混合編程促進圖形化編程轉向文本編程的教學策略

文∣吳倩意 詹澤慧

一、引言

中小學階段，編程學習的形態主要是圖形化編程與文本編程。低年級學生進行圖形化編程，高年級學生進行文本編程。[1]編程學習工具從圖形化工具到文本編程工具的直接跳轉，或給學生編程學習帶來困難，影響其后續學習的積極性。[2]姚炯認為從圖形化轉向文本編程的困難在于文本編程關鍵字難記、語法難學、語句難寫，同時提出不同編程形式解決不同的問題類型和使用不同的認知策略，圖形化編程常用于編寫游戲或故事，與學生的日常認知習慣相近，而文本編程多用于解決數學問題。[3]

集成圖形化編程和文本編程特性的混合編程工具為編程過渡提供了現實基礎。它允許用戶雙向轉換編程模式，通過按鈕切換分別呈現圖形化程序和等效的文本程序。混合編程工具的出現，為有效幫助學生從圖形化編程過渡至文本編程提供有利條件。然而，混合編程工具賦能的教學策略，目前尚未有深入的研究。

二、文獻綜述

(一)編程教學形式：圖形化編程與文本編程

文本編程是指采用鍵盤輸入文本進行編程，其抽象性、復雜性對編程初學者有一定的難度[4]，常被應用于面向高年級學生開展編程教學實驗研究[5]。文本編程學習能夠有效提升學生的學業成就[6]和計算思維[7]。但學生在文本編程中易受語義語法困擾而產生編程無助感，降低學生的編程自我效能感[8]，承擔較高的認知負荷，使學生更容易放棄編程，降低學生的學習動機[9]。文本編程作為編程教學的最高形式，有可以制作大項目、最接近真實形態編程等優點，備受專業程序員的喜愛。

在面向小學、初中開展編程教學實驗研究時，一般采用圖形化編程[10]。圖形化編程有著易構建、易記憶、易閱讀、易查找以及避免語法錯誤等優勢，能有效幫助編程新手進行編程學習，增加編程的自我效能感和學習動機[11]。圖形化編程教學也能有效提升計算思維[12]。但圖形化編程教學仍存在一些缺陷。Meerbaum等人[13]研究圖形化編程習慣中發現了使用Scratch編程工具的學生所表現的兩個編程習慣都與程序設計實踐的要求相矛盾。學生在面對編程任務時，缺乏對算法的優先思考和理解。相反，他們傾向于通過拖拽所有似乎適合用于解決任務的積木塊來解決問題，盲目、機械地進行試錯編程。此外，圖形化編程學生容易過度地分解任務，最后使用冗雜單一的程序結構解決問題。比如，Scratch編程工具適合應用于諸如游戲之類的項目開發以激發學生的學習興趣，但是通過高顆粒度的編程創建游戲會導致項目中同時包含數百個并發程序，而這些程序對于學生幾乎是不可能調試和維護的。當調試過程變得困難和令人沮喪時，學生編寫有趣游戲的動機就會消失。

近年來，在編程工具的更新過程中出現了混合編程工具。混合編程是一種不同于純圖形化編程和純文本編程的新編程模式。它既保留了圖形化編程的一些優勢，如易構建、易閱讀、易記憶和避免語法錯誤，又支持用戶進行文本編程[14][15]。在應用層面，Weintrop和Wilensk[16]通過分析學生使用混合編程工具的編程行為，發現學生在編寫程序時可以流暢地在圖形化編程和文本編程之間切換。混合編程工具能夠在圖形化編程向文本編程學習轉變的過程中發揮積極作用，但在現有的分析編程形態的研究中，較少探析混合編程的教學問題及應對策略，混合編程在編程過渡期的應用優勢缺乏實證研究支持。

(二)圖形化編程轉向文本編程的學習困境

1.圖形化編程依賴

“所見即所得”的可視化編程優勢在于激發了編程新手的興趣，但同時也會讓他們產生對圖形化編程的依賴性。Disalvo[17]也提出了類似的觀點，他認為偏好固然重要，但在不喜歡的界面中也可能學到更多或不同的概念，教師應在教學中引導學生實現教學目標，而非讓學生沉溺于對圖形化界面的依賴。Lin和Weintrop[18]分析了46個圖形化編程平臺，發現其程序基本上是按照主題將積木塊屬性組成類別并以不同顏色區分的。在圖形化編程環境下，學生不需要記憶代碼編寫格式，通過類別查找甚至遍歷所有類別就能編程。另外，圖形化編程是為特定的領域而設計的，比如游戲、模擬、多媒體等，圖形化編程在這些領域的優勢在學生從圖形化編程轉向文本編程后就不再存在。

