協作編程有助于培養學生的計算思維嗎？

摘要：當前，雖然協作編程在計算思維培養上廣受關注，但對于學生計算思維的培養效果如何，研究者尚未達成共識。為此，文章采用元分析方法量化分析了國內外32項利用協作編程培養學生計算思維的相關研究，結果表明：協作編程能夠顯著提升學生的計算思維水平，對計算概念、計算實踐和計算觀念等子維度均有顯著的促進作用；協作編程對中小學段、三個月以上實驗周期的計算思維影響效果更大；3人以上的協作小組人數和大規模的研究樣本量對學生計算思維的提升效果更佳；采用任務驅動式教學、圖形化編程和標準化測試題更利于培養學生的計算思維。通過研究，文章提出建議和展望，以期為一線教師開展協作編程相關教學實踐提供參考。

關鍵詞：計算思維；協作編程；配對編程；元分析

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2023）08—0077—10 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2023.08.009

伴隨著人工智能時代的到來，許多國家對學生計算思維的培養日益重視，如歐盟的一項研究報告指出，已有25個歐洲國家將計算思維納入義務教育課程[1]；我國發布的《普通高中信息技術課程標準（2020年修訂版）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》更是將計算思維列為信息技術學科的核心素養之一[2][3]，協作編程是指學生在編程過程中通過代碼編寫、任務分析和代碼評估等不同任務共同討論交流，解決編程問題的一種教學方式[4]，其因獨特的潛能已成為極受師生歡迎的計算思維培養方式[5]。然而，協作編程對學生計算思維的培養效果還存在褒貶不一的爭議：有研究者持肯定態度，認為協作編程能夠提升學生的計算思維，如Zapata等[6]通過實驗發現，協作編程能夠顯著促進學生對計算概念的掌握；鄭蘭琴等[7]認為協作編程不僅能夠提升學生的計算思維技能，還能夠改善學生的編程學習態度。但也有研究者對此則持否定態度，如Bodaker等[8]認為，相比于單獨編程，協作編程并未改善學生的計算思維表現；Seo等[9]也發現，協作編程并不能促進學生計算認知能力的發展。鑒于協作編程在計算思維教學中的受歡迎程度和重要性，本研究認為有必要對此爭議問題進行系統探究，以為澄明協作編程在計算思維教學中的切實效果提供佐證。基于此，本研究采用定量綜合元分析方法對國內外相關文獻進行系統量化分析，重點探究以下問題：①協作編程對學生計算思維的影響效果如何？對計算思維不同維度是否具有同樣的影響？②協作編程中學段、實驗周期、樣本量、測量方式、協作小組人數、教學方式和編程方式是否會對學生的計算思維培養產生影響？③若有影響，各變量的影響程度如何？

一 研究方法與過程

1 文獻搜索

本研究以“計算思維”和“協作編程”為檢索主題，在Wiley、Elsevier Science Direct、Web of Science和中國知網（CSSCI來源期刊和碩博論文）四個大型數據庫進行檢索。為確保文獻的質量，本研究檢索的論文均經過了同行評審。其中，計算思維的外文檢索詞為“computational thinking”，中文檢索詞為“計算思維”；協作編程的外文檢索詞為“cooperative programming”或“collaborative programming”或“pair programming”，中文檢索詞為“協作編程”或“結對編程”或“配對編程”。考慮到計算思維的概念界定最早出現于2006年，故本研究檢索的時間范圍設為2006～2022年，共檢索到相關文獻124篇。

