编程教学对青少年高阶思想技艺展开的有效性研讨——基于 ...

本文发表于《数字教育》 2022年第 5期（总第 47期）特稿栏目，页码： 1-9。转载请注明出处。

摘要：编程教学被以为是培育计算思想、批判思想、发明力等21世纪才干和素养的重要伎俩，从整体上讨论编程教学对青少年高阶思想技艺展开的有效性，关于促进编程教学的深化展开具有重要意义。本研讨采用元剖析法，基于Web of Science、Scopus和CNKI数据库，对近5年31项国内外相关编程教学实验中止量化剖析，结果发现：编程教学对学生多种高阶思想技艺有中等促进作用，兼并效应值为0.612。相比其他高阶思想，编程教学对计算思想影响效果最大，对问题处置才干效果较小。同时，编程教学作用效果遭到教学学段、教学战略、编程方式等调理变量的影响。本研讨对未来编程教学提出了3条倡议：增强编程教学衔接性，促进学生思想技艺持续展开；充沛发挥项目式教学的优势，培育学生问题处置等相关才干；整合多种教学方式，追求更高编程价值。

关键词：编程教学；高阶思想技艺；青少年；元剖析；效应量

| 全文共10292字，倡议阅读时长10分钟 |

一、 问题提出

智能化时期，青少年编程教育逐步遭到关注，日益成为培育高新技术人才的重要伎俩。在展开编程教学的价值问题上，已有研讨表明编程教学可有效培育学生计算思想、批判思想、问题处置等高阶思想才干 [1]。国际上多个教育系统也在中止编程教学体系的开发和实施，芬兰、美国、澳大利亚、新加坡、日本等多个国度和地域都曾经将编程归入到国度课程规范中。与此同时，我国也认识到了青少年编程的重要性， 2017年出台的《新一代人工智能展开规划》中强调，要逐步推行编程教学，鼓舞培育人工智能人才；《教育信息化 2.0行动计划》指出要充实编程课程内容，完善课程计划和课程规范。

编程整体上能够有效促进学生创新思想、数学技艺、元认知、空间技艺以及推理才干 [2]。现有元剖析研讨也发现编程可显著促进学生认知展开，且方式不同的编程教学对学生的作用效果也不相同 [3]。还有一些学者聚焦可视化编程，进一步指出可视化编程教学中编程工具的运用以及学习周期的长短都会显著影响学生学习效果 [4]。但目前已有的元剖析文献短少编程对学生计算思想之外的高阶思想技艺展开效果要素研讨，且效果如何等细致问题还缺乏更明晰的剖析。

综合上述，本研讨主要从编程教学对青少年高阶思想技艺展开的影响角度动身，采用元剖析措施，讨论如下问题： (1)青少年编程能否能够促进学生多项高阶思想技艺的展开？ (2)青少年编程如何有效促进学生某项高阶思想技艺展开？ (3)哪些教学要素影响促进高阶思想展开？从而进一步发现编程教学存在的优势与缺乏，为我国青少年编程教学的展开提供倡议。

二、 文献综述

（一）青少年编程教学

传统的文本编程言语，好比 Java、 C++和 Python，固然具有与计算机工作思想相似的表白方式，但新手在学习此类编程言语时很容易遇到艰难。随着编程教育的不时展开，目前已呈现多种编程方式能够让学生更好地学习这项内容。由麻省理工学院开发的 Scratch是基于模块的编程工具，提供一种可视化编程环境，能够让学生运用更简单的操作指令来学习某些逻辑概念，完成编程活动。采用 Scratch编程教学，能够有效促进学生的发明力、逻辑思想和算法思想 [5]。 Alice和 Mixly等软件也有相似功用，这些编程言语易于了解，以动画形象提供程序的视觉反响，并且允许学生自己创作动画和游戏。这种可视化编程类型很合适在中小学展开学生计算思想。实体编程（ Tangible Programming）是一种基于理想实物的编程活动，具有较强的物理操作性、编程简约性、理想互动性等特性 [6]。不插电编程（ Unplugged Programming）属于实体编程的一种，它对学生的才干请求较低，合适小学阶段学生参与。不插电编程活动是指不用编写程序或运用计算机中止的活动，教员普通采用卡片、绳子、游戏或谜题向学生教授编程学问，旨在了解编程原理，感受编程过程的创新和乐趣。另外，电子元件、机器人设计等“通电”的实物编程活动也越来越遭到青少年的喜欢，特别在教育培训机构和课后拓展活动中，其被以为是培育学生编程兴味的有效伎俩之一。实体编程可有效促进学生剖析问题、处置问题以及沟通协作的才干。在带领学生入门编程时，机器人能够成为一个有效的教学工具。国外学者经过为期两周的 Arduino机器人编程项目活动发现，电子机器人设计可显著进步中学生的设计思想才干，并且在关于学生情感的讲演上发现，学生对机器人项目开发的自信得到了明显的进步 [7]。

