【《初中学生编程能力培养研究》14000字（论文）】

初中学生编程能力培养研究摘要随着科技的不断发展，我国对创新型编程人才的需求与日俱增。越来越多的学校开设了编程教育。而支架式教学作为一种新型教学模式，有利于学生迅速搭建新旧知识之间的支架，更好地理解编程。因此笔者在虚拟机器人教育环境下，将建模运用到编程课堂中，对不同建模方式和学习动机在教学课堂中的效果进行探究，为我国编程教学提供新的方法。本文采用了准实验研究法、问卷调查法、访谈法、文献研究法。并以温州第十九中学的50位学生为研究对象，对学生的学习动机和编程能力进行前测和分析，之后分别运用半开放式和开放式建模进行教学，最后通过对学生编程能力、动机以及学生对课程看法的调查，为中小学编程课的设计提供一定参考价值。通过研究发现，半开放式建模教学和高学习动机能有效提高学生的编程能力，同时半开放式建模也能提升学生的学习动机。关键词学习动机；建模方式；编程能力；虚拟机器人目录一、绪论 1（一）研究背景 1（二）研究意义 11.理论意义 12.实践意义 1（三）国内外研究现状 21.编程教育的相关综述 22.机器人教育的相关综述 4（四）研究目标与内容 5（五）研究问题和假设 51.研究问题 62.研究假设 6（六）研究思路与方法 61.研究思路 62.研究方法 7二、相关概念和理论基础 7（一）相关概念 71.编程能力 7（二）理论基础 81.学习动机 82.最近发展区 83.支架理论 8三、编程课程教学实践 9（一）前期分析 91.实验对象分析 92.实验内容分析 93.实验过程分析 9（二）教学设计案例 10（三）实验反思 12四、实验数据处理与分析 12（一）编程前测成绩分析 13（二）学习动机成绩分析 131.组间分析 132.组内比较 14（三）实验组和对照组作品成绩分析 15（四）不同建模方式与不同程度的学习动机对学生编程能力的交互性影响分析 151.建模方式对编程能力的影响分析 162.学习动机对编程能力的影响分析 17五、总结和展望 17（一）总结 17（二）展望 18参考文献 19一、绪论（一）研究背景随着数字化时代的飞速发展，以人工智能为代表的计算机技术对人类的发展正在产生着不可忽略的影响。创新型人才逐渐成为显示各国综合国力的关键，而逻辑思维能力对创新能力的培养至关重要。欧洲许多国家的青少年课程大纲中都已经增加了编程教育，日本、韩国更是把编程纳入了中小学教育的标准必修课程当中[1-2]。《基础教育信息技术课程标准（2012版）》中明确把“算法与程序设计”规划为信息技术课程的核心模块之一，并明确指出把“算法与程序设计”纳入中小学阶段信息技术课程的拓展模块[3]。在国家的提倡和鼓励下，各个中小学开发相关课程，逐步推广编程教育。在基础教育改革的推动下，编程成为信息技术学科教育中的重要内容[4]。开展编程教育的重要性不言而喻。随着新课程改革的不断深入，更合理、有效的教学方法不断出现。其中最重要的理论研究成果就是建构主义理论，它强调要以学生为中心，顺应时代的潮流，成为了我国进一步深化教学改革的指导思想。其中，支架式教学模式作为主要教学模式，也逐步成为编程教育研究的重要方面。支架式教学注重学生的主体性，提倡及时地给学生提供支架帮助他们掌握新知，提高学习能力。国内经常将支架式教学应用于数学、科学等教学的研究，但和编程教育相结合的研究案例比较少，它的提出丰富了编程的教学研究，对改进编程教学具有一定的指导意义。由于编程算法具有抽象性，对于抽象思维能力不足的初中生来说难度很大。在继scratch、python等图形化编程后，出现了新的教育载体——机器人。Khanlari表示机器人能够有效提高人类技能，培养学生的创新能力、解决问题的能力、批判思维能力、做出决策的能力、沟通交流能力等等[5-6]。我国《基础教育信息技术课程标准》也指出“机器人拥有极高的教育价值，开展机器人教育，有利于促进学生科技素养的获取，提高学习者的创新能力、动手操作能力和解决实际问题的能力”[7]。有研究表明，在使用机器人教学中，学生可以不仅可以学习物理、计算机、机械原理等知识，还能锻炼计算思维，从而使得编程教育可以落地开花。可以预见，机器人教育在世界范围内呈现出良好的发展态势，机器人技术将会成为普及编程教育的良好媒介[8]。（二）研究意义1.理论意义在支架式理论的基础上，通过收集的作品得分和编程能力测试成绩，探究基于不同建模方式在提高学生编程能力方面的效果，和学习动机对编程能力产生的影响，为教师在编程教育中运用合理的建模方式、丰富支架理论、学习动机理论提供借鉴和依据。2.