作者：陈青芬 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】:本文介绍了一项关于小学生计算思维教育的研究结果。在这个名为“儿童计算思维教育”的项目中，来自意大利一所小学的81名学生通过微软Kodu游戏开发平台学习了电脑游戏的设计和开发。为了提高学生的计算思维能力和技能，我们为他们提供了不同的活动。整个项目采用了叙事方法。教育经验的初步结果强调，采用叙述性学习和操纵性编程对象的物理复制为计算思维能力的发展提供了依据。此外，学习过程中的持续性会影响游戏开发技能的习得;最后，使用Kodu设计和实现电脑游戏对计算机编程的感知产生了显著的积极影响。
【关键词】：计算思维;Kodu游戏实验室;小学儿童教育;计算思维工具
1
介绍
Wing将计算思维定义为“一种普遍适用的态度和技能，每个人，不仅仅是计算机科学家，都渴望学习和使用”(Wing, 2006)。该定义论证了计算思维的教育重要性，并将其描述为与计算机科学和计算机编程没有严格关系的一般认知能力。
计算思维在教学辩论中的提升作用与编码的概念密切相关。通过编码，孩子们成为计算思考者，能够分析问题，识别算法解决方案，阐述想法，并通过用特定的编程语言组合一组指令来编写程序。编码可以被认为是人类用来表达要由数字代理执行的任务的语言。
在与写作、阅读和算术技能相同的水平上，编码正在成为世界各地所有教育课程的教学重点。因此，应该在K-12课程中引入算法问题解决和计算方法和工具。
从小学时代开始，编程的艺术改变了孩子们从应用程序用户到应用程序创建者的视角。
今天，由于视觉语言和块语言范式，编码已经成为一种更容易理解和有趣的活动。它为编程提供了新的机会，而不必纠结于基于文本的编码。Scratch是初学者在可视化编程支持下加快开发技能以构建复杂的应用程序的学习环境。可视化编程语言允许学校教师组织旨在促进计算思维过程和促进编程概念学习的创新教育活动。特别是，Kodu Game Lab包含了我们认为特别适合小学环境的功能。它使儿童能够想象3D虚拟世界，并通过基于视觉的语言编写指令，在虚拟舞台上编程角色。此外，Kodu游戏实验室提供了一个易于使用、愉快、创造性和高度可访问的编程环境。从教学角度来看，Kodu Game Lab为设计能够培养计算思维过程的学习活动提供了有趣的机会。
Repenning, Basawapatna和Escherle(2017)确定了计算思维工具必须引出的计算思维过程的三个阶段:
•问题制定(抽象);
•解决方案表达(自动化);
•执行和评估(分析)。
根据四阶段模型，阅读故事情节是计算思维过程的第一步。这个任务激发孩子的创造力，并作为一个阅读理解过程，形成一个抽象的故事(问题形成)。问题构想是该过程的第二阶段，旨在从故事情节中识别关键元素:角色、主角、对手、虚拟舞台元素、游戏目标、角色行动和得分规则。下一个阶段是制定解决方案，这也是电子游戏开发的第一步;这一阶段包括将已识别的关键元素编码成指令的过程。最后一个阶段是让学生玩和测试(执行和评估)他们的电脑游戏，以识别错误并评估他们之前活动的结果。得到的模型如表1所示。
表1 提出培养小学生计算思维能力的教学模式
2
“儿童计算思维教育”项目
2016年10月至2017年6月，意大利一所小学的81名学生参加了儿童教育计算思维研究项目。项目活动分为两个主要阶段。
2.1. 阶段1:什么是编程
第一阶段的目标是通过意大利国家研究委员会运行的三个开放实验室向学龄儿童介绍计算机编程的基本概念，分别侧重于:
a)编程作为一种游戏:通过游戏来教授编程的工具。
b)计算机密码与遗传密码的比较:活体生物与人工生物的异同。
c)如果我想创建自己的电子游戏该怎么办?
