作者：方莹 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【推荐摘要】：本研究通过Scratch测试了STEAM(科学、技术、工程、人文、数学)集成方法对29名男生和30名女生计算思维(CT)的五个亚结构的有效性。研究采用准实验设计。参与者在干预过程中展示了CT在Scratch游戏设计中的应用。计算思维调查(CTS)在CT前和CT后进行测试，以测量CT的五个亚构念。重复多变量方差分析(MANOVA)结果显示，干预对男女学生对CT五个亚构念的理解有正向影响。通过重复测量方差分析(ANOVA)和事后比较加强了结果，表明CT的所有五个亚构均显著增加(p < .05)。间接地，本研究为当前电子技术发达的时代下的学生CT水平引入了一种新的教学方法，提高了男女学生的概念操作能力。
【关键词】:计算思维，建构主义理论，计算思维五个子结构，Scratch, STEAM集成方法
1 . 介绍
科学、技术、工程和数学(STEM)教育凭借跨学科和跨学科的学习方法在科学教育中受到欢迎(Liliawati et al .， 2018)。STEM教育强调将科学和数学作为一个综合学科来加强，并侧重于技术(Liliawati等人，2018)来解决问题。然而，许多关于人文融入STEM的讨论和建议已经提出，以最大限度地发挥STEM在科学教育改革中的影响(Bertrand & Namukasa, 2020)。这促使在教育范式转换中对科学、技术、工程、人文和数学(STEAM)教育的研究不断涌现。科学学习中的人文整合是通过图像、文本和其他视觉信息(Bertrand & Namukasa, 2020)传达科学思想，特别是抽象概念。STEAM教育的主要概念是促进以审美体验为基础的人文学习，以发现培养创造性和协作性解决问题技能的新技能和方法(Belbase等人，2021年)。因此，本研究的主要目的是更好地了解STEAM集成方法中人文的美学价值，以及STEAM中人文通过培养CT技能来提高学生对电概念理解水平的潜力。本研究对于STEAM课程中实际教与学任务的设计，以及学生如何通过应用科学、技术、工程、人文和数学元素的STEAM综合方法解决CT学习困难具有指导意义。在本研究中，基于Scratch的STEAM集成方法比较地教授了男女学生和跨学科学生的CT技能塑造的五个子构。CT所教授的五个子结构技能包括:算法思维、合作能力、创造力、批判性思维和解决问题的能力。研究者通过电游戏设计活动来确定在学习前后的每个学习过程中，五个子构CT技能的应用能力是否有变化。
2.目标和研究问题
本研究探讨了利用STEAM集成方法通过Scratch对男女学生进行电概念教育以提高CT技能的有效性。本研究以以下研究问题为指导:
1. 男生和女生在CT、算法思维、合作能力、创造力、批判性思维和解决问题能力方面的平均分是多少?
2. 男女学生在CT、算法思维、合作能力、创造力、批判性思维、解决问题能力等方面的成绩是否存在差异?
3. 方法
3.1一般背景
本研究采用男女两组的准实验设计，研究STEAM综合方法在CT水平上的效果。干预后的CT亚构式包括算法思维、合作能力、创造力、批判性思维和问题解决能力。通过Scratch使用STEAM集成方法进行电学课程。在解释电学概念时应用了科学应用。技术应用是学生在Scratch上应用一种技术产品设计关于电的游戏。在设计电学游戏时进行工程应用，评价学生对电学概念的理解和掌握。人文的实现是通过在Scratch中包含写作、绘画和对话等元素来设计和解释电的概念。应用数学方法对Scratch中字符的运动进行了测量。在对两组学生进行前测，以确定学生的初始CT水平。前测后进行了两个月的干预。在干预过程中，学生被要求基于电的主题设计游戏，在整个设计过程中对CT进行评估。最后，对两组学生进行后测，以确定教学对提高CT水平的效果。
3.2被试
这项研究涉及两组学生:29名男性和30名女性。两组人都接受了同样的干预。男女两组选择不同的学校，但学习环境相同，即日常学校，以避免两组之间的交叉影响。并且男性和女性组的教师和教师在经验、资格和社会经济地位方面具有相似的背景。
3.3研究工具