圖形化編程以可視化界面實現了程序運作過程的具象化，學生能拖拽出所有可能實現的積木塊，進行盲目、機械的試錯編程。試錯編程是促進短期編程學習效果的一種有效方式，但在教學評價中無法基于作品的評價確定學生是否理解相關計算思維技能。[19]換言之，因圖形化編程所需的學習成本低，學生在用圖形化工具時更容易依賴于機械的試錯編程。在文本編程中，在沒有理解解決問題的邏輯這一本質前提下，學生則無法成功編程解決問題，這意味著當學生從圖形化編程轉換到文本編程時，試錯編程不再能支持學生有效地繼續編程學習。

2.模式轉換動機弱化

模式轉換動機是指學生從圖形化編程轉向文本編程的意愿。圖形化編程的弊端一直被廣泛討論，但學生不一定有所體會。很多文本編程語言是為了通用目的而設計的，它可以應用在各個領域，但圖形化編程有其特定的應用領域，最多的是制作游戲和多媒體動畫[20]。另外，Weintrop和Wilensky[21]的研究提及圖形化編程不適合制作大項目，較難將知識成果轉化為實踐成果。Brown等人[22]表示圖形化編程對于專業人士來說太過笨重，它們是為小型程序設計的，而且純粹基于鼠標的拖放交互，對于創建和編輯大型程序來說過于煩瑣。在以往的圖形化編程教學研究中，促進思維能力培養提升的研究占絕大多數，研究設計的學習內容和編程項目都是以能夠在圖形化編程工具上成功實現為前提。在這樣的教學下，學生很難自主發現圖形化編程的局限性。

3.文本語言語法障礙

文本編程過程中，盡管平臺的調試報錯功能可以幫助學生定位程序錯誤，但有時候編程語言的語義語法障礙會導致算法不能精準地用程序表達出來。比如，Python中的“縮進”，相同邏輯層保持相同的縮進；“：”標記一個新的邏輯層，增加縮進表示進入下一個代碼層，減少縮進表示返回上一個代碼層。在編程者不明白縮進的語法規則的情況下，運行至此的程序不會進入下一個代碼層，也不會在特指的地方返回上一個代碼層。對此編譯調試不會報錯，解決問題的邏輯本質也沒有問題，但程序的輸出一直不成功。上述例子提及的語法障礙都會引發圖形化編程向文本編程過渡時的不良編程體驗，降低了學生的編程自我效能感。

三、混合編程促進圖形化編程轉向文本編程的教學策略

(一)圖形化編程轉向文本編程的學習認知框架

在認知主義和建構主義學習理論指導下，借鑒皮亞杰、奧蘇貝爾等學者在學習認知方面的理論內容，將學生的內部變化分為同化和順應，外部環境對學生的影響分為機械學習和有意義學習，在內部與外部兩個維度上，構成了同化—順應與機械學習—有意義學習的學習認知過程。基于此，本文提出了學生在編程學習過程中的認知策略，包括同化知識的機械學習策略、順應知識的機械學習策略、同化知識的有意義學習策略和順應知識的有意義學習策略。

1.同化知識的機械學習策略

同化知識的機械學習策略是指學生通過機械學習同化知識的學習策略。在所學知識與已有的知識關聯性不強的前提下，學生認為所學的知識符合自身的學習意圖，但是還沒有找到合適的方法產生有意義的學習，只能通過死記硬背學習材料等方式等待質變，產生同化知識的機械學習的認知變化。這種認知學習過程具有較大的指向性，較易發生于目的性較強的學生的學習過程中。

例如，在利用圖形化編程構建程序時，其易構建、易閱讀的特點導致學生養成了機械試錯的不良習慣。如圖1(左)所示，學生在解決1到10的求積問題時沒有理解循環的次數和變量初始值，出現盲目試錯的情況。所以學生沒有機會使認知結構中已有的碎片化的、單薄的編程知識在實踐中得到鞏固。算法理解前置是指學生不再被允許進行試錯編程，不能通過機械地搭建程序和試錯運行來驗證算法的可行性。相反，這要求學生在構建程序前就理解了算法內涵和編程邏輯，因為搭建程序是算法邏輯的具象化。這一過程突破編程形式局限形成的壞習慣，使碎片化的單薄知識得以強化。這種學習策略是在已有的認知結構中融入新知，算法理解沒有在新舊知識之間形成聯系，所以屬于機械學習。

