摘要：在計(jì)算素養(yǎng)至關(guān)重要的時(shí)代，全球許多中小學(xué)校均在強(qiáng)調(diào)編程教育的重要性?；趬K（BPM）和基于文本編程（TPM）是編程教學(xué)中最主要的兩種編程模式，然而鮮有研究從學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果相結(jié)合的角度探究這兩種編程模式的差異，本研究旨在通過準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，比較中學(xué)生在這兩種模式下的編程行為和計(jì)算思維水平。研究發(fā)現(xiàn)：①TPM學(xué)習(xí)者遇到了更多的語法錯誤，調(diào)試時(shí)間間隔更長，相比之下，BPM學(xué)習(xí)者通過調(diào)整編程塊進(jìn)行更多的代碼修改，進(jìn)行更多次調(diào)試，并表現(xiàn)出更多的無關(guān)行為；②BPM學(xué)習(xí)者在計(jì)算思維水平上顯著優(yōu)于TPM學(xué)習(xí)者；③通過對學(xué)生在兩種編程模式下的行為分析，識別出了代碼修改者、最少調(diào)試者、最多調(diào)試者、分心編程者和平均表現(xiàn)者五類學(xué)生。最后，研究根據(jù)結(jié)果討論了相關(guān)的教育啟示。

關(guān)鍵詞：基于文本編程模式；基于塊編程模式；計(jì)算思維；編程行為

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）14-0009-06

引言

計(jì)算思維是21世紀(jì)中小學(xué)生不可或缺的一項(xiàng)能力，中國、美國和英國等國家已將編程教育納入其中小學(xué)課程[1]，編程主要采用兩種核心方法：基于塊編程模式（BPM）和基于文本編程模式（TPM）。[2]BPM利用視覺輔助工具，使其更容易被初學(xué)者所接受，而TPM可以輔助學(xué)習(xí)者完成專業(yè)的編程任務(wù)。[3]已有研究盡管評估了學(xué)生在學(xué)習(xí)BPM和TPM方面的差異，但缺乏從學(xué)習(xí)過程的角度探究不同編程模式如何影響編程學(xué)習(xí)效果的研究，因此，了解每種模式各自的特征以及它們?nèi)绾斡行У卮龠M(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。[4]本研究旨在通過研究中學(xué)生在兩種模式中的編程行為和計(jì)算思維水平，來評估編程模式對編程學(xué)習(xí)效果的影響，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)它可以指導(dǎo)教育工作者設(shè)計(jì)更有效的教學(xué)方法，以提升學(xué)生的編程技能，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

文獻(xiàn)綜述

1.基于塊和基于文本編程

圖靈獎獲得者迪科斯徹（Dijkstra）強(qiáng)調(diào)，我們使用的工具正在塑造我們對事物的認(rèn)知能力，這一原則能夠遷移到編程模式對學(xué)生思維方面的影響上，因此，如何運(yùn)用編程工具的ddc3342ac6b9ee3514bd6a86d4e5a583模式是編程教育工作者需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素?；趬K和基于文本編程在中小學(xué)編程教育中被廣泛使用，基于塊編程利用原始的拼圖法（programming-primitive-as-puzzle-piece）使得編程行為更為簡易和直觀，從而簡化使用并避免語法錯誤，對于新手學(xué)習(xí)者來說十分友好，如Blockly、Alice等多個(gè)基于塊編程平臺旨在通過降低語法復(fù)雜性來降低編程學(xué)習(xí)的難度。由于具有這些優(yōu)勢，基于塊編程被認(rèn)為是新手學(xué)習(xí)者開展入門編程學(xué)習(xí)的首選。相較而言，尤其是對已經(jīng)具備理解文本代碼語法和邏輯能力的高階學(xué)習(xí)者來說，基于文本編程更受歡迎，他們認(rèn)為基于文本編程在其編程過程中更加接近真實(shí)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景并且功能更加強(qiáng)大?；谖谋揪幊烫峁┝烁唠A編程學(xué)習(xí)和參與專業(yè)工作的機(jī)會，而這些可能是基于塊編程無法實(shí)現(xiàn)的。然而，在基于文本編程學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)習(xí)者經(jīng)常遇到語法錯誤以及感受到挫敗感，導(dǎo)致相關(guān)課程的輟學(xué)率更高。因此，研究者嘗試采用各種教學(xué)策略來提高學(xué)生對基于文本編程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力。[5]

