動態分組策略在大學生機器人教育中的應用*

鐘柏昌 黃水艷

（華南師范大學 教育信息技術學院，廣東廣州 510631）

作為人工智能在教育應用中的典型，機器人教育表現出了重要的教育價值和發展前景，尤其有利于合作能力、問題解決能力等核心素養的培養[1]。在國際范圍內，機器人教育普遍強調基于項目的合作學習[2]。合作學習的影響因素眾多，如互動模式、小組規模、分組策略等，其中分組策略至關重要。在傳統合作學習中每個小組的成員一般維持不變，即所謂靜態分組。然而近年來的一些研究表明，學習者的學習狀態并非一成不變，靜態分組可能會造成一系列問題，如搭便車現象與旁觀者效應[3]、角色固化[4]、負面的小組思維效應[5]、合作倦怠[6]等。究其原因，主要在于靜態分組忽略了小組條件（如異質性水平、合作融洽度）隨時間的變化[7]。因此，教師在教學過程中必須對小組進行不間斷的檢查，并在必要時進行調整。有研究者發現，采用動態分組策略可以顯著提高小組的集體認知責任和學習成績，以彌補靜態分組的不足[8][9]。遺憾的是，國內機器人教育乃至相關的科技創新教育、STEM教育中鮮有以動態分組作為分組策略的相關研究，那么在機器人教育中引入動態分組策略是否可行？對此，本研究擬采用準實驗研究法來嘗試回答這一問題。

一 動態分組在教育中的應用綜述

動態分組是指在合作學習中對小組成員進行重組，以實現預定的教學目標[10]。當前，動態分組的相關研究集中在學習效果和分組策略兩個方面。

1 學習效果

關于動態分組對學習者學習效果的影響，主要涉及學業成就、合作能力和學習積極性等維度。從學業成就來看，多名研究者認為，相較于靜態分組，動態分組可以更加有效地提高學習者的學習成績[11][12][13][14][15][16][17]；同時，動態分組可以提高學習者的集體認知責任，并促使學生產生更高水平的問題和想法[18][19]。而Aronson等[20]認為，經過一段時間的學習，動態分組有助于學習較差的小組成員重啟小組學習。動態分組策略給予了學生選擇成員的權力和自由，有利于促進從“以教師為中心”的教學轉向“以學生為中心”的學習。從合作能力來看，Chen等[21]發現，動態分組更有助于提高學習者的合作能力，這能反映學習者在合作過程中進行協調、討論并最終與其同伴達成共識的努力水平；Chuang等[22]則發現，動態分組策略能夠幫助低成就者找到更合適的合作者。除了直接指向學習層面的合作能力，學習者在動態分組的過程中通過組間交流互動，還能鍛煉更具普適價值的合作能力——人際溝通與交往能力。例如，Jong等[23]認為，相對于靜態分組的學習者，動態分組的學習者在學習和社交方面表現良好；Zurita等[24]發現，小組的動態形成顯著改善了學習者學習和社交行為的質量與數量，這些行為包括交流、互動、幫助、談判等。從學習積極性來看，Jong等[25]通過課堂觀察發現，相較于靜態分組，動態分組的學習者能更為積極、主動地參與小組討論；Oakley等[26]認為，重組學習小組主要是為了解散功能失調的小組，以有針對性地調整并重組為更能有效合作的小組。

當然，動態分組也可能會引發一些負面效應：一方面，師生需要花費大量的時間和精力[27]，并有可能增加學習者的認知負荷；另一方面，小組成員多次調整導致學習者失去小組歸屬感或聯系感[28]，這在高競爭性的合作學習中可能會帶來更大的負面影響。總的來說，已有研究主要探討動態分組對學習效果的影響，目前還缺少將動態分組應用到更加注重合作學習的機器人課程方面的研究；在學習效果的比較上，學生合作能力的改變無疑是一個關鍵變量，然而現有的研究僅籠統地檢驗了動態分組對合作能力的影響，而未作進一步的細分研究，缺少對合作傾向、合作融洽度和群體凝聚力等深層因素的探索。基于此，本研究嘗試以合作傾向、群體凝聚力和合作融洽度作為因變量，來探究動態分組對學生學習機器人課程的影響。

