王 靖 馬志強(qiáng) 劉亞琴 杜鴻羽

面向計(jì)算思維的可視化編程活動(dòng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王 靖1馬志強(qiáng)1[通訊作者]劉亞琴2杜鴻羽1

（1．江南大學(xué) 江蘇“互聯(lián)網(wǎng)+教育”研究基地，江蘇無(wú)錫 214122；2．蘇州市吳中區(qū)東山中學(xué)，江蘇蘇州 215107）

計(jì)算思維是21世紀(jì)公民應(yīng)具備的重要素養(yǎng)，而可視化編程活動(dòng)有助于發(fā)展中小學(xué)生的計(jì)算思維。文章采用基于設(shè)計(jì)的研究方法，提出可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則，即設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)、采用腳本支持的小組配對(duì)編程、支持編程過程的可視化表征。之后，文章將程序設(shè)計(jì)與小學(xué)數(shù)學(xué)結(jié)合的跨學(xué)科主題作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過包含“設(shè)計(jì)→實(shí)施→評(píng)價(jià)”路徑的三輪迭代，從數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)、計(jì)算思維水平兩個(gè)角度衡量迭代的效果，最終確定了對(duì)應(yīng)于三條設(shè)計(jì)原則的十條具體策略；同時(shí)，驗(yàn)證了可視化編程活動(dòng)對(duì)計(jì)算思維中的計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀點(diǎn)三個(gè)維度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著作用。文章進(jìn)行的實(shí)證研究，可為計(jì)算思維的培養(yǎng)研究與實(shí)踐提供原則指導(dǎo)和策略參考，且經(jīng)過實(shí)證迭代、確定的原則和策略，能夠豐富計(jì)算思維研究領(lǐng)域的理論體系。

計(jì)算思維；可視化編程；小學(xué)數(shù)學(xué)；編程教學(xué)

引言

當(dāng)前，計(jì)算思維正逐漸與讀、寫一樣成為公民必備的核心素養(yǎng)[1]。計(jì)算思維的本質(zhì)在于將一個(gè)復(fù)雜問題解構(gòu)，通過抽象、分解、模式識(shí)別、遷移等過程找到解決問題的有效方法[2][3]。編程活動(dòng)可訓(xùn)練學(xué)生分解復(fù)雜問題、規(guī)劃解決方案并用代碼實(shí)現(xiàn)方案的能力，是發(fā)展計(jì)算思維的有效手段[4]。因此，通過編程課程培養(yǎng)計(jì)算思維已成為國(guó)內(nèi)外中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的重要途徑。然而，在編程課程中培養(yǎng)計(jì)算思維常面臨兩個(gè)實(shí)踐問題：①低齡學(xué)生的認(rèn)知門檻問題。將計(jì)算思維培養(yǎng)中最核心的“問題解決”步驟轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序指令，需掌握相應(yīng)的編程語(yǔ)言，但中小學(xué)生往往很難理解其包含的復(fù)雜語(yǔ)法規(guī)則和抽象符號(hào)形式。②教師的教學(xué)重心問題。在編程教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)中，教師可能會(huì)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)程序符號(hào)和語(yǔ)法規(guī)則的學(xué)習(xí)，而忽視計(jì)算思維的發(fā)展[5]。可視化編程活動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)程序設(shè)計(jì)的“所見即所得”，從而有效解決上述問題。此外，可視化編程活動(dòng)呈現(xiàn)出的“低門檻、高天花板”特征，對(duì)于發(fā)展計(jì)算思維具有重要價(jià)值[6]。

當(dāng)前，可視化編程的具體實(shí)施策略主要有：利用可視化編程套件工具設(shè)計(jì)教學(xué)[7]、將計(jì)算思維培養(yǎng)融入可以外顯化的任務(wù)等。但由于可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)尚缺少原則指導(dǎo)和策略依據(jù)，導(dǎo)致可視化編程任務(wù)往往預(yù)設(shè)了問題解決路徑，卻難以幫助學(xué)生發(fā)展問題解決能力[8]。因此，本研究采用基于設(shè)計(jì)的研究方法來(lái)發(fā)展活動(dòng)設(shè)計(jì)的基本原則及實(shí)施策略，重在探討以下三個(gè)問題：①面向計(jì)算思維發(fā)展的可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則與策略是什么？②如何迭代改進(jìn)可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)策略？③可視化編程活動(dòng)對(duì)于計(jì)算思維發(fā)展的效果怎樣？

一 研究設(shè)計(jì)

