不插電編程的內涵及其實施模式

南昌大學教育發展研究院 劉敏敏

在數字時代之下，編程教育的低齡化發展趨勢正盛，更加符合基礎教育階段學生成長需求的實體編程與不插電編程課程也日益普及。為了深入了解不插電編程的內涵及其實施模式，本文通過分析和梳理相關文獻，對不插電編程的內涵和特點進行提煉總結：不插電編程既是以有形物體作為載體的，不使用無屏幕或者較少使用屏幕的編程工具，又是一種無形的培養計算思維的活動理念，它具有使用屏幕少、使用門檻低、現實互動性強等特點；隨后，通過案例介紹目前市面上已有的不插電編程實體產品；最后，根據自身參與程度的高低進一步將不插電編程分為紙筆型實施模式、游戲型實施模式和情境沉浸型實施模式等。本研究旨在為未來不插電編程的開發設計與可持續發展提供理論支持及實現模式參考。

國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》，第一次在決策中寫到“編程教育”，編程教育是培養學生計算思維的載體，培養學生的計算思維是編程教育的高階目標，編程教育是培養計算思維的有效手段[1]，國務院提出要“廣泛開展人工智能科普活動，在中小學設置人工智能相關課程，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和逐步推廣編程教育”，目前，社會各界已經意識到編程教育的巨大發展潛力，針對兒童計算思維發展的編程工具層出不窮。在眾多不同形式的編程工具中，不插電的編程工具更加適宜K-12 階段的兒童。此種編程形式可以使兒童通過直接感知、親身體驗與實際操作等方式來形成初步的計算思維、編程概念以及掌握一些基本的操作技能，能夠為順利進行下一步的圖形化編程以及更高難度的編程形式、為啟發學生進行“編程式思考”、為發展學生面向未來的創新能力奠定基礎。

綜上所述，在編程教育低齡化發展的背景之下，越來越多的人將不插電編程作為培養基礎教育階段兒童計算思維的一種教學方式。為此，有必要梳理和分析相關文獻來詳述基礎教育階段不插電編程的概念及特點。本文對不插電編程的內涵、特點及實施模式進行了歸納總結，以期為未來不插電編程在教育教學實踐中的應用和普及提供可借鑒的思路。

1 不插電編程的內涵與特點

1.1 編程教育的內涵

編程，簡單來講就是編寫代碼程序以實現某種目的。大多數學者認為編程的最終結果就是解決問題，孫立會在其研究兒童編程的文章中提到編程就是讓計算機代為解決某個具體問題，對某個計算體系規定一定的運算方式，使其按照一定的計算方式運行，并最終輸出相應結果的運演過程[2]。宋兆玉指出編程就是讓計算機通過編寫代碼來解決某個需要解決的具體問題，將具體問題以計算機可以理解的形式傳達給計算機，使得計算機能夠根據具體的指令進行運算，最終去完成特定任務，確切來說編程就是計算機和人類進行語言交流的一種特定語言[3]。在人工智能、大數據、云計算的信息技術運用廣泛的數字化時代，需掌握編程中含有的程序思維、計算思維、算法思維以及數據思維，通過編程教育培養學生的高階思維能力成為必要。本研究認為編程教育是培養學生數字技術手段、計算思維的一種重要方式，并且編程教育未來將會成為教育改革與深耕的發力點。

1.2 不插電編程的內涵

不插電編程是適用于基礎教育階段的編程教育形式之一，它是在編程教育發展初期階段，并在計算機沒有普及的時代背景下應運而生的，最初是由學者Tim bell、Ian H.Written、Mike Fellows（1994）提出[4]。學者們對不插電編程的概念解釋各有異同。Bell、Alexander、Freeman 和Grimley[5]認為在計算機科學中，不插電活動是指不使用計算機的動手項目，它能夠向學生展示計算機科學所需的思維過程類型；王芬等人提出不插電的計算機科學是通過有趣的游戲或謎題讓學生很好地理解計算機科學的概念，理解計算機科學的本質[6]；Woochun Jun 認為不插電活動是一種不用電腦就能真正了解電腦的教學方法[7]；孫立會等學者指出不插電編程掙脫了“電”的束縛，能夠通過一系列有邏輯的活動或任務來展現編程的思維[8]；還有學者認為不插電活動是學生進行電腦編程前置準備，也就是學生在使用電腦前先用有形物品進行練習。筆者認為不插電編程既是以有形物體作為載體的，不使用屏幕或者較少使用屏幕的編程工具，又是一種無形的培養計算思維的活動理念。同時，也可以作為學生后續學習插電編程的過渡手段。

1.3 不插電編程的特點

1.3.1 使用屏幕少

不插電編程最大的一個特色就是基本上不需要使用計算機、平板、手機之類的電子設備，主要是利用我們身邊唾手可得的事物，例如，卡片、線、粉筆、杯子、球、鉛筆和彩紙等各種材料來組織含有計算機科學概念的活動。一方面，兒童不用面對電子屏幕便可以體驗到編程學習的快樂，非屏幕的活動讓孩子更能聚焦于活動本身和技能的獲得，更利于激發其學習的積極性與主動性；另一方面，無屏幕的不插電編程可以保護兒童的視力，傳統編程教育的開展需要使用計算機設備，不利于兒童的視力健康。

