整合概念支架的游戲化學習賦能小學生計算思維發展：支架提供時機與性別的影響

基金項目：國家自然科學基金2023年度面上項目“面向計算思維的中小學人工智能教育框架理論與實踐研究”（項目編號：72274076）

中圖分類號：G423文獻標識碼：A文章編號：1009-458 x （2025）8-0075-20

一、引言

智能時代的到來呼呼能夠適應人機協同解決問題的創新型人才（UNECO，2024），計算思維作為一種有效分析和解決復雜問題的能力，被認為是21世紀各年齡段學生必備的核心素養之一（Zhao etal.，2022）。在教育中整合計算思維不僅是為了幫助學生在未來智能社會中更好地生存和發展，也是為了培養能夠站在創新前沿、推動社會進步、用聰明才智解決復雜問題的人才（Cynthiaamp;Siho-tang，2023）。因此，一些研究者（IlgunDibek et al.，2025）認為，在智能時代培養學生的計算思維比以往任何時候都更重要。此外，有研究（孫立會amp;胡琳琳2021）發現小學是培養計算思維的關鍵時期，尤其在小學二、三年級。經濟合作與發展組織（OECD）指出，在低年齡段培養計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展數字素養的機會（楊偉鵬，2024）。雖然盡早培養學生計算思維已取得理論共識，但在實踐中仍面臨教學策略、教學工具適配性不足等挑戰，如何發展小學生計算思維仍需系統研究（張屹等，2024）。

游戲化學習能夠激發兒童學習動機，降低其認知負荷，并可通過情境化任務驅動小學生計算思維發展（Maetal.，2023），但其隱性知識表征模式可能給小學生的知識建構帶來困難（Barzilaiamp;Blau，2014），小學生可能難以自主建立游戲內容與計算思維之間的認知關聯（Tedreamp;Denning，2021;Zhaoamp; Shute，2019）。因此研究者（Caietal.，2022）提出整合概念支架以強化顯性知識構建，幫助學生跨越“最近發展區”（Vygotsky，1978，p.174）。然而，現有研究對支架提供時機缺乏系統性探討：在游戲前提供結構化的引導能夠提升學習效率，幫助學生形成宏觀的邏輯化框架（喬愛玲等，2021），但也可能因過早介人而削弱學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致難以補救學生的認知斷層（Bellandetal.，2017）。此外，研究發現性別是影響計算思維的潛在因素（Hu，2024），且與支架策略存在交互作用（Angeliamp;Georgiou，2023），但鮮有研究結合支架提供時機，比較游戲前預先提供支架和游戲后延遲提供支架對男生和女生計算思維的影響差異。

基于此，本研究依托團隊開發的《人工智能·計算思維（三年級）》教材（，2022，pp.49-77），以機器學習單元為例開展為期6周的準實驗研究，依據計算思維編碼表對學生的圖畫作品進行編碼和評分。通過單因素方差分析和認知網絡分析法揭示支架提供時機對小學生計算思維的影響，比較不同性別學生計算思維的表現差異和特征，再通過雙因素方差分析法進一步探索支架提供時機和性別的交互作用，旨在為游戲化學習中支架的設計和使用提供參考，為促進計算思維教育中的性別平等提供見解。

二、文獻綜述

（一）游戲化學習中有關計算思維的研究

計算思維是指利用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統以及理解人類行為的思維過程（Wing，2006）。已有研究者運用游戲化學習促進學生的計算思維。例如，Hooshyar等（2021）探索了AutoThinking的自適應教育電腦游戲對79名小學生計算思維的影響，發現相較于傳統教學方法，使用Auto Thinking電腦游戲學習的實驗組在算法思維、模式識別、調試、模擬和泛化等維度上的表現顯著優于對照組，表明AutoThinking游戲能夠促進小學生沉浸于游戲化的問題解決過程，實現計算思維的有效培養。張屹等（2022）圍繞人工智能核心知識“表達與推理”，設計游戲化活動來培養高中生的計算思維，通過6周教學實踐和作品分析發現，學生計算思維整體水平以及分解、模式識別、抽象、算法、調試等分維度的水平均得到顯著提升。

