小学生在计算思维教育中的兴趣、合作态度和编程能力的研究

作者：沐文媛 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】：基于西摩-帕珀特的观点，通过掌握编程来增强学生的能力，本研究将编程授权概念化为四个组成部分：意义、影响、创造性自我效能和编程自我效能。以287名小学四至六年级学生为样本完成了相应的调查。验证性因素分析验证了方案编制授权工具的拟议组成部分。结构化方程模型表明，对编程更感兴趣的学生认为自己更有意义，有更大的影响力，有更高的创造性自我效能感，并有更高编程自我效能感。此外，有着更加积极合作态度的学生比其他人具有更高的创造性自我效能感。男孩比女孩对编程更感兴趣。与其他学生相比，年级较高的学生认为编程没那么有意义，编程自我效能感也较低。这些结论支持了未来评估兴趣驱动的计算思维和程序影响的研究。

【关键词】：合作态度、计算思维、教育程序开发、学生兴趣、自我效能感。

一、引言

西摩-帕帕特创立了计算思维的理念，并高度评价了计算思维的赋权能力，认为 “通过为儿童提供使用计算机的机会，能使他们产生发明和开展项目的前所未有的能力，通过为他们提供相当清晰和智能的编程语言，能够产生在线实时行动的外围设备”，然而，帕帕特并没有提供衡量儿童能力的工具，也没有确定除了提供电脑之外的其他因素。在本研究中，我们对编程能力进行了定义，并对其解释模型进行了测试。在Thomas和Velthouse的指导下，本研究将编程能力定义为一个人有效使用计算思维的自主感知和能力。计算思维（CT）是“有效和高效地（即通过算法，无论是否有计算机的帮助）解决难题所需的概念基础，其解决方案可在不同情境下重复使用”，可通过参与编程活动来培养。我们认为，编程赋权由四个部分组成：意义、影响、创意自我效能和编程自我效能。此外，我们测试学生是否对编程、合作态度感兴趣，以及测试性别和年级等人口统计学因素与编程能力的关系。由于学生对计算机有不同程度的兴趣，而且他们经常在课堂上一起合作，我们探讨了以下研究问题：(a) 对计算机有更大兴趣的学生是否有更大的编程能力？(b) 对合作持更积极态度的学生是否具有更强的编程能力？

二、研究的概念框架

2.1计算思维在K-12教育中的重要性

Wing认为CT是每个人的基本技能，就像阅读、写作和算术能力一样。事实上，许多国家已经将CT纳入其K-12教育。CT是一种通过分解、抽象、概括、算法设计、调试和迭代等技能进行思考和行动的方式。基于块的编程环境，如App Inventor和Scratch，可以支持年轻学习者在编程活动中培养CT，使他们能够通过拖放块来更多地关注问题解决过程，Brennanand Resnick提出了一个框架，将CT概念化为三个维度：1）CT概念，包括编程结构（序列、循环、条件等）的学习；2）CT实践，包括CT的使用；3）CT视角，涉及学生对自己、技术世界以及他们彼此关系的理解。由于很少有研究考察CT视角，本研究通过定义和建模学生编程授权的组成部分来考察CT视角。

2.2.编程授权及其组成部分

授权起源于通过教育解放被压迫者的理念，强调让人们控制自己的生活和与他们相关的问题。一些研究者将授权视为一个单一的组成部分（例如，自我决定、能力、自信等），而另一些研究者则定义了授权的多个组成部分。本研究认为，在编程过程中会出现 “自我授权 ”现象，当人们（a）认为编程任务的目的是有意义的，（b）从完成任务中看到了影响，（c）相信他们能够创造性地完成任务，以及（d）认为他们有能力完成任务时，人们就会感到自己被授予了权力。

所提出的编程授权模型包含四个组成部分，即意义、影响、创造性自我效能和编程自我效能，都大大增加了成功完成任务的可能性。它与一个人对编程的自我理解有关。接下来，我们考虑学生编程授权的前因。

2.3.兴趣、合作态度、人口统计和编程授权

2.3.1.对编程和编程开发的兴趣

CT课程的实施往往强调其新颖性如何激发学生的兴趣，以及学生如何从共享计算机和合作中受益；因此，本研究关注编程授权的两个主要前因：兴趣和合作态度。

对编程等领域比其他学生有更大兴趣的学生认为编程是有意义的，不仅仅是获得积极结果的一种工具性手段；相反，他或她对编程充满好奇，并探索编程以发现其影响和后果。简而言之，对编程更感兴趣的学生更有可能认为编程是有意义的，更有可能了解编程的影响，具有更强的创造性自我效能感，具有更强的编程自我效能感--所有这些都表明编程具有更强的能力。

H-1a.

