【摘要】：本研究探讨了小学低年级学生的计算思维能力是否会因为参与基于机器人技术的课堂干预而受到积极影响。本研究采用行动研究法，考察了基于机器人技术的多方面建构主义干预措施对美国东南部一所小学37 名二、三年级学生的影响。结果发现，该干预措施对学生的计算思维能力产生了积极影响。这项研究为实践者提供了一种易于实施、教师友好的干预措施，可以将其融入小学课堂，对学生的计算思维能力产生积极影响。
【关键词】：计算思维能力;机器人技术;自动机干预;二年级学生的机器人
一、介绍
根据建构主义理论，我们设计了一种基于机器人的多方面干预措施，通过在正常上课时间参与教育机器人作为课外活动，让学生充分接触计算思维技能。该干预措施旨在对学生计算思维能力的发展产生积极影响。我们采用了混合方法行动研究（AR）来考察这种基于机器人的干预措施对小学生计算思维能力发展的影响。本研究的研究问题和子问题是：
主问题:
基于机器人的干预对小学阶段学生的计算思维技能有什么影响?
子问题：
1干预对学生计算思维能力的发展有影响吗?
2 干预如何影响学生计算思维技能的发展？
二、计算思维
计算思维的操作性定义是由国际教育技术学会和计算机科学教师协会共同创建的，它指出:计算思维是一个解决问题的过程，其特点是能够以计算机解决的方式提出问题;数据被逻辑地组织和分析，数据通过模型和抽象来表示，可能的解决方案被识别、分析和实现，以找到步骤和资源的最有效组合，解决问题的过程可以被推广和转移到各种各样的问题。计算思维被认为是儿童教育的基础，因为它是一种思维方式，可以用来解决任何研究或职业领域的问题。
三、机器人与计算思维的教育整合
建立在建构主义理论基础上的教育机器人项目可以让学生在行动中体验计算思维，通过积极参与、物理构建、深入思考和反思来增长他们的知识和技能。
然而，缺少一种易于实施的、教师友好的、基于研究的方法，将机器人和计算思维整合到常规的学校生活中。机器人技术的这种整合允许所有学生参与，并确保平等地获得教育机器人提供的学习机会。在小学教育课堂上使用易于实施、教师友好的基于机器人的干预措施来教授计算思维的研究有限。因此，这种多方面的干预被开发和测试，为小学提供一种高效、有效和易于实施的方法，以增加年轻学生对计算思维的使用和发展。
四、研究方法和程序
4.1 方法
混合方法行动研究(AR)适用于本研究，因为它代表了一种动态方法论，将传统研究方法应用于教育工作者面临的实际问题，使教育工作者能够在实践背景下解决持续存在的问题。无论选择的目标、过程或程序如何，增强现实旨在通过修改和改进实践的某些方面来带来变化，从而改善学生的学习成绩。
4.2参与者
参与者是来自美国东南部一所农村小学的两个教室的37名二年级和三年级学生。19名参与者是女性，18名是男性。29名二年级学生，8名三年级学生。在2017-2018学年，所有参与者的年龄都在7到10岁之间。所有学生都通过参加编程一小时的活动提前接触到编程活动。
4.3 干预组件
五种基于研究的方法被整合在一起，以创建一个强大的干预，用于积极影响学生的计算思维技能的发展。个别组件包括WeDo Lego Robotics、“使用-修改-创造”学习过程、计算思维笔记本、学生机器人展示和利益相关者培训。
4.3.1WeDo Lego机器人
WLR是一个专门为二至四年级学生设计的机器人硬件和软件平台。WLR利用分组编码，从而降低了工具复杂性和相关的编码过载问题。它包括十二个机器人项目的逐步构建和编码说明。鼓励学生通过修改所呈现的设计来探索构建和编码的可能性。
在这项为期16周的研究中，学生们结对完成了多达12个编写脚本的构建和编码活动。每对学生拥有一台装有2009589 LEGO Education Activity Pack软件的笔记本电脑和一台LEGO Education WeDo Construction Set(9580)(见图1)。
学生们按照软件提供的屏幕上的构建和编码指导进行操作。教师和志愿者使用《2009580乐高教育微道教师指南》(乐高集团，2009)提供的课程指导学生完成这一过程。
图1 一位学生的电脑连接上了WLR
4.3.2“使用-修改-创造”学习过程
“使用-修改-创造”学习过程被用来支撑和支持学生的学习，因为学生培养了计算思维技能，从消费者转变为计算产品的生产者。学生们首先根据提供的搭建和编码指导(“使用”阶段)创建机器人。
接下来，学生们通过修改和迭代地完善这些项目，使其成为自己的项目，从而培养计算思维技能(“修改”阶段)。随着学生获得技能和信心，他们被鼓励发展和创造自己设计的新计算项目的想法，解决他们选择的问题(“创造”阶段)。
4.3.3计算思维笔记本
每周，学生们被要求回答以下七个问题，反映他们的设计和编码活动，以及他们使用“使用-修改-创造”学习过程的情况:
1. 你建造了什么?
