面向小學(xué)低年級學(xué)生計算思維培養(yǎng)的實體編程教育研究

隨著信息科技的迅猛發(fā)展和社會對計算能力的需求日益增長，計算思維成為現(xiàn)代教育領(lǐng)域中的關(guān)鍵概念。經(jīng)檢索文獻發(fā)現(xiàn)，我國對于計算思維培養(yǎng)的研究主要集中于小學(xué)中高年級及以上，對低年級學(xué)生的研究較少，一些教師對此存在困惑。低年級學(xué)生是否需要培養(yǎng)計算思維？何種教育方式有益于培養(yǎng)其計算思維？在教育過程中可以采用什么樣的教育策略？本文就這些問題展開相關(guān)論述。一、小學(xué)低年級學(xué)生計算思維培養(yǎng)的必要性（一）計算思維已成為新時代學(xué)生的必備能力國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度闡述了計算思維所涵蓋的內(nèi)容，其中較為典型的是周以真教授將其概括為“利用計算機科學(xué)的概念解決問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為”的一種方式。塞爾比（Selby）描述了計算思維過程包括算法思維、評估、分解、抽象、概括這五個核心要素。美國國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）將計算思維分為創(chuàng)造力、算法思維、批判性思維、問題解決能力、合作及交流技能。經(jīng)對上述概念的比較與分析，本文認(rèn)為計算思維是對問題邏輯分析、問題分解、給出詳細(xì)的解決方案、設(shè)計相應(yīng)的算法實施以及反思與優(yōu)化的思維過程，包含分解思維、抽象思維、程序化思維、迭代思維及概括評估思維五個核心要素?？梢?，計算思維涉及范圍廣，影響著人們發(fā)展的方方面面。雖然目前計算思維還沒有完全統(tǒng)一的定義，但隨著社會對人才培養(yǎng)需求的變化，其重要性日益凸顯，且受到各國的高度重視。國外對計算思維教育的研究較早且較為成熟。2011年起，美國、澳大利亞、英國、芬蘭、新西蘭、韓國等國家先后發(fā)布相應(yīng)政策文件，大力推動K-12階段計算思維教育，一些國家甚至將計算思維作為一門國家級課程。近年來，我國也意識到計算思維培養(yǎng)的重要性。2017年，中國計算機學(xué)會中小學(xué)計算機教育發(fā)展委員會指出，應(yīng)從小培養(yǎng)學(xué)生的計算思維[1]；2022年4月，《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布，其中將計算思維作為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，并明確提出計算思維在各個年級的培養(yǎng)目標(biāo)。可見，被視為“21世紀(jì)新素養(yǎng)”的計算思維，已成為繼讀、寫、算之外每個數(shù)字時代青少年都必須具備的一項關(guān)鍵能力[2]，其發(fā)展培養(yǎng)已成為當(dāng)前中小學(xué)教育領(lǐng)域的一個重要目標(biāo)。（二）小學(xué)低年級階段學(xué)生計算思維處于迅速發(fā)展時期我國計算思維教育的培養(yǎng)對象最早主要集中于高等教育階段的大學(xué)生。隨著高中信息技術(shù)課標(biāo)以及義務(wù)教育信息科技課標(biāo)的發(fā)布，其教育培養(yǎng)對象逐漸轉(zhuǎn)向中學(xué)生及小學(xué)高年級學(xué)生，但是對于小學(xué)低年級學(xué)生卻不夠重視。對此，一些專家學(xué)者對低齡兒童的計算思維發(fā)展進行了相關(guān)研究。孫立會教授通過對五個省市的小學(xué)生開展橫向調(diào)查實驗，指出小學(xué)低年級學(xué)生計算思維發(fā)展表現(xiàn)突出，特別是二年級，速率提升高于平均發(fā)展趨勢線[3]。高宏鈺教授指出，計算思維在低齡階段具有顯著的年齡差異，低齡兒童的計算思維處于迅速發(fā)展?fàn)顟B(tài)[4]。李宏揚等學(xué)者在研究中指出，低齡學(xué)生可塑性較強、思考問題方式獨特、有較強的探索欲望，在此階段更容易建立起計算思維方式，且建構(gòu)起一種高效能、低成本、可持續(xù)的計算思維培養(yǎng)系統(tǒng)，有利于發(fā)展更高階的思維能力[5]。經(jīng)合組織（OECD）也提出，我們應(yīng)該幫助幼兒從小建立計算思維，從而使他們能夠有意義地參與數(shù)字環(huán)境，并以創(chuàng)造性的方式使用數(shù)字技術(shù)[6]。低齡階段是學(xué)生智力迅速發(fā)展的重要階段，也是各種行為習(xí)慣養(yǎng)成的關(guān)鍵時期。