編程學習培養大班幼兒計算思維能力的實驗研究

顏玲 金禹蕙 楊卉 陳翠

【摘要】計算思維漸漸成為數字化社會關注的重點，普及計算思維教育，讓人們能夠充分運用計算思維來認識世界和解決問題已成為共識。計算思維教育最好從兒童早期開始，編程是促進兒童計算思維發展的重要途徑。本研究針對108名5～6歲兒童實施為期8周的編程課程，研究結果表明：編程學習可以有效促進兒童計算思維能力的提升，男孩計算思維能力顯著高于女孩，低分組兒童計算思維能力的提升顯著高于高分組兒童。建議要重視幼兒編程和計算思維的培養，實施有針對性的計算思維教育，尊重幼兒學習上的性別差異，對幼兒的學習進行合理的評估。

【關鍵詞】編程學習；計算思維；大班幼兒

【中圖分類號】G612 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-6017（2022）04-0031-07

【作者簡介】顏玲（2000-），女，江蘇揚州人，蘇州科技大學教育學院本科生；金禹蕙（2000-），女，江蘇南通人，蘇州科技大學教育學院本科生；楊卉（2000-），女，浙江臺州人，蘇州科技大學教育學院本科生；陳翠（1983-），女，山東棗莊人，蘇州科技大學教育學院講師、碩士生導師，博士。

一、問題的提出

計算思維（Computational Thinking）是指通過利用計算機科學的基本概念來解決問題、設計系統和理解人類行為的過程[1]。計算思維正在影響著許多學科，包括算法醫學、計算經濟學、計算法律、計算社會科學和數字考古學[2]。除此之外，計算思維甚至被提升為生活技能，到21世紀中葉，計算思維將成為一種基本技能，就像閱讀、寫作和算術一樣，人人都將使用[3]。

以計算思維教育為核心的各種舉措正在全球興起。許多國家都在重視學生計算思維能力的培養，為日新月異的數字化社會做好準備。美國教育部教育科技辦公室（U.S. Department of Education Office of Educational Technology，OET）制定了國家教育科技政策，專注于提高學生技術素養，并將計算思維作為幼兒教育環境中的優先事項[4]。歐洲及其他地區的教育部正在加緊努力，將計算思維、編程、計算、算法思維、計算機科學融入正規教育。由34個歐洲國家教育部組成的非營利組織“歐洲學校網”（European Schoolnet）于2018年發布“北歐在義務教育中引入計算思維和編程的方法”（The Nordic approach to introducing Computational Thinking and programming in compulsory education）。目前，超過20個歐洲國家在其課程中整合了編程或計算思維[5]。由此可見，計算思維教育在多個國家得到了普及和重視，并且有低齡化趨勢。

兒童生活在數字化的社會中，為了能有效地參與到現代數字世界中，也為未來工作做好充分準備，勢必要掌握計算思維。如果要確保所有人都有理解和應用計算思維的共同和堅實的基礎，那么這種學習最好在兒童早期進行。編程是促進兒童計算思維發展的重要途徑。實證研究表明，年僅4歲的兒童就可以通過編程的學習掌握計算思維[6]。使用機器人等有形系統，可以積極地影響幼兒正確排序和調試、排除故障的能力；使用可視化編程工具，學生可以開發簡單的算法[7]。當給予適合年齡的技術、課程和教學法時，幼兒可以積極參與計算機編程的學習，邁出發展計算思維的第一步[8]。但目前關于編程促進幼兒計算思維發展的研究還非常有限，仍需更多的實驗數據來支撐這一觀念，況且幼兒在認知能力、抽象思考和執行功能等方面還處于發展階段，計算思維概念對于幼兒來說，哪些是容易掌握的、哪些是難以理解的，還需要進一步研究證實。因此，本研究基于美國塔夫茨大學（Tufts University） DevTech 研究小組專為幼兒開發的編程活動，在幼兒園實施為期8周的編程課程，以準實驗研究法探討編程學習對幼兒計算思維發展的促進作用。