实践意义编程是当前信息技术学科的备受关注的话题，探索出更有效的教学方法是编程教育工作者们的共同愿景。在课堂中结合流程图建模，引导学生理解任务的总体结构、建立制作思路，旨在培养他们的逻辑思维能力、解决实际问题能力以及对项目的设计能力。使用正确的方法对于帮助学生掌握编程具有重要的实践意义，本文主要通过结合不同建模方式与编程教学，在课堂中实际应用，得出结论，希望能够为编程教育工作者带来一些经验和参考。（三）国内外研究现状1.编程教育的相关综述（1）国内编程教育的研究现状通过对编程能力应用研究的内容分析，国内编程能力应用研究的内容主要侧重于编程能力培养策略、编程能力的教学模式和编程能力的评价系统三个方面。a.编程能力培养策略。编程能力培养方法是以培养学生程序设计能力为目标，为了实现该目标，国内学者从不同的视角，尝试了不同的方法，主要观点如下：时间作者观点2003彭召意,朱艳辉,周玉采用三点一线式教学方法，通过补充案例的辅助式教学以及组织学生学习团队的方式来培养实际编程能力2006杨圣洪将软件工程、语言类课程、数据结构、数值分析、离散数学等多门课程有机结合起来，形成一个编程训练的生态链，提高学生编程能力。2010赵红英基于任务驱动教学法培养程序设计能力2012王海,蒋巍巍,刘师少依据课程的内在联系设置软件设计系列课程群以任务驱动为核心的课内外程序设计学习推进机制培养程序设计能力2013刘在英,杨平，张丽晓从教学方法、教学内容、考核形式和数字化教学平台建设等方面入手培养学生编程能力。教学方法：互动式教学法、情景教学法、个性化作业包教学法考核形式：独立实验、单元测试、综合考核、上机考试2014李强,郑兴我巧用帮助文档提高学生的编程能力2015刘贵平,刘敏基于编程过程认知模型培养编程能力2015姚鹏阁,颜磊,杨阳,郭光武,郭玉翠运用树莓派教育，培养儿童编程能力2017陈凯泉,何瑶,仲国强基础教育阶段基于AI教育培养学生的编程能力2017马娟基于任务驱动教学法的编程能力的培养探究2019彭远飞基于编程思维导图培养编程能力2020王芳，张睿，司玉杰基于CCFCSP认证提高程序设计能力2020宛楠,张义,杨利项目驱动式实验教学、采用了itbegin在线编程学习平台辅助实验教学全面提高学生的编程能力2020窦如林，沈维燕基于OBE理念，结合工程教育能力要素与编程能力课程，提出相应的培养模式合教学方法，构建出螺旋式的课程群建设模型，提升编程能力2020张少仲，白英，王小妹，陈媛嫄基于ACM竞赛培养编程能力虽然研究这一领域的文献数量很多，但研究的大部分内容都围绕教学手段、实验方法、课程改革展开。大多研究运用的是思辨方法，许多理论想法都是根据自己的经验提出来的，很少以大量数据作为依据。在443篇研究文献中，运用了任务驱动教学方法的有27篇，采用了案例教学法的研究有15篇，10篇文章支持用ACM竞赛锻炼编程能力。有学者已经研究过思维导图对编程能力的影响，但是对支架式教学的深层次的研究还是比较少。b.编程能力教学模式：为了促进编程能力的培养，不少学者结合编程能力的内容和特点，构建了一些利于培养编程能力的教学模式。耿国华（2009）将程序设计基础、方法、提高、应用的培养贯穿起来,提出并实践“基础训练+提高能力+拓展层面+实践应用”的四层次程序设计人才培养模式，总结出了以设计为核心的能力培养方法，极大地提高了学生的编程能力[9]。王海舜,蒋巍巍,刘师少（2012）参考编程教学中的规律，建立了软件设计类课程群架构和基于混合式学习的课程群教学模式，根据不同阶段学生和课程特点，制定相对应的培养策略，采取网络混合式学习、任务驱动、竞赛激励等一系列的教学方法，注重营造学习编程的氛围，激发学生主动学习的热情，在教学实践中取得了理想的效果[10]。韩建民,王丽侠,叶荣华（2017）分析当前大学生编程能力方面存在的问题,构建了“教学—训练—竞赛一体化”编程能力培养体系[11]。实验结果表明该培养方案让学生在编程能力、解体思路等方面都得到了有效的训练，教学效果明显增强。黎建强（2007）提出基于“问题解决”的学习模式——善于提出问题、建构程序设计学习模式、设计求解方法、检验答案培养程序设计能力[12]。通过实验，学生能够主动发现问题，同时积极地解决问题，提高了学生的编程水平。从上述的研究中可以看出，我国学者结合了编程能力的优势和不足，将编程能力的思想和方法，潜移默化地渗入到具体的教学内容和课堂设计中，通过调动学生的积极性，在理论与实践的结合下获得编程能力。c.编程能力评价系统：目前，有关评价编程能力的研究比较少，尚未建立起统一的衡量指标，缺少对编程能力评估的科学模型。