編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維技能發(fā)展的有效性研究
——基于國內(nèi)外近5年31項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的元分析

董艷 吳佳明 鄭婭峰 翟雪松 楊洋

（1.北京師范大學(xué) 教育學(xué)部，北京 100895； 2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450016； 3.浙江大學(xué) 教育學(xué)院，浙江 杭州 310058； 4.北京師范大學(xué)珠海校區(qū) 人文高等社會(huì)科學(xué)研究院，廣東 珠海 519087）

一、問題提出

智能化時(shí)代，青少年編程教育逐漸受到關(guān)注，日益成為培養(yǎng)高新技術(shù)人才的重要手段。在開展編程教學(xué)的價(jià)值問題上，已有研究表明編程教學(xué)可有效培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、批判思維、問題解決等高階思維能力[1]。國際上多個(gè)教育系統(tǒng)也在進(jìn)行編程教學(xué)體系的開發(fā)和實(shí)施，芬蘭、美國、澳大利亞、新加坡、日本等多個(gè)國家和地區(qū)都已經(jīng)將編程納入到國家課程標(biāo)準(zhǔn)中。與此同時(shí)，我國也認(rèn)識(shí)到了青少年編程的重要性，2017年出臺(tái)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)，要逐步推廣編程教學(xué)，鼓勵(lì)培養(yǎng)人工智能人才；《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》指出要充實(shí)編程課程內(nèi)容，完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)。

編程整體上可以有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維、數(shù)學(xué)技能、元認(rèn)知、空間技能以及推理能力[2]。現(xiàn)有元分析研究也發(fā)現(xiàn)編程可顯著促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，且形式不同的編程教學(xué)對(duì)學(xué)生的作用效果也不相同[3]。還有一些學(xué)者聚焦可視化編程，進(jìn)一步指出可視化編程教學(xué)中編程工具的使用以及學(xué)習(xí)周期的長短都會(huì)顯著影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果[4]。但目前已有的元分析文獻(xiàn)缺少編程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維之外的高階思維技能發(fā)展效果因素研究，且效果如何等具體問題還缺乏更清晰的分析。

綜合上述，本研究主要從編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維技能發(fā)展的影響角度出發(fā)，采用元分析方法，探討如下問題：(1)青少年編程是否能夠促進(jìn)學(xué)生多項(xiàng)高階思維技能的發(fā)展？(2)青少年編程如何有效促進(jìn)學(xué)生某項(xiàng)高階思維技能發(fā)展？(3)哪些教學(xué)因素影響促進(jìn)高階思維發(fā)展？從而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)編程教學(xué)存在的優(yōu)勢與不足，為我國青少年編程教學(xué)的開展提供建議。

二、文獻(xiàn)綜述

（一）青少年編程教學(xué)

傳統(tǒng)的文本編程語言，比如Java、C++和Python，雖然具有與計(jì)算機(jī)工作思維類似的表達(dá)方式，但新手在學(xué)習(xí)此類編程語言時(shí)很容易遇到困難。隨著編程教育的不斷發(fā)展，目前已出現(xiàn)多種編程方式可以讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)這項(xiàng)內(nèi)容。由麻省理工學(xué)院開發(fā)的Scratch是基于模塊的編程工具，提供一種可視化編程環(huán)境，可以讓學(xué)生使用更簡單的操作指令來學(xué)習(xí)某些邏輯概念，完成編程活動(dòng)。采用Scratch編程教學(xué)，可以有效促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造力、邏輯思維和算法思維[5]。Alice和Mixly等軟件也有相似功能，這些編程語言易于理解，以動(dòng)畫形象提供程序的視覺反饋，并且允許學(xué)生自己創(chuàng)作動(dòng)畫和游戲。這種可視化編程類型很適合在中小學(xué)發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維。實(shí)體編程（Tangible Programming）是一種基于現(xiàn)實(shí)實(shí)物的編程活動(dòng)，具有較強(qiáng)的物理操作性、編程簡潔性、現(xiàn)實(shí)互動(dòng)性等特點(diǎn)[6]。不插電編程（Unplugged Programming）屬于實(shí)體編程的一種，它對(duì)學(xué)生的能力要求較低，適合小學(xué)階段學(xué)生參與。不插電編程活動(dòng)是指不用編寫程序或使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的活動(dòng)，教師一般采用卡片、繩子、游戲或謎題向?qū)W生教授編程知識(shí)，旨在理解編程原理，感受編程過程的創(chuàng)新和樂趣。另外，電子元件、機(jī)器人設(shè)計(jì)等“通電”的實(shí)物編程活動(dòng)也越來越受到青少年的喜歡，尤其在教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)和課后拓展活動(dòng)中，其被認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生編程興趣的有效手段之一。實(shí)體編程可有效促進(jìn)學(xué)生分析問題、解決問題以及溝通合作的能力。在帶領(lǐng)學(xué)生入門編程時(shí)，機(jī)器人可以成為一個(gè)有效的教學(xué)工具。國外學(xué)者通過為期兩周的Arduino機(jī)器人編程項(xiàng)目活動(dòng)發(fā)現(xiàn)，電子機(jī)器人設(shè)計(jì)可顯著提高中學(xué)生的設(shè)計(jì)思維能力，并且在關(guān)于學(xué)生情感的報(bào)告上發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)機(jī)器人項(xiàng)目開發(fā)的自信得到了明顯的提高[7]。

