國內外學前兒童計算思維研究述評

張新立，陳禹辰，鮑一維，胡來林

（溫州大學教育學院，浙江溫州 325035）

一、引言

人工智能時代，計算機、人工智能等數字技術滲透至人類生活的方方面面，計算思維已成為21 世紀個體的必備素養。對于計算思維的起源最早可以追溯至20 世紀中葉，人工智能教育先驅西蒙·派珀特（Seymour Papert）教授提出的編程思維［1］。再到2006 年，美國卡梅隆大學的周以真（Jeannette M.Wing）教授為計算思維下定義：“一種運用計算機科學的基本概念，以解決問題、設計系統和理解人類行為的方式”，并指出“計算思維是面向所有人的普適技能，與讀寫算一樣重要”［2］。此后，計算思維才真正開始向世界各國普及，并推向應用實踐層面。自2011 年起，美國、英國、澳大利亞、芬蘭等發達國家開始將計算思維寫進K-12 課程標準［3］。我國也于2018 年首次將計算思維作為學科核心素養寫入《普通高中信息技術課程標準（2017 版）》［4］。同時，2022 年3 月我國將計算思維納入《義務教育信息科技課程標準（2022 版）》之中［5］。可見，計算思維的培養深受世界各國政府的重視。近年來，全球計算思維的培養開始呈現“低齡化”趨勢［6］。學前教育是個體學習與生活的開端，對未來成長發展至關重要。目前已有學者指出：從早期開始培養兒童的計算思維對他們的認知與行為發展具有積極的影響［7］。未來，人類將與智能機器水乳交融。新世紀的兒童將在豐富的智能技術環境中成長，他們是人工智能時代的“掌舵手”，學習計算思維能幫助他們理解未來社會運作的本質。因此，從小開始培養計算思維能使他們更好地面向未來、適應未來、改造未來。

通過文獻調研發現：國內外已有學者開始從實證角度來探討兒童計算思維的培養。然而，當前尚未有研究對學前兒童計算思維的研究進行全面梳理。相比于其他年齡段的兒童，學前兒童的身心發展具有特殊性，需要進行單獨探討。因此，本研究結合文獻計量法與內容分析法，對國內外30 篇實證研究進行系統性文獻綜述，以此全面了解國內外學前兒童計算思維培養的研究現狀與發展趨勢，并立足現狀提出建議，以期為未來我國學前兒童計算思維的培養提供有益參考。

二、研究設計

（一）研究方法

本研究聚焦學前兒童計算思維的培養，采用了文獻計量法與內容分析法進行系統性文獻綜述。首先，文獻計量法能通過表征本領域的文獻數量與載文狀況，有助于快速把握本領域的發文趨勢、高產學者、科研機構等關鍵信息［8］；其次，內容分析法能對已有研究作客觀、系統的量化并加以層層推理，以此來歸納本領域的研究現狀與趨勢。內容分析的一般步驟為確定與篩選樣本、設計類目表格、評判記錄、效度分析、統計分析等［9］。結合本研究實際，具體實施步驟如下。

（二）文獻篩選

研究樣本來源于國內外權威的社會科學引文數據庫，其中英文來自Web Of Science，中文來自知網（CNKI）。因學前兒童計算思維的研究進程不長，則本研究未限制樣本時間年限，搜索時間截止至2022 年7 月31 日。具體篩選過程如圖1所示：首先，通過中英文數據庫高級檢索功能，對主題詞“學前兒童”“計算思維”及其近義詞進行全面檢索獲得436 篇文獻，移除重復樣本后獲得421 篇；同時，通過閱讀標題和摘要剔除不相關與重復文獻，初步獲取102 篇樣本；接著，根據遴選標準，留得20 篇樣本文獻；隨后，深度閱讀樣本文獻，通過滾雪球法（snowball method）補充獲得樣本10 篇；最后，共計獲得文獻樣本30 篇，其中國內7 篇，國外23 篇。

