作者：张康 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：李骏扬、柏毅
【摘要】：本研究旨在探讨在K-12阶段使用插电和不插电编程工具对学生计算思维技能的影响，并确定性别是否是这一过程中的一个因素。研究组采用了对照组前后测、准实验模型，参与者为一所中学6年级的109名学生。随机从学校的4个分部中选择了3个分部作为实验组和对照组，然后进行随机分配。在为期6周的研究中，实验组1使用Code.org进行教学，实验组2使用不插电工具进行教学，对照组则使用Scratch进行教学。每周进行2节课。我们使用的数据收集工具是“计算思维水平量表”，用于前后测。研究结果显示，虽然接受不插电活动教学的实验组表现出计算思维技能的积极发展，但其他组并未观察到显著改进。此外，各组在比较计算思维技能时没有显著差异。性别和组别作为共同因素在各组间没有产生显著差异。然而，从组别角度观察，在进行不插电活动时，男性学生的表现更为优秀。
【关键词】：计算思维；算法；基于模块的编程；不插电活动
一、介绍
本研究旨在探讨插电式和不插电编程工具在K-12级别的算法教学中对学生计算思维能力的影响，并确定性别是否在这个过程中起作用。此外，该研究旨在评估插电式工具的性质方面的影响，通过使用两个广泛使用的块编程示例（Scratch和Code.org），它们具有不同的学习策略。在这个背景下，我们验证了以下假设：
·实验组1（接受Code.org引导）、实验组2（接受不插电活动引导）和对照组（接受Scratch引导）在计算思维能力上没有显著差异。
·性别因素对插电式和不插电工具对计算思维能力的影响没有作用。
请注意，具体研究结论需要进行实际研究和数据分析后才能得出，以上只是描述研究设计中的假设。
二、方法
2.1 研究模型
本研究采用准实验性的前测后测对照组研究设计，研究对象为作者所在的一所中学的信息技术与软件课程学生。该研究的学习成果需要在6个星期内完成，这一时间段也是本研究的持续时间。该中学长期以来一直在使用Scratch进行相关学习成果的教育。本研究选取了六年级的三个分班作为研究对象，并确定了两个实验组（实验组1和实验组2）和一个对照组。在教育之前，对所有组进行了一次前测。在准备和实施活动时，为每个组使用了不同的工具，并特别注意保持其他变量相同（成就、目的、持续时间和内容）。在教育结束时，应用相同的测试作为后测，并对假设进行验证。块编程工具Scratch是在研究过程中继续使用的一种已经广泛应用的工具。在选择其他工具时，我们考虑了易用性、可访问性、与该工具相关的内容丰富性以及对学生的本地语言支持等标准。基于这些标准，我们选择了Code.org作为另一个工具。
2.2 研究组
研究组由2017-2018学年就读于一所中学的六年级学生组成。研究中包含的组别是从该学校的四个分班中随机选择的。实验组和对照组是通过随机分配从三个选定的分班中确定的（表1）。由于Scratch已经在课程中使用，并且其他班级也在使用Scratch，因此我们选择使用Scratch的班级作为对照组。
表1 关于研究小组的人口统计学信息
2.3 应用过程
在为期6周的实验中，我们选择了一名教师，为研究对象所在学校的三个小组提供教育。其中一个小组采用了不插电编程活动，在传统教室布局下进行教育；另一个小组则使用了块编程工具，在计算机实验室进行教育。计算机实验室共有24台计算机，并且每台都能连接互联网，此外教室还配备了一个交互式白板。考虑到计算机实验室的容量和参与实验的学生数量，我们为每两名学生配备了一台计算机，并相应地准备了教学活动。为了方便实施活动，我们还为所有活动准备了学生手册和教师指南，以确保教学顺利进行。
2.4 数据收集工具
在本研究中，我们使用了由Korkmaz等人开发的计算思维水平量表，以评估学生在实验结束时计算思维能力的改善情况。我们选择使用这个量表的原因是，在当时的研究中，它是唯一一个已经经过中文翻译、调整和验证的量表。该量表在实验开始和结束时进行应用，采用李克特类型的形式，包括了22个项目。量表涵盖了五个因素：创造力、算法思维、合作、批判性思维和问题解决。以下是与这些因素相关的一些样本项目：
·创造力：“当我面对新情境时，我相信自己可以解决任何可能出现的问题。”
·算法思维：“我能够将最初以语言形式表达的数学问题转化为数字形式。”
·合作：“我享受与朋友一起合作学习的经历。”
·批判性思维：“在比较不同选择并做出决策时，我采用系统化的方法。”
·问题解决：“对于特定问题，我能够提出多种不同的解决方案。”