編程教學(xué)效果一般會(huì)受到編程教學(xué)策略的影響。我國中小學(xué)編程教學(xué)一般融入信息技術(shù)課程，并且在創(chuàng)客、STEM中也有所體現(xiàn)。其中，最常采用的教學(xué)策略就是任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，它基于一定真實(shí)問題和任務(wù)，讓學(xué)生通過質(zhì)疑、發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行調(diào)查、分析，從而解決問題、獲得知識(shí)、掌握方法。與一般任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)不同的是，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)要求學(xué)生在解決問題的基礎(chǔ)上完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并且教師會(huì)對(duì)其進(jìn)行反饋和鼓勵(lì)學(xué)生再創(chuàng)造[8]。游戲化學(xué)習(xí)也是目前比較普遍的一種編程教學(xué)策略。基于游戲的學(xué)習(xí)是采用游戲形式獲得特定學(xué)習(xí)成果的一種教學(xué)活動(dòng)。這種游戲化的學(xué)習(xí)環(huán)境有助于學(xué)生強(qiáng)化學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、自我效能感以及學(xué)習(xí)編程的積極態(tài)度等[9]。結(jié)對(duì)編程是指兩名程序員分別扮演不同角色（主要編程者和協(xié)助者），共同思考、合作開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品。結(jié)對(duì)編程學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)是一種協(xié)作學(xué)習(xí)，主要編程者和協(xié)助者的角色不是一成不變的，而是進(jìn)行周期性的交換，在整個(gè)編程項(xiàng)目開發(fā)過程中和最終的成績?yōu)殡p方共同擁有，其被認(rèn)為是訓(xùn)練編程技能、提高編程質(zhì)量的重要方法。編程教學(xué)中也出現(xiàn)了多種支持新手學(xué)習(xí)的框架模型，比如抽象層次框架、塊模型等。除此之外，傳統(tǒng)的授課形式，在編程教學(xué)中可能不太受歡迎，因?yàn)榫幊绦枰獙W(xué)生積極有效的參與和廣泛的實(shí)踐，如果教師只是采用黑板教學(xué)或PPT展示，可能只是達(dá)到記憶編程概念而不是發(fā)展編程相關(guān)思維技能的結(jié)果。

（二）編程教學(xué)中的高階思維技能培養(yǎng)

理查德.E.邁耶（Richard E. Mayer）等人認(rèn)為尋找思維技能和編程之間關(guān)系的最有效方法就是關(guān)注作為編程認(rèn)知組成部分的高階思維技能[10]。其中最具代表性的思維技能就是計(jì)算思維，它被認(rèn)為是21世紀(jì)每個(gè)人都要掌握的基本核心素養(yǎng)，周以真（Wing J M）教授將其定義為一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)概念解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的方式[11]。后來有學(xué)者將計(jì)算思維分為三個(gè)維度：計(jì)算概念（程序員所使用的概念）、計(jì)算實(shí)踐（在編程過程中出現(xiàn)的解決問題的實(shí)踐）和計(jì)算視角（對(duì)自己、他人以及周圍技術(shù)世界的理解和觀念）[12]。國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society for Technology in Education，簡稱ISTE）則認(rèn)為，計(jì)算思維是一個(gè)人解決問題能力的延伸，是培養(yǎng)創(chuàng)造力和批判思維能力的一種手段。算法思維、創(chuàng)新思維、批判思維、合作思維和問題解決能力等是最近計(jì)算思維研究中反復(fù)強(qiáng)調(diào)的五大思維技能。

