基于計(jì)算思維發(fā)展的兒童編程教學(xué)模式設(shè)計(jì)研究*

常詠梅 王雅萍

（西北師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

一、引言

信息時(shí)代，計(jì)算思維必須像“閱讀、寫作、算數(shù)”一樣普及，成為每個(gè)合格公民的必備素質(zhì)[1]，發(fā)展兒童計(jì)算思維已勢(shì)在必行。近幾年，兒童編程作為發(fā)展兒童計(jì)算思維的主要途徑，在我國(guó)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。但細(xì)察我國(guó)兒童編程教學(xué)現(xiàn)狀，當(dāng)前我國(guó)兒童編程教學(xué)對(duì)兒童計(jì)算思維的促進(jìn)作用卻微乎其微。孫立會(huì)先生表示，當(dāng)前兒童編程教學(xué)的開展主要依賴于校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，打著兒童編程是學(xué)業(yè)選拔的籌碼或能為兒童未來職業(yè)選擇做準(zhǔn)備的廣告，以競(jìng)賽和編程應(yīng)用為主要教學(xué)目標(biāo)[2]。但這種以競(jìng)賽訓(xùn)練和編程應(yīng)用為目的的兒童編程，不僅不能有效發(fā)展兒童的計(jì)算思維，還使不少兒童對(duì)編程望而生畏。可見，當(dāng)下的兒童編程，迫切需要以發(fā)展兒童計(jì)算思維為核心和根本落實(shí)教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

二、計(jì)算思維的內(nèi)涵與表現(xiàn)形式

我國(guó)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將計(jì)算思維定義為個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具體表現(xiàn)為解決問題的形式化、模式化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化。形式化，即在信息活動(dòng)中，能夠采用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法界定問題、抽象特征；模式化，即通過判斷、分析與綜合各種信息資源，建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案；自動(dòng)化，即總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，實(shí)現(xiàn)問題解決方案的自動(dòng)化運(yùn)行；系統(tǒng)化，即形成解決問題的系統(tǒng)過程, 將其遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中[3]。

三、基于計(jì)算思維發(fā)展的兒童編程教學(xué)模式的設(shè)計(jì)過程

（一）兒童學(xué)習(xí)編程的特征分析

本研究特針對(duì)小學(xué)中高年級(jí)兒童，該年齡段的兒童正處于具體運(yùn)算學(xué)習(xí)階段，具備一定的邏輯運(yùn)算能力，且通過信息技術(shù)教育對(duì)計(jì)算機(jī)有了一定了解，能夠較好適應(yīng)兒童編程學(xué)習(xí)。皮亞杰兒童認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為，在具體運(yùn)算階段，兒童只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的抽象思維，思維運(yùn)算高度依賴具體事物的支持。

兒童對(duì)情境具有較強(qiáng)的依賴性。根據(jù)梅洛-龐蒂的兒童研究，身體活動(dòng)是兒童認(rèn)知發(fā)生的基礎(chǔ)。且這里的身體活動(dòng)不僅包括具體的肢體活動(dòng)，也包括內(nèi)隱的、利用身體進(jìn)行感知和想象的活動(dòng)[4]。這就意味著，在兒童編程教學(xué)中，不能脫離身體感知進(jìn)行知識(shí)傳授和技能訓(xùn)練，應(yīng)當(dāng)以學(xué)生為主體，盡可能為兒童提供可感知的情境。

兒童缺乏學(xué)習(xí)的持久動(dòng)力。在石晉陽(yáng)等人的調(diào)查中，大多數(shù)兒童都表示對(duì)編程感興趣，但研究表明，這種直接的興趣非常容易消退，并不能為兒童學(xué)習(xí)編程提供長(zhǎng)久動(dòng)力[5]。石晉陽(yáng)等人認(rèn)為，以興趣和努力為核心培養(yǎng)兒童學(xué)習(xí)編程的內(nèi)在動(dòng)力，為兒童提供足夠的外部支持，能夠有效培養(yǎng)兒童學(xué)習(xí)編程的持久動(dòng)力。

