元認知策略在小學結對編程教學中的應用研究

王洪江 代小瑞 廖曉玲 馬桂秋

（1. 華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510631；2. 廣州科學城愛莎外籍人員子女學校，廣東 廣州 510700）

引言

在人工智能時代，中小學編程教育已逐漸成為世界各國政府培養創新型人才的國家戰略，中小學校正積極開展中小學編程教育研究與實踐活動，充分挖掘中小學生學習編程的價值與意義。為降低學生學習編程的認知負荷，相關學者及一線教師將結對編程的方式引入編程教學中。所謂結對編程，就是指兩位程序員合作完成編程任務，其中，一人是“駕駛員”，負責操作計算機軟件編寫程序；另一人被稱為“導航員”，負責觀察指導“駕駛員”的工作，發現編程過程中存在的問題，為“駕駛員”提供指導和幫助。結對編程作為適合小學生學習編程的一種教學方式，與單獨編程相比，具有明顯優勢，可以通過探究學習過程，培養自主學習能力，提高編程學習效果[1]。然而，在實際結對編程的教學中，教學效果可能受到學生的性格、文化背景、人格類型、學習風格、技能水平、時間管理等諸多因素的影響和制約[2]，加之學生的自控能力和學習能力較差，導致結對編程學習中雙方合作不緊密、學習效率低下，學習效果有待提升。

元認知策略作為自我調節學習理論中的一個重要概念，是學生對自我認知過程和結果的有效監視及控制的一種學習策略[3]。在學生進行編程時，元認知教學策略（如自我提問、自我評價等方式）能有效培養學生的元認知意識，提高學生的認知控制能力，尤其是在程序知識的理解以及編程任務的計劃和監控方面，效果更加明顯[4]。元認知能力在編程學習中具有重要作用，計劃、選擇、監控、評估和修改等元認知能力，能夠幫助學生在結對合作過程中以批判性、邏輯性和創造性的方式思考問題，提高學習者個體的編程技能[5]。然而，編程初學者元認知能力較弱[6]，學習和運用元認知技能都是頗為困難的[7]，小學生更是如此。

因此，針對結對編程中學生結對行為有效性不足、過程性思維發展不足、結對過程中合作欠缺深度和元認知能力發展有限等問題，本研究試圖將元認知策略融入結對編程過程中，構建基于元認知策略的結對編程教學模式，并開展準實驗研究，以期提升小學生的元認知能力、自我控制能力及學習能力，從而優化結對編程的合作過程，提升結對編程的教學效果。

一、基于元認知策略的小學結對編程教學模式建構

1.教學模式建構依據

（1）編程教學模式

麻省理工學院圖形化編程Scratch 之父米奇·雷斯尼克（Mitch Resnick）[8]提出了創新思維螺旋理論，將圖形化編程學習分成了“想象—創造—游戲—分享—反思”5 個步驟，指出學生在進行編程創作的時候，首先要根據學習主題和關鍵知識點形成對作品的初步構想并且設計方案，然后實施計劃創造編程作品，并在分享交流的過程中進行反思和優化。孫立會和周丹華[9]致力于少兒編程教學的研究，以基于設計的研究為設計原則、4P 學習法為理論基礎，構建了以小學科學內容為案例的兒童編程與學科融合的教學模式，包含了定義抽象、算法設計、迭代實施和拓展延伸4個關鍵步驟。張曉東[10]在Scratch 教學中，運用任務驅動法創設問題情境，并基于此構建了面向計算思維培養的編程教學模式，其教學環節包括“問題提出—分析任務—思維加工—抽象建?！獪y試調試—內化遷移”等。

綜上，研究者在進行少兒編程教學模式設計時，重視對學生自由創作環節的設定，這是符合少兒思維發展特點的。但是，當前小學編程教學模式研究缺少了對教學對象的能力水平以及認知特點的差異性考慮，在教學目標及教學活動的設計上未能很好地激發學生學習編程的信心和動機，過于重視編程學習的結果，對學生編程學習思維和問題解決能力的培養不夠深入。因此，本研究在進行教學模式設計時，重點考慮教學對象的差異和結對編程的特點，以學生為中心設計問題探究環節，從而培養學生的計算思維，提升學生的問題解決能力和學習能力，提高學生對編程學習的積極性和主動性。

