基于小學年段認知發展的KODU軟件的教學實踐研究

邱振華

摘要：當前大量的少兒編程軟件，如Scratch軟件中涉及的部分數學知識、程序算法超出了皮亞杰提出的小學年段的認知發展。有一款3D可視化少兒編程軟件——KODU軟件，其特點符合小學年段的認知發展。本文基于該軟件的特點開發了相關校本課程，以行動研究法的方式在小學三年級拓展課實施，從學生的作品案例分析及前后測問卷結果兩方面，以案例研究法和調查研究法的方式證明了KODU確實是一款符合小學年段學生認知發展，且對學生計算思維能力培養有著良好效果的軟件。

關鍵詞：小學年段;KODU

中圖分類號：TP317? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0072-03

1 教學研究背景

隨著2017年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中明確指出需在中小學階段逐步推廣編程教育，編程教育進入中小學課堂的熱度逐年遞增，Scratch軟件是目前大多數中小學課堂首選的少兒編程教學軟件。筆者自2014年開始即在中小學開展Scratch軟件的教學，這些年間主持參與了《初中信息科技學科中實施Scratch編程的途徑》等系列課題研究，取得了一定的成果。客觀地說，雖然通過教學涌現出大批能在各類編程競賽中嶄露頭角的優秀學生，但也存在編程方面的學困生，特別是在小學年段。

2017年，筆者在一次市級信息科技課程交流展示活動中，從上海市虹口區“酷沙”團隊（KODU沙龍）的經驗分享中，得知了KODU這款軟件——一款2012年微軟研究院開發了3D可視化少兒編程軟件。經筆者研究后發現，該軟件相對于Scratch軟件來說有其獨特之處，其設計更符合皮亞杰提出的小學年段學生“具體運算階段”的認知發展能力（該階段的特征主要為守恒化、序列化和分類化），具體如下。

1.1 序列化的事件處理模式

在KODU軟件的簡單編程中，經常運用的編程模式只有并行計算、事件觸發兩種模式，且只提供“WHEN...DO...”一種語句。在編寫程序時，只需要根據事件中具體序列的觸發順序找到相應模塊即可完成事件觸發，當有多個事件存在時，則采用并行計算的方式展開。以基礎事件“讓角色移動”為例：KODU中首先考慮到“上下左右”是一個常用的組合應用，因此單獨為其設計了一個模塊簡化編程難度，其次避開了“坐標”這個概念，直接將坐標的具體應用方法封裝在“移動”這個模塊中進行使用;在Scratch軟件的編程中，該事件的觸發需要用到直角坐標系的概念。直角坐標系這一概念在數學學科中一般在七年級才進行教學，這是因為其教學需要學生具備皮亞杰提出的基于邏輯演繹的“形式運算階段”的認知發展能力，這一定程度上也解釋了為何筆者在小學學段Scratch教學中會存在學困生的原因。不可否認，Scratch軟件是一款非常優秀的少兒編程軟件，但其中涉及的部分數學知識、程序算法超出小學年段的認知發展能力。在KODU軟件中，將復雜算法、程序結構、數學知識等內容封裝在各類模塊中，使得學生可以“即插即用”，將更多精力放在功能實現的“具體運算”中。

1.2 分類化的功能識別模式

“類包含”是皮亞杰提出的小學年段學生“具體運算階段”的認知發展能力的一個重要維度，該年段的學生可以認識到，一些范疇是彼此嵌套的。在KODU中，采用類似于分級選項卡的模式擺放各種模塊，例如要判定游戲勝利，則先點擊“游戲”選項卡，在彈出的下級選項中選擇“贏”即可（圖2）。在這種模式下，學生需要根據分類嵌套的思想去尋找相應的選項序列模塊。這一定程度上可以幫助他們完善分類思想，認識事物間的關系，提升“具體運算階段”的認知能力。

1.3 構建化的自主創造模式

KODU從場景世界來看與“我的世界”這款深受兒童喜愛的游戲非常相像，在軟件中，你可以使用“地面刷具、山丘山谷、變形、山尖山巒、水工具”等系列工具，配合各種3D角色創造屬于自己的立體3D世界，且可以改變世界中的各種參數，如天氣情況、光影效果等，創建的世界場景非常“壯觀”（圖3）。其世界的創建方法非常簡單，大部分操作只需要選擇對用工具按鼠標左鍵或右鍵即可進行，只要會玩“我的世界”的學生，都可以在KODU中順利構建自己的世界。這種強大的3D立體化設計功能，罕有少兒編程軟件能與之匹敵，非常吸引學生的眼球，讓學生在程序設計之外，在場景建模方面可以快速、便捷地將自己的創意呈現在眼前，極大地提升學生的學習積極性，激發創新意識。