编程教学效果普通会遭到编程教学战略的影响。我国中小学编程教学普通融入信息技术课程，并且在创客、 STEM中也有所表示。其中，最常采用的教学战略就是任务驱动学习，它基于一定真实问题和任务，让学生经过质疑、发现问题，中止调查、剖析，从而处置问题、取得学问、控制措施。与普通任务驱动学习不同的是，项目式学习请求学生在处置问题的基础上完成项目设计，并且教员会对其中止反响和鼓舞学生再发明 [8]。游戏化学习也是目前比较普遍的一种编程教学战略。基于游戏的学习是采用游戏方式取得特定学习成果的一种教学活动。这种游戏化的学习环境有助于学生强化学习动机、自我效能感以及学习编程的积极态度等 [9]。结对编程是指两名程序员分别表演不同角色（主要编程者和辅佐者），共同思索、协作开发一个产品。结对编程学习实质是一种协作学习，主要编程者和辅佐者的角色不是原封不动的，而是中止周期性的交流，在整个编程项目开发过程中和最终的成果为双方共同具有，其被以为是锻炼编程技艺、进步编程质量的重要措施。编程教学中也呈现了多种支持新手学习的框架模型，好比笼统层次框架、块模型等。除此之外，传统的授课方式，在编程教学中可能不太受欢送，由于编程需求学生积极有效的参与和普遍的理论，假如教员只是采用黑板教学或 PPT展示，可能只是抵达记忆编程概念而不是展开编程相关思想技艺的结果。

（二）编程教学中的高阶思想技艺培育

理查德· E.迈耶（ Richard E. Mayer）等人以为寻觅思想技艺和编程之间关系的最有效措施就是关注作为编程认知组成部分的高阶思想技艺 [10]。其中最具代表性的思想技艺就是计算思想，它被以为是 21世纪每个人都要控制的基本中心素养，周以真（ Wing J M）教授将其定义为一种运用计算机科学概念处置问题、设计系统和了解人类行为的方式 [11]。后来有学者将计算思想分为三个维度：计算概念（程序员所运用的概念）、计算理论（在编程过程中呈现的处置问题的理论）和计算视角（对自己、他人以及周围技术世界的了解和观念） [12]。国际教育技术协会（ International Society for Technology in Education，简称 ISTE）则以为，计算思想是一个人处置问题才干的延伸，是培育发明力和批判思想才干的一种伎俩。算法思想、创新思想、批判思想、协作思想和问题处置才干等是最近计算思想研讨中重复强调的五大思想技艺。

与以往对计算思想定义不同，新框架强调计算思想对学生高阶思想展开的影响。算法思想指的是经过发明性和逻辑思想正确排序某个流程中的各步骤，包含了解和结构化算法，是在编程开发中的一种关键才干。算法思想才干并不是独立的，它常常与处置问题的才干相分离。创新思想和批判思想在编程教学中也被以为是开发程序和处置问题的重要属性。人们应用批判思想技艺（即有效推理、系统思想和证据评价）来处置计算问题，基本上会触及处置结构、逻辑指令次第，设计开提问题的处置计划和计算复杂性等，在吸收学问的过程中批判性的剖析和创新性的思索极为重要。研讨表明，在处置问题的过程中，调动学生学习心理需求包含不同学问元素，并用发明性、批判性和深思性思想来剖析和看待它们之间的关系。在不同的教学战略中，协作学习被以为是一种有效学习编程的措施。协作思想触及学生与小组成员互动、协商、处置问题以及发明新产品的技艺。由此发现，编程的计算思想和其他高阶思想技艺密切相关，对未来人才培育、人工智能教育十分重要。