1 研究情境與對(duì)象

本研究在我國(guó)華東地區(qū)的一所農(nóng)村小學(xué)開展，參與研究的是該校三、四年級(jí)的32名學(xué)生，其中男生有18名、女生有14名。這些學(xué)生參與本研究之前沒有編程經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)研究過程持續(xù)了18周。課程學(xué)習(xí)內(nèi)容分為三個(gè)模塊：可視化編程Scratch與圖形繪制、熊貓?zhí)准c距離感知、micro:bit機(jī)器人與數(shù)據(jù)整理。

2 研究過程

本研究遵循基于設(shè)計(jì)的研究方法，制定了基于設(shè)計(jì)的研究流程（如圖1所示），包含設(shè)計(jì)、實(shí)施、評(píng)價(jià)三個(gè)相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)：①在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要是結(jié)合文獻(xiàn)分析和學(xué)情分析，基于設(shè)計(jì)原則與對(duì)應(yīng)的策略進(jìn)行可視化編程的活動(dòng)設(shè)計(jì)；②在實(shí)施環(huán)節(jié)，主要是通過三輪跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐，將設(shè)計(jì)出來(lái)的活動(dòng)用于支持學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)并提升其編程知識(shí)技能，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維水平；③在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，主要是結(jié)合每一輪實(shí)證的過程和結(jié)果，對(duì)活動(dòng)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行反思和修改，并檢驗(yàn)可視化編程活動(dòng)在本輪的應(yīng)用效果，以不斷迭代改進(jìn)相關(guān)的策略。在每一輪實(shí)證結(jié)束后，研究者通過課堂觀察、訪談，對(duì)活動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行反思與改進(jìn)；同時(shí)，通過常規(guī)測(cè)試、問卷調(diào)查，對(duì)學(xué)習(xí)者在本輪活動(dòng)結(jié)束后的數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)和計(jì)算思維水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。在所有迭代輪次完成后，研究者開展總結(jié)性評(píng)價(jià)。

圖1 基于設(shè)計(jì)的研究流程

需要說(shuō)明的是，對(duì)于數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)，本研究是利用數(shù)學(xué)統(tǒng)考試題得分（即標(biāo)準(zhǔn)化后的成績(jī)）來(lái)評(píng)價(jià)。而對(duì)于計(jì)算思維水平，本研究參考Brennan等[9]基于交互式編程提出的“計(jì)算思維的三維框架”來(lái)評(píng)價(jià)。“計(jì)算思維的三維框架”包含三個(gè)維度：①計(jì)算概念，是指在編程中使用的概念；②計(jì)算實(shí)踐，是指在編程中解決問題；③計(jì)算觀點(diǎn)，是指學(xué)生對(duì)自己、自己與他人的關(guān)系、周圍技術(shù)世界的理解。本研究采用這三個(gè)維度，來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維水平。其中，“計(jì)算概念”“計(jì)算實(shí)踐”這兩個(gè)維度是依據(jù)Bebras競(jìng)賽題進(jìn)行評(píng)價(jià)——Bebras競(jìng)賽題是一系列簡(jiǎn)短的問題或任務(wù)，針對(duì)年級(jí)劃分題目；而“計(jì)算觀點(diǎn)”維度是采用計(jì)算觀點(diǎn)量表進(jìn)行評(píng)價(jià)——此量表是在Korkmaz等[10]開發(fā)的計(jì)算思維水平量表的基礎(chǔ)上修訂而成。

二 面向計(jì)算思維的可視化編程活動(dòng)設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)框架

