基于游戲化不插電的計(jì)算思維活動(dòng)課堂研究

馮祖揚(yáng) 朱彩鳳（浙江省杭州市濱江區(qū)教育研究院 310000）

近年來(lái)，國(guó)家層面頻頻出臺(tái)政策支持青少年計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的發(fā)展，而“計(jì)算思維”作為計(jì)算機(jī)科學(xué)教育培養(yǎng)的關(guān)鍵目標(biāo)，受到了教育學(xué)界的廣泛關(guān)注，并于2017年正式被寫(xiě)入國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)。目前，許多研究人員研究不插電編程的計(jì)算思維活動(dòng)，他們表明不插電編程能夠以游戲化的動(dòng)覺(jué)方式可視化計(jì)算概念和算法規(guī)則，幫助新手程序員學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)。不插電編程的創(chuàng)建者之一Tim Bell聲稱(chēng)，不插電編程不僅是為了模擬計(jì)算機(jī)的過(guò)程，而且是為了讓學(xué)生有機(jī)會(huì)探索計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本思想，而不被編碼所需的技術(shù)專(zhuān)門(mén)知識(shí)所束縛。與此同時(shí)也有研究表明，相比于傳統(tǒng)編程教學(xué)，在計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展不插電編程的方式更有益于提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維和編程態(tài)度。因此，開(kāi)展不插電編程教學(xué)提升學(xué)生的計(jì)算思維是幫助他們解決實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵。

通過(guò)調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)：關(guān)于不插電的計(jì)算思維活動(dòng)有效開(kāi)展的路徑，以及其對(duì)計(jì)算思維、編程態(tài)度的影響很少有文獻(xiàn)研究。因此，本文將通過(guò)一學(xué)期的教學(xué)案例探究基于游戲化不插電的計(jì)算思維活動(dòng)的可行性及教學(xué)效果。

一、理論基礎(chǔ)和研究假設(shè)

1.計(jì)算思維

計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)處理的方式界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，運(yùn)用合理的算法形成解決問(wèn)題的方案，遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中。

2.不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)

不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)，指不依賴(lài)計(jì)算設(shè)備培養(yǎng)計(jì)算思維以及學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的活動(dòng)，可以通過(guò)角色扮演、操縱實(shí)物以及身體動(dòng)作完成，甚至可以學(xué)到更具體的主題，如編程語(yǔ)言、程序設(shè)計(jì)等。

3.教育理念

教育理念主要依據(jù)陶行知的創(chuàng)造教育理念，以生活為中心，塑造學(xué)生創(chuàng)造的意識(shí)、精神、志向、思維，是立足生命教育的高度，從真善美角度培養(yǎng)“活人”，以充分發(fā)揮學(xué)生生命潛能的教育。

4.研究?jī)?nèi)容

本研究主要談?wù)撘韵聨追矫娴膯?wèn)題：不插電的計(jì)算思維活動(dòng)如何有效開(kāi)展？不插電的計(jì)算思維活動(dòng)是否能夠提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維和編程態(tài)度？性別是否會(huì)對(duì)學(xué)生的不插電學(xué)習(xí)效果有一定的影響？數(shù)學(xué)能力是否會(huì)對(duì)學(xué)生的不插電編程的教學(xué)效果有一定的影響作用？基于以上研究問(wèn)題，本文將開(kāi)展實(shí)證研究，并總結(jié)反思一學(xué)期的不插電教學(xué)案例。

二、研究過(guò)程與方法

1.研究對(duì)象

以杭州市某初中參與信息技術(shù)課程的學(xué)生為研究對(duì)象，學(xué)生的年齡范圍在12～15歲之間。

2.研究設(shè)計(jì)

（1）不插電的計(jì)算思維活動(dòng)

計(jì)算思維活動(dòng)是基于無(wú)機(jī)環(huán)境進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。筆者設(shè)計(jì)并整理了一套“不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)”的教學(xué)案例。信息技術(shù)課堂是基于不插電的計(jì)算思維活動(dòng)展開(kāi)，通過(guò)游戲體驗(yàn)和動(dòng)畫(huà)模擬的方式將計(jì)算機(jī)理論知識(shí)形象化，幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，以此提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

（2）課程實(shí)施情況介紹

不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程是以游戲化教學(xué)策略為主，游戲化教學(xué)中的仿真性和趣味性對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)效果至關(guān)重要。同時(shí)，在每節(jié)課教學(xué)中，我們都需要使用導(dǎo)學(xué)案和及時(shí)反饋工具將學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集并分析，深度掌握學(xué)生學(xué)情。教學(xué)設(shè)計(jì)如下：①情境導(dǎo)入——生活影視或場(chǎng)景助力學(xué)生激發(fā)興趣；②新知探究——?jiǎng)赢?huà)設(shè)計(jì)助力學(xué)生理解抽象概念；③合作探究——模擬游戲助力學(xué)生內(nèi)化計(jì)算思維；④課堂總結(jié)——及時(shí)反饋幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)動(dòng)力。

（3）實(shí)驗(yàn)方案

從準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查研究的角度分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，筆者對(duì)學(xué)生進(jìn)行了計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)水平、計(jì)算思維和編程態(tài)度的前、后測(cè)，并采用定性與定量的方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，通過(guò)分析結(jié)論掌握學(xué)生的學(xué)情，保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。

（4）數(shù)據(jù)處理

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，使用spss做描述性統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和驗(yàn)證；使用詞云分析學(xué)生的訪談內(nèi)容，以求獲得全面的數(shù)據(jù)。

三、研究結(jié)果

1.描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

使用spss首先對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維和編程態(tài)度各變量進(jìn)行平均數(shù)等描述性統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)一學(xué)期的不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維和編程態(tài)度均有一定的提升，且計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)和計(jì)算思維顯著提升，男生三項(xiàng)數(shù)據(jù)的均值比女生高，數(shù)學(xué)成績(jī)?cè)胶玫膶W(xué)生三項(xiàng)數(shù)據(jù)的均值越高。