2 教學資源開發

從KODU的特點來看，可以看出其是一門符合小學年段學生“具體運算階段”認知能力的編程軟件，但認知能力的發展僅靠“接受式”學習是不夠的，還需要學生參與“知識的建構過程”，只有這樣才能促進深層次、有意義的思維發展。從文獻中得知KODU的開發得到了計算思維的提出者周以真教授的大力支持，讓學生學習計算思維的概念是其開發的初衷之一（本文采用的計算思維的定義為普通高中信息技術課程標準（2017年版）中的解讀：“個體在運用計算機科學領域的思想方法形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動”）。因此筆者的KODU校本課程編寫目標界定為：在構建的3D虛擬世界中，根據“具體運算階段”序列化、分類化的特征，按照項目要求使用圖形模塊自由編寫程序，在這個過程中提升思維品質，特別是內化計算思維的概念，并根據“具體運算階段”中“守恒化”的特性將計算思維遷移到現實生活的應用中去。在具體開發中，筆者按照“生活中的游戲原型（項目原型）”——“搭建我的世界模型（項目建模）”——“游戲制作技能學習（項目編程）”——“交流互玩改進游戲（項目進階）”的游戲化項目活動流程設計了6個主題項目活動及一個開放式自主設計項目活動。考慮到計算思維屬于比較抽象的概念，基于學生的年齡段在課程中并不直接提出其概念，讓學生在課程的教學與游戲的編寫中對其進行隱性內化。課程內容簡介如表1所示。

3 教學實施效果

筆者根據開發的課程資源在小學拓展課（三年級），開展了為期一學期的KODU課程教學活動，下面從學生的項目作品案例與前測、后測問卷調查數據兩方面對教學實施效果進行分析。

3.1 KODU課程實施效果分析

3.1.1 KODU課程教學中所呈現的亮點

1）獨一無二的場景設計

一千個讀者心中有一千個哈姆雷特，每個孩子心中也有自己的夢想世界。基于KODU強大的場景設計功能，每個孩子所設計的世界場景都是獨一無二的，能根據個性特征充分發揮主觀能動性，調動創造性思維在KODU中“圓夢”。

以項目四——王牌賽車手為例，以下為四位學生所設計的不同場景（圖4）。其中作品1和作品2采用的風格較為簡約，作品3與作品4采用的風格較為繁復。觀察作品細節又可以發現：作品1使用的“賽道”和地面材質比較特殊，采用了雙人競技的模式;作品2的賽道難度逐漸增加，最終需要爬上“陡坡”才能抵達終點;作品3的“賽道”四通發達，有多種到達“終點”的方法;作品4的“賽道”直沖云霄，最考驗操作技術。在這之前，筆者僅講授了“路徑工具”的使用方法，在設計中，學生卻可以做到絕對個性化，這說明KODU有非常大的自由創作空間，且能讓學生快速上手，這種高自由度的場景設計具有其獨特的優勢。

2）方便實現的自主創意

基于KODU序列化的功能模塊封裝設計理念，當學生有所創意時，只需要找到對應功能的模塊，按照正確的序列順序進行拼接，即可能實現相關效果，這大大方便了學生探索并實現自己的創意。

以項目五——叢林絕地求生為例，筆者的范例程序功能僅僅是讓“小酷”發射“子彈”，但學生卻開發出了一系列創意功能（圖5）：在作品1中，學生設置了一個游戲BOSS，為其編寫了智能AI，使其自動移動和發射“子彈”;在作品2中，學生將游戲視角設置成第一視角，更具身臨其境的感覺;在作品3中，學生將“子彈”設置成“彩色模式”，將“子彈”轉變成“煙花”功能。這些功能的代碼實現均為學生自主探索所得，可見在創意思維的驅動下，學生自主學習能力被積極調動，而KODU軟件的學習難度也非常符合小學年段學生的最近發展區，激勵學生探索實現自主創意。

