不同結(jié)對編程策略對小學生學習效果影響的比較研究

王旭卿 黃瓊梅

摘 ? 要： 結(jié)對編程是一種以協(xié)作方式學習編程的教學策略，該研究將結(jié)對編程與單獨編程相結(jié)合，構(gòu)成混合結(jié)對編程策略，采用準實驗研究法，從編程總評成績、結(jié)對融洽度、結(jié)對互動話語等方面，探究混合結(jié)對編程和常規(guī)結(jié)對編程兩種策略對小學生學習編程效果影響的差異。實驗結(jié)果表明，混合結(jié)對編程策略能夠增進結(jié)對伙伴之間的融洽度，促進學生之間的積極互動，提高小學生的編程能力。教師應正確認識結(jié)對編程與單獨編程的價值，通過組合應用，提高編程教學實效。

關鍵詞： 混合結(jié)對編程策略；常規(guī)結(jié)對編程策略；結(jié)對融洽度；結(jié)對互動

2017年，國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出“在中小學階段開設人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”1?！读x務教育階段信息科技課程標準（2022年版）》提出了科學原理和實踐應用并重的課程內(nèi)容體系2，而編程學習是落實“科”與“技”并重理念的重要載體。結(jié)對編程（Pair Programming）作為一種編程教學策略，已被應用于中小學編程教學實踐中，它是指兩個人協(xié)作解決編程問題，其中“駕駛員”負責編寫代碼，“導航員”負責審查代碼，在結(jié)對過程中每隔一段時間交換角色。已有研究結(jié)果表明，結(jié)對編程在提高學生對編程概念的理解、促進同伴之間的知識共享等方面有積極的作用3，但是這種特殊的合作學習方式對同伴之間的編程能力匹配度、結(jié)對伙伴的合作意愿有一定要求。45 為了改進結(jié)對編程策略、提升編程教學效果，有必要開展更扎實的實證研究，為一線教師開展有效的結(jié)對編程教學實踐提供參考。

一、問題的提出

與單獨編程相比，結(jié)對編程具有許多獨特的優(yōu)勢：一是它可以顯著提高學生的編程能力1，結(jié)對完成任務的時間更短、質(zhì)量更高；2 二是它可以提高學生完成編程任務的信心，降低學生的認知負荷，激發(fā)學生學習編程的興趣，減少學習者的沮喪感；3 三是它能促進學生之間的溝通交流和知識分享，提高學生的協(xié)作學習能力和問題解決能力。4

為了改進結(jié)對編程的實施策略，一些研究人員提出了許多結(jié)對編程的變體形式，來彌補常規(guī)結(jié)對編程策略（即教學過程中全程使用結(jié)對編程）的不足。結(jié)對編程變體形式的共同點是將單獨編程與結(jié)對編程相結(jié)合。已有研究表明，單獨編程的過程有利于提高個人的編程技能和增加學習的樂趣5，而結(jié)對過程使學生參與到與同伴對話，有助于概念發(fā)展6，并且在同伴對話中進行學習更符合學生現(xiàn)有的理解。7 由此可見，結(jié)對編程變體形式具有獨特的優(yōu)勢。不過相關的實證研究較少，有必要對改進常規(guī)結(jié)對編程策略的教學實踐開展研究，驗證其有效性。

本研究重點關注混合結(jié)對編程（Hybrid Pair Programming）策略，即在結(jié)對編程的基礎上增加單獨編程8，采用準實驗研究方法，對比分析混合結(jié)對編程策略和常規(guī)結(jié)對編程策略對小學生學習編程效果影響的差異，將從編程總評成績、結(jié)對融洽度、結(jié)對互動話語和對不同結(jié)對編程策略的態(tài)度四個方面來評價。此外，還探究了結(jié)對積極互動、結(jié)對融洽度與編程成績之間的關系。

