圖式支架對初中生編程能力影響的實證研究

中圖分類號：G434文獻標識碼：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，當前的編程教學缺乏問題解決過程的可視化工具，而且問題系統化的抽象和建模過程被忽視[2]，導致學生在編程學習中往往停留在語法語義的記憶與理解層面，難以實現對編程知識的靈活應用與遷移。因此，在編程教學中應為學生搭建學習支架以支持學生思維的發展和問題解決過程的可視化。相關文獻研究表明，流程圖作為圖式學習支架可以幫助學生設計問題解決方案和厘清程序邏輯關系，能較好地解決上述難題。3所以，本研究結合編程課堂實際情況[4-5]，設計了圖式支架（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與教的過程之中，并促進學生編程能力的提升。基于這一目的，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生編程能力產生一定的差異？ ② 在編程學習中，學生的編程知識與編程技能之間是否具有顯著相關性？ ③ 基于圖式支架的教學方式，學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成，涉及認知的記憶、理解、應用、分析、綜合和評價層面。編程能力的培養過程應以實際問題為出發點，強調在抽象建模、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則、語句結構和程序邏輯的掌握，主要與認知的記憶、理解和分析水平有關，如能夠運用掌握的語法規則和語句結構進行算法設計和結果預測。編程技能則體現在代碼實現上，不僅需要掌握程序基本概念和目標程序語言規則，還需要具備識別問題、設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，通常指認知主體內部一種動態、可變的認知結構，起初屬于無序的狀態，通過同化或順應最終形成符合現實性、科學性的內部心理模型，這一過程也被稱為建模。如何促進學生內部圖式從無序狀態轉換到有序狀態，教師需要在建模過程中搭建支架。從心理學研究視角來看，將認知主體內部圖式可視化地呈現出來是一種有效的支架方式，一方面借助支架幫助學生對所面臨的問題形成整體且直觀的認識，另一方面也為內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問題解決思路被作為一種有效的內部圖式支架，即以符號與規則的方式展現學生對程序中的邏輯關系和執行過程的理解，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設計與構建完整的流程圖有一定的難度，教師需要對教學內容進行重組，并對流程圖進行“二次”設計，即將流程圖的關鍵要素進行“留白”，“留白”的內容由學生完成，這樣既可以避免低水平重復學習浪費時間，又能夠增加學習的針對性以提高效率。3因此，根據“留白”的內容，本研究設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在關系和提供建模線索，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策略

掌握一門編程語言不僅需要學生通過程序語言實現算法，更重要的是需要學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，在教學中逐漸減少對學生的支持，直至最終幫助學生擺脫對支架的依賴，達到獨立解決問題的目的。4本研究以學生編程能力培養為目標，在分析《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的基礎上[15]，構建了以編程建模為設計核心的四階段教學模式（如圖1）。

圖1基于圖式支架的教學模式

1.體驗圖式支架階段

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

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的核心階段，其主要目的是在圖式支架的引導下幫助學生分析要素的內在關系，使要素間建立起合理的聯系，該階段屬于圖式的初次修正。教師需要為學生提供圖式支架和其他輔助學習材料，引導學生對問題進行系統抽象和模式識別，學生則需要根據已知的信息，對流程圖“留白”的內容進行補充。圖式支架可以幫助學生實現問題解決過程的可視化表征，能夠顯現學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生內部圖式的建構和完善提供了線索，促進學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教學的責任轉移，從而促進學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移到過程性的語言提示，實現教學責任從教師向學生轉移，由此達到學生自我管理和自我調節的目的。另一方面，學生要勇于質疑問難，識別出當前模型存在的不足，向現有的模型發出挑戰，然后根據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.優化圖式支架階段

優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上，對先前已建立的模型和代碼進行優化。其一，教師應創設包含多個模型的綜合化情境，促進學生將所學知識遷移到新的情境中，并在實踐應用過程中強化知識結構，由此達到活學活用的目的。其二，教師需要為學生留出自由討論的時間，對具有代表性的學生作品進行多元化的點評并給出修改或優化意見，之后學生根據教師、同伴的反饋意見對自己的程序進行迭代優化。此外，教師還需要將學習過程中分散、零碎的知識加以歸納和整理，幫助學生形成系統的知識體系，促進學生反思能力、遷移能力和編程能力的提升。