2.順應知識的機械學習策略

順應知識的機械學習策略是指在所學知識與已有知識關聯性不強的前提下，新知識能夠對學生產生引導作用，改變學生內部認知結構，使其產生順應知識機械學習的認知變化。這種認知學習過程具有較大的隨機性，依賴于知識與學生潛在認知意圖之間的聯系。

例如，從圖形化編程轉向文本編程時，對于不熟悉的文本編程環境和文本編程語法，學生需要重組認知結構，但進行文本編程時也只能利用特定的文本程序結構或者引用特定值來編程。如圖1(右)所示，通過拖拽積木塊到文本編程區，會自動生成完整For循環結構，學生在此基礎上補充完整循環條件和循環執行語句。完成性編程就是通過提供學生不熟悉的文本程序框架，起到學生記憶該程序結構的作用，也實現了編程正確的程序的功能，但新舊知識之間的聯系還不夠緊密，仍屬于機械學習。

3.同化知識的有意義學習策略

同化知識的有意義學習策略是指在所學知識與已有知識聯系緊密的前提下，學生認為所學知識符合自身意圖，但并不會改變自身認知結構，而是吸收知識，使自身產生同化知識的有意義學習的認知變化。這種認知學習過程具有較大的必然性，由于學習的發生與學生內部認知結構關聯緊密，所以學生通過有意義的學習能夠同化新知識。

例如，經過完成性編程后學生對新語言語法不再陌生，并且產生了具有一定弱聯系的認知結構，生成性編程則是為了強化和完善認知結構。學生根據不同情況使用合適的循環結構，不再模仿特定結構或者引用特定值，而是按照需求使用更合適的程序結構。學生的知識結構沒有發生改變，屬于同化知識，但學生已經不需要模仿或者引用特定值，而是有意識地思考適合使用的程序結構，屬于有意義的學習。

4.順應知識的有意義學習策略

順應知識的有意義學習策略是指在所學知識與已有知識聯系緊密的前提下，學生依據所學知識改變自身認知結構，由此發生的就是順應知識的有意義學習。這種認知學習過程具有一定主觀性，即學生在學習與其內部認知結構關聯緊密的知識時，具有主觀意愿來改變自己的認知結構，因為知識的結構與學生的認知結構是緊密聯系的，所以這個過程取決于學生自身。

學生可以由此識破圖形化編程的局限，改變認知結構，知道不僅可以使用圖形化編程，還可以使用文本編程，并且文本編程具有圖形化編程無法實現的諸多功能。對于圖形化編程的局限的認知是新知識，并且改變了學生的原有認知結構，屬于順應知識的學習，同時學生模式轉換動機被激發的外顯行為是主動轉換到文本編程界面，嘗試完成文本編程中編程任務，這個過程屬于有意義的學習。

(二)混合編程促進圖形化編程轉向文本編程的教學策略

編程教育與計算思維培養息息相關。編程教育是計算思維培養的主要載體，計算思維培養則是編程教育的主要目標。面向問題解決的計算思維框架(如表1所示)，可將教學流程分為創設情境與明確問題、分析問題與制訂計劃、探究學習與設計算法、編程創作與解決問題以及總結歸納與反思評價[23]。

表1 面向問題解決的計算思維框架

混合編程促進圖形化編程轉向文本編程的教學策略落實在編程銜接階段，但其策略的效果反映在轉換后的文本編程階段，這體現了教學銜接策略的效果滯后性。通過探究學習與設計算法、編程創作與解決問題、總結歸納與反思評價三個主要編程在教學環節中應用上述的四個編程學習認知策略，教師能夠有效幫助學生解決圖形化編程依賴、模式轉換動機弱化以及文本語言語法障礙三大問題，具體應用如圖2所示。