对编程更感兴趣的学生，认为编程更有意义。

H-1b.

对编程更感兴趣的学生，认为编程的影响更大。

H-1c.

对编程更感兴趣的学生有更大的创造性自我效能。

H-1d.

对编程更感兴趣的学生拥有更高的编程自我效能感。

2.3.2.合作态度和编程授权

合作态度可能通过创造性自我效能或编程自我效能与授权相关联。本研究将合作编程态度定义为一个人对与同伴合作编程活动的取向或感受。过去的研究表明，让学生结对或小组合作进行计算机编程活动（通常使用一台计算机）可以提高学生的编程成绩和自信心。因此，我们假设，对合作持更好态度的学生在两个方面具有更强的编程能力：创造性自我效能感和编程自我效能感。

H-2a.

合作态度更好的学生具有更高的创造性自我效能。

H-2b.

合作态度更好的学生具有更高的编程自我效能感。

2.3.3.年龄和编程能力

过去的研究表明，人口统计也与授权有关。与低年级学生相比，高年级学生通常认为学校科目的意义较小，也觉得自己能力不足。同样地，与低年级学生相比，高年级的学生面临着更多的非文本化结构，这与他们的日常生活往往没那么相关或有用；因此，他们经常认为学校的科目没那么有意义。此外，随着学生年龄的增长，他们越来越了解自己的同龄人和相对能力，这往往会降低他们对特定领域的态度、与学校相关的整体态度和成就动机。因此，与低年级学生相比，高年级的学生认为计算机编程没那么有意义，对它的兴趣也更少。

H-3a.

高年级学生认为编程没那么有意义。

H-3b.

高年级学生的编程自我效能感较差。

2.3.4.性别和编程能力

与女孩相比，男孩对计算机编程更感兴趣，部分原因是流行的媒体刻板印象。大众媒体对男性计算机专家的刻板印象为男孩树立了榜样，而并未为女孩树立榜样，从而鼓励男孩对计算机编程感兴趣，而压抑了女孩对计算机编程的兴趣。因此，我们预计男孩比女孩对计算机编程表现出更多的兴趣。

H-4.

男孩比女孩对编程更感兴趣。

三、研究方法

本研究是一个旨在促进小学CT教育的大型项目的一部分。在为中小学生设计CT课程时，我们强调CT概念、CT实践和CT视角的发展，并将编程授权视为学生发展的重要CT视角。在这门课程中，要求学生们在每学年结束后的期末项目中应用CT和编程的概念和实践来解决社区问题。本研究的重点是开发一种评估程序授权的工具。在通过专家设计和验证调查工具后，收集了高年级小学生的调查结果。然后，本研究对编程授权成分（意义、影响、创造性自我效能和编程自我效能）、程序设计兴趣和对合作的态度进行了验证性因素分析。之后，我们利用结构方程模型检验了我们的假设。

3.1参与者和程序

我们要求323名参与该项目的高中生在30分钟内完成一项在线调查，其中138人（42.7%）表示他们在参与该项目之前有编程经验。在收到的323项调查中，有36项（11%）的回答缺失，通过列表删除，被排除在我们的分析之外。在287名学生（男生49.8%，女生50.2%）的样本中，106名学生是小学四年级学生，86名学生是五年级学生，95名学生是六年级学生。

