摘 要：近年來，計算思維的培養受到國內外廣泛關注，一線教師紛紛嘗試應用各種編程軟件來發展學生的計算思維。為了解不同編程軟件、學業水平對學生計算思維發展的影響，本研究以成都某初中七年級共187 名學生為研究對象，進行了為期3 個月的準實驗研究，探討不同編程軟件、學業水平、學生性別等條件下學生計算思維發展的差異。研究發現：不同學業成績水平的學生在編程軟件的選擇方面有不同的需求。對於學業成績水平較低的學生，可視化編程優於代碼編程，而對於學業成績水平較高的學生，編程軟件的影響並不顯著。學業成績水平對學生計算思維的發展有顯著影響，並呈較強的正向相關。不同性別學生之間計算思維的發展並無顯著差異。基於這些研究結果，本文針對初中編程教育，從編程軟件的選擇、教學策略的運用、教學實踐的任務設置等方面提出了促進學生計算思維發展的三條建議。
關鍵詞：編程軟件；學業水平；可視化編程；計算思維；準實驗研究
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引言
隨着人工智能時代的到來，計算和計算機的廣泛應用，計算思維逐漸成為人們應掌握的一項基本能力， 計算思維在教育領域受到高度關注，越來越多的國家、國際組織和知名企業都在研究計算思維如何進入中小學。2017 年版《普通高中信息技術課程標準》指出：計算思維作為信息技術四大學科核心素養之一，是信息化社會中數字公民所應具備的基本素養 。同時，它也是學科核心素養的根基 。從內涵上來看，計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動 。從實踐過程來看，計算思維是一個問題解決的過程，包括以下特點：制定問題；組織和分析數據；建構模型；設計算法；優化方案；遷移推廣。
在國內外中小學教育教學實踐中，機器人教育、編程教育、STEM 教育和工程教育是培養學生計算思維的幾大主要方式。其中，編程教育因其開展成本低、操作方便，成為中小學教師廣泛選取的培養手段 。
目前編程教育主要包含兩種方式：代碼編程和可視化編程。代碼編程是傳統的編程方式，採用命令和函數等來執行相關操作，學生應用代碼編程之前，需要掌握相關的關鍵字、語法和函數等基礎知識，在具體的教學中以C、C 、Logo 等為代表。可視化編程以“所見即所得”為原則，規避抽象、煩瑣的程序語言編寫，通過直觀的操作方式，像搭積木式地編寫出應用程序的各種界面和邏輯，在具體的教學中以Scratch、App Inventor、Swift Playgrounds 等為代表。在近幾年的編程教學實踐中，筆者發現：代碼編程相對於可視化編程而言，由於執行和反饋不能實時同步，沒有視覺上的反饋，使絕大部分學生感覺難度較大、學習興趣較低，學習效果並不理想。而可視化編程的優勢主要體現在以下幾個方面：第一，可視化編程操作簡單，易於激發學習興趣；第二，封裝的代碼塊能降低調試的難度；第三，降低技術門檻，可有效聚焦於計算思維的培養 。但是，可視化編程相對於代碼編程也存在一些不足：學生只能淺層次地瞭解模塊之間的邏輯關係，並不知道具體代碼的運行原理，而且不便於學生更加深入地學習程序設計，進行產品開發。而蘋果公司推出的Swift Playgrounds 是一款適用於iPad 的創新App，採用遊戲化闖關學習的方式， 所編即所見，它不要求用户具備編程知識，是一款典型的可視化編程工具。因此，本研究擬通過準實驗研究，分析可視化編程和代碼編程在發展學生計算思維上是否有顯著差異，同時，探究是否存在學業水平和性別方面的差異，如有差異，造成差異的原因又是什麼， 為深入推進計算思維教學提供數據支撐。
一、研究現狀分析
