圖形化編程與實體編程學(xué)習(xí)經(jīng)驗遷移的實證研究

王歐 郭婷婷 張新立 胡來林（通訊作者） 溫州大學(xué)STEM教育研究中心

● 問題的提出

幼兒編程技術(shù)根據(jù)界面不同可以分成兩類：一類是圖形化編程技術(shù)，圖形化編程技術(shù)通過對各種圖形進行拖動拼接完成編程，提供直觀的編程界面，無需編寫程序代碼；另一類是實體編程技術(shù)，實體編程技術(shù)采用無屏幕編程，將代碼封裝在實物塊中，這些實物塊代表實際編程指令，學(xué)生可以進行直接的物理操作。在編程技術(shù)學(xué)習(xí)中會涉及陳述性知識和自動化基本技能。[1]陳述性知識是指編程的一些概念和專有名詞，如在圖形化編程和實體編程中所包含的程序、運行、場景、角色、開始、運行、指令、參數(shù)、順序、循環(huán)等編程術(shù)語和概念；自動化基本技能是指能按照語法規(guī)則寫出代碼，并根據(jù)提示調(diào)試程序的操作性技能，如在圖形化編程和實體編程中根據(jù)任務(wù)情境以及語法規(guī)則編寫代碼，并通過調(diào)試，不斷對程序進行修正。圖形化編程技術(shù)和實體編程技術(shù)盡管編程界面不同，存著明顯的差異，但二者所包含的編程知識以及所需要的自動化技能存在諸多相似之處，為學(xué)習(xí)遷移提供了條件。

在學(xué)前教師編程學(xué)習(xí)過程中，如果分別講解每一種編程技術(shù)，勢必造成學(xué)習(xí)效率低下和實效性不夠等問題。因此，為充分運用遷移理論提升幼兒教師學(xué)習(xí)兩種編程技術(shù)的效果與效率，有必要研究兩種界面編程技術(shù)的學(xué)習(xí)遷移效果以及不同界面編程技術(shù)的學(xué)習(xí)順序?qū)W(xué)習(xí)遷移的影響。

● 圖形化編程與實體編程主要內(nèi)容

圖形化編程技術(shù)與實體編程技術(shù)主要包含陳述性知識和自動化基本技能兩大類（如下頁表1）。兩種編程技術(shù)中所包含的方位知識、編程知識等陳述性知識，以及自動化基本技能都具有極大的相似性，在數(shù)學(xué)知識和其他知識方面，二者也都涉及了角度、加減法、背景、背景編輯、角色、角色編輯等陳述性知識。除此之外，二者都按照功能的不同將編程模塊劃分為不同顏色的積木塊，都采取拼接的形式進行指令之間的連接從而完成編程。

表1 圖形化編程和實體編程技術(shù)主要內(nèi)容

● 研究設(shè)計

為研究不同界面編程技術(shù)的學(xué)習(xí)順序?qū)W(xué)習(xí)遷移的影響，筆者采用了單因素準實驗研究法，自變量為兩種界面編程學(xué)習(xí)順序，包括兩個水平：一是先進行圖形化編程后進行實體編程的學(xué)習(xí)方式；另一個是先進行實體編程后進行圖形化編程的學(xué)習(xí)方式。具體實驗內(nèi)容如下。

1.研究對象

研究對象來自A地和B地參加培訓(xùn)的100余名幼兒教師，其中部分教師因帶班教學(xué)或其他原因未能堅持完成培訓(xùn)，這在一定程度上造成樣本數(shù)量的流失，最終參與測試的教師樣本為71人。其中，來自A地的48名幼兒教師為實驗組，先學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)，后學(xué)習(xí)圖形化編程技術(shù)；來自B地的23名教師為對照組，先學(xué)習(xí)圖形化編程技術(shù)，后學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)。所有參與培訓(xùn)的教師在本研究之前都未學(xué)習(xí)過任何編程知識，學(xué)習(xí)起點一致。

