面向幼兒計算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式構(gòu)建
——以實體編程為例

鄭丹 楊剛 陳際煥 李學(xué)亮 李倩 溫州大學(xué)教育學(xué)院

計算思維自2006年周以真(Jeannette M.Wing)教授提出以來，受到各領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。[1]近年來，在對計算思維的探索過程中,很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，學(xué)齡前兒童具備編程學(xué)習(xí)能力，且基于編程培養(yǎng)幼兒計算思維被認(rèn)為是一種有效的途徑。[2-3]隨著技術(shù)的發(fā)展，大量可視化、易操作的編程工具被開發(fā)，為幼兒學(xué)習(xí)編程提供了良好的條件。然而由于幼兒教育的特殊性，編程教學(xué)仍舊遇到不少的挑戰(zhàn)，幼兒計算思維培養(yǎng)該以何種路徑實施值得深思。

● 幼兒計算思維內(nèi)涵與培養(yǎng)困境

1.幼兒計算思維內(nèi)涵：計算思維習(xí)慣的養(yǎng)成

計算思維是一個具有階段性、學(xué)科性和領(lǐng)域性的綜合性概念，其本質(zhì)是抽象和自動化[4]，培養(yǎng)幼兒計算思維是向幼兒教授計算機科學(xué)最重要的目標(biāo)之一。[5]探究幼兒計算思維培養(yǎng)內(nèi)涵在一定程度上回答了計算思維與編程教學(xué)之間的關(guān)系。美國學(xué)者布倫南(Brennan)和雷斯尼克(Resnick)認(rèn)為計算思維包括計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度。[6]根據(jù)美國計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）為計算機科學(xué)相關(guān)教學(xué)制訂的核心能力標(biāo)準(zhǔn)，計算思維在不同階段有不同的特點與側(cè)重，按照不同年齡階段將學(xué)習(xí)者分為三個等級。[7]第一個等級是針對幼兒園到小學(xué)六年級的學(xué)生，主要培養(yǎng)學(xué)生對計算機科學(xué)概念的理解，從計算思維的角度來看，該階段主要是通過簡單的計算實踐體驗來促進(jìn)幼兒對計算概念的理解，從而初步形成計算觀念。

編程涉及問題解決、掌握概念和技能的認(rèn)知層面，也包含情感表達(dá)和社會交往的非認(rèn)知層面。[8]因此，在計算思維培養(yǎng)上，編程成為最主要的途徑。[9]以編程培養(yǎng)幼兒計算思維需注重計算思維概念的掌握、計算思維實踐的體驗和計算思維觀念的形成，進(jìn)而幫助幼兒在生活當(dāng)中養(yǎng)成計算思維習(xí)慣，利用計算思維去解決生活中的問題。

2.幼兒計算思維培養(yǎng)困境：從認(rèn)知到工具，再到教學(xué)

學(xué)齡前兒童正處于前運算階段，這時期幼兒認(rèn)知水平較低，學(xué)習(xí)呈現(xiàn)出明顯的具象性，不具備成熟的識字和使用計算機的能力。[10-11]因此，以編程的方式培養(yǎng)幼兒計算思維仍面臨著認(rèn)知、工具和教學(xué)三個層面的挑戰(zhàn)。[12-13]在認(rèn)知層面，由于幼兒處于認(rèn)知發(fā)展前期，在處理信息、邏輯思維、去中心化以及記憶復(fù)雜信息上都存在困難，因此他們很難在進(jìn)行編程的同時處理程序步驟過多、任務(wù)復(fù)雜、規(guī)則煩瑣的信息。[14]在工具層面，由于學(xué)齡前兒童不具備成熟的識字、計算和抽象推理能力，在學(xué)習(xí)過程中傾向于具體、步驟簡潔的思維方式，這導(dǎo)致對教學(xué)工具的選擇要求較為苛刻。常用的圖形化編程和文本編程很難符合幼兒的思維方式。[15]在教學(xué)層面，由于幼兒專注力持續(xù)時間較短、學(xué)習(xí)韌性較低以及明顯的自我中心性，在學(xué)習(xí)過程中難以將概念性的想法轉(zhuǎn)換到實踐活動中[16]，如果教學(xué)中任務(wù)過難、方法枯燥、幫助較少，幼兒會失去繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

● 幼兒計算思維培養(yǎng)途徑：來自編程工具的視角

高質(zhì)量的學(xué)前教育對幼兒未來的學(xué)習(xí)會產(chǎn)生積極的影響[17]，而我國基于編程培養(yǎng)幼兒計算思維方面的研究還處于初步探索階段，工具理性的培養(yǎng)方式忽視了幼兒自身的特點，導(dǎo)致效果并不理想。因此，如何針對幼兒獨特的發(fā)展需求和認(rèn)知能力選擇合適的教學(xué)方式成為重點。有研究者以編程工具為視角，探索了不同編程工具對幼兒計算思維發(fā)展的影響，發(fā)現(xiàn)實體編程可以有效促進(jìn)幼兒計算思維能力、精細(xì)的運動技能、手眼協(xié)調(diào)能力、合作能力的發(fā)展。[18]實體編程是通過一系列物化的編程指令，使得幼兒可以直接觸摸、操作和觀察編程過程，幫助幼兒在編程過程中理解傳感器模塊事件的觸發(fā)機制從而掌握編程概念。實體編程工具避開了幼兒在計算機中的操作困難，為幼兒提供了更大的探索空間[19]，具有零基礎(chǔ)啟蒙的優(yōu)勢，比較符合幼兒的思維特征。[20]筆者列舉了常用的實體編程工具，如下表所示。