盡管游戲化學習在培養學生計算思維方面具有潛力，但研究者發現需要在游戲化學習中整合支架策略來幫助他們將游戲內容和計算思維聯系起來。例如，Tikva和Tambouris（2023）將支架策略引人“aMazeD”編程游戲，發現相較于不帶支架的游戲，帶支架的游戲能更有效地培養初中生的計算思維。但Charsky和Ressler（2011）卻發現在游戲中加人概念支架會對學生的游戲體驗產生負面影響，降低他們的學習動機，并認為游戲中的支架雖然幫助學生聚焦了學科概念，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習效果和游戲體驗。例如，喬愛玲等（2021）基于TheIrregu-lar Corporation發行的裝機模擬游戲，為111名初一學生設計了圖文和視頻兩種外部概念支架，旨在于外顯游戲中學習內隱的計算機硬件知識，研究發現相較于無支架組，外部概念支架顯著提升了學生的知識測試成績，且圖文支架的提升效果最佳。綜上，外部支架支持學生獲得學科知識的有效性已得到證明，但尚不清楚外部支架對學生計算思維的影響效果，因此本研究也通過添加外部概念支架的方式探索其對學生計算思維的影響。

（二）支架提供時機對計算思維的影響研究

在維果斯基（Vygotsky，1978，p.174）“最近發展區”理論的指導下，支架（Scaffolding）旨在幫助學生從現有的認知水平達到潛在的發展水平。依據不同功能，支架可以分為概念支架、策略支架、元認知支架和動機支架等類型，其中概念支架通過提供核心知識概念或框架幫助學生理解復雜問題的本質（Kimet al.，2018），包括描述性解釋、概念圖、提示、反饋等多種形式。近年來，研究者發現概念支架對學生計算思維的發展具有關鍵作用。例如，Xu等（2019）以概念圖的形式幫助學生理解編程和計算思維概念，引導學生設計讓小貓逃出迷宮的游戲；通過分析學生作品發現，概念支架組學生的計算思維得分高于對照組，且在抽象與問題分解、邏輯思維、數據表示等維度上差異顯著。

在支架的具體運用中，教師既可以在學生參與解決問題前預先提供引導，也可以在學生自主探索、初步嘗試后延遲提供支持，但何時提供支架更有利于促進學生計算思維尚未達成共識。一些研究者認為預先提供支架能夠減少學生在問題解決過程中的挫折，加快學生知識構建和解決問題的速度，從而更有利于學生計算思維的發展。例如，Woo和Falloon（2024）在讓學生正式參與編程動畫敘事（CodedAnimatedNarratives，CAN）項目之前，預先為學生提供了故事創作模板和框架以幫助學生系統地規劃和組織自己的故事內容，該研究發現這些預先提供的支持能幫助學生在故事創作中保持清晰的思路、理解代碼的整體結構和邏輯關系，從而實現問題解決能力和計算思維的發展。但Shute（2008）認為預先提供的支持可能會削弱學生自主思考的深度和廣度，且讓學生產生依賴，不利于他們長期的發展。因此，另一些研究者提出在學生參與學習體驗后再提供支架，鼓勵學生通過實踐和試錯來參與深層次的計算思維過程。例如，在Chevalier等（2022）的研究中，66名8～9歲的小學生被要求解決修復火星能量發電機的問題，研究者發現相較于及時提供反饋，延遲提供反饋能促進學生更主動和深入的思考，使他們更充分地運用分解、抽象、模式識別和算法等計算思維要素。

（三）性別對計算思維的影響研究

性別長期以來是計算思維領域關注的重要因素，關于其對計算思維的影響，學界主要存在以下兩種觀點。一是認為性別會影響計算思維，且男性優于女性。例如，Hu（2024）通過對30篇文獻的元分析發現，性別對計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論，他們借助教育機器人發展學生計算思維，發現相較于男性，女性需要更多的訓練時間才能達到相同的計算思維水平。二是認為性別不會顯著影響計算思維。例如，楊偉鵬（2024）通過開展插電和不插電活動培養91名5歲幼兒的計算思維，發現男孩和女孩在編程活動中都能得到相似的計算思維發展，性別并未成為女孩獲得計算思維的阻礙；孫立會和胡琳琳（2021）通過對五省市六所小學的2.010名小學生進行調查發現，他們在計算思維上并不具有顯著的性別差異，且女生具有微弱的優勢，該研究結論強調了在基礎教育中女生發展計算思維的潛力。