2 分組策略

當前，計算機支持的合作學習（Computer-Supported Collaborative Learning，CSCL）已經成為動態分組研究的核心領域。研究者紛紛在CSCL環境中嘗試利用平臺，并結合不同算法，進行動態分組方法的改良和創新[29][30][31][32][33][34][35][36][37][38]。然而，這些分組算法具有一定的技術難度，不利于在常態課中進行普及與推廣，但動態分組的一些具體做法可為本研究的開展提供借鑒。例如，在小組規模方面，Chuang等[39]、Chen等[40]都以兩人配對學習方式開展動態分組；在分組標準方面，結合漢明距離異構分組算法，Chen等[41]提出了多維動態分組策略，以認知風格、性別和知識水平作為分組標準；在動態分組時機或觸發條件方面，Jong等[42][43][44][45]、Chan等[46]將學習過程分為多個階段，每個階段結束后進行小組重組。另外，Wu[47]提出了兩階段合作學習策略：第一階段精確分析學生的知識結構，以便于第二階段動態分組時開展異質分組。綜上可知，目前影響動態分組策略的關鍵因素主要有分組的人數規模、分組標準和觸發條件等，其中區別于靜態分組的主要維度是分組時機、觸發條件和調整頻次。

遺憾的是，以上動態分組研究側重于信息學、計算機科學等學科，而在機器人教育乃至相關的科技創新教育、STEM教育中尚缺乏相關的研究。而就國內而言，動態分組研究成果更為鮮見，有待后續的進一步研究。

二 研究設計

1 研究目標與研究問題

本研究重在構建大學生機器人教育中的動態分組策略，并從學習態度、合作能力、學業成就等三個方面探究此策略的應用效果。其中，學習態度用來檢驗開展動態分組后學生的學習積極性；合作傾向、群體凝聚力、合作融洽度是表征合作能力的三個重要維度；而機器人課程的學業成就主要體現在工程設計和編程能力方面。

結合上述研究目標，本研究將重點回答以下問題：動態分組策略對學生學習機器人的學習態度、合作傾向、群體凝聚力、合作融洽度、工程設計和編程能力是否有顯著影響？

2 實驗對象

為回答上述問題，本研究以廣東省H大學教育技術學專業參加選修課“中小學STEM與創客”課程的18名（含1名男生、17名女生）大二學生為研究對象。先前知識測試結果顯示，這些學生大多沒有機器人相關課程的學習經驗，即不具備工程設計和編程能力。

3 實驗材料

在教具方面，本研究選用了DFRobot探索者D1教育機器人以幫助學生認識機器人相關的各種機械和電子零件。

在教學材料方面，本研究選用教育科學出版社于2020年出版的《信息技術選擇性必修6：開源硬件項目設計》一書作為教材，因為此教材內容對于在高中階段尚未學習過相關開源硬件項目設計的學生而言更容易上手。本研究摘選此教材中第一、二單元的項目進行基礎知識教學，還設計了“無聊的盒子”、“智能快遞車”兩個原創項目。與此同時，本研究制作了配套的學習任務單，主要分為四個部分：體驗作品、還原作品、再設計與微創新、作品測試。其中，“再設計與微創新”為學習任務單的核心部分，主要內容包括：①從不同角度設計3～4個作品改造方案；②小組討論確定最終方案并闡述理由；③繪制作品流程圖和結構圖；④詳細描述所需器材和加工方法。