圖1 文獻篩選流程

文獻遴選標準為：（1）文獻類型為教育實證類研究，排除綜述與理論性文獻；（2）文獻來源需為具有影響因子的期刊或碩博論文，排除會議論文、專著等；（3）研究對象聚焦學前兒童，年齡區間為3-6 歲；（4）文獻主題需是計算思維，排除單純的編程教育。

文獻篩選環節由該領域的兩名碩士研究生進行，該環節的一致性系數為0.96，說明本次結果有效。

（三）類目表設計

結合本研究目的與已有研究成果，初步設計了學前兒童計算思維內容分析類目表，然后將初稿分發給了三名權威專家咨詢意見（教授、副教授與一線教師各一名），最終根據反饋意見形成了類目表定稿，具體如表1 所示。

表1 學前兒童計算思維培養的內容分析類目

（四）評判記錄

參照內容分析類目表，兩名編碼者對30 篇文獻樣本展開獨立編碼。評判編碼環節采取0-1記分法，若樣本文獻具備某二級類目的指標則記1，反之記0。若發現樣本同時包含同一類目的多個指標，則均記1。例如，某樣本文獻的培養目標即包括計算概念與計算實踐，則這兩個指標均記1。在評判完成后，統計了各類目的頻次與占比。

（五）一致性檢驗

為了檢驗編碼評判環節的可靠性，統計了兩名編碼者的編碼一致性為0.94，達到較高的信度。對于有爭議的評判進行討論，最終達成一致。

三、結果描述與分析

（一）文獻計量分析

統計發文時間與發文數量能從一定程度上客觀地反映目前該領域的發展規律，并預測未來趨勢。根據圖2 來看，國外有關學前兒童計算思維的實證研究最早出現在2013 年，而我國則最早出現在2020 年，相較于國外起步較晚。究其原因，可能是國外與國內分別在2011 年與2017年首次將計算思維的培養納入K-12 教育，針對學前兒童的計算思維研究需要一定的下沉與轉移時間。近年來，隨著各國教育者對學前兒童計算思維培養的重視，相關研究數量總體呈緩慢上升趨勢，在2020 年迎來了頂峰。截至目前，國外有23 篇相關文獻，而國內僅有7 篇，相較于國外較為落后。且從總樣本量上看，相較中小學段計算思維的研究略顯單薄［10］，可見本領域值得未來研究者展開深入探討。

圖2 發文數量與時間統計

統計作者及其所屬機構有助于快速把握本領域高產科研群體的分布，便于未來研究者進行參考與借鑒。本研究對第一作者進行了統計分析，在本領域發文2 篇的作者分別為塔夫茨大學的Marina Bers，塔夫茨大學的Amanda Sullivan，薩拉曼卡大學的Yen Caballero Gonzalez 和烏拉圭共和國大學的Anaclara Gerosa，其余學者均以第一作者發文1 篇。表2 給出了第一作者所屬機構發文數量的統計情況。可以看出，論文作者的所屬機構在發文數量上可以被分為三個梯隊。其中，塔夫茨大學以7 篇領跑，說明該校對此領域的關注度較高。接下來是發文數量為2 篇的院校，包括華中師范大學、上海師范大學、香港大學、烏拉圭共和國大學、薩拉曼卡大學、國立宜蘭大學與塞浦路斯大學，其余院校均發文1 篇。值得注意的是，本領域的科研團隊主要集中在高校，而學前一線教師對本領域關注較少，他們的整體教研水平有待提高。

表2 第一作者所屬機構統計

（二）研究設計分析

1.研究性質

根據不同的研究性質，可以將學前兒童計算思維研究分為定性研究、定量研究與混合研究。從表3 可以發現，目前在本領域定量研究最為普遍（19 篇），研究者多通過分組比較和量化統計分析驗證計算思維培養的有效性；其次為混合研究（9篇），混合研究強調通過以質性與量化數據結合來探討教學干預的有效性，有學者指出這種研究取徑能夠較好地彌補單純使用定量或定性數據所帶來的缺陷［11］；數量最少的是以分析課堂觀察、視頻觀察等數據為主的定性研究（2 篇）。

