通过使用隐喻和Scratch相结合的方法来教授编程是否可以改善计算思维？
Diana Peacute;rez-Mariacute;n,Raquel Hijoacute;n-Neira,Adriaacute;n Bacelo,Celeste Pizarro
摘要：计算思维(CT)是21世纪的一项关键技能。然而，目前尚不清楚哪种方法是获取和改善CT的最有效方法。因此，专家学者们为确定应使用哪种教学手段来获取和改善CT进行了大量的研究工作。其中一种研究认为小学教育期间的编程教学可以改善CT。在我们之前的研究中，我们提出并验证了一种基于隐喻和使用Scratch(MECOPROG)向儿童教授基本编程概念的方法。我们的假设(H)是通过应用MECOPROG，学生将开发他们的CT。为了验证这个H，我们对132名小学教育学生（9至12岁）进行了实验。在实验开始时，所有学生都被要求进行一次编程概念测试和另外两项测量他们CT的测试。在测试期间，所有学生都接受MECOPROG教学。然后这些学生再次参加了三项测试。所有三项测试的结果都有显著改善，这证明可以使用隐喻和Scratch向小学教育学生教授计算机编程概念以发展他们的CT。
关键词：计算思维，小学教育，编程，方法学，隐喻
- 简介
计算思维 (CT) 可以定义为基于计算机科学概念解决问题、设计系统和理解人类行为的技能 (Wing, 2006)。CT是21世纪儿童的一项关键技能（Wing，2016）。然而，目前还不清楚如何以最有效的方式培养儿童的CT。目前，正在研究可用于开发 CT 的不同教学方法。
在过去的几年中，一些作者声称可以通过向儿童教授编程来获得和发展 CT。此外，有人声称这应该尽早完成（Kazakoff 等人，2013；McCartney 和 Tenenberg，2014；McCartney，2015；Strawhacker 等人，2015；Heintz 等人，2016；Papadakis 等人，2016）。
CT有可能通过其他方式获得，如教育机器人 (Bers等人，2010）、讲故事（Lee等人，2011）、不插电的活动（rackmann等人，2016）、Scratch Jr（Papadakis等人，2016）、甚至在道德课上（Seoane-Pardo, 2018)。尽管本文侧重于编程以培养 CT，但学习如何编程不仅因为这个原因，而且因为我们数字社会对程序员的真正需求（Margulieux 等人，2016）以及其他优势，例如高级认知技能的提高（Pea amp; Kurland, 1984）。
许多国家将计算机科学作为小学教育的一个科目来实施，以培养学生成为计算机程序的创造者（Heintz等人，2016）。向儿童教授计算机科学的一种常见方法是 Scratch，它被定义为一种创作环境——由麻省理工学院媒体实验室的 Lifelong Kindergarten 研究小组开发——通过将编程指令块拼接在一起来设计交互式媒体（Resnick 等人，2009； Ouahbi 等人，2015 年）。其他方法侧重于使用 Makey，学生可以通过水果或 Play-Doh 与计算机进行交互，而不是使用传统的鼠标（Lee et al., 2014）；使用 Lego WeDo 或 Mindstorms EV3 机器人（Sović 等人，2014 年），以及（制作）游戏（Campe amp; Denner，2015 年）。另一种可能性是使用 Code.org 上的讲故事或免费练习来遵循不插电的方法。这在资源有限的国家以及在计算机科学被重视但缺乏训练有素的教师或资源的发达国家特别有用（Brackmann 等人，2016 年）。
这些方法的结果还没有得到适当的评估，其有效性还不清楚（Kalelioğlu，2015）。此外，没有任何方法或特定资源已经被确定为最适合教儿童编程的方法。即使是基本概念，如程序构建 (Lahtinen et al., 2005)、循环 (Ginat, 2004)、结构控制和算法 (Seppauml;lauml; et al., 2006)，教孩子们也存在困难。这些困难的出现是由于教师培训不佳或缺乏适当的教学方法（Barker et al., 2009; Coull amp; Duncan, 2011）。很明显，教师需要指导才能充分完成这项任务（Brackmann 等人，2016；Jovanov 等人，2016；Yadav 等人，2016）。