4 測量工具

本研究以動態分組策略為自變量，以學習態度、合作傾向、群體凝聚力、合作融洽度、工程設計和編程能力作為因變量，采用經過專家論證、修改而形成的問卷或測試進行數據收集。

①學習態度問卷（總Cronbach’s α值=0.912）：參考相關研究成果[48][49][50]，設有自信心、享受度和價值觀三個子維度。

②合作傾向問卷（總Cronbach’s α值=0.81）：參考相關研究成果[51]，設有包容性、互惠性、合群意愿三個子維度。

③群體凝聚力問卷（總Cronbach’s α值=0.88）：參考相關研究成果[52][53]，設有群體互動對個人的吸引力、群體任務對個人的吸引力、群體統合—互動、群體統合—任務四個子維度。群體互動對個人的吸引力指的是群體成員對群體互動和群體關系的感受；群體任務對個人的吸引力指的是群體成員對于群體集體目標實現的個人參與感；群體統合—互動指的是群體成員對群體親密度、相似性和作為一個社會單位的聯結感；群體統合—任務指的是群體成員對群體親密度、相似性和圍繞群體任務的凝聚力的信念。

④合作融洽度問卷（總Cronbach’s α值=0.76），參考相關研究成果[54][55][56]，共設有三道主觀題：第一題請學生評價小組搭檔在合作學習中的貢獻程度如何？第二題是請學生評價自己在合作學習中的貢獻程度如何？在此基礎上，本研究增加了第三題：“請輸入你希望下次合作的組員姓名______（最多兩個）”。

⑤工程設計和編程能力測試：學生的工程設計和編程能力主要通過填寫學習任務單和編程測試題兩種方式來考查。其中，學習任務單的總分為40分，其評分標準由本研究團隊自行編制；編程測試總分為100分，由教師、助教依據作品評分表共同評分，評分表參考康斯雅等[57]提出的機器人作品評分表繪制而成。

除了上述工具，本研究還通過課堂觀察和訪談獲得相關信息，以作為后續研究結論的佐證。

5 動態分組流程

現有動態分組的研究以奧蘇貝爾的有意義學習理論為依據，認為學習者的知識水平在一周的時間發生了變化，故學習小組需要每周動態調整[58]。此外，班杜拉的社會學習理論、皮亞杰的認知發展理論、西蒙斯的聯通主義，乃至腦科學與學習科學的最新進展，均與動態分組有一定的聯系，但尚缺少具體而充分的研究[59]。結合機器人教育的特點，整合Chuang等[60]的配對策略和Chen等[61]的多維動態分組策略，本研究將動態分組的操作流程分為五步（如圖1所示）：

圖1 動態分組的五步操作流程圖

①課前準備：教師根據教學內容劃分專題，并設計配套的學習任務單。

②知識儲備：機器人基礎知識的講解與學習。

③初始分組：教師要求學生隨機配對，并合作完成專題學習。

④評估與重新分組：經過一段時間的專題學習后，教師采用問卷和測試的方式來評估學生的學習狀態。首先，教師根據合作傾向、群體凝聚力、合作融洽度（前兩題）、工程設計和編程能力測試的分數加權計算出排名，再按照排名進行初步異質分組（即第一名和最后一名為一組），依此類推；然后，參考合作融洽度問卷的第三道題調整分組情況，得到最新的分組結果。

⑤重新配對學習：按照最新的分組結果，學生以小組形式合作完成新專題的學習。

之后，重復執行第④、第⑤步，直到最后一個專題結束動態分組。值得注意的是，循環的次數由具體的專題數量來決定。參考Wu[62]的兩階段合作學習策略，本研究將第①、②步歸為學習準備階段，后面的步驟歸為動態分組階段。

6 實驗周期

本研究于2020年9月15日至2021年1月5日開展教學實驗，共持續17周，每周3節課，共51個課時。本研究分階段進行教學實驗，具體教學安排如表1所示，包括：①在學習準備階段，主要完成五個專題的學習。其中，前四個專題為理論講授部分；而專題五為教師帶領學生使用開源硬件，設計與開發多個創客項目，以熟悉Arduino軟硬件的基本操作；②在動態分組階段，主要完成專題六和專題七的學習并進行學期任務考核。