近年已有研究關注支架和性別的交互作用，探索在支架支持的學習下男生和女生在計算思維上的表現差異。例如，Angeli和Valanides（2020）以印有Bee-Bot指令的卡片（Type-A）與3D圖片和網絡地圖（Type-B）為兩種類型的支架，隨機將50名幼兒分為兩組參與Type-A支架和Type-B支架支持的Bee-Bot機器人學習活動，且特別關注了這兩種支架和不同性別對學生計算思維的交互影響。研究發現，這兩種支架都有利于學生計算思維的發展，且大多數兒童都擅長使用分解作為處理復雜任務的策略，性別和支架策略之間存在顯著的交互作用，男孩使用Type-A支架的表現更好，而女孩使用Type-B支架的表現更好。Georgiou和Angeli（2020）調查了支架和性別對180名兒童計算思維的影響，同樣發現支架和性別對學生計算思維具有很強的相互作用。

綜上所述，已有研究證實了在游戲化學習中整合支架的必要性，但尚不清楚何時提供支架更有利于促進小學生計算思維，男生和女生在計算思維上的表現尚未達成共識，不同性別小學生的計算思維特點仍需進一步探索。此外，已有研究發現性別作為影響學生計算思維的潛在因素，可能會影響支架的效果，與不同類型的支架存在交互效應，但在性別與支架的提供時機是否存在交互作用、不同性別的學生是否適配不同的支架提供時機等方面仍缺乏實證探索。因此，本研究將主要解決三個問題：1）游戲化學習中概念支架的提供時機（預先提供VS延遲提供）對小學生計算思維的影響是什么？2）整合概念支架的游戲化學習中男生和女生的計算思維具有怎樣的差異？3）游戲化學習中概念支架的提供時機和性別對計算思維的影響是否具有交互作用？

三、研究方法

（一）研究被試

市某小學的65名三年級學生參與本研究，他們人學時間、接受的教育水平均相同，且具有相似的先驗知識基礎和學習經歷。參與者以班級為單位被隨機分配到支架預先提供組和延遲提供組。預先提供組的學生在游戲前接受支架引導，即先參與支架支持的學習再玩游戲。延遲提供組則在游戲后才獲得學習支架，即先玩游戲后參與支架支持的學習。預先提供組共31名學生，其中男生14人、女生17人；延遲提供組共34名學生，男生18人、女生16人。通過前測發現，兩組先驗知識水平不具有顯著差異（x預先提供組 _=61.92 ， x 延遲提供組 _=61.55 ， p= 0.92gt;0.05 ）。整個研究過程中，兩個組的學生始終由同一名教師授課。

（二）游戲化學習平臺

本研究是在code.org平臺上進行的，該平臺包括一系列開放且免費的計算機科學課程資源，旨在提高計算機科學教育在中小學的普及程度，其中融入的游戲元素等也被發現適合中小學生且能促進他們的計算思維（Barradas et al.，2020）。目前的研究集中在平臺中包含的一個游戲“保護海洋的人工智能”（AIforOcean）（https：//code.org/oceans），玩家通過訓練能清理海洋垃圾的海寶機器人來探索機器學習的概念、過程并熟悉人工智能在生活中的運用。這款游戲是code.org平臺上最受歡迎的游戲之一，絕大多數兒童和家長都表示喜歡該游戲（Suamp;Yang，2024）。

具體來說，這款游戲的目標是訓練能夠清理海洋垃圾的機器人海寶。游戲開始后，玩家點擊交互按鈕訓練機器認識魚和垃圾，游戲界面如圖1所示。

圖1 “保護海洋的人工智能”（AIforOcean）游戲界面

界面上方是學習進度條，右上方呈現了訓練次數，點擊“繼續”則是對機器人進行測試，立即反饋玩家訓練效果。本研究根據訓練結果制定排行榜，玩家所面臨的挑戰在于找到最佳的訓練方法，讓機器能夠又快又準確地清理海洋垃圾。

（三）概念支架

本研究基于瓦萊麗·舒特等（Shuteetal.，2017）提出的6個計算思維要素，結合AI4K12（2020）框架中“機器學習”大概念相關的核心知識，設計了如表1所示的系列概念支架。