三、 研讨设计

（一）研讨措施

元剖析（ Meta-analysis）是一种量化的文献法，它依据特定主题，经过整理已有的实验研讨结果中止统计学再剖析。其特性是对统计结果再剖析并得出效应量，从而抵达进步统计效果、定量评价研讨结果、比较和考证研讨假定等目的。近年来，循证教育内涵不时丰厚，元剖析作为其技术伎俩之一，在教育范畴中被普遍应用。许多学者对一些主题的实验研讨中止概括、汇总与剖析，进而得出可供指导理论的二次证据 [13]。本文运用 Comprehensive Meta-analysis V2软件对选取的 31项关于青少年编程对思想技艺影响效果的实验或准实验研讨中止剖析，采用规范化平均差（ Standardized Mean Difference， SMD）作为效应量。

（二）文献检索

本研讨英文数据来源于 Web of Science（简称 “WoS”）和 Scopus数据库，检索类型为 “期刊 ”，依照关键词 “编码、编程或编程 ”（ coding or programming or program）、 “思想或技艺 ”（ thinking or ability）、 “研讨 ”（ study or research）、 “基础教育 ”（ K-12）中止检索，从 2017年 1月至 2021年 12月范围内英文中心期刊共有 459篇。中文数据来源于中国知网（ CNKI）数据库，检索主题词为 “编程教学 ”，共 73篇中文中心期刊。

（三）文献归入和扫除

本研讨制定了四条文献归入和扫除规范：（ 1）研讨主题必须是编程对思想技艺展开影响的内容。（ 2）研讨对象是青少年且研讨在基础教育阶段中小学展开，在幼儿园、大学或其他高等教育机构中展开的相关研讨就将会被扫除。（ 3）必须是相关的实验或准实验研讨，单组实验需求有前测和后测数据，双组或多组实验必须包含编程教学的实验组和与之对应的普通教学对照组。（ 4）所选文献数据完好，包含样本量、均值和方差等统计量，从而能够进一步计算效应量规范化平均差。

四、 研讨结果

（一）检索结果

在完成规范制定后，中止文献检索与选择（如图 1），经过阅读题目、摘要和全文后扫除了综述类、概念类以及不契合规范的文献，最终本研讨选择 31篇研讨文献，其中国内研讨 13篇，国外研讨 18篇。选择的每篇文献中都关注一个或多个思想技艺，同时有的文献对同一个思想技艺也采用不同的丈量过程。因而，最终归入元剖析的可用效应量共有 84项。

（二）文献编码

本研讨将编程教学作为自变量，将青少年高阶思想技艺展开的效果作为因变量。依据对已有文献的整理，其中高阶思想技艺细致划分为计算思想、算法思想、协作思想、创新思想、批判思想和问题处置才干。同时将不同窗段、不同教学战略、不同编程方式作为调理变量中止编码。编码结果如表 1所示。

（三）发表偏倚检验

元剖析需求对文献发表偏倚中止检验，从而降低所归入的独立研讨无法代表该范畴总体效果的倾向风险。本研讨运用漏斗图作为发表偏倚检验的可视化依据。如图 2所示，横坐标是独立研讨的效应量，纵坐标是规范误差。漏斗的中线代表本研讨中的平均效应值，两条漏斗线包抄的区域代表置信区间，圆圈代表产生独立效应量的研讨。当研讨样本量较小时，阐明其研讨精度较低，效应量圆圈就会散布在漏斗的底部，且较为分散；反之，大样本的研讨效应量圆圈就会散布在漏斗的顶部，并且会向中间汇集。从图中能够看出，研讨样本效应量整体呈现出以平均效应值为对称轴的对称性。由此能够阐明本研讨所选取的文献发表偏倚的可能性较小，所得数据具有较高的牢靠性。