2018年，王明艳基于BP神经网络创建了一个编程能力的评价模型，该模型能全面客观地反映学生的编程能力，指出学生编程能力上的优缺点。学生可以个性化学习，有针对性地提高编程能力。这为培养编程能力提供了一种新的思路。（2）国外编程教育的研究现状作者观点XiaoMingWang,GwoJenHwang基于问题提出的练习策略，通过合作学习活动进行学习。该策略有利于学生提高学习成绩，特别是编程技能。MrwanBenIdris,HanyAmmar研究发现编程能力分别受到英语、计算机实验室和讲师的负面影响。超过一半的讲师提到，学生缺乏英语是他们在理解编程技能方面表现不佳的主要原因。编程能力与英语水平之间存在适度的相关性。Nergiz,DamlaTopallia,ErcilCagiltayb在Scratch编程环境下，通过基于现实生活问题的游戏开发来能提高学习者的编程技能和动机。基于游戏的学习、基于问题的学习、可视化编程和项目是能够潜在地帮助学习者在编程课程介绍中表现更好的技术，反过来影响他们在项目中的表现。서형업对初、高中学生开发机器人语言教育项目，验证机器人C语言教育项目对创造力和编程能力的提高效果。AliKürşatErümit不同的教学方法对编程能力的影响，数学和游戏准备活动对解决问题的算法思维和反思思维技能有积极影响YanqinTang,QingLi，WeiweiChen*编程网站更高的评价功能，如代码度量、错误分析、代码抄袭检测、多维评价能提高编程能力（3）编程能力的研究趋势a.当前，国内编程能力的研究还处于基础阶段，2000年后才逐渐得到关注。并且研究领域非常的广，计算机软件及计算机应用和高等教育领域占据主要地位，还有电力、外语、工业、高数等等方面的学者对编程能力做出过一些探讨。但是研究的深度都不深，更多还停留在尝试和探索阶段，国内研究的深度有待提高。b.编程能力的应用研究层面，目前的研究还主要集中在几个方面的教学手段、实验方法和某门课程的教学改革上，但是实证研究较少。因此，对编程能力的研究不仅要深度，还要多尝试新思路，多做教学实验探究。c.在教育领域，无论国内国外编程能力的研究主要还是面向高等教育，中小学的研究还是比较少，目前国家提倡从基础教育开始培养编程能力和计算思维。所以还需加大中小学教育对于编程能力的关注和重视程度。2.机器人教育的相关综述（1）国内机器人在教育领域研究现状国内的机器人教育主要从实体机器人教育和虚拟机器人教育两方面来探究。在实体机器人方面，衷克定等人结合发现学习理论，建立了以“主导－主体”为中心的机器人教学模式，他强调要发挥学生的主体作用，让学生自主探究，实现有意义的学习。虚拟机器人推动了编程教育和机器人教育的普及和应用，学校纷纷选择虚拟机器人展开编程活动。早在2009年，广州中小学智能机器人比赛就新增了“3D仿真虚拟机器人”的项目，更进一步验证了虚拟机器人所扮演的重要角色。根据文献收集结果，在编程的教学实践过程中，虚拟机器人发挥着巨大作用。张发根从四个角度阐明了高中编程教学中使用虚拟机器人的可行性[13]。王上飞在“易时代3D仿真虚拟机器人”软件的基础上，结合“智能校车”项目，分析了虚拟机器人软件在激发学生兴趣、提高编程思维和创新性等方面的应用，对程序设计教学提供了巨大帮助[14]。从以上相关文献分析中能进一步总结出，虚拟机器人能推动机器人教育的普及，虚拟机器人的图形化的编程界面能够帮助学生更好地理解编程。（2）国外机器人在教育领域研究现状机器人技术的飞速发展促使国内外教育学者使用机器人开展教育。MohamedHamada将机器人应用于计算理论的课程中[15]，学生可以利用图形化界面将指令传送给机器人，通过不断观察机器人的反应来学习相关知识。CarlosA.Jara等将实体和虚拟机器人一起融入到自动化和机器人技术的课程中，有效提高了学生的基础知识和实践技能[16]。TareqAlkhaldi等人通过观察得出以下结论，融入师生互动和教学设计的虚拟实验室能够促进学生掌握知识[17]。NoUlbaldish等人将编程软件和机器人联系起来，将while、if判断等算法融合到机器人的运动中，通过解决问题的形式让学生获得新知，促进编程能力的培养[18]。从上述研究中可以了解到虚拟机器人在培养编程能力、计算思维、辅助编程教学方面均有一定作用。（四）研究目标与内容基于编程教学和虚拟机器人教育出现的一些问题，本文对建模方式和学习动机在编程教学中的应用展开了深入的研究。研究重点在于，首先对机器人教学中建模的呈现形式进行设计，其次要搭建结合建模的机器人课堂框架，最后对实际操作中对产生的应用效果进行检验，从而探索出适用于基础教育阶段编程教学的新方法、新思路。