中圖分類號：G434文獻標(biāo)識碼：A論文編號：1674—2117（2025）15-0090—06

引言

隨著人工智能時代的到來，未來對擁有編程能力的人才需求會急劇增加，編程成為每個人都需要掌握的通用能力。然而，當(dāng)前的編程教學(xué)缺乏問題解決過程的可視化工具，而且問題系統(tǒng)化的抽象和建模過程被忽視[2]，導(dǎo)致學(xué)生在編程學(xué)習(xí)中往往停留在語法語義的記憶與理解層面，難以實現(xiàn)對編程知識的靈活應(yīng)用與遷移。因此，在編程教學(xué)中應(yīng)為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)支架以支持學(xué)生思維的發(fā)展和問題解決過程的可視化。相關(guān)文獻研究表明，流程圖作為圖式學(xué)習(xí)支架可以幫助學(xué)生設(shè)計問題解決方案和厘清程序邏輯關(guān)系，能較好地解決上述難題。3所以，本研究結(jié)合編程課堂實際情況[4-5]，設(shè)計了圖式支架（路徑圖式支架、條件圖式支架兩種類型），目的是將編程問題解決思路以可視化的方式落實到具體的學(xué)與教的過程之中，并促進學(xué)生編程能力的提升?；谶@一目的，本研究提出以下研究問題： ① 不同類型的圖式支架是否對學(xué)生編程能力產(chǎn)生一定的差異？ ② 在編程學(xué)習(xí)中，學(xué)生的編程知識與編程技能之間是否具有顯著相關(guān)性？ ③ 基于圖式支架的教學(xué)方式，學(xué)生的滿意度情況如何？

核心概念

1.編程能力

編程能力由編程知識和編程技能構(gòu)成，涉及認(rèn)知的記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價層面。編程能力的培養(yǎng)過程應(yīng)以實際問題為出發(fā)點，強調(diào)在抽象建模、算法分析與代碼編寫的過程中掌握解決問題的一般思路和方法。其中，編程知識在于對語法規(guī)則、語句結(jié)構(gòu)和程序邏輯的掌握，主要與認(rèn)知的記憶、理解和分析水平有關(guān)，如能夠運用掌握的語法規(guī)則和語句結(jié)構(gòu)進行算法設(shè)計和結(jié)果預(yù)測。編程技能則體現(xiàn)在代碼實現(xiàn)上，不僅需要掌握程序基本概念和目標(biāo)程序語言規(guī)則，還需要具備識別問題、設(shè)計問題解決方案和組織編寫代碼的能力。

2.圖式支架

所謂圖式，通常指認(rèn)知主體內(nèi)部一種動態(tài)、可變的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，起初屬于無序的狀態(tài)，通過同化或順應(yīng)最終形成符合現(xiàn)實性、科學(xué)性的內(nèi)部心理模型，這一過程也被稱為建模。如何促進學(xué)生內(nèi)部圖式從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)換到有序狀態(tài)，教師需要在建模過程中搭建支架。從心理學(xué)研究視角來看，將認(rèn)知主體內(nèi)部圖式可視化地呈現(xiàn)出來是一種有效的支架方式，一方面借助支架幫助學(xué)生對所面臨的問題形成整體且直觀的認(rèn)識，另一方面也為內(nèi)部圖式的完善提供一種載體線索。[0]有研究表明，流程圖因其能夠記錄和呈現(xiàn)問題解決思路被作為一種有效的內(nèi)部圖式支架，即以符號與規(guī)則的方式展現(xiàn)學(xué)生對程序中的邏輯關(guān)系和執(zhí)行過程的理解，進而幫助其厘清問題解決的思路。[2]

對于初中生來說，在有限的課堂時間內(nèi)設(shè)計與構(gòu)建完整的流程圖有一定的難度，教師需要對教學(xué)內(nèi)容進行重組，并對流程圖進行“二次”設(shè)計，即將流程圖的關(guān)鍵要素進行“留白”，“留白”的內(nèi)容由學(xué)生完成，這樣既可以避免低水平重復(fù)學(xué)習(xí)浪費時間，又能夠增加學(xué)習(xí)的針對性以提高效率。3因此，根據(jù)“留白”的內(nèi)容，本研究設(shè)計了兩類圖式支架形式，即路徑圖式支架和條件圖式支架。雖然兩類圖式支架都提供了流程圖框架來表征要素的內(nèi)在關(guān)系和提供建模線索，但在建模機制上是有所差異的，如表1所示。