二、研究設計

1.研究對象

2020年秋季學期，研究者開展為期一個學期的“掌控板進階課程”教學實驗。教學實驗的對象是上海市某小學五年級自愿參加本課程學習的40名學生。其中，采用常規(guī)結(jié)對編程策略教學的對照班人數(shù)共20人；采用混合結(jié)對編程策略教學的實驗班人數(shù)共20人。這兩個班學生在2021年春季學期都已學習了“Mind+掌控板”的基礎課程9，為了確保兩個班級實驗對象的知識儲備處于同一水平，以保證后期數(shù)據(jù)的有效性，研究者在課程教學開始前進行了前測，結(jié)果顯示：Sig=0.911，p>0.05，說明兩個班級的前測成績沒有顯著差異，可以判定兩個班“Mind+掌控板”學習基礎基本一致，可以進行教學實驗。

在教學過程中，研究者把學生完成的編程任務劃分為基礎任務和進階任務，對照班學生在完成基礎和進階任務時，都開展結(jié)對編程；而實驗班在完成基礎任務時，學生進行單獨編程，完成進階任務時，學生開展結(jié)對編程。

2．研究工具

（1）課后綜合測試試卷

學生的編程總評成績由學生結(jié)對完成的進階任務編程作品成績和學生單獨完成的課后綜合測試成績兩部分組成，分別占40%和60%，以此衡量每位學生的編程能力。每個進階任務編程作品將由教師和研究者共同打分，最終確定編程作品成績。課后綜合測試試卷由研究者和教師根據(jù)課程內(nèi)容和學生平時的知識掌握程度共同商議制訂，它包括10道選擇題和3道上機編程題（畫三角形、利用聲音傳感器實現(xiàn)吹墨畫和使用PYTHON1 觸摸按鍵實現(xiàn)劃船比賽游戲），用來檢測學生的編程能力。

（2）結(jié)對融洽度問卷

結(jié)對融洽度（Pair Compatibility）問卷主要用于調(diào)查學生在結(jié)對相處過程中的融洽程度。問卷包含4個思考問題，還有1個全面的整體評價問題，如表1所示。4個思考問題采用三點量表，包括：一直（3）、偶爾（2）、從不（1）。整體評價問題是：非常配合（3）、一般（2）、不配合（1）。這份問卷的信度系數(shù)為0.8。2

（3）結(jié)對互動表現(xiàn)編碼方案

結(jié)對互動（Pair Interaction）是指學生在結(jié)對過程中，結(jié)對同伴之間發(fā)生的一切相互作用與影響，例如交流、沖突或分歧，最終導致互動雙方行為或認知改變的過程。為了對兩個班級學生結(jié)對編程的互動過程進行更細致的分析，研究者采用錄音方式，在學生完成每個進階任務時，從實驗班和對照班各隨機選擇三個結(jié)對小組，錄制結(jié)對同伴之間的談話內(nèi)容，獲得學生在結(jié)對過程中互動交流的話語數(shù)據(jù)。根據(jù)結(jié)對互動表現(xiàn)編碼方案（見表2）對結(jié)對互動交流的話語數(shù)據(jù)進行互動類型編碼，發(fā)現(xiàn)結(jié)對互動表現(xiàn)分為積極互動、中性互動和消極互動三種類型。對于比較模糊的互動表現(xiàn)，研究者與教師共同討論，并結(jié)合研究者在教學中觀察和記錄的結(jié)對觀察記錄表判斷學生的結(jié)對互動類型。

（4）對不同結(jié)對編程策略看法的訪談問題

在課程結(jié)束前，研究者通過面對面訪談，了解學生對不同結(jié)對編程策略的態(tài)度。訪談內(nèi)容主要圍繞結(jié)對編程的效果和結(jié)對編程過程中的同伴互動。訪談一共包括6個主要問題，見表3。

3.教學實施

本研究“掌控板進階課程”教學實驗一共持續(xù)14周，兩個班級每周1個課時，每個課時的時長為1小時。教學內(nèi)容是以Mind+圖形化編程平臺為編程工具的掌控板進階編程知識與技能，學生需要運用掌控板的顯示屏、聲音傳感器、光線傳感器、A/B按鍵和PYTHON觸摸按鍵來創(chuàng)作硬件編程作品、完成學習任務。