2 文獻篩選標準

本研究的文獻篩選標準為：①研究主題為協作編程對學生計算思維的影響；②研究方法為實驗或準實驗，本研究僅選取雙組實驗（包含實驗組和對照組），單組前后測實驗不在本研究的考慮范疇；③確保研究數據完整，包括研究樣本量、均值和標準差等；④排除以不同形式發表的同一文獻。根據上述四個標準，本研究首先通過瀏覽文獻標題，剔除重復文獻31篇；然后瀏覽文獻摘要和關鍵字，剔除綜述類、教學設計類、結構方程類和認知網絡類文獻40篇；最后通過閱讀全文，剔除個案研究類、單組研究類、數據不全類文獻30篇。經過嚴格的篩選后，本研究獲得文獻23篇，并在23篇文獻的引文中以“滾雪球”的方式獲得有效文獻3篇，具體的篩選流程如圖1所示。最終本研究獲得有效文獻26篇，其中3篇為高水平會議論文，其余均為高質量期刊論文和碩博士論文。此外，由于鄭蘭琴等[10]、李彤彤等[11]、鐘柏昌等[12]、Unal等[13]、Wei等[14]和Denner等[15]的研究均包含2個獨立實驗或2個因變量，故最終納入分析的研究樣本共計32項。

3 文獻編碼

文獻檢索完成后，本研究面向協作編程對計算思維的作用維度和樣本量、學段、實驗周期、小組協作人數、測量方式、教學方式、編程方式等調節變量特征值進行逐一編碼，具體方案如表1所示。其中，作用維度參考美國麻省理工終身幼兒園研究小組在多年編程教學研究基礎上提出的廣受認同的計算思維三維框架[16]，包括計算概念（順序、循環和條件等）、計算實踐（測試和調試程序、再利用和創作編程作品等）和計算觀念（聯系、表達、質疑和自我效能感、學習動機等非認知因素）；實驗樣本量按照人數分為50人以下、50～100人和100人以上三類；學段橫跨中小學和大學階段；實驗周期按照時間長短分為0～1個月、1～3個月和3個月以上三類；協作小組人數分為2人協作、3人及以上協作兩類；測量方式分為測試題、問卷和作品三類；教學方式包含任務驅動式教學、項目化教學和游戲化教學三類；編程方式涵蓋圖形化編程、文本編程和機器人編程三類。為確保編碼的準確性，兩位研究者對32項研究進行獨立編碼，編碼信度檢驗Kappa值為0.805，說明編碼具有較好的可信度。

4 研究方法

元分析是對同一主題的多個實證研究結果進行再次量化分析，并通過觀察其效應量來判斷整體效應的方法，已在醫學、心理學、教育學等領域得到廣泛的應用[17]。考慮到元分析能夠科學地解決爭議，得出研究結論，因此本研究采用元分析方法來探究協作編程對學生計算思維的影響。本研究使用的分析工具是Stata 16.0和Rev Man 5.3軟件，其中Stata 16.0軟件主要用來進行發表偏倚檢驗，Rev Man 5.3軟件用來進行整體效應量分析和亞組分析。此外，本研究主要采用標準化效應量來反映研究結果，由于納入的研究樣本量相對較小且數據結果顯示存在異質性，故而本研究呈現的是合并效應量（Hedges’s g值）并利用隨機效應模型來進行效應量合并。

二 研究結果

1 發表偏倚檢驗

本研究利用Egger回歸檢驗樣本是否存在發表偏倚，并得到納入研究的發表偏倚評價漏斗圖如圖2所示。由圖2可知，本研究所涉樣本均勻地分布在漏斗兩側，故而初步判斷該樣本不存在發表偏倚。為進一步驗證結論，本研究使用Stata 16.0軟件，通過Egger回歸法檢測得到p=0.528＞0.05。已知p＜0.05，則存在發表偏倚；p＞0.05，則不存在發表偏倚[18]，因此本研究的樣本不存在發表偏倚，可以進行元分析。此外，有部分點落在兩條斜線之外，說明研究樣本之間可能存在異質性，需結合異質性檢驗進一步分析。