整个活动持续三天，每个开放实验室一天。
2.2. 阶段2:Kodu编码开放实验室
这个阶段构成了项目的核心。在三个介绍性开放实验室中，学生们已经熟悉了编码。在Kodu编码开放实验室，他们学习了编程原理，并参与了实践活动。
学习路径是在学生参与有趣的学习活动的背景下实施的。事实上，学生们已经参与了一个旨在通过使用Kodu游戏实验室环境设计和开发视频游戏的协作过程。
在学校的计算机实验室已经举行了六次课程:
1节课(2小时):介绍可视化编程和Kodu环境。在本节课中，学生通过操作Kodu语言的物理块学习了可视化编程的基本概念(图1)。
1次(2小时):设计虚拟游戏场景，定义目标，选择规则，构建游戏动作，创建分数系统。
3节编程课(6小时):电子游戏开发和测试(图2)。从叙述描述开始，引导孩子自主构建简单游戏。
这三次课程的难度越来越高。
1节评估课(2小时):评估学生获得的编程技能(图3)。
这三节编程课是由四阶段教学模提供的。
3
研究方法
3.1. 学校的社会和地域层次
儿童计算思维教育项目涉及位于意大利南部Mazara del Vallo的“Daniele Ajello”小学。它是该国最重要的渔港，也是地中海最大的渔港之一。“Daniele Aiello”小学是意大利开展多个跨文化活动和包容性项目的参考点。这所学校有大约750名学生，来自不同的社会和经济群体。15%的学生是第二代或第三代移民，他们的家人已经在城市生活了很长时间。这些社会因素在学习路径的制定、研究设计和结果评价中都得到了充分的考虑。
3.2. 参与者
四个四年级班级参加了项目活动，共有81名学生(N=81)。
数据分析基于学生的子样本，29名男性和22名女性，他们参加了75%以上的课程，并完成了在项目活动开始和结束时分发的前后测试。
3.3. 材料和程序
已使用以下工具进行数据收集:
•“Kodu游戏实验室-教室套件1”中包含的前测试和后测试。”。这些测试已经转化并适应了目标。这些测试被用来评估对计算机编程的态度以及他们在电子游戏的创作和开发中的经验。
•“The”、“Two unleashed pilots”和“The magical lake”三个编程挑战。
•“Q1 ELEMENTARI”问卷，评估儿童的阅读、计算和推理能力。
•学生意大利语和数学的最终成绩。
•关于他们的社会经济和熟悉背景的信息。
本文介绍了前测和后测的结果，并对与电子游戏开发过程相关的反应进行了定性分析。这些数据与学生在意大利语和数学方面的表现以及他们所熟悉的社会经济学背景有关
3.4. 前测和后测
前、后测试项目如下:
1。你每天花多少时间玩电子游戏(在电脑上还是在游戏机上)?
2. 你以前上过计算机编程课吗?
3.我知道很多关于计算机编程的知识。
4.我对历史了解很多。
5.你认为计算机编程是:
a.有创意的b.困难的c.容易的d.有趣的e.有趣的f.只有计算机专家才有无聊的h.令人沮丧的i.酷的j.我擅长的事情
6. 如果你的学校明年开设计算机科学课程，你会选吗?
7. 你对将来从事计算机科学方面的工作感兴趣吗?
8. 你认为电子游戏的开发需要哪些步骤?
后测包括了前测的大部分项目，并增加了一些进一步的问题:
1. Kodu有没有让你想起学校里的任何科目?
a.数学b.科学c.历史d.艺术e.其他(请说明)
2. 你花了多少时间开发这款电子游戏，又花了多少时间在Kodu上玩
a.我所有的时间都花在了发展上;我根本不玩游戏。
b.我的大部分时间都花在了开发而不是玩游戏上。
c.我花在开发和玩游戏上的时间是相等的。
d.我的大部分时间都花在开发上，而不是创作上。
e.我所有的时间都花在玩上了;我根本没有开发过游戏。
3.在Kodu开发游戏很有趣。
4.在Kodu开发游戏很容易。
5.在Kodu玩游戏很有趣。
6.在Kodu玩游戏很容易。
7.我知道很多关于计算机编程的知识。
8. 我对历史了解很多
9. 你认为计算机编程是:
a.创造性的
b.困难的
c.容易的
d.有趣的
e.有趣的
f.只为电脑大师
g.无聊的
h.令人沮丧的
i.酷的
j.我会擅长的事情
10. 如果你的学校明年开设计算机科学课程，你会选吗?
11. 你对将来从事计算机科学方面的工作感兴趣吗?
12. 你认为电子游戏的开发需要哪些步骤?
13. 你最喜欢Kodu的什么?
14. 有什么可以改进的?
