面向计算思维的可视化编程活动设计与应用*

2022-09-27马志强刘亚琴杜鸿羽

现代教育技术 2022年9期

王靖马志强刘亚琴杜鸿羽

王靖1马志强1[通讯作者]刘亚琴2杜鸿羽1

（1．江南大学江苏“互联网+教育”研究基地，江苏无锡 214122；2．苏州市吴中区东山中学，江苏苏州 215107）

计算思维是21世纪公民应具备的重要素养，而可视化编程活动有助于发展中小学生的计算思维。文章采用基于设计的研究方法，提出可视化编程活动的设计原则，即设计问题驱动的编程任务、采用脚本支持的小组配对编程、支持编程过程的可视化表征。之后，文章将程序设计与小学数学结合的跨学科主题作为学习内容，通过包含“设计→实施→评价”路径的三轮迭代，从数学学业成绩、计算思维水平两个角度衡量迭代的效果，最终确定了对应于三条设计原则的十条具体策略；同时，验证了可视化编程活动对计算思维中的计算概念、计算实践、计算观点三个维度有统计学意义上的显著作用。文章进行的实证研究，可为计算思维的培养研究与实践提供原则指导和策略参考，且经过实证迭代、确定的原则和策略，能够丰富计算思维研究领域的理论体系。

计算思维；可视化编程；小学数学；编程教学

引言

当前，计算思维正逐渐与读、写一样成为公民必备的核心素养[1]。计算思维的本质在于将一个复杂问题解构，通过抽象、分解、模式识别、迁移等过程找到解决问题的有效方法[2][3]。编程活动可训练学生分解复杂问题、规划解决方案并用代码实现方案的能力，是发展计算思维的有效手段[4]。因此，通过编程课程培养计算思维已成为国内外中小学计算思维培养的重要途径。然而，在编程课程中培养计算思维常面临两个实践问题：①低龄学生的认知门槛问题。将计算思维培养中最核心的“问题解决”步骤转化为计算机程序指令，需掌握相应的编程语言，但中小学生往往很难理解其包含的复杂语法规则和抽象符号形式。②教师的教学重心问题。在编程教学活动设计中，教师可能会重点关注学生对程序符号和语法规则的学习，而忽视计算思维的发展[5]。可视化编程活动能够实现程序设计的“所见即所得”，从而有效解决上述问题。此外，可视化编程活动呈现出的“低门槛、高天花板”特征，对于发展计算思维具有重要价值[6]。

当前，可视化编程的具体实施策略主要有：利用可视化编程套件工具设计教学[7]、将计算思维培养融入可以外显化的任务等。但由于可视化编程活动的设计尚缺少原则指导和策略依据，导致可视化编程任务往往预设了问题解决路径，却难以帮助学生发展问题解决能力[8]。因此，本研究采用基于设计的研究方法来发展活动设计的基本原则及实施策略，重在探讨以下三个问题：①面向计算思维发展的可视化编程活动的设计原则与策略是什么？②如何迭代改进可视化编程活动的设计策略？③可视化编程活动对于计算思维发展的效果怎样？

一研究设计

1 研究情境与对象

本研究在我国华东地区的一所农村小学开展，参与研究的是该校三、四年级的32名学生，其中男生有18名、女生有14名。这些学生参与本研究之前没有编程经验，整个研究过程持续了18周。课程学习内容分为三个模块：可视化编程Scratch与图形绘制、熊猫套件与距离感知、micro:bit机器人与数据整理。

2 研究过程

本研究遵循基于设计的研究方法，制定了基于设计的研究流程（如图1所示），包含设计、实施、评价三个相互联系的环节：①在设计环节，主要是结合文献分析和学情分析，基于设计原则与对应的策略进行可视化编程的活动设计；②在实施环节，主要是通过三轮跨学科教学实践，将设计出来的活动用于支持学生的数学知识学习并提升其编程知识技能，进而发展学生的计算思维水平；③在评价环节，主要是结合每一轮实证的过程和结果，对活动设计策略进行反思和修改，并检验可视化编程活动在本轮的应用效果，以不断迭代改进相关的策略。在每一轮实证结束后，研究者通过课堂观察、访谈，对活动设计进行反思与改进；同时，通过常规测试、问卷调查，对学习者在本轮活动结束后的数学学业成绩和计算思维水平进行评价。在所有迭代轮次完成后，研究者开展总结性评价。