该量表的内部一致性系数为0.82，表明它具有良好的有效性和可靠性，适用于评估计算思维能力。此外，我们重新计算了当前研究组的可靠性系数，结果为0.83，进一步证明该量表在当前研究中也具备可靠性。在本研究中，我们为每个因素计算了原始分数，并将其转换为标准分数，范围从最低20分到最高100分。计算思维能力分数是通过取各个因素标准分数的平均值得出的。根据分数结果，20-46分被认为是低水平，47-73分为中等水平，74分及以上为高水平。
2.5 研究的限制
由于本研究是在学校环境中进行的常规教育过程，自然存在一些限制：
·研究内容仅涵盖了MONE所定义的学习成果，包括算法在内。
·研究持续时间仅为6周。
·数据收集工具仅限于计算思维水平量表，因为它是当时唯一一个经过中文翻译、调整和验证的量表。
三、研究结果
与计算思维能力相比较，引入Code.org的实验组1、引入不插电活动的实验组2和引入Scratch的对照组之间没有显著差异。
为了验证我们的假设，采用了双因素混合方差分析方法。首先，使用Shapiro-Wilk正态性检验检验所需的假设是否满足。结果显示，除了一组数据以外（Pegpre1=0.171，Pegpost1=0.026，Pegpre2=0.592，Pegpost2=0.733，Pcgpre=0.406，Pcgpost=0.091；p>0.05），六个测量值的数据符合正态分布。Levene检验的结果确认了组间方差齐性的假设（Fpre=0.020，p=0.980；Fpost=1.211，p=0.302；p>0.05），即方差是相等的。使用Box检验确保各组之间的配对组合没有显著差异（F=1.236，p=0.284，p>0.05），这表明数据提供了进行双因素混合方差分析所需要的条件。
表2显示了双因素混合方差分析的结果，并且得出在各组之间的得分增加没有显著差异[F(2-106)=1.02，p=0.363>0.05]。因此，针对计算思维能力而言，实验证明了实验组1（引入Code.org）、实验组2（引入不插电活动）和对照组（引入Scratch）之间没有显著差异的假设。
此外，表2还显示，在不区分组别的情况下比较前后测试结果，发现所提供的教育对计算思维能力有积极影响[F(1-106)=4.03，p=0.047<0.05]。为了找出这一改进的原因，对每个组进行了必要的统计分析。Shapiro-Wilk正态性检验的结果表明，对照组的得分差异呈正态分布（p=0.354，p>0.05），而实验组1和实验组2的得分差异不呈正态分布（p=0.005，p=0.038<0.05）。因此，对实验组应用Wilcoxon符号秩检验，对对照组应用配对样本T检验。通过比较实验组2接受不插电活动教育的前测（M=73.13，SD=12.29）和后测（M=76.70，SD=11.21）结果发现有显著差异（z=-2.45，p=0.014<0.05）。相反，比较实验组1接受Code.org教育的前测（M=78.61，SD=11.28）和后测（M=78.67，SD=11.50）结果发现没有显著差异（z=-0.17，p=0.868>0.05）。同样地，比较接受Scratch教育的组的前测（M=75.97，SD=11.74）和后测（M=78.73，SD=12.37）结果发现没有显著差异（t(35)(35)=-1.69，p=0.99<0.01）。
表2
计算思维技能方面的双向混合方差分析结果
3.1 性别对插电和不插电工具对计算思维能力的影响不显著
为了验证此假设并研究性别和组别对计算思维能力的共同影响，本研究采用了独立样本的双因素方差分析。在进行该测试之前，首先使用Shapiro-Wilk正态性检验来检查数据是否符合正态分布的假设。结果显示有些组别的数据未满足正态分布的条件（p<0.05）。随后，利用Levene检验确定了各组方差是否相等的假设（p=0.437，p>0.05）。通过独立样本的双因素方差分析，我们验证了性别在插电和非插电工具对计算思维能力影响中没有显著作用的假设[F(2-103)=0.004，p=0.996>0.05]。