計算思維是當前國際計算機領域廣為關注的重要概念，也是信息技術教育中的研究熱點。世界上很多國家和地區都非常重視中小學計算思維的培養，紛紛在中小學計算科學教育的目標任務中明確納入計算思維培養的內容，並積極展開實踐探索。本研究在Web of Science 和中國知網數據庫上搜索近十年計算思維培養的相關研究文獻，梳理發現國內外關於中小學計算思維的研究主要集中在以下幾個方面：
中小學計算思維的培養研究現狀
在課程設置方面，不同國家和地區採取了不同的方式，有的替代已有的課程，有的開設全新的課程，而大部分是作為選修內容添加，或與其他課程 進行整合，貫穿在主題教學活動中 。
在培養工具方面，可視化編程、基於Web 的仿真創作工具、教育機器人及低成本開源硬件這四類，近年來常被作為計算思維培養的課程工具。其中，可視化編程更適合初學者，能幫助學生跨過代碼編程語法的障礙，更關注創造和思維本身。
在培養方式方面，目前主要聚焦在機器人教育、STEM 教育和編程教育等方面。Berland等比較了八年級學生中樂高機器人與虛擬機器人的影響，並使用偽代碼編程的前後測試測量了計算思維增益，研究表明，兩組學生的計算思維技能均有顯著提高，但兩組之間並無顯著差異 。Basu等在STEM教育中發展學生計算思維的初步研究證明，CTSiM 能夠幫助學生克服困難，發展學生計算思維 。Hutchins等人在物理課堂中測試男女生在計算思維學習過程中的自信水平，結果發現在“抽象、控制流、分解和條件邏輯”四個維度上男生較女生的自信水平高 。
在評價方式方面，目前主要有三種：一是通過評價量表來測量，例如寧可為、鬱曉華等根據計算思維的定義編制的量表 ；二是通過作品來分析學生計算思維的發展，例如Koh提出CTP 圖檢測計算思維能力的發展和Moreno-León等開發的Dr.Scratch項目；三是通過測試題的方式，測驗學生計算概念、問題解決能力的發展，例如Román-González等提出的CTt 測試題等 。
關於編程教育培養學生計算思維的研究現狀
在上述主流的三種培養方式中，編程教育具有門檻低、操作簡單、容易在信息技術課程中實施的優勢， 一線教師紛紛嘗試應用各種編程軟件來發展學生計算思維。國內外學者依託編程教育做了大量的實證研究。
在代碼編程方面，國內外基於代碼編程培養中小學計算思維的研究相對較少。代碼編程通常與編寫指令、開發算法緊密聯繫在一起，學生常常需要通過解決一些枯燥的數學題來學習編程。曹恆來進行了基於BASIC 語言和Logo 語言培養小學生計算思維的實踐。研究發現，基於代碼編程的方式, 學生必須自己輸入指令, 語法錯誤往往導致學生寸步難行, 大大延長了程序設計學習的時間, 影響了程序設計能力的提高 。Keri Duncan基於Logo 語言在小學五年級進行跨學科學習，研究表明編程教育不僅能發展學生的空間幾何能力，還能提高學生的計算素養 。
在可視化編程方面，Grover 等為七、八年級學生設計了一個為期七週的基於Scratch 的計算思維課程， 研究顯示，混合式學習和麪對面學習均能顯著提高學生計算思維 。寧可為等通過準實驗研究驗證了App Inventor 培養中學生計算思維的有效性，研究顯示，將App Inventor 引入信息技術課堂，學生的計算思維能力及學習興趣得到了明顯的提高 。鬱曉華等設計了基於App Inventor 的計算思維培養的教學實踐，從計算概念、問題解決兩個維度驗證了可視化編程對於學生的意義 。
從編程工具方面來看，可視化編程最受計算思維教育工作者的歡迎，但是，在發展學生計算思維方面， 可視化編程是否優於代碼編程還有待進一步論證。在編程教育中，在什麼學段選擇可視化編程或代碼編程？何時從可視化編程過渡到代碼編程？不同性別學生計算思維的發展會有差異嗎？這些問題都有待進一步論證。