活動(dòng)理論提出，活動(dòng)系統(tǒng)包含工具、規(guī)則、分工、主體、客體、共同體六個(gè)互動(dòng)要素，這些要素構(gòu)成三角形架構(gòu)，其中工具、規(guī)則、分工分別為三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，三個(gè)要素之間兩兩相關(guān)；主體、客體、共同體處于三角形三條邊的中點(diǎn)位置；六個(gè)要素共同構(gòu)成了生產(chǎn)、交流、分配、消耗四個(gè)子系統(tǒng)[11]。以此為參考，本研究確定了可視化編程活動(dòng)的六個(gè)要素：可視化編程工具、問題、角色、學(xué)習(xí)者、任務(wù)、配對(duì)小組。其中，學(xué)習(xí)者、配對(duì)小組這些“人”的要素與問題之間的互動(dòng)，構(gòu)成了問題解決子系統(tǒng)；任務(wù)、配對(duì)小組、角色這三個(gè)要素有利于學(xué)習(xí)者形成相互依賴、互相影響的協(xié)作關(guān)系[12]，由此形成任務(wù)協(xié)作分工子系統(tǒng)；而可視化編程工具、學(xué)習(xí)者、任務(wù)之間的互動(dòng)，形成了任務(wù)執(zhí)行子系統(tǒng)。結(jié)合這三個(gè)子系統(tǒng)正常運(yùn)作所需具備的條件，并圍繞計(jì)算思維的計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀點(diǎn)三個(gè)維度，本研究提出了三條設(shè)計(jì)可視化編程活動(dòng)的基本原則：設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)、采用腳本支持的小組配對(duì)編程、支持編程過程的可視化表征。依托上述三條設(shè)計(jì)原則，本研究構(gòu)建了面向計(jì)算思維的可視化編程活動(dòng)設(shè)計(jì)框架，如圖2所示。其中，三條設(shè)計(jì)原則是該框架的核心內(nèi)容。

圖2 面向計(jì)算思維的可視化編程活動(dòng)設(shè)計(jì)框架

1 設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)

計(jì)算思維以“問題解決”為核心內(nèi)涵，問題解決能力需在嵌入真實(shí)情境的劣構(gòu)問題解決過程中加以鍛煉，引導(dǎo)學(xué)生完成由感性認(rèn)知到理性認(rèn)知的升華。同時(shí)，為凸顯問題解決的進(jìn)階性，研究者要設(shè)計(jì)不同難度層級(jí)的問題和任務(wù)?；诖?，對(duì)應(yīng)于本條原則的具體實(shí)施策略是：①以學(xué)科知識(shí)為核心，設(shè)計(jì)編程任務(wù)情境；②將一個(gè)復(fù)雜編程問題分解為線型問題，或?qū)栴}多角度表述為樹型問題；③將每種問題對(duì)應(yīng)于封閉式、半開放式、完全開放式三種編程任務(wù)。

2 采用腳本支持的小組配對(duì)編程

劉敏等[13]指出，結(jié)對(duì)編程（同本研究的“配對(duì)編程”）為結(jié)對(duì)雙方提供了在社會(huì)互動(dòng)中建構(gòu)意義的機(jī)會(huì)，加快了即時(shí)反饋的頻率和效率，有利于學(xué)習(xí)并掌握計(jì)算思維邏輯。因此，在計(jì)算思維培養(yǎng)方面，配對(duì)編程是一種較好的學(xué)習(xí)方式。配對(duì)編程的本質(zhì)是一種協(xié)作學(xué)習(xí)形式，而在成功的協(xié)作互動(dòng)中，成員之間需要具備積極的相互依賴關(guān)系[14]?；诖耍鋵?duì)編程通過“駕駛員”與“導(dǎo)航員”兩個(gè)角色的切換，為參與編程的兩位學(xué)生安排均等且合理的任務(wù)。

但對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同是配對(duì)編程活動(dòng)設(shè)計(jì)要考慮的關(guān)鍵問題。對(duì)此，本研究采用協(xié)作腳本，為研究對(duì)象——32名小學(xué)生提供協(xié)作的規(guī)范與步驟上的詳細(xì)指導(dǎo)。具體來(lái)說(shuō)，研究者要在配對(duì)編程前明確組內(nèi)的角色分配與任務(wù)協(xié)作，并利用組內(nèi)的積極交流幫助小學(xué)生保持對(duì)編程活動(dòng)的注意力與專注力，相應(yīng)的實(shí)施策略是：①通過配對(duì)編程核查表（“腳手架”的具體表現(xiàn)形式）分配任務(wù)；②規(guī)定“駕駛員”與“導(dǎo)航員”兩個(gè)角色并定期進(jìn)行角色切換。

3 支持編程過程的可視化表征

計(jì)算思維形成的過程，蘊(yùn)含從具體情境中剔除特定情境、剝離并抽象出問題本質(zhì)和解決模型的過程。但對(duì)于年齡偏低的小學(xué)生來(lái)說(shuō)，這恰恰是整個(gè)思維培養(yǎng)過程中的難點(diǎn)。諸多關(guān)于計(jì)算思維培養(yǎng)的成熟研究表明：可視化編程可以降低代碼語(yǔ)句編寫、代碼語(yǔ)法理解等技術(shù)難度，使教師有更多精力聚焦于計(jì)算思維的培養(yǎng)和能力的發(fā)展[15]；從配對(duì)編程的角度，知識(shí)的可視化表征可以幫助協(xié)作成員建立觀點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，以便于其整合共同觀點(diǎn)[16]。基于此，本研究將支持編程過程的可視化表征定為第三條設(shè)計(jì)原則。本研究涉及的編程過程主要包括對(duì)問題關(guān)鍵概念的識(shí)別與表征、問題解決步驟的分步與執(zhí)行、代碼的生成與調(diào)試，具體的實(shí)施策略為：①采用積木式代碼可視化表征抽象和模式識(shí)別后的編程概念；②通過算法執(zhí)行步驟的分解和重構(gòu)可視化表征完整的問題解決過程。