基于兒童學(xué)習(xí)編程的特點(diǎn)，兒童編程教學(xué)應(yīng)該注重編程情境的創(chuàng)設(shè)，具象化編程對(duì)象，構(gòu)建以興趣和努力為核心的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，為兒童提供充足的教學(xué)指導(dǎo)和學(xué)習(xí)資源。

（二）計(jì)算思維訓(xùn)練的一般步驟

在杜威看來，思維的演進(jìn)是推動(dòng)問題解決進(jìn)程的關(guān)鍵，他將問題解決過程分為五個(gè)階段，提出了“思維五步法”。第一步發(fā)現(xiàn)問題，即主體從客觀情境中感受困難。第二步明確問題，主體通過觀察分析掌握客觀情況，明確問題的性質(zhì)。一般來說，對(duì)困難的定位會(huì)隨著困難的出現(xiàn)而完成，但也存在感受到困難及問題所在，卻并不知道具體問題及性質(zhì)的現(xiàn)象，這就需要通過第二個(gè)步驟明確具體困難和性質(zhì)。第三步提出假設(shè)，假設(shè)是主體運(yùn)用聯(lián)想提出的問題解決方案，通過聯(lián)想形成的方案，或多或少帶有一定的猜想和推測(cè)性質(zhì)，需要以不同推測(cè)來印證對(duì)比。第四步推理判斷，即通過認(rèn)真細(xì)致的思考，選擇合理假設(shè)的過程。第五步驗(yàn)證假設(shè)，若某個(gè)假設(shè)所依據(jù)的種種條件都已完備，且通過實(shí)踐問題的確得到解決，則該假設(shè)得到驗(yàn)證，問題解決主體也會(huì)因此形成自己的信念；反之，則需要重新明確問題或提出新的假設(shè)進(jìn)行推理驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)問題的解決[6]。該方法揭示了問題解決過程中思維的發(fā)展進(jìn)程，對(duì)思維訓(xùn)練的過程確定具有重要意義。

趙國(guó)慶、趙姝等人在前人研究的基礎(chǔ)上提出“思維訓(xùn)練三階段理論”，將思維訓(xùn)練劃分為三個(gè)階段，為每個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)提供了操作性建議[7]。第一階段，隱性思維顯性化。通過思維圖示、思維導(dǎo)圖和概念圖等可視化認(rèn)知工具呈現(xiàn)思維過程與效果，以降低思考者的認(rèn)知負(fù)荷，是該階段的中心任務(wù)。第二階段，顯性思維策略化。通過思維策略工具的應(yīng)用，來指引、激發(fā)和組織思維，塑造高效思維模式。常見的思維指引策略有5W1H 分析法、SWOT 分析法、因素分析法等，目的在于規(guī)避思考者原有思維模式的誤差，以拓展感知，形成對(duì)問題的全面認(rèn)識(shí)。思維激發(fā)策略則以“頭腦風(fēng)暴”為代表，它以激發(fā)創(chuàng)新思維為目的，需要在對(duì)原有思維模式進(jìn)行識(shí)別評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造突破，建構(gòu)新的思維方式。思維組織策略以高度結(jié)構(gòu)化為特點(diǎn)，能夠有效解決問題解決過程中的思考流程的問題，以“六頂思考帽”“麥肯錫問題解決七步法”為代表。第三階段，高效思維自動(dòng)化。即通過重復(fù)強(qiáng)化“去工具化”，將有意識(shí)的高效內(nèi)化成為無意識(shí)的高效，實(shí)現(xiàn)思維訓(xùn)練的目的。

用計(jì)算機(jī)解決問題需通過提出問題、分析問題、設(shè)計(jì)算法、編寫程序、調(diào)試程序五個(gè)步驟的迭代與實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)[8]。綜合分析思維五步法、思維訓(xùn)練三階段理論和計(jì)算機(jī)解決問題的一般步驟，本研究認(rèn)為，通過分析客觀情境提出問題、分析問題明確問題要素、構(gòu)建算法解決問題、總結(jié)評(píng)價(jià)反思、應(yīng)用實(shí)踐遷移五個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的訓(xùn)練。