這些概念支架一方面幫助學生理解游戲任務中隱含的計算思維要素，另一方面幫助學生獲取和掌握游戲內容中所涉及的機器學習知識。分解要素體現在游戲任務的開始，概念支架引導學生明確游戲任務，并將讓機器學會區分魚和垃圾的游戲任務分解為兩個子問題，讓機器學會識別魚和讓機器學會識別垃圾，并提供“機器學習”的描述性解釋。抽象要素體現在游戲中為機器提供數據這一環節，概念支架幫助學生理解現實生活中的魚和垃圾需要抽象轉化成機器能理解的數據，機器通過抽取出魚和垃圾的關鍵特征來學習，并呈現“數據”“特征”等概念的含義。算法、調試和迭代要素體現在游戲中訓練和測試機器這兩個環節，概念支架幫助學生理解機器學習的一般步驟，運用順序算法讓機器學會區分魚和垃圾，同時引入分支算法應對不同的測試結果：如果機器識別存在錯誤，則觸發迭代優化機制，返回訓練環節，重新訓練機器；如果測試發現機器識別不存在錯誤，則進人使用環節。泛化要素體現在游戲任務結束后，概念支架鼓勵學生發散思維，思考機器學習還可以遷移和運用到其他哪些情境中，以及機器通過學習還可以具備哪些功能以幫助人類完成更多的事情，并進一步引導學生思考機器學習對社會的影響。

（四）研究過程

如圖2所示，研究過程分為課前調查、課程學習和作品創設三個階段。

圖2 研究過程

課前調查階段，所有參與者被要求完成先驗知識前測以及包含性別和年齡的人口統計學調查，共15分鐘。隨后，所有參與者參與包括游戲挑戰和基于支架學習的人工智能課程，課程持續5周，每周40分鐘。預先提供組和延遲提供組的唯一區別在于支架提供時機上的不同：預先提供組先獲得支架的支持，明確學習內容后再參與游戲挑戰；延遲提供組則先經歷游戲挑戰，然后再基于支架回顧學習內容。作品創設是在課程的最后一周實施，所有參與者被鼓勵想象機器學習的運用場景，結合課程內容以圖文并茂的方式繪制讓機器學會區分兩類事物的步驟，共30分鐘。

（五）數據采集與編碼

通過引導兒童完成繪畫作品來表達他們的思維過程或想法觀點常被用于教學研究，并被認為這是一種更加符合低年齡段學生認知發展特征的科學方式（高晗蕊等，2023）。本研究通過學生繪制的“讓機器學會區分兩類物體”的圖畫作品來評價學生的計算思維水平。研究者鼓勵學生發揮想象力描述他們希望機器區分的兩類物體以及運用的場景，然后運用機器學習知識和計算思維要素，以圖文結合的方式繪制機器的創設過程。

計算思維圖畫作品編碼表是研究團隊和授課教師基于舒特等（Shuteet al.，2017）提出的計算思維要素共同編設的。編碼表包括圖畫作品的評價維度、維度描述、作品表現及其對應分值（如表2所示）。

表2計算思維圖畫作品編碼表

分解、抽象、算法、調試和迭代維度中，作品表現包含多個給分點，屬于累計得分。以調試為例：若學生在作品中提到需要對機器學習結果進行測試，則給1分；若還能知道初始設計的機器可能會出錯，則再給1分，累計2分；若面對測試結果，提到還需修改或繼續訓練機器，則再給1分，累計3分；若還能再進一步分析機器出錯的原因，則再給1分，累計4分。泛化維度與其他維度不同，是直接給出對應的分數。Barnett和Ceci（2002）提出可以從知識領域、物理語境、功能語境、時間語境等方面來判斷學生的遷移程度，其中功能語境是將學生運用某個知識或技能的場景與獲得該知識或技能的場景進行比較。鑒于課程是讓學生運用機器學習知識和運用計算思維對機器的功能進行遷移，因此本研究基于功能語境的定義來評價學生的泛化維度。

所有學生的圖畫作品都由經過訓練的兩名編碼員獨立完成編碼。兩名編碼員的Cohen'sKappa系數為 0.843gt;0.7 ，編碼結果具有良好的一致性。針對編碼不一致的地方，兩名編碼員共同研討以達成一致，編碼示例如圖3所示。

