不同结对编程策略对小学生学习效果影响的比较研究.pdf
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1、不同结对编程策略对小学生学习效果影响的比较研究王旭卿1,黄琼梅2(1.上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.海口市海景学校,海南 海口 570208)摘 要:结对编程是一种以协作方式学习编程的教学策略,该研究将结对编程与单独编程相结合,构成混合结对编程策略,采用准实验研究法,从编程总评成绩、结对融洽度、结对互动话语等方面,探究混合结对编程和常规结对编程两种策略对小学生学习编程效果影响的差异。实验结果表明,混合结对编程策略能够增进结对伙伴之间的融洽度,促进学生之间的积极互动,提高小学生的编程能力。教师应正确认识结对编程与单独编程的价值,通过组合应用,提高编程教学实效。关键词:
2、混合结对编程策略;常规结对编程策略;结对融洽度;结对互动2017 年,国务院发布 新一代人工智能发展规划,指出“在中小学阶段开设人工智能相关课程,逐步推广编程教育”。义务教育阶段信息科技课程标准(2022 年版)提出了科学原理和实践应用并重的课程内容体系,而编程学习是落实“科”与“技”并重理念的重要载体。结对编程(Pair Programming)作为一种编程教学策略,已被应用于中小学编程教学实践中,它是指两个人协作解决编程问题,其中“驾驶员”负责编写代码,“导航员”负责审查代码,在结对过程中每隔一段时间交换角色。已有研究结果表明,结对编程在提高学生对编程概念的理解、促进同伴之间的知识共享等方
3、面有积极的作用,但是这种特殊的合作学习方式对同伴之间的编程能力匹配度、结对伙伴的合作意愿有一定要求。为了改进结对编程策略、提升编程教学效果,有必要开展更扎实的实证研究,为一线教师开展有效的结对编程教学实践提供参考。作者简介:王旭卿,上海师范大学信息与机电工程学院副教授,博士,主要从事中小学信息科技教育与教师教育研究;黄琼梅,海口市海景学校中学教师,主要从事中小学信息科技教育研究。中共中央国务院:国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知,载中国政府网:https:/ 年 10 月 28 日。中华人民共和国教育部:义务教育信息科技课程标准(2022 年版),北京大学出版社 2022 年版,第 4
4、-7 页。D.C.Cliburn,“Experiences with Pair Programming at A Small College”,Journal of Computing Sciences in Colleges,Vol.19,no.1(2003),pp.20-29.J.Chong,T.Hurlbutt,“The Social Dynamics of Pair Programming”,29th International Conference on Software Engineering(ICSE07),Minneapolis,MN,USA(2007),pp.354-363.
5、J.Denner,S.Campe,L.Werner,“Does Computer Game Design and Programming Benefit Children?A Meta-synthesis of Research”,ACM Transactions on Computing Education(TOCE),Vol.19,no.3(2019),pp.1-35.现代基础教育研究第53卷,2024年3月(Research on Modern Basic Education)Vol.53,Mar.2024157157第53卷现代基础教育研究(Research on Modern Bas
6、ic Education)2024年3月一、问题的提出与单独编程相比,结对编程具有许多独特的优势:一是它可以显著提高学生的编程能力,结对完成任务的时间更短、质量更高;二是它可以提高学生完成编程任务的信心,降低学生的认知负荷,激发学生学习编程的兴趣,减少学习者的沮丧感;三是它能促进学生之间的沟通交流和知识分享,提高学生的协作学习能力和问题解决能力。为了改进结对编程的实施策略,一些研究人员提出了许多结对编程的变体形式,来弥补常规结对编程策略(即教学过程中全程使用结对编程)的不足。结对编程变体形式的共同点是将单独编程与结对编程相结合。已有研究表明,单独编程的过程有利于提高个人的编程技能和增加学习的乐