然而，当考察参与教育的所有学生背景时，发现在由51名男性学生和58名女性学生组成的109名学生中，性别之间存在计算思维能力的显著差异[F(1-103)=4.96，p=0.028<0.05]。为了确定这种差异的统计意义，我们首先进行了假设检验。根据Shapiro-Wilk检验结果，实验组1的数据未呈正态分布（p=0.040，p=0.002，p<0.05），而实验组2的数据符合正态分布（p>0.05），与此同时，Levene检验结果未满足方差相等的条件（Fpre=8.947，p=0.05；Fpost=1.883，p=0.179）。因此，对实验组1和实验组2的前测和后测差异分数进行了正态性检验，但由于无法满足所需的正态分布假设，我们采用了Mann-Whitney U检验。对照组的数据表明其符合正态分布，并且具备方差相等的条件（Fpre=0.556，p=0.461；Fpost=2.518，p=0.122；p>0.05）。通过Box检验结果表明，对于二进制组合，各组之间没有显著差异（p=0.157，p>0.05），因此对对照组的数据应用双因素混合方差分析。
根据表3的Mann-Whitney U检验结果，我们发现在实验组1中，接受Code.org教育的男性和女性学生的计算思维能力之间没有显著差异[U=1.33，p=0.183>0.05]。而根据表10的结果，在实验组2中，接受非插电活动教育的男性和女性学生在计算思维能力方面存在显著差异，且这种差异对男性学生更有利[U=78.50，p=0.014<0.05]。通过双因素混合方差分析的结果显示，对于接受Scratch教育的对照组来说，男性和女性学生的计算思维能力之间没有显著差异[F(1-36)=1.89，p=0.179>0.01]。
表3 Mann-Whitney U按性别划分的计算思维技能描述性统计结果
四、结果与讨论
本研究探讨了在K-12教育阶段中，插电式和不插电编程工具对学生计算思维技能的影响，并考察性别在这一过程中的作用。
根据研究结果显示，在教育帮助下，无论组别如何，学生的计算思维能力都有显著提高。进一步对这些数据进行组别分析后发现，只使用不插电活动的组别在计算思维能力前后测试结果之间存在显著差异。
另一方面，在观察到计算思维能力差异的研究中，使用Scratch进行游戏和数字故事设计，确保学生制作产品的教育过程产生了不同的效果。这表明相同工具的不同使用方式对目标群体产生了不同的结果。此外，将游戏因素纳入教育中，例如玩游戏或设计游戏，也可能对产生这些差异有积极影响。
研究范围内的另一个发现是，在计算思维能力方面，各组别在教育后之间没有显著差异。根据这一发现，确定了只进行不插电活动的组别中所发生的积极变化没有达到在组别之间产生显著差异的程度。此外，观察到在计算思维的子因素方面，各组别之间没有显著差异，而基于组别的研究显示，在创造力方面，经过Scratch教育后，该组别显示出积极发展。文献中也有提到Scratch对创造力的积极影响（Kobsiripat, 2015）。因此，可以得出结论，未能在各组别的计算思维能力中看到的积极影响，在子因素方面也无法得到。这表明所进行的活动并未对支持计算思维技能的子因素产生预期的影响。此外，所获得的结果表明，所述教育课程对所有组别产生了类似的影响。考虑到无法在组别基础上实现的计算思维能力的积极发展，可能是由于没有得到足够支持的因素。综合考虑这些研究结果，我们发现应针对学生的计算思维技能做出更明确的选择，作为Scratch设计的活动的替代方案。在上述研究中，对照组学生使用传统方法，而结果有利于Scratch。本研究确定了介绍了Scratch的对照组和实验组之间没有差异，并证明了在内容和设计上精心准备的活动能够展现出预期的效果。
在本研究中，通过对组别进行内部评估，观察到只接受不插电活动的组别中男生和女生之间存在显著差异，且这一差异对男生更有利。当无论组别如何分析计算思维技能时，也得出了结果对男生更有利。然而，考虑到当前的发现和类似研究，不可能提及性别和计算思维技能之间存在明确的关系。事实上，在研究中不根据性别来确定差异是一种预期且期望的做法。尽管结果显示组别和性别因素并未产生显著差异，但在学生参与方面进行评估时，男生表现出优势，这促使我们对所提供的培训内容和设计以及所进行的活动进行更详细的检查。因此，通过面谈确定减少女生对自身认知的影响，并增加男生在教育过程中的认知，将有益于教育。
当审视在计算思维技能范围内获得的所有结果时，发现不插电工具与插电式工具同样有效。这表明希望提高学生计算思维技能的教育工作者可以轻松使用不插电工具，因此提供了一种易于应用的方法，特别适用于技术困难的教育机构。
查阅原文：Aycan Çelik Kirçali1、Nesrin Özdener2
DOI：10.1080/09500693.2022.2150986
转自：“百研工坊”微信公众号
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