2.編程工具

本研究使用的編程工具為幼兒圖形化編程軟件和幼兒實體編程套件瑪塔機器人。

圖形化編程軟件Scratch Jr是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）媒體實驗室的終身幼兒園團隊（Lifelong Kindergarten）和塔夫茨大學(xué)（Tufts University）兒童研究與發(fā)展部的發(fā)展技術(shù)研究團隊（DevTech）共同設(shè)計開發(fā)的專門針對5～7歲幼兒的入門級編程語言?，斔C器人套件是由瑪塔創(chuàng)想科技有限公司開發(fā)研制的，面向3～9歲的兒童，采用無屏幕的實物編程設(shè)計，包含開始、運行、順序、循環(huán)等重要的編程概念。

3.教學(xué)流程

實驗組和對照組均采用游戲化編程教學(xué)，即把教學(xué)目的、內(nèi)容、方法有機地融入到編程游戲活動中，包含游戲目的、玩法、規(guī)則、結(jié)果等要素，設(shè)計開發(fā)編程游戲的過程就是學(xué)習(xí)編程的過程。本研究采用游戲化編程教學(xué)。首先，教師呈現(xiàn)編程游戲?qū)W習(xí)目標，即通過本次編程游戲活動學(xué)習(xí)者應(yīng)當掌握的編程知識和技能；其次，師生共同商討確定本次編程游戲的玩法和規(guī)則；再次，開展編程游戲教學(xué)活動，教師將游戲程序必需的積木塊知識傳授給學(xué)生，學(xué)生基于制訂的編程游戲規(guī)則，進行程序的設(shè)計，編寫、調(diào)試等，完成編程游戲程序，進行成果展示與評價；最后，師生集思廣益，共同拓展出新的編程游戲。實驗組通過5個編程游戲活動案例來學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)，如海盜營救、火山尋寶歷險、神筆瑪塔等。對照組通過5個編程活動案例來學(xué)習(xí)圖形化編程技術(shù)，如汽車駛過城市、龜兔賽跑、小貓走迷宮等，無論采用何種技術(shù)，具體的教學(xué)流程都是大致相似的。

4.實驗實施

參與本實驗研究的人員包括一位教授和兩位研究生助理。教授為主講教師，研究生助理完成學(xué)習(xí)遷移測試問卷的發(fā)放、回收以及評分工作。實驗組和對照組的整個教學(xué)由一位教授作為主講教師來完成。

為驗證前文提出的研究問題，本研究設(shè)計了如下圖所示的實驗流程。在開始正式實驗前，對參加教師專業(yè)發(fā)展編程培訓(xùn)的教師進行訪談?wù){(diào)研，選擇編程零基礎(chǔ)的教師作為研究對象。在正式實驗中，首先完成編程教學(xué)干預(yù)，然后進行學(xué)習(xí)遷移測試。在進行學(xué)習(xí)遷移測試前，指導(dǎo)實驗組的教師安裝圖形化編程軟件，對照組的教師發(fā)放瑪塔機器人套件，在進行學(xué)習(xí)遷移測試時，要求幼兒教師分散坐在教室獨立的座位上，在學(xué)習(xí)遷移測試完成后統(tǒng)一由兩位研究生助理進行回收。實驗組在學(xué)習(xí)完實體編程技術(shù)后，采用圖形化編程技術(shù)的題目進行測試，對照組在學(xué)習(xí)完圖形化編程技術(shù)后，采用實體編程技術(shù)的題目進行測試。

5.測量工具

根據(jù)圖形化編程技術(shù)、實體編程技術(shù)中相同或相似的編程知識和概念，自編學(xué)習(xí)遷移測試問卷，進行三輪修改，幼兒編程領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)習(xí)科學(xué)研究領(lǐng)域教授參與討論。實驗組和對照組的學(xué)習(xí)遷移測試題均從兩個維度進行編寫，具體包括：①陳述性知識，主要考查的是學(xué)習(xí)者對開始、運行、角色、背景、距離、參數(shù)、順序、循環(huán)等概念的理解，題目形式為選擇題和填空題。②自動化基本技能，主要考查的是學(xué)習(xí)者根據(jù)語法規(guī)則和任務(wù)要求編寫程序的能力，題目形式為程序設(shè)計題，根據(jù)場景與任務(wù)要求編寫程序代碼。從測試題目的得分情況能夠看出幼兒教師編程學(xué)習(xí)遷移效果。