3.2变量

本研究的研究人员为本工具的每一个构念开发了项目：意义、影响、创造性自我效能感、编程自我效能感、编程兴趣和合作态度。然后，学校教师和计算机科学、教师发展、编程环境开发和教育评估方面的专家对项目进行了审核和修订，以确保内容的有效性（见表1中的调查项目）。学生被要求用5点Likert量表（1=非常不同意；5=非常同意）来表示他们对每个项目的同意程度。本研究考虑的人口统计学变量包括性别和年级。女孩的值为1，男孩的值为0。年级表示每个学生的年级水平，可能的值为4、5和6。

3.3分析

3.3.1验证性因素分析

本研究对每个Amos为24的结构进行了最大似然估计的验证性因子分析（CFA）。χ2（df）、CFI、TLI、RMSEA被用作规划授权结构测量模型的t指标。由于这些自我报告项目产生了分类数据，我们使用最大似然估计分析了它们的多元相关矩阵。χ2与其自由度（df）的比值或小于2的χ2/df或不显著的χ2表明其拟合良好。此外，比较拟合指数（CFI）和Tucker Lewis指数（TLI）大于0.90表示拟合良好，大于0.95表示拟合良好。近似均方根误差小于0.08表示拟合良好，小于0.06表示拟合良好。

3.3.2不同性别和年级的测量不变性

为了确保编程授权的因素结构是稳健的，我们使用Amos进行了多组分析。

表1

该工具在意义、影响、创造性自我效能、编程自我效能、对编程的兴趣和对编程合作的态度方面的调查项目。

24题检验不同性别和年级的测量不变性假设是否有效。首先，我们检验了限制性最小的基线模型（配置模型），该模型只规定了因子结构。我们(a)约束男生的因子载荷等于女生相应的因子载荷（公因子模型），(b)还约束截距估计值与男生和女生的因子载荷相等（标量模型）。由于这三个模型（构型模型、度量模型和标量模型）是嵌套模型，我们对度量模型和标量模型的不变量与构型不变量的基线模型进行了检验；如果度量模型或标量模型的χ2显著增加，则表明因子在不同性别间不具有不变性。同样，我们测试了（构型、度量和标量）不变量假设在不同年级（4、5和6年级）是否有效。结果显示，标度不变量表示跨组的强不变性。

3.3.3结构方程建模

为了验证上述假设，我们使用Amos24进行了结构方程建模（SEM）。由于只有遗漏显著变量才会导致遗漏变量偏差，因此从SEM中删除了非显著路径。SEM的优度通过上述χ2（df）、CFI、TLI和RMSEA标准进行评估。

四、结果

4.1验证性因素分析

编程授权项目的CFA显示，一个创造性自我效能项目“使用编程解决问题有很多不同的方法”没有显著的因素负荷，因此被删除（见表1）。其余的编程授权项目显示出与意义、影响、创造性自我效能和编程自我效能四因素结构的良好拟合。此外，所有因子载荷的范围为0.73至0.90，这证实了规划授权结构的收敛有效性（见图1）。

图1.用Cronbach α对编程授权

 我们还将编程授权的四因素模型与单因素模型进行了比较，其中所有15个项目都由一个单因素加载（见图2）。拟合优度指数表明，四因子模型比单因子模型更符合数据。

         对学生编程兴趣项目的CFA分析表明，假设的单因子模型很好地拟合了数据。

图2.具有拟合指数的规划授权单因子模型的因子结构

四个部分进行的有意义（0.883）、影响（0.878）、创造性自我效能（0.822）、编程自我效能（0.919）的验证性因素分析；

4.2.不同性别和年级的测量不变性

然后，我们通过多组分析测试了不同性别和年级的编程授权四因素模型的测量不变性。基线结构、度量和标量不变性模型都显示出与数据的良好拟合（见表2）。此外，嵌套模型比较没有显示出显著差异，支持度量和标量不变性，因此在不同性别间具有很强的不变性。

表2

不同性别的测量不变性检验

类似地，我们用配置、度量和标量不变性模型测试了不同年级（四、五和六年级）编程授权的四因素模型的测量不变性。如表3所示，每个模型的拟合优度都是可以接受的。

表3

不同年级测量不变性测试

4.3.结构方程模型

接下来，我们用SEM检验了关于性别、年级、编程兴趣、对合作编程的态度和编程授权的假设，如图5所示。结果表明，假设模型与数据吻合良好。结果支持假设H-1a、b、c和d，表明对编程更感兴趣的学生认为编程更有意义，认为编程更有影响力，具有更强的创造性自我效能感和更强的编程自我效能感。此外，SEM结果支持假设H-2a，但不支持假设H-2b。合作态度较好的学生具有更高的创造性自我效能感，但没有更高的编程自我效能感。