與以往對(duì)計(jì)算思維定義不同，新框架強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維對(duì)學(xué)生高階思維發(fā)展的影響。算法思維指的是通過創(chuàng)造性和邏輯思維正確排序某個(gè)流程中的各步驟，包括理解和結(jié)構(gòu)化算法，是在編程開發(fā)中的一種關(guān)鍵能力。算法思維能力并不是獨(dú)立的，它往往與解決問題的能力相結(jié)合。創(chuàng)新思維和批判思維在編程教學(xué)中也被認(rèn)為是開發(fā)程序和解決問題的重要屬性。人們利用批判思維技能（即有效推理、系統(tǒng)思維和證據(jù)評(píng)估）來處理計(jì)算問題，基本上會(huì)涉及處理結(jié)構(gòu)、邏輯指令順序，設(shè)計(jì)開發(fā)問題的解決方案和計(jì)算復(fù)雜性等，在吸收知識(shí)的過程中批判性的分析和創(chuàng)新性的思考極為重要。研究表明，在解決問題的過程中，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)心理需要包括不同知識(shí)元素，并用創(chuàng)造性、批判性和反思性思維來分析和看待它們之間的關(guān)系。在不同的教學(xué)策略中，合作學(xué)習(xí)被認(rèn)為是一種有效學(xué)習(xí)編程的方法。合作思維涉及學(xué)生與小組成員互動(dòng)、協(xié)商、解決問題以及創(chuàng)造新產(chǎn)品的技能。由此發(fā)現(xiàn)，編程的計(jì)算思維和其他高階思維技能密切相關(guān)，對(duì)未來人才培養(yǎng)、人工智能教育非常重要。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究方法

元分析（Meta-analysis）是一種量化的文獻(xiàn)法，它依據(jù)特定主題，通過整理已有的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)再分析。其特點(diǎn)是對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果再分析并得出效應(yīng)量，從而達(dá)到提高統(tǒng)計(jì)功效、定量評(píng)價(jià)研究結(jié)果、比較和驗(yàn)證研究假設(shè)等目的。近年來，循證教育內(nèi)涵不斷豐富，元分析作為其技術(shù)手段之一，在教育領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。許多學(xué)者對(duì)一些主題的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行概括、匯總與分析，進(jìn)而得出可供指導(dǎo)實(shí)踐的二次證據(jù)[13]。本文使用Comprehensive Metaanalysis V2 軟件對(duì)選取的31項(xiàng)關(guān)于青少年編程對(duì)思維技能影響效果的實(shí)驗(yàn)或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行分析，采用標(biāo)準(zhǔn)化平均差（Standardized Mean Difference，SMD）作為效應(yīng)量。

（二）文獻(xiàn)檢索

本研究英文數(shù)據(jù)來源于Web of Science（簡稱“WoS”）和Scopus數(shù)據(jù)庫，檢索類型為“期刊”，按照關(guān)鍵詞“編碼、編程或編程”（coding or programming or program）、“思維或技能”（thinking or ability）、“研究”（study or research）、 “基礎(chǔ)教育”（K-12）進(jìn)行檢索，從2017年1月至2021年12月范圍內(nèi)英文核心期刊共有459篇。中文數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫，檢索主題詞為“編程教學(xué)”，共73篇中文核心期刊。