本文的研究内容主要有以下几点：（1）学习动机、支架理论等有关概念的梳理。（2）当前初中编程教育现状，包括学生的基础编程能力、学习动机等。初中机器人编程现状。（3）面向虚拟机器人的编程教学的设计。（4）融入建模的虚拟机器人编程教学流程的设计。（5）有关学习动机和建模方式对学生学习机器人编程产生的影响的探讨。（6）编程能力测评。分析学生掌握编程的情况。（五）研究问题和假设1.研究问题（1）初中生对学习机器人编程的态度如何？（2）学生们的编程能力基础是怎样的？（3）教师如何使用建模方式进行机器人编程学习？（4）如何利用学习动机和建模方式提高初中生的编程能力？为了解答这些问题，也为了进一步探索出怎样运用学习动机和建模方式帮助学生提高编程能力，针对这些学生的编程能力进行调查研究，并提出了相应的改进建议。2.研究假设H1:在基于半开放式建模的教学中，学生的编程能力比基于开放式建模学习的学生提高幅度更大。H2:高学习动机的学生比低学习动机的更能促进编程能力的提升。H3:基于半开放式建模的教学，学生的学习动机提高幅度更大。（六）研究思路与方法1.研究思路2.研究方法（1）准实验研究法本研究采用准实验研究法，参与者为温州市第十九中学初一年级学生，在以iRobotQ3D为平台的编程教学过程中，为实验班学生提供半开放式建模支架，记录学生解决问题的过程和结果，对照班则进行开放式建模教学。最后对实验班和对照班的学生进行编程能力的对比分析，探究基于学习动机和建模方式的编程教学对初中生编程能力发展的影响。（2）文献研究法文献研究法是指通过搜集与研究相关的信息，对所要研究的主体做系统性分析。本文通过大量资料的收集、整理、分析，对“建模教学理论”、“支架式教学理论”、“机器人编程教学现状”等等查找了相关文献资料，在对国内外有关研究成果进行梳理的基础上，找到了自己研究的切入点，并确定了研究内容。（3）访谈法抽取实验班的2-3名同学进行面对面的访问，调查建模方式对学习动机的影响。（4）问卷调查法问卷调查法是借助调查工具问卷进行问题问答的方法。为了更加深入的剖析和诊断初中生的对机器人编程的学习动机和基于虚拟机器人的建模教学模式后的学习成绩，采用信度较好的问卷，进行科学的实验检测和效果反馈。二、相关概念和理论基础（一）相关概念1.编程能力目前为止，编程能力的定义没有明确统一的概念，国内学者对编程能力的理解存在不同的看法。孟繁军（2007）认为编程能力通常是指通过计算机编写程序来实现分析、解决问题的能力。主要包括两部分的内容，第一是掌握编程的基础知识，二是利用基础知识编写出可以解决实际问题的程序的能力，也叫做编程的应用能力[19]。赵红英（2010）把编程能力总结为是分析问题的能力、建立数学模型的能力、设计算法的能力、编写程序的能力、调试程序的能力的集合[20]。王海舜等人（2012）认为编程能力由四个要素构成，分别是计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力和系统分析开发能力[21]。王明艳（2018）认为程序是指计算机能够执行的指令的集合。编程就是计算机运用某种编程语言编写一段程序，最终取得预期性结果的过程。王明艳将编程能力分为5个方面：(1)算法的分析与设计能力(2)抽象的逻辑思维能力(3)对工程的整体掌控能力(4)能够快速学习一门新语言的能力(5)较好的编码风格和编码习惯[22]。从上述不同学者所持的观点可以看出，虽然大多数学者都认为解决问题的能力是编程能力最主要的特征，但是由于研究的方向不同，对编程能力这一概念的解读也有所不同。（二）理论基础1.学习动机由于动机与人类的内在活动有关，具有一定的复杂性，所以关于动机的概念不是非常明确，总体来说可分为4类：一类是内在观点，他们认为动机是推动人们行为产生的内在力量，动机是个体内在的过程[23]；二类是外在观点，这类观点更加强调行为的外在诱因和惩罚等，认为动机促使人们为实现某一目的而行动[24]；三类是一种中介过程的观点，如动机是满足个体实现一定目标的内在动力[24]；四类则是整合动机观，认为动机是依靠自我调节，通过个体对自身的内在要求与行为的外在诱因的不断协调，最终激发、维持行为的动力因素。王有智认为，学习动机的特点可以归纳为：习得性和内隐性；引发性和价值性；意向性和差异性；持续性和可变性。我们认为，学习动机主要表现在内在特性和外在特征两个方面，包括强度、清晰度、活动性、复杂性、主观性、内隐性、实践性等[25]。2.最近发展区维果斯基的最近发展区是支架式教学的理论基础之一。最近发展区，指的是学习者已经获取的能力和其潜在发展能力之间的差距。教师通过教学，帮助学生缩小甚至消除差距，锻炼学生解决实际问题的能力。