面向小学计算思维教学的基于5E的翻转课堂模式：对学生计算思维和问题解决能力的影响

关键词：计算思维，翻转课堂，5E教学框架，小学教育

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，计算思维(CT)引起了教育工作者和研究者的广泛关注(Hsu et al., 2018)。CT可以看作是解决问题的一种特殊形式(Kale amp; Yuan, 2021)，能够让学生意识到问题，进行批判性思考，并做出决定(Falloon, 2016)。Wing(2014)甚至认为CT技能与阅读、写作和算术技能一样重要。CT和编程课程传统上是为计算机科学专业的大学生开设的(Wei et al., 2021)。然而，最近越来越多的学者(e.g.，Florez et al., 2017)建议，CT学习应该在学校教育的早期阶段开始，比如小学阶段，因为它对学生未来的学习有积极的好处(Papadakis et al., 2016)。与中学或大学的学生相比，年轻的学生更有可能对CT学习有积极的态度(PerezMarın et al., 2020)。尽管CT在基础教育中仍然是一个相对较新的课题(Ching et al., 2018)，但一些现存的CT学习的实证研究已经取得了良好的进展。例如，让小学生参与不插电的活动(e.g., del Olmo-Munoz et al., 2020)或训练他们在解决问题时应用实施方法(e.g., Sung et al., 2017)可以提高他们在CT和解决问题方面的表现。研究还表明了编程教学对提高CT知识的有效性(e.g., Rodriguez-Martinez et al., 2020; Wu amp; Su, 2021)。然而，尽管CT教育取得了这些进展，但仍存在一些差距或限制，需要进行进一步的实证研究。当将编程培训引入小学课堂时，两个主要的限制因素(即学生的主动学习能力有限和学生的参与度低)可能会阻止年轻的新手发展CT(更多讨论请参见“为什么使用FCM和5E概念框架”部分)。还需要继续进行实验研究，以探索基于经验有效策略，向小学生教授CT(Chalmers, 2018)。

鉴于这些差距，本研究调查了一种创新的基于5E的FCM对小学生CT发展的影响。在这项研究中，采用实验-对照组的前后测准实验设计。247名四年级小学生被分为两组。实验组(nfrac14;125名学生)在基于5E的FCM通过编程学习CT，而对照组(nfrac14;122名学生)在非翻转条件下学习CT。采用不同类型的测量方法来评估学生的项目、他们对测试项目的反应以及对学生和教师的看法，从而帮助研究人员更全面地了解所提议的干预措施的有效性(Roman Gonzalez et al., 2019)。本文对有关CT方面的文献作出了三点贡献。首先，本文详细描述了一种基于5E的小学CT翻转课堂教学法的发展。此详细描述是为了鼓励其他研究人员和实践人员进行复制。其次，它给出了在247名四年级学生中应用该模型的实验结果。第三，为利用该方法支持小学生的CT学习提供了一些有价值的建议，这套建议可以为其他教师提供有益的指导。

手稿的其余部分分为以下几个部分。“概念和背景”部分综述了相关文献。“方法论”部分详细介绍了本研究中使用的方法，包括对背景和参与者的概述、基于5E的FCM的开发、实验设计、数据收集和数据分析。“结果”部分和“讨论”部分展示了结果，并对这些结果进行了相应的讨论。在“对相关研究和实践者的影响”部分，我们将遵循该研究对相关研究和实践者的影响。最后，稿件以“结论和限制”部分结束。

第二章 概念和背景

2.1 CT的维度

CT可以定义为“在制定问题并表达其解决方案时所涉及的思维过程，以使计算机可以有效地执行[它们](Wing, 2014, P 1)。”具体来说，CT代表了一组普遍适用的技能，包括分解和算法思维(Rose et al.，2017)。自引入以来，已经提出了各种框架来研究K-12教育中的CT维度（e.g., Angeli et al., 2016；Rose et al., 2017)。在本研究中，我们同时利用了Brennan和Resnick(2012)以及ISTE和CSTA(2011)提出的框架。Brennan和Resnick(2012)提出的框架已被广泛应用，作为许多研究的理论基础(e.g., Falloon, 2016; Saez-Lopez et al., 2016; Zhangamp;Nouri, 2019)。本CT框架包括三个维度：计算概念、计算实践和计算视角。第一个维度包括编程中使用的基本概念（例如，序列、循环、条件、运算符）。第二个重点是处理问题所涉及的过程（例如，增量和迭代、测试和调试）。第三个是指学习者对计算的不断发展的感知，这不是本研究的重点。该框架为教学内容和评价方面的研究提供了有价值的参考。

另一个流行的CT操作定义是由ISTE和CSTA(2011)开发的。它将解决问题的能力视为CT技能的体现，并将CT视为解决问题的过程，包括六个组成部分：定义和分解问题、收集和处理数据、通过抽象表示数据、通过算法自动化解决方案、根据评估标准制定有效的解决方案，并转移知识以解决其他问题。在将想法转化为算法时，将应用控制流结构，包括序列、重复和选择结构来表示计算机程序(Angeli et al., 2016)。具体来说，序列表示要遵循的一系列有序步骤。重复结构是指通过构建一个迭代计划来运行特定的重复命令的过程，“包括识别重复指令和控制重复结束或继续的条件”(Chao, 2016, p. 204)。选择结构通过建立“条件与相应计算机指令之间的关系”来表示基于条件运行不同的命令集的决策条件(Chao, 2016, p. 204)。