（三）文獻(xiàn)納入和排除

本研究制定了四條文獻(xiàn)納入和排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）研究主題必須是編程對(duì)思維技能發(fā)展影響的內(nèi)容。（2）研究對(duì)象是青少年且研究在基礎(chǔ)教育階段中小學(xué)開展，在幼兒園、大學(xué)或其他高等教育機(jī)構(gòu)中開展的相關(guān)研究就將會(huì)被排除。（3）必須是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，單組實(shí)驗(yàn)需要有前測和后測數(shù)據(jù)，雙組或多組實(shí)驗(yàn)必須包括編程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組和與之對(duì)應(yīng)的普通教學(xué)對(duì)照組。（4）所選文獻(xiàn)數(shù)據(jù)完整，包括樣本量、均值和方差等統(tǒng)計(jì)量，從而可以進(jìn)一步計(jì)算效應(yīng)量標(biāo)準(zhǔn)化平均差。

四、研究結(jié)果

（一）檢索結(jié)果

在完成標(biāo)準(zhǔn)制定后，進(jìn)行文獻(xiàn)檢索與篩選（如下頁圖1），通過閱讀題目、摘要和全文后排除了綜述類、概念類以及不符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)，最終本研究選擇31篇研究文獻(xiàn)，其中國內(nèi)研究13篇，國外研究18篇。選擇的每篇文獻(xiàn)中都關(guān)注一個(gè)或多個(gè)思維技能，同時(shí)有的文獻(xiàn)對(duì)同一個(gè)思維技能也采用不同的測量過程。因此，最終納入元分析的可用效應(yīng)量共有84項(xiàng)。

（二）文獻(xiàn)編碼

本研究將編程教學(xué)作為自變量，將青少年高階思維技能發(fā)展的效果作為因變量。根據(jù)對(duì)已有文獻(xiàn)的整理，其中高階思維技能具體劃分為計(jì)算思維、算法思維、合作思維、創(chuàng)新思維、批判思維和問題解決能力。同時(shí)將不同學(xué)段、不同教學(xué)策略、不同編程形式作為調(diào)節(jié)變量進(jìn)行編碼。編碼結(jié)果如表1所示。

圖1 文獻(xiàn)檢索與篩選過程

表1 調(diào)節(jié)變量特征值編碼表

（三）發(fā)表偏倚檢驗(yàn)

元分析需要對(duì)文獻(xiàn)發(fā)表偏倚進(jìn)行檢驗(yàn)，從而降低所納入的獨(dú)立研究無法代表該領(lǐng)域總體效果的偏差風(fēng)險(xiǎn)。本研究使用漏斗圖作為發(fā)表偏倚檢驗(yàn)的可視化依據(jù)。如圖2所示，橫坐標(biāo)是獨(dú)立研究的效應(yīng)量，縱坐標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)誤差。漏斗的中線代表本研究中的平均效應(yīng)值，兩條漏斗線包圍的區(qū)域代表置信區(qū)間，圓圈代表產(chǎn)生獨(dú)立效應(yīng)量的研究。當(dāng)研究樣本量較小時(shí)，說明其研究精度較低，效應(yīng)量圓圈就會(huì)分布在漏斗的底部，且較為分散；反之，大樣本的研究效應(yīng)量圓圈就會(huì)分布在漏斗的頂部，并且會(huì)向中間聚集。從圖中可以看出，研究樣本效應(yīng)量整體呈現(xiàn)出以平均效應(yīng)值為對(duì)稱軸的對(duì)稱性。由此可以說明本研究所選取的文獻(xiàn)發(fā)表偏倚的可能性較小，所得數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。

圖2 發(fā)表偏倚檢驗(yàn)漏斗圖

（四）異質(zhì)性分析

異質(zhì)性檢驗(yàn)也是元分析中不可缺少的步驟，需要選擇不同效應(yīng)模型來消除樣本間的異質(zhì)性。本研究采用I2（研究間變異所占的比例）統(tǒng)計(jì)量來代表研究樣本間的異質(zhì)性，結(jié)果如表2 所示，I2為87.388%，Q =658.124 (p = 0.000)，其中Q為各研究變異的標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平方和。當(dāng)I2 = 0時(shí)，不存在異質(zhì)性；當(dāng)I2< 25%時(shí)，被認(rèn)為存在較低異質(zhì)性；當(dāng)25%≤I2≤50%，被認(rèn)為存在中度異質(zhì)性；當(dāng)I2＞50%時(shí)，被認(rèn)為存在高度異質(zhì)性。若異質(zhì)性較低（I2<50%），選擇固定效應(yīng)模型（Fixed Effect Models，簡稱FEM）；當(dāng)異質(zhì)性較高時(shí)（I2≥50%），選擇隨機(jī)效應(yīng)模型（Random Effect Models，簡稱REM）。本研究中I2= 87.388%，證明研究樣本之間存在較大的差異性，因此，本研究采用隨機(jī)效應(yīng)模型，合并效應(yīng)量為0.612。