所以教学应该始终走在学生发展的前面，注意他们的潜能，不断引导学生达到更高水平发展。在学生的认知发展过程中，往往需要教师或他的同伴给予帮助和支持，人们把这种帮助、支持统称为“支架”。支架的运用有助于学生穿越最近发展区，有效提升认知水平。由此可见，支架式教学的实施应依托学生的最近发展区，最近发展区的确定决定了支架式教学模式能否在编程教育中顺利开展，能否达到预期的效果。3.支架理论伍德、布鲁勒和罗斯在最近发展区的基础上提出了“支架”理论。“支架”原说的是建筑工程中使用的脚手架，这里指的是一种教学模式:当教师在进行教学时，教师需要为学生在新旧知识之间搭建桥梁,学生可以在最近发展区中通过“支架”的帮助获得相关知识，实现较高水平的发展。欧共体“远距离教育与训练项目”(DGXIII)的相关文件把支架式教学界定为这种策略“应该为学习者构建知识时适时提供概念框架(ConceptualFramework)。这种框架中的概念是学习者进一步理解问题所需要的，把复杂的学习任务分解成一个个小任务，以便于学习者更深刻理解知识”[26]。学生可以运用上述概念框架作为学习过程中的脚手架，一步步走向新的发展水平。支架式教学一般由5个环节组成：搭建脚手架、情境导入、自主探索、合作学习、评价总结。由于研究学者们对于“支架”的划分标准不同，在不同特点的课堂中用到的支架也不同，本研究主要对图表支架进行研究。图表支架指的把复杂的信息通过图表进行呈现，这样有助于学生理清各要素之间的关系，从而培养学生的形象思维能力。常用的图表有组织图、概念图、流程图、思维导图、时间轴等[27]。三、编程课程教学实践（一）前期分析1.实验对象分析本研究面向温州第十九中学的50名初一年级学生展开教学实践，其中实验班25人，对照班25人。依据皮亚杰的认知发展论，这些学生正处于形式运算阶段，他们的抽象逻辑思维总体处于优势地位，但水平还不高，仍然需要形象具体的内容支持学习。在这个阶段学习机器人编程，有助于锻炼学生的逻辑思维能力，进一步提高编程能力。实验开始前，笔者对两个班级的学生进行前测，确保实验科学展开。结果表明实验组和对照组不存在显著差异（P>0.05），即实验前两个班级的编程能力基本一致。2.实验内容分析实验过程中，两个班级均由笔者本人担任教师，采用相同的教学案例和目标任务，但是教学方法有所不同。实验班，为学生提供半开放式建模，对照班则采用完全开放式建模。实验进行周期为8周，每课时40分钟。实验内容参考了iRobotQ3D软件内的项目。表3-2编程教学基本内容课时教学任务教学内容课时第一课小车向前机器人搭建基础移动（前进）1第二课小车向后基础移动（后退）1第三课小车左转延时指令块，电机的基本属性1第四课小车右转电机的基本属性1第五课循迹踢球If判断指令块While判断指令块灰度传感器23.实验过程分析本研究主要采用准实验研究法，是对学习动机和建模方式对学生学习编程产生的影响进行探究。实验组使用半开放式的建模方式，学生对流程图进行完善。对照组则提供完全开放式的建模方式，学生根据自己的想法进行建模。两组学生都能使用已经画好的流程图辅助自己编写程序。每个案例学习结束后，教师都会收集学生的作品成绩，作为评价学生对作品的完成情况的依据，在整个实验结束后，会通过笔试、搭建的作品成绩以及访谈等方式综合评价学生的编程能力和学习动机。（二）教学设计案例《循迹踢球》是课程计划中的第5课，教学分为2课时进行。表2为实验班的教学设计。课程名称循迹踢球年级初一年级课时2课时教材分析本节课的主要内容包括灰度传感器的设置、if语句指令，while语句指令，实现小车自动沿着黑线行驶，踢到足球的智能运动。是在前几节课学会点电机的属性设置和延时的基础上更深层次的内容。学情分析本节课教学针对初一年级学生，这个阶段的学生正由具体形象思维向抽象逻辑思维转变，仍然需要与具体的事物相联系。该年龄段的学生好奇心强，对机器人有一定的兴趣，具有一定的动手能力。在此之前，学生已经学习了如何搭建小车，控制小车前进和转弯，有了一定的基础。教学目标知识与技能：1.了解灰度传感器的基本原理，学会安装和使用灰度传感器2.掌握“while永远循环”和“if条件判断”嵌套的使用方法3.掌握小车循迹运动的编程方法过程与方法：1.通过小车循迹运动项目，掌握if条件判断和while永远循环模块的使用方法2.通过建立模型和实践，掌握小车循迹运动的编程方法情感态度与价值观：1.通过在线仿真，体验虚拟机器人的乐趣2.