Scratch学习对中国小学生计算思维的影响

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摘要：本研究的目的是分析Scratch学习对小学生计算思维（CT: Computational Thinking）技能（创造力、算法思维、合作能力、批判性思维和解决问题能力）的影响。我们对336名五年级的中国小学生进行了实验。在实验开始时，所有学生都需要完成计算思维量表(CTS：Computational Thinking Scale)来测量CT技能。在5周的课程学习中，对所有的学生使用相同的教学策略，上同样的课程。最后，他们再次参加CTS测试。研究结果表明，学生的创造力、合作能力和批判性思维能力存在显著差异。然而，本研究中，小学生的Scratch学习在问题解决能力和算法思维能力方面并没有产生任何显著差异。此外，在两次测试中，尽管女孩在大多数技能上的得分低于男孩，但在大多数情况下，她们的显著性水平是相同的。我们建议给学生提供更多有意义的编程问题进行练习，并鼓励教师将Scratch与其他学科结合起来，如数学和机器人编程。

关键词：计算思维评价；计算思维教育；Scratch；可视化编程语言

介绍

计算思维(CT)是一种思维过程，涉及到计算任务，如抽象、算法思维和数据表示。编程被认为是发展CT最有效的途径之一。鉴于基于文本的程序设计语言的学习难度大，视觉程序设计语言(VPLs：visual programming languages)在CT教育中得到了广泛的应用。VPLs使编程学习变得更容易，它允许学习者专注于CT概念和实践，而不是语法。

研究表明，编程学习对学生高阶思维的发展可能有好处，如创造性思维、批判性思维、解决问题的能力和预测性思维。最近的一些研究提出了一个高阶CT框架，包括五种一般和高阶技能：创造力、算法思维、合作能力、批判性思维和问题解决能力。它强调了CT对学生高阶思维发展的支持。

本研究以高阶CT定义和CTS为基础，探讨VPL学习对小学生高阶CT技能发展的影响。我们使用CTS来测量VPL学习对小学生五种一般和高阶CT技能的影响。深入了解VPL学习与高水平CT技能之间的关系，可以帮助确定高水平CT技能的课程目标，从而与课程更好地结合。为此，本研究提供了实证证据，以提高我们对VPL学习与CT之间关系的理解。

相关工作

高阶CT

最近的研究将CT定义为算法思维和一些高级技能的共同表现，包括解决问题、抽象思维、创造性思维和批判性思维。

（1）算法思维和CT

算法思维包括几个能力:问题分析，问题的形成，算法的构造，算法的改进。CT的一个重要特征是通过算法思维自动化生成解决方案。CT应该与算法相关，以逐步定义或细化操作过程。算法思维与一个人的抽象能力密切相关，这是计算思维的本质。

（2）创造力和CT

创造力涉及到新想法或新概念的创造，或者在现有想法和概念之间建立新的联系。CT要求学生以一种能够使用计算机和其他工具来解决问题的方式来组织问题。CT必然具有创造性，可以为不可想象的事物建模。

（3）合作和CT

CT本质上是一个解决问题的过程;当问题变得复杂时，一个人很难找到解决方案。因此，我们需要协同解决问题，学生首先要知道如何描述问题并将其分解成多个部分。这就是CT中问题分解的技巧。合作思维定义为一种在社会中，以可持续的方式在团队中描述、识别、分解问题并以计算机的方式解决问题的能力。这个定义结合了CT和合作思维的概念。

（4） 批判性思维和CT

批判性思维以了解最基本的思维结构(思维要素)和最基本的思维标准(普遍的智力标准)为前提。批判性思维的八个维度:观点、目的、问题、信息、解释和推理、概念、假设、暗示和结果。批判性思维与计算思维之间存在如下相似之处:概念与抽象、公式化与问题、信息/数据、信心与持久性、逻辑性。在编程和算法设计中学习到的不同领域知识在批判性思维过程中起着关键作用。

VPL和高阶计算思维

评价VPLs在学生高阶CT中的作用是近年来备受关注的问题。Falloon招募了32名1年级和2年级学生(5岁到6岁)学习基本的Scratch编程。研究结果显示，在小学课程中整合VPL为学生提供了一种有效的途径，能够发展分析、预测和评价等高级思维技能，这些技能与问题解决能力和批判性思维密切相关。

虽然一些实证研究揭示了CT与一般思维和高阶思维的某些维度之间的关系，但缺乏有效可靠的测量工具来帮助测量CT水平。最近，Korkmaz等人设计了一个有效且可靠的量表，包括CT算法思维、创造性思维、批判性思维、问题解决、预测思维等五种一般和高阶技能，以促进更多的实证研究。