（六）數據分析方法

本研究采用量化統計分析與認知網絡分析法，以系統探究支架提供時機對小學生計算思維的影響以及男生和女生計算思維水平的差異。針對問題1和問題2，研究首先通過單因素方差分析（One-wayANOVA）比較支架預先提供組與延遲提供組、男生與女生在計算思維總分及各維度上的差異。然后運用ENAweb工具分別繪制不同組別和不同性別學生的認知網絡圖，比較他們計算思維要素共線關系和網絡結構的差異。最后，為進一步比較支架提供時機對學生泛化能力的影響，本研究運用UCINET軟件繪制網絡圖可視化呈現學生遷移的情境，比較預先提供組與延遲提供組的泛化程度。針對問題3，研究采用雙因素方差分析法（Two-WayANOVA）檢驗支架提供時機與性別的交互作用。所有量化分析均使用SPSS26.0軟件完成。

四、研究結果分析

（一）支架提供時機對計算思維的影響分析

1.支架提供時機顯著影響學生計算思維，且預先提供組總體得分更高Shapir-Wilk正態檢驗可以發現，預先提供組（ _{p=0.07gt;0.05} ）和延遲提供組 ）作品得分服從正態分布，表3呈現了單因素方差分析結果，發現預先提供組的計算思維總體得分顯著高于延遲提供組（ x 預先提供組 _=6.77gt;x 延遲提供組 5.38， F=6.837 ， p=0.011 ），分解、抽象、算法、調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，延遲提供組學生的得分（ x 延遲提供組 _1=0.24 ）高于預先提供組（ x_#{H} ）。研究結果表明，預先提供概念支架可能總體上更有利于學生運用計算思維要素解決問題，但延遲提供更有利于幫助學生關注對方案的迭代和優化。

表3預先提供組和延遲提供組計算思維及其各維度的均值

注： ^*plt;0.05，

2.兩組學生均關注抽象、調試和泛化，算法在預先提供組認知網絡中出現頻率更高

在兩組認知網絡中，抽象、泛化和調試均是較大的節點，算法在預先提供組認知網絡中高頻出現。預先提供組各要素出現的頻率從高至低依次是：泛化（ 100% ，即所有學生都能將計算思維要素遷移至其他情境）、調試（ 93.5% ，即93.5% 的學生運用調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% ）、調試（ 76.5% ）和抽象（ 52.9% ）同樣高頻出現，其次是分解（ 26.5% ）、算法（ 26.5% ）和迭代（20.6%） ）。通過比較各節點出現頻率發現，無論是預先還是延遲提供支架，概念支架均能指導學生在問題解決過程中抽取數據特征、測試與修正方案，并將所學的問題解決方法遷移至其他情境。此外，預先提供的支架能幫助學生更好地運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生在反復嘗試過程中關注對方案的重新設計和迭代優化。

抽象、泛化和調試在兩組認知網絡中均形成較強連接，但僅在預先提供組中發現算法與泛化、算法與調試具有較強的連接。如圖4（a）所示，泛化和調試作為兩個核心節點形成最強連接（連接系數 w=0.53 ），且分別與算法（ w 泛化-算法=0.26 ; ）和抽象 （w_i≥1k-?+11?=0.22 ： ）高頻共現。在延遲提供組中，泛化和調試同樣具有最高強度的連接（ ），但僅與抽象的連接較強 ; ，如圖4（b）所示。兩組要素間的連接特點似乎說明，學生在問題解決過程中通過對方案的調試歸納出可遷移的通用規則，且在概念支架的支持下特別關注了對現實事物和數據特征的抽取。但預先提供的支持可能幫助學生在游戲前就明確讓機器學會區分兩類事物的邏輯步驟，并在游戲過程中進一步得到鞏固，從而在最后作品中實現算法要素的充分體現。

圖4預先提供組和延遲提供組認知網絡圖

注：認知網絡圖中圓形節點表示各計算思維要素，節點大小表示要素出現的頻次高低，節點之間的連線表示要素間的共現關系，連線越粗表示共現頻率越高。

3.兩組質心位置差異顯著，算法和迭代在兩組學生問題解決過程中具有不同地位

圖5呈現了兩組認知網絡疊減圖，Mann-WhitneyU檢驗結果顯示兩組質心的位置在 x 軸上具有顯著差異（ U=260.00 ， p=0.00lt;0.05 ， r=0.51 ）。算法要素處于x 軸的正值，而迭代要素處于 x 軸的負值，質心位置的顯著差異表明，算法和迭代在兩組學生認知過程中具有不同地位。相較于延遲提供組，預先提供組的算法、調試與泛化三者之間的連接明顯更強，似乎表明預先提供的支架更有利于學生基于有序的邏輯步驟對方案進行調試與泛化，呈現“邏輯驅動”的特點。而延遲提供組的質心偏向迭代，說明學生在問題求解過程中傾向于通過反復嘗試、調試與優化的方式完成任務，呈現出一種“經驗驅動”的特點。