通过建模，养成分析问题的习惯，提高计算思维能力重点、难点重点：if条件判断的嵌套使用、灰度传感器的使用难点：循迹运动的编程方法教法、学法教法：演示法、讲授法、任务驱动法、支架式教学法学法：自主探究法、练习法教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图创设情境播放机器人小车沿着黑线，最后成功踢到足球的视频。提出问题：小车是如何踢到足球的？观看视频，描述小车踢到足球的过程通过观看视频，让学生直观地了解本节课的任务，激发出学生的求知欲分析问题活动一：灰度传感器打开编辑机器人，请学生找一找小车有哪些不同。演示灰度传感器的方法和注意点。讲解灰度传感器的原理，打开仿真界面，演示获取黑色返回值的方法，请学生动手实践，测出白色和绿色的返回值，并写在任务单上。请学生根据灰度传感器的原理以及颜色的返回值，小组讨论，分析小车运动和黑色轨迹线的关系。活动二：if条件判断列举案例：学生周五要去爬大罗山，如果是晴天就去爬山，否则，爬山延迟，继续上课。直到某一个星期五不下雨，完成爬山活动为止。请学生思考该情境的流程图怎么画。讲解if语句和while语句的含义，演示正确的流程图请学生小组讨论，在已有部分内容的基础上，继续完善“循迹踢球”项目的流程图。认识灰度传感器自主探究，完成活动二，记录颜色的返回值小组合作，分析黑线和小车的位置关系思考、完善循迹踢球的流程图学生自主发现灰度传感器，激发学生学习兴趣。教师先给学生基本的知识，为后续学生自主探究做铺垫。通过图解分析，了解小车是如何顺利直行和转弯的。用表格来理解算法，降低学生的认知难度。通过一个学生身边的具体案例，启发引导学生，知道if语句和while语句的含义、作用运用图表支架，帮助学生更好地理解各要素之间的关系，锻炼学生的逻辑思维能力自主探究画好流程图后，让学生进入编辑程序，根据流程图，完成程序，使得小车能顺利完成循迹踢球。动手实践给予学生充分的探究时间，是学生内化的过程补充引导统一讲解学生遇到的普遍问题（预设）：1.小车原地不动提示：小车每走一步，都需要先进行判断。可以运用while永远循环模块实现该功能。2.小车脱离黑线提示：左右转的电机值是否设置正确继续完善程序探索过程中教师的适时提示有助于学生沿概念框架逐步攀升课堂总结展示学生的实时成绩，请分数高的同学分享经验师生共同总结本节课学到的知识点总结知识点及时巩固，帮助学生构建较为完整的知识体系（三）实验反思本章主要是对教学的实施对象、内容和某一课的教学设计进行了阐述。尽管在实验开展之前已经提前做好了准备，但期间还是遇到了一些困难。大部分学生看到案例效果时还会跃跃欲试，对先建模再编写程序保持一个积极的态度，但是部分学生对使用建模感到不解。对此我也及时采取措施，引导学生的想法，加入了5分钟让学生不建模，直接编写程序的环节，让学生直观感受到建模的好处。在课时安排上，由于一些学校的突发情况，实验次数缩短了一次。但是教师没有合理地安排好每节课的进度，导致最后一节课比较仓促。可以发现每两节课都有一些相似性，例如小车前进和后退，其中的原理是一样的，教师可以适当缩短第二节后退的时间，更高效、灵活地利用课堂时间。四、实验数据处理与分析（一）编程前测成绩分析在正式实验之前，首先对实验组和对照组进行了编程能力的前测。为确保实验结果的有效性，对两个班成绩进行了独立样本T检验，结果如表4-1所示。统计结果表明，实验组和对照组的编程能力前测不存在显著差异（P=0.528>0.05），两个班属于同质班，可以作为研究对象。表4-1实验组和对照组前测成绩差异分析独立样本检验莱文方差等同性检验平均值等同性t检验F显著性t自由度Sig.（双尾）平均值差值标准误差差值差值95%置信区间下限上限total_pro假定等方差1.651.205-.63648.528-3.480005.47087-14.479927.51992不假定等方差-.63646.602.528-3.480005.47087-14.488457.52845（二）学习动机成绩分析1.组间分析笔者在实验前后，分别对学生进行学习动机的测试，具体成绩如表4-2-1所示。对实验组和对照组的前后动机数据，采用独立样本T检验进行比较。结果发现，在实验干预前，实验组和对照组的学习动机并没有显著差异（P=0.164>0.05），说明具有可比性，对照组的学习动机比实验组的甚至要高一些。在实验干预后，实验组和对照组的学习动机变化幅度产生了显著差异，如表4-2-2，实验组的学习动机前后变化幅度更大（P=0.049<0.05），且总体上实验组的学习动机高于对照组的学习动机。