基于圖式支架的編程教學(xué)策略

掌握一門編程語言不僅需要學(xué)生通過程序語言實現(xiàn)算法，更重要的是需要學(xué)生具備獨立分析問題和利用計算機解決問題的能力。因此，教師可以利用支架的隱退機制，在教學(xué)中逐漸減少對學(xué)生的支持，直至最終幫助學(xué)生擺脫對支架的依賴，達到獨立解決問題的目的。4本研究以學(xué)生編程能力培養(yǎng)為目標(biāo)，在分析《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的基礎(chǔ)上[15]，構(gòu)建了以編程建模為設(shè)計核心的四階段教學(xué)模式（如圖1）。

圖1基于圖式支架的教學(xué)模式

1.體驗圖式支架階段

體驗圖式支架階段作為教學(xué)活動的基礎(chǔ)和開端，其目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激活學(xué)生與本次課程所學(xué)內(nèi)容相關(guān)的先驗知識以及培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，即學(xué)生能夠在情境體驗過程中抽象出問題的相關(guān)要素。其中，教師任務(wù)是通過語言描述、圖片或視頻展示等方式創(chuàng)設(shè)貼合學(xué)生真實生活的問題情境，對教學(xué)問題進行定性的表征。學(xué)生任務(wù)是結(jié)合自身先驗知識對情境中所蘊含的教學(xué)問題進行初次表征和模型要素的首次選擇，這時學(xué)生對模型要素的提取往往存在不完整、錯誤或缺失的情況，學(xué)生內(nèi)部圖式與問題之間尚未建立起科學(xué)的映射關(guān)系，處于一種無模型狀態(tài)。因此，教師在指導(dǎo)學(xué)生進行要素提取的過程中應(yīng)同步傳授新知識，這樣既能促進學(xué)生深入理解問題本質(zhì)，又能為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2.搭建圖式支架階段

搭建圖式支架階段作為編程能力培養(yǎng)的核心階段，其主要目的是在圖式支架的引導(dǎo)下幫助學(xué)生分析要素的內(nèi)在關(guān)系，使要素間建立起合理的聯(lián)系，該階段屬于圖式的初次修正。教師需要為學(xué)生提供圖式支架和其他輔助學(xué)習(xí)材料，引導(dǎo)學(xué)生對問題進行系統(tǒng)抽象和模式識別，學(xué)生則需要根據(jù)已知的信息，對流程圖“留白”的內(nèi)容進行補充。圖式支架可以幫助學(xué)生實現(xiàn)問題解決過程的可視化表征，能夠顯現(xiàn)學(xué)生在問題解決過程中的思維加工方式，同時，圖式支架以外部可視化的表征方式為學(xué)生內(nèi)部圖式的建構(gòu)和完善提供了線索，促進學(xué)生對編程問題的理解和思考。

3.隱退圖式支架階段

隱退圖式支架階段是對上一階段形成的問題解決模型進行重新解釋，主要通過圖式支架的隱退機制實現(xiàn)教學(xué)的責(zé)任轉(zhuǎn)移，從而促進學(xué)生主動思考初始模型的局限性和不足之處。一方面，教師通過識別全體學(xué)生在上一階段中存在的共性問題并提供過程性的評價與支持，這時的支持從先前的圖式支架逐漸轉(zhuǎn)移到過程性的語言提示，實現(xiàn)教學(xué)責(zé)任從教師向?qū)W生轉(zhuǎn)移，由此達到學(xué)生自我管理和自我調(diào)節(jié)的目的。另一方面，學(xué)生要勇于質(zhì)疑問難，識別出當(dāng)前模型存在的不足，向現(xiàn)有的模型發(fā)出挑戰(zhàn)，然后根據(jù)教師的建議再次搭建模型，并對模型做出新的解釋，由此達到深化模型的目的，最后選擇正確的程序算法制訂編程計劃來實施編程。

4.優(yōu)化圖式支架階段

優(yōu)化圖式支架階段的主要目的是在完成課堂基本要求的基礎(chǔ)上，對先前已建立的模型和代碼進行優(yōu)化。其一，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)包含多個模型的綜合化情境，促進學(xué)生將所學(xué)知識遷移到新的情境中，并在實踐應(yīng)用過程中強化知識結(jié)構(gòu)，由此達到活學(xué)活用的目的。其二，教師需要為學(xué)生留出自由討論的時間，對具有代表性的學(xué)生作品進行多元化的點評并給出修改或優(yōu)化意見，之后學(xué)生根據(jù)教師、同伴的反饋意見對自己的程序進行迭代優(yōu)化。此外，教師還需要將學(xué)習(xí)過程中分散、零碎的知識加以歸納和整理，幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的知識體系，促進學(xué)生反思能力、遷移能力和編程能力的提升。