表1 教學安排

7 實驗流程

在本實驗中，專題一至專題五為學習準備階段，不作實驗干預；專題六和專題七為實驗階段。整個實驗分為前測、專題六學習、第1次后測、專題七學習、第2次后測等五個環節（如圖2所示）：①使用先前知識測試進行前測；②學生隨機配對，完成專題六相關內容的學習；③進行第1次后測，要求學生完成合作傾向問卷、群體凝聚力問卷、合作融洽度問卷的填寫，并參加工程設計和編程能力測試；④學生根據分組結果，合作完成專題七相關內容的學習；⑤進行第2次后測，要求學生完成學習態度問卷、合作傾向問卷、群體凝聚力問卷、合作融洽度問卷，并參加工程設計和編程能力測試。因受實驗時間限制，本研究只在專題六后進行了一次動態分組；專題七雖做了動態分組需求的測試，但因課時關系沒有開展新專題的合作學習。

圖2 實驗流程

三 研究結果

為檢驗動態分組前后因變量是否存在差異，本研究采用非參數檢驗中兩個相關樣本的威爾科克森符號秩檢驗分析相關數據，數據統計結果如表2所示。

表2 數據統計結果

1 學習態度差異

動態分組前后，學生的自信心（p=0.035＜0.05）和價值觀（p=0.004＜0.01）存在顯著差異，而享受度不存在顯著差異。進一步分析中位數，可以看出動態分組后學生的自信心和價值觀明顯高于動態分組前。

2 合作能力差異

①合作傾向方面，動態分組前后學生的包容性存在顯著差異（p=0.038＜0.05），而互惠性和合群意愿不存在顯著差異。進一步分析中位數，可以發現動態分組后學生的包容性高于動態分組前。②群體凝聚力方面，動態分組前后群體互動對個人的吸引力存在顯著差異（p=0.021＜0.05），而其它三個子維度均不存在顯著差異。進一步分析中位數，可以發現動態分組后學生的群體互動對個人的吸引力小于動態分組前，說明動態分組可能降低群體互動對個人的吸引力。③合作融洽度方面，動態分組前后學生的合作融洽度不存在顯著差異（p=0.102＞0.05），而中位數分析也進一步驗證了動態分組前后學生的合作融洽度等同。

3 工程設計和編程能力差異

動態分組過程中涉及無聊的盒子和智能快遞車兩個學習項目，學習難度層層遞進，因此學生在編程測試中的得分不具有可比性，故此不贅述。考慮到學習任務單的填寫能體現學生工程設計和編程能力的實質性變化，故本研究聚焦于學習任務單的分數分析，來呈現動態分組前后學生工程設計和編程能力的變化：①本研究使用Kendall和諧系數，測量三名評分者對學習任務單評分的一致性。數據統計結果顯示，p=0.021＜0.05，Kendall’s W值＞0.6，說明三名評委的打分具有一致性。②兩次學習任務單分數的非參數檢驗結果顯示，動態分組前后學生的工程設計和編程能力不存在顯著差異（p=0.109＞0.05）。

四 結果討論

1 動態分組能提高學生的自信心和價值觀

在機器人教育中，學生會遇到各種各樣的問題，如硬件連接、程序錯誤等[63]。這些問題容易降低學生對學好機器人課程的自信心，并對機器人教育能提高自己的能力這一說法表示懷疑。結合課堂觀察，本研究發現：進行初始分組時，合作學習只停留在組內合作，遇到問題時容易產生焦慮情緒，而且不認同機器人課程的教育意義，即產生較低的價值觀；在第一次動態分組后，學生與學生之間越來越熟悉，學生會嘗試和之前的小組成員交流溝通、共享經驗和資源，以完成特定的任務。此時，小組之間的互動不僅促進小組內部的知識發展，而且有助于傳播知識和增長集體知識[64]，這也在一定程度上有利于提高學生的自信心和價值觀。

上述觀點在本實驗中得到了印證——實驗結果表明，動態分組后學生的自信心和價值觀明顯高于動態分組前。而在訪談中，也有學生表示：“更換小組成員后，她比我懂的更多，她產生了一些自己完全沒思考過的想法，她還堅信該想法并做出來了。”可以看出，經歷過一次項目合作后，小組成員都會積累一定的經驗，其中高成就者更會運用自己成功的經驗且會帶領低成就者共同完成項目。此外，合作融洽度問卷的統計結果顯示，第二次評估自己團隊中表現一般的學生數比第一次有明顯減少，這也印證了動態分組后學生的自信心和價值觀提高了。

