对学生在课后计算机课程中的计算思维概念、实践和观点进行的多年调查外文翻译资料

对学生在课后计算机课程中的计算思维概念、实践和观点进行的多年调查

关键词：计算思维，面向对象编程，非正式学习环境，公平，混合方法

摘要

在这项工作中，我们研究了课后重复参加计算机课程是否会影响学生对计算思维概念、实践和观点的学习。我们还研究了学习结果中的性别差异。该项目是通过学校与大学合作开发的。数据收集自138名学生，历时2.5年。数据来源包括与编程相关的计算概念的前后内容评估，以及计算工件和对12名参与者的有目的样本的采访。使用统计方法对定量数据进行分析，以确定计算思维概念学习前后的收益，并检查潜在的性别差异。对访谈数据进行定性分析。结果表明，学生在计算思维概念的学习中取得了显著的进步，而且这种进步会持续一段时间。结果还显示，在课程开始和结束时，男孩和女孩在计算思维概念的学习上存在差异. 最后，学生访谈的结果提供了关于计算思维实践和观点随时间发展的见解。研究结果对设计课后计算机程序有一定的启示，这些程序有助于扩大人们对计算机的参与。

介绍

美国的“普及计算机科学”（CS）倡议强调，需要借助CS原则，帮助所有学生加深对我们周围世界计算机的理解（总统科学技术顾问委员会，2010年；白宫，2016年）。这些目标在文献中被称为计算思维（CT）。CT涉及到使用CS概念和认知过程来高效和创造性地解决问题（Anderson，2016）。编程是推广CT的一种方式，与CS有着密切的联系（Shute、Sun和Asbell Clarke，2017）。编程使学生能够创造和创新，培养能力感，进而对计算产生进一步的兴趣，并最终利用计算机相关领域不断增长的职业机会（谷歌，2014；谷歌和盖洛普，2015）。美国劳工统计局估计，到2022年，计算机和数学行业的职位空缺将超过130万个。然而，传统上，K-12学校发展CT相关知识和技能（包括编程）的机会有限。虽然目前正在努力改善中等教育中获得此类机会的机会，但参与者仍然代表着一个同质的学生群体，而女性的代表性仍然严重不足（纽约城市大学，2012年；马斯特、切里安和梅尔佐夫，2016年）。

之前的研究表明，扩大计算参与的一种方法是在幼儿时期提供引人入胜的体验（例如，Ching、Hsu和Baldwin，2018年；Dasgupta和Stout，2014年；Franklin等人，2013年）。较年轻的学生对职业选择的了解有限，因此，中学是一个重要的转折点，可以提供经验，让学生了解未来的各种机会（Friend，2015）。同样，中学也是打破与计算机有关的刻板印象的黄金时期。研究表明，到学生开始上中学时，性别差异以及之前的计算机知识和经验的差异变得更加明显（Ardito、Czerkawski和Scollins，2020；2《教育计算研究杂志》0（0）Master等人，2016；威瑟斯彭，东，舒恩，贝尔和肖普，2017年）。然而，为中学生提供参与计算的机会可以减少性别不平等（Master等人，2016年）。

虽然K-12系统在为学生提供早期计算经验方面发挥着至关重要的作用，但大学或其他私人实体提供的丰富课程也可以促进学习并支持对计算的兴趣（Hsu、Irie和Ching，2019）。尤其是高等教育教师，应该在丰富学校工作方面发挥积极作用。例如，研究建议投资地方合作伙伴关系，实施服务学习项目，让本科生协助当地教师，提供课后课程，使用适合年龄的编程工具，以及在儿童天生好奇心的基础上实施合理的教学实践（马洛尼、佩普勒、卡菲、雷斯尼克和罗斯克，2008年；总统科学技术顾问委员会，2010年）。