表4-2-1学生学习动机前后测数据组统计modeling个案数平均值标准偏差标准误差平均值motivation_pro实验组25.40.500.100对照组25.60.500.100motivation_post实验组25.64.490.098对照组25.56.507.101motivation_bh实验组25.24.436.087对照组25-.04.539.108表4-2-2实验组和对照组组间学习动机数据差异独立样本检验莱文方差等同性检验平均值等同性t检验F显著性t自由度Sig.（双尾）平均值差值标准误差差值差值95%置信区间下限上限motivation_pro假定等方差.0001.000-1.41448.164-.200.141-.484.084不假定等方差-1.41448.000.164-.200.141-.484.084motivation_post假定等方差1.137.292.56848.573.080.141-.203.363不假定等方差.56847.946.573.080.141-.203.363motivation_bh假定等方差.341.5622.02148.049.280.139.001.559不假定等方差2.02146.003.049.280.139.001.5592.组内比较为了进一步了解学习动机具体变化情况，笔者采用了配对样本T检验，分别对实验组和对照组的学习动机在不同时期的数据进行了分析，结果如表4-2-3所示。结果实验表明，实验组在采用半开放式建模方法的学习后，学习动机发生了显著变化（P=0.011<0.05），对照组没有显著变化（P=0.714>0.05），甚至出现了学习动机下降的现象。说明半开放式建模方式能够提高学生的学习动机。表4-2-3实验组和对照组组内学习动机数据差异配对样本检验modeling配对差值t自由度Sig.（双尾）平均值标准偏差标准误差平均值差值95%置信区间下限上限实验组配对1motivation_post-motivation_pro.240.436.087.060.4202.75324.011对照组配对1motivation_post-motivation_pro-.040.539.108-.262.182-.37124.714（三）实验组和对照组作品成绩分析每节课学生都会完成一个作品，每次项目作品的难度都会增加。根据IrobotQ3D后台自动计算的作品成绩，对实验组和对照组的5次成绩的平均分和方差进行统计分析，作品得分情况如图4-3和图4-3-1所示。图4-3平均值比较图4-3-1方差比较通过5次作品得分的折线图，我们可以清楚地看到，虽然每次项目的难度都在提升，但实验组的平均得分基本没有变化，且得分均高于对照组，而对照组的得分情况略显曲折，说明半开放式建模能稳定地帮助学生完成各种难度任务。从方差比较图中，可以发现实验组的5次作品，成绩离散度较低，说明绝大部分同学都能完成基本的任务，教学效果好。对照组的方差较大，与班级平均分的离散度大，说明同一班级的学生作品得分差异大，大部分学生不能依靠开放建模完成项目。同时结合教学内容可以看出，在原理相同的两个项目中，对照组学生的第二项成绩明显要优于第一项。总体来说，实验组的平均得分高于对照组学生的平均得分，实验组的教学效果更好。（四）不同建模方式与不同程度的学习动机对学生编程能力的交互性影响分析为探究不同建模方式和不同程度的学习动机对学生编程能力是否具有交互性影响，对编程能力后测的数据采用双因素析因方差分析，从表4-4中可以发现不同建模方式与不同程度的学习动机对学生的编程能力不存在显著交互性影响(F=3.248,P=0.078>0.05)。表4-4不同建模方式与不同程度的学习动机对学生编程能力的交互性影响分析主体间效应检验因变量:total_post源III类平方和自由度均方F显著性偏Eta平方修正模型2001.980a3667.3273.255.030.175截距133943.0701133943.070653.263.000.934modeling1188.03011188.0305.794.020.112motivation_pro25.23027.003modeling*motivation_pro666.0301666.0303.248.078.066误差9431.70046205.037总计147050.00050修正后总计11433.68049a.R方=.175（调整后R方=.121）1.建模方式对编程能力的影响分析基于独立样本T检验的结果，如表4-4-1所示，建模方式对学生成绩的影响显著（p=0.016<0.05）。使用不同建模方式的学生，在最后的编程能力测试中成绩存在显著性差异。也就是表明半开放式建模方式对学生的学习效果有较大影响，能够有效提高学生的编程能力。