表3 研究性質數量統計

2.研究環境

學前兒童計算思維培養的研究環境主要分為正式與非正式兩種。正式環境指幼兒園課堂教學環境，非正式環境即為幼兒園教學以外的教學環境，例如夏令營［12］、課外興趣班［13］等。根據統計結果發現在正式環境中培養學前兒童計算思維最為常見（22 篇），而在非正式環境展開相關研究的數量較少（8 篇）。其中，個別研究在文獻提及了在非正式環境開展實證研究的原因是未得到相關學校與教育部門的同意。值得一提的是未來的研究者需要積極向教育部門與一線學校普及培養幼兒計算思維的重要性，并獲得他們的支持，這樣才能拓展與深化未來幼兒計算思維教育的研究。

3.樣本年齡

為了解本領域研究關注的年齡層次，按照學前教育的年齡段將其劃分為3～4 歲、4～5 歲與5～6 歲。考慮到上述分組外，有研究出現了個別3歲以下的學前兒童，則增列了“3 歲以下”的分組。根據圖3 可知，當前計算思維培養關注5～6 歲的兒童最多，占總數的一半。然而，目前已有學者證明3～4 歲左右的低齡段兒童也能掌握計算思維的部分概念［14-15］。因此，未來研究可以關注低齡段兒童的計算思維培養，并細化與比較不同年齡段兒童的學習效果。

圖3 樣本年齡統計

4.干預時長

為更準確解讀本領域的研究設計，本研究統計了教學干預時長。根據文獻閱讀得知，對學前兒童計算思維教學干預最久的是48 小時，最短的是2 小時。通過統計發現：計算思維教學時間在10小時以上的最為常見，說明當前多通過較長時間對學前兒童的計算思維進行干預（如圖4 所示）。其原因可能是受學前兒童的認知特征的影響，兒童的接受能力有限，無法在單次課、短時間內習得較多的知識，需要較長課時的干預才能達到預期的效果。此外，可以注意到有16.7%的文獻未報告計算思維教學干預的時長，這影響了研究結論的可解讀性。

圖4 干預時長統計

（三）教學設計分析

1.培養目標

對于計算思維培養目標的分類，學界還未形成統一的觀點，不同學者就此提出了不同的觀點。其中被廣為接受的是美國學者布倫南（Brennan）和雷斯尼克（Resnick）提出的計算思維三維目標：計算概念指程序員所使用的概念，包括序列、循環、并行等；計算實踐指程序員設計程序時解決問題的方法，包括增量與迭代、測試與調試等；計算觀念指程序員對世界與自我的觀念，包括表達、聯結與質疑［16］。在實際教學過程中，多數研究者對學前兒童計算思維的培養目標不是單一的，而是多樣化的。本研究則參考了計算思維的三維目標對現有研究進行了統計。如表4 所示，在30 篇文獻中，涵蓋計算概念培養文獻為29 篇，占比最大，其次為計算實踐的培養23 篇，然而僅有11 篇關注了學前兒童的計算觀念。說明目前學界多關注對學前兒童計算概念與計算實踐的培養，而對他們的計算觀念關注尚少。究其原因可能是：一方面，研究者對培養學前兒童計算觀念的意識較為薄弱；另一方面，調查學前兒童計算觀念的各項指標相對復雜，且多數幼兒的語言系統尚未成熟、表達能力有限，缺乏科學的工具對他們的計算觀念進行調查與測量。