（2）理論依據

本研究將基于社會調節學習理論來設計小學結對編程教學模式。社會調節學習理論注重學習者之間的交流互動過程，通過小組成員對學習活動協商討論，對學習任務和目標共同監控與調節，從而在結對合作的過程中相互促進，建構知識體系。同時，為了有效提高學習者的自我監控與調節能力，即元認知能力，本研究有意識地將元認知策略融入結對編程教學過程中，從而促使學習者之間發生有效的結對行為，產生深度的合作互動過程。有學者在分析了基于計算機支持的協作學習過程后，認為社會調節學習過程可以包括七個方面，即計劃和目標設定、時間安排、小組分工、任務監督、內容監督、任務評價和內容評價[11]。本研究中，教師作為學習任務和活動的設計者與引導者，利用元認知策略把控學習者的協作學習狀況，在社會調節學習過程中的任務布置、時間安排、任務與內容監督等環節給予策略性指導和針對性干預，并設置適當的討論規則，這將有助于激發學生的發散性和創造性思維，提高學生的合作學習效率，并逐漸培養學生的元認知能力、自主學習與問題解決能力，讓學生能夠在沒有教師監管時也能按照教學任務和要求進行高效地合作學習。

綜上，本研究分析和參考了已有的元認知策略教學模式，基于社會調節學習理論，并綜合編程教學實踐的經驗和啟示，從元認知能力培養的角度出發，設計建構了基于元認知策略的小學結對編程教學模式圖，將編程教學過程分成了“3 階段-6 環節”，如圖1 所示。

圖1 基于元認知策略的小學結對編程教學模式

2.教學模式內涵

（1）編程前階段

環節一：“課前預習，自我檢測”。本環節體現了監控策略的應用。所謂監控策略，就是指學生在認知活動的過程中，根據認知目標及時評價、反饋自己認知活動的結果與不足。在本環節中，主要是通過學習任務單和自我提問單來實現任務監督。在課前，教師將微課教學視頻及導學案上傳到優幕教學平臺，讓學生自主學習微課視頻，并且獨立認真完成導學案對應的學習任務單及自我提問單，增進學生對編程學習目標、學習內容與編程過程的理解與認識。

環節二：“知識遷移，案例研習”。本環節也體現了監控策略的應用，主要是通過自我提問單來實現內容監督。教師通過提問等方式帶領學生回顧上節課所學的知識點，并根據學生預習反饋的學情數據中存在的普遍性、突出性的問題與疑惑進行重點教學，學生在聽課的過程中理解學習本節課的知識要點，促進知識內化，消解疑慮。

環節三：“創設情境，思維引導”。本環節的監控策略主要體現在教師創設問題情境。教師創設合適的問題情境來引起學生的學習興趣和注意力，幫助他們明確本節課的學習任務（計劃和目標設定）。學生需要圍繞教學目標和編程學習重點去分析問題情境，自主探索主題，明確學習目標和學習任務，形成對編程作品的初步構想。

（2）編程中階段

環節四：“頭腦風暴，制訂計劃”。此環節體現了計劃策略的應用。所謂計劃策略，就是指在認知活動開始前，根據認知目標，計劃完成目標所涉及的過程、策略、預期結果，并預估其有效性，以減少認知活動的盲目性和不合理性。本研究主要是采用了思維導圖與流程圖作為計劃策略的實施手段。學生與結對編程的伙伴結合編程學習目標、任務要求及作品評價標準進行頭腦風暴，設計思維導圖以及流程圖，對編程任務進行拆解，進一步明確任務分配，為正式的程序設計做好準備（小組分工）。教師可以根據學生的討論情況提供一定的啟發和指導，鼓勵學生思考與表達，培養學生的創新意識與溝通能力。

