習活動。思維是在知識不斷獲取過程中養(yǎng)成的，是學(xué)習者認知發(fā)展變化的結(jié)果。作為編程教育聚焦培養(yǎng)的計算思維，它的發(fā)展是循序漸進的過程。孫立會等（2020）根據(jù)皮亞杰的認知發(fā)展階段理論提出兒童計算思維的發(fā)展包括前計算思維階段、計算思維準備階段、計算思維形成階段和計算思維發(fā)展階段四個階段；并提出宜在前計算思維階段采用實物感知和實體操作，準備階段采用“不插電”活動，形成階段基于可視化編程發(fā)展計算思維，發(fā)展階段以紙筆編程解決高度邏輯化的問題等。Del Olmo-Mu?oz等（2020）發(fā)現(xiàn)，相較于只采用基于可視化編程工具的“插電”活動而言，將“不插電”活動與 “插電”活動相結(jié)合更能夠有效地發(fā)展小學(xué)生的計算思維技能；“不插電”活動為后續(xù)的“插電”活動奠定了基礎(chǔ)（Saxena et al.，2020）?；谥袑W(xué)生對復(fù)雜的、挑戰(zhàn)性任務(wù)的需求，將可視化編程工具與基于文本編程相結(jié)合，會更有利于促進學(xué)生的發(fā)展（Costa et al.，2017）。因此，研究者需綜合考慮不同工具的特點以及學(xué)生不同階段的發(fā)展特征，設(shè)計課程及活動，以更好地促進學(xué)生發(fā)展。

（3）探索多樣化教學(xué)策略，應(yīng)對班級規(guī)模影響

可視化編程對不同樣本規(guī)模的學(xué)生發(fā)展都有著顯著的中等偏上的促進作用，且在中等規(guī)模實踐中對認知發(fā)展的作用效果最顯著，在小規(guī)模樣本中對行為能力的影響最顯著。小規(guī)模授課，教師能有更多時間給予學(xué)生所需要的關(guān)注（Betts et al.，1999），也能根據(jù)不同需求開展適應(yīng)性教育（Houtveen et al.，1999）。但也有研究指出，縮小班級規(guī)模在小學(xué)階段最有效，且這種效果會受到干預(yù)時長的影響（Biddle et al.，2002）。小規(guī)模授課并不能解決所有的教育問題，學(xué)生數(shù)量只對成績有間接影響，教學(xué)規(guī)模與學(xué)習效果之間的作用還受到學(xué)科、學(xué)生先前知識、教師的滿意度和積極性的影響（Filges et al.，2015）。因此，面對存在不同教學(xué)規(guī)模的教育現(xiàn)實，為保障可視化編程教學(xué)的作用效果，教師可探索更適切、個性化的教學(xué)內(nèi)容，采用多樣化的教學(xué)策略，提高學(xué)生的學(xué)習投入和學(xué)習效果。

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收稿日期 2022-09-14責任編輯 汪燕

Can Visual Programming Improve the Development of K12 Student？

—A Meta-Analysis of 39 Experiments and Quasi-Experiments Studies from SSCI Journals in the Past Decade

CHEN Peng， WANG Xiao， YANG Shu， CHEN Xiaoyi， YANG Dong

Abstract： Programming education has been incorporated into the basic education curriculum in many countries. Visual programming tools is the main tool for K12 programming education because of their features such as intuitive operation and simplified packaging. However， there is a debate about whether visual programming could improve student development or not. The study conducted a meta-analysis based on 39 experiments and quasi-experimental studies published in SSCI journals. The results show as follows. Visual programming has positive effects on K12 student at the cognitive， behavioral and affective levels， and the effect of the cognitive level is the most prominent， followed by the affective level; The effect of visual programming on student development is more significant at the elementary school level; The medium sample teaching activities have the best influence on the cognitive level of students， and the small size sample activities were more prominent at the behavioral level; Visual programming teaching activities with different duration all have a positive effect on the development of students， but there is no significant difference in the effect. In the future， visual programming teaching and practice can integrate information technology curriculum content with other disciplines， synthesize the characteristics of the tools and the students at different ages， comprehensively design learning activities， and adopt diversified teaching strategies to improve students learning engagement and learning effect.

Keywords： Programming Education; Visual Programming; K12 Student; Student Development; Meta-Analysis