三 面向計(jì)算思維的可視化編程活動(dòng)迭代及其效果

為了將上述原則和策略付諸實(shí)踐并加以優(yōu)化，本研究開展了三輪可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與評(píng)價(jià)。如前所述，計(jì)算思維的核心是：?jiǎn)栴}解決能力需在嵌入真實(shí)情境的劣構(gòu)問題解決過程中加以鍛煉。而在編程課程中設(shè)計(jì)劣構(gòu)問題，往往需要結(jié)合其他學(xué)科的知識(shí)。因此，根據(jù)本研究中編程教學(xué)的具體內(nèi)容，本研究選擇與數(shù)學(xué)學(xué)科相結(jié)合設(shè)計(jì)問題情境。

1 第一輪設(shè)計(jì)與實(shí)施

（1）設(shè)計(jì)階段

首先，根據(jù)“設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)”這一原則及其具體實(shí)施策略，本輪實(shí)證中研究者和任課教師明確了：①本輪教學(xué)實(shí)踐的總?cè)蝿?wù)為“雪花圖形繪制”；②將上述總?cè)蝿?wù)分解為四周的任務(wù)，并按照線型、樹型問題驅(qū)動(dòng)每一周的編程任務(wù)；③每種問題對(duì)應(yīng)于封閉式、半開放式、完全開放式三種編程任務(wù)。

隨后，根據(jù)“采用腳本支持的小組配對(duì)編程”這一原則及其相應(yīng)的實(shí)施策略，研究者和任課教師明確了：①通過《Scratch配對(duì)編程手冊(cè)》與核查表，進(jìn)行清晰的角色、任務(wù)分配；②規(guī)定“駕駛員”與“導(dǎo)航員”兩個(gè)角色完成一個(gè)任務(wù)后進(jìn)行角色切換。

最后，根據(jù)“支持編程過程的可視化表征”這一原則及其具體的實(shí)施策略，研究者和任課教師進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：①采用Scratch積木式代碼，表征抽象和模式識(shí)別后的編程概念；②通過算法執(zhí)行步驟的分解和重構(gòu)，表征完整的問題解決過程，并將之不斷優(yōu)化。

（2）實(shí)施階段

本輪選取的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容為“幾何圖形繪制”，具體包括角度、坐標(biāo)、變量、運(yùn)算概念與平面圖形的簡(jiǎn)單繪制、直角平面圖形的周長(zhǎng)和面積計(jì)算、雪花圖形的繪制。教學(xué)目標(biāo)是掌握數(shù)學(xué)與Scratch編程概念，如長(zhǎng)度、周長(zhǎng)、面積、角度、順序、循環(huán)、事件、并行、條件、運(yùn)算符、變量；同時(shí)，掌握基本的圖形概念與周長(zhǎng)、面積的計(jì)算公式，并學(xué)會(huì)使用簡(jiǎn)單程序編寫圖形繪制任務(wù)的邏輯代碼。

在第一輪學(xué)習(xí)活動(dòng)開始之前，研究者對(duì)參與本實(shí)證研究的32名小學(xué)生進(jìn)行兩兩組合，并介紹活動(dòng)過程中要定期切換角色、按照核查表逐項(xiàng)核查進(jìn)度等注意事項(xiàng)。在第一周教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀賞最終的雪花圖形，之后將完成這一作品所需要的步驟、任務(wù)和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解并向?qū)W生展示，讓學(xué)生熟悉“雪花圖形繪制”的學(xué)習(xí)內(nèi)容及其各周安排。具體來(lái)說(shuō)，第一周的學(xué)習(xí)內(nèi)容為認(rèn)識(shí)不同顏色積木塊的功能；第二周的學(xué)習(xí)內(nèi)容為坐標(biāo)與角度的學(xué)習(xí)、平面圖形的繪制；而第三周至第四周的學(xué)習(xí)內(nèi)容為變量與運(yùn)算的學(xué)習(xí)、直角平面圖形的周長(zhǎng)和面積計(jì)算。