2 異質性檢驗

異質性是指納入的文獻因樣本量、干預措施等不盡相同而造成研究結論的各種變異[19]，可以通過Q檢驗和I2檢驗測得。異質性檢驗主要是為了找出異質性來源和確定研究是采用固定效應模型還是隨機效應模型。基于此，本研究利用Rev Man 5.3軟件實現Q檢驗和I2檢驗，結果如表2所示。其中，p值可反映Q檢驗結果，p＞0.1，表示研究樣本之間不存在異質性；反之，則存在異質性[20]。I2檢驗的統計量反映研究間變異占總變異的百分比，一般來說I2檢驗值大于50%，則認為研究間存在異質性[21]。若各研究間存在異質性，則采用隨機效應模型；反之，采用固定效應模型[22]。從表2可以看出，Chi=154.76，p＜0.001，I2=80%，說明研究樣本之間存在異質性，應選用隨機效應模型。

3 結果分析

（1）協作編程對計算思維整體及其具體維度的效應檢驗

本研究采用標準化均值方差（SMD值）作為效應量，從表2中的隨機效應模型可以看出，其整體效應量為0.39，并且p＜0.001，說明協作編程對計算思維具有顯著的積極影響。根據Cohen[23]提出的效應量標準可知，效應量處于0.2～0.5之間為中等程度影響，因此協作編程對學生計算思維的積極影響整體上達到了中等程度。本研究進一步分析了協作編程對計算思維的三個子維度（計算概念、計算實踐和計算觀念）的影響，具體作用效果分析如表3所示。結果顯示，協作編程對計算思維三個子維度的影響都處于正向的中等顯著水平，其效應大小依次為計算概念（SMD=0.49，p＜0.01）、計算實踐（SMD=0.38，p＜0.01）、計算觀念（SMD=0.36，p＜0.05）。此外，組間效應檢驗結果（p＞0.05）不具有顯著的統計學意義，因此協作編程對計算思維三個子維度的影響沒有顯著差異。

（2）調節變量檢驗

①學段對學生計算思維的影響：不同學段的學生，其認知能力和認知特點也不盡相同，因此本研究進一步分析了中小學階段和大學階段的計算思維培養效果，具體結果如表4所示。從表4可知，中小學階段的效應量（SMD=0.44，p＜0.001）、大學階段的效應量（SMD=0.31，p＞0.05）均在0.2～0.5之間，說明協作編程對各學段學生計算思維的影響都處于中等程度，但對大學生計算思維的影響并不顯著。此外，組間效應結果未達到顯著水平（p＞0.05），說明在協作編程中，不同學段對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

②實驗周期對學生計算思維的影響：從表4可知，實驗周期的效應量從大到小分別為3個月以上（SMD=0.50，p＜0.001）、1～3個月（SMD=0.45，p＜0.01）和0～1個月（SMD=0.13，p＞0.05），可以看出在協作編程中，3個月以上的實驗周期對學生計算思維的提升效果最好，并且1～3個月和3個月以上均在0.2～0.5之間，都達到了中等顯著程度。此外，組間效應結果（p＞0.05）顯示，協作編程中不同實驗周期對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

③研究樣本量對學生計算思維的影響：從表4可知，100人以上的研究樣本量效應值（SMD=0.52，p＜0.001）和50～100之間的樣本量效應值（SMD=0.37，p＜0.01）均在0.2～0.5之間，且都達到了顯著水平，50人以下的樣本量效應值（SMD=0.26，p＞0.05）雖達到了中等程度，但并不顯著。此外，組間效應結果（p＞0.05）顯示，協作編程中不同規模的研究樣本量對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

④測量方式對學生計算思維的影響：從表4可知，測試題的效應值（SMD=0.44，p＜0.001）、作品的效應值（SMD=0.40，p＜0.001）和問卷的效應值（SMD=0.27，p＜0.001）均在0.2～0.5之間，且都達到了顯著水平，說明這三類測量方式對學生計算思維的影響都達到了中等顯著程度。此外，組間效應結果（p＞0.05）顯示，在協作編程中這三類測量方式對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