從上述研究可見，小學(xué)低年級學(xué)生發(fā)展計算思維是非常必要且十分重要的，教育培養(yǎng)應(yīng)抓住低齡學(xué)生這一關(guān)鍵階段，且要從中高年級逐漸延伸擴展到小學(xué)低年級和早期教育[7]。二、實體編程對培養(yǎng)小學(xué)低年級學(xué)生計算思維的優(yōu)勢分析（一）編程教育成為計算思維培養(yǎng)的主要方式對于計算思維培養(yǎng)，大多數(shù)研究者認(rèn)為編程教育具有較大優(yōu)勢。多召軍等人以30名小學(xué)生作為研究對象，開展了為期5周的教學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的計算思維水平在5周的編程學(xué)習(xí)之后有了顯著的提升[8]。張銀榮等人采用元分析方法，量化分析了國內(nèi)外32項利用協(xié)作編程培養(yǎng)學(xué)生計算思維的相關(guān)研究，結(jié)果表明利用編程合作完成任務(wù)能夠顯著提升學(xué)生的計算思維水平，且中小學(xué)段效果更佳[9]。國外學(xué)者萊伊（Lye，S.Y.）等人分析了27篇基于編程的計算思維培養(yǎng)實證研究，發(fā)現(xiàn)大中小學(xué)生均可采用編程的方式培養(yǎng)計算思維[10]。以上研究表明，在計算思維培養(yǎng)方面，編程教育以其特有的邏輯思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的潛能成為使用最多且至關(guān)重要的方式[11]。（二）實體編程更加適合于小學(xué)低年級學(xué)生計算思維培養(yǎng)隨著編程教育的發(fā)展，其教育形式趨于多樣化。目前，小學(xué)常見的編程教育有文本編程、圖形化編程和實體編程[12]。還有一種存在分歧的不插電編程，它與實體編程之間的界定目前仍無統(tǒng)一定論，本文不做論述。表1簡要概括了小學(xué)常見的三種編程類型及特征，下面結(jié)合小學(xué)低年級學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點以及數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的要求，進行具體分析。1.從低年級學(xué)生認(rèn)知發(fā)展分析，實體編程具有優(yōu)勢在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論中，小學(xué)低年級學(xué)生（通常為6～8歲）處于前運算階段到具體運算階段的過渡期。在感知方面，他們主要通過感官經(jīng)驗來認(rèn)知世界，比較關(guān)注物體的外觀、形狀、顏色等可見特征。同時，他們?nèi)狈壿嬐评砗统橄笏季S能力，在其形象思維主導(dǎo)下需要憑借具體的符號或事物來形成直觀經(jīng)驗。對于小學(xué)低年級學(xué)生而言，他們首先需要學(xué)習(xí)的不是編程語言，而是策劃構(gòu)思、邏輯分析、模式識別、問題分解、測試糾錯的編程思維，從而提高計算思維[13]。通過分析上述三種編程類型的特點，結(jié)合皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論，我們發(fā)現(xiàn)文本編程抽象復(fù)雜，學(xué)生理解起來相對困難，不適合小學(xué)低年級學(xué)生。圖形化編程和實體編程都具有形象直觀的特點。圖形化編程需借助計算機中的軟件實現(xiàn)，需要學(xué)生具有一定的計算機使用基礎(chǔ)，而現(xiàn)今大多數(shù)小學(xué)低年級還未開設(shè)信息科技課程，學(xué)生缺乏計算機操作經(jīng)驗，對于圖形化編程學(xué)習(xí)較為吃力，且小學(xué)低年級學(xué)生處于視力發(fā)育的關(guān)鍵時期，應(yīng)限制他們每天面對電子屏幕的時間，防止視力損傷，由此排除圖形化編程形式?？梢姡瑥膶W(xué)生實際認(rèn)知發(fā)展角度分析，零基礎(chǔ)、無屏幕、實物化、游戲化的實體編程更加適合小學(xué)低年級學(xué)生。2.從數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的要求分析，實體編程具有優(yōu)勢《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中的課程總目標(biāo)明確提出要提高數(shù)字化合作與探究能力，發(fā)揚創(chuàng)新精神，用數(shù)字設(shè)備與團隊合作解決學(xué)習(xí)問題，協(xié)同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，采取新穎的視角思考和分析問題。