在第一輪評(píng)價(jià)中，數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)、計(jì)算思維水平的量化數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：前后測(cè)數(shù)據(jù)變化均有提升，但均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平——這說(shuō)明計(jì)算思維的培養(yǎng)并非短期內(nèi)就能取得明顯效果，同時(shí)也提示研究者：低齡學(xué)生的計(jì)算思維從一個(gè)較低水平取得進(jìn)步是有可能的，但要發(fā)生質(zhì)變需經(jīng)過長(zhǎng)期的培養(yǎng)。而課堂觀察數(shù)據(jù)分析與訪談結(jié)果顯示：可視化編程活動(dòng)提升了學(xué)生的協(xié)作能力、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣。對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，采用可視化編程的方式將原本抽象的概念圖形化，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)就更容易理解和上手了，并能快速進(jìn)入任務(wù)學(xué)習(xí)中。

值得注意的是，課程學(xué)習(xí)過程中也出現(xiàn)了一些問題，如少數(shù)配對(duì)小組存在“霸鼠標(biāo)”“搭便車”等現(xiàn)象，原因主要在于這些小組的配對(duì)成員能力水平差異過大；課上學(xué)生此起彼伏地喊“老師”現(xiàn)象嚴(yán)重，這是因?yàn)橥瓿扇蝿?wù)作品之后，學(xué)生需得到教師的評(píng)價(jià)與肯定才會(huì)進(jìn)行下一任務(wù)——此現(xiàn)象的背后，反映出的問題是教師反饋延遲與反饋不足。另外，訪談結(jié)果表明，學(xué)生認(rèn)為“導(dǎo)航員”角色如同虛設(shè)，相應(yīng)地，采用配對(duì)編程核查表這一腳手架形式并沒有發(fā)揮作用。

基于上述評(píng)價(jià)結(jié)果，研究者和任課教師對(duì)可視化編程活動(dòng)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了補(bǔ)充和調(diào)整：根據(jù)“設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)”原則，補(bǔ)充“加入教師的實(shí)時(shí)反饋支架”策略，此支架主要起督促角色切換、實(shí)時(shí)反饋任務(wù)的完成程度兩個(gè)作用；根據(jù)“采用腳本支持的小組配對(duì)編程”原則，做出“取消原策略中‘核查表’的設(shè)計(jì)，用《Scrach配對(duì)編程手冊(cè)》實(shí)現(xiàn)這一功能”的策略調(diào)整。

2 第二輪設(shè)計(jì)與實(shí)施

（1）設(shè)計(jì)階段

在進(jìn)行第二輪設(shè)計(jì)時(shí)，研究者做出的改進(jìn)包括：①通過配對(duì)編程手冊(cè)與熊貓?zhí)准拿鞔_分工，保證清晰的角色和任務(wù)分配，并保證所有編程過程可視化；②配對(duì)小組的兩名學(xué)生將被助教督促定期切換彼此的角色。

（2）實(shí)施階段

第二輪的學(xué)習(xí)主題為“概念感知”，旨在將出現(xiàn)在各種數(shù)學(xué)問題情境中的抽象概念與其在日常生活中的具體表征相匹配，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分貝、溫度、距離等概念進(jìn)行感知。教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握相關(guān)抽象概念，學(xué)會(huì)熊貓?zhí)准慕M裝與編程語(yǔ)言，能夠自行設(shè)計(jì)感知任務(wù)的代碼片段。

研究者將學(xué)習(xí)內(nèi)容分成熟悉熊貓?zhí)准⒅谱髀暱責(zé)?、制作感?yīng)風(fēng)扇、制作距離報(bào)警器四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊。在后三個(gè)模塊的每一節(jié)課中，學(xué)生既要鍵入代碼，也要組裝套件，通過這兩個(gè)任務(wù)完成每一個(gè)模塊的學(xué)習(xí)：通過聲控?zé)舻闹谱?，完成?duì)“分貝”這一概念的感知；通過感應(yīng)風(fēng)扇的制作，來(lái)感知“溫度”這一概念；通過利用超聲波測(cè)距離的操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)“距離”這一概念的感知。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，教師會(huì)設(shè)計(jì)問題支架對(duì)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)分解方面的引導(dǎo)。