2. 它做了什么?
3. 什么是困难的?
4. 什么是容易的?
5. 你学到了什么?
6. 你是使用、修改还是创建?解释一下。
7. 你如何修改你的项目或从你所学到的东西中创造新的东西?然后是最后一个提示——发挥你的想象力!把你的图案画在背面。
这些问题旨在促进反思和深入思考，这两者都是建构主义理论的重要组成部分。问题的设计也鼓励学生思考他们所做的修改或本可以做的修改，鼓励学生从用户转变为修改者，再转变为机器人结构和代码的创造者。学生的回答被记录在他们的计算思维笔记本上(见图2和图3)。
图2 学生Ct笔记本和反思活动反应的例子
图3学生Ct笔记本和反思活动反应的例子
五、学生机器人展示
经过12周的结构化构建和编码体验，学生有三周的时间来计划和创建一个合作设计的机器人，并在学生机器人展示会上展示。在展示期间，学生们向参观者展示和解释了他们的机器人，并观看了同龄人创建的机器人项目(参见图4)。
图4 学生机器人展示
5.1 研究设计及程序
本研究在两个普通教室进行。所有在这些教室登记的学生都参与了干预。两位对使用机器人积极影响学生及其学习感兴趣并投入资金的任课教师合作进行了这项研究。
在为期16周的时间里，这些教室里的所有学生每周参加两小时的干预相关活动。学生们参加了15次每周一小时的WLR构建和编码会议。在前12节课中，学生们使用和修改机器人设计，同时完成由WLR软件呈现的结构化活动。第十三到第十五堂课是学生为机器人展示合作设计的机器人。这些每周的WLR会议由训练有素的课堂教师和成人志愿者主持。在第十六周，学生组参加了机器人展示。在为期16周的学习期间，学生还参加了个人计算思维笔记本活动，旨在促进计算思维技能的反思，探索和增长，每周一小时(每周三天，每天20分钟)。学生们被鼓励在每周的创作和编码课程中使用“使用-修改-创造”学习过程，同时完成计算思维笔记本活动。
在每周WLR构建和编码会议开始之前，研究者:(a)向教师提供表格和指导，以获得家长和学生的同意，(b)为所有参与的教师和成人志愿者提供培训，(c)创建计算思维笔记本反思问题，(d)为教师提供指导，材料和支持学生预测试。
在为期16周的时间里，研究者:(a)与课堂教师合作评估学生的作业，(b)监控WLR课程和课堂计算思维笔记本的实施，以确保教室之间的一致性，(c)根据需要为教师和志愿者提供支持。
在干预期结束后，研究人员:(a)为教师提供指导、材料和对学生后期测试的支持，(b)对选定的学生进行基于工件的访谈，(c)检查学生在计算思维笔记本上的作业，(d)按照描述进行数据收集和分析，(e)编写AR报告，以及(f)与利益相关者分享研究结果。
六、结论与讨论
6.1计算思维测验
本研究选择了计算思维测试(Marcos Roman-Gonzalez，2015)。该测试的内部一致性信度较好(Cronbach’s alpha:0.793)。信度随年级的增加而增加。测试包括四个选项的多项选择题，其中只有一个是正确的。问题要求学生完成三个认知任务中的一个:命令排序、完成不完整的命令或调试错误的命令。
在研究人员的协助下，有36名学生由他们的课堂老师在干预前和干预后进行了这项28项不定时的在线测试。在测试过程中，问题被读给学生，并根据需要进行解释。测试完成大约需要45分钟。
6.2计算思维笔记本
学生们独立完成计算思维笔记本活动，旨在促进他们计算思维技能的发展。每周，学生们被要求反思他们的设计和编码活动，以及他们对“使用-修改-创造”学习过程的使用。学生们用他们的计算思维笔记本记录他们的思考。收集笔记本数据以确定学生是否按预期使用笔记本。
6.3学生访谈
在为期16周的干预之后，12名学生参加了与研究人员的一对一访谈。学生们被问了13个预先确定的问题，这些问题涉及学生对计算思维技能的理解和发展，以及学生对机器人技术和干预措施组成部分的态度。每次面试持续大约20分钟，在正常的上学日进行，在一个私人但熟悉的学校环境中进行。使用学生的计算思维笔记本和机器人展示项目进行访谈，以检查学生的计算思维技能以及干预如何影响学生这些技能的发展。
