面向小學低年級學生計算思維培養(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)代教育領域中的關鍵概念。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中高年級及以上，對低年級學生的研究較少，一些教師對此存在困惑。低年級學生是否需要培養(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論述。一、小學低年級學生計算思維培養(yǎng)的必要性（一）計算思維已成為新時代學生的必備能力國內(nèi)外學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“利用計算機科學的概念解決問題、設計系統(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，本文認為計算思維是對問題邏輯分析、問題分解、給出詳細的解決方案、設計相應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?？梢姡嬎闼季S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，中國計算機學會中小學計算機教育發(fā)展委員會指出，應從小培養(yǎng)學生的計算思維[1]；2022年4月，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》發(fā)布，其中將計算思維作為學科核心素養(yǎng)之一，并明確提出計算思維在各個年級的培養(yǎng)目標?？梢姡灰暈椤?1世紀新素養(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鍵能力[2]，其發(fā)展培養(yǎng)已成為當前中小學教育領域的一個重要目標。（二）小學低年級階段學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生。隨著高中信息技術(shù)課標以及義務教育信息科技課標的發(fā)布，其教育培養(yǎng)對象逐漸轉(zhuǎn)向中學生及小學高年級學生，但是對于小學低年級學生卻不夠重視。對此，一些專家學者對低齡兒童的計算思維發(fā)展進行了相關研究。孫立會教授通過對五個省市的小學生開展橫向調(diào)查實驗，指出小學低年級學生計算思維發(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)展狀態(tài)[4]。李宏揚等學者在研究中指出，低齡學生可塑性較強、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]。低齡階段是學生智力迅速發(fā)展的重要階段，也是各種行為習慣養(yǎng)成的關鍵時期。從上述研究可見，小學低年級學生發(fā)展計算思維是非常必要且十分重要的，教育培養(yǎng)應抓住低齡學生這一關鍵階段，且要從中高年級逐漸延伸擴展到小學低年級和早期教育[7]。二、實體編程對培養(yǎng)小學低年級學生計算思維的優(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)研究者認為編程教育具有較大優(yōu)勢。多召軍等人以30名小學生作為研究對象，開展了為期5周的教學實驗，發(fā)現(xiàn)學生的計算思維水平在5周的編程學習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)學生計算思維的相關研究，結(jié)果表明利用編程合作完成任務能夠顯著提升學生的計算思維水平，且中小學段效果更佳[9]。國外學者萊伊（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重要的方式[11]。（二）實體編程更加適合于小學低年級學生計算思維培養(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簡要概括了小學常見的三種編程類型及特征，下面結(jié)合小學低年級學生認知發(fā)展特點以及數(shù)字化學習與創(chuàng)新的要求，進行具體分析。1.從低年級學生認知發(fā)展分析，實體編程具有優(yōu)勢在皮亞杰認知發(fā)展理論中，小學低年級學生（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)驗來認知世界，比較關注物體的外觀、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。對于小學低年級學生而言，他們首先需要學習的不是編程語言，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)合皮亞杰認知發(fā)展理論，我們發(fā)現(xiàn)文本編程抽象復雜，學生理解起來相對困難，不適合小學低年級學生。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)，需要學生具有一定的計算機使用基礎，而現(xiàn)今大多數(shù)小學低年級還未開設信息科技課程，學生缺乏計算機操作經(jīng)驗，對于圖形化編程學習較為吃力，且小學低年級學生處于視力發(fā)育的關鍵時期，應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?，從學生實際認知發(fā)展角度分析，零基礎、無屏幕、實物化、游戲化的實體編程更加適合小學低年級學生。2.從數(shù)字化學習與創(chuàng)新的要求分析，實體編程具有優(yōu)勢《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中的課程總目標明確提出要提高數(shù)字化合作與探究能力，發(fā)揚創(chuàng)新精神，用數(shù)字設備與團隊合作解決學習問題，協(xié)同完成學習任務，在數(shù)字化學習環(huán)境中發(fā)揮自主學習能力，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)設備等領域，實體編程可以輕松集成傳感器、執(zhí)行器等硬件設備，更容易連接到物理世界。