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林裕如，張屹，楊玉芹，高智敏，任旭，& 陳鄧康.(2025).整合概念支架的游戲化學(xué)習(xí)賦能小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展：支架提供時(shí)機(jī)與性別的影響. 中國遠(yuǎn)程教育(8),75-94.

整合概念支架的游戲化學(xué)習(xí)賦能小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展：支架提供時(shí)機(jī)與性別的影響
林裕如, 張屹, 楊玉芹, 高智敏, 任旭, 陳鄧康

【摘要】游戲化學(xué)習(xí)被認(rèn)為具有培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的潛力，但如何幫助學(xué)生將游戲內(nèi)容與計(jì)算思維建立聯(lián)系是目前游戲化教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。本研究以65名小學(xué)三年級(jí)學(xué)生為研究對(duì)象，基于計(jì)算思維要素設(shè)計(jì)概念支架，開展了為期6周的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，探究游戲前預(yù)先提供支架和游戲后延遲提供支架對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的影響，關(guān)注了不同性別學(xué)生計(jì)算思維的差異。通過對(duì)小學(xué)生圖畫作品進(jìn)行單因素或雙因素方差分析和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)：1）支架提供時(shí)機(jī)顯著影響學(xué)生計(jì)算思維，且預(yù)先提供組總體得分更高，預(yù)先提供支架有效促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維，延遲提供組則激發(fā)學(xué)生迭代探索；2）女生計(jì)算思維總體得分顯著高于男生，女生傾向于問題分解，男生關(guān)注迭代優(yōu)化；3）支架提供時(shí)機(jī)和性別對(duì)計(jì)算思維的影響不具有交互作用。研究結(jié)論為游戲化學(xué)習(xí)中概念支架的設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供了參考，也為促進(jìn)計(jì)算思維教育中的性別平等提供了見解。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維; 游戲化學(xué)習(xí); 支架策略; 基礎(chǔ)教育; 人工智能課程

一、

引言

智能時(shí)代的到來呼吁能夠適應(yīng)人機(jī)協(xié)同解決問題的創(chuàng)新型人才（UNECO, 2024），計(jì)算思維作為一種有效分析和解決復(fù)雜問題的能力，被認(rèn)為是21世紀(jì)各年齡段學(xué)生必備的核心素養(yǎng)之一（Zhao et al., 2022）。在教育中整合計(jì)算思維不僅是為了幫助學(xué)生在未來智能社會(huì)中更好地生存和發(fā)展，也是為了培養(yǎng)能夠站在創(chuàng)新前沿、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步、用聰明才智解決復(fù)雜問題的人才（Cynthia & Sihotang, 2023）。因此，一些研究者（Ilgun Dibek et al., 2025）認(rèn)為，在智能時(shí)代培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維比以往任何時(shí)候都更重要。此外，有研究（孫立會(huì) & 胡琳琳, 2021）發(fā)現(xiàn)小學(xué)是培養(yǎng)計(jì)算思維的關(guān)鍵時(shí)期，尤其在小學(xué)二、三年級(jí)。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）指出，在低年齡段培養(yǎng)計(jì)算思維有利于消除性別等方面的刻板印象，確保兒童平等獲得發(fā)展數(shù)字素養(yǎng)的機(jī)會(huì)（楊偉鵬, 2024）。雖然盡早培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維已取得理論共識(shí)，但在實(shí)踐中仍面臨教學(xué)策略、教學(xué)工具適配性不足等挑戰(zhàn)，如何發(fā)展小學(xué)生計(jì)算思維仍需系統(tǒng)研究（張屹 等, 2024）。

游戲化學(xué)習(xí)能夠激發(fā)兒童學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，降低其認(rèn)知負(fù)荷，并可通過情境化任務(wù)驅(qū)動(dòng)小學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展（Ma et al., 2023），但其隱性知識(shí)表征模式可能給小學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)帶來困難（Barzilai & Blau, 2014），小學(xué)生可能難以自主建立游戲內(nèi)容與計(jì)算思維之間的認(rèn)知關(guān)聯(lián)（Tedre & Denning, 2021; Zhao & Shute, 2019）。因此研究者（Cai et al., 2022）提出整合概念支架以強(qiáng)化顯性知識(shí)構(gòu)建，幫助學(xué)生跨越“最近發(fā)展區(qū)”（Vygotsky, 1978, p. 174）。然而，現(xiàn)有研究對(duì)支架提供時(shí)機(jī)缺乏系統(tǒng)性探討：在游戲前提供結(jié)構(gòu)化的引導(dǎo)能夠提升學(xué)習(xí)效率，幫助學(xué)生形成宏觀的邏輯化框架（喬愛玲 等, 2021），但也可能因過早介入而削弱學(xué)生自主思考的深度和廣度（Shute, 2008）；在游戲后提供又可能因其滯后性而導(dǎo)致難以補(bǔ)救學(xué)生的認(rèn)知斷層（Belland et al., 2017）。此外，研究發(fā)現(xiàn)性別是影響計(jì)算思維的潛在因素（Hu, 2024），且與支架策略存在交互作用（Angeli & Georgiou, 2023），但鮮有研究結(jié)合支架提供時(shí)機(jī)，比較游戲前預(yù)先提供支架和游戲后延遲提供支架對(duì)男生和女生計(jì)算思維的影響差異。

基于此，本研究依托團(tuán)隊(duì)開發(fā)的《人工智能?計(jì)算思維（三年級(jí)）》教材（華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部, 2022, pp. 49-77），以機(jī)器學(xué)習(xí)單元為例開展為期6周的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，依據(jù)計(jì)算思維編碼表對(duì)學(xué)生的圖畫作品進(jìn)行編碼和評(píng)分。通過單因素方差分析和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析法揭示支架提供時(shí)機(jī)對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的影響，比較不同性別學(xué)生計(jì)算思維的表現(xiàn)差異和特征，再通過雙因素方差分析法進(jìn)一步探索支架提供時(shí)機(jī)和性別的交互作用，旨在為游戲化學(xué)習(xí)中支架的設(shè)計(jì)和使用提供參考，為促進(jìn)計(jì)算思維教育中的性別平等提供見解。