2.計(jì)算思維與編程教育

計(jì)算思維（Computational Thinking）的概念可分為特定領(lǐng)域的定義以及通用領(lǐng)域的定義。前者涉及解決計(jì)算機(jī)科學(xué)或編程中專業(yè)問題的知識和技能，如周以真教授指出，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題解決、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及理解人類行為的思維過程[6]，特定領(lǐng)域的計(jì)算思維可以采用Dr.Scratch或Bebras測試等工具進(jìn)行評估；后者將計(jì)算思維視為通用問題解決方面的能力，受到更高層次的元認(rèn)知技能調(diào)節(jié)，包含創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力和協(xié)作能力等，已有研究人員開發(fā)了成熟的量表對學(xué)生進(jìn)行評估。[7]已有的關(guān)于不同編程模式教學(xué)效果的研究通常對學(xué)習(xí)者的知識掌握程度進(jìn)行評估，而較少關(guān)注學(xué)習(xí)者的高階思維能力發(fā)展。因此，在探究不同編程模式的差異時(shí)，計(jì)算思維是一個(gè)重要的考慮因素。

可見，探究基于塊編程和基于文本編程對學(xué)習(xí)者編程學(xué)習(xí)的影響是一個(gè)重要的研究課題。因此，本研究將通過采集學(xué)習(xí)者在基于塊和基于文本編程學(xué)習(xí)過程中的細(xì)粒度數(shù)據(jù)，來分析不同編程模式對其編程行為和計(jì)算思維水平的影響。

方法

1.研究目的和問題

本研究旨在通過在中學(xué)開展準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，收集包括學(xué)習(xí)日志和計(jì)算思維測試在內(nèi)的數(shù)據(jù)，并使用統(tǒng)計(jì)分析和聚類分析等方法來比較學(xué)習(xí)者在基于塊和基于文本編程過程中的編程行為和計(jì)算思維水平。研究結(jié)果將為未來的計(jì)算機(jī)編程教學(xué)提供策略上借鑒和啟示。具體的研究問題是：

研究問題1：學(xué)習(xí)者在基于塊和基于文本編程學(xué)習(xí)過程中的編程行為存在什么差異？

研究問題2：學(xué)習(xí)者在基于塊和基于文本編程學(xué)習(xí)中的計(jì)算思維水平存在什么差異？

2.教育背景

研究在2020年秋季學(xué)期的信息技術(shù)課中進(jìn)行，采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式探究學(xué)習(xí)者在基于塊和基于文本編程中的編程行為和計(jì)算思維水平的差異。BPM班和TPM班均有32名學(xué)習(xí)者。學(xué)生年齡在13歲左右，他們中的大多數(shù)人沒有接受過正式的編程教育。課程由同一位教師開展授課，教師在兩種模式下保持相似的教學(xué)風(fēng)格，向?qū)W習(xí)者提供相同主題的教學(xué)材料（內(nèi)容通過BPM或TPM的形式呈現(xiàn)），并在每個(gè)班級開展相同的教學(xué)實(shí)踐。

該課程包括三個(gè)階段和六個(gè)教學(xué)課時(shí)，每個(gè)課程持續(xù)45分鐘。第一階段教師介紹了編程基礎(chǔ)知識以及基于塊或基于文本編程的概念。第二階段教師在指定的編程模式中使用順序、選擇、循環(huán)和函數(shù)結(jié)構(gòu)開展編程教學(xué)。第三階段是一系列綜合項(xiàng)目，旨在測試學(xué)習(xí)者在第二階段學(xué)習(xí)的編程知識和技能。研究使用的平臺是自我改編的Code4all（如下頁圖1）平臺，這是一個(gè)由PencilCode開發(fā)的環(huán)境，同時(shí)支持基于塊和基于文本編程。但是，與PencilCode不同的是，為了便于研究的開展，Code4all不允許學(xué)習(xí)者切換基于塊或基于文本編程的界面。因此，BPM學(xué)習(xí)者通過拖拽編程塊進(jìn)行編程，而TPM學(xué)習(xí)者采用逐字輸入的形式進(jìn)行代碼編寫。除了編程模式之外，平臺其他元素均是相同的，包括功能菜單、界面和環(huán)境腳手架。

3.數(shù)據(jù)收集

為了解學(xué)習(xí)者的編程學(xué)習(xí)表現(xiàn)，研究收集了平臺日志和學(xué)生的計(jì)算思維測試數(shù)據(jù)。計(jì)算思維測試工具改編自科爾克馬茲（Korkmaz）等人在2017年開發(fā)的計(jì)算思維量表（CTS）[8]，包含五個(gè)因子（創(chuàng)造力、算法思維、合作性、批判性思維和問題解決能力）共計(jì)22個(gè)測試題目。值得注意的是，已有學(xué)者將該量表在中國中小學(xué)階段的學(xué)習(xí)者中進(jìn)行了驗(yàn)證。[9]