課程前兩周是準備階段，主要進行認知起點前測，通過“歡樂對對碰”游戲讓學生自由分組選擇結(jié)對同伴，向?qū)W生講解結(jié)對編程準則，以及學生在完成畫直線的簡單任務中初步體驗結(jié)對編程中的“駕駛員”和“導航員”角色分工與角色互換。

課程第3—12周學習新知識和完成8個編程任務（包括基礎任務和進階任務）?；A任務難度較低，主要幫助學生掌握編程技能，具體包括：畫十字架、畫音量柱、A/B按鍵控制角色大小、觸摸按鍵控制角色行走等。進階任務在基礎任務基礎上提升一個臺階，需要學生綜合應用新、舊知識與技能，主要包括4個較難、較復雜的編程任務：畫指定線寬的長方形、實現(xiàn)隨聲音強度變化的音量柱狀圖、實現(xiàn)隨光線強度變化10次的光強折線圖，以及利用觸摸按鍵控制角色穿越的魔幻隧道游戲。

課程最后兩周進行后測、填寫結(jié)對融洽度問卷、面對面訪談，以及每位學生獨立完成課后綜合測試。

三、數(shù)據(jù)分析與研究發(fā)現(xiàn)

1.編程總評成績差異

學生的編程總評成績由學生結(jié)對完成的進階任務編程作品成績和學生單獨完成的課后綜合測試成績兩個部分組成，實驗班的編程總評成績平均值明顯高于對照班，并且實驗班個人課后綜合測試成績平均值大幅高于對照班，超過20分以上，見表4。

為了分析兩個班級的學生編程總評成績是否存在統(tǒng)計學上的差異，研究者對數(shù)據(jù)進行獨立樣本檢驗分析，結(jié)果顯示：p<0.05，說明兩個班級的學生成績存在顯著差異（見表5）。這個結(jié)果說明，混合結(jié)對編程策略有助于提高學生的編程能力。再進一步對兩個班級的進階任務編程作品成績（結(jié)對小組）和課后綜合測試成績（學生個人）分別進行獨立樣本檢驗分析，發(fā)現(xiàn)前者不存在顯著差異，而后者存在顯著差異。這兩個結(jié)果表明，混合結(jié)對編程策略對學生個人編程能力提升作用明顯。

2.結(jié)對融洽度差異

結(jié)對融洽度是衡量學生是否有效結(jié)對的關鍵因素之一，對學生填寫的結(jié)對融洽度量表數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示：p<0.05（見表6），說明實驗班學生的結(jié)對融洽度明顯高于對照班的學生，這也進一步說明了適度的結(jié)對編程才能讓學生更好地融洽共處。

3.結(jié)對互動差異

在結(jié)對編程過程中學生的互動方式能夠決定學生是否成功獲得新知識。1 研究者對結(jié)對互動交流的話語數(shù)據(jù)進行互動類型編碼，并對每個進階任務的所有話語按不同互動類型進行計數(shù)統(tǒng)計。結(jié)果顯示，采用常規(guī)結(jié)對編程策略教學的對照班學生的互動表現(xiàn)呈現(xiàn)從積極互動轉(zhuǎn)向消極互動的趨勢，如圖1所示。

圖1 ?對照班在完成四個進階編程任務時的不同結(jié)對互動類型占比圖

采用混合結(jié)對編程策略教學的實驗班學生積極互動占比逐漸增加，中性互動和消極互動逐漸減少，如圖2所示。由此可見，混合結(jié)對編程策略能夠促進學生之間的積極互動，同時，結(jié)合學生的話語錄音數(shù)據(jù)來看，積極互動占比增加主要體現(xiàn)在學生結(jié)對過程中產(chǎn)生了更多的雙向指導。