環節五：“結對編程，實施計劃”。該環節能充分調動學生對監控策略和調節策略的應用，培養學生發現問題和解決問題的能力。所謂調節策略，就是指學生根據對認知活動過程和結果的檢查，在發現問題后，及時采取相應的補救措施進行及時修正和調整。過程記錄表可以讓學習者記錄計劃實施過程，較好地監控和調節各自的學習行為。結合小學生的性格特征，本研究總結了以下幾點結對編程的具體要求：一是與對方分享自己的想法，平等交流，不要過于帶入自己的學習習慣；二是尊重他人，善于傾聽，避免矛盾沖突；三是雙方要積極參與編程，與結對伙伴共同學習，共同完成學習任務，不要只依靠一個人；四是明確任務分配，及時進行角色互換，認真完成對應角色的學習任務；五是遇到困難和疑問，雙方要合力解決，積極應對。教師根據以上5 點提前對結對編程的規則進行說明，指導學生實施結隊編程過程。

編程時，學生按照結對編程的相關要求有序地展開學習活動，教師則巡堂觀察，做好課堂表現記錄，為學生提供必要的幫助和指導，提醒學生及時進行角色互換。學生在學習過程中要根據實際情況填寫過程記錄表，以監控和調節學習行為。

（3）編程后階段

環節六：“作品展示，評價反思”。本環節主要融入評價策略。所謂評價策略，就是指依據明確的認知目標，按照一定的標準，采用科學方法，測量認知活動的過程和結果，并做出價值性的判斷，為認知活動的調整提供依據。本研究主要采用作品評價表作為媒介，來實施評價策略。評價主體以學生為主、教師為輔，評價方式是形成性評價和總結性評價相結合。學生對照共同制定的編程作品評價指標以及課堂學習過程記錄進行自評與互評，包括任務評價和內容評價。教師要及時引導學生回顧總結本節課所學內容，帶領學生查漏補缺，鞏固學習效果，根據學生能力及作品完成情況布置課外拓展作業，讓學生有目的地去探究更多知識，從而培養學生的自主學習能力。

二、基于元認知策略的小學結對編程教學模式應用效果分析

1.實驗設計

（1）實驗對象

本研究采用準實驗法。實驗對象為某小學四年級的兩個班級，各42 人，總計84 人。兩個班的學生人數相等，男女比例大致為一比一。在學習情況方面，學生成績水平相近，對編程學習有較為濃厚的興趣，熟悉一些基本的編程知識點和操作；然而，在獨立完成作品創作、問題解決及反思評價等更高層面的知識與能力掌握上較為欠缺，編程學習多停留在模仿教師操作和完成基本學習任務的層次。在心理特征方面，實驗對象年齡大致在9 ～10 歲，思維具有一定的完整性和邏輯性，能夠進行獨立的、簡單的思維活動，但是較難進行抽象邏輯思考，需要具體實物的支持；學生更希望采用合作探究的方式來學習，擁有更多學習的主動權和發揮空間，但學習的自主性較低，團隊協作意識和能力較差，在學習過程中需要教師引導和協作互助來完成學習任務。

（2）實驗假設

本研究的實驗變量為元認知策略教學模式，在實驗班進行基于元認知策略的結對編程教學干預，在對照班采用傳統的“講解—演示”的結對編程教學方式，兩個班的教學內容、課時及教學進度保持一致，以排除無關變量的干擾。本研究的實驗假設為：

假設一：元認知策略教學模式能有效提升結對編程雙方的元認知能力；

假設二：元認知策略教學模式能有效培養結對編程雙方的計算思維；

假設三：元認知策略教學模式能有效提高結對編程雙方的學業成績；

假設四：元認知策略教學模式能有效促進結對編程雙方的合作行為。

（3）實驗過程

根據學生的基本情況和學校的實際教學條件，本研究選擇圖形化編程工具“源碼編輯器”來進行一學期的編程教學，課程教學內容來源于編程貓社區線上教學資源——“圖形化編程啟蒙”，以及編程貓自主編輯的教材“圖形化編程入門”。教學內容涵蓋程序設計的3 種基本結構（順序結構、循環結構、選擇結構），以及在這3 種結構中常用的編程積木塊，此外也包含了常見的編程知識，如變量、鏈表等，讓學生認識通過拖拽和拼接“程序積木塊”來實現程序邏輯，充分發揮自己的想象力和創造力去嘗試自己的編程作品創作。課程時長為12 周，分為準備篇、基礎篇、進階篇和回顧篇。