表2 異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果

（五）編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維技能發(fā)展的整體影響

本研究整體合并效應(yīng)量為0.612，說明整體上青少年編程教學(xué)對(duì)其思維發(fā)展具有中度促進(jìn)效果。根據(jù)雅各布·科恩（Jacob Cohen）提出的效應(yīng)量解釋標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)效應(yīng)量小于0.2時(shí)存在輕度影響，效應(yīng)量在0.2～0.8之間為中度影響，大于0.8為顯著影響。

在確定編程教學(xué)對(duì)學(xué)生思維發(fā)展整體上具有促進(jìn)效果的前提下，本研究又對(duì)青少年編程教學(xué)的計(jì)算思維、算法思維、合作思維、創(chuàng)新思維、批判思維以及問題解決能力6個(gè)維度進(jìn)行了效果分析，見表3。按照效應(yīng)量由高到低排序依次為計(jì)算思維（0.919）、算法思維（0.518）、合作思維（0.461）、創(chuàng)新思維（0.453）、批判思維（0.443）、問題解決能力（0.357）。可以發(fā)現(xiàn)，青少年編程教學(xué)對(duì)學(xué)生不同思維技能具有明顯不同程度的促進(jìn)效果（Q= 16.125，p= 0.006＜0.01），影響最大的是計(jì)算思維，相對(duì)較小的是問題解決能力，但效應(yīng)量為0.357說明也具有中度促進(jìn)效果。同時(shí)也可以看出，關(guān)注算法思維、合作思維、創(chuàng)新思維、批判思維的相關(guān)研究沒有整體的計(jì)算思維、問題解決能力的研究數(shù)量多。

（六）調(diào)節(jié)變量對(duì)青少年高階思維技能發(fā)展的影響

本研究的另一目的，是探討編程教學(xué)中哪些調(diào)節(jié)變量會(huì)對(duì)學(xué)生高階思維技能發(fā)展產(chǎn)生影響，從而找到青少年編程教學(xué)有效開展的辦法。因此，本研究針對(duì)不同學(xué)段、教學(xué)策略和編程形式對(duì)編程教學(xué)中學(xué)生高階思維技能發(fā)展的影響進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

表3 青少年編程教學(xué)對(duì)思維技能發(fā)展的影響

1.不同學(xué)段的影響

本研究主要目的是探討中小學(xué)校中編程教學(xué)的開展效果，由于小學(xué)案例較多，故將其劃分為一至三年級(jí)的小學(xué)—低段和四至六年級(jí)的小學(xué)—高段。表4結(jié)果顯示，中學(xué)階段效應(yīng)量為0.857（Z= 4.503，p＜0.001），比小學(xué)兩個(gè)階段的效應(yīng)量均高，整體效應(yīng)達(dá)到顯著水平。研究結(jié)果還表明，小學(xué)—低段開展編程教學(xué)研究的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于小學(xué)—高段，但在促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展方面的效應(yīng)量卻要更好。從組間差異來看，Q= 5.367（p= 0.068＞0.05），表明編程教學(xué)對(duì)不同學(xué)段學(xué)生思維技能發(fā)展促進(jìn)作用不存在顯著差異。

表4 不同學(xué)段中編程教學(xué)對(duì)青少年思維技能發(fā)展的影響

2.不同教學(xué)策略的影響

為了考查在編程教學(xué)中采用不同教學(xué)策略對(duì)學(xué)生思維技能發(fā)展的影響，本研究分別將其劃分為游戲化教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)性學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、混合教學(xué)以及其他數(shù)學(xué)策略類型。游戲化編程涉及在教學(xué)過程中使用多種游戲化的元素，例如積分、闖關(guān)、做任務(wù)等。本研究中的其他教學(xué)策略主要是除此之外的一般教學(xué)法，如講授式。