6.4数据收集和分析
为了回答第一个研究子问题，我们采用计算思维测验收集干预前和干预后的定量数据。采用配对样本t检验检验干预对学生计算思维测验成绩的影响。使用平方来计算配对样本t检验的效应大小。
为了回答第二个研究子问题，研究人员采访了12名学生，并向他们提出了13个预先确定的问题。这些问题旨在评估本研究中实施的基于机器人的干预如何影响他们对计算思维的使用和发展。记录叙述性反应。访谈由研究人员反复记录，直到满意为止。
七、结果
表1 配对样本测试-计算思维测试
7.1学生的计算思维能力显著提高
为了回答第一个研究子问题，干预是否对学生计算思维技能的发展有影响?我们对计算思维测试数据进行分析。与前测相比，得分有统计学意义上的显著提高(M = 11.7,SD = 4.2)至后验(M = 13.5,SD = 3.6)， t (36) = 3.9, p < .000。计算思维测试成绩的平均差异为1.81,95%置信区间为0.86至2.75(见表1)。eta平方统计量(0.099)表明中等到较大的效应量。
7.2大多数学生完成了计算思维笔记本反思活动。
每个学生每周完成反思活动的次数从1到10不等，平均为7.78。部分完成的条目不包括在此分析中。作为每周反思的一部分，学生们被要求画出一个设计，代表他们对项目的修改或他们所学到的新东西。每个学生完成的图纸数量从2到10不等，平均为7.27(图5)。
学生们被问及在他们的WLR构建和编码过程中是否使用、修改或创建。学生表示他们对机器人进行修改的周数从每个孩子0到10周不等，平均为4.62周(见图6)。这些数据表明，92%的学生至少对机器人进行了一次修改。当被要求解释他们所做的修改时，32名学生(87%)对修改进行了具体的解释。在这些学生中，有18人报告对他们的乐高设计和程序进行了修改。
11个报告只修改了他们的乐高设计，3个报告只修改了他们的程序。
这些数据表明，大多数学生完成了超过一半的每周可能的反思活动，并包括他们的机器人可以进一步修改的方式的图纸。
图5 每个学生完成的绘图修改活动的直方图
图6 每个学生完成机器人修改的直方图
八、访谈
为了回答第二个研究子问题，干预如何影响学生计算思维技能的发展?，研究人员对12名学生进行访谈。这些问题旨在评估在本研究中实施的基于机器人的干预如何影响学生对计算思维的理解和发展。
8.1抽象
下面的问题是用来测试学生抽象思考的能力。抽象的证据包括将问题分解成更小的部分，识别和关注最重要的信息，并进行概括的能力。
•解释你对机器人的想法。
•你先计划了什么?是我们的机器人还是你的故事?
•你是如何规划你的机器人外观的?
•你是否使用、修改或创建了乐高机器人的设计?
根据回答，所有学生在描述他们展示的机器人时都表现出抽象思维；学生们能够计划并将任务分解成更小的部分；所有学生都能够总结学习内容并创造出原创的展示机器人。
8.2自动化
以下问题是为了考察学生们自动化展示机器人的能力。自动化的证据包括使用、修改或创建产生预期结果的代码的能力，以及学生理解和解释计算机代码的能力。
•你是如何让你的机器人按照你想要的方式移动的?
•你是否使用、修改或创建过代码?
•你能解释一下你的代码是做什么的吗?
所有学生都编写了能产生预期结果的代码。虽然所有学生都能够讨论和解释他们的代码，但两名女学生展示了对自动化/编码概念的卓越掌握。这些学生能够讨论他们编写的代码，以及对代码的潜在更改和最终结果。
8.3分析
下面的问题考查了学生分析展示机器人设计的能力。分析的证据包括识别和解决问题的能力，表现出寻求解决方案的行为，表现出深思熟虑的反思，以及超越当前目标的思考能力。
•你在这个过程中有什么问题吗?