7、趣,而结对过程使学生参与到与同伴对话,有助于概念发展,并且在同伴对话中进行学习更符合学生现有的理解。由此可见,结对编程变体形式具有独特的优势。不过相关的实证研究较少,有必要对改进常规结对编程策略的教学实践开展研究,验证其有效性。本研究重点关注混合结对编程(Hybrid Pair Programming)策略,即在结对编程的基础上增加单独编程,采用准实验研究方法,对比分析混合结对编程策略和常规结对编程策略对小学生学习编程效果影响的差异,将从编程总评成绩、结对融洽度、结对互动话语和对不同结对编程策略的态度四个方面来评价。此外,还探究了结对积极互动、结对融洽度与编程成绩之间的关系。二、研究设计1.研
8、究对象2020 年秋季学期,研究者开展为期一个学期的“掌控板进阶课程”教学实验。教学实验的对象是上海市某小学五年级自愿参加本课程学习的 40 名学生。其中,采用常规结对编程策略教学的对照班人数共 20 人;采用混合结对编程策略教学的实验班人数共 20 人。这两个班学生在 2021 年春季学期都已学习了“Mind+掌控板”的基础课程,为了确保两个班级实验对象的知识储备处于同一水平,以保证后期数据的有效性,研究者在课程教学开始前进行了前测,结果显示:Sig=0.911,p0.05,说明两个班级的前测成绩没有显著差异,可以判定两个班“Mind+掌控板”学习基础基本一致,可以进行教学实验。J.E.Ha
9、nnay,T.Dyba,E.Arisholm,et al.,“The Effectiveness of Pair Programming:A Meta-analysis”,Information and SoftwareTechnology,Vol.51,no.7(2009).pp.1110-1122.L.Williams,R.L.Upchurch,“In Support of Student Pair-programming”,SIGCSE01:Proceedings of the Thirty-second SIGCSE Technical Symposium on Computer Sc
10、ience Education,February,Vol.33,no.1(2001),pp.327-331.C.Mcdowell,L.Werner,H.E.Bullock,et al.,“Pair Programming Improves Student Retention,Confidence,and Program Quality”,Communications of the ACM,Vol.49,no.8(2006),pp.90-95.J.Liebenberg,E.Mentz,B.Breed,“Pair Programming and Secondary School Girls Enj
11、oyment of Programming and the Subject Information Technology(IT)”,Computer Science Education,Vol.22,no.3(2012),pp.1-18.A.Disessa,Changing Minds:Computers,Learning,and Literacy,Boston:The MIT Press,2001,pp.165-207.M.T.Chi,N.De Leeuw,M.Chiu,et al.,“Eliciting Self-explanations Improves Understanding”,C
12、ognitive Science,Vol.18,no.3(1994),pp.439-477.M.C.Linn,S.Hsi,Computers,Teachers,Peers:Science Learning Partners.London:Routledge,2000,p.137-180.H.Yuan,Y.Cao,“Hybrid Pair Programming-a Promising Alternative to Standard Pair Programming”,SIGCSE19:Proceedings of the50th ACM Technical Symposium on Compu
13、ter Science Education,February(2019),pp.1046-1052.Mind+是一款国产青少年编程软件,掌控板是一款支持青少年学习编程的电子开发板。Mind+掌控板基础课程就是使用 Mind+编程软件,对掌控板进行编程的入门初级课程。158158王旭卿,黄琼梅:不同结对编程策略对小学生学习效果影响的比较研究在教学过程中,研究者把学生完成的编程任务划分为基础任务和进阶任务,对照班学生在完成基础和进阶任务时,都开展结对编程;而实验班在完成基础任务时,学生进行单独编程,完成进阶任务时,学生开展结对编程。2研究工具(1)课后综合测试试卷学生的编程总评成绩由学生结对完成的
