作者：严传鑫 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
【摘要】：
在世界范围内，编程教育受到经济、技术要求等因素的积极推动。在编程教育中使用机器人可以帮助学生更容易地理解计算机科学概念。在本研究中，我们为小学生设计了一门机器人编程课程，并通过在实际课堂上的实施，考察了该课程的有效性。我们进一步研究了学生先前的技能和性别对结果的影响。此外，还综述了机器人编程领域中适用的教学和学习策略。我们为155名韩国小学五年级和六年级的学生开设了“传授机器人”课程。该课程进行了11周。我们的研究结果表明，使用机器人教授编程可以显著提高计算思维和创造力。然而，在最初表现出高分的那一组中，计算思维并没有明显改善。此外，女孩的创造力比男孩提高得更多，平均差异有统计学意义，但计算思维方面的差异没有。本研究的含义是，最好的方法是设计一门编程机器人的课程，并将其应用到实际的教室中，以便根据学生先前的技能和性别讨论教学策略。
【关键词】：
基础教育 机器人编程 计算思维 创造力 优先技能 性别差异
一、介绍
未来计算机技术所创造的经济价值和技术要求等因素使K-12年级计算机科学教育变得尤为重要。世界各地都在积极推动编程教育，以开发人力资源来应对这些变化。学习编程可以了解计算机科学的基本概念和原理。这是鼓励高阶思维的有效方法。然而，它也需要学生具备运用逻辑规则和解决问题的复杂思维能力，初学者可能会发现编程困难而复杂。然而，如果机器人用于编程教育，抽象的概念就可以从视觉上和物理上实现，这样学生就可以更容易地理解计算机科学的概念。由于小学生处于皮亚杰认知发展层次的具体操作阶段，机器人编程，其中包括对机器人的特殊操作，是非常好的教学方式。因此，使用机器人的具体体验可能会使学生对学习更感兴趣。
考虑到年轻时积累的经验会影响未来的工作选择，从小学开始计算机科学教育是很重要的。然而，关于小学生如何从计算机教育中受益的研究却很少。因此，在小学开设编程课程时，我们需要验证其有效性。因此，基于上述想法，我们的主要研究问题是，“考虑到先前的技能和性别，机器人编程课程是否能提高计算思维和创造力?”
二、方法论
2.1
设计与参与者
我们采用前测和后测试设计来调查课程前后的差异。从2016年9月第二周到12月第一周，我们进行了为期11周的机器人编程课程。学生们在课程开始和结束时都接受了测试。研究小组由176名韩国小学六年级学生组成。所有参与者都接受过基本的编程教育，并在2016年3月使用过Scratch和MakeyMakey工具。在学习了使用Entry和Hamster机器人编程机器人的课程后，在排除了转移、缺席和不完整的回答后，我们选择了155名学生作为最终的研究参与者。参与者中，男生占46% (n=71)，女生占54% (n=84);44% (n=68)来自五年级，56% (n=87)来自六年级。
2.2
机器人编程的教学策略
在这项研究中，我们使用了一种教学策略，该策略考虑了计算思维的组成部分(数据收集、数据分析、结构化、分解、建模、算法、自动化和泛化)，并使用了四部分教学设计(4C/ID)、创造性解决问题(CPS)模型和促进深度思维思维的策略。
为了达到这项研究的目的，我们与小学生一起进行了一门机器人编程课程。在第一周和第四周之间，学生们了解到物体有简单的对话或在特定条件下移动。第五周后，我们使用Entry和Hamster机器人进行教学。学生们使用仓鼠机器人来完成一些活动，如沿着一条线走或逃离迷宫。11节课中有10节课是在合作学习环境中进行的。根据课堂活动，学生被分成两组或四组。学生们可以分享意见并找到解决问题的方法。他们合作纠正了课堂活动中的编程错误。
2.3
测量标准
为了衡量计算思维，我们使用了BEBRAS任务（www.bebras.org）。我们使用了适合的第四阶段（9-10岁）的问题。在BEBRAS任务中，分数根据困难程度而有所不同，当所有问题被错误回答时，分数为0分，当所有问题正确回答时授予93分。BEBRAS任务是由来自60个国家或地区的计算机教育专家开发和检查1年的，因此已显示其有效性。