在實驗開始前，本研究設計了小學生編程學習現狀調查問卷、小學生元認知能力測試問卷及小學生計算思維測試題等量表開展前測調查，以了解前測學生的元認知能力和計算思維水平，結果顯示實驗組和對照組的元認知能力、計算思維水平不存在顯著性差異，符合實驗條件。

在實驗過程中，本研究將基于元認知策略的小學結對編程教學模式融入實驗班級的教學中，依據學習者的學習情況、元認知能力和計算思維水平，針對性地采取培養策略促進學生的編程思維與能力的發展，包括了元認知策略教學模型中提出的具體教學舉措。教師在教學過程中，做好研究規劃，觀察和記錄學生表現，及時引導學生，根據培養目標和要求靈活地將元認知策略融入結對編程教學中，從而來規避以往編程教學中存在的問題，驗證編程教學中元認知策略的有效性。在對照班中，采用傳統的教學模式開展教學，按照以教師為中心、“講解—演示”教學方式的一般流程設計和開展學習活動，包含“新課導入、講解新知、結對編程和總結評價”4 個環節，同時保證教學時長、教學內容和項目作品等方面的一致性，遵循對照實驗的相關要求。

在實驗結束后，分別向實驗班和對照班的學生發放小學生元認知能力水平測試、小學生計算思維測試題（后測）和圖形化編程學習測試題進行實驗后測，以及對學生和教師進行元認知策略教學的反饋調查和訪談，檢驗元認知策略在結對編程中的教學效果，并對其做進一步的優化和改進。

2. 數據分析

對通過問卷收集到的元認知能力、計算思維、學業成績等數據進行組間和組內分析。組間分析采用獨立樣本t檢驗，組內分析采用配對樣本t檢驗。分析結果如表1 和表2 所示。

表1 實驗組-配對樣本t 檢驗

（1）實驗前后元認知能力的分析

由表1 可知，在經過教學實驗后，實驗班的學生的元認知能力與實驗前相比有顯著提升，且在元認知能力的3 個維度（元認知知識、元認知體驗、元認知監控）的測量結果顯示，學生的元認知監控能力提升幅度最大，較實驗前增長了5.833 分。說明元認知策略中的計劃、監控與調節、評價等策略的教學運用對學生的元認知監控能力的提升有較為直接和顯著的影響。這也間接幫助學生有效獲取元認知知識，提高學生的元認知體驗，增強學生對編程學習的興趣和信心。

如表2 所示，在對實驗班和對照班的元認知能力后測數據進行獨立樣本t檢驗后，其Sig.值為0.005（＜0.05），說明二者得分存在顯示差異。

綜上，元認知策略教學模式對學生元認知能力有正向的顯著影響，假設一得到有效檢驗。

（2）實驗前后計算思維的分析

由表1 可知，實驗班的學生的計算思維測試成績的均值在教學干預后提高了6.429 分，經過對實驗組進行配對樣本t檢驗，其Sig.值為0.000，小于0.05，說明經過元認知相關訓練后，學生的計算思維有了顯著的提升。同時，實驗班以及對照班的后測成績的獨立樣本t檢驗的Sig.值為0.025（＜0.05），說明實驗班和對照班的學生的計算思維成績在教學實驗后存在顯著的差異，元認知策略教學模式在結對編程中的應用能有效提升學生的計算思維水平，假設二得到有效檢驗。

（3）實驗前后學業成績的分析

為了了解在不同的教學模式下開展編程教學實踐活動對學生的編程學習效果的影響，在教學實驗結束后，對學生進行編程學習評估測試，滿分100 分。由表2 可知，在后測的編程學習測試中兩個班級出現了顯著差異，實驗班的學業成績要明顯優于對照班。并且從實驗班學生的編程作品分析可以看出，在基于元認知教學策略開展結對編程教學中，學生的編程作品代碼質量更高，學生對編程知識的理解更加深入和透徹，編程操作能力更強。概言之，實驗班的學生的編程學習測試成績及編程作品質量總體上要優于應用傳統教學模式開展結對編程教學的對照班。