14、进阶任务编程作品成绩和学生单独完成的课后综合测试成绩两部分组成,分别占 40%和 60%,以此衡量每位学生的编程能力。每个进阶任务编程作品将由教师和研究者共同打分,最终确定编程作品成绩。课后综合测试试卷由研究者和教师根据课程内容和学生平时的知识掌握程度共同商议制订,它包括 10 道选择题和 3 道上机编程题(画三角形、利用声音传感器实现吹墨画和使用 PYTHON触摸按键实现划船比赛游戏),用来检测学生的编程能力。(2)结对融洽度问卷结对融洽度(Pair Compatibility)问卷主要用于调查学生在结对相处过程中的融洽程度。问卷包含 4 个思考问题,还有 1 个全面的整体评价问题,如表 1
15、 所示。4 个思考问题采用三点量表,包括:一直(3)、偶尔(2)、从不(1)。整体评价问题是:非常配合(3)、一般(2)、不配合(1)。这份问卷的信度系数为 0.8。表 1 结对融洽度问卷序号12345问题你的组员参加了你们的小组讨论吗?你的组员不能参加讨论或者课程学习时通知你了吗?你的组员在讨论前或者课程学习前是否做出了很大的努力?你的组员在讨论或者课程学习中是否尽力做到他/她所能做到的?你的组员配合小组工作吗?(3)结对互动表现编码方案结对互动(Pair Interaction)是指学生在结对过程中,结对同伴之间发生的一切相互作用与影响,例如交流、冲突或分歧,最终导致互动双方行为或认知改变
16、的过程。为了对两个班级学生结对编程的互动过程进行更细致的分析,研究者采用录音方式,在学生完成每个进阶任务时,从实验班和对照班各随机选择三个结对小组,录制结对同伴之间的谈话内容,获得学生在结对过程中互动交流的话语数据。根据结对互动表现编码方案(见表 2)对结对互动交流的话语数据进行互动类型编码,发现结对互动表现分为积极互动、中性互动和消极互动三种类型。对于比较模糊的互动表现,研究者与教师共同讨论,并结合研究者在教学中观察和记录的结对观察记录表判断学生的结对互动类型。表 2 结对互动表现编码方案互动类型积极互动中性互动消极互动互动表现邀请、友好、协作、双向指导、主动交换角色参与、维护规则、借取、单
17、向指导、被动交换角色攻击、抢夺、不良语言、无指导、拒绝交换角色 PYTHON 是掌控板上的六个触摸按键名称。B.C.Zhong,Y.X.Wang,“Effects of Roles Assignment and Learning Styles on Pair Learning in Robotics Education”,International Journal of Technology and Design Education,Vol.31(2021),pp.41-59.159159第53卷现代基础教育研究(Research on Modern Basic Education)2024年
18、3月(4)对不同结对编程策略看法的访谈问题在课程结束前,研究者通过面对面访谈,了解学生对不同结对编程策略的态度。访谈内容主要围绕结对编程的效果和结对编程过程中的同伴互动。访谈一共包括 6 个主要问题,见表 3。表 3 关于结对编程策略看法的访谈问题序号123456问题你和结对同伴相处融洽吗,为什么?你希望在以后的课堂中继续采用这种结对策略来学习吗,为什么?混合结对编程和常规结对编程策略,你更喜欢哪个策略,为什么?课堂中采用的这种结对编程策略对提高你的编程能力有帮助吗,为什么?你的编程能力会影响你和同伴在结对过程中的交流吗,为什么?你对目前的这种结对编程策略有什么改进的建议吗?3.教学实施本研究
19、“掌控板进阶课程”教学实验一共持续 14 周,两个班级每周 1 个课时,每个课时的时长为 1小时。教学内容是以 Mind+图形化编程平台为编程工具的掌控板进阶编程知识与技能,学生需要运用掌控板的显示屏、声音传感器、光线传感器、A/B 按键和 PYTHON 触摸按键来创作硬件编程作品、完成学习任务。课程前两周是准备阶段,主要进行认知起点前测,通过“欢乐对对碰”游戏让学生自由分组选择结对同伴,向学生讲解结对编程准则,以及学生在完成画直线的简单任务中初步体验结对编程中的“驾驶员”和“导航员”角色分工与角色互换。课程第 312 周学习新知识和完成 8 个编程任务(包括基础任务和进阶任务)。基础任务难度
20、较低,主要帮助学生掌握编程技能,具体包括:画十字架、画音量柱、A/B 按键控制角色大小、触摸按键控制角色行走等。进阶任务在基础任务基础上提升一个台阶,需要学生综合应用新、旧知识与技能,主要包括 4 个较难、较复杂的编程任务:画指定线宽的长方形、实现随声音强度变化的音量柱状图、实现随光线强度变化 10 次的光强折线图,以及利用触摸按键控制角色穿越的魔幻隧道游戏。课程最后两周进行后测、填写结对融洽度问卷、面对面访谈,以及每位学生独立完成课后综合测试。三、数据分析与研究发现1.编程总评成绩差异学生的编程总评成绩由学生结对完成的进阶任务编程作品成绩和学生单独完成的课后综合测试成绩两个部分组成,实验班的
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