蟲力黑驅(qū)蟲后2 d、6 d，分別進(jìn)行觀察，對(duì)體虱的成蟲特效，對(duì)幼蟲的效果觀察不到，但30 d后幼蟲發(fā)育成成蟲，牧民還需要再灌服1次蟲力黑，才能達(dá)到效果。

（3）評(píng)價(jià)階段

在第二輪評(píng)價(jià)中，數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)、計(jì)算思維水平的量化數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：前后測(cè)數(shù)據(jù)變化仍未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著水平。課堂觀察顯示，教師的督促與協(xié)調(diào)保證了角色的定期切換；但存在因?qū)W生得意地向周圍小組展示自己的作品而使課堂變得嘈雜的問題，其背后癥結(jié)在于本輪設(shè)計(jì)缺少合理的組間交流支持；此外，創(chuàng)客套件的使用與損壞情況嚴(yán)重。訪談結(jié)果表明，學(xué)生認(rèn)為組裝套件比填寫核查表有趣；但進(jìn)行完全開放式任務(wù)時(shí)，需要教師提供一些可能線索。

基于上述評(píng)價(jià)結(jié)果，研究者和任課教師對(duì)可視化編程活動(dòng)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了補(bǔ)充和調(diào)整：根據(jù)“設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)”原則，將“加入教師的實(shí)時(shí)反饋支架”策略調(diào)整為“教師需要提供關(guān)于任務(wù)評(píng)價(jià)與任務(wù)障礙的即時(shí)反饋支架”，補(bǔ)充“完全開放式任務(wù)需要教師提供可能線索”的策略；根據(jù)“采用腳本支持的小組配對(duì)編程”原則，補(bǔ)充“為學(xué)生提供組間交流平臺(tái)”的策略，并將“通過配對(duì)編程核查表分配任務(wù)”策略調(diào)整為“通過《Scrach配對(duì)編程手冊(cè)》與編程工具進(jìn)行任務(wù)與角色分配”；根據(jù)“支持編程過程的可視化表征”原則，補(bǔ)充“通過編程工具對(duì)協(xié)作角色進(jìn)行可視化”的策略。

3 第三輪設(shè)計(jì)與實(shí)施

（1）設(shè)計(jì)階段

在進(jìn)行第三輪設(shè)計(jì)時(shí)，研究者做出的改進(jìn)包括：①導(dǎo)航員對(duì)micro:bit機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察與記錄；②增加利用出聲思維法（即出聲說(shuō)出自己的思考過程）進(jìn)行小組展示；③采用micro:bit機(jī)器人支持配對(duì)角色的有形分配。

（2）實(shí)施階段

第三輪聚焦于數(shù)學(xué)課本中的“統(tǒng)計(jì)與概率”模塊，設(shè)計(jì)的主題為“數(shù)據(jù)整理”，旨在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理與表征。教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)會(huì)micro:bit機(jī)器人的編程語(yǔ)言，并掌握數(shù)據(jù)整理的一般步驟，如收集、整理、分析、圖形表征等。

以“繪制小車設(shè)置速度與實(shí)際速度之間的關(guān)系圖”一節(jié)為例，教師首先和學(xué)生一起完成小車按照事先設(shè)計(jì)好的代碼前進(jìn)并實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的過程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)小車前進(jìn)的距離、速度、超聲波測(cè)距。接著，教師帶領(lǐng)學(xué)生回憶前一周學(xué)習(xí)的控制小車前進(jìn)、實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的代碼。之后，教師帶領(lǐng)學(xué)生完成連接主板的過程，并開始配對(duì)編程；同時(shí)，教師根據(jù)《Scrach配對(duì)編程手冊(cè)》為學(xué)生提供詳細(xì)指導(dǎo)。最后，同伴采用出聲思維的形式進(jìn)行分享，這種分享也是小組在其他同學(xué)面前詳細(xì)展示其思考過程和成果。

（3）評(píng)價(jià)階段

為系統(tǒng)評(píng)價(jià)可視化編程活動(dòng)對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)的影響，本研究將第三輪學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)與前兩輪進(jìn)行了配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。可以看出，與第一輪、第二輪相比，第三輪學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)得分均獲得了顯著性提升（=0.000，=0.005），表明可視化編程活動(dòng)對(duì)于提升數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)有正向影響。

表1 數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)的配對(duì)樣本t檢驗(yàn)（N=32）

MeanSDtSig.(2-tailed) 第二輪和第三輪對(duì)比第二輪0.680.27-5.2200.000 第三輪0.950.29 第一輪和第三輪對(duì)比第一輪0.730.33-3.0190.005 第三輪0.950.29