研究中使用的仪器是改编自Korkmaz等人(2017)的CT量表的CTS。采用李克特五分制量表，从1(从不)到5(总是)，用于确定参与者的CT水平。三组不同的人验证了CTS，以确定内容效度和表面效度。研究人员检查了所有的CTS项目，并决定了方便的项目。形成的草案由15名学生审查，他们事先提出了意见。面试可以确保这些内容被理解，并防止对句子的意思产生误解。进行了一个试点测试，以识别和纠正仪器的弱点，并建立可靠性以达到表面效度。采用Cronbach 's alpha计算CTS的可靠性指标。对每个参数的分数进行编码、求和，并转换为从1(从不)到5(总是)的刻度。CTS信度研究的Cronbach’s alpha系数为0.84，表明各项目具有较高的内部一致性。
3.4干预
在三个月的时间里，每周进行两次干预。每节课90分钟。男性和女性组都接受了同一位具有多年教学经验的科学教师的同样干预。两组学生都被指导使用Scratch的STEAM集成方法。在干预过程中，使用Scratch进行电概念内容知识的传递和Scratch的使用方式。下课后，每两个学生被分成一组。然后要求学生设计电游戏，学生有机会在设计过程中同时整合STEAM元素，运用CT的五个子结构。游戏设计结合了美术作品、公式、电学理论和图表，但所有这些都是为了传达电学中的抽象概念。干预后，应用EAT仪器评估学生的CT和五个CT亚构。
3.5数据处理
计算每个因变量组和自变量组的描述性数据。描述性分析包括数量、均值和标准差。第一个MANOVA确定了男性和女性在CT成就百分比上的差异。相比之下，进行了第二次MANOVA，以调查CT的五个亚构之间可能的CT百分比差异。第一步是进行描述性统计，以确定男女学生CT和五个CT亚构的成就百分比。描述性分析给出了男性和女性学生在回答研究问题时的数量、平均百分比和标准偏差。第二步是实质性的，对原假设进行了检验，并确定两组学生之间不存在显著差异。因此，第二步的重点是完成后续测试，以解释CT和五个CT亚构的组间差异。本研究采用配对样本t检验、ANCOVA、MANOVA对CT的五个子构进行分析。与其他统计程序一样，研究数据被证明满足工作程序的某些假设，特别是有意义的p值(p < .05)。数据形成了一个适当的统计随机样本。因变量具有正态分布，经Shapiro -Wilk检验和偏度峰度检验证明，在CTS的前测和后测以及CT的五个子构上，男女学生均呈正态分布(p> 0.05)，而Wilk的Lambda = .70, F(5,53) = 4.54, p < .05。应用Wilks Lambda检验进行统计显著性检验。性别影响的概率值小于0.05 (p < 0.05)，则影响显著。因变量间Pearson相关性显著(p < .05)， Box的M值为21.78 (p = .18)。因此，在MANOVA中假设组间的协方差矩阵相等。最后，Levene检验验证了各因变量的方差齐性相等(p > .05)，各组观测数据中因变量之间的相关性完全相同。
4.结果
本研究的第一个研究问题是:
Q1:男女学生在CT、算法思维、合作能力、创造力、批判性思维和解决问题能力方面的平均成绩是什么?
描述性数据生成男女学生CT前测和CT后测的平均值和标准差。男生前测的均值和标准差分别为57.66和8.06。相比之下，女生在CT前测试的平均值和标准差分别为56.80和7.44，而在CT后测试的平均值和标准差分别为94.77和6.01(见表1)。成绩数据根据CT的五个亚结构进行区分(见表2)。在评估学生的CT技能时，没有发现显著的组间差异。CT和CT技能的五个子结构的发展在男性和女性组中独立发生。前测男女学生的平均分均小于后测。同时，CT五个子构的平均分从前测到后测均呈上升趋势。，由表2看出男性和女性在五个CT分概念均有增加，但女性的总增加量大于男性。
表1.男女学生计算前思维和计算后思维测试的均值和标准差
表2.计算思维的前计算思维和后计算思维测试的描述性统计:算法思维、协作性、创造力、批判性思维和问题解决能力
本研究的第二个研究问题是:
Q2:男女学生在CT、算法思维、合作能力、创造力、批判性思维和解决问题能力方面的成就是否存在差异?