綜上，元認知策略教學模式能有效促進結對編程雙方的學業成績，假設三得到有效檢驗。

（4）實驗前后合作行為的隨堂觀察分析和訪談分析

本研究對學生的過程記錄表以及指導教師的隨堂觀察結果進行分析，發現采用元認知策略教學的實驗班學生在結對合作過程中的表現要明顯優于對照班的學生，實驗班學生任務分工明確、學習投入度和效率更高，結對合作更加緊密。實驗班的學生因為在編程方案設計環節對要完成的編程作品有更加清晰和具體的任務分工，所以在合作過程中會更加有意識地去承擔各自的角色職責。在編程過程中，學生會相互監督、提醒和幫助，積極參與到學習活動中，形成共同努力完成編程作品的合作意識，有效地避免了結對中一方“搭便車”的現象，因而實驗班學生在學習過程中學習紀律和氛圍更好，完成學習任務的效率更高。對照班的學生采用的是傳統的“講授—演示”的結對編程教學模式，編程學習過程是以教師為主體的，這導致學生在編程學習活動中的參與度較低。同時，由于沒有元認知策略的指導，學生在結對編程的過程中存在一些問題，如學生會因為想法不同且沒能達成統一認識而爭論，氣氛不夠和諧，最終導致雙方各自行事，放棄結對合作；或者其中能力較弱的一方被能力強的另一方主導，被主導方學習的參與度不高，出現“搭便車”的情況。

另外，本研究還針對學生的合作情況做了訪談，主要包括以下問題：“在上過老師的課之后，你會更加愿意和同學合作來解決問題嗎？會更好地與同學相處嗎？在結對編程的過程中，你能明確自己和同伴的角色和職責嗎？你認同你和同學都很重要嗎？”訪談結果表明，學生認為在結對編程中有了學習任務單和觀察記錄表，可以幫助他們更好地實施角色互換，明確不同角色的任務分配；同時，同伴的幫助能夠使他們更快地發現編程上的失誤，并和同伴共同解決，這讓學生充分體驗到結對中彼此角色的重要性，從而更加主動地深度參與協作過程。

綜上，元認知策略教學模式能有效促進結對編程雙方的合作行為，假設四得到有效檢驗。

（5）實驗過程元認知策略使用情況分析

為了解元認知策略在學生結對編程過程中如何具體發揮調控作用，本研究對實驗班學生進行了元認知策略應用的反饋調查，以研究計劃、監控調節和反思評價三種策略對學生結對編程活動的影響。如表3 所示，學生在計劃策略、監控調節策略以及評價反思策略三方面的平均得分均大于3，說明實驗班學生對元認知策略教學應用的反饋基本上是“同意”及以上，認為元認知策略對結對編程學習活動具有一定的調節指導和提升促進作用，有利于學生的結對編程學習。其中，學生對監控調節策略的認可度最高，認為該策略能讓學生更加明確學習重點、促進結對合作、關注問題解決以及作品優化提升，這也與元認知能力后測中學生的元認知監控能力提升最高的結果一致，驗證了本研究提出的元認知策略能有效彌補傳統結對編程過程中存在的合作不夠深入以及學習效率低下等不足。

表3 元認知策略使用的滿意度分析

三、總結與討論

本研究首先將元認知理論融入小學的結對編程教學中，建構了基于元認知策略的小學結對編程教學模式；其次采用準實驗研究方法，將完善后的教學模式應用到教學中，驗證了該教學模式的可行性和有效性；最后通過數據采集與分析，發現該教學模式的實施顯著提高了學生的元認知能力、計算思維、學業成績、課程表現。