二、研究方法

（一）研究對象

本研究為準實驗研究，采用方便取樣法，研究對象為蘇州市兩所普惠性幼兒園的大班幼兒。在兩個幼兒園各隨機抽取兩個大班，并按班級隨機分配為實驗組和控制組。在研究開始之前，每位家長會收到研究者發送的知情同意書，充分尊重家長的知情權，據反饋，所有家長都同意參與此項研究。因此，兩個園總計，實驗組62人，控制組63人。由于課程期間有兒童請假、不愿意答題等因素，最后參與測量的幼兒分別為，實驗組53人，控制組55人。

（二）課程實施

實施者為某高校學前教育專業的研究生，在校期間已通過幼兒教師資格證的考核，具備幼兒教師資格。面向大班幼兒，本次實驗共進行8次課程，包括7節編程課程以及最后一次的高峰活動，課程總計時長為8～11小時之間。每周實施一節課程，共進行8周，單元課程時長維持在60～80分鐘。在幼兒園每周三下午或周四下午的區角活動時實施我們的課程，減少對園內正常課程的干擾，并根據計算思維遷移能力測試，對實驗對象進行前測和后測。

（三）課程設計

本研究采取的課程主要改編自美國塔夫茨大學（Tufts University）DevTech研究小組開發的“機器動物”（Robotic Animals）課程，該課程整合了基礎生物學的主題和機器人編程的核心概念[9]。特別強調的是：（1）區分生物和非生物，能夠根據它們的共同特征對生物和非生物進行分組；（2）認識到動物是利用它們的感官與周圍環境產生互動的；（3）理解動物的棲息地是如何滿足其基本需求的。

第一課：堅固的物體。了解、區分生物和非生物的特征。幼兒扮演工程設計師的角色，對自己知道或者感興趣的一些生物或非生物個體進行模型創作，利用各種工藝和可回收材料修飾他們的機器人模型，并保證其堅固性，這對后續的學習至關重要。

第二課：機器人是什么？學習什么是機器人。了解KIBO機器人的零部件，對其進行描述，學會對機器人的程序塊進行掃描，最終建構出一個可以移動且堅固的機器人動物。

第三課：編程是什么？掌握順序的重要性。知道每個程序都必須以Begin開始，以End結束，其余所有程序塊都必須放置在兩者中間。不同的指令順序會產生不同的效果，嘗試調試自己設計的程序，從而使機器人像特定動物那樣移動。

第四課：什么是傳感器（1）？知道機器通過傳感器感知周圍的環境，而人類和動物則是通過感官感受。認識KIBO的聲音傳感器，使用“等待拍手模塊”進行編程。

第五課：什么是重復循環？引導幼兒認識動物的遷徙現象，從而認識重復循環。幼兒能夠識別需要循環程序的情況，從而設計一個循環的運行程序，并學習使用數字參數修改循環運行的次數。知道只有將重復指令置于Repeat和End repeat中間，機器人才能執行某種循環。

第六課：什么是傳感器（2）？聯系人類和動物的感官，學習距離和光傳感器。能利用距離參數Until Near、Until far和光線參數Until Light、Until Dark編寫KIBO的循環程序。分別設計兩個程序，一個使用距離傳感器，另一個使用光傳感器，運行程序，讓幼兒討論機器人會怎么做。

第七課：什么是Ifs？引導幼兒思考不同類型動物睡眠的特點，學習條件程序的語法，知道機器人只執行放在If和End If之間的條件選擇。激發幼兒想象KIBO為某種動物，學習使用距離參數Near、Far和光線參數Light、Dark為KIBO編寫條件程序，使其在白天和晚上從事不同的活動。

第八課：高峰活動。最后一節課時，幼兒需要綜合運用前面幾節課的編程知識，以小組為單位，合作制作喜歡的機器人動物，模仿該動物的習性和行為特征，設計指令，運行程序。

（四）編程工具

本研究使用的工具是KIBO編程教具。KIBO是專為4～7歲兒童設計開發的機器人編程工具包，幫助兒童學習基礎的編程技能[10]。該工具包中包含車輪、電動機、傳感器等易于連接的建筑材料以及不同的有形編程塊。設計者在編程塊中可以引入許多復雜的編程概念，例如嵌套語句、重復循環、條件語句等。KIBO在機器人中嵌入了掃描儀，使用者根據需求，選擇編程塊進行排序，再將機器人從左往右依次掃描編程塊上的條形碼，機器人便能立即按照編程塊上的指令和程序作出相應的反應。此外，KIBO工具包還提供能夠促進個性發展的藝術平臺，兒童可以使用各種工藝材料對機器人進行修飾，運用到日常生活中的各個場景。