二、

文獻(xiàn)綜述

（一）游戲化學(xué)習(xí)中有關(guān)計(jì)算思維的研究

計(jì)算思維是指利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及理解人類行為的思維過程（Wing, 2006）。已有研究者運(yùn)用游戲化學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維。例如， Hooshyar等（2021）探索了Auto Thinking的自適應(yīng)教育電腦游戲?qū)?9名小學(xué)生計(jì)算思維的影響，發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，使用Auto Thinking電腦游戲?qū)W習(xí)的實(shí)驗(yàn)組在算法思維、模式識(shí)別、調(diào)試、模擬和泛化等維度上的表現(xiàn)顯著優(yōu)于對(duì)照組，表明Auto Thinking游戲能夠促進(jìn)小學(xué)生沉浸于游戲化的問題解決過程，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的有效培養(yǎng)。張屹等（2022）圍繞人工智能核心知識(shí)“表達(dá)與推理”，設(shè)計(jì)游戲化活動(dòng)來培養(yǎng)高中生的計(jì)算思維，通過6周教學(xué)實(shí)踐和作品分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生計(jì)算思維整體水平以及分解、模式識(shí)別、抽象、算法、調(diào)試等分維度的水平均得到顯著提升。

盡管游戲化學(xué)習(xí)在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維方面具有潛力，但研究者發(fā)現(xiàn)需要在游戲化學(xué)習(xí)中整合支架策略來幫助他們將游戲內(nèi)容和計(jì)算思維聯(lián)系起來。例如， Tikva和Tambouris（2023）將支架策略引入“aMazeD”編程游戲，發(fā)現(xiàn)相較于不帶支架的游戲，帶支架的游戲能更有效地培養(yǎng)初中生的計(jì)算思維。但Charsky和Ressler（2011）卻發(fā)現(xiàn)在游戲中加入概念支架會(huì)對(duì)學(xué)生的游戲體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響，降低他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，并認(rèn)為游戲中的支架雖然幫助學(xué)生聚焦了學(xué)科概念，但也降低了游戲的自主性和趣味性。因此，有研究者提出在游戲外添加支架來平衡學(xué)習(xí)效果和游戲體驗(yàn)。例如，喬愛玲等（2021）基于The Irregular Corporation 發(fā)行的裝機(jī)模擬游戲，為111名初一學(xué)生設(shè)計(jì)了圖文和視頻兩種外部概念支架，旨在于外顯游戲中學(xué)習(xí)內(nèi)隱的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)，研究發(fā)現(xiàn)相較于無支架組，外部概念支架顯著提升了學(xué)生的知識(shí)測(cè)試成績，且圖文支架的提升效果最佳。綜上，外部支架支持學(xué)生獲得學(xué)科知識(shí)的有效性已得到證明，但尚不清楚外部支架對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響效果，因此本研究也通過添加外部概念支架的方式探索其對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響。

（二）支架提供時(shí)機(jī)對(duì)計(jì)算思維的影響研究

在維果斯基（Vygotsky, 1978, p. 174）“最近發(fā)展區(qū)”理論的指導(dǎo)下，支架（Scaffolding）旨在幫助學(xué)生從現(xiàn)有的認(rèn)知水平達(dá)到潛在的發(fā)展水平。依據(jù)不同功能，支架可以分為概念支架、策略支架、元認(rèn)知支架和動(dòng)機(jī)支架等類型，其中概念支架通過提供核心知識(shí)概念或框架幫助學(xué)生理解復(fù)雜問題的本質(zhì)（Kim et al., 2018），包括描述性解釋、概念圖、提示、反饋等多種形式。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)概念支架對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展具有關(guān)鍵作用。例如，Xu等（2019）以概念圖的形式幫助學(xué)生理解編程和計(jì)算思維概念，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)讓小貓?zhí)映雒詫m的游戲；通過分析學(xué)生作品發(fā)現(xiàn)，概念支架組學(xué)生的計(jì)算思維得分高于對(duì)照組，且在抽象與問題分解、邏輯思維、數(shù)據(jù)表示等維度上差異顯著。

在支架的具體運(yùn)用中，教師既可以在學(xué)生參與解決問題前預(yù)先提供引導(dǎo)，也可以在學(xué)生自主探索、初步嘗試后延遲提供支持，但何時(shí)提供支架更有利于促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維尚未達(dá)成共識(shí)。一些研究者認(rèn)為預(yù)先提供支架能夠減少學(xué)生在問題解決過程中的挫折，加快學(xué)生知識(shí)構(gòu)建和解決問題的速度，從而更有利于學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。例如，Woo和Falloon（2024）在讓學(xué)生正式參與編程動(dòng)畫敘事（Coded Animated Narratives，CAN）項(xiàng)目之前，預(yù)先為學(xué)生提供了故事創(chuàng)作模板和框架以幫助學(xué)生系統(tǒng)地規(guī)劃和組織自己的故事內(nèi)容，該研究發(fā)現(xiàn)這些預(yù)先提供的支持能幫助學(xué)生在故事創(chuàng)作中保持清晰的思路、理解代碼的整體結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)問題解決能力和計(jì)算思維的發(fā)展。但Shute（2008）認(rèn)為預(yù)先提供的支持可能會(huì)削弱學(xué)生自主思考的深度和廣度，且讓學(xué)生產(chǎn)生依賴，不利于他們長期的發(fā)展。因此，另一些研究者提出在學(xué)生參與學(xué)習(xí)體驗(yàn)后再提供支架，鼓勵(lì)學(xué)生通過實(shí)踐和試錯(cuò)來參與深層次的計(jì)算思維過程。例如，在Chevalier等（2022）的研究中，66名8~9歲的小學(xué)生被要求解決修復(fù)火星能量發(fā)電機(jī)的問題，研究者發(fā)現(xiàn)相較于及時(shí)提供反饋，延遲提供反饋能促進(jìn)學(xué)生更主動(dòng)和深入的思考，使他們更充分地運(yùn)用分解、抽象、模式識(shí)別和算法等計(jì)算思維要素。

（三）性別對(duì)計(jì)算思維的影響研究

性別長期以來是計(jì)算思維領(lǐng)域關(guān)注的重要因素，關(guān)于其對(duì)計(jì)算思維的影響，學(xué)界主要存在以下兩種觀點(diǎn)。一是認(rèn)為性別會(huì)影響計(jì)算思維，且男性優(yōu)于女性。例如，Hu（2024）通過對(duì)30篇文獻(xiàn)的元分析發(fā)現(xiàn)，性別對(duì)計(jì)算思維存在顯著影響，且男性的得分高于女性；Atmatzidou和Demetriadis（2016）的研究也有類似的結(jié)論，他們借助教育機(jī)器人發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維，發(fā)現(xiàn)相較于男性，女性需要更多的訓(xùn)練時(shí)間才能達(dá)到相同的計(jì)算思維水平。二是認(rèn)為性別不會(huì)顯著影響計(jì)算思維。例如，楊偉鵬（2024）通過開展插電和不插電活動(dòng)培養(yǎng)91名5歲幼兒的計(jì)算思維，發(fā)現(xiàn)男孩和女孩在編程活動(dòng)中都能得到相似的計(jì)算思維發(fā)展，性別并未成為女孩獲得計(jì)算思維的阻礙；孫立會(huì)和胡琳琳（2021）通過對(duì)五省市六所小學(xué)的2,010名小學(xué)生進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他們?cè)谟?jì)算思維上并不具有顯著的性別差異，且女生具有微弱的優(yōu)勢(shì)，該研究結(jié)論強(qiáng)調(diào)了在基礎(chǔ)教育中女生發(fā)展計(jì)算思維的潛力。