6.評分方法

學(xué)習(xí)遷移測試題目中的選擇題、填空題為客觀題，按照正確答案標準給分，程序設(shè)計題的評分準則參考了塔夫茨大學(xué)DevTech研究小組開發(fā)的兩段式評分系統(tǒng)[2][3]，即積木選擇正確和積木排序正確各占題目總分的50%。為避免評分結(jié)果受評分人主觀影響，讓兩位研究生助理按照兩段式評分系統(tǒng)對同一份測試題目進行評分，在信度大于0.9的情況下，確定主評判人，然后用主評判人評分結(jié)果作為最終成績[4]，測試題目評分采用百分制，測試題目最終得分反映學(xué)前教師編程學(xué)習(xí)經(jīng)驗遷移效果。

● 研究結(jié)果與分析

1.數(shù)據(jù)對照

關(guān)于兩種編程技術(shù)學(xué)習(xí)遷移得分情況，實驗組和對照組幼兒教師學(xué)習(xí)遷移測試成績的整體得分情況為：實驗組學(xué)習(xí)遷移測試的及格率為100%，對照組學(xué)習(xí)遷移測試的及格率為69.6%。在時間有限、學(xué)習(xí)遷移測試內(nèi)容陌生沒有任何提示的情況下，實驗組和對照組的學(xué)習(xí)遷移測試及格率均達到69%以上，這說明無論先學(xué)習(xí)哪種編程技術(shù)，教師的編程學(xué)習(xí)經(jīng)驗遷移效果良好，編程的基本知識、技能掌握扎實，能夠?qū)⑵溥w移到新的編程技術(shù)中。

2.兩種編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序?qū)W(xué)習(xí)遷移成績的影響

為進一步探討先學(xué)習(xí)哪種編程技術(shù)更有利于教師的學(xué)習(xí)遷移，采用獨立樣本T檢驗對實驗組和對照組學(xué)習(xí)遷移成績進行對比，結(jié)果如下頁表2所示。

表2 學(xué)習(xí)遷移成績的獨立樣本T檢驗結(jié)果

由表2可知，兩組教師的學(xué)習(xí)遷移成績存在顯著性差異（p＜0.05），且實驗組的學(xué)習(xí)遷移成績要優(yōu)于對照組，這說明先學(xué)習(xí)圖形化編程技術(shù)后學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)比，先學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)后學(xué)習(xí)圖形化編程技術(shù)對學(xué)習(xí)遷移成績的影響更大，更有利于教師編程學(xué)習(xí)經(jīng)驗的遷移。實體編程技術(shù)是將代碼實物化，教師能夠進行直接的物理操作，有較強的現(xiàn)實互動性，這更契合杜威的“做中學(xué)”理論。

3.兩種編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序?qū)幊讨R遷移的影響

為探究在編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序一定的情況下，兩類編程知識類型的遷移效果，采用獨立樣本T檢驗，對兩組的陳述性知識成績以及自動化基本技能成績進行對比，結(jié)果如表3、表4所示。為方便比較，陳述性知識成績和自動化基本技能成績采用百分制，滿分均為100分。

由表3和表4可知，在編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序一定的情況下，陳述性知識成績和自動化基本技能成績存在顯著性差異，且陳述性知識成績高于自動化基本技能成績，這說明，無論采用哪種編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序，陳述性知識的遷移效果要優(yōu)于自動化基本技能的遷移效果。