相較于文本編程和圖形化編程，在嵌入式系統(tǒng)、機器人和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等領(lǐng)域，實體編程可以輕松集成傳感器、執(zhí)行器等硬件設(shè)備，更容易連接到物理世界。它更多地借助學(xué)生感興趣的機器人、傳感器等物理實體設(shè)備，進行遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動化控制等，具有多種玩法和模塊支架。它能通過物理形式的輸入與輸出結(jié)果，為學(xué)生提供真實的交互體驗。學(xué)生在理解抽象的編程概念與編程結(jié)構(gòu)過程中，可以接觸到更多的數(shù)字設(shè)備，進行更豐富的數(shù)字化體驗，并應(yīng)用這些數(shù)字設(shè)備去解決問題并加以創(chuàng)新，從而更好地促進計算思維和問題解決能力的發(fā)展。與此同時，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力也會大大提升。對于低齡學(xué)生而言，計算思維培養(yǎng)工具需要具有低門檻和高上限兩個特性，既要適合初學(xué)者入門，又要具備較好的擴展性，便于學(xué)習(xí)者進一步拔高。根據(jù)上述對比分析可知，實體編程對于小學(xué)低年級學(xué)生計算思維培養(yǎng)更具優(yōu)勢。三、面向計算思維培養(yǎng)的小學(xué)實體編程教學(xué)策略——以KUBO實體編程為例筆者所在學(xué)校對小學(xué)低年級學(xué)生進行了為期半年的KUBO實體編程教育探索，通過實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對實體編程的學(xué)習(xí)興趣濃厚，且計算思維得到了顯著提升。本文根據(jù)文章開頭論述的計算思維的五個內(nèi)涵“分解思維、抽象思維、程序化思維、迭代思維以及概括評估思維”，結(jié)合多召軍教授構(gòu)建的編程問題解決過程與計算思維核心要素的承載關(guān)系模型[14]（如圖1），以KUBO教學(xué)實踐為例，分析形成面向低年級學(xué)生計算思維發(fā)展的五種實體編程教育策略（如圖2）。（一）編程主題聯(lián)系實際，培養(yǎng)分解思維分解思維是按照問題的功能要素把復(fù)雜問題分解為易操作問題的思維過程。將實體編程教學(xué)主題與學(xué)生的生活實際緊密聯(lián)系是提升學(xué)生分解思維的有效方法。低年級學(xué)生年齡較小，對于問題探索的能力與經(jīng)驗不足，實體編程教學(xué)主題應(yīng)從學(xué)生的生活實際出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，讓學(xué)生了解問題后能結(jié)合自身的實際生活經(jīng)驗，初步嘗試分解問題，從而提升分解思維。比如，在KUBO實體編程教學(xué)中，以“就醫(yī)之旅”為主題，學(xué)生聯(lián)系實際生活中父母帶自己到醫(yī)院就醫(yī)的過程，在探索問題的過程中，將其分解為易操作的小問題，如“進入醫(yī)院—掛號—找醫(yī)生就醫(yī)—繳費—取藥”（如圖3、圖4）。學(xué)生通過分解該問題，不僅提升了分解思維能力，還鞏固了實際生活經(jīng)驗。（二）編程內(nèi)容學(xué)科融合，培養(yǎng)抽象思維抽象思維是從問題情境中推理分析解決問題關(guān)鍵信息以及用結(jié)構(gòu)化邏輯表示信息的思維過程。在實體編程教學(xué)中，編程內(nèi)容往往涉及不同學(xué)科的知識和概念，且注重藝術(shù)、數(shù)學(xué)、信息科技等跨學(xué)科創(chuàng)作。學(xué)生在明確需要解決的問題的基礎(chǔ)上，還要進行問題表征的活動過程，即獲取與每個問題相關(guān)的所有信息，提取或補充與這些問題相關(guān)的其他學(xué)科知識，形成問題空間中所有學(xué)科信息的知識網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)需要學(xué)生識別信息結(jié)構(gòu)背后的模式與規(guī)則，用模型表示各要素的關(guān)系與運作過程，而這個過程就是抽象思維的形成過程。比如，KUBO實體編程“春種秋收”一課融合了信息科技、數(shù)學(xué)、科學(xué)、美術(shù)、語文五個學(xué)科的內(nèi)容，學(xué)生要達成掌握函數(shù)指令塊的使用、分辨地圖方向、了解水稻的生長過程、創(chuàng)建場景、講述耕種故事等多個學(xué)科領(lǐng)域的目標(biāo)。