方法

被试

本项研究的被试是从中国浙江省的一所农村小学招募的，Scratch是那里的必修课“信息技术基础”的一部分。与城市地区的学校相比，这所学校的学生接触Scratch的机会非常有限。选取中国五年级6个班的336名小学生(10-11岁，男生占53.9%，女生占46.1%)参加实验，调查他们经过5周的Scratch课程后，CT水平是否有提高。这所农村小学在一个小镇上，那里没有编程学习机构。因此，几乎没有被试有过VPL的学习经验。

实验过程

由于信息技术基础是浙江省的必修课程，我们没有条件设置控制组，即随机限制一组学生学习Scratch。因此，本研究采用单组前测后测拟实验设计来评价Scratch学习的效果。336名学生被分成6个班，每3个班分配一名老师。两名教师都有类似的教学经验，他们使用相同的课程和教学设计。为期5周的Scratch课程每周进行一次，每次45分钟。学生的主要学习材料是《信息技术基础》的官方教材。此外，两位老师还设计了三个Scratch项目，学生需要在最后3周完成。课程以任务驱动学习为基础，教师为每个主题设计一个或多个学习任务，要求学生在课堂上完成这些任务。每个班的学生被分成几个小组，每个小组由两名学生组成。每组一个学生负责语言设计，另一个负责脚本设计。在每节课结束时，至少邀请两个组来分享他们的作品，并解释实现作品的过程。在这三节课中，老师们负责管理小组，指导实验过程和任务，给小组提供即时的帮助和及时的反馈。

第一节课介绍了一些Scratch的基本思想和概念，包括块类别、代码编辑器、社区、如何构建和运行脚本，以及如何创建一个Scratch帐户。第二课教学生如何用Scratch创建一个工件。从第三课开始，要求学生完成给定的编程任务来学习循环、条件和并行语句。在第三课中，要求学生们使用一个循环和条件语句在迷宫中执行一个瓢虫迷宫游戏。在第四课中，要求学生们完成一个项目，用循环、条件和平行的方法与宠物玩耍。在最后一节课中，学生们被要求完成一个名为森林游戏的综合项目。

测量工具

计算思维量表(CTS)由Korkmaz等人提出，用来衡量参与者的高水平计算思维能力。CTS是一个5分的Likert量表，由29个项目组成，用来测量被试在这些项目中表现出来的CT水平。这29个项目包括创造力(8个项目)、算法思维(6个项目)、合作能力(4个项目)、批判性思维(5个项目)和问题解决能力(6个项目)。每项得分为“(1)从不”、“(2)很少”、“(3)有时”、“(4)一般”和“(5)总是”。本量表的效度和信度在1300多名不同教育程度的受访者中进行了检验。结果表明，CTS是一种有效可靠的量表，可用于识别学生的计算思维水平。然而，CTS考试只针对高中学生和学习更高水平的学生，我们的被试是小学生。此外，CTS是用英文写的，我们所有的被试都是中国人。因此，在本研究中，我们将原CTS翻译成中文，然后简化表达，使我们的被试(10-11岁)能够理解。为了保证研究结果的信度和效度，我们对CTS进行了信度检验、探索性因子分析和验证性因子分析。

探索性因子分析

采用KMO和Bartlett检验对翻译过来的29个CTS项目进行结构效度检验。结果显示 KMO = 0.892，Bartlett检验：��2 = 3673.36;sd = 406 (p = 0.00)，这些数据很适合进行因子分析。本研究采用主成分分析来提取因子，随后采用Varimax陡坡旋转法来解释因子负荷。在此框架下，从翻译的CTS中删除3个项目负荷低于0.40的项目和2个分散到不同因素的项目。最后，对CTS的结构进行了如下修改:创造性(由8个原始变量中的5个变量定义)、算法思维(由6个原始变量中的6个变量定义)、协作性(由4个原始变量中的4个变量定义)、批判性思维(由5个原始变量中的5个变量定义)和问题解决能力(由6个原始变量中的4个变量定义)。因此，修订后的量表共有24个项目。

验证性因子分析

本研究采用MPLUS软件进行一阶验证性因子分析。结果显示，一阶因子每一项的因子载荷标准值为> 0.30，说明每一项都很好地度量了其对应的因子。

采用多项调整指标来评价修订后的CTS的效度。在一阶模型中，RMSEA=0.047<0.05，说明一阶修正模型与数据拟合较好，是可行的模型。根据这些发现，我们可以说，模型中的因素被数据证实。

修订后的CTS的有效性

采用Cronbach的α信度系数和复合信度来测量修订后的CTS的内部一致性。各因素的α值在0.700 - 0.836之间变化，说明各因素的内部一致性是可以接受的。整个量表的α值为0.893，表明项目具有较高的内部一致性。所有信度值都超过0.700，这意味着每个因素都是可以接受的。根据这些发现，可以认为修订后的CTS是可靠的。