⑤小組協作人數對學生計算思維的影響：從表4可知，小組協作人數的效應值由大到小分別為3人及以上（SMD=0.65，p＜0.05）和2人（SMD=0.34，p＜0.001），并且它們對計算思維的影響都達到了中等偏上或中等顯著程度。此外，組間效應結果（p＞0.05）顯示，協作編程中不同的小組協作人數對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

⑥教學方式對學生計算思維的影響：從表4可知，任務驅動式教學的效應值（SMD=0.56，p＜0.001）、項目化教學的效應值（SMD=0.27，＜0.05）和游戲化教學的效應值（SMD=0.25，p＜0.001）均在0.2～0.5之間，并且都達到了顯著水平，說明這三類教學方式對學生計算思維的影響都達到了中等顯著程度。此外，組間效應結果（p＞0.05）顯示，協作編程中不同教學方式對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

⑦編程方式對學生計算思維的影響：從表4可知，圖形化編程的效應值（SMD=0.44，p＜0.001）、文本編程的效應值（SMD=0.36，p＞0.05）和機器人編程的效應值（SMD=0.25，p＞0.05）均在0.2～0.5之間，說明三類編程方式對學生計算思維的影響都達到了中等程度，但只有圖形化編程對計算思維的影響達到了顯著程度。此外，組間效應結果（p＞0.05）顯示，三種編程方式對學生計算思維的影響不存在顯著差異。

三 結論與討論

本研究采用元分析方法，梳理了2006～2022年32項協作編程對學生計算思維影響的實驗或準實驗研究，并對元分析結果進行了客觀的分析與評價，得出以下研究結論：

1 協作編程通過提升學生的計算概念、計算實踐和計算觀念水平促進計算思維發展

從作用維度來看，協作編程對學生計算思維影響的整體效應量為0.39，表明協作編程能在中等程度上積極、正向地提升學生的計算思維。具體來看，協作編程對計算概念（SMD=0.49）、計算實踐（SMD=0.38）和計算觀念（SMD=0.36）均具有中等程度的促進作用。該結論與Lai等[24]的元分析結果相一致，即協作編程能夠提升學生的計算思維。進一步分析還可以發現，計算概念維度的效應值較高于其他兩個維度，表明協作編程更加有利于培養學生的計算概念。這可能是因為，計算概念較之于計算實踐和計算觀念，更容易被學生掌握，同時也表明僅僅依靠協作編程來培養學生的計算實踐和計算觀念是不夠的，還需要配合其他的教學要素。

2 協作編程對學生計算思維的促進作用受實驗設計相關的調節變量影響

①從學段來看，協作編程對中小學生計算思維的提升作用要優于大學生，并且中小學采用協作編程培養學生計算思維的研究多于大學階段。這可能是因為，中小學生的認知能力與自制力有待提升，采用協作編程的方式不僅能夠起到互相監督的作用，還能夠彼此提供智力支持。

②從實驗周期來看，3個月以上的實驗周期對學生計算思維的培養最有利，這與冷靜等[25]關于批判性思維研究的元分析結果相一致。此外，0～1個月的效應值只有0.13，影響在研究中效果最差。這可能是因為，在實驗初期學生對協作編程并不熟悉，協作同伴之間的配合不緊密，影響了計算思維培養效果。Lai等[26]的研究也驗證了較短的實驗周期不利于學生計算思維中認知能力的發展。另外，1～3個月的效應量低于3個月以上，可能的原因是計算思維作為一種復雜的高階思維，無法在短期內獲得較大提升；也可能是因為較長的實驗周期使協作同伴之間更加默契，在協作編程活動中能夠各司其職，高效完成編程任務，從而促進了計算思維的發展。

③從研究樣本量來看，50人以下的效應值僅為0.26，影響不顯著；50～100人、100人以上的效應值為0.37、0.52，影響顯著。這表明協作編程對50人以上的實驗規模具有顯著的促進作用，對50人以下的促進作用不顯著。同時，100以上人的樣本量取得的實驗效果是最佳的，這可能是因為，較多的學生同一時間在同一場域學習加強了他們的社會臨場感，在濃厚學習氛圍的熏陶下，強化了學習存在感和問題探究意識，從而提升了學習效果[27]。