在我们之前的工作中，我们根据 MECOPROG 方法提出并验证了使用隐喻向儿童介绍编程的基本概念。例如，我们建议使用 Thermomix 配方的隐喻作为程序（和序列），将储藏室作为内存，将盒子作为变量。我们还说明了将这些隐喻应用于教师可用的任何资源的可能性，例如 Scratch。
使用隐喻的原因是广泛报道的隐喻作为强大的教育工具的有用性。隐喻聚焦于概念，有利于学生组织思想，使思维更清晰、更直接（Rodrguez-Diguez, 1988）。使用隐喻不需要特殊的设备，可以帮助教师将抽象的概念转化为简单的想法和形象。学生需要清晰仔细、专注的思维来正确地编写计算机程序（Heintz等人，2016）。
这篇研究论文提出了以下问题：可以通过使用基于隐喻和 Scratch 的方法向儿童教授计算机编程来改进计算思维吗？答案是肯定的，这是我们的假设 (H)。在这项研究中，我们要求 132 名小学教育学生（9 至 12 岁）遵循 MECOPROG 六周。有两个目标：1）教授学生计算机科学编程的基本概念；2) 通过使用隐喻和 Scratch 教他们这些概念来发展学生的 CT。本研究得出的结果表明，使用隐喻和 Scratch 可以显着培养学生的 CT，而且学生能够学习基本的编程概念。
本文的组织结构如下。第2节回顾了小学教育中计算思维和编程教学的背景文献；第3节概述了所进行的实验的材料和方法，以便本研究可以在其他地方复制；第4节介绍了实验的结果；第5节总结了主要的结论并提出了未来的工作方向。
- 背景
计算思维（CT）并不是一个新术语。它可以追溯到20世纪50年代，当时它被称为'算法思维'。它被定义为一种使用算法对给定的输入产生适当输出的方式（Denning, 2009）。2006年，Wing重新启动了对这个主题的兴趣，并将CT定义如下。'它涉及通过利用计算机科学的基础概念来解决问题、设计系统和理解人类行为'（Wing, 2006）。鉴于该定义的通用性，最近有几个不成功的尝试使其更加具体（Wing，2008；CSTA amp; ISTE，2011；Aho，2012；Brennan amp; Resnick，2012；Google for Education，2018）。
根据Grover和Pea（2013）的说法，CT包括分解、模式归纳和定位、抽象和算法以及其他计算机科学资源，例如调试和系统性错误检测、迭代、并行和递归思维。控制流和符号的使用。
Brennan等人（2014年）也在编程方面探索了CT，更具体的是使用基于三维CT分类的概念、实践和计算的Scratch观点（Brennan amp; Resnick, 2012）。见表1。
表1. 三维CT维度模型的汇总表（来源：Brennan amp; Resnick, 2012）。Brennan amp; Resnick,
2012).
其目的不是要取代创造性和批判性思维或其他能力，而是要增加使用计算机和算法来解决问题的技能（Cunny等人，2010；Wing, 2011；ISTE，2011；Furber，2012；Espino等人，2015）。许多政府强调需要让儿童流畅地使用数字语言，而不是让他们仅仅是计算机软件的使用者。(Garciacute;a-Pentilde;alvo, 2016)。专业文献中已经有了一些可用的资源（Wing, 2008; Balanskat amp; Engelhardt, 2015）。
学习如何编程可以诱发人们思维方式的改变（Papert, 1980; Resnick, 1996）。这可能是因为CT的分析成分，它与数学思维非常相似（即解决问题）、工程思维（设计和评价过程）和科学思维（设计和评价过程）非常相似。
CT不仅对计算机科学的学生或专业人士有用，而且对任何其他人也有用（Wing, 2006）。尽可能早地开始CT培训是特别有意义的。已经证明，四岁的孩子就可以理解编程的概念，甚至可以构建可以移动并与环境交互的简单机器人（Bers 等，2002；Bers等人，2006）。
这就是为什么在许多国家，计算机科学编程教学已被纳入小学教育课程中（Heinrich 等人2006，见表2）。一种常用的向儿童教授计算机科学的方法是使用Scratch（Resnick等人。2009). 在与Scratch互动的过程中，学生们学会了一些概念，如序列、循环、平行、事件、事件的处理等。循环、并行、事件、条件、运算符和数据等基本概念（Brennan amp; Resnick, 2012;Ouahbi等人，2015）。