1.前置算法理解

編程教學中普遍存在學生盲目、機械地進行試錯編程的現象。學生沒有對解決問題的算法進行深度的理解，而只是大概模糊地判斷這種方法有可能解決問題，進而通過試錯的編程實踐直接求證。試錯編程是一個先搭建程序再進行算法理解的過程。而驗證編程是指編程者理解算法，具體可表現為能口述算法的每一個操作步驟所帶來的值的變化，或能在腦海中預測輸入輸出，而搭建程序是為了驗證自己的判斷是否正確。這兩種方法沒有優劣之分，完整地進行整個學習過程后，學生既進行了算法理解，也能編寫出正確程序。但是如果學生僅僅以編寫出正確程序為目標，經常以試錯編程為學習方式，其算法理解是不可靠的，而缺少算法理解本質上是計算概念和計算實踐沒有真正內化。教師在探究學習與設計算法這一環節時，需要有意識地結合教學法，幫助學生戒除依賴圖形化編程、沉迷試錯編程的習慣。教師可以使用算法可視化的方式，比如引導學生畫出算法流程圖、用自己的話描述算法過程、預測輸入輸出等方式，保證在編程前學生已經進行了算法的設計和理解。

2.組合完成性編程與生成性編程

完成性編程策略，是指提供程序示例幫助學生在沒有語法基礎的情況下完成編程任務。示例的呈現與實踐之間存在著直接、自然的聯系，因為示例中的不完整程序不僅說明了新的語言特征及其句法細節，還提供了必須完成的實踐任務。學習新語言語法，學生不僅需要重組認知結構(順應知識)，還要能模仿特定結構利用新語言編程解決新問題(機械學習)。生成性編程策略是指學生在沒有程序示例的幫助下完成編程任務。但是在學生有前期完成性編程的經歷作為基礎，并且產生了具有聯系的知識結構的前提下，生成性編程則是強化和完善的過程(同化知識)，同時生成性編程在沒有模板支持的情況下，學生還需要深入地思考使用什么編程結構解決問題，比如“循環結構”也會有“For循環”“While循環”和“Try循環”三種形式，在對比和應用的過程中產生了新舊知識的聯系(有意義學習)。教師在編程創作解決問題的教學環節中，可以使用完成性編程和生成性編程的組合策略，在完成性編程過程中，識別編程任務中的編程語法難點，提供語法支架，幫助學生完成編程任務。另外，教師可以拓展任務為學生提供生成性編程機會，或者在大單元教學結束的時候發布拓展編程任務，引導學生進行生成性編程。

3.增加模式轉換的動機

模式動機的轉換來自學生對比兩種編程形式，教師從自身體驗中形成評價，意識到圖形化編程有其必然的缺點(順應知識)，這是需要教師從編程過程中引導學生發現和總結的(有意義學習)。比如，學生采用圖形化編程制作大項目時，會面臨拖拽積木塊的過程過于煩瑣、部分功能無法編程、制作的大項目程序冗余單一且不易于調試、考慮不到編程的時空復雜度等問題。教師可以巧妙地設計能突出圖形化編程的缺點和局限的項目，另外在總結歸納和反思評價的環節可以對比圖形化編程和文本編程的優缺點，讓學生認識到一個專業程序員為什么會選擇更難構建、更抽象的文本編程，識破圖形化編程的局限，增加模式轉換的動機，使學生主動轉向文本編程。

四、研究設計

本研究通過對75名初中生開展為期8個學時的編程教學實驗，驗證教學策略的可行性和有效性。依托編程社團課堂，選取S中學的兩個初一班級，其中實驗組有37人(男生19人，女生18人)，對照組有38人(男生18人，女生20人)。他們的年齡均在12～13歲，屬于數字土著，均有動手操作數字化工具的基本能力。全部學生均表示熟悉使用電腦的基本操作，如打字、開關機等。

實驗研究采用不相等實驗組控制組前中后測準實驗的研究設計，前四個學時為混合編程階段，四個學時后轉換至文本編程階段。實驗分組分為實驗組和對照組，實驗組應用本研究構建的教學銜接策略，對照組則應用傳統的教學策略。在實驗的前期、中期、后期分別采用問卷調查學生的計算思維[24](Cronbach’s α=0.78)、學習動機[25](Cronbach’s α=0.882)和編程自我效能感[26](Cronbach’s α=0.913)。另外，收集文本編程階段的所有編程作品進行分析。