（四）异质性剖析

异质性检验也是元剖析中不可短少的步骤，需求选择不同效应模型来消弭样本间的异质性。本研讨采用 I（研讨间变异所占的比例）统计量来代表研讨样本间的异质性，结果如表 2所示， I为 87.388%， Q=658.124 ( p =0.000) ，其中 Q为各研讨变异的规范化加权平方和。当 I=0时，不存在异质性；当 I<25%时，被以为存在较低异质性；当 25%≤ I ≤50% ，被以为存在中度异质性；当 I＞ 50%时，被以为存在高度异质性。若异质性较低（ I<50%），选择固定效应模型（ Fixed Effect Models，简称 FEM）；当异质性较高时（ I≥50%），选择随机效应模型（ Random Effect Models，简称 REM）。本研讨中 I=87.388%，证明研讨样本之间存在较大的差别性，因而，本研讨采用随机效应模型，兼并效应量为 0.612。

（五）编程教学对青少年高阶思想技艺展开的整体影响

本研讨整体兼并效应量为 0.612，阐明整体上青少年编程教学对其思想展开具有中度促进效果。依据雅各布 ·科恩（ Jacob Cohen）提出的效应量解释规范，当效应量小于 0.2时存在轻度影响，效应量在 0.2～ 0.8之间为中度影响，大于 0.8为显著影响。

在肯定编程教学对学生思想展开整体上具有促进效果的前提下，本研讨又对青少年编程教学的计算思想、算法思想、协作思想、创新思想、批判思想以及问题处置才干 6个维度中止了效果剖析，见表 3。依照效应量由高到低排序依次为计算思想（ 0.919）、算法思想（ 0.518）、协作思想（ 0.461）、创新思想（ 0.453）、批判思想（ 0.443）、问题处置才干（ 0.357）。能够发现，青少年编程教学对学生不同思想技艺具有明显不同水平的促进效果（ Q=16.125， p=0.006＜ 0.01），影响最大的是计算思想，相对较小的是问题处置才干，但效应量为 0.357阐明也具有中度促进效果。同时也能够看出，关注算法思想、协作思想、创新思想、批判思想的相关研讨没有整体的计算思想、问题处置才干的研讨数量多。

（六）调理变量对青少年高阶思想技艺展开的影响

本研讨的另一目的，是讨论编程教学中哪些调理变量会对学生高阶思想技艺展开产生影响，从而找到青少年编程教学有效展开的措施。因而，本研讨针对不同窗段、教学战略和编程方式对编程教学中学生高阶思想技艺展开的影响中止了进一步剖析。

1.不同窗段的影响

本研讨主要目的是讨论中小学校中编程教学的展开效果，由于小学案例较多，故将其划分为一至三年级的小学—低段和四至六年级的小学—高段。表 4结果显现，中学阶段效应量为 0.857（ Z=4.503， p＜ 0.001），比小学两个阶段的效应量均高，整体效应抵达显著水平。研讨结果还表明，小学 —低段展开编程教学研讨的数量要远远少于小学 —高段，但在促进学生才干展开方面的效应量却要更好。从组间差别来看， Q=5.367（ p=0.068＞ 0.05），表明编程教学对不同窗段学生思想技艺展开促进作用不存在显著差别。

2.不同教学战略的影响

为了调查在编程教学中采用不同教学战略对学生思想技艺展开的影响，本研讨分别将其划分为游戏化教学、任务驱动性学习、项目式学习、混合教学以及其他数学战略类型。游戏化编程触及在教学过程中运用多种游戏化的元素，例如积分、闯关、做任务等。本研讨中的其他教学战略主要是除此之外的普通教学法，如讲授式。

由表 5中能够看出，运用不同编程教学战略对促进学生思想技艺展开之间的影响存在差别（ Q=9.962， p=0.041＜ 0.05）。其中促进效果较大的是游戏化教学（ 0.872）和混合教学（ 0.765），相比效果较小的是项目式学习（ 0.538）和任务驱动性学习（ 0.485），而其他教学战略的促进效果最差（ 0.377）。另外，为了进一步了解不同年级编程教学中教学战略的运用状况，本研讨又对三个学段中不同教学战略的运用频率中止了对比。其中游戏化教学在小学 —低段中用的频率较高（ 46.15%），而项目式学习随着年级的增长，运用频率逐步增加。