（三）兒童編程教學(xué)模式的提出

為發(fā)展兒童計(jì)算思維，本研究從計(jì)算思維的內(nèi)涵與表現(xiàn)形式角度出發(fā)，結(jié)合用計(jì)算機(jī)解決問題的一般步驟和思維五步法，認(rèn)為在契合兒童學(xué)習(xí)編程特點(diǎn)的前提下，針對(duì)性訓(xùn)練兒童運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決具體編程問題過程中的思維活動(dòng)能夠有效促進(jìn)兒童計(jì)算思維發(fā)展。為更好落實(shí)計(jì)算思維訓(xùn)練，結(jié)合思維訓(xùn)練三階段理論進(jìn)行合理建構(gòu)，從引入問題情境、明確問題要素、構(gòu)建解決方案、總結(jié)評(píng)價(jià)反思和實(shí)踐應(yīng)用遷移五個(gè)環(huán)節(jié)展開教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)兒童編程課程中兒童計(jì)算思維的形式化、模型化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化，關(guān)于具體模式建構(gòu)過程如圖1。

圖1 模式建構(gòu)過程

（四）兒童編程教學(xué)模式的解析

該模式依托于可視化編程環(huán)境展開，可視化編程以“所見即所得”為原則，具有簡(jiǎn)潔的編程邏輯和直觀的操作界面，有效規(guī)避了編程學(xué)習(xí)中繁瑣的語(yǔ)法調(diào)試，能將復(fù)雜的編程代碼用直觀可視的積木塊或圖像表現(xiàn)出來，有利于兒童感知問題解決過程，與問題解決過程產(chǎn)生直接聯(lián)系。模式將兒童編程教學(xué)分為五個(gè)環(huán)節(jié)，以兒童解決問題為主線，突出了兒童編程中學(xué)生活動(dòng)的主體地位，通過教師的及時(shí)組織和有效指導(dǎo)，落實(shí)兒童編程過程中計(jì)算思維的形式化、模型化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化，以發(fā)展兒童計(jì)算思維，關(guān)于具體模式如圖2。

圖2 基于計(jì)算思維發(fā)展的兒童編程教學(xué)模式

1.引入問題情境

有效創(chuàng)設(shè)編程問題情境，是教學(xué)活動(dòng)順利展開的關(guān)鍵。兒童編程的問題情境由教師創(chuàng)設(shè)，教師可通過講故事、播放視頻、角色扮演等多種方式引入問題情境，盡可能選擇兒童感興趣的生活活動(dòng)作為問題情境的創(chuàng)設(shè)素材，以便于兒童理解情境，發(fā)現(xiàn)問題。

2.明確問題要素

在發(fā)現(xiàn)問題后，明確問題要素是解決問題的重要前提。兒童需要通過可視化認(rèn)知工具進(jìn)一步分析問題，收集問題情境中的各種數(shù)據(jù)，明確解決問題的關(guān)鍵要素及各要素間的關(guān)系，教師則提供必要的支持，幫助兒童掌握相關(guān)工具的同時(shí)，控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維形式化。該模式中教師的引導(dǎo)主要以兩種形式存在，即教學(xué)流程指引和活動(dòng)策略指導(dǎo)。教學(xué)流程指引，是指教師需要在教學(xué)實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生在特定時(shí)間完成當(dāng)前活動(dòng)進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。活動(dòng)策略指導(dǎo)，是指教師需要指導(dǎo)兒童使用教學(xué)實(shí)施過程中所要用到的可視化編程軟件、思維圖示、思維導(dǎo)圖和概念圖等工具。