4.數(shù)據(jù)分析

研究采用統(tǒng)計(jì)分析和聚類分析等多種方法考察了BPM和TPM對學(xué)習(xí)者編程學(xué)習(xí)效果的影響。首先，研究根據(jù)提取的變量和前人的研究[10]確定了五種編程行為：平均代碼更改次數(shù)（AnC）、無關(guān)行為次數(shù)（NoIB）、調(diào)試次數(shù)（NoD）、兩次調(diào)試之間的平均時(shí)間（AtD）和錯誤次數(shù)（NoE）。值得注意的是，盡管學(xué)習(xí)者以不同的編程模式進(jìn)行編程，但Code4all平臺記錄的編碼均為文本格式。研究采用描述性統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)了BPM和TPM學(xué)習(xí)者編程行為分布的總體情況，為了從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱藏的模式，研究進(jìn)一步采用學(xué)習(xí)者日志數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，并在每個(gè)聚類中分析學(xué)習(xí)者的編程行為。筆者采用了經(jīng)典的K-means算法，該算法包括最佳聚類數(shù)量選擇、變量選擇、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和初始聚類中心選擇，研究采用RapidMiner和Python來進(jìn)行聚類。[11]此外，研究采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)來分析BPM和TPM學(xué)生在計(jì)算思維水平上的差異。

結(jié)論

1.兩種模式下學(xué)習(xí)者的編程行為

表1的結(jié)果顯示，在兩種編程模式下，學(xué)習(xí)者的編程行為存在明顯差異。其中，TPM學(xué)習(xí)者遇到的語法錯誤（NoE：M=8.81，SD=20.17）多于BPM學(xué)習(xí)者（NoE：M=4.97，SD=5.31）。學(xué)習(xí)者在TPM中兩次點(diǎn)擊調(diào)試按鈕所花費(fèi)的平均時(shí)間（AtD：M=84.74，SD=83.35）幾乎是BPM中學(xué)習(xí)者的兩倍（AtD：M=46.97，SD=32.19）。此外，學(xué)習(xí)者在BPM中的平均代碼更改次數(shù)（AnC：M=25.80，SD=15.93）略高于在TPM中的平均代碼更改次數(shù)（AnC：M=24.81，SD=39.33）。BPM學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊調(diào)試按鈕的次數(shù)（NoD：M=37.73，SD=20.25）高于TPM學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊調(diào)試按鈕的次數(shù)（NoD：M=32.03，SD=43.06）。BPM學(xué)習(xí)者的無關(guān)行為（NoIB：M=35.20，SD=24.06）多于TPM學(xué)習(xí)者的無關(guān)行為（NoIB：M=25.53，SD=17.26）。

為了進(jìn)一步探究學(xué)習(xí)者在兩種編程模式下的學(xué)習(xí)行為差異，筆者利用表1中的數(shù)據(jù)對學(xué)習(xí)者進(jìn)行了聚類。以往的研究發(fā)現(xiàn)，利用編程課程的細(xì)粒度行為數(shù)據(jù)可以抽取出一定的模式。在本研究中，K-means聚類在第10次迭代時(shí)達(dá)到了收斂，k=5為最佳值，輪廓系數(shù)最高（0.57）。因此，所有學(xué)習(xí)者被分成五個(gè)聚類，其中23.44%的學(xué)習(xí)者被分配到第1個(gè)聚類，20.31%的學(xué)習(xí)者被分配到第2個(gè)聚類，3.12%的學(xué)習(xí)者被分配到第3個(gè)聚類，6.25%的學(xué)習(xí)者被分配到第4個(gè)聚類，46.88%的學(xué)習(xí)者被分配到第5個(gè)聚類。