近年已有研究關(guān)注支架和性別的交互作用，探索在支架支持的學(xué)習(xí)下男生和女生在計(jì)算思維上的表現(xiàn)差異。例如， Angeli和Valanides（2020）以印有Bee-Bot指令的卡片（Type-A）與3D圖片和網(wǎng)絡(luò)地圖（Type-B）為兩種類型的支架，隨機(jī)將50名幼兒分為兩組參與Type-A支架和Type-B支架支持的Bee-Bot機(jī)器人學(xué)習(xí)活動(dòng)，且特別關(guān)注了這兩種支架和不同性別對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的交互影響。研究發(fā)現(xiàn)，這兩種支架都有利于學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展，且大多數(shù)兒童都擅長使用分解作為處理復(fù)雜任務(wù)的策略，性別和支架策略之間存在顯著的交互作用，男孩使用Type-A支架的表現(xiàn)更好，而女孩使用Type-B支架的表現(xiàn)更好。Georgiou和Angeli（2020）調(diào)查了支架和性別對(duì)180名兒童計(jì)算思維的影響，同樣發(fā)現(xiàn)支架和性別對(duì)學(xué)生計(jì)算思維具有很強(qiáng)的相互作用。

綜上所述，已有研究證實(shí)了在游戲化學(xué)習(xí)中整合支架的必要性，但尚不清楚何時(shí)提供支架更有利于促進(jìn)小學(xué)生計(jì)算思維，男生和女生在計(jì)算思維上的表現(xiàn)尚未達(dá)成共識(shí)，不同性別小學(xué)生的計(jì)算思維特點(diǎn)仍需進(jìn)一步探索。此外，已有研究發(fā)現(xiàn)性別作為影響學(xué)生計(jì)算思維的潛在因素，可能會(huì)影響支架的效果，與不同類型的支架存在交互效應(yīng)，但在性別與支架的提供時(shí)機(jī)是否存在交互作用、不同性別的學(xué)生是否適配不同的支架提供時(shí)機(jī)等方面仍缺乏實(shí)證探索。因此，本研究將主要解決三個(gè)問題：1）游戲化學(xué)習(xí)中概念支架的提供時(shí)機(jī)（預(yù)先提供 VS 延遲提供）對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的影響是什么？2）整合概念支架的游戲化學(xué)習(xí)中男生和女生的計(jì)算思維具有怎樣的差異？3）游戲化學(xué)習(xí)中概念支架的提供時(shí)機(jī)和性別對(duì)計(jì)算思維的影響是否具有交互作用？

三、

研究方法

（一）研究被試

武漢市某小學(xué)的65名三年級(jí)學(xué)生參與本研究，他們?nèi)雽W(xué)時(shí)間、接受的教育水平均相同，且具有相似的先驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)經(jīng)歷。參與者以班級(jí)為單位被隨機(jī)分配到支架預(yù)先提供組和延遲提供組。預(yù)先提供組的學(xué)生在游戲前接受支架引導(dǎo)，即先參與支架支持的學(xué)習(xí)再玩游戲。延遲提供組則在游戲后才獲得學(xué)習(xí)支架，即先玩游戲后參與支架支持的學(xué)習(xí)。預(yù)先提供組共31名學(xué)生，其中男生14人、女生17人；延遲提供組共34名學(xué)生，男生18人、女生16人。通過前測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩組先驗(yàn)知識(shí)水平不具有顯著差異（x預(yù)先提供組=61.92，x延遲提供組=61.55，p=0.92>0.05）。整個(gè)研究過程中，兩個(gè)組的學(xué)生始終由同一名教師授課。

（二）游戲化學(xué)習(xí)平臺(tái)

本研究是在code.org平臺(tái)上進(jìn)行的，該平臺(tái)包括一系列開放且免費(fèi)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程資源，旨在提高計(jì)算機(jī)科學(xué)教育在中小學(xué)的普及程度，其中融入的游戲元素等也被發(fā)現(xiàn)適合中小學(xué)生且能促進(jìn)他們的計(jì)算思維（Barradas et al., 2020）。目前的研究集中在平臺(tái)中包含的一個(gè)游戲“保護(hù)海洋的人工智能”（AI for Ocean）（https://code.org/oceans），玩家通過訓(xùn)練能清理海洋垃圾的海寶機(jī)器人來探索機(jī)器學(xué)習(xí)的概念、過程并熟悉人工智能在生活中的運(yùn)用。這款游戲是code.org平臺(tái)上最受歡迎的游戲之一，絕大多數(shù)兒童和家長都表示喜歡該游戲（Su & Yang, 2024）。

具體來說，這款游戲的目標(biāo)是訓(xùn)練能夠清理海洋垃圾的機(jī)器人海寶。游戲開始后，玩家點(diǎn)擊交互按鈕訓(xùn)練機(jī)器認(rèn)識(shí)魚和垃圾，游戲界面如圖1所示。

圖1 “保護(hù)海洋的人工智能”（AI for Ocean）游戲界面

界面上方是學(xué)習(xí)進(jìn)度條，右上方呈現(xiàn)了訓(xùn)練次數(shù)，點(diǎn)擊“繼續(xù)”則是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試，立即反饋玩家訓(xùn)練效果。本研究根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果制定排行榜，玩家所面臨的挑戰(zhàn)在于找到最佳的訓(xùn)練方法，讓機(jī)器能夠又快又準(zhǔn)確地清理海洋垃圾。

（三）概念支架

本研究基于瓦萊麗?舒特等（Shute et al., 2017）提出的6個(gè)計(jì)算思維要素，結(jié)合AI4K12（2020）框架中“機(jī)器學(xué)習(xí)”大概念相關(guān)的核心知識(shí)，設(shè)計(jì)了如表1所示的系列概念支架。