3.構(gòu)建解決方案

構(gòu)建解決方案是解決問題的核心所在。兒童需要假設(shè)問題解決的方案，在推理判斷基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)算法，并進(jìn)行程序調(diào)試，教師負(fù)責(zé)監(jiān)督兒童完成以上活動(dòng)，并進(jìn)行有效指導(dǎo)。該環(huán)節(jié)中的迭代主要體現(xiàn)在學(xué)生活動(dòng)中，如推理判斷或程序調(diào)試不通過，就需要兒童提出新的假設(shè)，甚至是重新分析問題整理數(shù)據(jù)。每一次迭代都意味著兒童對(duì)一個(gè)方案的取舍，要求兒童首先對(duì)原有方案做出評(píng)價(jià)，并在實(shí)踐測(cè)試或理論的支持下提出新的解決方案，這就有可能需要兒童回到方案模型化階段，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與模型建構(gòu)，甚至可能需要回到分析問題要素階段重新對(duì)問題進(jìn)行界定。聯(lián)想是學(xué)生利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)假設(shè)方案，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的重要思維過程，不同學(xué)生聯(lián)想時(shí)在反應(yīng)速度、聯(lián)想范圍、深刻程度上都可能存在不同，但這并不意味著學(xué)生反應(yīng)慢就是錯(cuò)誤的，有的孩子可能因?yàn)樗伎忌钊攵憩F(xiàn)為外在的遲鈍。故而構(gòu)建聯(lián)想方式豐富的小組合作，盡可能窮舉所有問題解決的可能，對(duì)促進(jìn)兒童計(jì)算思維發(fā)展具有重要意義。根據(jù)“六頂思考帽法”，兒童形成假設(shè)的方法多種多樣，可以是基于數(shù)據(jù)分析的，也可以是基于直觀感受的。該方法可以很好地指導(dǎo)兒童形成解決問題的假設(shè)方案，并對(duì)其合理性進(jìn)行推理判斷，幫助兒童完成算法設(shè)計(jì)，既能運(yùn)用于小組討論，也能運(yùn)用于個(gè)人思考。

4.總結(jié)評(píng)價(jià)反思

總結(jié)評(píng)價(jià)反思是實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維自動(dòng)化的關(guān)鍵。教師應(yīng)當(dāng)組織兒童對(duì)整個(gè)問題解決過程進(jìn)行總結(jié)梳理，引導(dǎo)兒童歸納問題解決的過程、方法和思維活動(dòng)，并以兒童本身、同伴、教師為多元主體，對(duì)問題解決的全過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過加強(qiáng)兒童對(duì)于問題解決過程中方法和思維的感知，為兒童編程學(xué)習(xí)提供積極反饋，加強(qiáng)計(jì)算思維訓(xùn)練的效果。

5.實(shí)踐應(yīng)用遷移

將兒童通過教學(xué)活動(dòng)所形成的解決問題的思維模式多次應(yīng)用于相近或不同情境，是促成兒童計(jì)算思維系統(tǒng)化的必要手段。兒童需要通過多次實(shí)踐，熟練運(yùn)用各思維工具，理解解決問題過程中思維的發(fā)展路徑，以促成完備的計(jì)算思維系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，將計(jì)算思維融入生活點(diǎn)滴。

四、基于計(jì)算思維發(fā)展的兒童編程教學(xué)模式的實(shí)施策略

在實(shí)踐層面保障教學(xué)模式的順利實(shí)施，是發(fā)揮該模式促進(jìn)兒童計(jì)算思維發(fā)展的關(guān)鍵所在。基于模式實(shí)施的考慮，該模式在具體應(yīng)用中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（一）注重教師引導(dǎo)的適時(shí)與適度

教師引導(dǎo)應(yīng)當(dāng)遵循從多到少，從繁到簡(jiǎn)，從淺到深的規(guī)律。工欲善其事，必先利其器。在教學(xué)初期，教師不僅要引導(dǎo)兒童使用可視化編程軟件，還需要指導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)思維導(dǎo)圖、概念圖等的繪制方法，引導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)使用“六頂思考帽”等思維工具，以降低小組活動(dòng)中學(xué)生的學(xué)習(xí)門檻，明確兒童編程課程的教學(xué)重心。為提高引導(dǎo)效率，教師可以以圖片、視頻或?qū)W(xué)案的形式提前發(fā)放學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)兒童選擇和使用學(xué)習(xí)資源，根據(jù)課堂情況靈活選擇重難點(diǎn)進(jìn)行集中講解演示，并隨著兒童對(duì)教學(xué)流程的熟悉，逐步減少淺層引導(dǎo)，充分發(fā)揮兒童學(xué)習(xí)的自主性。