實驗設(shè)計

1.研究對象

本研究的研究對象為溫州市某中學(xué)八年級的學(xué)生，總共100人，其中男生54人，女生46人，平均年齡為14歲，他們能夠熟練地使用Python編程軟件。本研究采用準(zhǔn)實驗研究法，通過隨機分組的方式將研究對象分為實驗組（采用條件圖式支架學(xué)習(xí)）和對照組（采用路徑圖式支架學(xué)習(xí)），其中實驗組49人，對照組51人，兩個組別均由同一位具有三年教齡的教師執(zhí)教（學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時長、教學(xué)課件均相同）。在實驗結(jié)束后，共回收編程能力測試有效數(shù)據(jù)96份，其中實驗組49份對照組47份。

2.研究工具

編程能力后測試卷是在參考Bebars計算思維挑戰(zhàn)大賽和《浙江省義務(wù)教育信息技術(shù)新教材（八年級上）》的基礎(chǔ)上編制而成[，根據(jù)庫理法信度計算公式，求得該試題的信度大于0.7，說明試題具有良好的信度。試卷一共17道題目，1～15題為編程知識類，包括記憶類題目、理解類題目和分析類題目，共70分，16～17題為編程技能類，共30分。編程知識類題目只需要學(xué)生在問卷星中填寫答案即可，編程技能類題目則需要學(xué)生在指定的編譯軟件中編寫代碼。

學(xué)習(xí)滿意度問卷在黃國禎教授團隊開發(fā)的量表基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和改編。[18量表采用李克特5點評分法，選項從1（非常不同意）到5（非常同意），得分依次升高，共計5題，總計25分，Cronbach's a 值為0.91，表明該量表具有較高的信度。

3.實驗流程

本研究根據(jù)《浙江省義務(wù)教育信息技術(shù)新教材（八年級上）》進行編程學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，以教師主導(dǎo)、學(xué)生主體、任務(wù)主線為基本活動形式。首先，根據(jù)課本內(nèi)容，制作相應(yīng)的教學(xué)課件、實驗材料等。其次，根據(jù)實驗干預(yù)變量分別在兩個組中進行教學(xué)實踐，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)編程的過程中利用圖式支架進行建模，從而獲得問題線索來引導(dǎo)編程任務(wù)的完成。基于以上設(shè)計，本研究實驗流程如圖2所示。

圖2實驗流程

表2 兩組學(xué)生編程能力測試成績的差異性比較分析

注：***表示 plt;0.001

）實驗結(jié)果分析

本研究對被試前測成績進行獨立樣本t檢驗，發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生前測成績之間不存在顯著性差異1 ），將其視為同質(zhì)組。實驗結(jié)束之后對實驗組和對照組的后測成績進行獨立樣本t檢驗、Mann-Whitney U檢驗、斯皮爾曼相關(guān)性分析以及學(xué)習(xí)滿意度下學(xué)生編程能力測試成績值存在顯著性差異 （p=0.000lt;0.001 。

1.編程能力的差異性分析

編程能力包括編程知識和編程技能兩個維度，編程技能成績不服從正態(tài)分布，因此研究采用Mann-Whitney U檢驗法來分析不同圖式支架教學(xué)下編程能力各維度是否存在顯著差異，如下頁表3所示。結(jié)果表明，兩組學(xué)生編程知識成績有序值存在顯著差異 ，編程技能成績有序值也存在顯著差異 _p=0.000 lt;0.001 。因此可以得出結(jié)論，條件圖式支架教學(xué)下學(xué)生編程能力有顯著提升，尤其是在編程技能方面。

為了解不同圖式支架教學(xué)下學(xué)生編程能力測試成績值是否存在顯著差異，本研究對兩組學(xué)生編程能力測試成績值進行了獨立樣本t檢驗（如表2）。結(jié)果表明，不同圖式支架教學(xué)分析。

2.編程能力的相關(guān)性分析

為探究編程技能與編程知識之間是否具有顯著相關(guān)性，研究對學(xué)生編程知識（記憶類、理解類、分析類）與編程技能進行了斯皮爾曼相關(guān)性分析，結(jié)果如下頁表4所示。由此可知，無論是實驗組還是對照組，學(xué)生編程技能與編程知識整體上都存在顯著相關(guān)性，但兩組均出現(xiàn)了編程技能與不同類型編程知識的部分不相關(guān)性，這也反映了這種相關(guān)性具有不穩(wěn)定性。