④從測量方式來看，測試題、問卷和作品對學生計算思維的發展都產生了中等顯著程度的影響。另外，將問卷作為測量方式的研究是最多的，但其效應量卻是最小的，僅為0.27。這可能是因為，問卷較為依賴實驗對象的主觀感受，在實際操作中，實驗對象填寫問卷態度不認真、實驗者“權威”等現象可能會導致收集到的實驗數據不夠客觀嚴謹。該結果也進一步說明，在評價學生計算思維時，不能僅依靠問卷或自主評價表等主觀測量方式，還需要使用一些更加客觀的測量方式，如利用智能機器采集、分析學生的編程話語和行為數據以評價學生的計算思維。

⑤從小組協作人數來看，采用2人協作編程的研究數量遠多于3人及以上，但其培養效果卻不如3人及以上，這一點在Lai等[28]的研究中也得到了驗證。2人協作編程的研究數量居多可能是因為，實驗人員在進行教學設計時考慮到兩人一組，分工明確，“駕駛員”和“導航員”能夠各司其職，更方便班級管理；而3人及以上的實驗效果更好，可能是因為“人多力量大”，小組協作編程時能夠彼此提供更多的智力支持。

3 在協作編程中采用任務驅動式教學更有利于培養學生的計算思維

雖然三種教學方式都對計算思維具有中等顯著的影響，但只有任務驅動式教學達到了中等偏上的程度，項目化和游戲化教學均為中等偏下的程度。本研究推測，項目化教學的效應值中等偏下可能是因為項目化教學需要學生完成更為系統、復雜的學習任務，任務完成周期也較長，而本研究的實驗對象絕大部分是中小學生，在實際教學中，隨著學習時間的延長，他們無法以最好的學習狀態高質量地完成項目化學習，導致計算思維培養效果沒有達到預期。而游戲化教學效應值不高的原因可能是，游戲本身的娛樂屬性分散了學生的注意力，導致其忽視了學習；也可能是游戲化教學的研究較少，培養效果不明顯，未來還需繼續探索游戲化教學在協作編程中的應用。另外，采用任務驅動式教學的研究數量在樣本中接近一半，教學效果也是三種教學方式中最佳的，可能是因為任務驅動式教學能夠通過創建真實的問題情景，讓學生在解決實際問題的過程中提升計算思維能力[29]。因此，在協作編程教學中，教師應充分發揮任務驅動教學法的優勢，為學生計算思維的培養助力。

4 在協作編程中圖形化的編程方式應用更加廣泛，培養效果也較為突出

從元分析結果來看，雖然圖形化編程、文本編程和機器人編程三種編程方式對計算思維都具有正向的調節作用，但只有圖形化編程的影響是顯著的。文本編程的影響不顯著可能與納入的文獻數量較少有關；機器人編程的效應值不顯著，可能是因為機器人編程目前仍處于探索階段，尚未成熟，還需繼續進行相關研究。從研究數量占比來看，圖形化編程在樣本中是數量最多的，可見它深受廣大師生歡迎，這可能是因為圖形化編程具有齊全的編程功能，操作簡單快捷，且無須記憶繁雜語法。此外，圖形化編程對學生計算思維的培養效果并不因其操作簡單而大打折扣，反而能夠顯著提升學生的計算思維技能，這一觀點目前已被楊剛等[30]的研究所證實。

四 建議與展望

1 研究建議

①教育實踐者不僅要在高等教育階段積極開展協作編程教學，還要兼顧中小學階段，以全面促進學生計算思維的發展。近年來，中小學階段的計算思維教育開展得如火如荼，研究成果多于高等教育。從元分析結果來看，高等教育階段的效應值（SDM=0.31）明顯低于中小學階段（SDM=0.44），說明協作編程對中小學生計算思維的促進作用要優于大學生。因此，教育部門不僅要鼓勵研究人員在高等教育階段積極開展基于協作編程的計算思維教學實踐，為計算思維教育在高等教育的落地提供可借鑒的案例，還要兼顧中小學階段利用協作編程培養計算思維活動的落地，以免錯過培養的最佳時機。