表3 實驗組編程知識類型的獨立樣本T檢驗結(jié)果

表4 對照組編程知識類型的獨立樣本T檢驗結(jié)果

●討論

1.兩種編程技術(shù)學(xué)習(xí)遷移情況

現(xiàn)有的研究證實，大部分初學(xué)者認為編程是復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的。[5]這是因為編程作為一種邏輯和問題解決活動，需要復(fù)雜的思維能力。對于編程零基礎(chǔ)的成人來講，盡管幼兒所學(xué)的實體編程和圖形化編程相較于更高階的文本編程更為簡單直觀，學(xué)習(xí)動機更高[6]，但是能在時間有限、不提供任何指導(dǎo)的情況下獨立完成學(xué)習(xí)遷移測試題目，且及格率超過69%，這表明參加培訓(xùn)的幼兒教師編程學(xué)習(xí)經(jīng)驗遷移效果良好。

新的編程技術(shù)情境與原有的編程技術(shù)情境具有相似性，遷移才能夠發(fā)生。圖形化編程技術(shù)和實體編程技術(shù)的相似性成為遷移得以發(fā)生的必要條件。除此之外，主講教師應(yīng)綜合使用各種促進遷移學(xué)習(xí)發(fā)生的教學(xué)策略，將復(fù)雜項目分解，使參加培訓(xùn)的學(xué)前教師能系統(tǒng)地掌握成分技能，注重編程任務(wù)難度的遞增，遵循從易到難的教學(xué)順序，注重利用生活知識遷移編程知識，注重學(xué)習(xí)原理、規(guī)則和模型等方面內(nèi)容的重要性[7]，“為遷移而教”無疑對教師順利完成遷移起著重要作用。

2.兩種編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序?qū)W(xué)習(xí)遷移成績的影響

先學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)更有利于學(xué)前教師遷移到圖形化編程的學(xué)習(xí)當中，可能是因為：①對于初學(xué)者來說，實體編程技術(shù)相較于圖形化編程技術(shù)更有利于學(xué)習(xí)者對抽象概念的理解[8]，因此學(xué)前教師先學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)時，更有可能達到對知識概念的深層次理解，而初始學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果將直接影響遷移效果，因此先學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)更有利于學(xué)前教師遷移到圖形化編程中。②實體編程技術(shù)將代碼實物化，封裝在實體編程實物塊中，更有利于學(xué)習(xí)者進行直接的物理操作，在“做中學(xué)”“玩中學(xué)”，在和實體編程的交互中，建構(gòu)起對編程知識和概念的深層次理解。

3.兩種編程技術(shù)學(xué)習(xí)順序?qū)幊讨R遷移的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，編程學(xué)習(xí)中不同知識類型的轉(zhuǎn)化和遷移是有區(qū)別的。依靠識記理解的概念和名詞等陳述性知識遷移效果較好，而編程中大量用到的自動化基本技能卻難以順利遷移。根據(jù)布魯姆認知領(lǐng)域的學(xué)習(xí)水平分類[9]，編程中的陳述性知識處于識記、了解的層面，而將概念、原理、法則運用到新的情境中的自動化基本技能是處于應(yīng)用和分析層面，因此如果自動化基本技能達到比較高的水平，那么必定花費更多的時間和精力。從人類思維的隱喻特點來看。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)和理解概念時往往需要用個體熟悉的事物作為比喻體。[10]編程的陳述性知識中涉及的相關(guān)概念，幼兒教師更容易從日常的生活、工作和學(xué)習(xí)中捕捉到合適的比喻體，以促進編程陳述性知識的理解。

● 研究結(jié)論

本研究認為，無論先學(xué)習(xí)哪種編程技術(shù)，教師的編程基本知識、技能掌握扎實，編程學(xué)習(xí)經(jīng)驗遷移效果良好。此外，先學(xué)習(xí)實體編程技術(shù)，更利于教師將已習(xí)得編程知識遷移到圖形化編程中，因此，在今后教師專業(yè)發(fā)展編程培訓(xùn)中，建議先進行實體編程技術(shù)的教學(xué)，以期事半功倍提高培訓(xùn)效率。研究還發(fā)現(xiàn)，陳述性知識的遷移效果要優(yōu)于自動化基本技能的遷移效果。本研究結(jié)論可以為幼兒編程教育的教師專業(yè)發(fā)展培訓(xùn)提供理論上的支持和方法上的參考。