（五）測量工具

測量工具修改自德蘭（Tran）計算思維評量工具，Tran對小學三年級兒童進行了五個方面的評量，即排序、算法、重復循環、調試、條件[11]。考慮到本次實驗對象為大班幼兒，研究者根據年齡適當降低難度，簡化了當中的一些選項，合并排序和算法，并增加了兩個非常重要的概念：抽象和分解。本評量工具共考察計算思維的六項能力：抽象、排序（算法）、重復循環、分解、調試、推理（條件分支）。測試時和幼兒一對一交流，將每道題目念給幼兒聽，幼兒告訴評量者答案或者自行圈出答案，如果幼兒表現出對題目或選項的不理解，則重復念給幼兒聽，但不提供任何答案線索。本測試盡最大能力保證所有題目和選項能夠讓幼兒理解，并且不對幼兒做時間限制。通常幼兒完成測試的時間在15～20分鐘，個別幼兒會達到40分鐘。

三、研究結果與分析

本研究測試兒童6項計算思維能力，每項由2個問題組成，分別考察抽象、排序、重復循環、分解、調試和推理，共12個題目，幼兒每答對一題計1分，計分范圍為0～12分。

在前測中，實驗組和控制組平均分并無顯著差異（t=0.348，p>0.05）。后測結果顯示，實驗組的平均分顯著高于控制組（t=4.005，p<0.05）。為直觀地了解兩組幼兒在六項計算思維能力上的具體表現，對該兩組六項測試的平均分進行檢驗分析，統計結果見表1。兩組幼兒在抽象上都獲得了最高分，在重復循環上都獲得了最低分，且實驗組幼兒在抽象（t=2.481，p=0.015，p<0.05）、分解（t=2.400，p=0.018，p<0.05）的測試結果上顯著高于控制組，實驗組幼兒在重復循環（t=2.727，p=0.008，p<0.01）的測試結果極其顯著高于控制組。

為了解性別對編程學習的影響，將實驗組數據按性別分成兩組進行統計分析。前測中，男、女孩在計算思維能力的表現上沒有顯著差異（t=1.619，p=0.112，p>0.05）。但后測結果顯示，男、女孩在計算思維能力上存在顯著差異（t=2.174，p=0.034，p<0.05），并且男孩的平均分（M=7.71）要高于女孩（M=6.32）。這說明，接受編程學習后，男孩在計算思維能力上的表現要顯著優于女孩。為進一步了解男、女孩在計算思維單項能力上是否存在顯著差異，對六項內容進行t檢驗，統計結果見表2。在排序（t=3.097，p=0.003，p<0.01）和重復循環（t=3.005，p=0.004，p<0.01）兩項計算思維上男孩的得分極其顯著高于女孩。

為了解幼兒在計算思維能力上的提升情況，研究者依據心理學中對高低分組的規定，將前測分數的前27%設為高分組（N=14，M=7.57），后27%設為低分組（N=14，M=2.21），利用t檢驗對兩組進行統計分析。在前測中，高分組的單項得分都顯著高于低分組，而后測中高分組僅在重復循環和調試上的得分顯著高于低分組，其他四項均無顯著差異。為深入了解兩組在各項能力上的提升，對高、低分組各項能力前后測分數的差異進行樣本t檢驗，統計結果如表3，高分組在抽象（t=-2.868，p=0.012，p<0.05）和排序上的提升（t=-2.500，p=0.019，p<0.05）顯著低于低分組。