4.預先提供組傾向于泛化至學習情境，延遲提供組傾向于泛化至相近領域

在概念支架的支持下，兩組學生均能從游戲化學習中歸納機器學習的一般步驟并遷移至其他情境，但研究發現兩組學習者在泛化維度上呈現出不同的特點。本研究運用UCINET生成網絡圖來可視化呈現兩組學生在圖畫作品中讓機器學會區分的現實事物和泛化情境（見圖6）。圖中節點是學生在圖畫作品中提到的事物，如圖6（b）和如圖6（c）所示，節點之間的連線意味著學生在作品中通過讓機器學會區分這兩類事物而被聯系起來，節點的大小代表事物出現的次數，節點越大表示越多的學生提到讓機器學會識別該事物。節點之間的連線則代表了事物之間聯系的強度，連線越粗則表示越多的學生在作品中讓機器區分這兩類事物。

圖5預先提供組和延遲提供組認知網絡疊減圖

注：圖中方形節點表示質心，質心的位置表示網絡的差異性，位置越遠則表示差異越大，線條粗細表示互相疊減后的連接強度。

如圖6（b）所示，預先提供組中“正確的題”和“錯誤的題”的節點最大，且連線最粗， 39% 的學生創設的機器人運用于學習領域，這說明該組學生能夠脫離清理海洋垃圾情境，將機器學習領域中的問題解決方法進行遷移，但更傾向于遷移至學習相關的情境。如圖6（c）所示，相較于預先提供組，延遲提供組的節點更多，且沒有出現集中聚焦某個情境的現象，但 29% 的學生遷移的情境與垃圾清理有關， 32% 的學生將機器運用于識別動植物，且垃圾、可回收垃圾、動物、海洋生物等屬于較大的節點，表明延遲提供的支架傾向于幫助學生將問題解決方法泛化至相近的領域。

（二）性別對計算思維的影響分析

1.女生計算思維總體得分顯著高于男生

Shapir-Wilk正態檢驗發現，男生 （p=0.07gt;0.05 ）和女生 （p=0.17gt;0.05 ）作品得分服從正態分布。單因素方差分析發現，女生計算思維總體得分顯著高于男生 ， F=10.67 ， p=0.002lt;0.05 ）。如圖7所示，女生在分解、抽象、算法和調試維度的表現也優于男生，且在分解（ ₁ΔF=8.603 ， p= 0.006lt;0.05 ）和調試（ F=17.852 ， p=0.000lt;0.05 ）維度具有顯著差異，但男生在迭代維度上的表現優于女生，在泛化維度上男生和女生均值接近，表現出相當的水平。

圖7男生和女生計算思維及其各維度均值

2.女生認知網絡中分解、抽象、算法、調試和泛化的連接更強，但男生認知網絡中迭代與各要素連接更強

認知網絡分析（見圖8）發現，女生和男生的認知網絡具有明顯的共性與差異。共性層面，在兩者的認知網絡中，均以調試作為核心節點與抽象、算法和泛化形成較強的連接，這說明女生和男生均傾向于運用抽象、算法、調試和泛化要素解決問題，整合概念支架的游戲化學習對學生這些要素的發展有利。但結合疊減圖可知，分解、抽象、算法、調試和泛化的連接在女生認知網絡中明顯更強。尤其是，在女生認知網絡中分解與其他要素的連接明顯強于男生，這似乎說明女生在解決問題時會更傾向于把復雜問題分解為子問題，再逐一完成子問題以實現任務的完成。然而，迭代在男生認知網絡中與其他要素的連接更強，但相較于其他要素，迭代在女生認知網絡的連接中明顯更細，這說明男生關注對方案的迭代優化，而女生在任務解決中對循環修正（迭代）的依賴度較低，可能更偏好通過直接調試優化問題。