3.不同编程方式的影响

傅骞等学者以为编程的主要方式为文本编程、图形化编程和实体编程三种 [14]。另外，孙立会等将编程工具划分为文本编程、有形编程、教育机器人技术以及图形化编程 [15]。所以依据研讨，本文分离所归入的案例，将编程方式分为可视化编程、不插电编程以及电子机器人实体编程。如表 6所示，不同编程方式的运用会对学生不同思想技艺展开产生差别性效果（ Q=7.107， p=0.029＜ 0.05）。其中整体上依照效应值从高到低依次排序为不插电编程（ 0.835），电子、机器人实体编程（ 0.732）和可视化编程（ 0.483）。

五、 研讨结论

本研讨针对 31项有关青少年编程高阶思想技艺培育的实验和准实验中止了元剖析，同时也对相关文献中止了整体梳理，依据二者结果对编程关于青少年高阶思想技艺展开的效果中止了客观的讨论。从整体上能够发现编程教学能够有效促进中小学学生高阶思想技艺的展开，总体效应值抵达 0.612，并且关于计算思想、算法思想的促进效果最大。这也再一次证明了编程教学是展开学生计算思想的有效活入伎俩。另外，在整体效果剖析的基础上，本文又将调理变量分为学习学段、教学战略、教授的编程方式三种，细致剖析了效果和差别，得出以下结论。

（一）编程教学对青少年高阶思想技艺均具有积极促进作用

上述结果表明，编程教学对青少年高阶思想，表往常计算思想、算法思想、协作思想、创新思想、批判思想和问题处置才干均有促进作用，但表示力不同，细致体往常计算思想最佳（ 0.919）、算法思想、协作思想、创新思想、批判思想分别次之，而在问题处置才干方面最低（ 0.357）。总体看来，本研讨足以证明出编程教学对青少年多种编程高阶思想技艺的促进作用。但从效应量来看，编程教学如何在促进其他高阶思想方面中止教学活动或战略的设计，以破解大多数学生在学习编程中都会遇到的艰难 [16]，制定相应的计划和改进教学目的的定位也是必要思索的要素。

（二）不同变量对学生高阶思想技艺展开的调理效应

固然在学段分类方面，不同年级学生编程思想技艺展开的差别性不显著，但整体看来，中学生的效果更好。这可能是由于中学生思想展开的特性契合更深层的编程教学，该阶段的学生笼统逻辑思想逐步占优势，并且辩证思想开端进一步展开。同时，经过小学阶段学习的积聚，中学生能够更好天文解和学习到新的、更难的编程学问 [17]。但在小学教学中，调查结果发现编程对低段的学生影响效果比高段的好。这阐明了在小学教学中还存在着影响学生学习编程的其他要素，障碍高段学生思想技艺的展开。

不同教学战略对学生思想技艺展开影响的效果不同，游戏化教学的运用效果最为显著。这可能是由于基于游戏的学习更能吸收学生学习兴味，减轻学习焦虑 [18]，从而进步学生的参与度与学习效果。经过游戏来展示学习计划和编程概念，能够刺激学生在学校中完成正式学习 [19]。另外，项目式教学的运用比例随着学生年级的提升而增加。项目式教学是近年来较为盛行的教学战略之一，它强调问题情境导入、小组协作学习以及产品项目的设计等。

教学中的不同编程方式关于培育学生高阶思想技艺方面有着明显的差别性。其中，可视化编程的展开范围较广，但效果却没有不插电编程作用大。不插电编程不需求计算机网络设备，能够离线完成，被以为是学生持续编程的有效起点，由于它的重点是算法——更高级计算机编程的先决条件 [20]。因而，不插电编程方式能够改动学生对计算机编程的见地，确保他们重点关注概念和思想。另外，可视化编程作为另一种简化的编程机制，是近年来运用较广的编程教学方式。其用直观的拖放措施取代传统的代码输入，能够为学习者提供支持，从而鼓舞学习者学习。但本研讨结果显现，此种编程方式固然应用普遍，但是效果仍需提升。

六、 研讨倡议

分离元剖析和相关文献结果，能够发现编程教学对青少年高阶思想技艺的积极促进作用。另外，从本研讨的数据剖析结果也能够看出，不同的教学学段、教学战略以及编程方式对编程教学会呈现不同的影响效果。因而青少年编程教学能够针对细致教学措施，分离环境、资料、系统等要素，中止合理的规划和设计，以更好地展开学生高阶思想技艺，助力新时期人才培育。最后，本研讨提出以下启示与倡议。