由表5中可以看出，使用不同編程教學(xué)策略對(duì)促進(jìn)學(xué)生思維技能發(fā)展之間的影響存在差異（Q= 9.962，p= 0.041＜0.05）。其中促進(jìn)效果較大的是游戲化教學(xué)（0.872）和混合教學(xué)（0.765），相比效果較小的是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（0.538）和任務(wù)驅(qū)動(dòng)性學(xué)習(xí)（0.485），而其他教學(xué)策略的促進(jìn)效果最差（0.377）。另外，為了進(jìn)一步了解不同年級(jí)編程教學(xué)中教學(xué)策略的使用情況，本研究又對(duì)三個(gè)學(xué)段中不同教學(xué)策略的使用頻率進(jìn)行了對(duì)比。其中游戲化教學(xué)在小學(xué)—低段中使用的頻率較高（46.15%），而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)隨著年級(jí)的增長，使用頻率逐漸增加。

表5 不同教學(xué)策略對(duì)青少年思維技能發(fā)展的影響

3.不同編程形式的影響

傅騫等學(xué)者認(rèn)為編程的主要形式為文本編程、圖形化編程和實(shí)體編程三種[14]。另外，孫立會(huì)等將編程工具劃分為文本編程、有形編程、教育機(jī)器人技術(shù)以及圖形化編程[15]。所以根據(jù)研究，本文結(jié)合所納入的案例，將編程形式分為可視化編程、不插電編程以及電子機(jī)器人實(shí)體編程。如表6所示，不同編程形式的使用會(huì)對(duì)學(xué)生不同思維技能發(fā)展產(chǎn)生差異性效果（Q=7.107，p= 0.029＜0.05）。其中整體上按照效應(yīng)值從高到低依次排序?yàn)椴徊咫娋幊蹋?.835），電子、機(jī)器人實(shí)體編程（0.732）和可視化編程（0.483）。

表6 不同編程形式對(duì)青少年思維技能發(fā)展的影響

五、研究結(jié)論

本研究針對(duì)31項(xiàng)有關(guān)青少年編程高階思維技能培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了元分析，同時(shí)也對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了整體梳理，依據(jù)二者結(jié)果對(duì)編程關(guān)于青少年高階思維技能發(fā)展的效果進(jìn)行了客觀的討論。從整體上可以發(fā)現(xiàn)編程教學(xué)能夠有效促進(jìn)中小學(xué)學(xué)生高階思維技能的發(fā)展，總體效應(yīng)值達(dá)到0.612，并且對(duì)于計(jì)算思維、算法思維的促進(jìn)效果最大。這也再一次證實(shí)了編程教學(xué)是發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的有效活動(dòng)手段。另外，在整體效果分析的基礎(chǔ)上，本文又將調(diào)節(jié)變量分為學(xué)習(xí)學(xué)段、教學(xué)策略、教授的編程形式三種，具體分析了效果和差異，得出以下結(jié)論。

（一）編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維技能均具有積極促進(jìn)作用

上述結(jié)果表明，編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維，表現(xiàn)在計(jì)算思維、算法思維、合作思維、創(chuàng)新思維、批判思維和問題解決能力均有促進(jìn)作用，但表現(xiàn)力不同，具體體現(xiàn)在計(jì)算思維最佳（0.919）、算法思維、合作思維、創(chuàng)新思維、批判思維分別次之，而在問題解決能力方面最低（0.357）。總體看來，本研究足以證明出編程教學(xué)對(duì)青少年多種編程高階思維技能的促進(jìn)作用。但從效應(yīng)量來看，編程教學(xué)如何在促進(jìn)其他高階思維方面進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)或策略的設(shè)計(jì)，以破解大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)編程中都會(huì)遇到的困難[16]，制訂相應(yīng)的計(jì)劃和改進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的定位也是必要考慮的因素。

（二）不同變量對(duì)學(xué)生高階思維技能發(fā)展的調(diào)節(jié)效應(yīng)