3.1.2 KODU課程教學中待解決的問題

雖然前文中已提及KODU課程教學中的一些亮點，但客觀地說，這款軟件也存在一些不足之處，具體如下。

1）硬件配置要求較高

由于這是一款3D圖形化編程軟件，對于電腦的硬件配置有一定的要求。筆者學校的電腦購置于5年前，相對來說硬件配置較為滯后，不僅打開KODU程序速度緩慢，在運行KODU時有時還會出現花屏、頓卡的現象，且放置部分資源后，即提示“資源數已達最大上限”，無法構建規模龐大、資源較多的場景。考慮到不少學校的電腦配置與筆者學校相似，硬件配置可能是阻礙KODU教學推廣應用的一個不利因素。

2）糾錯困難資料稀缺

KODU的編程模式雖然非常簡單，但若出現錯誤卻也很難發現，KODU并不會給予一定的錯誤提示，這為學生自主探索帶來了一定的困難。且由于KODU的相關輔助中文資料稀缺（筆者目前能找到的僅有華東師范大學王榮良教授出版的兩本教材及知網上不到10篇的論文文獻），有時學生自主探索所遇的問題，筆者也無法解答，且無中文資料可尋，這一因素一定程度上也會阻礙KODU教學的推廣應用。

3.2 問卷調查數據統計分析

本問卷數據來自三年級拓展課學生（共20人），問卷分為前測卷和后測卷兩份問卷，前測卷在課程開始之前填寫，后測卷在課程結束之后填寫，下面對其中部分題目的調查結果進行統計分析。

3.2.1 學生學習情況分析

從學習意愿來看，所有的學生都對KODU的學習充滿了興趣，且基本也都愿意在未來繼續學習;從學習難度來看，大部分學生都覺得KODU學起來很簡單，只有極少數學生覺得“有些困難”。由此可見，KODU軟件非常受小學年段學生歡迎，且教學難度符合其年齡段認知發展能力。

3.2.2 計算思維能力分析

筆者在前測卷與后測卷中設置了五題完全一樣的計算思維能力測試題，在前測后未公布正確答案，前測與后測間隔時間為1學期，基本可以保證學生忘記原題內容，測試結果如下（每題平均分滿分為1分）。

1）下面哪個選項的指令，能讓“吃豆人”沿著圖中的黃色路徑，到達“幽靈”的位置？

2）下面哪個選項的指令能讓“吃豆人”沿著圖中的黃色路徑，到達“幽靈”的位置？

3）要讓“吃豆人”沿著圖中的黃色路徑，到達“幽靈”的位置，下面的指令中哪一步是錯誤的？

4）在北方寒冷地區，一到冬眠季節熊就會開始冬眠，這體現了以下哪種思維形式（ ）

A.并行? B.條件? C.事件? D.數據

前測平均分：0.5? ?后測平均分：0.7

5）顛三倒四（形容說話辦事沒有次序，沒有條理）這個成語違反了以下哪種思維形式（ ）

A.順序? B.循環? C.條件? D.并行

前測平均分：0.55? ?后測平均分：0.65

在測試中，前三題為程序邏輯題，后兩題為計算思維在生活中的遷移應用題。可以看到第一題和第二題在學習了KODU后正確率明顯提升，第一題甚至達到了100%的正確率，說明KODU教學對于計算思維有顯著的提升效果。但第三題前測與后測的結果一致，且得分較低，分析其原因，雖然該題和前兩題一樣，考察的都是前進和旋轉命令，但該題采用的是代碼化的考察方式，和前兩題直觀圖示的考察方式有所不同，因此推測為學生無法讀懂程序代碼，導致得分未發生變化。第四題和第五題后測的正確率比前測略微提升，說明KODU教學對于計算思維能力的遷移應用有一定的幫助。

4 結束語

綜上所述，KODU教學對于學生計算思維能力的提升有著較好的效果，但限于三年級學生年齡特點，當問題以圖示等具體形式提出時，學生可以解決，當問題以代碼化等抽象形式提出時，學生較難解決;另KODU的教學對于計算思維能力的遷移應用有一定的幫助，但效果因人而異。考慮到計算思維這個概念非常龐大，且內涵豐富，可考慮設置不同年段學生計算思維培養分級目標，使之更符合學生年齡特點，更具有適切性。

總體來說，KODU是一款非常適合小學年段學生認知特點，適合培養計算思維能力的程序設計入門軟件，在這個“編程要從娃娃”抓起的時代，為少兒編程教學提供了一抹亮色，值得廣大教育人員實踐研究。

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【通聯編輯：唐一東】