實驗設計

1.研究對象

本研究的研究對象為溫州市某中學八年級的學生，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習）和對照組（采用路徑圖式支架學習），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教（學習內容、學習時長、教學課件均相同）。在實驗結束后，共回收編程能力測試有效數據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計算思維挑戰大賽和《浙江省義務教育信息技術新教材（八年級上）》的基礎上編制而成[，根據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生在問卷星中填寫答案即可，編程技能類題目則需要學生在指定的編譯軟件中編寫代碼。

學習滿意度問卷在黃國禎教授團隊開發的量表基礎上進行優化和改編。[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《浙江省義務教育信息技術新教材（八年級上）》進行編程學習活動的設計，以教師主導、學生主體、任務主線為基本活動形式。首先，根據課本內容，制作相應的教學課件、實驗材料等。其次，根據實驗干預變量分別在兩個組中進行教學實踐，讓學生在學習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編程任務的完成。基于以上設計，本研究實驗流程如圖2所示。

圖2實驗流程

表2 兩組學生編程能力測試成績的差異性比較分析

注：***表示 plt;0.001

）實驗結果分析

本研究對被試前測成績進行獨立樣本t檢驗，發現兩組學生前測成績之間不存在顯著性差異1 ），將其視為同質組。實驗結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、斯皮爾曼相關性分析以及學習滿意度下學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下編程能力各維度是否存在顯著差異，如下頁表3所示。結果表明，兩組學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 。因此可以得出結論，條件圖式支架教學下學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下學生編程能力測試成績值是否存在顯著差異，本研究對兩組學生編程能力測試成績值進行了獨立樣本t檢驗（如表2）。結果表明，不同圖式支架教學分析。

2.編程能力的相關性分析

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

3.學習滿意度分析

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

討論與建議

1.在實施編程教學的過程中，教師需要重視條件圖式支架的設計與應用

實驗結果表明，通過圖式支架的隱退機制，兩組學生都能夠完成建模，但相較于路徑圖式支架，條件圖式支架更有利于學生編程能力的培養，尤其是對編程技能的提升。另外，從學生學習滿意度情況來看，條件圖式支架教學下學生學習滿意度得到了顯著提升，這也表明學生能夠獲得預期的學習體驗和學習結果。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知工具。在設計方面，教師需要對教學內容進行精細化提煉，注重任務設置的針對性，既要避免泛化學習導致學生無法抓住重點的窘迫，又要防止提示過多助長學生學習惰性的弊端。在應用方面，教師需要利用支架的隱退來觸發教學責任的轉移，促進學生以自我解釋和自我建構的方式參與到學習過程中，進而幫助教師和學生更高效地開展編程學習活動。

2.在提升學生編程能力的過程中，教師需要重視知識與技能的協同性

注：**表示 ?plt;0.01 ， ^*** 表示 plt;0.001

實驗結果表明，學生編程技能與編程知識整體上存在顯著相關性，這與Rogalski的研究結論具有一致性]，但是兩組學生都不同程度地出現了編程技能與不同類型編程知識的部分不相關，這在未來教學中特別值得重視。基于此，本研究建議在教學實踐中高度重視編程能力發展的協同性，要求教師能夠在教學設計中深度融合編程能力的各個要素，凝練出“關鍵編程知識”，設計貼近現實生活的編程任務，引導學生自主探究，幫助學生實現編程知識與技能的遷移應用，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性分析

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

結語

本研究以建模、支架等理論為基礎設計了編程學習活動，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。實驗數據表明，條件圖式支架教學下學生編程能力尤其是編程技能得到了顯著提升，同時學生在學習過程中滿意度較高。研究還發現學生的編程技能和編程知識之間存在一定的相關性，但是這種相關性是不穩定的，教師在教學過程中需要高度重視編程技能與編程知識的協同性。此外，該研究仍然存在著不足之處如本研究的結論仍有待通過更長的學習周期加以驗證、將單一測試作為評價學生編程能力的唯一標準缺乏嚴謹性等，這些問題還有待在后續研究中加以完善。

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