4.對不同結(jié)對編程策略的態(tài)度差異

在課程結(jié)束前，研究者通過面對面訪談獲得了學生對不同結(jié)對編程策略的態(tài)度數(shù)據(jù)。從訪談結(jié)果來看，學生對混合結(jié)對編程策略表現(xiàn)出較高的滿意度。首先，學生表示喜歡結(jié)對編程，希望有單獨編程的時間來提高自己的編程能力和制作自己的個人編程作品。其次，在結(jié)對過程中，編程能力差距懸殊的兩位學生很容易出現(xiàn)“搭便車”現(xiàn)象，即一位學生完全聽從另一位學生的指令，缺乏雙向認知互動。最后，學生認為單獨編程有助于夯實基礎，掌握必要的編程技能，促進自己獨立思考，而結(jié)對編程能彌補雙方的缺陷，并表示隨著自己和同伴編程能力的提高，結(jié)對互動會由單向指導轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向指導。

5.結(jié)對積極互動占比與進階任務編程成績的相關性分析

為了更深入探究學生積極互動對編程成績的影響，研究者將兩個班級學生在做進階任務時的積極互動占比與編程作品成績的關系進行分析。當積極互動占比大于50%時，學生進階任務成績也大都高于60分，且80分以上居多。然而，當積極互動低于50%時，分數(shù)在60分以下居多。但是有一個異常個例：積極互動占比低（18%）而成績較高（75分），通過回放這個結(jié)對小組的交談錄音發(fā)現(xiàn)他們之間存在“搭便車”的行為，沒有討論，只有單向發(fā)出指令。剔除這個異常個例后，發(fā)現(xiàn)對照班學生積極互動占比與進階任務成績之間存在正向關系。

實驗班學生積極互動占比與進階任務成績的關系如圖3所示，實驗班學生的進階任務成績都在70分以上，但是存在兩個積極互動占比小于50%的異常個例，研究者進一步分析兩組學生的錄音發(fā)現(xiàn)，他們是在做第一、第二個進階任務時出現(xiàn)了編程能力差異大導致程序更多是由能力強的學生完成的情況，但是在做第三、第四個進階任務時，這兩個小組的成員雙向認知互動明顯增加，相互啟發(fā)、討論協(xié)商。這也同樣驗證了實驗班學生在訪談時所說的，單獨編程能讓自己掌握必要的編程技能，并且隨著自己和同伴編程能力的提高，結(jié)對互動會由單向指導轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向互動。

以上分析表明，對照班和控制班學生的結(jié)對積極互動占比與進階任務成績存在正向關系，結(jié)對伙伴的雙向認知互動有助于他們完成進階編程任務，并取得較好的成績。

6.結(jié)對融洽度與編程總評成績的相關性分析

為了驗證結(jié)對融洽度是否對編程成績發(fā)揮中介性促進作用，研究者對兩個班級學生的結(jié)對融洽度和編程總評成績做了相關性分析，結(jié)果顯示：p<0.05，皮爾遜系數(shù)大于0（見表7），說明結(jié)對融洽度與編程總評成績存在正相關關系。這也進一步說明結(jié)對融洽度對學生的編程成績發(fā)揮了促進的作用。

四、結(jié)論與討論

本研究通過對比兩種不同的結(jié)對編程策略對小學生學習編程效果影響的差異，發(fā)現(xiàn)混合結(jié)對編程策略對于小學生學習編程具有一定優(yōu)勢，相比常規(guī)結(jié)對編程策略，其可以帶來更好的編程學習效果。

1.混合結(jié)對編程使學生之間相處得更融洽

結(jié)對融洽度是衡量學生有效結(jié)對的關鍵因素之一，有效的合作學習能夠降低學生在學習過程中的認知負荷。本研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)結(jié)對編程相比，采用混合結(jié)對編程策略的學生在結(jié)對過程中相處更融洽。一方面，學生在單獨編程時能夠提高個人的編程能力，減少學生在結(jié)對過程中因雙方能力差距大而發(fā)生爭吵或“搭便車”；另一方面，混合結(jié)對編程減少了學生結(jié)對的時間，給予學生單獨編程創(chuàng)作個人作品的機會，也避免了由于結(jié)對同伴長時間密切合作所引起的結(jié)對疲勞風險1，增進了結(jié)對伙伴之間的融洽度。