表4 培養目標統計

2.培養工具

學者Yu 和Roque 對兒童計算思維培養工具進行了分類，將其分為實體工具、虛擬工具與混合工具三大類［17］。實體工具通常指看得見、摸得著的實物，其下設兩類：一類是插電實體工具，通常為實體編程（如KIBO 套件、瑪塔機器人套件、Bee-Bot，Colby mouse 等）；另一類是不插電實體工具，比如積木、卡片、故事排序圖等。虛擬工具意指基于計算機或平板屏幕的編程工具，如Scratch Jr、暢學編程平臺等。混合工具指由實體和虛擬工具相結合的編程教學工具，其包括帶虛擬編程塊的混合工具（如LEGO WeDo，LEGO RIS 等）與帶實體編程塊的混合工具（如Reberto，Puzzlets 等）兩種。圖5 展示了部分學前兒童計算思維培養工具的典型示例。

圖5 學前兒童計算思維培養工具示例

本研究根據上述分類統計了現有研究所使用的培養工具，根據表5 可知，目前國內外學前兒童計算思維領域最為常見的培養工具為實體工具（66.7%），接下來依次為虛擬工具（16.7%）與混合工具（13.3%），而在總體樣本中未發現有研究使用了帶實物編程塊的混合工具。學前階段的兒童處在皮亞杰認知發展階段論的前運算階段，他們認為“萬物有靈”，且他們能夠理解符號并使用符號；同時在該階段，兒童的動作技能、視覺技能與語言技能正在迅速發展［18］。實體工具有看得見、摸得著、具象化、操作簡便、提供真實交互等特點［19］，與學前兒童的身心特征相適應。美國兒科協會指出：5 歲以下兒童長時間注視屏幕有損視力，應限制幼兒面對電子屏幕的時間。以上可能便是目前研究中多使用實體工具來培養幼兒計算思維的原因所在。同時，我們可以發現在三類工具中，總體以插電的編程工具最為常見，這從一定程度上反映了目前該領域的一種趨勢。

表5 培養工具統計

3.組織策略

學習組織策略的選擇會對教學成效具有一定的影響。在當前學前兒童計算思維的學習組織策略選擇上，主要以獨立學習、合作學習及獨立與合作相結合的混合學習方式展開。通過對文獻樣本的統計發現（如圖6 所示），目前主要以獨立學習的方式展開（11 篇），其次為合作學習（9 篇）與混合學習（4 篇）。究其原因可能有以下幾點：首先，當前培養學前兒童計算思維的學習組織策略可能會受教學工具的價格、性質等因素影響，例如瑪塔、KIBO 等編程機器人套件的價格相對較高，部分學校無法為每位幼兒配備一套工具，而像卡片、自制玩具等價格相對便宜，易于展開獨立學習［20］；其次，由于受該階段兒童身心發展特征的影響，幼兒在該階段以自我為中心，他們的共享行為多為利己性、被動共享［21］，那么在課堂中共享學習工具可能會對課堂管理與實際教學成效產生一定的影響。同時，我國學者劉敏與汪瓊認為在計算思維的培養過程中，獨立學習并不是最佳的組織形式，而合作學習則被證實是行之有效的學習策略［22］。但也有學者發現兒童在合作學習時調試、并行等能力的培養效果有限［23］。如此看來，在學習組織策略的選擇上需與幼兒身心特征、教學目標、教學工具等方面相適應。

圖6 學習策略統計

（四）教學評價分析

評價在計算思維培養過程中占據著重要的地位。評價是開展有效教學活動的依據,也是了解幼兒計算思維發展的證據［24］。表6 總結并梳理了當前學前兒童計算思維實證研究中常用的評價方法、支持工具及特點,其主要包括題目測試法、話語分析法、作品分析法、態度調查法和行為分析法。

表6 學前兒童計算思維評價方法

題目測試法指編程測試題、技能轉移測試題等，是計算思維評價中較為常見的評測方法，如Bebras Tasks［25］，Solve-Its Tasks［26］等。題目測試能清晰反應幼兒計算思維學習前后的變化，且效率高，便于在大樣本中使用，但是由于幼兒的識字能力有限，需要配有相應的輔助人員，在測試題的開發上也有一定的難度。在目前的研究中，研究者常結合實際教學內容，通過改編已有的測試題對幼兒計算思維展開評測。