● 面向幼兒計算思維的教學(xué)模式構(gòu)建和案例設(shè)計

1.教學(xué)模型的建構(gòu)

本文以幼兒計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)，提出“情境體驗、模型構(gòu)建、算法實現(xiàn)、總結(jié)反思和應(yīng)用遷移”五階段的教學(xué)模式（如下圖），以期探索計算思維核心能力培養(yǎng)與幼兒編程教學(xué)耦合的實踐路徑。

（1）情境體驗階段

情境體驗的核心目的是激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)興趣、激活幼兒的先驗知識和培養(yǎng)幼兒的問題意識。該階段教師的主要任務(wù)是創(chuàng)設(shè)貼近幼兒真實生活的問題情境，即教師通過講故事、視頻或圖片呈現(xiàn)的方式將幼兒引入所創(chuàng)設(shè)的情境中，對教學(xué)問題進(jìn)行定性表征。幼兒的核心任務(wù)是結(jié)合自身的先驗知識從情境中發(fā)現(xiàn)問題，對教學(xué)問題進(jìn)行首次表征和選擇，但這時幼兒對問題的認(rèn)識并不完整，教師需要在為幼兒發(fā)現(xiàn)問題提供引導(dǎo)的同時講授新知，為接下來的深入探究奠定基礎(chǔ)。

（2）模型構(gòu)建階段

工具 年齡 特點mBOT 3歲以上 幼兒入門機器人，通過積木式編程發(fā)展計算思維Cubetto 3～6歲 無屏幕機器人，通過不同顏色的指令編程塊驅(qū)動機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作MatataLab 3～9歲 無屏幕機器人，兒童通過編輯編程塊控制機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作KIBO 4～7歲 無屏幕機器人，兒童通過設(shè)計、創(chuàng)建、裝飾機器人的過程培養(yǎng)計算思維Bee-BOT 5～7歲 小型桌面機器人，幼兒通過機器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、暫停、清除和前進(jìn)七個按鈕實現(xiàn)自己計劃T-Maze 5～9歲 通過放置編程塊來建構(gòu)計算機程序，能夠提供實時圖像和語音反饋

模型建立是幼兒計算思維培養(yǎng)的核心階段，其主要目的是幫助幼兒對問題解決方案進(jìn)行初步規(guī)劃。教師不僅需要為學(xué)生提供支架和學(xué)習(xí)案例，還需制訂適宜的活動規(guī)則，引導(dǎo)幼兒持續(xù)參與到活動中。

（3）算法實現(xiàn)階段

算法實現(xiàn)是對上一階段所建立的問題解決模型進(jìn)行驗證，具體體現(xiàn)為幼兒通過操作機器人和拼接編程塊來表達(dá)自己對程序概念的理解。該階段教師的主要任務(wù)是識別全體幼兒在編程過程中出現(xiàn)的共性問題，為幼兒提供過程性幫助以支持編程活動的繼續(xù)。幼兒的主要任務(wù)是編程實踐，通過同伴、教師、機器人等多方反饋驗證程序是否正確。該階段幼兒通過具體操作體驗來理解抽象的程序概念，比較符合幼兒認(rèn)知發(fā)展特征，同時又能夠鍛煉幼兒手眼協(xié)調(diào)能力。

（4）總結(jié)反思階段

總結(jié)反思階段的主要目的是對幼兒零散的學(xué)習(xí)進(jìn)行概括和總結(jié)，幫助幼兒形成完整的知識體系，強化幼兒的知識結(jié)構(gòu)，提升其反思能力、創(chuàng)新能力和計算思維能力。其中，教師需要對具有示范性的案例進(jìn)行展示，組織幼兒之間相互探討，誘發(fā)幼兒創(chuàng)新思維的發(fā)生。該階段是幼兒對編程活動、內(nèi)容重新思考和認(rèn)知的過程，幼兒在此階段可能會用到多種學(xué)習(xí)策略，對編程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行反復(fù)的修正和糾錯，尋找最佳解決方案，促進(jìn)思維向更高層次發(fā)展。