圖8男生和女生認知網絡及其疊減圖

男生和女生認知網絡質心位置的差異也印證了上述觀點，Mann-WhitneyU檢驗結果顯示兩者質心的位置在 x 軸上具有顯著差異（ U=260.00 ！ p=0.00lt;0.05 ，r=0.51 ）。研究結果進一步說明女生組偏向“分解導向”，男生組偏向“迭代導向”，女生和男生在解決問題時對策略的選擇具有顯著差異，即女生傾向于通過拆解任務降低復雜性，而男生傾向于通過迭代優化問題方案。但二者質心在 y 軸上不具有顯著差異（ U=260.00 ， p=0.00lt;0.05 ， r=0.51 ），這說明在抽象、算法、調試和泛化要素的運用上，男生和女生沒有明顯的偏向。

（三）支架提供時機和性別對計算思維的影響不具有交互作用

雙因素方差分析發現，支架提供時機和性別對學生計算思維的影響不具有交互作用。具體而言，無論是計算思維的總體得分（ F=1.11 ， p=0.30gt;0.05 ），還是分解（ F=0.23 ， p=0.64gt;0.05 ）、抽象（ F=1.33 ， p=0.25gt;0.05 ）、算法（ F=1.44 ，p=0.24gt;0.05 ）、調試（ F=0.27 ， p=0.60gt;0.05 ）、迭代（ F=0.05 ， p=0.83gt;0.05 ）和泛化（ ， p=0.80gt;0.05 ）要素上均不具有交互作用。研究結果說明，支架提供時機和性別對學生計算思維的影響相互獨立，即在游戲化學習中預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、研究結論與討論

（一）預先提供支架促進學生算法思維，延遲提供激發學生迭代探索

本研究驗證了在游戲化學習中提供概念支架的時機對計算思維發展具有的顯著影響，預先提供組的總體得分顯著高于延遲提供組。這與Barzilai和Blau（2014）的研究結果相似，即在游戲前提供概念支架更有利于提高學生解決問題的能力。Ausubel（1978）有意義學習理論中的先行組織者策略強調在正式學習前，提供一種具有概括性和包容性的引導性材料（即組織者），為學生搭建連接新舊知識的橋梁。在游戲前提供包含機器學習以及計算思維相關概念的支架，可幫助學生在游戲過程中將游戲互動和有關概念形成聯系，同時利于學生存儲學習過程中的信息，為學生搭建起將新知識納人原有認知結構的橋梁（喬愛玲等，2021）。

其次，認知網絡分析發現，相較于延遲提供組，預先提供組在算法維度表現更為突出，且與抽象、調試和泛化等維度形成更強連接。這或許是因為預先提供的支架能幫助學生在學習初期就建立起清晰的邏輯步驟，從而在后續的學習中能更好地運用順序算法，按照一種有序的邏輯步驟來解決問題。此外，認知負荷理論強調工作記憶的容量是有限的，游戲前提供的結構化引導使學生明確“讓機器學會區分兩類事物的步驟”，有效減少不必要的認知負荷，幫助他們將有限的認知資源集中在深人的思考過程中，從而使計算思維各要素形成緊密的聯系（Zhou et al.，2023）。

然而，支架的延遲提供幫助學生在迭代維度獲得更高分。這或許可以通過試錯策略來解釋，學習者通過多次嘗試來形成解決方案（Weintropamp;Wilensky，2015）。當學生初次體驗游戲時，他們在沒有支架明確的指導下進行多次嘗試，通過觀察、生成、評估和調試進行迭代。這種動手、試錯的方法讓學生在實踐中不斷積累經驗，通過經驗和探索來推動問題解決方案的優化。值得一提的是，研究發現預先提供組學生泛化的情境更多與學習情境相關，這或許與高晗蕊等（2023）提到的學習觀念有關，盡管預先提供組學生也參與了游戲體驗，但鑒于在游戲前先參與了支架支持的學習，致使學生仍然更傾向于將所學的知識和技能遷移到學習情境。

（二）女生傾向問題分解，男生關注迭代優化

與男生計算思維優于女生的刻板印象不同，本研究發現女生計算思維總體得分顯著高于男生，且在分解和調試維度上具有顯著優勢。研究結論與孫立會和胡琳琳（2021）、張屹等（2024）的調查發現相似，即在基礎教育階段尤其在小學階段，女生計算思維表現可能優于男生，研究結論也進一步證實了在基礎教育階段發展女生計算思維的潛力。此外，研究（Reinkingamp;Martin，2018）發現，相較于男生，在女生認知網絡中分解維度與其他要素形成更緊密的連接，這可能與女生在學習過程中更傾向于采用系統化、細致化的方法有關。女生在解決問題時更注重將復雜問題分解為多個子問題，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方面，從而表現出更高水平的計算思維。