图1 基于设计的研究流程

需要说明的是，对于数学学业成绩，本研究是利用数学统考试题得分（即标准化后的成绩）来评价。而对于计算思维水平，本研究参考Brennan等[9]基于交互式编程提出的“计算思维的三维框架”来评价。“计算思维的三维框架”包含三个维度：①计算概念，是指在编程中使用的概念；②计算实践，是指在编程中解决问题；③计算观点，是指学生对自己、自己与他人的关系、周围技术世界的理解。本研究采用这三个维度，来评价学生的计算思维水平。其中，“计算概念”“计算实践”这两个维度是依据Bebras竞赛题进行评价——Bebras竞赛题是一系列简短的问题或任务，针对年级划分题目；而“计算观点”维度是采用计算观点量表进行评价——此量表是在Korkmaz等[10]开发的计算思维水平量表的基础上修订而成。

二面向计算思维的可视化编程活动设计原则与设计框架

活动理论提出，活动系统包含工具、规则、分工、主体、客体、共同体六个互动要素，这些要素构成三角形架构，其中工具、规则、分工分别为三角形的三个顶点，三个要素之间两两相关；主体、客体、共同体处于三角形三条边的中点位置；六个要素共同构成了生产、交流、分配、消耗四个子系统[11]。以此为参考，本研究确定了可视化编程活动的六个要素：可视化编程工具、问题、角色、学习者、任务、配对小组。其中，学习者、配对小组这些“人”的要素与问题之间的互动，构成了问题解决子系统；任务、配对小组、角色这三个要素有利于学习者形成相互依赖、互相影响的协作关系[12]，由此形成任务协作分工子系统；而可视化编程工具、学习者、任务之间的互动，形成了任务执行子系统。结合这三个子系统正常运作所需具备的条件，并围绕计算思维的计算概念、计算实践、计算观点三个维度，本研究提出了三条设计可视化编程活动的基本原则：设计问题驱动的编程任务、采用脚本支持的小组配对编程、支持编程过程的可视化表征。依托上述三条设计原则，本研究构建了面向计算思维的可视化编程活动设计框架，如图2所示。其中，三条设计原则是该框架的核心内容。

图2 面向计算思维的可视化编程活动设计框架

1 设计问题驱动的编程任务

计算思维以“问题解决”为核心内涵，问题解决能力需在嵌入真实情境的劣构问题解决过程中加以锻炼，引导学生完成由感性认知到理性认知的升华。同时，为凸显问题解决的进阶性，研究者要设计不同难度层级的问题和任务。基于此，对应于本条原则的具体实施策略是：①以学科知识为核心，设计编程任务情境；②将一个复杂编程问题分解为线型问题，或将问题多角度表述为树型问题；③将每种问题对应于封闭式、半开放式、完全开放式三种编程任务。

2 采用脚本支持的小组配对编程

刘敏等[13]指出，结对编程（同本研究的“配对编程”）为结对双方提供了在社会互动中建构意义的机会，加快了即时反馈的频率和效率，有利于学习并掌握计算思维逻辑。因此，在计算思维培养方面，配对编程是一种较好的学习方式。配对编程的本质是一种协作学习形式，而在成功的协作互动中，成员之间需要具备积极的相互依赖关系[14]。基于此，配对编程通过“驾驶员”与“导航员”两个角色的切换，为参与编程的两位学生安排均等且合理的任务。

但对于小学生来说，如何实现高效协同是配对编程活动设计要考虑的关键问题。对此，本研究采用协作脚本，为研究对象——32名小学生提供协作的规范与步骤上的详细指导。具体来说，研究者要在配对编程前明确组内的角色分配与任务协作，并利用组内的积极交流帮助小学生保持对编程活动的注意力与专注力，相应的实施策略是：①通过配对编程核查表（“脚手架”的具体表现形式）分配任务；②规定“驾驶员”与“导航员”两个角色并定期进行角色切换。

3 支持编程过程的可视化表征

计算思维形成的过程，蕴含从具体情境中剔除特定情境、剥离并抽象出问题本质和解决模型的过程。但对于年龄偏低的小学生来说，这恰恰是整个思维培养过程中的难点。诸多关于计算思维培养的成熟研究表明：可视化编程可以降低代码语句编写、代码语法理解等技术难度，使教师有更多精力聚焦于计算思维的培养和能力的发展[15]；从配对编程的角度，知识的可视化表征可以帮助协作成员建立观点间的关联，以便于其整合共同观点[16]。基于此，本研究将支持编程过程的可视化表征定为第三条设计原则。本研究涉及的编程过程主要包括对问题关键概念的识别与表征、问题解决步骤的分步与执行、代码的生成与调试，具体的实施策略为：①采用积木式代码可视化表征抽象和模式识别后的编程概念；②通过算法执行步骤的分解和重构可视化表征完整的问题解决过程。