（二）強(qiáng)調(diào)思維活動(dòng)的記錄與梳理

過程記錄有利于幫助兒童形成完整的問題解決總結(jié)方案，全面復(fù)盤學(xué)習(xí)過程，引發(fā)深層思考。教師可為學(xué)生發(fā)放學(xué)案，或設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，要求兒童填寫問題解決中的具體操作，形成如“第一步，分析問題情境中存在的對(duì)象及對(duì)象、對(duì)象屬性和對(duì)象關(guān)系，找到解決問題的關(guān)鍵”之類的步驟總結(jié)，并填寫或上傳相關(guān)思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)兒童記錄問題解決過程中的思維活動(dòng)，便于兒童積累經(jīng)驗(yàn)，在下次遇到該類問題時(shí)能夠產(chǎn)生聯(lián)想，優(yōu)化問題解決過程。與此同時(shí)，完備的問題解決過程記錄也有利于在兒童編程教學(xué)中開展優(yōu)質(zhì)的過程性評(píng)價(jià)。

（三）重視兒童編程的個(gè)性化思維

兒童編程中兒童的個(gè)性化思維是兒童創(chuàng)新思維發(fā)展的萌芽，這既體現(xiàn)在兒童對(duì)情境的獨(dú)特理解，也體現(xiàn)在兒童在構(gòu)建解決方案環(huán)節(jié)中對(duì)問題解決思路的獨(dú)特聯(lián)想。對(duì)于這種問題，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)兒童在編程時(shí)添加限定條件或擴(kuò)展程序功能，在不影響課程進(jìn)度的前提下鼓勵(lì)兒童大膽嘗試，避免對(duì)兒童思維的直接否定。在構(gòu)建解決方案環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)完備的游戲規(guī)則，充分發(fā)揮“藍(lán)色帽子”的控制和調(diào)節(jié)作用，重視和理解“綠色帽子”所提出的問題解決方案，保證構(gòu)建問題解決方案過程中“戴著”各色帽子學(xué)生發(fā)言和思考的比重，并實(shí)行角色輪流制，保證每個(gè)人都能體驗(yàn)不同的角色，得到思維的全面發(fā)展。

（四）選擇可視化編程工具的由簡(jiǎn)到難

拖拽式編程和Python 編程語(yǔ)言是兒童接受度較高的兩種編程方式。拖拽式編程中，兒童不需要掌握具體的程序語(yǔ)言，通過拖拽積木塊的形式就能構(gòu)建算法邏輯，實(shí)現(xiàn)編程功能。該方法直觀有趣，極大地降低了兒童編程的門檻，很適合初學(xué)者。但兒童編程決不能止步于拖拽式編程，過分依賴拖拽式編程，反而是對(duì)兒童計(jì)算思維能力的限制。Python 作為一門高級(jí)編程語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單易學(xué)、可移植、可擴(kuò)展等諸多特點(diǎn)，具有低門檻、高天花板的優(yōu)勢(shì)，非常適合用于小學(xué)中高年級(jí)學(xué)生的編程進(jìn)階訓(xùn)練。因此，隨著兒童編程水平和計(jì)算思維能力的發(fā)展，教師應(yīng)該在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候引導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)Python 編程語(yǔ)言，進(jìn)一步訓(xùn)練兒童計(jì)算思維。

五、結(jié)語(yǔ)

信息時(shí)代的發(fā)展日新月異，兒童計(jì)算思維培養(yǎng)已刻不容緩。本研究在分析兒童學(xué)習(xí)編程的特點(diǎn)和探究具備高操作性的思維訓(xùn)練理論的基礎(chǔ)上，著力于構(gòu)建高效促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展的兒童編程教學(xué)模式，并給出了基于可視化編程平臺(tái)的教學(xué)實(shí)施流程，為一線教師組織兒童編程課程提供了理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。教師在模式應(yīng)用過程中，需“因地制宜”“因人施教”，結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況靈活運(yùn)用教學(xué)模式，以確保有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展。