在这项工作中，我们报告了通过设计课后强化计划，在小学和中学高年级促进CT发展的努力。该项目是通过大学教师、CS本科生、教师和学生之间的合作开发的。总体意图是通过使用基于块的编程语言Scratch创建计算工件的机会，促进CT知识和技能的发展（Maloney et al.，2008）。我们采用多年纵向设计，在学生反复参加课后项目的过程中，我们检查他们的学习情况。具体来说，我们使用定量数据来检查参与者在2.5年期间对编程概念的学习情况。此外，我们使用定性数据来检查参与者的动机，以及与编程相关的CT实践和观点。了解该项目如何影响学生学习CT概念、实践和观点，对于设计有效的学习体验，帮助扩大参与计算非常重要。具体来说，我们探讨两个问题：

1.反复参加课后计算课程如何影响学生学习与编程相关的CT概念？学生成绩之间是否存在性别差异？

2.选择参加课后计算机课程的学生的动机、CT实践和观点是什么？

理论视角

计算思维的定义

CT通常位于建构主义的理论框架中，它强调了构建一个“公共实体”的教学重要性，例如一个可以与他人共享的计算机程序（Papert，1980；Papertamp;Mouza et al.3 Harel，1991）。Wing（2006）扩展了Papert的想法，推广了CT这一术语，将其描述为“每个人的基本技能，而不仅仅是计算机科学家的基本技能”（第33页）。CT知识和技能发展的重新普及和兴趣促使世界各地的K-12课程发生了一些变化（Rich、Browning、Perkins、Shoop、Yoshikawa和Belikov，2019）。例如，在美国，CT在共同核心国家标准和下一代科学标准中都被确定为科学实践（共同核心国家标准倡议，2010年；NGSS牵头国，2013年）。反过来，教育政策和组织一直在努力提供与K-12环境相关的CT定义。特别是，计算机科学教师协会与国际教育技术学会（International Society for Technology In Education）合作，召集了一组来自教育和行业的领导者，以定义与K-12中CT相关的概念、配置和工件。该小组确定了核心CT概念，并提供了如何将其嵌入不同学科领域的示例。具体而言，确定的CT概念和能力包括问题分解、算法思维、抽象、数据、自动化、并行化和模拟（计算机科学教师协会和国际教育技术学会，2011年）。

编程被认为是CT的一个基本组成部分，因为它为学生提供了开发CT相关技能集的环境（Brennanamp;Resnick，2012；Grover，Jackiw和Lundh，2019；Groveramp;Pea，2013；Guzdial，2004）。传统上，编程学习主要集中在编码技能上，这一努力受到了批评，因为它未能证明学生学习了什么，以及这种学习可以如何在其他学科中转移（Kafaiamp;Burke，2013）。最近，通过编程支持CT的努力集中在软件应用程序的设计上，例如在各种主题领域具有适用性的交互式游戏和应用程序。此外，支持新手程序员的努力产生了一系列可视化编程构造工具，比如Scratch，它们降低了编程的门槛，并促进了可与他人共享的交互式媒体的创建（Brady等人，2017年；Kafaiamp;Burke，2013年）。然而，编程本身并没有价值。相反，教师和指导对学生学习内容和方式都至关重要（Grover，Peaamp;Cooper，2016）。

Brennan和Resnick（2012）特别关注与Scratch编程相关的CT相关技能，提出了一个涉及三个维度的分层CT框架，包括（a）计算概念：程序员使用的概念，包括序列、循环、事件、并行性、条件、运算符和数据；（b） 计算实践：编程中涉及的问题解决实践，包括增量和迭代、测试和调试、重用和混合、抽象和模块化；（c）计算视角：学生对自己的理解，他们与他人的关系，以及他们周围的技术世界。鉴于这4本《教育计算研究杂志》的重点是使用Scratch中的编程作为支持CT开发的一种手段，我们在很大程度上借鉴了这个框架。