2.2利用Scratch编程开发CT

在K-12环境下，有多种开发CT的方法(Perez-Marın et al., 2020)，其中编程是一种有效的方法(Florez et al., 2017; Scherer et al., 2020)。近年来，已经开发了各种儿童友好的编程工具(e.g., Bee-Bot, Kodu)。在这些工具中，Scratch是最常见的可视化编程工具之一(Rodrıguez-Martınez et al., 2020)。 Scratch简化了编程机制(例如，用直观的拖放方法代替传统的代码键入方法)，为学习者提供支持(例如，提供了显示执行某些命令的过程和结果的可视化模型)，并激励学习者学习编程(例如，其多媒体丰富的编程环境，用于设计各种产品)。实证研究(e.g., Durak, 2020)的证据表明，通过Scratch学习可以提高学生的学习态度和结果。例如，Rodrıguez-Martınez等人(2020)发现，通过Scratch编程学习提高了六年级学生在计算概念上的成就。

2.3为什么要使用FCM和5E的概念框架

尽管使用Scratch编程可以促进学生CT的发展，但有两个限制因素可能会阻碍编程培训在小学课堂中的有效实施。

学生缺乏主动学习的能力。CT的定义(e.g., Brennan amp; Resnick, 2012)强调了概念和技能的重要性。学生需要将CT的概念应用到实践中，以培养实际解决问题的技能(如分解、算法设计)。程序设计对于初学者来说是一项复杂的任务，这要求他们花费大量时间来解决编程问题(Chis et al., 2018)。然而，传统的编程课程通常以教师的授课和概念获得为中心(Tsai, 2019)。由于许多小学生主动性学习有限，年轻的新手很难通过实践来充分发展他们的CT技能(Papavlasopoulou et al,, 2019)。

参与度低。编程对于新手来说在认知上具有挑战性(Papavlasopoulou et al., 2019)。在传统的课堂环境中，学生被动吸收课程内容可能会导致他们对知识的肤浅理解(Strelan et al., 2020)，这可能会阻碍他们积极参与课堂讨论和课程设计。此外，有限的课堂活动时间阻碍了学生充分参与解决问题。 因此，学生可能会感到沮丧，缺乏学习编程的动力。

为了缓解上述限制，迫切需要有效的编程培训教学策略，让学生对学习感兴趣(Papavlasopoulou et al., 2019)，并允许他们积极参与解决计算问题(Erol amp; Kurt, 2017)。因此，我们建议整合两种模型，即FCM和5E框架，以应对在小学课堂上实施编程课程的挑战。

FCM。FCM可用于缓解上述限制。它的课前学习课程可以帮助学生在上课之前学习与编程相关的基本概念(Tsai et al., 2015)。通过视频学习的灵活性可以帮助年轻学习者管理他们的认知负荷(Abeysekera amp; Dawson, 2015)。直接授课从课堂转移到课前，使学生能够按照自己的节奏学习内容。 此外，FCM为学生提供了更多主动学习活动(即小组讨论、解决问题)。这可能有助于促进学生的行为(例如，参与、增加与教师/同学的互动)，情感(例如, 兴趣)和认知参与(例如，理解、专注于任务)(Bond, 2020)。

5E概念框架。根据Tanner (2010)的说法，我们设计和安排课程活动的顺序(例如，首先、中间和最后)至关重要。对于许多使用传统的以讲课为基础的教学方法的教师来说，顺序的考虑主要是关于授课思路的顺序(Tanner, 2010)。然而，随着翻转课堂方法等主动学习策略的使用越来越多，课堂活动正在从单一的主要活动(如讲课)转变为在整个课程中进行不同的活动(Tanner, 2010)。这就提出了一个重要的问题——教师如何安排各种活动以最大限度地提高学生的学习效果？

5E框架可以为教师安排课程活动的顺序提供有用的指导。5E框架是基于各种教育理论和模型(参考Bybee et al., 2006)开发的，它侧重于以学生为中心的学习。5E框架要求教师激发学生的兴趣，激活学生已有的知识。它还鼓励学生通过探索来发展他们的初步理解，并通过复杂的任务挑战他们的理解，以消除误解的观点。该框架包括吸引(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)和评估(Evaluation)五个阶段(图1)。每个阶段都有其突出的特点，为教师在翻转课程设计中提供指导。5E框架的应用可以解决翻转教学开展中缺乏理论支撑的问题(Lo et al., 2018)，有助于提高翻转教学活动的连贯性和逻辑性。5E框架为翻转课程中课程活动的设计和组织提供了理论支持。

近年来，在高等教育领域，一些研究人员开始探索使用5E框架来设计FCM。例如，Asıksoy和Ozdamli (2017)在前三个阶段的指导下设计了他们的视频课程。这些视频课程旨在激发学生的兴趣，鼓励他们通过开放式问题进行探索，并解释课程内容。随后的课上时间分别用于阐述阶段的讨论和实验计划以及评估阶

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