结果

测试前和测试后的总分比较

图1比较了学生在前测和后测六个高水平CT维度上的得分。在图1中，这些小提琴分割图不仅显示了分位数统计信息，还显示了样本分布的估计。从图1可以看出，5周的Scratch学习对学生的创造力、合作能力和批判性思维的提高有积极的影响。相比之下，在算法思维和解决问题的维度上没有发现任何提高。

前测和后测的得分分布总体上服从正态分布。我们进一步采用配对样本t检验来调查这些进步的意义。t检验结果显示，学生在后测中的创造力(p=0.0006<0.05)、协作性(p=0.000<0.05)和批判性思维(p=0.0004<0.05)的表现显著优于前测。但在算法思维(p=0.691>0.05)和问题解决(p=0.250>0.05)方面，学生前测和后测得分差异无统计学意义。

△图1 比较所有学生考试前和考试后在五个CT维度上的得分

因此，我们可以得出结论，5周的Scratch学习显著提高了学生的创造力、合作能力和批判性思维，效应量小，但对算法思维和问题解决没有积极的影响。

前测和后测的性别差异

此外，我们将样本按性别进行分割，并调查性别在高水平CT技能变化方面的差异。结果表明，经过5周的Scratch学习，他们在创造力、合作能力、解决问题能力和批判性思维方面都取得了更高的分数。女孩们在合作方面有了很大的进步。但女生的算法思维平均分有所下降。

从图2中可以看出，男生在两项测试中的各项技能平均分普遍高于女生。此外，在测试前和测试后，男生在这五项技能上的差异小于女生。测试前，男孩和女孩所有技能已经非常接近平均成绩，在五个维度上他们没有显著差异。在后测中，性别组间的得分分布也非常相似，特别是在创造力、协作性和问题解决等维度上。此外，除算法思维外，性别组间的后测差异不显著。因此，除了合作能力外，男孩和女孩所有技能的初始状态相同，他们在除算法思维外的所有技能的后测中达到相同的水平。

△图2 比较不同性别在CT五个维度上的评分变化

有趣的是，男生的算法思维总分从(m=3.297,std=0.668)略微提高到(m=3.458,std=0.910)，女生的算法思维总分非常显著(p=0.042)，从(m=3.458,std=0.910)下降到(m=3.165,std=0.879)，说明Scratch学习对女生的算法思维没有提高。

通过以上分析，我们得到了两个重要的发现。第一，除算法思维和问题解决能力外，Scratch学习显著提高了学生的创造力、合作能力和批判性思维能力，但效果量较小。第二，女生和男生在测试前和测试后的数据有一些差异。

讨论

研究结果对实践的启示

一是Scratch课堂中合作学习的重要性。已有研究表明，与其他维度相比，VPL在培养学生合作能力方面具有积极作用，但效果大小不一，从中等到小或没有。这归因于CT的问题分解的本质和在课程中使用的基于团队的学习策略。在前三节课中，学生被分成了几个小组，每个小组允许学生合作完成学习任务，最后与其他小组分享他们的项目。这种以学生为中心、教师为导向的教学策略可以改善信息的获取和保留，并实现更高水平的思维、人际关系、沟通技巧和自信。因此，小学VPL课程的教学设计者应该考虑到这一点，帮助学生发展更高的合作能力。

第二是全面和有意义的编程任务的重要性。目前的研究发现，Scratch学习并没有显著促进学生的算法思维。理解算法并运用算法解决问题是算法思维的先决条件。简单的任务和较短的学习时间可能不会对学生解决问题的技能产生影响。因此，教师可以提高项目的复杂性，或者将VPL与一些特定的科目结合起来。特别是最近的一些研究支持VPL和机器人编程的结合。

结论

在本研究中，我们探讨了Scratch学习对于没有编程经验的小学生来说是否是一种有效的教授高水平CT技能的方法。为此，我们设计了基于CTS的单组前测后测拟实验，并对336名小学生进行了实验。研究结果表明，Scratch学习是一种很有前途的方法来提高学生的高阶CT技能，特别是创造力、合作能力和批判性思维。由于学习周期短，学习任务简单，所以效应量相对较小。此外，值得注意的是，在算法思维和问题解决维度上没有发现明显的进步。这些发现是重要的，因为我们的数据收集自日常课堂教学活动，在那里我们没有干预教师的课程和教学设计。该数据反映了中国农村小学Scratch学习的真实情况。

（来源：“百研工坊”微信公众号，编译：赵小慧 东南大学脑与学习科学系，导师：柏毅、夏小俊，作者：Bo Jiang）

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原标题：《Scratch学习对中国小学生计算思维的影响》

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