基于游戏化不插电的计算思维活动课堂研究

2022-11-24冯祖扬朱彩凤浙江省杭州市滨江区教育研究院310000

教学管理与教育研究 2022年19期

冯祖扬朱彩凤（浙江省杭州市滨江区教育研究院 310000）

近年来，国家层面频频出台政策支持青少年计算机科学教育的发展，而“计算思维”作为计算机科学教育培养的关键目标，受到了教育学界的广泛关注，并于2017年正式被写入国家课程标准。目前，许多研究人员研究不插电编程的计算思维活动，他们表明不插电编程能够以游戏化的动觉方式可视化计算概念和算法规则，帮助新手程序员学习计算机科学知识。不插电编程的创建者之一Tim Bell声称，不插电编程不仅是为了模拟计算机的过程，而且是为了让学生有机会探索计算机科学的基本思想，而不被编码所需的技术专门知识所束缚。与此同时也有研究表明，相比于传统编程教学，在计算机科学的教学过程中开展不插电编程的方式更有益于提升学生的计算机科学知识、计算思维和编程态度。因此，开展不插电编程教学提升学生的计算思维是帮助他们解决实际问题的关键。

通过调查，笔者发现：关于不插电的计算思维活动有效开展的路径，以及其对计算思维、编程态度的影响很少有文献研究。因此，本文将通过一学期的教学案例探究基于游戏化不插电的计算思维活动的可行性及教学效果。

一、理论基础和研究假设

1.计算思维

计算思维是指个体运用于计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案过程中产生的一系列思维活动。具备计算思维的学生，在信息活动中能够采用计算机处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，运用合理的算法形成解决问题的方案，迁移到与之相关的其他问题解决中。

2.不插电计算机科学

不插电计算机科学，指不依赖计算设备培养计算思维以及学习计算机科学概念的活动，可以通过角色扮演、操纵实物以及身体动作完成，甚至可以学到更具体的主题，如编程语言、程序设计等。

3.教育理念

教育理念主要依据陶行知的创造教育理念，以生活为中心，塑造学生创造的意识、精神、志向、思维，是立足生命教育的高度，从真善美角度培养“活人”，以充分发挥学生生命潜能的教育。

4.研究内容

本研究主要谈论以下几方面的问题：不插电的计算思维活动如何有效开展？不插电的计算思维活动是否能够提升学生的计算机科学知识、计算思维和编程态度？性别是否会对学生的不插电学习效果有一定的影响？数学能力是否会对学生的不插电编程的教学效果有一定的影响作用？基于以上研究问题，本文将开展实证研究，并总结反思一学期的不插电教学案例。

二、研究过程与方法

1.研究对象

以杭州市某初中参与信息技术课程的学生为研究对象，学生的年龄范围在12～15岁之间。

2.研究设计

（1）不插电的计算思维活动

计算思维活动是基于无机环境进行的教学设计与实施。笔者设计并整理了一套“不插电的计算机科学”的教学案例。信息技术课堂是基于不插电的计算思维活动展开，通过游戏体验和动画模拟的方式将计算机理论知识形象化，帮助学生理解计算机的内部运行机制，以此提升学生学习效果。

（2）课程实施情况介绍

不插电的计算机科学课程是以游戏化教学策略为主，游戏化教学中的仿真性和趣味性对于学生的学习效果至关重要。同时，在每节课教学中，我们都需要使用导学案和及时反馈工具将学生的学习过程的数据采集并分析，深度掌握学生学情。教学设计如下：①情境导入——生活影视或场景助力学生激发兴趣；②新知探究——动画设计助力学生理解抽象概念；③合作探究——模拟游戏助力学生内化计算思维；④课堂总结——及时反馈帮助学生提升学习动力。

（3）实验方案

从准实验和调查研究的角度分析学生的学习行为，笔者对学生进行了计算机科学知识水平、计算思维和编程态度的前、后测，并采用定性与定量的方法进行了数据分析，通过分析结论掌握学生的学情，保证实验的科学性。