三面向计算思维的可视化编程活动迭代及其效果

为了将上述原则和策略付诸实践并加以优化，本研究开展了三轮可视化编程活动的设计、实施与评价。如前所述，计算思维的核心是：问题解决能力需在嵌入真实情境的劣构问题解决过程中加以锻炼。而在编程课程中设计劣构问题，往往需要结合其他学科的知识。因此，根据本研究中编程教学的具体内容，本研究选择与数学学科相结合设计问题情境。

1 第一轮设计与实施

（1）设计阶段

首先，根据“设计问题驱动的编程任务”这一原则及其具体实施策略，本轮实证中研究者和任课教师明确了：①本轮教学实践的总任务为“雪花图形绘制”；②将上述总任务分解为四周的任务，并按照线型、树型问题驱动每一周的编程任务；③每种问题对应于封闭式、半开放式、完全开放式三种编程任务。

随后，根据“采用脚本支持的小组配对编程”这一原则及其相应的实施策略，研究者和任课教师明确了：①通过《Scratch配对编程手册》与核查表，进行清晰的角色、任务分配；②规定“驾驶员”与“导航员”两个角色完成一个任务后进行角色切换。

最后，根据“支持编程过程的可视化表征”这一原则及其具体的实施策略，研究者和任课教师进行了如下设计：①采用Scratch积木式代码，表征抽象和模式识别后的编程概念；②通过算法执行步骤的分解和重构，表征完整的问题解决过程，并将之不断优化。

（2）实施阶段

本轮选取的数学学习内容为“几何图形绘制”，具体包括角度、坐标、变量、运算概念与平面图形的简单绘制、直角平面图形的周长和面积计算、雪花图形的绘制。教学目标是掌握数学与Scratch编程概念，如长度、周长、面积、角度、顺序、循环、事件、并行、条件、运算符、变量；同时，掌握基本的图形概念与周长、面积的计算公式，并学会使用简单程序编写图形绘制任务的逻辑代码。

在第一轮学习活动开始之前，研究者对参与本实证研究的32名小学生进行两两组合，并介绍活动过程中要定期切换角色、按照核查表逐项核查进度等注意事项。在第一周教学中，教师引导学生观赏最终的雪花图形，之后将完成这一作品所需要的步骤、任务和知识点进行分解并向学生展示，让学生熟悉“雪花图形绘制”的学习内容及其各周安排。具体来说，第一周的学习内容为认识不同颜色积木块的功能；第二周的学习内容为坐标与角度的学习、平面图形的绘制；而第三周至第四周的学习内容为变量与运算的学习、直角平面图形的周长和面积计算。

在第一轮评价中，数学学业成绩、计算思维水平的量化数据分析结果显示：前后测数据变化均有提升，但均未达到统计学意义上的显著水平——这说明计算思维的培养并非短期内就能取得明显效果，同时也提示研究者：低龄学生的计算思维从一个较低水平取得进步是有可能的，但要发生质变需经过长期的培养。而课堂观察数据分析与访谈结果显示：可视化编程活动提升了学生的协作能力、学习动机和兴趣。对于小学生来说，采用可视化编程的方式将原本抽象的概念图形化，对相关知识点就更容易理解和上手了，并能快速进入任务学习中。

值得注意的是，课程学习过程中也出现了一些问题，如少数配对小组存在“霸鼠标”“搭便车”等现象，原因主要在于这些小组的配对成员能力水平差异过大；课上学生此起彼伏地喊“老师”现象严重，这是因为完成任务作品之后，学生需得到教师的评价与肯定才会进行下一任务——此现象的背后，反映出的问题是教师反馈延迟与反馈不足。另外，访谈结果表明，学生认为“导航员”角色如同虚设，相应地，采用配对编程核查表这一脚手架形式并没有发挥作用。

基于上述评价结果，研究者和任课教师对可视化编程活动设计策略进行了补充和调整：根据“设计问题驱动的编程任务”原则，补充“加入教师的实时反馈支架”策略，此支架主要起督促角色切换、实时反馈任务的完成程度两个作用；根据“采用脚本支持的小组配对编程”原则，做出“取消原策略中‘核查表’的设计，用《Scrach配对编程手册》实现这一功能”的策略调整。

2 第二轮设计与实施

（1）设计阶段

在进行第二轮设计时，研究者做出的改进包括：①通过配对编程手册与熊猫套件的明确分工，保证清晰的角色和任务分配，并保证所有编程过程可视化；②配对小组的两名学生将被助教督促定期切换彼此的角色。