因此，本研究嘗試從評價視角出發，探究不同編程軟件和學業水平下學生計算思維發展是否存在差異， 以期為初中學生提供更有針對性的編程軟件選擇策略和計算思維課程。
二、研究設計
研究假設
基於研究現狀的分析，本文提出如下研究假設：
假設1 可視化編程相比於代碼編程能更好地發展學生計算思維；
假設2 兩種編程環境下，學生學業成績均與計算思維的發展水平有顯著相關性；
假設3 相同編程軟件環境下，不同性別學生之間的計算思維能力發展存在差異性。
實驗對象
為了解不同學業成績水平學生計算思維的發展狀況和不同編程軟件在發展學生計算思維方面是否存在差異，筆者根據不同學業成績水平，分別選取了兩個班級作為實驗對象，採用雙因子實驗設計，具體方案見表1。本次實驗選取成都某初中七年級4 個班級共187 名學生作為實驗對象。
通過對比總成績和數學成績，發現普通班2 班、10 班無顯著差異，提高班6 班、8 班無顯著差異，提高班學生總成績和數學成績顯著高於普通班。在入學之前，所有學生均沒有Swift Playgrounds 和C 的學習經歷。
教學設計
為了排除學習內容難度和進度的影響因素，在教學內容的設計方面，由教研組4位教師集體討論，確定內容框架，並制定C 和SwiftPlaygrounds 相關學習方案，學習內容包括5 個主題，共12 課時。
研究工具
本研究中採用的主要研究工具是計算思維測試題。CTt 適用於12 到14 歲的學生。該測驗α 係數為0.79，可信度較高，通過分析該測驗與基礎心理能力量表、RP30 問題解決能力測試的相關係數，結果顯示CTt 具有較高的效度 。該測驗為在線測試，包括28 道選擇題，題目編制依託Code.org 的編程界面，題目設計重點考察學生應用編程解決實際問題的能力。主要的題型包括序列解決問題、補全缺失語句、找出錯誤語句三種。由於原測驗語言為英語和西班牙語，筆者對該測試進行了漢化，形成了本次實驗研究的計算思維測評工具。
測評製作成功後，由信息技術教研組兩位老師分別進行了試測，確保知識點上沒有歧義，並對題目排版進行了優化。隨後，筆者在七年級9 班進行了試測， 對測試題進行進一步修正，便於學生理解題目的含義。
實驗流程與數據處理
2017 年9 月，本實驗在七年級4 個實驗班級的信息技術課堂上同步進行，課程週期為每週1 節課，為排除教師的影響，4 個實驗班級由同一位教師授課。在進行為期3 個月的實驗之後，筆者對參與實驗的學生進行了計算思維測試。CTt 依託問卷網測試平台進行數據收集，共回收178 份答卷，回收率95.2%，有效率100%。同時，筆者在實驗結束後收集了4 個實驗班級的語文、數學、英語三門學科的期末成績。針對實驗設計提出的假設，本研究重點分析4 個實驗班計算思維測試成績在各個維度方向的差異。本次實驗採用IBM SPSS 23.0進行數據分析。
三、研究結果分析
不同編程環境下學生計算思維發展的對比分析
首先，以編程軟件為自變量，針對不同學業成績的兩個班級分別進行獨立樣本t檢驗。數據分析發現普通班2 班與10 班之間計算思維測試成績存在顯著性差異，而提高班6 班和8 班之間計算思維發展水平無顯著差異。説明對於普通班的學生來説，可視化編程更利於計算思維的發展，而對於提高班的學生來説，編程軟件的不同對於學生計算思維的發展並無顯著影響。因此，研究假設1 只是在特定條件下才能成立。
不同學業水平下學生計算思維發展的對比分析
為了解不同學業成績水平下學生之間計算思維發展的差異，針對兩種編程軟件分別進行獨立樣本t 檢驗。研究發現兩種編程軟件環境下，學業成績較高的學生計算思維的發展均優於學業成績較低的學生，證明了研究假設2 學生學業成績與計算思維的發展水平有顯著相關性，而與具體編程軟件沒有關係。
不同性別之間學生計算思維發展的差異分析
