基于游戏的学习与不同思维引导方法相结合对小学生计算思维能力的影响

《Thinking Skills and Creativity》：Effects of game-based learning integrated with different thinking-guided methods on computational thinking of elementary school students

计算思维在线游戏系统结合5W1H与CABCM方法实证研究，54名10岁学生分为两组分别采用概念关联式概念图与5W1H思维引导方法，结果显示两组在计算思维成就和自我效能感上均有显著提升但后测成绩无显著差异，行为分析揭示不同方法导致差异化的认知路径。

　　本研究探讨了如何通过在线游戏系统来提升年轻学生在计算思维（Computational Thinking, CT）方面的能力。研究采用了两种不同的思维引导方法，分别是5W1H和概念关联型概念图（Concept Association-Based Concept Mapping, CABCM）。这两种方法旨在帮助学生在游戏开始前进行问题分析，从而更好地理解和解决CT任务。研究对象是54名平均年龄为10岁的学生，他们被分为两组，分别使用不同的思维引导方法进行学习。实验结果显示，无论是CABCM组还是5W1H组，学生在CT能力和自我效能感方面都表现出显著的学习进步。尽管两组在测试后的成绩上没有显著差异，但对学习行为的详细分析揭示了与每种思维引导方法相关的不同问题解决路径。研究发现，这两种整合方法都能有效促进CT技能的发展，但它们通过不同的认知过程实现这一目标。本研究通过将思维引导方法整合到在线CT游戏中，为CT教育提供了新的思路和实证依据。研究结果有助于理解不同思维引导方法如何影响学生的学习过程和行为，同时也揭示了学生在通过游戏学习CT时所面临的挑战。

计算思维是现代学习者必须掌握的一项重要技能。它不仅适用于计算机科学领域，还可以应用于各个学科和日常生活（Wing, 2006）。计算思维的核心在于通过问题解决、逻辑推理和抽象思维来理解和处理信息。许多学者认为，计算思维的培养对于未来社会的适应性至关重要，因为它能够帮助学生在面对复杂问题时，采取系统化的思维方式，从而提高解决问题的能力（Voogt et al., 2015）。然而，传统的教学方法往往忽略了这些关键的思维过程，导致学生在学习计算思维时难以形成有效的认知结构。因此，如何通过创新的教学方式和工具来提升学生的计算思维能力，成为一个值得深入研究的问题。

近年来，越来越多的教育研究开始关注游戏化学习（Gamification Learning）在计算思维培养中的应用。游戏化学习能够激发学生的学习兴趣，同时提供一个互动性强、实践性高的学习环境。通过游戏，学生可以直观地理解计算思维中的基本概念，如顺序、条件和循环等。例如，Papert（1999）强调了通过操作和实践来学习计算思维的重要性，认为这种学习方式能够帮助学生在游戏环境中更好地掌握抽象概念。Resnick等人（2009）则开发了Scratch编程语言，以游戏化的方式引导学生学习计算思维，使他们能够在创造和探索的过程中发展逻辑推理能力。

然而，尽管游戏化学习在计算思维教育中具有潜力，但如何有效利用游戏来提升学生的计算思维能力，仍然是一个需要进一步探讨的问题。Kebritchi（2010）指出，不同学生的学习风格和需求可能不同，这可能会影响游戏化学习的效果。如果游戏设计不合理，学生可能无法深入理解计算思维的核心概念，从而导致学习效果不佳。此外，传统的教学环境，如线下同步协作，可能限制了教学内容的多样性，降低了学生的学习互动性（Vorlí?ek et al., 2023）。当学生的学习互动受到限制时，他们的学习动机也可能受到影响。

为了克服这些问题，研究者提出了多种策略，包括增加教学互动性、结合不同的教学方法和工具，以及利用思维引导策略来支持学生的学习。Khorsandi等人（2012）认为，增加教学互动性可以有效提升学生的学习动机和学习效果。他们建议，通过在线学习平台，可以突破空间限制，提高学生之间的互动和协作能力，同时使教师更容易进行数据收集和分析。在线教育虽然具有一定的优势，但仍然存在一些局限性，因此无论是在面对面还是在线教学中，都需要提供额外的支持或有效的策略，以帮助学生更好地掌握计算思维技能。

在这一背景下，本研究提出了一种创新的在线游戏系统，旨在通过游戏化学习的方式提升学生的计算思维能力。该系统结合了两种不同的思维引导方法，分别是5W1H和CABCM。5W1H是一种在科学学习中广泛应用的方法，它可以帮助学生明确问题的关键要素，从而更好地理解和分析问题。CABCM则是一种基于概念关联的思维引导方法，它通过构建概念图来帮助学生组织和提取信息，提高他们的逻辑思维和问题解决能力。这两种方法分别引导学生在游戏开始前进行问题分析，从而帮助他们在游戏过程中更好地应用计算思维技能。

研究的参与者是54名平均年龄为10岁的学生，他们被随机分为两组，分别使用5W1H和CABCM两种思维引导方法进行学习。为了确保实验组和对照组在实验前的等效性，所有学生都完成了一项预测试，以评估他们现有的计算思维能力和自我效能感。实验过程中，学生使用名为“Online Robot City”的在线游戏系统进行学习。该系统旨在培养小学生在计算思维方面的技能，包括顺序、条件和循环等基本编程逻辑结构。通过游戏，学生可以在模拟的环境中实践计算思维，从而提高他们的问题解决能力和逻辑推理能力。