我们使用托伦斯的TTCT量表衡量创造力。TTCT被广泛用于在30多个国家从学龄前儿童到成人的群体的测试。然而，每个年龄组的评分标准是不同的。在TTCT量表中，分数根据活动的不同而不同，无题时总分为0分，满分最高为160分。TTCT量表由五个维度组成:流畅性、原创性、精细化、标题抽象性和抗过早闭合性。该测试已用于小学生编程教育的研究。
2.4
数据分析
我们使用SPSS进行数据分析。首先，我们在前测试和后测试的基础上进行了配对t检验，以确定为机器人编程是否提高了学生的计算思维和创造力。其次，根据计算思维和创造力的预测试结果，学生被分为低、中、高初始得分组。为了澄清不同水平的差异，我们删除了中等初始得分组，并基于前测和后测进行配对t检验。此外，我们使用了两个独立的样本t检验来寻找平均差异。第三，为了确定计算思维和创造力方面的性别差异，我们对男孩和女孩进行了配对t检验。我们还利用计算思维和创造力前测得分进行协方差分析。
3、讨论
在我们实施机器人编程课程后，计算思维测试后得分(M(SD)=45.41(19.84))高于测试前得分(M(SD)=37.41 (17.44);同样，测试后的创造力得分(M(SD)=91.90(13.56))高于测试前的得分(M(SD)=80.86(13.85))。我们进行了配对t检验来研究这些结果。由表1可以看出，计算思维的差异有统计学意义(t(154)=4.62, p<.001, d=.37)和创造力(t(154)=10.40, p<.001,d = .86)。
表1:计算思维和创造力的配对t检验
3.1
先前技能的作用
我们将剩余的学生分为两组(高分组和低分组)，并进行配对t检验。低分组46人，男生占52%(24人)，女生占48%(22人);高分组49人，男生占47%(23人)，女生占53%(26人)。表2显示，低初始评分组后测评分高于前测评分，平均差异有统计学意义(t(45)=7.04, p<.001年,d = 1.05)。然而，在高初始得分组中，测试前得分高于测试后得分，平均差异无统计学意义(t(48)=−1.86,p=.07,d = 10)。为了调查两组在计算思维得分提高方面的统计显著性差异，我们进行了两个独立的样本t检验。表3显示，两组在计算思维的后得分提升方面差异显著，且组间效应量较大(t(93)=−6.56,p<.001,d = 1.11)。
表2:子样本配对t检验
表3：高、低初始得分组的两个独立样本t检验(平均差)
3.2
性别差异
在完成机器人编程课程后，我们进行了配对t检验，以发现计算思维和创造力方面的性别差异。表4显示，男孩和女孩的计算思维和创造力在测试前和测试后的平均值之间存在统计学上的显著差异。
表4：计算思维和创造力的性别比较
我们进行了协方差分析测试，使用计算思维和创造力前测试分数的协方差来检验性别差异。表5显示，计算思维方面没有统计学上的显著差异(F(154)=.28,p =.60 f =00)。然而，创造力的差异是显著的，性别的效应量很大( F(154)=33.07, p<.001,f =.45)。
表5：不同性别之间的协方差分析
4、结论
在许多国家，学校重视编程教育。因为编程需要复杂的思维能力，初学者会发现很难学习。然而，在编程课程中使用机器人能使学生更好地理解计算机科学的概念。
在这项研究中，我们的机器人编程课程在学生的计算思维和创造力方面有统计上的显著提高。机器人编程对小学生来说是必要的，有助于提高他们的高阶思维能力。
学习编程对一些学生来说是困难的，学生之间在先前的技能上有许多差异。因此，应该考虑到学生之前在编程方面的技能。此外，由于性别差异会影响编程教育，所以在设计课程时应该考虑性别差异。
Jiyae Noh毕业于梨花女子大学教育技术专业。她目前在韩国高丽大学工作。Jeongmin Lee是韩国梨花女子大学教育学院教育技术系的副教授。
2020年发表于教育技术研究与发展。卷68，第463-484页。
Doi：https://doi.org/10.1007/s11423-019-09708-w
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