雖然在學(xué)段分類方面，不同年級(jí)學(xué)生編程思維技能發(fā)展的差異性不顯著，但整體看來，中學(xué)生的效果更好。這可能是因?yàn)橹袑W(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)符合更深層的編程教學(xué)，該階段的學(xué)生抽象邏輯思維逐步占優(yōu)勢，并且辯證思維開始進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，經(jīng)過小學(xué)階段學(xué)習(xí)的積累，中學(xué)生可以更好地理解和學(xué)習(xí)到新的、更難的編程知識(shí)[17]。但在小學(xué)教學(xué)中，調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)編程對(duì)低段的學(xué)生影響效果比高段的好。這說明了在小學(xué)教學(xué)中還存在著影響學(xué)生學(xué)習(xí)編程的其他因素，阻礙高段學(xué)生思維技能的發(fā)展。

不同教學(xué)策略對(duì)學(xué)生思維技能發(fā)展影響的效果不同，游戲化教學(xué)的使用效果最為顯著。這可能是因?yàn)榛谟螒虻膶W(xué)習(xí)更能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，減輕學(xué)習(xí)焦慮[18]，從而提高學(xué)生的參與度與學(xué)習(xí)效果。通過游戲來展示學(xué)習(xí)計(jì)劃和編程概念，可以刺激學(xué)生在學(xué)校中完成正式學(xué)習(xí)[19]。另外，項(xiàng)目式教學(xué)的使用比例隨著學(xué)生年級(jí)的提升而增加。項(xiàng)目式教學(xué)是近年來較為流行的教學(xué)策略之一，它強(qiáng)調(diào)問題情境導(dǎo)入、小組合作學(xué)習(xí)以及產(chǎn)品項(xiàng)目的設(shè)計(jì)等。

教學(xué)中的不同編程形式對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生高階思維技能方面有著明顯的差異性。其中，可視化編程的開展范圍較廣，但效果卻沒有不插電編程作用大。不插電編程不需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以離線完成，被認(rèn)為是學(xué)生持續(xù)編程的有效起點(diǎn)，因?yàn)樗闹攸c(diǎn)是算法——更高級(jí)計(jì)算機(jī)編程的先決條件[20]。因此，不插電編程形式可以改變學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)編程的看法，確保他們重點(diǎn)關(guān)注概念和思維。另外，可視化編程作為另一種簡化的編程機(jī)制，是近年來使用較廣的編程教學(xué)方式。其用直觀的拖放方法取代傳統(tǒng)的代碼輸入，可以為學(xué)習(xí)者提供支持，從而激勵(lì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。但本研究結(jié)果顯示，此種編程形式盡管應(yīng)用廣泛，但是效果仍需提升。

六、研究建議

結(jié)合元分析和相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維技能的積極促進(jìn)作用。另外，從本研究的數(shù)據(jù)分析結(jié)果也可以看出，不同的教學(xué)學(xué)段、教學(xué)策略以及編程形式對(duì)編程教學(xué)會(huì)呈現(xiàn)不同的影響效果。因此青少年編程教學(xué)可以針對(duì)具體教學(xué)措施，結(jié)合環(huán)境、材料、系統(tǒng)等要素，進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以更好地發(fā)展學(xué)生高階思維技能，助力新時(shí)代人才培養(yǎng)。最后，本研究提出以下啟示與建議。

（一）進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)教育學(xué)段編程教學(xué)的連貫性，促進(jìn)思維技能持續(xù)發(fā)展

整體看來，編程教學(xué)在不同學(xué)段的效果存在波動(dòng)現(xiàn)象，這可能是學(xué)生學(xué)習(xí)心理差異、教師教學(xué)安排不當(dāng)或教學(xué)目標(biāo)模糊等原因造成的。編程教學(xué)作為發(fā)展學(xué)生高階思維技能的重要手段，應(yīng)在教學(xué)實(shí)踐中加強(qiáng)學(xué)段的連貫性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維技能持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)于未來編程教學(xué)目標(biāo)的確定和活動(dòng)的實(shí)踐，應(yīng)關(guān)注學(xué)生心理認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，循序漸進(jìn)，通過合理地、科學(xué)地設(shè)計(jì)教學(xué)方案，來保證編程教學(xué)對(duì)學(xué)生在思維技能發(fā)展方面的有效性。同時(shí)可以通過建立“家校社”多方協(xié)同機(jī)制[21]，豐富編程內(nèi)容與學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)新編程教學(xué)策略方法，激發(fā)小學(xué)生編程學(xué)習(xí)興趣，從而在提高意愿的情況下，提升其教學(xué)效果。