比較五個(gè)聚類的特征可以發(fā)現(xiàn)，聚類1被標(biāo)識為“代碼修改者”，他們的代碼修改次數(shù)（AnC：M=44.53，SD=10.69）和調(diào)試點(diǎn)擊次數(shù)（NoD：M=60.73，SD=11.28）在五個(gè)聚類中排名第二，無關(guān)行為次數(shù)（NoIB：M=23.73，SD=12.09）在五個(gè)聚類中排名第二，錯誤次數(shù)（NoE：M=10.67，SD=7.89）在五個(gè)聚類中排名中等。根據(jù)聚類分析發(fā)現(xiàn)，有5名TPM學(xué)生和10名BPM學(xué)生被歸入該聚類。聚類2被標(biāo)識為“最少調(diào)試者”，學(xué)生兩次點(diǎn)擊調(diào)試的時(shí)間間隔最長（AtD：M=174.43，SD=72.95），代碼更改頻率（AnC：M=4.00，SD=2.45）、點(diǎn)擊調(diào)試次數(shù)（NoD：M=7.69，SD=3.73）和錯誤次數(shù)（NoE：M=0.38，SD=0.62）最低。根據(jù)聚類分析結(jié)果，該聚類包括10名TPM學(xué)生和3名BPM學(xué)生。此外，2名TPM學(xué)生被分配到聚類3，該群組被標(biāo)識為“最多調(diào)試者”，他們的代碼更改次數(shù)（AnC：M=162.00，SD=35.00）和調(diào)試次數(shù)（NoD：M=179.50，SD=40.50）在五個(gè)聚類中最高，他們遇到的錯誤次數(shù)（NoE：M=82.00，SD=14.00）在五個(gè)聚類中最高，而無關(guān)行為的數(shù)量（NoIB：M=14.78，SD=10.78）在五個(gè)聚類中最少。第4組被標(biāo)識為“分心編程者”，其無關(guān)行為最多（NoIB：M=84.25，SD=11.09），調(diào)試次數(shù)少（NoD：M=10.00，SD=11.47），錯誤發(fā)生次數(shù)中等（NoE：M=11.75，SD=3.47）。該聚類包括2名TPM學(xué)生和2名BPM學(xué)生。聚類5被認(rèn)定為“平均表現(xiàn)者”，其代碼更改頻率、調(diào)試次數(shù)、錯誤次數(shù)、無關(guān)行為以及兩次點(diǎn)擊調(diào)試之間的時(shí)間間隔在五個(gè)聚類中處于平均水平。

2.兩種編程模式下學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平差異

TPM和BPM學(xué)習(xí)者在研究干預(yù)前的計(jì)算思維水平?jīng)]有顯著差異（創(chuàng)造力：p=0.286；算法思維：p=0.185；合作能力：p=0.217；批判性思維：p=0.067；問題解決能力：p=0.095；整體計(jì)算思維技能：p=0.941）。在研究干預(yù)后，BPM學(xué)習(xí)者在算法思維（t=3.23，p=0.002）、合作能力（t=-2.11，p=0.038）、問題解決能力（t=-2.72，p=0.008）和總體計(jì)算思維水平（t=-2.58，p=0.012）方面均顯著優(yōu)于TPM學(xué)習(xí)者（如下頁表2）。

討論

隨著編程教育的日益普及，探究學(xué)習(xí)者如何在兩種典型編程模式（基于塊和基于文本編程）下開展學(xué)習(xí)的研究逐漸受到重視。本研究通過收集多模態(tài)數(shù)據(jù)分析兩種編程模式中學(xué)習(xí)者的編程行為和計(jì)算思維水平。針對研究問題1，本研究發(fā)現(xiàn)，基于文本編程模式中的學(xué)習(xí)者遇到了更多語法錯誤，調(diào)試的時(shí)間間隔更長；基于塊編程模式中的學(xué)習(xí)者在代碼修改（操作編程塊和調(diào)整參數(shù)）上花費(fèi)了更多的時(shí)間，并進(jìn)行了更頻繁的調(diào)試，然而也存在更多的無關(guān)行為?；趯W(xué)習(xí)者的編程行為，本研究揭示了基于學(xué)生編程行為的五個(gè)聚類，包括代碼修改者、最少調(diào)試者、最多調(diào)試者、分心編程者和平均表現(xiàn)者。因此，針對不同類型的學(xué)習(xí)者，教師應(yīng)當(dāng)提供切實(shí)的教學(xué)干預(yù)和學(xué)習(xí)支架來對其進(jìn)行引導(dǎo)。[5]