首先對實驗前測、中測和后測數據分別進行獨立樣本T檢驗，其檢驗結果如圖3所示。在實驗前期，學生的計算思維的顯著性P值為0.706，大于0.05；編程自我效能感的顯著性P值為0.852，大于0.05；學習動機的顯著性P值為0.095，大于0.05。表示對照組和實驗組起始的計算思維、編程自我效能感和學習動機不存在顯著差異，即兩組起始水平相當，可對實驗中期和后期數據繼續分析。在實驗中期，學生的計算思維(t=0.410，P=0.683)、編程自我效能感(t=0.304，P=0.762)和學習動機(t=0.552，P=0.583)差異不顯著。在實驗后期，學生的計算思維(t=3.891，P=0.000)、編程自我效能感(t=3.989，P=0.000)和學習動機(t=4.575，P=0.000)差異顯著，說明應用所構建的策略可能有效，但還需進行重復測量數據的方差分析進一步驗證。

圖3 關于實驗前、中、后獨立樣本T檢驗的概要文件圖

主體內效應檢驗結果顯示，當源為“計算思維”時，F值為69.9689，遠大于1，顯著性P值為0.000，小于0.05，表明隨著時間的變化，無論是實驗組與對照組，初中學生的計算思維都受到顯著影響。當源為“計算思維×組別”時，F值為7.146，遠大于1，顯著性P值為0.003，小于0.05，表明應用了不同的教學銜接策略，實驗組與對照組的計算思維存在顯著差異，應用教學策略能顯著提升學生的計算思維完全成立。同理，隨著時間的變化，實驗組和對照組學生編程自我效能感(F=21.889，P=0.000<0.05)與學習動機(F=23.636，P=0.000<0.05)都有顯著影響。應用了不同的教學銜接策略，實驗組與對照組學生的編程自我效能感變化趨勢(F=4.486，P=0.016<0.05)與學習動機變化趨勢(F=6.669，P=0.002<0.05)存在顯著差異，應用教學策略能顯著提升學生的編程自我效能感和學習動機完全成立。

圖4所示為在實驗前期、中期和后期學生計算思維、編程自我效能感與學習動機的估算邊際平均值。從圖中可以分別看出在不同教學銜接策略作用下三個因變量的變化趨勢，顯然不同教學銜接策略對三個因變量平均值的影響不盡相同。在混合編程階段學習過程中，對照組學生的各因變量水平隨著時間的變化都呈上升的趨勢，但當轉換到文本編程階段時，各因變量水平開始下降。應用了本研究提出的教學銜接策略后，可以看出，在混合編程階段，各因變量與對照組的增長曲線相似，但在轉向文本編程時，各個因變量相比于對照組，不減反增。

圖4 關于三個因變量的概要文件圖

在實驗的文本編程學習階段，兩個實驗組均完成了兩個主題項目的編程作品，分別是《遞歸全排列》和《解決N皇后問題》。本研究收集了對照組(初中生應用傳統教學策略組)74份、實驗組(初中生應用教學銜接策略組)70份，共144份編程作品。評分員以語法與運行占50%+邏輯與算法占50%的比例進行評分。語法與運行部分由評分員在調試運行時，按照Python報錯類型，進行評分記錄。邏輯與算法部分則按照Python調試，運行成功輸出正確的結果，則得滿分，如果輸出結果錯誤，則評分員看程序問題，酌情扣分。最后，本研究取兩次項目成績的平均分作為本次實驗在文本編程階段的編程成績。探究在圖形化編程轉向文本編程階段，應用本研究構建的教學策略對學生編程成績的影響。獨立樣本T檢驗結果為兩組編程成績呈顯著差異(t=2.066，P=0.044<0.05)，應用本研究提出的教學策略能顯著提升學生的編程成績完全成立。

五、結語

本研究構建的教學策略作用在混合編程階段，但效果顯示在文本編程階段。在第二階段的計算思維變化趨勢中，應用了教學銜接策略的學生計算思維依然穩步提升，雖然該提升沒有統計學意義，但與對照組相比，其變化趨勢組間比較是有顯著差異的，說明本研究提出的教學銜接策略對學生在編程過渡期計算思維的提升有顯著的正向作用。對于編程自我效能感和學習動機，發現兩個階段的增長加速度變化微小，應用教學銜接策略可以有效穩定學生的編程自我效能感和學習動機。

本文立足“人工智能+”的時代背景，通過梳理編程教育、圖形化編程轉向文本編程等主題的相關研究文獻，提出基于混合編程的教學策略，并通過實證研究證明策略的有效性。在未來研究中，以該實證研究為基礎，可以通過研究認知特征、學習風格和編程經驗等因素，探討不同類型，在混合編程教學中的表現和學習效果，以個性化的方式來設計和實施混合編程教學。