（一）进一步增强基础教育学段编程教学的衔接性，促进思想技艺持续展开

整体看来，编程教学在不同窗段的效果存在动摇现象，这可能是学生学习心理差别、教员教学布置不当或教学目的含糊等缘由构成的。编程教学作为展开学生高阶思想技艺的重要伎俩，应在教学理论中增强学段的衔接性，完成学生思想技艺持续展开。因而，关于未来编程教学目的的确定和活动的理论，应关注学生心理认知展开规律，了解学习者学习现状，循序渐进，经过合理地、科学地设计教学计划，来保障编程教学对学生在思想技艺展开方面的有效性。同时能够经过树立“家校社”多方协同机制 [21]，丰厚编程内容与学习资源，创新编程教学战略措施，激起小学生编程学习兴味，从而在进步意愿的状况下，提升其教学效果。

（二）关注编程教学中的项目式教学，充沛培育问题处置等相关才干

在编程活动中，大多数学生在处置问题、制定计划以及有效实施编程程序方面会遇到艰难。目前，项目式教学作为培育学生问题处置才干的有效伎俩，在教学理论中成为焦点。项目式教学是一种创新型建构主义教学措施，它经过分离真实情境，设置驱动问题，让学生在协作探求中完成项目制造，从而培育学生问题处置等一系列才干。但由于项目式教学理论起来需求破费足够的时间，且中间的评价环节假如不能较好地掌握，就会影响其实践的效果 [22]。为此，编程教学中的项目式战略，需求进一步分离学情，做到师生共导，用项目引领层级任务 [23]，引导学生笼统和合成问题，从而锻炼多种编程思想技艺的展开。特别是在对学生中止多元评价后，让学生能够有耐烦继续修正作品，从而能够完益处置相应问题。

（三）整合多种编程教学方式，追求更高教学价值

分离文献研讨发现，在一定水平上，可视化编程有利于培育学生创新思想和操作技艺，能够辅佐新手在中小学中更快天文解基本编程概念；不插电编程有利于培育学生算法思想和逻辑思想，而且有研讨显现，此种教学工具多与游戏化教学相分离，更具有兴味性；而电子元件、机器人实体编程有利于培育学生设计思想和产品开发才干，能够吸收学生留意力，减少学习焦虑。好比，电子机器人实体编程能够与 STEM、物理或其他较难的课程相分离，让学生更容易了解和接受课程内容，并且在入手操作的同时进步问题处置以及产品开发的才干。所以，为了追求编程教学高效的价值，分离学生、教学等多方面要素，找到最佳的教学工具从而与教学目的相匹配，也是我们今后理论和研讨需求关注的重点。

七、 结语

本研讨采用了教育范畴中比较常用的元剖析措施，试图客观剖析编程教学对青少年高阶思想技艺展开影响的有效性。从数据剖析结果中能够发现，整体上编程教学会对学生计算思想、算法思想、协作思想、创新思想、批判思想和问题处置才干起到中等水平的促进作用。同时，本研讨还关于编程教学中不同窗段、不同教学战略、不同编程方式对思想展开影响的有效性做了进一步剖析，希望为我国编程教学提高及相关课程的展开提供一些理论思绪。但元剖析措施自身存在的局限性，使得研讨成果还有待进一步改进和完善，例如思索定量研讨与质性研讨相分离的措施，全面剖析和了解编程教学对青少年思想技艺展开的影响效果。相关方面研讨也应展开更多不同年龄段的实证剖析，丰厚和充实我国编程教育研讨。

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作者简介：

董艳（ 1973—），女，河南温县人，教授、博士生导师，研讨方向为面向未来的学与教、 STEM教育与 PBL项目化学习、反响素养；

吴佳明（ 1998—），女，河北秦皇岛人，硕士研讨生，研讨方向为 STEM教育、编程教学；

郑娅峰（ 1979—），女，河南洛阳人，教授、硕士生导师，研讨方向为学习剖析、教育数据发掘、教育数据可视化；

翟雪松（ 1981—），男，安徽泾县人，特聘研讨员、博士生导师，研讨方向为聪慧学习环境、教育信息系统、教育技术与配备；

杨洋（ 1983—），男，山东青岛人，讲师、硕士生导师，研讨方向为科学教学设计、教员职业展开、丈量与评价。

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