它更多地借助學生感興趣的機器人、傳感器等物理實體設備，進行遠程監(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，為學生提供真實的交互體驗。學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)字設備，進行更豐富的數(shù)字化體驗，并應用這些數(shù)字設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，學生的學習興趣和創(chuàng)新能力也會大大提升。對于低齡學生而言，計算思維培養(yǎng)工具需要具有低門檻和高上限兩個特性，既要適合初學者入門，又要具備較好的擴展性，便于學習者進一步拔高。根據(jù)上述對比分析可知，實體編程對于小學低年級學生計算思維培養(yǎng)更具優(yōu)勢。三、面向計算思維培養(yǎng)的小學實體編程教學策略——以KUBO實體編程為例筆者所在學校對小學低年級學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)，學生對實體編程的學習興趣濃厚，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系模型[14]（如圖1），以KUBO教學實踐為例，分析形成面向低年級學生計算思維發(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雜問題分解為易操作問題的思維過程。將實體編程教學主題與學生的生活實際緊密聯(lián)系是提升學生分解思維的有效方法。低年級學生年齡較小，對于問題探索的能力與經(jīng)驗不足，實體編程教學主題應從學生的生活實際出發(fā)，激發(fā)學生的興趣和求知欲，讓學生了解問題后能結(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實體編程教學中，以“就醫(yī)之旅”為主題，學生聯(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。在實體編程教學中，編程內(nèi)容往往涉及不同學科的知識和概念，且注重藝術(shù)、數(shù)學、信息科技等跨學科創(chuàng)作。學生在明確需要解決的問題的基礎上，還要進行問題表征的活動過程，即獲取與每個問題相關的所有信息，提取或補充與這些問題相關的其他學科知識，形成問題空間中所有學科信息的知識網(wǎng)絡。構(gòu)建知識網(wǎng)絡需要學生識別信息結(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、科學、美術(shù)、語文五個學科的內(nèi)容，學生要達成掌握函數(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科領域的目標。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，學生需要完成對各個學科相關信息的提取、理解與表達等一系列過程（如圖5）。在整個過程中，學生可以建立更廣泛、更深刻的認知框架，逐漸提升抽象思維能力。（三）編程任務明確具體，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。在實體編程教學中，具體的編程任務可以為學生設定明確的目標，指導學生集中精力和資源，使學生在明確任務的基礎上，按照清晰有序的步驟生成編程方案，準確執(zhí)行以完成特定的編程任務或解決特定的問題，使整個學習過程更加具有針對性。比如，在KUBO實體編程“參觀團進校園”的教學中，教師向?qū)W生提出讓KUBO機器人帶領參觀團“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，并商定清晰的參觀規(guī)則。學生在動手操作的過程中，首先會根據(jù)明確具體的任務生成編程方案，然后借助KUBO機器人和指令卡片按照參觀任務有序執(zhí)行（如圖6）。在這個根據(jù)任務生成方案的過程中，學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，學生需要經(jīng)歷有計劃地執(zhí)行的過程，即“設計程序—測試程序—優(yōu)化程序”。在這個編程過程中，教師引導學生親自動手實踐，并且鼓勵學生大膽試錯。學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，它促使學生運用迭代思維反復測試與優(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，學生需要“指揮”KUBO機器人將足球送到學校體育器材室，在保證KUBO機器人行走路線暢通的同時，設計最短行走路線，以最快的方式將足球歸位。學生規(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。在實體編程教學中，低年級學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習的主要過程與步驟。為使學生能夠?qū)⑺鶎W編程內(nèi)容應用到其他編程問題中，教師需要以作業(yè)的形式讓學生進行練習與檢驗。由于學生年齡較小，認知發(fā)展還不夠成熟，教師應設計與課堂上相似的編程問題作為作業(yè)任務，使學生能夠?qū)⑺鶎W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，學生在課堂上學會了循環(huán)指令塊的功能及使用方法。為了讓學生鞏固這一內(nèi)容，教師可以設計不同主題但任務相似的作業(yè)，讓學生在反思評價的過程中總結(jié)概括學習內(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)語本文針對小學低年級學生計算思維培養(yǎng)的實體編程教學進行了相關研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，小學低年級學生處于計算思維迅