男女学生计算思维的差异
采用配对样本t检验来检验男女学生CT前测和后测成绩的显著性差异。男性学生的配对t检验结果(见表3)，证实男生前测和后测有显著性差异，意味着男性CT水平较CT前测显著增加。前后测平均上升35.24，差异的95%置信区间在-38.64(下界)到-31.84(上界)之间，表明男性学生CT前和CT后测试之间存在显著差异。相反，配对t检验结果在t(29) = -21.49时显著，p <。05(双尾)，ƞ2 = .94，由于p < .05，证实有显著性差异(见表3)，证实女学生前测和后测有显著性差异。女性学生的CT水平从CT前测试(均值= 56.80，标准差= 7.44)到CT后测试(均值= 94.77，标准差= 6.01)显著增加。均值上升为37.97，均值之间的差异为-41.58(下界)至-34.35(上界)的95%置信水平区间。因此，女学生CT前和CT后测试结果有显著差异。男性和女性CT前测和CT后测之间有显著差异。干预后，两组学生的CT成绩均有显著提高。在平均值上升的基础上，女生CT增量高于男生。进一步分析CT后测试中性别间的差异，因为CT前测和CT后测中发现了差异。MANOVA结果显示男女学生CT值无统计学差异。采用一种协变变量分析，通过对以往CT间线性关系的先验知识控制，得到显著性评分小于0.05。如果观察STEAM整合方法对男女学生CT技能的影响，STEAM教育方法对CT技能的显著性得分(分组划分)为0.02。由于得分小于0.05，因此可以得出，在不受先验知识影响的情况下，在95%的可信度水平下，STEAM综合方法对CT技能的评价存在影响。学生先验知识和STEAM整合方法同时对学生CT技能的影响可以从修正模型上的显著性数看出。可以看出，显著量为0.02。由于显著值小于0.05，说明学生的先验知识和所使用的学习类型同时影响CT技能。CT均分之间的实际差异也由后置分析显示，其中男性学生的平均值和标准差分别为92.90和6.53。均值为94.77，女生的标准差为6.01(见表1)，但差异有统计学意义。因此，通过Scratch的STEAM集成方法有效地提高了男女组的CT水平。两组CT水平升高结果相似。
男女学生计算思维五个亚构的差异
研究人员分析了学科间效应测试中的数据，以研究因变量:算法思维、协作性、创造力、批判性思维和解决问题在男女学生中的差异。根据ANOVA的结果，交互作用对算法思维的影响在统计上不显著(Wilks ' Lambda = .90, F (5,48) = 1.13;P > .05;部分η2 = .09)。被试间效应显示，在CT的五个亚构中，男女学生的CTS无统计学差异(p >.05)。综上所述，男女学生均表现出积极的CT水平和五个CT亚构的增加趋势。CT的五个子构同时增加，证明两性在CT技能和电概念的学习上是平等的。男女同学在学习电学概念时，均表现出运用STEAM元素提高CT技能的潜力。
表3.男女学生计算前思维和计算后思维测试间的配对样本t检验
表4.计算思维后测验中男女学生计算思维水平的单向方差分析（MANOVA）结果有显著性差异
5. 结论
基于分析和讨论结果，通过已实施的电学概念游戏设计项目进行STEAM集成方法学习，对提高学生的CT技能和CT的五个子构有显著效果。在STEAM综合入路干预后，男女学生对CT及CT五个子构的应用能力相当。男女学生在发明后通过游戏开发的美学体验，展现了对电概念的掌握能力。间接地，学习中的人文体验促进了性别平等，证明了男性和女性同样表现出CT技能。通过研究发现，数据证明STEAM整合方法中的人文整合对学习科学概念、CT技能和CT五个子构有显著的积极影响和影响。然而，目前研究的局限性集中在将STEAM集成方法应用于特定科学主题的学习上，而不是在不同的和多样化的科学主题之间进行深入研究。这意味着研究人员目前对其他不同科学主题的STEAM集成方法知之甚少。因此，未来的研究可以服务于在不同主题的科学主题中实施STEAM的实际目的，然后研究STEAM集成方法在帮助学生在科学学习中融入人文方面的成功程度。
查阅原文：Wee-Ling Tan , Mohd Ali Samsudin , Mohd Erfy , Nur Jahan , Corrienna Abdul于2021年12月发表在EURASIA Journal of Mathematics, Science and Technology Education
DOI:https://doi.org/10.29333/ejmste/11403
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