图3.学生编程兴趣的因子结构

图4.学生对编程合作态度的因素结构

图5.编程授权与学生的兴趣、对编程合作的态度、年级水平和性别的结构方程模型

五、讨论

验证性因素分析证实了在K-12教育背景下评估学生编程能力的15项工具的设计，该工具由四个部分组成，即意义、影响、创造性自我效能和编程自我效能。本研究在287名高中生中进一步测试了编程兴趣、对合作编程的态度、性别和年级水平是否与编程授权的四个组成部分有关。

5.1.对编程和编程授权的兴趣

学生对编程的兴趣与编程授权的四个因素相关。这一结果与有关授权、自我决定和技术接受的文献相一致，表明兴趣是影响编程赋权不同方面的关键因素。如果学生对编程活动不感兴趣，那么培养他们在意义、影响、创造性自我效能感或编程自我效能感方面的编程能力就会变得更加困难。

5.2合作态度和编程授权

对合作态度较好的学生具有更高的创造性自我效能感，但没有更多的编程自我效能感。合作可以帮助学生产生解决他们无法单独解决问题的想法，他们可能会将合作视为解决挑战性编程问题的一种手段，这与学习科学中的发现一致，即创造力是一种集体成就，而不是个人天赋。

5.3.年龄和编程授权

此外，与低年级学生相比，高年级学生往往认为编程没有意义。与低年级学生相比，高年级学生也认为自己在编程方面能力较差。正如该研究的概念框架部分所讨论的那样，这种下降并不一定意味着实际能力的客观下降，而是可能源于个性化教学减少导致的学术压力和不确定性增加。

5.4.性别和编程授权

与性别相关的结果表明，需要付出更多的努力来吸引女孩参与编程活动，因为女孩对编程的兴趣低于男孩。最近，一些研究考察了旨在让女孩参与编程的干预措施，并探索了她们的编程过程和结果。吸引女孩参与的成功策略，如突出编程中的女性榜样，以及使用课堂讨论作为编程教学法，可以嵌入到学习活动的设计中，以提高女孩对编程的兴趣。

六、局限和未来研究

本研究的局限性包括样本、背景变量较少以及忽略了学生的其他信仰。本研究的样本仅包括几所小学四至六年级的学生，不具有代表性。此外，本研究仅收集了年级数据，这限制了对调节效应的测试。未来的研究可以从其他背景变量中收集更多数据，具体来说，结构性设计，如让学生应用计算机辅助设计和编程概念和实践来解决社区问题的项目，可能会影响学生的编程能力、编程兴趣和合作态度。

七、结论

开发并验证了一个15项工具，用于评估K-12教育背景下学生的编程能力。来自287名高中生的回答证实了编程能力结构的概念化由四个组成部分组成：1）意义、2）影响、3）创造性自我效能和4）编程自我效能。

结构方程模型支持了我们的解释模型。对编程更感兴趣的学生认为编程更有意义，认为它有更多的影响，并认为他们有更多的创作自我效能感和编程自我效能感。此外，合作态度较好的学生具有更高的创造性自我效能感，但没有更多的编程自我效能感。与低年级的学生相比，高年级的学生认为编程没那么有意义，他们自己的编程能力也较差。此外，男孩比女孩对编程更感兴趣。

这些结果表明，设计一个兴趣驱动的计算思维课程的重要性，该课程具有中等难度，并有合作机会来提高学生的创造性自我效能。此外，教师可能需要注意女孩的参与程度，并采用策略来提高她们对编程的兴趣。未来的研究可以评估合作的兴趣驱动课程是否能增强学生的编程能力。

查阅原文：Siu-Cheung Kong, Ming Ming Chiu, Ming Lai Computers & Education

DOI：10.1016/j.compedu.2018.08.026

转自：“百研工坊”微信公众号

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