（2）实施阶段

第二轮的学习主题为“概念感知”，旨在将出现在各种数学问题情境中的抽象概念与其在日常生活中的具体表征相匹配，引导学生对分贝、温度、距离等概念进行感知。教学目标是让学生掌握相关抽象概念，学会熊猫套件的组装与编程语言，能够自行设计感知任务的代码片段。

研究者将学习内容分成熟悉熊猫套件、制作声控灯、制作感应风扇、制作距离报警器四个相对独立的模块。在后三个模块的每一节课中，学生既要键入代码，也要组装套件，通过这两个任务完成每一个模块的学习：通过声控灯的制作，完成对“分贝”这一概念的感知；通过感应风扇的制作，来感知“温度”这一概念；通过利用超声波测距离的操作，来实现对“距离”这一概念的感知。在整个学习过程中，教师会设计问题支架对学生进行任务分解方面的引导。

虫力黑驱虫后2 d、6 d，分别进行观察，对体虱的成虫特效，对幼虫的效果观察不到，但30 d后幼虫发育成成虫，牧民还需要再灌服1次虫力黑，才能达到效果。

（3）评价阶段

在第二轮评价中，数学学业成绩、计算思维水平的量化数据分析结果显示：前后测数据变化仍未达到统计学意义上的显著水平。课堂观察显示，教师的督促与协调保证了角色的定期切换；但存在因学生得意地向周围小组展示自己的作品而使课堂变得嘈杂的问题，其背后症结在于本轮设计缺少合理的组间交流支持；此外，创客套件的使用与损坏情况严重。访谈结果表明，学生认为组装套件比填写核查表有趣；但进行完全开放式任务时，需要教师提供一些可能线索。

基于上述评价结果，研究者和任课教师对可视化编程活动设计策略进行了补充和调整：根据“设计问题驱动的编程任务”原则，将“加入教师的实时反馈支架”策略调整为“教师需要提供关于任务评价与任务障碍的即时反馈支架”，补充“完全开放式任务需要教师提供可能线索”的策略；根据“采用脚本支持的小组配对编程”原则，补充“为学生提供组间交流平台”的策略，并将“通过配对编程核查表分配任务”策略调整为“通过《Scrach配对编程手册》与编程工具进行任务与角色分配”；根据“支持编程过程的可视化表征”原则，补充“通过编程工具对协作角色进行可视化”的策略。

3 第三轮设计与实施

（1）设计阶段

在进行第三轮设计时，研究者做出的改进包括：①导航员对micro:bit机器人的运动进行观察与记录；②增加利用出声思维法（即出声说出自己的思考过程）进行小组展示；③采用micro:bit机器人支持配对角色的有形分配。

（2）实施阶段

第三轮聚焦于数学课本中的“统计与概率”模块，设计的主题为“数据整理”，旨在引导学生对数据进行收集、整理与表征。教学目标是让学生学会micro:bit机器人的编程语言，并掌握数据整理的一般步骤，如收集、整理、分析、图形表征等。

以“绘制小车设置速度与实际速度之间的关系图”一节为例，教师首先和学生一起完成小车按照事先设计好的代码前进并实现超声波测距的过程，引导学生学习小车前进的距离、速度、超声波测距。接着，教师带领学生回忆前一周学习的控制小车前进、实现超声波测距的代码。之后，教师带领学生完成连接主板的过程，并开始配对编程；同时，教师根据《Scrach配对编程手册》为学生提供详细指导。最后，同伴采用出声思维的形式进行分享，这种分享也是小组在其他同学面前详细展示其思考过程和成果。

（3）评价阶段

为系统评价可视化编程活动对数学学业成绩的影响，本研究将第三轮学生的数学学业成绩与前两轮进行了配对样本t检验，结果如表1所示。可以看出，与第一轮、第二轮相比，第三轮学生的数学学业成绩得分均获得了显著性提升（=0.000，=0.005），表明可视化编程活动对于提升数学学业成绩有正向影响。

表1 数学学业成绩的配对样本t检验（N=32）

MeanSDtSig.(2-tailed) 第二轮和第三轮对比第二轮0.680.27-5.2200.000 第三轮0.950.29 第一轮和第三轮对比第一轮0.730.33-3.0190.005 第三轮0.950.29

将第三轮Bebras竞赛题（用于评价“计算概念”“计算实践”）得分与第一轮、第二轮的相应得分进行配对样本t检验，结果如表2所示。可以看出，与前两轮相比，第三轮Bebras竞赛题得分均有显著性提高（=0.007，=0.007），表明经过一段较长时间的实践后，学生在“计算概念”“计算实践”两个维度上的计算思维水平得到了显著提升。