四、討論

（一）編程學習有助于提升幼兒的計算思維能力

經過8次課程的編程學習，實驗組幼兒的計算思維能力顯著優于沒有經過任何編程學習的控制組幼兒，這說明編程學習有利于促進5～6歲幼兒計算思維的發展，也印證了弗蘭納里（Flannery）和伯斯（Bers）的結論，有效的教學設計，不僅可以教授幼兒特定技術，而且可以教授計算思維等高級思維技能[12]。也進一步說明，4歲以上的兒童就可以掌握計算思維的強大思想[13]。編程環境是一種功能強大的可重構計算媒體，促使兒童在解決問題的過程中，以清晰、簡潔的方式分析、組織、表達和評價自己的思想，幫助兒童讓自己的思考過程外顯，通過外化的思考來檢驗自己的想法，反思自己的表現[14]，這個過程不僅強化了計算思維能力，還幫助兒童形成了認知靈活性，進而做到知識的遷移。本研究的結果也為5～6歲的兒童能夠理解表征和抽象的概念提供了實證研究證據。

（二）實驗組幼兒在抽象、重復循環、分解上的表現均顯著優于控制組

本研究發現，實驗組幼兒在抽象上的得分顯著高于控制組，說明經過編程學習，幼兒對生活化情景的判別更加清晰明確，能夠更好地抽象出該情境中各項步驟的關系并進行運用。這項結果符合學界的一些觀點，即幼兒學習編程有助于抽象能力的提升。重復循環對幼兒來說是較為復雜的概念，但實驗組幼兒得分仍顯著高于控制組，本實驗觀察到，大部分幼兒可以單獨使用循環進行編程，甚至一些幼兒可以將循環和條件相互嵌入，設計出含有嵌套結構的復雜程序，這說明5～6歲的幼兒能夠理解非線性的指令。分解是將復雜的任務分解為多個部分或一系列較簡單的子任務的過程，經過編程學習，幼兒可以很好地掌握分解的概念。這與帕默（Palme r）的研究一致，即幼兒能夠將編程結構分解成較小的部分，在有限的時間內完成任務[15]。證實幼兒能夠理解分解的概念，這不僅是順序邏輯思維的應用，也是解決問題的過程。

（三）男孩的計算思維能力顯著高于女孩

本研究表明，幼兒的計算思維水平存在顯著性別差異，男孩在排序和重復循環上的得分顯著高于女孩，而在抽象、分解、調試、推理四項上無顯著差異。這個結果與之前的研究不一致，科魯庫（Korucu）等人的研究表明計算思維水平并沒有性別上的顯著差異。雖然女性相比于男性需要投入更長的時間來學習相同的計算思維技能，但這并不意味著他們性別上的顯著差異[16]。本研究證實幼兒的計算思維學習是存在性別差異的，特別在排序和重復循環這兩項能力上。編程學習有效促進了男孩排序能力的增長，對機器人進行編程時，就必須對機器人的命令進行排序，按正確的順序放置對象并進行操作，男孩在解決問題時，會聯想到編程命令的排序，思考事物的邏輯順序，女孩雖然排序能力也獲得了進步，但在將其遷移到編程之外的應用上有一定困難。男、女孩在重復循環概念上的顯著差異，說明重復循環對女孩可能是更具復雜性和挑戰性的概念。女孩在編程過程中往往難以明確應該對哪個指令執行重復循環，又或者是她們容易混淆結束塊和結束重復塊。此外，重復循環還需要運用數值，女孩在抽象出執行命令所需的數值上會出現問題，可能跟她們需要比男孩付出更長的時間去轉化有關[17]。

（四）低分組兒童計算思維能力的提升顯著高于高分組兒童

實驗表明，低分組計算思維的提升顯著高于高分組，這與海基拉（Heikkil ）等人的研究結果一致。實驗中低分組的弱勢可能來自自身生理條件、家庭經濟條件、社會科技條件和整體教育缺失等多個方面[18]，但本研究發現，事先沒有接觸過計算思維教育的孩子反而會表現得更加努力，這些頗具挑戰性的內容使得在計算思維領域處于弱勢的兒童取得更大的收獲，不僅僅是計算思維能力的提升，更是幼兒社會性、個性、動作和語言的全面發展。因此在學前階段，幼兒計算思維能力的高低，不能成為教師對幼兒形成觀念定型和偏見的依據，教師應在計算思維培養的過程中理解幼兒差異，提供有區分度的教學。