表1 概念支架示例

這些概念支架一方面幫助學(xué)生理解游戲任務(wù)中隱含的計(jì)算思維要素，另一方面幫助學(xué)生獲取和掌握游戲內(nèi)容中所涉及的機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)。分解要素體現(xiàn)在游戲任務(wù)的開始，概念支架引導(dǎo)學(xué)生明確游戲任務(wù)，并將讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分魚和垃圾的游戲任務(wù)分解為兩個(gè)子問題，讓機(jī)器學(xué)會(huì)識(shí)別魚和讓機(jī)器學(xué)會(huì)識(shí)別垃圾，并提供“機(jī)器學(xué)習(xí)”的描述性解釋。抽象要素體現(xiàn)在游戲中為機(jī)器提供數(shù)據(jù)這一環(huán)節(jié)，概念支架幫助學(xué)生理解現(xiàn)實(shí)生活中的魚和垃圾需要抽象轉(zhuǎn)化成機(jī)器能理解的數(shù)據(jù)，機(jī)器通過抽取出魚和垃圾的關(guān)鍵特征來學(xué)習(xí)，并呈現(xiàn)“數(shù)據(jù)”“特征”等概念的含義。算法、調(diào)試和迭代要素體現(xiàn)在游戲中訓(xùn)練和測(cè)試機(jī)器這兩個(gè)環(huán)節(jié)，概念支架幫助學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)的一般步驟，運(yùn)用順序算法讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分魚和垃圾，同時(shí)引入分支算法應(yīng)對(duì)不同的測(cè)試結(jié)果：如果機(jī)器識(shí)別存在錯(cuò)誤，則觸發(fā)迭代優(yōu)化機(jī)制，返回訓(xùn)練環(huán)節(jié)，重新訓(xùn)練機(jī)器；如果測(cè)試發(fā)現(xiàn)機(jī)器識(shí)別不存在錯(cuò)誤，則進(jìn)入使用環(huán)節(jié)。泛化要素體現(xiàn)在游戲任務(wù)結(jié)束后，概念支架鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，思考機(jī)器學(xué)習(xí)還可以遷移和運(yùn)用到其他哪些情境中，以及機(jī)器通過學(xué)習(xí)還可以具備哪些功能以幫助人類完成更多的事情，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)社會(huì)的影響。

（四）研究過程

如圖2所示，研究過程分為課前調(diào)查、課程學(xué)習(xí)和作品創(chuàng)設(shè)三個(gè)階段。

圖2 研究過程

課前調(diào)查階段，所有參與者被要求完成先驗(yàn)知識(shí)前測(cè)以及包含性別和年齡的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)調(diào)查，共15分鐘。隨后，所有參與者參與包括游戲挑戰(zhàn)和基于支架學(xué)習(xí)的人工智能課程，課程持續(xù)5周，每周40分鐘。預(yù)先提供組和延遲提供組的唯一區(qū)別在于支架提供時(shí)機(jī)上的不同：預(yù)先提供組先獲得支架的支持，明確學(xué)習(xí)內(nèi)容后再參與游戲挑戰(zhàn)；延遲提供組則先經(jīng)歷游戲挑戰(zhàn)，然后再基于支架回顧學(xué)習(xí)內(nèi)容。作品創(chuàng)設(shè)是在課程的最后一周實(shí)施，所有參與者被鼓勵(lì)想象機(jī)器學(xué)習(xí)的運(yùn)用場景，結(jié)合課程內(nèi)容以圖文并茂的方式繪制讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分兩類事物的步驟，共30分鐘。

（五）數(shù)據(jù)采集與編碼

通過引導(dǎo)兒童完成繪畫作品來表達(dá)他們的思維過程或想法觀點(diǎn)常被用于教學(xué)研究，并被認(rèn)為這是一種更加符合低年齡段學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特征的科學(xué)方式（高晗蕊 等, 2023）。本研究通過學(xué)生繪制的“讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分兩類物體”的圖畫作品來評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維水平。研究者鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮想象力描述他們希望機(jī)器區(qū)分的兩類物體以及運(yùn)用的場景，然后運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和計(jì)算思維要素，以圖文結(jié)合的方式繪制機(jī)器的創(chuàng)設(shè)過程。

計(jì)算思維圖畫作品編碼表是研究團(tuán)隊(duì)和授課教師基于舒特等（Shute et al., 2017）提出的計(jì)算思維要素共同編設(shè)的。編碼表包括圖畫作品的評(píng)價(jià)維度、維度描述、作品表現(xiàn)及其對(duì)應(yīng)分值（如表2所示）。

表2 計(jì)算思維圖畫作品編碼表

分解、抽象、算法、調(diào)試和迭代維度中，作品表現(xiàn)包含多個(gè)給分點(diǎn)，屬于累計(jì)得分。以調(diào)試為例：若學(xué)生在作品中提到需要對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，則給1分；若還能知道初始設(shè)計(jì)的機(jī)器可能會(huì)出錯(cuò)，則再給1分，累計(jì)2分；若面對(duì)測(cè)試結(jié)果，提到還需修改或繼續(xù)訓(xùn)練機(jī)器，則再給1分，累計(jì)3分；若還能再進(jìn)一步分析機(jī)器出錯(cuò)的原因，則再給1分，累計(jì)4分。泛化維度與其他維度不同，是直接給出對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)。Barnett和Ceci（2002）提出可以從知識(shí)領(lǐng)域、物理語境、功能語境、時(shí)間語境等方面來判斷學(xué)生的遷移程度，其中功能語境是將學(xué)生運(yùn)用某個(gè)知識(shí)或技能的場景與獲得該知識(shí)或技能的場景進(jìn)行比較。鑒于課程是讓學(xué)生運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用計(jì)算思維對(duì)機(jī)器的功能進(jìn)行遷移，因此本研究基于功能語境的定義來評(píng)價(jià)學(xué)生的泛化維度。

所有學(xué)生的圖畫作品都由經(jīng)過訓(xùn)練的兩名編碼員獨(dú)立完成編碼。兩名編碼員的Cohen’s Kappa 系數(shù)為0.843>0.7，編碼結(jié)果具有良好的一致性。針對(duì)編碼不一致的地方，兩名編碼員共同研討以達(dá)成一致，編碼示例如圖3所示。

