提高学生的编程表现：一种集成的思维导图和生成式 AI 聊天机器人学习方法

快速阅读: 《Nature.com》消息，研究显示，结合思维导图与生成式人工智能（GenAI）聊天机器人的学习方法显著提升了学生的学业成绩、计算思维及编程自我效能感。实验表明，渐进式思维导图在提升创造力和问题解决能力方面效果更佳，而GenAI聊天机器人增强了学生的编程信心。

为了提升学生的编程表现，我们设计了一种融合思维导图与生成式人工智能（GenAI）聊天机器人的创新学习方式。研究结果表明，相较于传统依赖聊天机器人的教学方法，这种结合了思维导图与GenAI聊天机器人的学习模式对学生的学业成绩、计算思维及编程自我效能感均有显著的正面影响。同时，在不同类型的思维导图辅助下，该学习方法对学生各项能力的提升效果也展现出一定差异。

从学业成绩来看，实验组一的学生编程表现明显优于实验组二与对照组的学生；而实验组二的学生表现又显著高于对照组学生。这一发现与此前的相关研究结论相吻合（张某某等，2023年）。思维导图能激发学习者的兴趣，提升专注度，从而促进学业成绩的进步（冯某等，2023年）。通过绘制思维导图，学生能够清晰呈现思想间的逻辑关系，这有助于他们更好地掌握编程概念（赵某等，2022年）。相较自行创建的思维导图，渐进式思维导图引导学生经历从填空到提示，再到独立构建学习支架的过程，这种方式更高效地提升了学生理解复杂问题及提升编程技能的能力。借助恰当的提示，学生可详细描述解题步骤，并向GenAI聊天机器人提出更具针对性的问题，获得更具体的指导，进而推动学业成绩的提高。

在计算思维方面，实验组一的整体得分显著领先于实验组二及对照组学生；实验组二亦显著优于对照组学生。进一步分析发现，三个参与者群体在“创造力”、“批判性思维”和“问题解决”领域存在显著差异，而在“算法思维”与“合作学习”领域未见显著区别。这说明，结合思维导图与GenAI聊天机器人的学习方法虽全面促进了学生计算思维的成长，却并非在所有细分领域都展现出同等效力。后续检验显示，采用结合思维导图与GenAI聊天机器人学习法的两组学生，在创造力维度上的表现均优于对照组，此结果与前人研究相符（苏某等，2022年）。思维导图使抽象概念形象化，这种直观的思维过程有助于学习者快速捕捉概念间联系，激发创新灵感（董某等，2021年）。在绘制思维导图时，学生不断梳理知识体系，提炼框架，多层次理解知识，从而强化创造性思维。就两实验组而言，数据显示两者在创造力表现上无显著差别，但实验组二学生的创造力得分稍高于实验组一。在实验组二中，学生可通过自建思维导图搭建个性化知识网络，这样的自主构建有助于增强创造性思维，因他们得以自由探索多样化的思考路径并发展新的解题策略（Hunter等，2008年）。尽管渐进式思维导图提供了系统性的指引，但在创造力层面，其优势并不一定比完全自主构建的思维导图更为突出。

在批判性思维方面，实验组一与实验组二的参与者同样显著优于对照组学生。Cottrell（2023年）指出，批判性思维赋予人们以怀疑和质疑为工具进行建设性分析的能力，使其能更好地判断信息真实性。本研究中，两实验组学生先通过绘制思维导图明确思路，再与GenAI聊天机器人互动交流，因此他们倾向于选择更可靠有效的帮助。此外，要求学生反思绘制思维导图的过程，给予他们运用批判性思维深入分析并内化学习体验的机会（Polat&Aydın，2020年）。自建思维导图促使学生主动构建个人知识网络，这一过程有助于培养独立思考能力和通过批判性分析整合新知。即便渐进式思维导图提供了额外指导，两种形式最终在促进批判性思维发展中趋于一致，因为两者均鼓励学生深入反思与问题剖析。

在解决问题倾向方面，实验组一的学生得分显著高于实验组二与对照组学生，实验组二又显著优于对照组学生。这表明，将思维导图与GenAI聊天机器人结合的学习方法对学生解决问题能力具有积极作用，其中由渐进式思维导图支撑的学习方法效果尤为显著。借助思维导图，学生可将复杂抽象的编程难题拆解为具体易懂的小问题，使问题结构更加明晰，这种外化思维过程不仅加深了理解，还推动了解决问题能力的发展。另外，渐进式思维导图一定程度上帮助学生明确解题步骤，使学习目标更加清晰（张某某等，2023年）。有了明确目标，学生更愿意投入精力寻找方案并与GenAI聊天机器人互动交流。

自我效能感指个体完成特定任务的信心水平，是影响编程学习成效的关键因素之一（魏某等，2021年）。编程学习中的问题解决是一项需复杂认知过程的任务，缺乏相关知识与经验可能使学生产生信心不足的问题（Cheah，2020年）。后测问卷方差分析结果显示，三组学生在编程自我效能感方面无显著差异。然而，依据三组学生前后测问卷的配对t检验结果，三组学生的编程自我效能感均显著提升，这意味着GenAI聊天机器人有助于学生树立编程学习的信心。GenAI聊天机器人在学习过程中提供的即时反馈能够增强学生的编程自我效能感；这一结论与先前研究结果保持一致。因此，可以说在编程教育中使用GenAI聊天机器人对于提升学生编程自我效能感非常有效。

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