•你是如何解决的?
•你是否测试并改进了你的设计或代码?
•当你陷入困境，不知道该怎么做时，你会怎么办?
•你最自豪的是什么?
•如果你制造另一个机器人，你会做什么不同的事情?
所有学生都能够识别和解决问题。学生通过测试和改进发现并解决问题。陷入困境的学生表现出寻求解决方案的行为。学生们反思并为自己的工作感到自豪。学生们能够思考和计划超越他们当前的目标。
九、总结与讨论
针对研究子问题1，干预是否对学生计算思维技能的发展有影响?计算思维测试前和测试后的数据分析表明，这种易于实施、教师友好的基于机器人的干预对学生计算思维技能的发展产生了积极的影响。
针对研究子问题2，干预如何影响学生计算思维技能的发展?从学生计算思维笔记本和基于工件的访谈中收集的数据进行了分析，并确定了以下因素对干预的成功至关重要:由训练有素的成年人提供构建和编码的机会，与同龄人一起工作和学习的机会，旨在促进反思，探索和创造力的计算思维笔记本活动，使用“使用-修改-创造”的学习过程来促进学生的计算机发展。
在访谈中，学生们多次提到与同伴一起工作和向同伴学习。评论有积极的，也有消极的，但最终大多数学生表示他们能够解决他们的困难，并能很好地合作。合作伙伴们互相帮助，说这让构建和编码会议以及机器人展示更加有趣。
“使用-修改-创造”学习过程非常适合本研究的目标。与WLR一起使用，它为学生的成长提供了坚实的基础和适当的支架结构。
学生们表示，他们能够为机器人展示创造一个机器人，是因为他们在每周的构建课程中学会了使用WLR进行构建和编程。当被问及他是如何学到这么多关于机器人的知识时，一名学生说，他不可能在年初创造一个机器人，并补充说:“我们学到了这么多关于机器人的知识，因为每次我们只是复制东西，然后我们学到更多的东西，比如，它是如何工作的，它是如何移动和旋转的，以及命令是如何工作的。”最后，我们已经知道它是如何工作的，以及所有的命令和它们是如何工作的。”先前的研究支持该学生的见解，并表明“使用-修改-创建”学习过程是一个有价值的框架，可以帮助学生随着时间的推移发展计算思维技能。
这次干预的高潮活动是学生机器人展示。学生在展示之前，期间和之后的兴奋和参与，以及学生在展示期间展示的学生学习证明，支持将其纳入此干预。
教师和训练有素的志愿者也被认为对这次干预的成功至关重要。他们鼓励学生利用“使用-修改-创造”的学习过程，这为学生的计算思维技能的发展提供了基础和便利。
创造的机器人，再加上学生对面试问题的回答，关于他们的机器人的设计和创造，显示了学生使用计算思维技能的明确证据。学生们将问题分解成更小的部分，识别并关注最重要的信息，并将他们的学习从结构化的WLR活动推广到合作设计机器人的创造，这些都体现了抽象化的能力。学生们通过修改或创建代码来演示自动化，从而使机器人能够正常工作，并能够理解和解释他们创建的计算机代码。当学生能够识别和解决问题，寻求问题的解决方案，表现出深思熟虑的反思，以及超越当前目标的思考时，分析能力就得到了展示。
基于本研究的发现，建议小学将教育机器人纳入正常的上学日。这可以通过实施这种基于机器人的多方面干预来实现，这已经被证明对计算思维技能的发展有积极的影响，并为课堂教师提供了一种高效、有效和易于实施的方法，将机器人技术融入日常的学校生活。要实施这种干预，需要接受过“使用-修改-创造”学习过程培训的教师和志愿者、WLR设备和软件、笔记本电脑(或ipad)、举办机器人展的能力，以及促进学生计算思维技能发展的愿望和承诺。
这项研究表明，在16周的时间里，学生可以在最少的教师指导或机器人知识的前提下，每周只需两小时就能培养计算思维技能和对机器人的理解。
查阅原文：Mary-Alice Hudson Youngkyun Baek Computers in the Schools
DOI: 10.1080/07380569.2022.2037295
转自：“百研工坊”微信公众号
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