圖3 學(xué)生計(jì)算思維圖畫作品編碼示例

注：本圖所呈現(xiàn)的是支架預(yù)先提供組學(xué)生創(chuàng)設(shè)的做飯機(jī)器人。

（六）數(shù)據(jù)分析方法

本研究采用量化統(tǒng)計(jì)分析與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析法，以系統(tǒng)探究支架提供時(shí)機(jī)對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的影響以及男生和女生計(jì)算思維水平的差異。針對(duì)問題1和問題2，研究首先通過單因素方差分析（One-way ANOVA）比較支架預(yù)先提供組與延遲提供組、男生與女生在計(jì)算思維總分及各維度上的差異。然后運(yùn)用ENA web 工具分別繪制不同組別和不同性別學(xué)生的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖，比較他們計(jì)算思維要素共線關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異。最后，為進(jìn)一步比較支架提供時(shí)機(jī)對(duì)學(xué)生泛化能力的影響，本研究運(yùn)用UCINET軟件繪制網(wǎng)絡(luò)圖可視化呈現(xiàn)學(xué)生遷移的情境，比較預(yù)先提供組與延遲提供組的泛化程度。針對(duì)問題3，研究采用雙因素方差分析法（Two-way ANOVA）檢驗(yàn)支架提供時(shí)機(jī)與性別的交互作用。所有量化分析均使用SPSS 26.0軟件完成。

四、

研究結(jié)果分析

（一）支架提供時(shí)機(jī)對(duì)計(jì)算思維的影響分析

1. 支架提供時(shí)機(jī)顯著影響學(xué)生計(jì)算思維，且預(yù)先提供組總體得分更高

Shapir-Wilk正態(tài)檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)先提供組（p=0.07>0.05）和延遲提供組（p=0.28>0.05）作品得分服從正態(tài)分布，表3呈現(xiàn)了單因素方差分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)預(yù)先提供組的計(jì)算思維總體得分顯著高于延遲提供組（x預(yù)先提供組=6.77>x延遲提供組=5.38，F(xiàn)=6.837，p=0.011），分解、抽象、算法、調(diào)試和泛化維度的得分均高于延遲提供組，且算法（F=6.308，p=0.015）、調(diào)試（F=4.755，p=0.033）和泛化維度（F=4.661，p=0.035）具有顯著差異。但在迭代維度，延遲提供組學(xué)生的得分（x延遲提供組=0.24）高于預(yù)先提供組（x預(yù)先提供組=0.06）。研究結(jié)果表明，預(yù)先提供概念支架可能總體上更有利于學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維要素解決問題，但延遲提供更有利于幫助學(xué)生關(guān)注對(duì)方案的迭代和優(yōu)化。

表3 預(yù)先提供組和延遲提供組計(jì)算思維及其各維度的均值

注：*p<0.05。

2. 兩組學(xué)生均關(guān)注抽象、調(diào)試和泛化，算法在預(yù)先提供組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)頻率更高

在兩組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，抽象、泛化和調(diào)試均是較大的節(jié)點(diǎn)，算法在預(yù)先提供組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中高頻出現(xiàn)。預(yù)先提供組各要素出現(xiàn)的頻率從高至低依次是：泛化（100%，即所有學(xué)生都能將計(jì)算思維要素遷移至其他情境）、調(diào)試（93.5%，即93.5%的學(xué)生運(yùn)用調(diào)試要素完成圖畫作品）、算法（58.1%）、抽象（51.6%）、分解（22.6%）和迭代（6.4%）。在延遲提供組中，泛化（94.1%）、調(diào)試（76.5%）和抽象（52.9%）同樣高頻出現(xiàn)，其次是分解（26.5%）、算法（26.5%）和迭代（20.6%）。通過比較各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻率發(fā)現(xiàn)，無論是預(yù)先還是延遲提供支架，概念支架均能指導(dǎo)學(xué)生在問題解決過程中抽取數(shù)據(jù)特征、測(cè)試與修正方案，并將所學(xué)的問題解決方法遷移至其他情境。此外，預(yù)先提供的支架能幫助學(xué)生更好地運(yùn)用有序的步驟來解決問題，但支架的延遲提供或許更有利于讓學(xué)生在反復(fù)嘗試過程中關(guān)注對(duì)方案的重新設(shè)計(jì)和迭代優(yōu)化。

抽象、泛化和調(diào)試在兩組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中均形成較強(qiáng)連接，但僅在預(yù)先提供組中發(fā)現(xiàn)算法與泛化、算法與調(diào)試具有較強(qiáng)的連接。如圖4（a）所示，泛化和調(diào)試作為兩個(gè)核心節(jié)點(diǎn)形成最強(qiáng)連接（連接系數(shù)w=0.53），且分別與算法（w泛化-算法=0.26；w調(diào)試-算法=0.23）和抽象（w泛化-抽象=0.22；w調(diào)試-抽象=0.22）高頻共現(xiàn)。在延遲提供組中，泛化和調(diào)試同樣具有最高強(qiáng)度的連接（w=0.39），但僅與抽象的連接較強(qiáng)（w泛化-抽象=0.22；w調(diào)試-抽象=0.23），如圖4（b）所示。兩組要素間的連接特點(diǎn)似乎說明，學(xué)生在問題解決過程中通過對(duì)方案的調(diào)試歸納出可遷移的通用規(guī)則，且在概念支架的支持下特別關(guān)注了對(duì)現(xiàn)實(shí)事物和數(shù)據(jù)特征的抽取。但預(yù)先提供的支持可能幫助學(xué)生在游戲前就明確讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分兩類事物的邏輯步驟，并在游戲過程中進(jìn)一步得到鞏固，從而在最后作品中實(shí)現(xiàn)算法要素的充分體現(xiàn)。

圖4 預(yù)先提供組和延遲提供組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖

注：認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)圖中圓形節(jié)點(diǎn)表示各計(jì)算思維要素，節(jié)點(diǎn)大小表示要素出現(xiàn)的頻次高低，節(jié)點(diǎn)之間的連線表示要素間的共現(xiàn)關(guān)系，連線越粗表示共現(xiàn)頻率越高。

3. 兩組質(zhì)心位置差異顯著，算法和迭代在兩組學(xué)生問題解決過程中具有不同地位

圖5呈現(xiàn)了兩組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)疊減圖，Mann-Whitney U檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩組質(zhì)心的位置在x軸上具有顯著差異（U=260.00，p=0.00<0.05，r=0.51）。算法要素處于x軸的正值，而迭代要素處于x軸的負(fù)值，質(zhì)心位置的顯著差異表明，算法和迭代在兩組學(xué)生認(rèn)知過程中具有不同地位。相較于延遲提供組，預(yù)先提供組的算法、調(diào)試與泛化三者之間的連接明顯更強(qiáng)，似乎表明預(yù)先提供的支架更有利于學(xué)生基于有序的邏輯步驟對(duì)方案進(jìn)行調(diào)試與泛化，呈現(xiàn)“邏輯驅(qū)動(dòng)”的特點(diǎn)。而延遲提供組的質(zhì)心偏向迭代，說明學(xué)生在問題求解過程中傾向于通過反復(fù)嘗試、調(diào)試與優(yōu)化的方式完成任務(wù)，呈現(xiàn)出一種“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”的特點(diǎn)。