（4）数据处理

通过问卷调查的形式进行数据的收集，使用spss做描述性统计分析和相关分析进行数据的整理和验证；使用词云分析学生的访谈内容，以求获得全面的数据。

三、研究结果

1.描述性统计分析结果

使用spss首先对计算机科学知识、计算思维和编程态度各变量进行平均数等描述性统计分析。结果表明，经过一学期的不插电的计算机科学的学习，学生的计算机科学知识、计算思维和编程态度均有一定的提升，且计算机科学知识和计算思维显著提升，男生三项数据的均值比女生高，数学成绩越好的学生三项数据的均值越高。

2.相关分析和验证性分析结果

使用非参数检验的方法验证表明性别在编程态度中具有统计学差异，尤其是在前测中更具有显著性，即男生在编程态度中得分更高，而性别对计算机科学知识、计算思维等的影响不具有统计学差异。

使用相关分析探究数学与不插电的计算思维活动效果的关系，结果显示数学成绩与计算机科学知识、计算思维具有显著的正相关，而与编程态度没有相关性。使用非参数检验的方法验证表明数学能力在计算机科学知识中具有统计学差异，即数学成绩优秀的学生，其计算机科学知识的提升水平相比于数学成绩良好和不及格的学生，提升水平显著。

3.词云分析

前测访谈词云分析图中“思维”“科学”“数学”“编程”比重比较大，后测访谈词云分析图中“二进制”“奇偶校验”“同学”“有趣”“体验”比重比较大。词云图显示在进行不插电的计算思维活动教学前，学生比较关注思维层面的提高，同时认为科学和数学基础对于本门课程的学习具有比较大的影响。在课程结束后，大部分学生掌握了二进制、奇偶校验等计算机科学基础知识。另外，后测中出现了大量的“同学”字样，这也体现了游戏化教学培养了学生的合作能力，提高了学生的合作意识。

四、结论与展望

1.结论

（1）不插电的计算思维活动能够有效提升学生的计算机科学知识、计算思维和编程态度。（2）数学成绩越好，学生的计算机科学知识水平越高，计算思维能力越强。（3）数学成绩越好，学生的计算机科学知识、计算思维的提升水平越高；数学成绩一般或不及格的学生，提升水平不明显。（4）男生的编程态度比女生更好，而学生的计算机科学知识和计算思维不受性别影响。

2.研究结果

通过课程实验前后测的数据，统计分析得出学生的计算机科学知识、计算思维和编程态度明显提升。一方面，数学能力对于学生的计算机科学知识的获取和计算思维的提升具有重要影响；另一方面，数学成绩越好的学生，计算机科学知识的提升水平越快。因此，我们在关注学生编程能力的同时也应该关注学生数学知识的储备，帮助学生提升数学能力可以有效提升其编程能力。同时我们也要设计适合学生学习的编程教学，课程内容切合学生的基础能力。

通过量表和访谈的方式获取到学生的编程态度，在融入“不插电的计算思维活动”的信息技术课程中，学生编程态度确实有一定程度的提升，学习编程的兴趣增加，也更加有自信；同时注意力相对比较集中，学习积极性和参与度非常高，具有比较好的学习氛围。因此，我们在以后的编程教学中可以将不插电的计算思维活动作为我们编程课程的一部分，进而有效提高学生的兴趣和信心。另外，我们也注意到编程态度受性别的影响非常大，因此教师在教学过程中应该更加关注女生的编程学习，帮助她们提高兴趣和自信心。

研究结果揭示了编程学习的成效与性别无关，而数学能力的高低与之具有非常大的相关性。因此，教师在进行教学的过程中需要摈弃“男生适合学习编程”的传统观念，对待学生一视同仁，针对男女生制定同样的教学目标和标准，积极鼓励女生，提高她们编程积极性，同时也鼓励数学成绩较差的学生，努力提高数学成绩，从而提高自身的编程技能。