在解決“通過編輯函數(shù)，讓KUBO完成播種、插秧、收獲、舂米等環(huán)節(jié)”這個編程問題時，學(xué)生需要完成對各個學(xué)科相關(guān)信息的提取、理解與表達等一系列過程（如圖5）。在整個過程中，學(xué)生可以建立更廣泛、更深刻的認(rèn)知框架，逐漸提升抽象思維能力。（三）編程任務(wù)明確具體，培養(yǎng)程序化思維程序化思維是按明確有序的步驟去解決問題的思維過程。在實體編程教學(xué)中，具體的編程任務(wù)可以為學(xué)生設(shè)定明確的目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生集中精力和資源，使學(xué)生在明確任務(wù)的基礎(chǔ)上，按照清晰有序的步驟生成編程方案，準(zhǔn)確執(zhí)行以完成特定的編程任務(wù)或解決特定的問題，使整個學(xué)習(xí)過程更加具有針對性。比如，在KUBO實體編程“參觀團進校園”的教學(xué)中，教師向?qū)W生提出讓KUBO機器人帶領(lǐng)參觀團“簽到—參觀武術(shù)社團、舞龍舞獅社團、籃球社團—離?！钡让鞔_具體的任務(wù)，并商定清晰的參觀規(guī)則。學(xué)生在動手操作的過程中，首先會根據(jù)明確具體的任務(wù)生成編程方案，然后借助KUBO機器人和指令卡片按照參觀任務(wù)有序執(zhí)行（如圖6）。在這個根據(jù)任務(wù)生成方案的過程中，學(xué)生的程序化思維得到發(fā)展。（四）編程過程鼓勵試錯，培養(yǎng)迭代思維迭代思維是一種不斷用變量的舊值遞推新值的思維過程。在解決實體編程問題時，學(xué)生需要經(jīng)歷有計劃地執(zhí)行的過程，即“設(shè)計程序—測試程序—優(yōu)化程序”。在這個編程過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生親自動手實踐，并且鼓勵學(xué)生大膽試錯。學(xué)生在實踐中一次次試錯之后，反思結(jié)果，分析錯誤的原因，并思考如何進行調(diào)整和改進。這種反思和調(diào)整的過程是迭代思維的核心，它促使學(xué)生運用迭代思維反復(fù)測試與優(yōu)化原型，直至達到理想狀態(tài)。比如，在KUBO實體編程“足球歸位”一課中，學(xué)生需要“指揮”KUBO機器人將足球送到學(xué)校體育器材室，在保證KUBO機器人行走路線暢通的同時，設(shè)計最短行走路線，以最快的方式將足球歸位。學(xué)生規(guī)劃的路線多種多樣，而想要得出最短路線，就需要在地圖上反復(fù)擺放指令卡片并執(zhí)行程序，不斷試錯，一次次進行程序迭代，以達到簡化路線的目的（如圖7）。（五）編程作業(yè)水平遷移，培養(yǎng)概括評估思維概括評估思維是總結(jié)與評價問題的解決辦法，并擴展給定問題中的現(xiàn)有解決方案以覆蓋更多的問題的思維過程。在實體編程教學(xué)中，低年級學(xué)生具備一定的反思評價能力，能夠簡單總結(jié)概括自己本次編程學(xué)習(xí)的主要過程與步驟。為使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)編程內(nèi)容應(yīng)用到其他編程問題中，教師需要以作業(yè)的形式讓學(xué)生進行練習(xí)與檢驗。由于學(xué)生年齡較小，認(rèn)知發(fā)展還不夠成熟，教師應(yīng)設(shè)計與課堂上相似的編程問題作為作業(yè)任務(wù)，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)內(nèi)容水平遷移到其他問題中去。在這個完成作業(yè)的過程中，學(xué)生的概括評估思維水平會逐步得到提升。比如，在KUBO實體編程中，學(xué)生在課堂上學(xué)會了循環(huán)指令塊的功能及使用方法。為了讓學(xué)生鞏固這一內(nèi)容，教師可以設(shè)計不同主題但任務(wù)相似的作業(yè)，讓學(xué)生在反思評價的過程中總結(jié)概括學(xué)習(xí)內(nèi)容，并將其從一個場景遷移到另一個場景。在這個過程中，學(xué)生自身的概括評估思維會逐漸得到發(fā)展（如圖8、圖9）。四、結(jié)語本文針對小學(xué)低年級學(xué)生計算思維培養(yǎng)的實體編程教學(xué)進行了相關(guān)研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，小學(xué)低年級學(xué)生處于計算思維迅