圖5 預(yù)先提供組和延遲提供組認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)疊減圖

注：圖中方形節(jié)點(diǎn)表示質(zhì)心，質(zhì)心的位置表示網(wǎng)絡(luò)的差異性，位置越遠(yuǎn)則表示差異越大，線條粗細(xì)表示互相疊減后的連接強(qiáng)度。

4. 預(yù)先提供組傾向于泛化至學(xué)習(xí)情境，延遲提供組傾向于泛化至相近領(lǐng)域

在概念支架的支持下，兩組學(xué)生均能從游戲化學(xué)習(xí)中歸納機(jī)器學(xué)習(xí)的一般步驟并遷移至其他情境，但研究發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)習(xí)者在泛化維度上呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。本研究運(yùn)用UCINET生成網(wǎng)絡(luò)圖來可視化呈現(xiàn)兩組學(xué)生在圖畫作品中讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分的現(xiàn)實(shí)事物和泛化情境（見圖6）。圖中節(jié)點(diǎn)是學(xué)生在圖畫作品中提到的事物，如圖6（b）和如圖6（c）所示，節(jié)點(diǎn)之間的連線意味著學(xué)生在作品中通過讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分這兩類事物而被聯(lián)系起來，節(jié)點(diǎn)的大小代表事物出現(xiàn)的次數(shù)，節(jié)點(diǎn)越大表示越多的學(xué)生提到讓機(jī)器學(xué)會(huì)識(shí)別該事物。節(jié)點(diǎn)之間的連線則代表了事物之間聯(lián)系的強(qiáng)度，連線越粗則表示越多的學(xué)生在作品中讓機(jī)器區(qū)分這兩類事物。

圖6 預(yù)先提供組和延遲提供組的泛化情境網(wǎng)絡(luò)圖

如圖6（b）所示，預(yù)先提供組中“正確的題”和“錯(cuò)誤的題”的節(jié)點(diǎn)最大，且連線最粗，39%的學(xué)生創(chuàng)設(shè)的機(jī)器人運(yùn)用于學(xué)習(xí)領(lǐng)域，這說明該組學(xué)生能夠脫離清理海洋垃圾情境，將機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的問題解決方法進(jìn)行遷移，但更傾向于遷移至學(xué)習(xí)相關(guān)的情境。如圖6（c）所示，相較于預(yù)先提供組，延遲提供組的節(jié)點(diǎn)更多，且沒有出現(xiàn)集中聚焦某個(gè)情境的現(xiàn)象，但29%的學(xué)生遷移的情境與垃圾清理有關(guān)，32%的學(xué)生將機(jī)器運(yùn)用于識(shí)別動(dòng)植物，且垃圾、可回收垃圾、動(dòng)物、海洋生物等屬于較大的節(jié)點(diǎn)，表明延遲提供的支架傾向于幫助學(xué)生將問題解決方法泛化至相近的領(lǐng)域。

（二）性別對(duì)計(jì)算思維的影響分析

1. 女生計(jì)算思維總體得分顯著高于男生

Shapir-Wilk正態(tài)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，男生（p=0.07>0.05）和女生（p=0.17>0.05）作品得分服從正態(tài)分布。單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，女生計(jì)算思維總體得分顯著高于男生（x女生=13.74＞x男生=10.62，F(xiàn)=10.67，p=0.002<0.05）。如圖7所示，女生在分解、抽象、算法和調(diào)試維度的表現(xiàn)也優(yōu)于男生，且在分解（F=8.603，p=0.006<0.05）和調(diào)試（F=17.852，p=0.000<0.05）維度具有顯著差異，但男生在迭代維度上的表現(xiàn)優(yōu)于女生，在泛化維度上男生和女生均值接近，表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)乃健?/p>

圖7 男生和女生計(jì)算思維及其各維度均值

2. 女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中分解、抽象、算法、調(diào)試和泛化的連接更強(qiáng)，但男生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中迭代與各要素連接更強(qiáng)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析（見圖8）發(fā)現(xiàn)，女生和男生的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)具有明顯的共性與差異。共性層面，在兩者的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，均以調(diào)試作為核心節(jié)點(diǎn)與抽象、算法和泛化形成較強(qiáng)的連接，這說明女生和男生均傾向于運(yùn)用抽象、算法、調(diào)試和泛化要素解決問題，整合概念支架的游戲化學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生這些要素的發(fā)展有利。但結(jié)合疊減圖可知，分解、抽象、算法、調(diào)試和泛化的連接在女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中明顯更強(qiáng)。尤其是，在女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中分解與其他要素的連接明顯強(qiáng)于男生，這似乎說明女生在解決問題時(shí)會(huì)更傾向于把復(fù)雜問題分解為子問題，再逐一完成子問題以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的完成。然而，迭代在男生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中與其他要素的連接更強(qiáng)，但相較于其他要素，迭代在女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的連接中明顯更細(xì)，這說明男生關(guān)注對(duì)方案的迭代優(yōu)化，而女生在任務(wù)解決中對(duì)循環(huán)修正（迭代）的依賴度較低，可能更偏好通過直接調(diào)試優(yōu)化問題。

圖8 男生和女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)及其疊減圖

男生和女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心位置的差異也印證了上述觀點(diǎn)，Mann-Whitney U 檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩者質(zhì)心的位置在x軸上具有顯著差異（U=260.00，p=0.00<0.05，r=0.51）。研究結(jié)果進(jìn)一步說明女生組偏向“分解導(dǎo)向”，男生組偏向“迭代導(dǎo)向”，女生和男生在解決問題時(shí)對(duì)策略的選擇具有顯著差異，即女生傾向于通過拆解任務(wù)降低復(fù)雜性，而男生傾向于通過迭代優(yōu)化問題方案。但二者質(zhì)心在y軸上不具有顯著差異（U=260.00，p=0.00<0.05，r=0.51），這說明在抽象、算法、調(diào)試和泛化要素的運(yùn)用上，男生和女生沒有明顯的偏向。