話語分析法主要指半結構化訪談、有聲思維等，研究者往往借助訪談提綱與兒童進行問答，以挖掘他們對相關問題的真實解讀，如廖曼江在研究中使用了編程問題解決訪談提綱以深入了解幼兒在學習過程中的感受與想法［27］。話語分析法關注了幼兒對計算思維的深度表達，但有一定的有時間滯后性，其回答易受主觀性影響，對于研究者來說耗時耗力、編碼難度大。

作品分析法強調對兒童完成的編程項目進行分析，借助評分表來評測兒童對計算思維相關概念與技能的掌握情況。例如西班牙學者借助了SSS評分表對幼兒的編程作品進行評分［14］。作品分析法旨在關注兒童作品中代碼塊的使用及解決問題的方案，是一種總結性評價，這種評價方法忽視了幼兒在學習過程中的表現，而且對打分者的能力與作品評分表的設定有一定的要求。

態度調查法指借助問卷或量表來調查兒童的學習態度，是一種自我評價。這種評價方式常見于年齡較大的兒童，在學前階段較為罕見。例如韓國學者Cho 和Lee 在研究中使用了計算思維學習自評問卷與學習興趣問卷［28］。與其他評價方式不同的是，態度調查法的主體為幼兒，它關注幼兒在計算思維學習過程中各方面的看法，但這種評價方式具有時間滯后性，易受主觀因素影響，無法保證結果的可信度，且幼兒對文字理解程度有限，需配備一定的輔助人員。

行為觀察法指是一種在課堂中直接觀察或借助視頻錄像等方式觀察與記錄兒童學習行為表現的定性評價方式。例如國內外學者在課堂中借助了PTD 量表對幼兒的積極行為進行觀察與評分［12，15，29］。這種方法能詳細記錄幼兒在學習過程各方面的表現，但對于研究者來說分析難度大，且耗時耗力，不利于大樣本分析。

通過統計發現，有14 篇的研究應用了多種評價方法來評測學前兒童的計算思維，而有過半的研究（16 篇）僅使用了單一方法對幼兒的計算思維進行評測。如圖7 所示，目前國內外學前兒童計算思維教學中最常見的評價方法為行為觀察法（56.7%）和題目測試法（53.3%）。結合上述對各類評價方法特點的闡述，究其原因可能是受學前兒童的語言表達、自我認知與識字能力等因素影響，開展態度調查、訪談等評價方式難度較大。而通過視頻或課堂行為觀察，可以詳細記錄幼兒的學習過程，并根據目的展開多角度的分析，以此幫助我們了解幼兒計算思維的發展情況。同時，題目測試題能夠清晰反應幼兒在教學前后計算思維的變化，這種方式操作簡單、效率高，便于大規模使用。

圖7 評價方法統計

四、結論與建議

（一）研究結論

本研究結合了文獻計量法與內容分析法對國內外30 篇學前兒童計算思維培養的實證研究進行了全面梳理，得到了以下結論：（1）從文獻計量上看，相較于國外，目前我國學前兒童計算思維研究較為薄弱，仍處于起步階段。全球在學前兒童計算思維研究領域，研究力量主要集中在高校最活躍的研究機構為美國塔夫茨大學；（2）從研究性質看，以定量研究為主，其次為定量與定性結合的混合研究，定性研究最少；（3）從樣本年齡來看，目前多關注5～6 歲的學前兒童，而對低齡段的關注較少；（4）從干預時長看，教學干預時間為10 小時以上的研究居多；（5）在教學工具方面，目前國內外普遍使用實體工具來培養學前兒童計算思維，且其中插電的實體編程工具居多；（6）在培養目標上，國內外目前對幼兒計算概念和計算實踐的培養關注較多，而對計算觀念的關注較少；（7）在學習組織策略上，以獨立學習較為常見；（8）在教學評價方面，主要使用了題目測試法、話語分析法、作品分析法、態度調查法和行為分析法，其中應用最為普遍的是行為觀察法與題目測試法。同時，發現了有過半的研究僅使用了單一的評價方法。