（二）關(guān)注編程教學(xué)中的項(xiàng)目式教學(xué)，充分培養(yǎng)問題解決等相關(guān)能力

在編程活動(dòng)中，大多數(shù)學(xué)生在解決問題、制訂計(jì)劃以及有效實(shí)施編程程序方面會(huì)遇到困難。目前，項(xiàng)目式教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力的有效手段，在教學(xué)實(shí)踐中成為焦點(diǎn)。項(xiàng)目式教學(xué)是一種創(chuàng)新型建構(gòu)主義教學(xué)方法，它通過結(jié)合真實(shí)情境，設(shè)置驅(qū)動(dòng)問題，讓學(xué)生在合作探究中完成項(xiàng)目制作，從而培養(yǎng)學(xué)生問題解決等一系列能力。但由于項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐起來需要花費(fèi)足夠的時(shí)間，且中間的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)如果不能較好地把握，就會(huì)影響其實(shí)際的效果[22]。為此，編程教學(xué)中的項(xiàng)目式策略，需要進(jìn)一步結(jié)合學(xué)情，做到師生共導(dǎo)，用項(xiàng)目引領(lǐng)層級(jí)任務(wù)[23]，引導(dǎo)學(xué)生抽象和分解問題，從而鍛煉多種編程思維技能的發(fā)展。特別是在對(duì)學(xué)生進(jìn)行多元評(píng)價(jià)后，讓學(xué)生能夠有耐心繼續(xù)修改作品，從而能夠完整解決相應(yīng)問題。

（三）整合多種編程教學(xué)形式，追求更高教學(xué)價(jià)值

結(jié)合文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，在一定程度上，可視化編程有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和操作技能，可以幫助新手在中小學(xué)中更快地理解基本編程概念；不插電編程有利于培養(yǎng)學(xué)生算法思維和邏輯思維，而且有研究顯示，此種教學(xué)工具多與游戲化教學(xué)相結(jié)合，更具有趣味性；而電子元件、機(jī)器人實(shí)體編程有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維和產(chǎn)品開發(fā)能力，可以吸引學(xué)生注意力，減少學(xué)習(xí)焦慮。比如，電子機(jī)器人實(shí)體編程可以與STEM、物理或其他較難的課程相結(jié)合，讓學(xué)生更容易理解和接受課程內(nèi)容，并且在動(dòng)手操作的同時(shí)提高問題解決以及產(chǎn)品開發(fā)的能力。所以，為了追求編程教學(xué)高效的價(jià)值，結(jié)合學(xué)生、教學(xué)等多方面因素，找到最佳的教學(xué)工具從而與教學(xué)目標(biāo)相匹配，也是我們今后實(shí)踐和研究需要關(guān)注的重點(diǎn)。

七、結(jié)語

本研究采用了教育領(lǐng)域中比較常用的元分析方法，試圖客觀分析編程教學(xué)對(duì)青少年高階思維技能發(fā)展影響的有效性。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，整體上編程教學(xué)會(huì)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維、算法思維、合作思維、創(chuàng)新思維、批判思維和問題解決能力起到中等程度的促進(jìn)作用。同時(shí)，本研究還對(duì)于編程教學(xué)中不同學(xué)段、不同教學(xué)策略、不同編程形式對(duì)思維發(fā)展影響的有效性做了進(jìn)一步分析，希望為我國編程教學(xué)普及及相關(guān)課程的開展提供一些理論思路。但元分析方法本身存在的局限性，使得研究成果還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善，例如考慮定量研究與質(zhì)性研究相結(jié)合的方法，全面分析和理解編程教學(xué)對(duì)青少年思維技能發(fā)展的影響效果。相關(guān)方面研究也應(yīng)開展更多不同年齡段的實(shí)證分析，豐富和充實(shí)我國編程教育研究。