在K-8中培养计算思维的方法

到目前为止，已经在中学环境中实施了一些研究，以检查课程和教学在培养学生学习CT概念方面的作用。Grover等人（2016年）设计了一个为期7周的课程，向中学生介绍CT相关概念，重点是算法思维和编程。Grover等人通过对计算概念和其他调查数据进行前后测量，发现学生在算法思维技能方面实现了实质性的学习目标，并证明了他们对计算作为一门学科的理解有所增长。他们还发现，某些CT想法比其他想法更难，而之前的经验以及数学和英语能力是学习结果的预测因素。

其他工作介绍了旨在在一系列教育环境中对学生进行跨性别教育的项目和课程。这些研究得出结论，尽管训练时间和教学方法是重要的变量，但男孩和女孩都可以达到同等水平的CT技能和态度。例如，Atmatzidou和Demetriadis（2016）在教育机器人学习活动的背景下调查了学生的CT发展。他们的研究表明，男女学生最终达到了相同的CT技能水平；然而，与男生相比，女生声称有更多的训练时间来达到相同的CT技能水平。Webb、Repenning和Koh（2012）研究了促进学生CT发展的教育学问题，也发现了一些性别差异。具体来说，他们发现，女生更有可能通过使用“引导发现脚手架”的教学方法获得动力，这意味着只要有足够的帮助就可以实现自己的目标，同时她们也可以选择设计和编程自己的游戏。相比之下，教师指导的规定性方法加剧了性别差异，尤其是在学生对另一门游戏设计课的兴趣方面。最后，Brady等人（2017年）特别关注女孩的CT发展，发现关注物理和社会计算可以对对CS的态度产生积极影响。

虽然这些研究很有价值，但它们主要是短期的，只关注前后结果。当学生反复参加此类项目时，对其学习成果进行多年研究的情况很少。尽管之前的经验与改善学习成果有关，但记录长期CT概念、实践和观点学习的研究并不广泛。到目前为止，仅有的几项研究主要关注在线社区中Scratch用户的计算产品（如Matias、Dasgupta和Hill，2016）；他们没有提到Mouza等人5由于参加特定的课外活动或其他强化项目而产生的长期结果。在这项工作中，我们试图通过研究学生在2.5年的时间里反复参加为期9周的课后计算课程，从而缩小这一差距。通过一系列有目的的案例研究，我们还考察了学生对他们经历的看法。

支持公平CT发展的教学实践

毫无疑问，有必要增加女性对计算的参与（Master等人，2016）。由于经济和科学原因，女性在计算机领域的代表性不足是一个问题。首先，它限制了女性在潜在利润丰厚的职业领域的参与（Friend，2015）。根据Barker和Aspray（2006）的说法，计算在许多领域都是必不可少的，包括科学和经济学。因此，要想获得成功的职业，女性必须具备计算能力。其次，美国经济依赖于计算机领域的高技能工人。女性在计算机领域的代表性不足导致了合格工人的短缺（国家研究委员会，2010年）。最后，计算产品的创新高度依赖于多样化的团队（Ashcraftamp;Breitzman，2007年；谷歌，2014年）。因此，缺乏女性参与计算可能会导致产品无法满足女性消费者的需求（Cukier、Shortt和Devine，2002）。

为了解决这个问题，研究人员探索了女性对计算机缺乏兴趣的相关因素。这些因素通常包括对计算机科学家的负面刻板印象，如孤立、对计算机工作缺乏了解，以及在计算领域缺乏女性榜样（Master等人，2016年；Papstergiou，2008年；Varmaamp;Hahn，2008年；Vekiri，2010年）。中学是帮助女性接触计算机并拓宽职业前景的重要时期（谷歌，2014年；威瑟斯彭等人，2017年）。然而，越来越多的研究表明，旨在扩大计算机参与度的学习经验应该精心安排。例如，Shah等人（2013年）提出了一个公平的计算教学框架，该框架由四个维度组成：丰富的内容、高质量的教

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