表2 Bebras竞赛题得分的配对样本t检验（N=32）

MeanSDtSig.(2-tailed) 第二轮和第三轮对比第二轮4.530.92-2.8880.007 第三轮5.191.06 第一轮和第三轮对比第一轮4.281.67-2.9020.007 第三轮5.191.06

对第三轮采用计算观点量表（用于评价“计算观点”）获得的计算观点得分与第一轮、第二轮的相应得分进行配对样本t检验，结果如表3所示。可以看出：与前两轮比较，第三轮计算观点得分均有显著性提高（=0.032，=004），表明经过几轮迭代后，学生在“计算观点”维度上的计算思维水平也得到了显著性提升。

表3 计算观点得分的配对样本t检验（N=32）

MeanSDtSig.(2-tailed) 第二轮和第三轮对比第二轮4.260.46-2.2390.032 第三轮4.440.46 第一轮和第三轮对比第一轮4.060.70-3.1170.004 第三轮4.440.46

值得注意的是，部分数据反映的计算思维水平在第二轮实证研究后，与第一轮相比并没有得到显著性提升，这正是计算思维培养与提升具有长期性的表征。而课堂观察显示，教师对无法跟上整体进度的小组进行额外辅导，能够帮助配对小组取得进步；micro:bit智能小车能够营造情境性，增加了学生的真实体验感。此外，本研究采用的发声思维方式能够有效帮助配对编程小组梳理思路、深度反思。总之，经过前两轮实证研究中设计原则、实施策略的迭代与应用，第三轮实证后得到的学生数学学业成绩、计算思维等结果均呈现出显著优于前两轮的状态。

四研究总结与未来展望

1 对三个研究问题的回应

针对研究问题一“面向计算思维发展的可视化编程活动的设计原则与策略是什么”，三轮迭代后最终凝练出面向计算思维发展的可视化编程活动的设计原则与策略，如表4前两列所示。

针对研究问题二“如何迭代改进可视化编程活动的设计策略”，本研究通过“设计→实施→评价”路径对活动设计的具体策略进行迭代，并从数学学业成绩、计算思维水平两个角度衡量迭代的效果，再结合师生访谈数据对策略进行逐轮次修改。在策略迭代过程中，研究者得到的启示如表4第三列所示。

针对研究问题三“可视化编程活动对于计算思维发展的效果怎样”，本研究通过实证研究发现可视化编程活动对计算思维中的计算概念、计算实践、计算观点三个维度有统计学意义上的显著作用，同时也得出“低龄学生的计算思维要经过长期的培养才能发生质变”的结论。

表4 可视化编程活动的设计原则、策略及其迭代过程中的启示

设计原则策略策略迭代过程中的启示设计问题驱动的编程任务①以学科知识为核心，设计编程任务情境；②将一个复杂编程问题分解为线型问题，或将问题多角度表述为树型问题；③将每种问题对应于封闭式、半开放式、完全开放式三种编程任务，其中完全开放式编程任务需要教师提供可能线索；④教师需要提供关于任务评价与任务障碍的即时反馈支架。问题的进阶设计是保障学生由浅入深思考问题解决策略、逐步形成计算思维的关键。这就意味着在设计编程任务中的问题时，要考虑问题的结构及其分解策略。采用脚本支持的小组配对编程①通过《Scrach配对编程手册》与编程工具进行任务与角色分配；②规定“驾驶员”与“导航员”两个角色并定期进行角色切换，同时辅以助教督促；③为学生提供组间交流平台。计算思维可以通过社会化互动得到发展。参与配对编程的学生构成小型的学习共同体，通过外在的对话与编程行为互动推动内在的认知加工。对于低龄学生而言，这种外在的互动需要借助脚本、脚手架等干预进行规范。支持编程过程的可视化表征①采用积木式代码表征抽象和模式识别后的编程概念；②通过算法执行步骤的分解和重构表征完整的问题解决过程；③通过编程工具对协作角色进行可视化。可视化编程的核心作用机制是培养学生对问题解决模式的应用与具象能力，以及根据可视化结果对问题解决模式的抽象概括能力。

2 研究未来展望

尽管本研究设计的面向计算思维的可视化编程活动背后的知识源于数学学科，但在设计问题情境的时候融入了大量科学与工程情境，如果学生缺少相应的科学知识，仅靠数学和编程知识是无法完成活动的。这是本研究在跨学科设计上存在的不足。与此相应，设计更具跨学科属性的STEAM理念下的可视化编程活动，是本研究未来的发展方向。

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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