3.學(xué)習(xí)滿意度分析

為探究學(xué)生的學(xué)習(xí)滿意度情況，本研究將學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度前中后三次測試數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，并對學(xué)生進行了半結(jié)構(gòu)化訪談。首先，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，實驗組學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度隨著教學(xué)的開展得到了顯著提升 p=0.003lt;0.05 ），而對照組學(xué)生未出現(xiàn)顯著提升（ ?p=0.43gt; 0.05）。具體而言，實驗初始，實驗組的學(xué)習(xí)滿意度并未高于對照組（M實驗組 _{=16.98 對照組=18.94），但經(jīng)過實驗干預(yù)后，實驗組學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度出現(xiàn)了變化，其提升程度高于對照組（M實驗組 =21.69 對照組 ?=20.00? 。其次，訪談結(jié)果表明，條件圖式支架主要在三個方面促進了學(xué)生編程學(xué)習(xí)： ① 提供了程序設(shè)計思路； ② 提高了編程學(xué)習(xí)效率； ③ 提升了學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度。}

討論與建議

1.在實施編程教學(xué)的過程中，教師需要重視條件圖式支架的設(shè)計與應(yīng)用

實驗結(jié)果表明，通過圖式支架的隱退機制，兩組學(xué)生都能夠完成建模，但相較于路徑圖式支架，條件圖式支架更有利于學(xué)生編程能力的培養(yǎng)，尤其是對編程技能的提升。另外，從學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度情況來看，條件圖式支架教學(xué)下學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度得到了顯著提升，這也表明學(xué)生能夠獲得預(yù)期的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)結(jié)果。因此，本研究建議將條件圖式支架作為編程教育中的一種重要認(rèn)知工具。在設(shè)計方面，教師需要對教學(xué)內(nèi)容進行精細(xì)化提煉，注重任務(wù)設(shè)置的針對性，既要避免泛化學(xué)習(xí)導(dǎo)致學(xué)生無法抓住重點的窘迫，又要防止提示過多助長學(xué)生學(xué)習(xí)惰性的弊端。在應(yīng)用方面，教師需要利用支架的隱退來觸發(fā)教學(xué)責(zé)任的轉(zhuǎn)移，促進學(xué)生以自我解釋和自我建構(gòu)的方式參與到學(xué)習(xí)過程中，進而幫助教師和學(xué)生更高效地開展編程學(xué)習(xí)活動。

2.在提升學(xué)生編程能力的過程中，教師需要重視知識與技能的協(xié)同性

注：**表示 ?plt;0.01 ， ^*** 表示 plt;0.001

實驗結(jié)果表明，學(xué)生編程技能與編程知識整體上存在顯著相關(guān)性，這與Rogalski的研究結(jié)論具有一致性]，但是兩組學(xué)生都不同程度地出現(xiàn)了編程技能與不同類型編程知識的部分不相關(guān)，這在未來教學(xué)中特別值得重視?；诖?，本研究建議在教學(xué)實踐中高度重視編程能力發(fā)展的協(xié)同性，要求教師能夠在教學(xué)設(shè)計中深度融合編程能力的各個要素，凝練出“關(guān)鍵編程知識”，設(shè)計貼近現(xiàn)實生活的編程任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，幫助學(xué)生實現(xiàn)編程知識與技能的遷移應(yīng)用，從而在解決實際問題的過程中提升編程能力和計算思維。

表3 兩組學(xué)生編程知識和編程技能測試成績有序值的分析

表4 編程知識成績與編程技能成績間的斯皮爾曼相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)，**表示在 .0.01 水平 （雙側(cè)）上顯著相關(guān)

結(jié)語

本研究以建模、支架等理論為基礎(chǔ)設(shè)計了編程學(xué)習(xí)活動，并通過實證研究，探索不同圖式支架對初中生編程能力的影響。實驗數(shù)據(jù)表明，條件圖式支架教學(xué)下學(xué)生編程能力尤其是編程技能得到了顯著提升，同時學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中滿意度較高。研究還發(fā)現(xiàn)學(xué)生的編程技能和編程知識之間存在一定的相關(guān)性，但是這種相關(guān)性是不穩(wěn)定的，教師在教學(xué)過程中需要高度重視編程技能與編程知識的協(xié)同性。此外，該研究仍然存在著不足之處如本研究的結(jié)論仍有待通過更長的學(xué)習(xí)周期加以驗證、將單一測試作為評價學(xué)生編程能力的唯一標(biāo)準(zhǔn)缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性等，這些問題還有待在后續(xù)研究中加以完善。

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