但男生在迭代維度得分更高，且在男生認知網絡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更傾向于通過試錯和實驗來尋找解決方案有關（Petersenamp;Hyde，2017），在實踐中不斷探索和調整，通過迭代完成任務。此外，男生和女生在泛化維度表現接近，這或許說明盡管男生和女生在計算思維要素的選擇和運用上具有不同偏向，但在形成可遷移的問題解決能力和計算思維能力上，兩者具有相似的潛力。教師或許可以結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構化工具（如流程圖模板），而為男生設計迭代優化的實踐場景，以促進不同性別學生計算思維更好地發展。

（三）支架效果獨立于性別，靈活調整教學支架以滿足多樣需求

研究結果表明，支架的提供時機和性別對學生計算思維的影響不具有交互作用，支架的提供時機和性別是兩個相對獨立的因素，支架提供時機對學生計算思維的影響不會因性別差異而產生顯著不同。Sweller（2020）提到外部支持的干預效果更多取決于任務復雜性而非學習者個體特征。本研究要求學生完成“讓機器學會區分兩類事物”的任務，對于初次接觸人工智能知識和計算思維的小學生而言，需要教師預先提供支架幫助他們明確學習目標，并與游戲內容建立聯系。此外，計算思維的復雜性可能促使支架提供時機和性別從不同角度影響學生計算思維發展（Roweetal.，2021）。例如，支架提供時機可能主要影響學生對計算思維各要素的理解和運用效果，而性別主要影響學生在解決問題時選擇不同要素和策略的傾向。但值得注意的是，支架提供時機和性別仍然在一定程度上共同影響學生的計算思維表現。例如，預先提供支架可能更有利于女生在分解和調試等優勢維度上進一步提升計算思維水平，而延遲提供支架可能更有利于男生在迭代優化等優勢維度上發揮潛力。

六、結語

綜合上述結論，本研究提出如下教學建議。第一，通過分階段教學合理安排支架提供時機，幫助學生逐步提升算法思維和迭代探索能力。例如在游戲化學習前期可以預先提供可視化概念支架幫助學生建立認知基礎或清晰的問題解決框架，后期設置開放式挑戰，鼓勵學生通過觀察、調試與多輪迭代優化方案，然后再運用支架幫助學生總結。第二，結合性別差異，因材施教提供差異化支持。女生在問題分解和調試上表現更優，建議為女生提供更多結構化、系統化的分析工具，如流程圖、任務拆分表等；男生在迭代優化中表現更佳，建議為男生設計多輪嘗試、調優優化的實踐場景，如多版本測試、動態調整任務等。第三，動態調整支架策略，靈活應對學生個體差異與學習進程。本研究建議教師在游戲化學習過程中，動態調整支架提供的方式、內容與時機，使支架策略既符合任務復雜度，又兼顧學生個性化需求，例如在游戲化學習的前期，接受相同的基礎概念引導，確保起點公平，中期根據性別調整支架類型，后期針對個體表現，通過教師一對一提示或AI系統推送定制化支架。

顯然，本研究亦有不足之處，比如并未探討支架提供時機對學習效果的延時效應。未來，研究團隊將增加延時后測，進一步分析支架提供時機對小學生計算思維影響的長期效果。此外，也將進一步結合人工智能技術為學生創設更加靈活、動態的教學支架，在更細粒度的時機維度上探索支架提供的最佳時機。

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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 and Chen Dengkang

Abstract：Game-based learning isrecognized 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

Authors：Lin Yuru，doctoral candidate of the Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University （Wuhan ）; Zhang Yi， professor of the Faculty of Artificial Intelligence in Education，Central China Normal University （Corresponding Author： zhangyi@mail.ccnu.edu.cn Wuhan ）; Yang Yuqin， professor of the Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University （Wuhan 43oo79）; Gao Zhimin， graduate student of the Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University （Wuhan ）； Ren Xu， graduate student of the Faculty of Artificial Intelligence in Education，Central China Normal University（Wuhan 43oo79）; Chen Dengkang， doctoral candidate of the Faculty of Artificial Intelligence in Education， Central China Normal University （Wuhan ）

責任編輯 郝丹