將第三輪Bebras競(jìng)賽題（用于評(píng)價(jià)“計(jì)算概念”“計(jì)算實(shí)踐”）得分與第一輪、第二輪的相應(yīng)得分進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，與前兩輪相比，第三輪Bebras競(jìng)賽題得分均有顯著性提高（=0.007，=0.007），表明經(jīng)過一段較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐后，學(xué)生在“計(jì)算概念”“計(jì)算實(shí)踐”兩個(gè)維度上的計(jì)算思維水平得到了顯著提升。

表2 Bebras競(jìng)賽題得分的配對(duì)樣本t檢驗(yàn)（N=32）

MeanSDtSig.(2-tailed) 第二輪和第三輪對(duì)比第二輪4.530.92-2.8880.007 第三輪5.191.06 第一輪和第三輪對(duì)比第一輪4.281.67-2.9020.007 第三輪5.191.06

對(duì)第三輪采用計(jì)算觀點(diǎn)量表（用于評(píng)價(jià)“計(jì)算觀點(diǎn)”）獲得的計(jì)算觀點(diǎn)得分與第一輪、第二輪的相應(yīng)得分進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯号c前兩輪比較，第三輪計(jì)算觀點(diǎn)得分均有顯著性提高（=0.032，=004），表明經(jīng)過幾輪迭代后，學(xué)生在“計(jì)算觀點(diǎn)”維度上的計(jì)算思維水平也得到了顯著性提升。

表3 計(jì)算觀點(diǎn)得分的配對(duì)樣本t檢驗(yàn)（N=32）

MeanSDtSig.(2-tailed) 第二輪和第三輪對(duì)比第二輪4.260.46-2.2390.032 第三輪4.440.46 第一輪和第三輪對(duì)比第一輪4.060.70-3.1170.004 第三輪4.440.46

值得注意的是，部分?jǐn)?shù)據(jù)反映的計(jì)算思維水平在第二輪實(shí)證研究后，與第一輪相比并沒有得到顯著性提升，這正是計(jì)算思維培養(yǎng)與提升具有長(zhǎng)期性的表征。而課堂觀察顯示，教師對(duì)無(wú)法跟上整體進(jìn)度的小組進(jìn)行額外輔導(dǎo)，能夠幫助配對(duì)小組取得進(jìn)步；micro:bit智能小車能夠營(yíng)造情境性，增加了學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)感。此外，本研究采用的發(fā)聲思維方式能夠有效幫助配對(duì)編程小組梳理思路、深度反思?？傊?，經(jīng)過前兩輪實(shí)證研究中設(shè)計(jì)原則、實(shí)施策略的迭代與應(yīng)用，第三輪實(shí)證后得到的學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)、計(jì)算思維等結(jié)果均呈現(xiàn)出顯著優(yōu)于前兩輪的狀態(tài)。

四 研究總結(jié)與未來(lái)展望

1 對(duì)三個(gè)研究問題的回應(yīng)

針對(duì)研究問題一“面向計(jì)算思維發(fā)展的可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則與策略是什么”，三輪迭代后最終凝練出面向計(jì)算思維發(fā)展的可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則與策略，如表4前兩列所示。

針對(duì)研究問題二“如何迭代改進(jìn)可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)策略”，本研究通過“設(shè)計(jì)→實(shí)施→評(píng)價(jià)”路徑對(duì)活動(dòng)設(shè)計(jì)的具體策略進(jìn)行迭代，并從數(shù)學(xué)學(xué)業(yè)成績(jī)、計(jì)算思維水平兩個(gè)角度衡量迭代的效果，再結(jié)合師生訪談數(shù)據(jù)對(duì)策略進(jìn)行逐輪次修改。在策略迭代過程中，研究者得到的啟示如表4第三列所示。

針對(duì)研究問題三“可視化編程活動(dòng)對(duì)于計(jì)算思維發(fā)展的效果怎樣”，本研究通過實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)可視化編程活動(dòng)對(duì)計(jì)算思維中的計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐、計(jì)算觀點(diǎn)三個(gè)維度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著作用，同時(shí)也得出“低齡學(xué)生的計(jì)算思維要經(jīng)過長(zhǎng)期的培養(yǎng)才能發(fā)生質(zhì)變”的結(jié)論。