2.相關(guān)分析和驗(yàn)證性分析結(jié)果

使用非參數(shù)檢驗(yàn)的方法驗(yàn)證表明性別在編程態(tài)度中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，尤其是在前測(cè)中更具有顯著性，即男生在編程態(tài)度中得分更高，而性別對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維等的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

使用相關(guān)分析探究數(shù)學(xué)與不插電的計(jì)算思維活動(dòng)效果的關(guān)系，結(jié)果顯示數(shù)學(xué)成績(jī)與計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維具有顯著的正相關(guān)，而與編程態(tài)度沒(méi)有相關(guān)性。使用非參數(shù)檢驗(yàn)的方法驗(yàn)證表明數(shù)學(xué)能力在計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，即數(shù)學(xué)成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生，其計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的提升水平相比于數(shù)學(xué)成績(jī)良好和不及格的學(xué)生，提升水平顯著。

3.詞云分析

前測(cè)訪談詞云分析圖中“思維”“科學(xué)”“數(shù)學(xué)”“編程”比重比較大，后測(cè)訪談詞云分析圖中“二進(jìn)制”“奇偶校驗(yàn)”“同學(xué)”“有趣”“體驗(yàn)”比重比較大。詞云圖顯示在進(jìn)行不插電的計(jì)算思維活動(dòng)教學(xué)前，學(xué)生比較關(guān)注思維層面的提高，同時(shí)認(rèn)為科學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)對(duì)于本門(mén)課程的學(xué)習(xí)具有比較大的影響。在課程結(jié)束后，大部分學(xué)生掌握了二進(jìn)制、奇偶校驗(yàn)等計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。另外，后測(cè)中出現(xiàn)了大量的“同學(xué)”字樣，這也體現(xiàn)了游戲化教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力，提高了學(xué)生的合作意識(shí)。

四、結(jié)論與展望

1.結(jié)論

（1）不插電的計(jì)算思維活動(dòng)能夠有效提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維和編程態(tài)度。（2）數(shù)學(xué)成績(jī)?cè)胶茫瑢W(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)水平越高，計(jì)算思維能力越強(qiáng)。（3）數(shù)學(xué)成績(jī)?cè)胶茫瑢W(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維的提升水平越高；數(shù)學(xué)成績(jī)一般或不及格的學(xué)生，提升水平不明顯。（4）男生的編程態(tài)度比女生更好，而學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)和計(jì)算思維不受性別影響。

2.研究結(jié)果

通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)前后測(cè)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得出學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)、計(jì)算思維和編程態(tài)度明顯提升。一方面，數(shù)學(xué)能力對(duì)于學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的獲取和計(jì)算思維的提升具有重要影響；另一方面，數(shù)學(xué)成績(jī)?cè)胶玫膶W(xué)生，計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的提升水平越快。因此，我們?cè)陉P(guān)注學(xué)生編程能力的同時(shí)也應(yīng)該關(guān)注學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)的儲(chǔ)備，幫助學(xué)生提升數(shù)學(xué)能力可以有效提升其編程能力。同時(shí)我們也要設(shè)計(jì)適合學(xué)生學(xué)習(xí)的編程教學(xué)，課程內(nèi)容切合學(xué)生的基礎(chǔ)能力。

通過(guò)量表和訪談的方式獲取到學(xué)生的編程態(tài)度，在融入“不插電的計(jì)算思維活動(dòng)”的信息技術(shù)課程中，學(xué)生編程態(tài)度確實(shí)有一定程度的提升，學(xué)習(xí)編程的興趣增加，也更加有自信；同時(shí)注意力相對(duì)比較集中，學(xué)習(xí)積極性和參與度非常高，具有比較好的學(xué)習(xí)氛圍。因此，我們?cè)谝院蟮木幊探虒W(xué)中可以將不插電的計(jì)算思維活動(dòng)作為我們編程課程的一部分，進(jìn)而有效提高學(xué)生的興趣和信心。另外，我們也注意到編程態(tài)度受性別的影響非常大，因此教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該更加關(guān)注女生的編程學(xué)習(xí)，幫助她們提高興趣和自信心。

研究結(jié)果揭示了編程學(xué)習(xí)的成效與性別無(wú)關(guān)，而數(shù)學(xué)能力的高低與之具有非常大的相關(guān)性。因此，教師在進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程中需要擯棄“男生適合學(xué)習(xí)編程”的傳統(tǒng)觀念，對(duì)待學(xué)生一視同仁，針對(duì)男女生制定同樣的教學(xué)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，積極鼓勵(lì)女生，提高她們編程積極性，同時(shí)也鼓勵(lì)數(shù)學(xué)成績(jī)較差的學(xué)生，努力提高數(shù)學(xué)成績(jī)，從而提高自身的編程技能。

3.展望

本研究工作存在些許不足，未來(lái)的研究可以從如下幾方面繼續(xù)完善。

（1）在教室里上信息課，使用不插電的教學(xué)方式取得了不錯(cuò)的效果，但是在計(jì)算機(jī)教室里如何將不插電的計(jì)算思維活動(dòng)作為課堂的一部分展開(kāi)，還需要不斷深入實(shí)踐。

（2）在將來(lái)的研究中，可以重點(diǎn)分析不插電的計(jì)算思維活動(dòng)對(duì)于學(xué)生其他科目學(xué)習(xí)的影響，進(jìn)而完善研究。

由研究結(jié)果可以看出，本研究主題還存在很多需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題，希望在未來(lái)的研究中能夠用更多科學(xué)的方法做出合理的解釋。