五、教育建議

（一）重視幼兒編程和計算思維能力的培養

幼兒編程和計算思維的學習需要教師和家長的共同努力。一方面，教師自身計算思維能力的提高是為幼兒提供計算思維教育的重要前提。教師應當完善計算思維理論基礎，深入理解計算思維內涵，將編程納入幼兒教學課程，有的放矢地實施編程啟蒙教育。另一方面，家園合作是促進幼兒編程教育良好發展的重要因素。計算思維課程更加適合小組教學，且在現實背景下，諸如平板或者不插電編程等的機器人教具也許會在家庭中得到更好的解決。

因此，幼兒園可以向家長宣傳計算思維的重要性，同時介紹各類兒童編程工具，特別是一些幼兒編程網站和優質的玩教具。家長也應隨時關注孩子的發展情況，對幼兒園編程教育的實施表示理解，共同為幼兒計算思維能力的發展做出努力。

（二）實施有針對性的編程和計算思維教育

編程學習是幫助幼兒掌握抽象、重復循環等計算思維能力的有效途徑。因此，教育者應當充分發揮編程學習的價值和優勢，有效挖掘編程課程中所蘊含的計算思維要素。在教學過程中，教師需了解幼兒已有的能力水平和生活經驗，在此基礎上著眼于幼兒的“最近發展區”。對于幼兒難以掌握的計算思維內容，例如重復循環，教師可以先以啟蒙為主，將涉及該部分內容的編程課程拆解成更加細致的教學活動，放慢教學速度，逐步提高任務的難度，引導幼兒了解其存在的具體意義并運用到實際當中。此外，教師可以結合趣味性的編程教學，鼓勵幼兒運用已掌握的計算思維能力去探索新的知識和領域，幫助幼兒取長補短，從而發揮潛能。

（三）尊重幼兒在計算思維學習上的性別差異

男、女孩在計算思維的學習上存在性別差異，教師應針對男、女孩采用不同的教學方法。對于男孩來說，尤其對于排序和重復循環的學習，教師可以提供難度稍大、更具挑戰性的任務，促進其計算思維進一步的發展，滿足有差別的認知需要。對于女孩來說，教師可以關注多樣化的任務，面對同樣的任務，可以給予女孩更多的時間去考慮，或者在同樣的時間下，可以為女孩提供不同要求的任務。除此之外，性別上的差異也為教師促進孩子們的合作交流提供契機。在開展編程活動時，教師可以有選擇地進行分組，積極促進同伴合作，發揮幼兒的主動性，大膽鼓勵幼兒合作解決更多問題。

（四）對幼兒的計算思維學習進行合理的評估

幼兒對于計算思維的掌握程度存在差異，正是這種差異對我們的教育發出挑戰并提出更高的要求。教師要及時對幼兒計算思維的學習與發展情況進行合理的評估，為下一階段的教學提供方向和依據。同時，教師也要相信每一個幼兒都有學習計算思維的潛能，只是接受程度有快有慢，要精心發掘不同幼兒擅長的能力，力求使每一位幼兒都感受到成功的喜悅。讓其在兒童早期具有與編程愉快邂逅的經歷，這將為他們適應現代化社會，引領數字化潮流奠定堅實的基礎。

六、研究反思

本研究對細分后的六項計算思維能力進行了比較，發現了不同維度下各項水平上的差異。但是幼兒在運用這六個不同方面的能力時，其加工處理的機制是否會不一樣，背后的影響因素又有哪些，還需要更多深層次的研究來解釋這些差異。本研究還分析了幼兒在計算思維方面的性別差異并肯定了這種差異的存在。但由于時間等其他條件的限制，無法再做進一步的追蹤研究，沒有能夠調查性別差異的動態進展情況。如果持續一段時間的研究，或者使幼兒接觸類似的編程學習，這種差異是否還會存在，它會怎樣發展，未來研究可以更多關注這方面。

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本文系江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目“編程學習培養幼兒計算思維能力的實驗研究”（項目編號：202010332067Y）、江蘇省高校哲學社會科學一般項目“編程學習對3-6歲兒童計算思維的影響”（項目編號：2020SJA1384）的研究成果之一。

通訊作者：陳翠，ccyingying@163.com

（責任編輯 張付慶）