2 動態分組有助于培養學生的包容性

有研究者發現，在學習競爭激烈的環境下，部分學生為了保持自身競爭力而不愿共享知識和資源，以抗拒抵觸的心理面對合作學習模式[65]。然而，本實驗所得結果與上述觀點相反：動態分組后學生合作傾向中的包容性明顯高于動態分組前，且合作融洽度也不存在顯著差異，說明學生對動態分組沒有產生抗拒心理，對合作伙伴也表現出了較大的包容性——此結果與Siqin[66]提出的“動態分組有助于促進更高水平的集體認知責任”觀點一致。

結合課堂觀察，本研究發現學生B起初拒與新的伙伴合作，但經過教師的開導和兩周的磨合后，學生B接受了新伙伴并嘗試與其一起完成任務。項目結束后，學生B在訪談中表示：“不僅是為了達到課程的學習要求，還希望能考驗一下自己，看看比較內向的自己在一個陌生的環境與同學合作會有怎樣的突破；我也意識到，因個人原因抵觸合作伙伴，會讓她覺得不自在，所以我就主動接觸她，和她一起想辦法完成任務。”由此可見，初始分組的確會讓部分學生產生抗拒心理，但經過一段時間的磨合后，小組成員為了共同完成任務，他們會接納新伙伴，關系也會更加和諧融洽。此外，合作融洽度問卷中最后一題（即請輸入你希望下次合作的組員姓名______（最多兩個））的數據統計結果顯示，經歷動態分組后，學生更愿意嘗試與陌生的同學合作，打破了只與朋友搭檔的僵局，這也印證了動態分組有助于培養學生的包容性。

3 動態分組降低了群體互動對個人的吸引力

從合作學習的角度來看，一個良性的合作小組往往需要經歷組建、形成、發展和成熟四個發展階段。根據課堂觀察發現，大部分合作小組都還停留在形成階段，尚未形成良好的群體凝聚力，這和動態分組前后群體凝聚力無顯著差異是一致的。然而，進一步分析子維度發現，群體互動對個人的吸引力維度在實驗后反而降低了。過往研究發現，群體間互動主要受任務不確定性、時間與目標取向、相互依賴性等因素的影響[67]。動態分組減少了小組成員的相互依賴性和歸屬感，又因任務難度增加，導致群體互動對個人吸引力降低。從這個角度上說，單純依賴合作學習和動態分組并非十全十美，還可以增加競爭、社會比較等方法調動學生的積極性[68]。

五 結語

為彌補靜態分組中合作倦怠和角色固化等不足，本研究采集多模態數據分析了學生的學習態度、合作能力和學業成就。研究表明，動態分組在提升學生的學習態度和合作能力的同時并沒有因為組員的變動而降低學業成就，這挑戰了教師認為組員的變動容易渙散團隊精神、拉低團隊戰斗力從而影響合作學習成效的慣性思維。從這個意義上說，動態分組在機器人教育中展現出了較大的應用潛力。后續研究可開展等組實驗，深入挖掘影響分組效果的因素和改進辦法，以進一步優化動態分組的效果。

此外，本研究存在樣本量少、性別比例失衡的問題，故研究結果的推廣性和普適性還有待進一步驗證；而前期理論講授部分占用的時間較長，實際開展動態分組實驗的時間僅為8周，導致動態分組次數較少，未能跟蹤研究大學生在機器人課程中開展動態分組的情況。因此，后續研究還需擴大樣本量且盡可能實現性別均衡，并擴充項目學習的數量以增加動態分組的次數。同時，還可延長每次項目學習的合作時間，給予學生充足的時間使其經歷“抗拒—磨合—合作”的過程，以充分考察學生合作能力的變化。