（三）支架提供時(shí)機(jī)和性別對(duì)計(jì)算思維的影響不具有交互作用

雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，支架提供時(shí)機(jī)和性別對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響不具有交互作用。具體而言，無論是計(jì)算思維的總體得分（F=1.11，p=0.30>0.05），還是分解（F=0.23，p=0.64>0.05）、抽象（F=1.33，p=0.25>0.05）、算法（F=1.44，p=0.24>0.05）、調(diào)試（F=0.27，p=0.60>0.05）、迭代（F=0.05，p=0.83>0.05）和泛化（F=0.07，p=0.80>0.05）要素上均不具有交互作用。研究結(jié)果說明，支架提供時(shí)機(jī)和性別對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響相互獨(dú)立，即在游戲化學(xué)習(xí)中預(yù)先提供和延遲提供支架的效果并不因性別的不同而有差異。

五、

研究結(jié)論與討論

（一）預(yù)先提供支架促進(jìn)學(xué)生算法思維，延遲提供激發(fā)學(xué)生迭代探索

本研究驗(yàn)證了在游戲化學(xué)習(xí)中提供概念支架的時(shí)機(jī)對(duì)計(jì)算思維發(fā)展具有的顯著影響，預(yù)先提供組的總體得分顯著高于延遲提供組。這與Barzilai和Blau（2014）的研究結(jié)果相似，即在游戲前提供概念支架更有利于提高學(xué)生解決問題的能力。Ausubel（1978）有意義學(xué)習(xí)理論中的先行組織者策略強(qiáng)調(diào)在正式學(xué)習(xí)前，提供一種具有概括性和包容性的引導(dǎo)性材料（即組織者），為學(xué)生搭建連接新舊知識(shí)的橋梁。在游戲前提供包含機(jī)器學(xué)習(xí)以及計(jì)算思維相關(guān)概念的支架，可幫助學(xué)生在游戲過程中將游戲互動(dòng)和有關(guān)概念形成聯(lián)系，同時(shí)利于學(xué)生存儲(chǔ)學(xué)習(xí)過程中的信息，為學(xué)生搭建起將新知識(shí)納入原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的橋梁（喬愛玲 等, 2021）。

其次，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，相較于延遲提供組，預(yù)先提供組在算法維度表現(xiàn)更為突出，且與抽象、調(diào)試和泛化等維度形成更強(qiáng)連接。這或許是因?yàn)轭A(yù)先提供的支架能幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)初期就建立起清晰的邏輯步驟，從而在后續(xù)的學(xué)習(xí)中能更好地運(yùn)用順序算法，按照一種有序的邏輯步驟來解決問題。此外，認(rèn)知負(fù)荷理論強(qiáng)調(diào)工作記憶的容量是有限的，游戲前提供的結(jié)構(gòu)化引導(dǎo)使學(xué)生明確“讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分兩類事物的步驟”，有效減少不必要的認(rèn)知負(fù)荷，幫助他們將有限的認(rèn)知資源集中在深入的思考過程中，從而使計(jì)算思維各要素形成緊密的聯(lián)系（Zhou et al., 2023）。

然而，支架的延遲提供幫助學(xué)生在迭代維度獲得更高分。這或許可以通過試錯(cuò)策略來解釋，學(xué)習(xí)者通過多次嘗試來形成解決方案（Weintrop & Wilensky, 2015）。當(dāng)學(xué)生初次體驗(yàn)游戲時(shí)，他們?cè)跊]有支架明確的指導(dǎo)下進(jìn)行多次嘗試，通過觀察、生成、評(píng)估和調(diào)試進(jìn)行迭代。這種動(dòng)手、試錯(cuò)的方法讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，通過經(jīng)驗(yàn)和探索來推動(dòng)問題解決方案的優(yōu)化。值得一提的是，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)先提供組學(xué)生泛化的情境更多與學(xué)習(xí)情境相關(guān)，這或許與高晗蕊等（2023）提到的學(xué)習(xí)觀念有關(guān)，盡管預(yù)先提供組學(xué)生也參與了游戲體驗(yàn)，但鑒于在游戲前先參與了支架支持的學(xué)習(xí)，致使學(xué)生仍然更傾向于將所學(xué)的知識(shí)和技能遷移到學(xué)習(xí)情境。

（二）女生傾向問題分解，男生關(guān)注迭代優(yōu)化

與男生計(jì)算思維優(yōu)于女生的刻板印象不同，本研究發(fā)現(xiàn)女生計(jì)算思維總體得分顯著高于男生，且在分解和調(diào)試維度上具有顯著優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)論與孫立會(huì)和胡琳琳（2021）、張屹等（2024）的調(diào)查發(fā)現(xiàn)相似，即在基礎(chǔ)教育階段尤其在小學(xué)階段，女生計(jì)算思維表現(xiàn)可能優(yōu)于男生，研究結(jié)論也進(jìn)一步證實(shí)了在基礎(chǔ)教育階段發(fā)展女生計(jì)算思維的潛力。此外，研究（Reinking & Martin, 2018）發(fā)現(xiàn)，相較于男生，在女生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中分解維度與其他要素形成更緊密的連接，這可能與女生在學(xué)習(xí)過程中更傾向于采用系統(tǒng)化、細(xì)致化的方法有關(guān)。女生在解決問題時(shí)更注重將復(fù)雜問題分解為多個(gè)子問題，并逐一解決，這種分解策略有助于她們更好地理解和掌握問題的各個(gè)方面，從而表現(xiàn)出更高水平的計(jì)算思維。

但男生在迭代維度得分更高，且在男生認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中迭代與其他要素連接更緊密。這可能與男生在解決問題時(shí)更傾向于通過試錯(cuò)和實(shí)驗(yàn)來尋找解決方案有關(guān)（Petersen & Hyde, 2017），在實(shí)踐中不斷探索和調(diào)整，通過迭代完成任務(wù)。此外，男生和女生在泛化維度表現(xiàn)接近，這或許說明盡管男生和女生在計(jì)算思維要素的選擇和運(yùn)用上具有不同偏向，但在形成可遷移的問題解決能力和計(jì)算思維能力上，兩者具有相似的潛力。教師或許可以結(jié)合男生和女生的思維偏好提供不同支持，例如為女生提供更多結(jié)構(gòu)化工具（如流程圖模板），而為男生設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化的實(shí)踐場景，以促進(jìn)不同性別學(xué)生計(jì)算思維更好地發(fā)展。