為了解不同性別的學生計算思維發展水平差異， 首先針對相同編程軟件、不同性別的兩組學生分別做獨立樣本t 檢驗。數據分析發現男生計算思維成績均高於女生，無顯著差異。接着，針對不同性別、相同學業成績的兩組學生再次分別做獨立樣本t 檢驗，發現男生計算思維成績均高於女生，無顯著差異。數據分析表明, 研究假設3 相同編程軟件對不同性別學生的計算思維能力培養存在差異性並不成立。但是，通過對比這兩次檢驗，筆者發現針對不同性別的學生來説，學業成績的影響要大於編程軟件的選擇。
計算思維與學業成績水平的相關分析
為了進一步瞭解計算思維發展與學生學業成績水平的相關程度，通過皮爾遜相關性檢驗發現，學生計算思維得分與總成績、數學成績均具有較強相關性，尤其是數學成績與計算思維發展水平的相關係數達到了0.559，支持了研究假設2 學生學業成績與計算思維的發展有顯著相關性。
四、研究結論與建議
本研究採用準實驗研究方法探究不同編程軟件和學業成績水平在發展學生計算思維方面的差異。通過對實驗數據的分析可以得出如下結論：不同學業成績水平的學生，在編程軟件的選擇方面有不同的需求：其中，對於學業成績較低的學生，可視化編程軟件比代碼編程更有利於學生計算思維的發展，而對於學業成績較高的學生，兩種編程軟件對學生計算思維發展的影響並不顯著；學業成績水平對學生計算思維的發展有顯著影響，並呈較強的正向相關關係：兩種編程軟件環境下，學業成績較高的學生計算思維的發展均優於學業成績較低的學生，計算思維的發展水平與學生總成績的相關係數為0.518，與數學成績的相關係數為0.559；不同性別學生之間計算思維的發展並無顯著差異：兩種編程軟件對不同性別學生計算思維發展的影響均無顯著差異，數據上顯示男生的計算思維成績要略高於女生，可能的原因是男生對於計算機的學習興趣要高於女生。在教學實踐中，筆者發現，3 班作為普通班，剛開始學習編程時使用的是代碼編程，但是隨着學習的深入，部分學生感覺學習困難大、進度慢，最後不得不換成了可視化編程。通過訪談學生，筆者瞭解到：部分學生對於符號的識記比較困難，同時，語法的嚴格要求降低了程序設計的成功率，打擊了部分同學的積極性。雖然在數據上呈現出來的是代碼編程和可視化編程在成績上並無顯著差異，但是在實際教學中，教師發現可視化編程班級的學生主動學習意願明顯會更強，而且在課後更願意嘗試新的內容。
根據以上結論，本研究針對初中編程教育提出以下三條建議：
第一，在編程軟件的選擇方面，對於學業成績水平較低的學生來説，建議選擇可視化編程軟件，弱化語法的學習，而對於學業成績水平較高的學生，可以選擇先使用可視化編程，逐漸過渡到代碼編程的方式，在激發學生學習興趣的同時發展學生計算思維、提高學生編程技能，為學生進一步的發展奠定基礎。
第三，在教學實踐的任務設置方面，教師要引導學生應用計算思維解決實際生活中的問題，將計算思維的學習與學生生活相結合有助於提高學生課堂學習的參與度。選擇學生感興趣的主題，吸引學生的注意力，增加學生參與學習的積極性；同時，以項目式學習開展編程教學時，學生會更願意主動接受新知識，敢於挑戰更難的編程任務，為發揮計算思維的作用奠定基礎 。
編程軟件的選擇只是工具層面，在教學活動的設計與實施中，教師要注意激發學生的學習動機。計算思維來源於計算，在基礎教育階段，數學課堂是學生學習計算的主要陣地，因此，在數學課堂教學中要有意識地培養學生的抽象、計算、建模等基本能力。在後續的研究中，尤其要關注其他學科學習和跨學科學習中計算思維的培養，以及如何更好地發揮可視化編程和代碼編程的優勢，提高初中學生計算思維的培養效率，拓寬其培養途徑。
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