2.混合結(jié)對編程有助于促進學生實現(xiàn)雙向知識轉(zhuǎn)移

研究發(fā)現(xiàn)，混合結(jié)對編程使學生在結(jié)對過程中產(chǎn)生更多的積極互動，主要表現(xiàn)為學生之間進行雙向知識轉(zhuǎn)移。2 從收集到的數(shù)據(jù)來看，編程能力是影響學生結(jié)對互動的重要因素之一，當結(jié)對雙方的編程能力不相上下時，他們能夠有效地進行雙向知識轉(zhuǎn)移。而當結(jié)對雙方的編程能力差距較大時，他們雙向認知互動的頻率會降低。采用混合結(jié)對編程策略讓學生在單獨編程時提高個人的編程能力，減少結(jié)對伙伴在結(jié)對過程中脫離會話的現(xiàn)象，進而進行有效且頻繁的雙向互動，提高結(jié)對編程的有效性。

3.混合結(jié)對編程能夠提高學生的編程能力

研究結(jié)果表明，不同結(jié)對編程策略下學生的編程總評成績和課后綜合測試成績（學生個人）均存在顯著差異，且混合結(jié)對編程策略作用下的兩項成績都更高，由此說明混合結(jié)對編程策略能提升學生單獨編程能力，這一結(jié)論與漢斯·袁等人的研究發(fā)現(xiàn)存在一致性，即混合結(jié)對編程能夠促進學生對知識的理解并提高學生單獨編程的能力。3 不過，不同結(jié)對編程策略下學生在結(jié)對完成進階任務的編程成績上并沒有顯著差異，原因之一是不管哪種編程策略，都存在結(jié)對過程中的“搭便車”行為，容易抬高編程成績。結(jié)對積極互動占比與進階任務編程成績的反向關系個例就說明了這個問題。

混合結(jié)對編程策略下學生單獨編程的成績更高不僅僅是因為提供給學生單獨編程的機會，增強其學習動機，也是學生在結(jié)對編程過程中持續(xù)進行知識分享和遷移產(chǎn)生的結(jié)果。4因此，混合結(jié)對編程策略下的結(jié)對或單獨編程都是提高學生編程能力必不可少的方式，單獨編程促進學生對新知識進行建構(gòu)和反思，結(jié)對編程則有助于學生對知識進行分享和遷移。

學生編程能力的提升，與結(jié)對融洽度和結(jié)對積極互動行為有密不可分的關系，后者對編程成績發(fā)揮著中介性的促進作用，當學習伙伴能融洽交流、編程能力相當?shù)幕锇檫M行積極的雙向認知互動時，有助于提升學生的編程成績。

4.混合結(jié)對編程策略應用于教學實踐的改進建議

在采用混合結(jié)對編程策略進行教學實驗的過程中，研究者對教學活動設計和實施進行了反思，提出如下改進建議：一是強調(diào)混合結(jié)對編程策略的規(guī)則，嚴格要求學生遵循規(guī)則；二是明確單獨編程和結(jié)對編程的任務或時間；三是關注學生結(jié)對互動的情況，學生對參與編程作品制作的貢獻度進行自評，教師及時發(fā)現(xiàn)貢獻度懸殊的情況，通過查漏補缺對“搭便車”行為進行干預；四是引導學生通過單獨編程扎實掌握基礎知識；五是引導學生在結(jié)對編程過程中進行雙向指導。

An Comparison Study of Different Pair Programming Strategies

on Learning Effects of Primary School Students

WANG Xuqing1，HUANG Qiongmei2

（1. College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai，200234；

2. Haikou Haijing School，Haikou Hainan，570208）

Abstract： Pair programming is a teaching strategy for learning programming in a collaborative way. This study combines pair programming with individual programming to form a mixed pair programming strategy. A quasi-experimental research method was applied to explore the differences in the effects of mixed pair programming and conventional pair programming on the programming performance of primary school students from their programming evaluation scores，pair compatibility，pair interaction language，etc. The experimental results show that the mixed pair programming strategy can enhance the harmony between pair partners，promote positive interaction among students，and improve their programming ability. Teachers should recognize the value of pair programming and individual programming，and improve the effectiveness of programming teaching by combining them.

Key words： mixed pair programming strategy，conventional pair programming strategy，pair compatibility，pair interaction