（5）應(yīng)用遷移階段

應(yīng)用遷移的主要目的是鍛煉幼兒獨立分析問題和解決問題的能力，促進(jìn)知識技能向?qū)嵺`應(yīng)用遷移。該階段教師的主要任務(wù)是設(shè)置符合幼兒認(rèn)知特征的遷移性任務(wù)，組織幼兒獨立完成，其中教師所設(shè)置的任務(wù)需具有一定的寬松度，以適應(yīng)不同水平的幼兒。幼兒的主要任務(wù)是根據(jù)教師所提供的遷移性任務(wù)，結(jié)合先前的案例進(jìn)行問題解決方案的設(shè)計以及編程實踐，其中，通過完成遷移性任務(wù)能夠幫助幼兒靈活應(yīng)用所學(xué)知識，促進(jìn)幼兒知識的內(nèi)化。

2.基于GIOE模型的教學(xué)案例設(shè)計

筆者以瑪塔（MatataLab）機器人作為教學(xué)工具，該課程案例的主題是“拯救我們的朋友”，幼兒和瑪塔機器人一起闖過重重難關(guān)拿到寶箱里的鑰匙救出自己的朋友。學(xué)生在有趣的故事情境中，運用編程塊編程使得瑪塔機器人能夠避開紅色的障礙物從起點到達(dá)寶箱的位置拿到鑰匙救出自己的朋友。

（1）情境體驗

教師：以講故事和PPT呈現(xiàn)的方式講述“拯救我們的朋友”故事發(fā)展線，引導(dǎo)幼兒思考如何可以救出被困的朋友；提出課程所包含的教學(xué)問題并講解新知，制訂活動規(guī)則。

幼兒：積極參與課堂互動，思考情境中的教學(xué)問題以及理解課程活動規(guī)則、目標(biāo)。

（2）模型建構(gòu)

教師：講解案例、不同編程塊指令的功能，引導(dǎo)幼兒設(shè)計問題解決方案。

幼兒：根據(jù)案例學(xué)習(xí)數(shù)字編程塊和運動編程塊的功能和區(qū)別,并思考問題。

（3）算法實現(xiàn)

教師：課堂觀察和監(jiān)督，提供及時幫助和指導(dǎo)。

幼兒：編程實踐和通過多方反饋對程序進(jìn)行調(diào)試和修改。

（4）總結(jié)反思

教師：對幼兒作品提供點評和知識總結(jié)。

幼兒：聽取教師、同伴的建議對程序進(jìn)行修改，積極分享作品思路。

（5）應(yīng)用遷移

教師：設(shè)置新的開放型任務(wù)，及時為幼兒答疑。

幼兒：完成新任務(wù)。

● 總結(jié)與展望

本文通過分析編程與計算思維之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示幼兒編程教學(xué)的內(nèi)涵與困境，探究符合幼兒認(rèn)知特征的編程工具，厘清了幼兒編程與計算思維之間的耦合關(guān)系，為幼兒開展計算思維教學(xué)提供了新思路。但要想更好地應(yīng)對幼兒計算思維培養(yǎng)中的困境，還需要不斷探索其他途徑。

1.人工智能賦能教育：拓展幼兒計算思維培養(yǎng)方式

當(dāng)前，基于人工智能的教育應(yīng)用成為幼兒日常生活的一部分，從智能玩具到AI教師，人工智能技術(shù)能夠詳細(xì)地記錄幼兒的學(xué)習(xí)過程，識別幼兒的學(xué)習(xí)狀態(tài)和分析幼兒的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為幼兒各方面的學(xué)習(xí)和測評提供“個性化”“精準(zhǔn)化”的支持與服務(wù)，與現(xiàn)代教育理念產(chǎn)生了良好的共鳴。因此，人工智能的出現(xiàn)在很大程度上增加了幼兒計算思維教育的可能性。

2.多樣化教學(xué)策略實施：深化幼兒計算思維發(fā)展路徑

當(dāng)前，關(guān)于幼兒計算思維課程的研究大多集中在編程工具上，對教學(xué)策略的研究卻很少。有研究發(fā)現(xiàn)，在幼兒教學(xué)課堂上，教師的教學(xué)策略、課堂管理風(fēng)格等因素都會對幼兒產(chǎn)生較大的影響。[21]所以，如何選擇和設(shè)計有效的教學(xué)策略是未來以編程為基礎(chǔ)深化幼兒計算思維發(fā)展的一大突破點，也是基于編程的教學(xué)方式能否真正被幼兒接受和理解的關(guān)鍵。

3.STEM跨學(xué)科思想：助力幼兒計算思維非認(rèn)知因素發(fā)展

將跨學(xué)科思想與幼兒計算思維培養(yǎng)相結(jié)合，開設(shè)綜合性的跨學(xué)科STEM課程，并將實體編程融入其中，能使學(xué)生體驗到計算思維在日常生活、科學(xué)探索中的重要性。它在培養(yǎng)智能時代所需的數(shù)據(jù)素養(yǎng)和計算思維的同時，也為幼兒搭建了一個系統(tǒng)解決問題的經(jīng)驗框架，促使幼兒在STEM教學(xué)活動中形成積極的學(xué)習(xí)態(tài)度、堅韌的學(xué)習(xí)意志、良好的思維習(xí)慣等，為幼兒今后的教育與發(fā)展提供動力與支持。[22]