（二）研究建議

針對目前國內外學前兒童計算思維培養的研究現狀，本研究為未來我國學前兒童計算思維教育的發展提出了以下可行的建議：

1.重視幼兒計算思維培養，加快構建幼兒計算思維培養體系

雖說國內已逐步提出在義務教育、普通高中與高等教育階段開展計算思維教育，但尚未頒布有關幼兒計算思維培養的綱領性文件。目前，有極個別幼兒園在開展幼兒編程班的試探，而校外主要以企業推廣為主。相較于國外，我國目前對學前兒童計算思維的研究總體上較為落后。未來，智能技術將加速發展，與人類生活水乳相融。計算思維作為個體解決問題的思想與方法，能幫助他們更好地適應未來紛繁復雜的世界。學前兒童正處于發展的關鍵期，受外界的干擾較少，具有較強的可塑性。因此，政府有關部門應加速推進幼兒計算思維培養體系的構建，將幼兒計算思維教育落向實處。同時，目前該領域的研究力量主要集中在高校，學前一線教師對該領域的關注較薄弱。針對這一現象，廣大一線教師也應樹立培養幼兒計算思維的觀念，在日常教學中積極展開試探與研究。

2.結合幼兒身心發展特點，選擇有效的教學工具與教學策略

本研究發現，現有文獻中三類教學工具均有一定的研究基礎，其中實體編程工具的應用最為普遍。相較于其他兩種工具，實體工具在外觀、顏色等方面更適宜學前兒童的認知特點，幼兒能通過直接操作、具身體驗教學工具參與學習活動。因此，關注培養工具的身心適切性是有必要的。在實體工具中，插電的實體編程對于部分幼兒園來說，價格相對高昂。本研究建議研究者以幼兒園日常活動為抓手［30］，借助繪本［31］、自制的不插電實體工具來培養幼兒的計算思維。有條件的幼兒園則可以選擇實體編程來培養幼兒的計算思維。同時，研究表明不同的教學策略對幼兒計算思維的發展具有直接的影響。因此，在未來的研究中應重視有效教學策略的應用。

3.加強非認知層面的關注，強調幼兒計算思維目標的全面性

目前學前兒童計算思維教學多指向計算概念與計算實踐，且重點聚焦序列、循環等計算概念的培養。值得一提的是，幼兒在學習過程中的交流、合作等非認知因素也屬于計算思維培養目標的范疇，而當前對該方面的研究較為薄弱。研究者需注意到計算思維教育在于培養幼兒對思維的遷移與實際問題的解決能力，不僅要關注幼兒計算概念與技能的掌握，也應重視他們在學習過程中的態度與行為傾向。因此，未來研究應關注幼兒計算思維的全面發展，并針對幼兒構筑科學的計算思維培養體系。

4.科學評價幼兒計算思維，采用多樣化的計算思維測評方式

由于學前兒童身心發展的特殊性與計算思維本身的復雜性，造就了評價幼兒計算思維需要組合多種方式，以此才能全面且深入地了解他們計算思維的變化與發展。但目前仍有半數以上的研究僅采用了單一的評價方法，這樣易造成研究結果的片面化。因此，未來的研究有必要考慮幼兒的身心特點與教學內容，展開多元化的混合評價，采用質性與量化相結合、過程性與總結性相結合的方式，以推動評測結果的全面性。同時，在選用評價工具時，應注重科學性。在選用外來評價工具時，要按照流程嚴格進行漢化與修訂，使其與本土的教育文化相適應。