表2. 对编程教学的兴趣（基于Heinz等人，2016）。
其他方法包括制作一个自己的程序（Campe amp; Denner, 2015），使用Lego WeDo或Mindstorms EV3机器人（Sović等人，2014）。关于不插电办法：这在资源有限的国家很常见，但在发达国家也很常见。这些国家认为计算机科学是一个有趣的选择，但缺乏训练有素的教师（Brackmann等人，2016）。
在不插电的方法中，计算机科学的概念是通过以下方式传播的：讲故事或在Code.org上提供免费练习。这里值得一提的是，没有既定的方法来评估这些方法的有效性；因此。它们的有效性还不清楚（Kalelioğlu，2015）。
之前的一项研究通过引入隐喻作为编程教学的替代方法，从而促成了这场辩论。隐喻语言用于现实的日常生活中，被认为是思维的重要组成部分（Lakoff amp; Johnson, 2008）。特别是概念隐喻（即，从源域投射到目标域以促进对目标域中概念的理解的认知机制）在教育环境中引起了极大的兴趣（Sanford et 等人, 2014）。
隐喻已被用于教授生物（Paris amp; Glynn, 2004）、化学（Thomas amp; McRobbie, 2001）和数学（Boero amp; McRobbie, 2001）。使用隐喻来教授计算机科学在大学水平上是很常见的，并且已经成为了研究兴趣的主题（Putnam等人，1986；Sanford等人，2014）。有一些研究是关于具体的隐喻，比如用储物柜记忆来教授动态记忆（Jimeacute;nezPeris等人，1997），或者用矩阵来教授JAVA的事件处理（Milner，2010）。然而，使用隐喻语言作为来教授小学计算机科学基本概念的教学工具，以及它可以使用的最低年龄，还没有被详细研究过）。因此，我们提出并验证了一种叫做MECOPROG的方法（见第3节的描述）。使用隐喻向小学教育学生教授编程。本文描述的实验的目的是分析MECOPROG是否对学生的编程知识有影响，以及它是否能改善学生的计算思维。
- 方法
3.1 参与者
132名西班牙小学教育学生（56.1%为男性，43.9%为女性，年龄为9至12岁）。被要求参加实验，以评估他们的计算思维(CT)在使用基于MECOPROG方法的编程教学后是否有所提高？
之所以有两个不同的部分，是因为编程在西班牙学校不是必修课。因此，只有少数学生，通常是私立学校的学生，有机会参加编程课。我们询问了几所提供编程的私立学校有一所学校同意了，因为他们的编程老师正在休病假，他们需要一个熟练的临时老师教四、五、六年级。我们被允许在该教师需要的六周内使用MECOPROG方法进行教学，因为该教师需要休养六周。
此外，为了给其他儿童提供参加编程班的机会，并确保样本多样化，我们向马德里的其他学校和Fuenlabrada市议会（作者居住的地方）提供了一个免费的编程营，在连续三个星期六举行，10至12岁的儿童可以参加。这个训练营也使用了MECOPROG的方法。
我们的参与者中有50%在私立学校就读，其余的在32所不同的公立学校就读。他们是在参加编程营的过程中被招募的。图1 显示了各年级学生的分布情况（在西班牙，4年级相当于9-10岁的学生，5年级相当于9-10岁的学生）。在西班牙，四年级对应9-10岁的学生，五年级对应10-11岁的学生，而六年级对应11-12岁的学生。）。18.2%是四年级学生，38.6%是五年级学生，45.2%是六年级学生。
图1. 参与者的年级分布
3.2 设计
研究模式采用了纵向的前测-后测的准实验设计。因为私立学校的校长没有提供一个对照组，我们无法将学生随机分配到每个小组。
同样地，我们也不能在编程营中设立一个控制组，或者随机地将学生分配到每个小组。因为市议会为我们提供教室的条件之一是，我们必须要有一个控制组，或者随机分配学生到每个小组。因为市议会为我们提供教室的条件之一是所有学生必须接受同样的教学。此外。由于教室只能在上午10点到下午2点期间使用，我们必须对学生进行分班。因此，五年级的学生从上午10:00到中午上课，而六年级的学生则从中午到下午2点参加活动。我们不可能从市议会招募四年级的学生。
根据库克和坎贝尔（1986）的观点，我们可以通过遵循下面概述的准实验设计来衡量我们使用 MECOPROG 进行干预的影响。没有提供奖励。
3.3 材
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