表4 可視化編程活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則、策略及其迭代過程中的啟示

設(shè)計(jì)原則策 略策略迭代過程中的啟示 設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的編程任務(wù)①以學(xué)科知識(shí)為核心，設(shè)計(jì)編程任務(wù)情境；②將一個(gè)復(fù)雜編程問題分解為線型問題，或?qū)栴}多角度表述為樹型問題；③將每種問題對(duì)應(yīng)于封閉式、半開放式、完全開放式三種編程任務(wù)，其中完全開放式編程任務(wù)需要教師提供可能線索；④教師需要提供關(guān)于任務(wù)評(píng)價(jià)與任務(wù)障礙的即時(shí)反饋支架。問題的進(jìn)階設(shè)計(jì)是保障學(xué)生由淺入深思考問題解決策略、逐步形成計(jì)算思維的關(guān)鍵。這就意味著在設(shè)計(jì)編程任務(wù)中的問題時(shí)，要考慮問題的結(jié)構(gòu)及其分解策略。 采用腳本支持的小組配對(duì)編程①通過《Scrach配對(duì)編程手冊(cè)》與編程工具進(jìn)行任務(wù)與角色分配；②規(guī)定“駕駛員”與“導(dǎo)航員”兩個(gè)角色并定期進(jìn)行角色切換，同時(shí)輔以助教督促；③為學(xué)生提供組間交流平臺(tái)。計(jì)算思維可以通過社會(huì)化互動(dòng)得到發(fā)展。參與配對(duì)編程的學(xué)生構(gòu)成小型的學(xué)習(xí)共同體，通過外在的對(duì)話與編程行為互動(dòng)推動(dòng)內(nèi)在的認(rèn)知加工。對(duì)于低齡學(xué)生而言，這種外在的互動(dòng)需要借助腳本、腳手架等干預(yù)進(jìn)行規(guī)范。 支持編程過程的可視化表征①采用積木式代碼表征抽象和模式識(shí)別后的編程概念；②通過算法執(zhí)行步驟的分解和重構(gòu)表征完整的問題解決過程；③通過編程工具對(duì)協(xié)作角色進(jìn)行可視化。可視化編程的核心作用機(jī)制是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問題解決模式的應(yīng)用與具象能力，以及根據(jù)可視化結(jié)果對(duì)問題解決模式的抽象概括能力。

2 研究未來(lái)展望

盡管本研究設(shè)計(jì)的面向計(jì)算思維的可視化編程活動(dòng)背后的知識(shí)源于數(shù)學(xué)學(xué)科，但在設(shè)計(jì)問題情境的時(shí)候融入了大量科學(xué)與工程情境，如果學(xué)生缺少相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)，僅靠數(shù)學(xué)和編程知識(shí)是無(wú)法完成活動(dòng)的。這是本研究在跨學(xué)科設(shè)計(jì)上存在的不足。與此相應(yīng)，設(shè)計(jì)更具跨學(xué)科屬性的STEAM理念下的可視化編程活動(dòng)，是本研究未來(lái)的發(fā)展方向。

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Design and Application of Visual Programming Activities towards Computational Thinking

WANG Jing1MA Zhi-qiang1[Corresponding Author]LIU Ya-qin2DU Hong-yu1

Computational thinking is a necessary literacy for citizens in the 21st century, and visual programming activities help to develop primary and middle school students’ computational thinking. Using the design-based research approach, this paper proposed the design principles of visual programming activities, namely designing problem-driven programming tasks, using script-supported group pair programming, and supporting visual representations of the programming process. After that, taking the interdisciplinary theme of combining programming and elementary school mathematics as learning content, this paper measured the iteration effect of from two perspectives of mathematics academic performance and computational thinking level, and further determined ten specific strategies corresponding to the three design principles, through three rounds of iteration including the “design→implementation→evaluation” path. At the same time, it was verified that visual programming activities had statistically significant effects on the three dimensions of computing concept, computing practice and computing viewpoint in computing thinking. The empirical research in this paper can provide principle guidance and strategy reference for the research and practice of computational thinking cultivation, and the determined principles and strategies after empirical iteration can enrich the theoretical system in the research field of computational thinking.

computational thinking; visual programming; primary school mathematics; programming teaching

G40-057

A

1009—8097（2022）09—0055—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.09.006

本文為國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金教育學(xué)青年課題“跨學(xué)科教育中的協(xié)同概念轉(zhuǎn)變研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CCA190260）的階段性研究成果。

王靖，副教授，博士，研究方向?yàn)閷W(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)，郵箱為jing850902@sina.com。

2022年1月15日

編輯：小米