表4-4-1建模方式对编程能力的影响分析独立样本检验莱文方差等同性检验平均值等同性t检验F显著性t自由度Sig.（双尾）平均值差值标准误差差值差值95%置信区间下限上限total_post假定等方差.167.6842.49348.01610.240004.107511.9813118.49869不假定等方差2.49347.241.01610.240004.107511.9778818.502122.学习动机对编程能力的影响分析使用单因素方差分析，比较学习动机高低对编程能力有无影响。从表4-4-2方差齐性检验中，分析出P=0.056>0.05,这说明方差是齐的，可以使用单因素方差分析法进行后续分析。在“单因素分析”表格中，如表4-4-3所示，我们可以看到P=0.034＜0.05，说明高学习动机和低学习动机两组之间，其编程能力是存在显著性差异的，即不同学习动机对学生编程能力产生较大影响。高学习动机能够促进学生的编程能力。表4-4-2方差齐性检验方差齐性检验莱文统计自由度1自由度2显著性total_pro基于平均值3.849148.056基于中位数3.868148.055基于中位数并具有调整后自由度3.868145.787.055基于剪除后平均值3.833148.056表4-4-3单因素分析表ANOVAtotal_pro平方和自由度均方F显著性组间1638.00311638.0034.773.034组内16471.61748343.159总计18109.62049五、总结和展望（一）总结本研究以温州第十九中学的50名学生为实验对象，对“半开放式建模教学能否有效提高编程能力以及能否有效改善学生的学习动机、高学习动机的学生能否有效促进编程能力的提升”这三个问题进行探究。实验总结如下：（1）总的来说，学生在进行案例分析时能够先使用流程图来完善建模，在编辑程序时也会利用流程图的信息，帮助自己理清思路。实验结果也表明半开放式建模教学能够提高初中生的编程能力。（2）半开放式建模教学能够改善学生的学习动机。通过访谈，笔者了解到学生通过半开放式建模的学习，学习态度由对编程学习的排斥逐渐变成乐于学习，甚至有同学对编程产生了很大的兴趣。（3）高学习动机的学生更能促进编程能力的提升。从这次实验的结果来看，高学习动机更能激发学生学习编程的兴趣，学习成绩也就越好。本次研究仍存在许多的不足：（1）实验时间较短，本次实验周期只有8个星期，再加上不可抗因素，其中某节课还间隔了两个星期才上，对实验效果产生一定影响。（2）研究样本小，本次实验对象为初一年级的两个班，共50人。被试样本容量不够大，代表性也不够。（3）由于笔者的教学经验还不够丰富，对支架理论理解的不够深入，在实验过程中没有很好地贯彻支架理论。（二）展望在人工智能时代，人们对编程能力的要求越来越高。本研究是对初中生编程教学的初步探索，对实际编程教学工作提供一些经验参考，实验数据证明半开放式建模方式和高学习动机有助于学生编程能力的培养。但还有一些问题值得进一步探索：（1）面对一个实验班不同层次的学生，半开放建模方式对学生编程能力的差别影响（2）支架式建模与其他教学模式之间的差别研究（3）支架式教学在不同年龄段的作用的差别研究。参考文献[1]罗朝猛.“编程教育”:日本中小学的必修课[J].教书育人,2018(05):29-30.[2]李宁,李文昊,田玉贺.编程教育浪潮来袭[J].上海教育,2016(02):16-19.[3]中国教育技术协会信息技术教育专业委员会.基础教育信息技术课程标准(2012版)[EB/OL]./upload/2012_05/12050408248528.[4]新一代人工智能发展规划[EB/0L]./zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm[5]KHANLARI.Students'perceptionoftheeffectsofeducationaltechnologyontheirlearningandcharacteristics[J].InternationalJournalofscienceandappliedinformationtechnology,2013,2(2):58-61.[6]NUGENTG,BARKERB,GRANDGENETTN,ADAMCHUCKV.ImpactofroboticsandgeospatialtechnologyinterventionsonyouthSTEMlearningandattitudes[J].Journalofresearchontechnologyineducation,2