針對不同編程模式中學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平分析表明，基于塊編程模式中的學(xué)習(xí)者在算法思維、合作能力和整體計(jì)算思維能力方面表現(xiàn)顯著優(yōu)于基于文本編程模式中的學(xué)習(xí)者。究其原因，基于塊編程模式開發(fā)的編程平臺或系統(tǒng)（如Scratch或Blockly）能夠讓學(xué)習(xí)者看到更為直觀的編程效果，有助于學(xué)習(xí)者理解基本編程概念和發(fā)展算法思維。此外，這類平臺提供了一定的輔助工具來促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展，如編程平臺討論區(qū)承載的溝通、合作和社交技能等功能。需要注意的是，從長遠(yuǎn)開展編程學(xué)習(xí)的角度來看，基于塊編程模式開發(fā)的平臺依賴于預(yù)先構(gòu)建的代碼塊，可能會限制其能夠解決問題的難度。盡管學(xué)習(xí)者可能會遇到更多的語法問題，但基于文本編程語言（如Python）需要學(xué)習(xí)者靈活運(yùn)用各種問題解決方式，自主編寫代碼并進(jìn)行調(diào)試，這對發(fā)展學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維和提升學(xué)習(xí)者的解決問題能力具有至關(guān)重要的影響，如促使學(xué)習(xí)者更深入地理解編程概念，并熟練地剖析和解決編程問題。[12]

結(jié)語

深入探究不同編程模式的差異能夠?yàn)榫幊探逃拈_展和學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平提升等提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。這項(xiàng)在中學(xué)進(jìn)行的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究比較了基于塊和基于文本編程模式對學(xué)習(xí)者編程行為和計(jì)算思維水平的影響，并針對研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了深入的探討。然而，本研究仍存在一定的局限：一是研究樣本的代表性不足；二是研究采用問卷的形式收集計(jì)算思維數(shù)據(jù)，而不同的學(xué)生對量表中內(nèi)容的理解和感知情況可能存在一定的差異；三是多模態(tài)數(shù)據(jù)的采集維度不夠豐富。因此，未來研究將拓展研究對象，采用混合數(shù)據(jù)分析的方法來對定性和定量數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同分析，以深入研究學(xué)習(xí)者在基于塊和基于文本編程學(xué)習(xí)過程中的行為、認(rèn)知、元認(rèn)知和社交活動。整體而言，本研究探討了基于塊與基于文本編程模式的差異，為有效開展中小學(xué)編程教育和提升學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維水平提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫丹，李艷.國內(nèi)外青少年編程教育的發(fā)展現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)及啟示——兼論智能時(shí)代我國編程教育的實(shí)施策略[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2019，37（03）：47-60.

[2]Jocius，Robin，O’Byrne，W.Ian，ect.Infusing computational thinking into STEM teaching：From professional development to classroom practice[J].Educational Technology & Society，2021，24（04）：166-179.

[3]Weintrop，David，Wilensky，ect.Transitioning from introductory block-based and text-based environments to professional programming languages in high school computer science classrooms[J].Computers&Education，201，9142（103646）：1-17.

[4]Grover，Shuchi.Teaching and assessing for transfer from block-to-text programming in middle school computer science[C].Transfer of learning，Transfer of learning.Research in mathematics education.2021，Springer，Cham.

[5]Sun，Dan，Ouyang，ect.Three contrasting pairs’collaborative programming processes in China’s secondary education[J].Journal of Educational Computing Research，2021（08）：54.

[6]Wing，Jeannette（2014）.Computational thinking benefits society[EB/OL].http：//socialissues.cs.toronto.edu/index.html.

[7]Román-González，Marcos，Pérez-González，ect.Which cognitive abilities underlie computational thinking？ Criterion validity of the computational thinking test[J].Computers in Human Behavior，2017，72：678-691.

[8]Korkmaz，zgen，akir，ect.A validity and reliability study of the computational thinking scales（CTS）[J].Computers in Human Behavior，2017，72：558-569.

[9]白雪梅，顧小清.K12階段學(xué)生計(jì)算思維評價(jià)工具構(gòu)建與應(yīng)用[J].中國電化教育，2019（10）：83-90.

[10]Pereira，F(xiàn)ilipe D.，Oliveira，ect.Using learning analytics in the Amazonas：Understanding students’behaviour in introductory programming[J].British Journal of Educational Technology，2020，51（04）：955-972.

[11]Rousseeuw，Peter J.Silhouettes：A graphical aid to the interpretation and validation of cluster analysis[J].Journal of Computational and Applied Mathematics，1987，20：530–65.

[12]K?lling，Michael，Brown，ect.Proceedings of the workshop in primary and secondary computing education[C].ACM，2015，29-38.

第一作者簡介：戚展研（2005.6—），女，漢族，浙江杭州人，本科生，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芙逃?/p>

基金項(xiàng)目：2023年國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“基于多模態(tài)知識圖譜的青少年編程學(xué)習(xí)自適應(yīng)推薦及關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號：62307011）。