为了回答研究问题，本研究采用了多种方法进行数据分析。首先，研究者分析了学生在不同编程逻辑结构上的学习成果，包括顺序、条件和循环。数据显示，实验组和对照组在这些结构上的学习成果都表现出显著的提升。然而，两组在测试后的成绩上并没有显著差异，这表明两种思维引导方法在提升计算思维能力方面具有相似的效果。尽管如此，对学习行为的详细分析揭示了与每种思维引导方法相关的不同问题解决路径。例如，使用5W1H方法的学生在分析问题时更倾向于关注事件的关键要素，而使用CABCM方法的学生则更注重概念之间的关联性。

其次，研究者分析了学生在不同编程逻辑结构上的自我效能感。自我效能感是指个体对自己完成某项任务的能力的信念。在计算思维教育中，自我效能感对于学生的学习动机和学习效果具有重要影响。研究结果显示，无论是实验组还是对照组，学生在自我效能感方面都表现出显著的提升。然而，这种提升可能受到多种因素的影响，包括教学方法、学习环境和学生的个人特质。因此，研究者建议，在设计计算思维教育课程时，需要综合考虑这些因素，以确保学生能够获得最佳的学习体验。

此外，研究者还分析了学生在游戏过程中的有效行为模式。有效行为模式是指学生在游戏过程中所表现出的有助于学习的行为，如探索、尝试和反思等。通过分析这些行为模式，研究者能够更好地理解学生在游戏化学习环境中的学习过程。数据显示，实验组和对照组在游戏过程中的有效行为模式存在显著差异。例如，使用CABCM方法的学生在游戏过程中更倾向于主动构建概念图，而使用5W1H方法的学生则更倾向于系统地分析问题的关键要素。这些差异表明，不同的思维引导方法可能会影响学生在游戏过程中的学习行为和策略。

研究还强调了计算思维教育的重要性。计算思维不仅仅是学习编程技能，它更是一种跨学科的思维方式，能够帮助学生在面对复杂问题时，采取系统化的分析方法。Brennan和Resnick（2012）指出，计算思维的培养需要超越单纯的编程技能，而是要关注学生如何理解和应用抽象概念和算法。因此，本研究通过结合游戏化学习和思维引导方法，为计算思维教育提供了一种新的思路。这种思路不仅能够提升学生的计算思维能力，还能够增强他们的学习动机和自我效能感。

本研究的成果对于计算思维教育具有重要的启示。首先，研究结果表明，无论是CABCM还是5W1H，这两种思维引导方法都能有效促进学生的计算思维能力发展。然而，它们通过不同的认知过程实现这一目标，这表明在设计计算思维教育课程时，需要根据学生的学习风格和需求，选择合适的思维引导方法。其次，研究结果揭示了游戏化学习在计算思维教育中的潜力，同时也指出了其面临的挑战。例如，游戏化学习虽然能够激发学生的学习兴趣，但如果设计不合理，学生可能无法深入理解计算思维的核心概念。因此，研究者建议，在设计游戏化学习课程时，需要结合有效的思维引导方法，以确保学生能够获得最佳的学习体验。

此外，研究结果还强调了计算思维教育需要关注学生的学习过程，而不仅仅是学习成果。通过分析学生在游戏过程中的行为模式，研究者能够更好地理解不同思维引导方法如何影响学生的学习策略和认知过程。这种理解对于优化计算思维教育方法具有重要意义。例如，研究者发现，使用CABCM方法的学生在游戏过程中更倾向于构建概念图，而使用5W1H方法的学生则更倾向于系统地分析问题的关键要素。这些发现表明，不同的思维引导方法可能会影响学生在游戏化学习环境中的学习行为和策略，因此在设计计算思维教育课程时，需要根据学生的学习风格和需求，选择合适的思维引导方法。

本研究的成果还为计算思维教育提供了实证依据。通过对比实验组和对照组的学习成果和行为模式，研究者能够更好地理解不同思维引导方法在计算思维教育中的应用效果。这种理解对于改进计算思维教育方法具有重要意义。例如，研究者发现，使用CABCM方法的学生在游戏过程中更倾向于构建概念图，而使用5W1H方法的学生则更倾向于系统地分析问题的关键要素。这些发现表明，不同的思维引导方法可能会影响学生在游戏化学习环境中的学习行为和策略，因此在设计计算思维教育课程时，需要根据学生的学习风格和需求，选择合适的思维引导方法。

总的来说，本研究通过结合游戏化学习和思维引导方法，为计算思维教育提供了一种新的思路。研究结果表明，无论是CABCM还是5W1H，这两种方法都能有效促进学生的计算思维能力发展。然而，它们通过不同的认知过程实现这一目标，这表明在设计计算思维教育课程时，需要根据学生的学习风格和需求，选择合适的思维引导方法。此外，研究结果还揭示了游戏化学习在计算思维教育中的潜力，同时也指出了其面临的挑战。因此，未来的研究需要进一步探讨如何优化游戏化学习课程的设计，以确保学生能够获得最佳的学习体验。