（三）支架效果獨(dú)立于性別，靈活調(diào)整教學(xué)支架以滿足多樣需求

研究結(jié)果表明，支架的提供時(shí)機(jī)和性別對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響不具有交互作用，支架的提供時(shí)機(jī)和性別是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的因素，支架提供時(shí)機(jī)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的影響不會(huì)因性別差異而產(chǎn)生顯著不同。Sweller（2020）提到外部支持的干預(yù)效果更多取決于任務(wù)復(fù)雜性而非學(xué)習(xí)者個(gè)體特征。本研究要求學(xué)生完成“讓機(jī)器學(xué)會(huì)區(qū)分兩類事物”的任務(wù)，對(duì)于初次接觸人工智能知識(shí)和計(jì)算思維的小學(xué)生而言，需要教師預(yù)先提供支架幫助他們明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，并與游戲內(nèi)容建立聯(lián)系。此外，計(jì)算思維的復(fù)雜性可能促使支架提供時(shí)機(jī)和性別從不同角度影響學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展（Rowe et al., 2021）。例如，支架提供時(shí)機(jī)可能主要影響學(xué)生對(duì)計(jì)算思維各要素的理解和運(yùn)用效果，而性別主要影響學(xué)生在解決問題時(shí)選擇不同要素和策略的傾向。但值得注意的是，支架提供時(shí)機(jī)和性別仍然在一定程度上共同影響學(xué)生的計(jì)算思維表現(xiàn)。例如，預(yù)先提供支架可能更有利于女生在分解和調(diào)試等優(yōu)勢(shì)維度上進(jìn)一步提升計(jì)算思維水平，而延遲提供支架可能更有利于男生在迭代優(yōu)化等優(yōu)勢(shì)維度上發(fā)揮潛力。

六、

結(jié)語

綜合上述結(jié)論，本研究提出如下教學(xué)建議。第一，通過分階段教學(xué)合理安排支架提供時(shí)機(jī)，幫助學(xué)生逐步提升算法思維和迭代探索能力。例如在游戲化學(xué)習(xí)前期可以預(yù)先提供可視化概念支架幫助學(xué)生建立認(rèn)知基礎(chǔ)或清晰的問題解決框架，后期設(shè)置開放式挑戰(zhàn)，鼓勵(lì)學(xué)生通過觀察、調(diào)試與多輪迭代優(yōu)化方案，然后再運(yùn)用支架幫助學(xué)生總結(jié)。第二，結(jié)合性別差異，因材施教提供差異化支持。女生在問題分解和調(diào)試上表現(xiàn)更優(yōu)，建議為女生提供更多結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的分析工具，如流程圖、任務(wù)拆分表等；男生在迭代優(yōu)化中表現(xiàn)更佳，建議為男生設(shè)計(jì)多輪嘗試、調(diào)優(yōu)優(yōu)化的實(shí)踐場景，如多版本測(cè)試、動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)等。第三，動(dòng)態(tài)調(diào)整支架策略，靈活應(yīng)對(duì)學(xué)生個(gè)體差異與學(xué)習(xí)進(jìn)程。本研究建議教師在游戲化學(xué)習(xí)過程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整支架提供的方式、內(nèi)容與時(shí)機(jī)，使支架策略既符合任務(wù)復(fù)雜度，又兼顧學(xué)生個(gè)性化需求，例如在游戲化學(xué)習(xí)的前期，接受相同的基礎(chǔ)概念引導(dǎo)，確保起點(diǎn)公平，中期根據(jù)性別調(diào)整支架類型，后期針對(duì)個(gè)體表現(xiàn)，通過教師一對(duì)一提示或AI系統(tǒng)推送定制化支架。

顯然，本研究亦有不足之處，比如并未探討支架提供時(shí)機(jī)對(duì)學(xué)習(xí)效果的延時(shí)效應(yīng)。未來，研究團(tuán)隊(duì)將增加延時(shí)后測(cè)，進(jìn)一步分析支架提供時(shí)機(jī)對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維影響的長期效果。此外，也將進(jìn)一步結(jié)合人工智能技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加靈活、動(dòng)態(tài)的教學(xué)支架，在更細(xì)粒度的時(shí)機(jī)維度上探索支架提供的最佳時(shí)機(jī)。

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Integrating Conceptual Scaffolding into Game-Based Learning to Empower Primary Students’ Computational Thinking Development: The Impact of Scaffolding Timing and Gender

Lin Yuru, Zhang Yi, Yang Yuqin, Gao Zhimin, Ren Xu, Chen Dengkang

Abstract:Game-based learning is recognized for its potential to cultivate computational thinking in elementary students, yet the current challenge in game-based pedagogy lies in effectively helping students establish connections between gameplay content and computational thinking (CT). This study conducted a six-week quasi-experiment with 65 third-grade students, designing learning scaffolds based on CT elements to explore the effects of pre-game and post-game scaffolding on students’ CT, while also comparing the differences in CT across genders. Through one-way/two-way ANOVA and cognitive network analysis of students’ drawing works, the findings revealed: 1) scaffolding timing significantly influenced CT development, with the pre-game scaffolding group achieving higher overall scores, demonstrating enhanced algorithmic thinking, while the post-game scaffolding group exhibited stronger iterative exploration; 2) girls outperformed boys in overall CT scores, with girls favoring problem decomposition and boys focusing on iterative optimization; 3) no interaction effect was observed between scaffolding timing and gender. The conclusions provide insights into optimizing scaffolding timing and strategies in game-based learning, while advancing gender-equitable practices in CT education.

Keywords:computational thinking; game-based learning; scaffolding strategy; elementary education; artificial intelligence courses

作者簡介

林裕如，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部博士研究生（武漢 430079）。

張屹，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部教授（通訊作者：zhangyi@mail.ccnu.edu.cn 武漢 430079）。

楊玉芹，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部教授（武漢 430079）。

高智敏，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部碩士研究生（武漢 430079）。

任旭，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部碩士研究生（武漢 430079）。

陳鄧康，華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部博士研究生（武漢 430079）。

基金項(xiàng)目

國家自然科學(xué)基金2023年度面上項(xiàng)目“面向計(jì)算思維的中小學(xué)人工智能教育框架理論與實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：72274076）

責(zé)任編輯：郝丹

期刊簡介

《中國遠(yuǎn)程教育》創(chuàng)刊于1981年，是教育部主管、國家開放大學(xué)主辦的綜合性教育理論學(xué)術(shù)期刊，是中文社會(huì)科學(xué)引文索引（CSSCI） 來源期刊、全國中文核心期刊、中國人文社會(huì)科學(xué)期刊AMI綜合評(píng)價(jià)（A刊） 核心期刊、中國科學(xué)評(píng)價(jià)研究中心（RCCSE） 核心期刊、中國期刊方陣雙效期刊、人大復(fù)印報(bào)刊資料重要轉(zhuǎn)載來源期刊，面向國內(nèi)外公開發(fā)行。

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