②教師在開展協作編程教學活動培養學生的計算思維時，應綜合學生的知識儲備、認知特點、課程內容選擇教學方式和編程方式。本研究發現，在協作編程中，對學生計算思維提升效果最佳的仍然是任務驅動式教學和圖形化編程，而非游戲化教學和機器人編程。該結論進一步說明了計算思維教學不能“趕時髦”，應結合實際開展合適的教學活動[31]。當然，這或許也是后者研究較少所致。此外，這也反映出游戲化教學和機器人編程在計算思維教育中仍是一片可探索的藍海區域，研究人員和教師在兼顧學生計算思維培養的同時應勇于邁出教學“舒適圈”，嘗試新的教學方式和編程方式。

③應在協作編程中使用多樣化的評價工具且靈活安排協作小組人數。在32項研究中，只用到了測試題、問卷和作品三種測量方式，從計算思維的內隱性和復雜性角度來說，這些還不足以全面衡量學生真實的計算思維能力[32]。除上述測量方式外，郁曉華等[33]還總結了編程測試法、圖文分析法和觀察訪談法等方法，可供一線教師和研究人員參考。另外，元分析結果顯示，3人及以上的小組協作人數更有利于學生計算思維的提升，因此研究者在進行實驗設計時應盡量安排3人或3～4人為一個協作小組，使學生的計算思維獲得最大程度的提升。

2 研究展望

由于本研究納入的文獻沒有涉及學生的個體特征，因此無法判斷協作編程中學生個體特征，如能力水平[34]、學習風格[35]等調節變量對計算思維的影響，未來可從學生個體特征（性別、能力水平、學習風格等）著手，對本研究結論予以補充或修正。另外，本研究結論為推斷性結論而非因果性結論，在進行研究結果推廣方面還需慎重。

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Can Collaborative Programming Help Cultivate Students’ Computational Thinking？

——Based on a Meta-Analysis of 32 Experimental and Quasi-Experimental Studies

ZHANG Yin-Rong1" " HUANG Chang-qin1[Corresponding Author]" " HAN Zhong-mei1" " HE Tao2

（1. Key Laboratory of Intelligent Education Technology and Application of Zhejiang Province，

Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang， China 321004; 2. School of Education

Technology， South China Normal University， Guangzhou， Guangdong， China 510006）

Abstract： At present， although collaborative programming is widely concerned in the cultivation of computational thinking， there is no consistent conclusion on its effect of cultivating students’ computational thinking. Therefore， this study adopted the meta-analysis method to quantitatively analyze 32 domestic and foreign studies on the use of collaborative programming to cultivate students’ computational thinking. The results showed that collaborative programming can significantly improve students’ computational thinking level， and had significant promotion roles in the three sub-dimensions of computational concept， computing practice and computing perspective. Meanwhile， the effects of collaborative programming on the computational thinking of students at primary and secondary levels and in the experimental period of more than three months were more significant. And more than 3 people in a collaborative group and a large sample size had a better effect on the improvement of students’ computational thinking. In addition， using task-driven teaching， graphical programming and standardized test questions was more conducive to cultivating students’ computational thinking. Some suggestions and expections were put forward in this paper， expecting to provide reference for front-line teachers to carry out teaching practice related to collaborative programming.

Keywords： computational thinking; collaborative programming; pairing programming; meta-analysis

*基金項目：本文為2018年教育部人文社科規劃基金項目“大數據背景下網絡學習空間的智能服務生態與應用模式研究”（項目編號：18YJA880027）的階段性研究成果。

作者簡介：張銀榮，在讀博士，研究方向為編程教育，郵箱為1649623724@qq.com。

收稿日期：2023年1月19日

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