4
结果
该项目收集的数据证实了一个普遍的观点，即男孩比女孩花更多的时间在电子游戏上。在我们的样本中，55.2%的男孩花1到2个小时，而女孩的比例为18.2%;17.2%的男性花在3到4个小时之间，而女性只有4.5%。36.4%的女性不玩电子游戏，9.1%的女性没有电子设备(图4)。
图4 女孩和男孩玩电子游戏的时间
为了评估花在电子游戏上的时间与个人编程能力之间是否存在相关性，我们测量了学生对计算机编程的感知，并分析了他们在项目不同活动中的行为和行动。
采用Wilcoxon符号秩检验来衡量学习活动是否改变了学生对计算机编程的感知。“你认为计算机编程是___?”的d)、i)、a)、j)项在测试前后有显著差异(p<0.05)(分别Z=-3.666,p=.000;Z=-2.041,p= 0.041;Z=-2.060, p= 0.01;Z=-3.267, p=.001。图5)。
图5 在项目期间，对计算机编程的态度有所提高
为了评估编程过程的意识，我们要求学生描述创造他们最喜欢的电子游戏的步骤。两名外部专家根据所描述的行动(角色、游戏元素、程序行动、步骤顺序)来评估回答的质量，并根据答案的完整性和准确性给出分数(从0到4)。
在项目结束时，学生意识水平的提高是相当明显的。然而，它提出了一些具体的问题，即从项目活动中受益最多的学生类别。这些进步是否与学生家庭的性别或社会经济条件有关?此外，必须探索结果的更高方差。差异的增加是否与参与项目的程度有关?
女孩是从项目活动中获得最积极成果的群体(男孩的平均得分提高了0.8分，女孩的平均得分提高了1.1分;图6)。这证实了男孩比女孩更擅长编程的假设是一种刻板印象，其他作者已经证明了这一点(Master et al, 2017)。此外，这一结果表明，编程活动可以通过特定的学习路径强烈刺激。
图6 提高编码意识（按性别划分）
数据显示，在意大利出生的儿童中，积极的结果明显普遍存在(图7)。
图7 提高编码意识（按出生地划分）
有必要强调的是，在马扎拉德尔瓦洛出生的意大利人和在国外出生的人之间的区别，与意大利人和外国人之间的区别并不一致。相反，这种区别旨在反映出生在国外的孩子的家庭的“经济、社会和文化地位”。事实上，许多实证研究都强调了学生的能力与其父母的社会经济和文化生活之间的高度相关性。在一定程度上，这取决于这样一个事实，即具有更好“地位”的家庭可以通过提供更多的教育资源和教学工具，以及提供有利于学习和巩固技能的行为模式，从而激发孩子更高的能力。
此外，出生在意大利和出生在国外的学生的区别旨在捕捉学习过程的另一个方面:用于学习的语言。事实上，据文献报道，新移民的较低分数与学习使用外语的难度密切相关。
对编程过程意识的提高与学生的学业成绩(通过年底意大利语和数学的成绩来衡量)有关。这一分析强调了从项目中受益最大的学生是那些在学校表现更好的学生。这似乎表明，在学校的熟练程度和计算思维能力之间存在着严格的相关性。
为了验证参与项目活动如何影响学生的学习成果，我们区分了普通学生(出勤率高于80%的学生)和临时学生。然后，我们分析并比较了两组学生对反映练习理解能力的问题的回答(例如，对游戏主角、对手、目标、行动、得分规则和最终目标的正确识别)。
结果表明，定期出勤可以显著提高计算思维技能。随着训练路径的进行，这种改进变得越来越重要。
5
结论
计算机编程通常被认为是计算思维技能的重要推动者，甚至在小学生中也是如此。本研究的结果为编码练习对计算思维技能发展的影响提供了证据。
实验是通过在Kodu环境中采用叙事方法进行的。
对前后测试的分析表明，小学生对计算机编程的认知有所提高，特别是在有趣、酷、刺激、有创意和“我擅长的东西”方面。
此外，我们观察到高中成绩和家庭背景对编码能力产生积极影响，进而对计算思维技能产生积极影响。特别是，数学和意大利语分数较高的学生比分数较低的同龄人取得了更高的教育成果。
我们的研究已经证实，编码并不像过去人们对社会的刻板印象所暗示的那样，只是男性的一门学科;相反，虽然女孩不像男孩那样频繁地使用电子游戏，但她们对编程的态度比男孩高，并且从项目中获得了更高的学习成果。最后，编码能力与出勤频率密切相关，并且随着学生学习路径的进展，这种关系越来越强。
本文中提出的结果将被视为一项正在进行的研究的初步结果。后续的工作将允许作者进一步调查学习活动，并确定对提高学生的计算技能有更好贡献的项目阶段。
查阅原文：Giuseppe Chiazzese, Giovanni Fulantelli, Vito Pipitone, Davide Taibi Education in the Knowledge Society
DOI：10.14201/eks20181926381
转自：“百研工坊”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