1.元認知能力

結對編程被認為是增加元認知活動和提高解決問題能力的有效方法，學生們通過與搭檔的交流來解決問題，一起檢測和糾正錯誤，互相幫助學習代碼調試的過程。周迎春[12]認為組內成員討論有助于學習者反思自身觀點，從而有利于學習者自我監控、調節，這也有利于學生元認知能力的培養。由此可猜測，在本研究提出的教學模式中，“結對合作，編程調試”以及過程記錄表的使用有利于提高學生的元認知監控和元認知調節，從而提高元認知能力。另外，有研究指出，教學中的作品展示和評價也有助于提高元認知能力[13]。由此可推測，本研究提出的教學模式中“作品展示，評價反思”及作品評價表的使用有利于提高學生的元認知能力。

2.計算思維

本研究發現基于元認知理論的結對編程有利于提高計算思維，這與一些學者的研究結果相一致。有研究認為，學生的認知水平與計算思維有著緊密聯系，提高學生的計算思維有助于學生在更為復雜的認知活動中產生更多的認知行為和思考活動，而結對編程能幫助學生從簡單的認知任務和思維活動開始，讓小學生在結對合作的過程進行計算思維的聯動與交互，從而培養學生學習編程的實踐能力[14]。在本研究中，結合元認知策略和結對編程的教學方式對學生的計算思維有積極影響。

3.學業成績

本研究發現將元認知理論融入結對編程教學有利于提高學生的學業成績，與一些學者提出的觀點一致。陳濤等人[15]在C語言課程教學實踐中倡導活用結對編程，引導學生共同進步。這種方法激發了學生的編程興趣，并且能夠提高學生的編程能力。而且，結對編程能夠有效減少代碼出現錯誤的頻率[16]，提高學習效率[17]。

4.合作行為

本研究對學生的課程記錄表、教師的隨堂記錄結果以及訪談進行分析，發現采用元認知策略開展結對編程的實驗組在結對合作方面表現更好。首先，在配對編程過程中，學生可以互相幫助、共享信息，通過不斷糾正程序中的錯誤來解決問題，快速且高質量地完成給定的活動任務，從而可以有效地提高學生的學習興趣，增強學生的動手能力、溝通能力與團隊合作能力[18]，有助于提高學生的編程問題解決能力。其次，元認知策略的融入更有利于學生開展合作和發展能力，在結對編程中引入元認知提問單有利于在結對編程中指導學生的思維[19]。在訪談中，學生表示教學中思維導圖、觀察記錄表等元認知策略的使用，讓他們的編程思路、各自角色定位以及合作方式更加清晰，編程時也更有興趣和參與積極性。

四、應用與局限

本研究的實際應用價值：本研究立足于當前社會對少兒編程教育的重視，結合現階段已有的中小學編程教學的相關教學模式、教學資源和教學經驗，在相關教學理論和原則的指導下，創新性地把元認知策略引入結隊編程教學領域，構建了基于元認知策略的“3 階段—6環節”結對編程教學模式。隨著教學環節的推進，根據不同環節的任務目標設計了具體的元認知策略教學材料，體現元認知能力培養的針對性，并提供了相關教學案例做參考。經過一個學期的教學實驗研究，證明了該模式能解決現階段中小學結對編程教學在課程目標和教學過程中存在的問題，提高學生的元認知能力和計算思維能力，促進編程學業成績和合作程度，具有一定的理論研究和實踐參考價值。

受研究者自身的知識水平、科研能力以及實驗開展的時間、實施條件等主客觀因素的影響，本研究還存在一些局限，主要體現在：（1）本研究的樣本數量較少，僅有實驗班和對照班各42 人，從實驗規格上講，實驗人數較少，缺少代表性和說服力，需要增加樣本容量來提高論證力度，以及進一步驗證本研究構建的教學模式在不同學校、不同年級之間的適用性。（2）由于教學實驗時長僅為一學期，時間較短，編程課的課時有限，不能在編程教學實踐中融入更多的編程知識，且學生的元認知能力以及計算思維培養的影響因素較多且較為復雜，因此還需要進一步排除其他變量的干擾來驗證本研究提出的元認知策略教學模式的有效性。