1.3.2 使用門檻低

學生的學習門檻較低，不插電編程給予學生更低的認知負荷，讓學生在輕松愉悅的氛圍下進行學習，無需學生對繁雜的編程語言進行大量識記，大幅度降低了編程學習的難度和壓力。即使是從未接觸過計算機科學，沒有任何相關學習背景的學生也可以通過不插電編程學習計算機科學的基礎知識，逐漸形成以計算思維為驅動解決問題的習慣。同時，由于不插電編程學習難度不高，符合低齡階段兒童的認知發展，兒童可以在短期內憑借生活經驗理解和掌握編程規則，更輕易地了解計算機和程序運作原理。

1.3.3 現實互動強

不插電編程是在自然的物理環境中進行的。學習者參與度高、體驗感強，能夠擁有更多機會和物理世界中的實物接觸，與師生面對面溝通交流。換句話說，不插電編程在促進學習者與現實環境、生活實際互動的同時也促進了他們與同伴和教師之間的思維互動，比如，開展任務型游戲時，兒童為了達到游戲目標會和同伴展開必要的溝通與交流，當他們遇到困難時就會向教師尋求幫助，集思廣益之后制定相應的策略，將構想好的策略轉化成實際的動作組合，進行一步步試驗和試錯直至實現最終目標。學習者在此系列過程中通過大腦、身體和環境的交互來發展其計算思維。

2 不插電編程實體產品案例

目前，介紹不插電活動的實體產品主要有CS Unplugged項目實體書、韓國學者洪志連、申甲千所著的《不插電!神奇的編程思維是玩出來的》等，以下是對現有實體產品的詳細案例說明。

2.1 《不插電的計算機科學》

《不插電的計算機科學》是由Tim Bell 教授及其所帶領的團隊所著，書中詳細介紹了32 個Tim Bell 教授和兩位中小學教師依據自己的實務教學經驗所設計的信息科學活動，其中最具代表性的游戲有翻卡魔術、二進制卡片、橘子游戲和金銀島等。此書是動態更新的，隨著項目在世界范圍內的普及，具有各國特色的新穎案例不斷補充進來。它透過這些有意義的活動充分把計算機工作原理通過有趣的游戲方式和生活實例情景呈現給讀者，就算沒有計算機理論基礎的讀者來學習此書也能輕松閱讀。

2.2 《不插電!神奇的編程思維是玩出來的》

《不插電！神奇的編程思維是玩出來的》一書是韓國學者洪志連、申甲千編著的，本書包含50 個精彩游戲和44 組游戲圖卡。不需要計算機，通過50 個簡單有趣的不插電編程游戲由淺入深地全面學習編程技能，并且書中有很多實景圖片和文字說明。全書共分為四個部分，前兩部分包含26 個游戲，內容主要涵蓋計算機科學的一些基礎知識，比如模式識別、二進制、調試、壓縮等，很好地適合小學低年級學生；后兩部分包含24 個游戲，內容包含了程序設計中的循環結構、條件結構、函數、代碼等進階知識，適合高年級學生學習。書中有很多實景圖片和文字說明，以幫助孩子徹底掌握游戲，讓孩子在開心玩游戲的過程中，就可以自然而然地學到編程的基本概念和原理。

3 不插電編程的實施模式

不插電編程的構建需要真實互動環境這一關鍵點體現了認知的具身觀，這與認知科學領域中的具身認知理論聯結密切，該理論聚焦于身體感知器官與各種環境的交互作用，強調身體的具身體驗、情境交互和協作互動[9]，具身認知的理念與不插電編程活動的開展不謀而合，當學習活動被游戲、歌曲和故事強化時，整體的身體反應是最有效的[10]。所以本研究通過分析市面上已有的不插電編程產品，并根據學習者的具身參與程度將不插電編程的實施模式分為紙筆型、游戲型、情境型。

3.1 紙筆型實施模式

紙筆型實施模式是直接讓學習者使用紙和筆進行排列、畫畫和寫作，例如，在“尋寶”活動中，一個寶島的主題吸引了學生的興趣，教師讓學生通過畫出自己的軌跡理解程序的概念。一般來說，紙筆型模式的實施步驟可分為分析問題、設計問題解決方案、建造問題解決方案、實施方案以及調試算法。整個環節需要將抽象化的邏輯思維在紙上反映出來，只需要大腦的認知參與和手部操作，學生的具身參與程度較低。同時在繪制符號或流程圖等問題解決方案時，不設置過多的規則，強調如何將大腦中的抽象邏輯思維完好地在紙張上表現出來，從而將心理模型轉換為邏輯表示，以助力自身計算思維技能的發展。

3.2 游戲型實施模式

不插電編程可以通過游戲的形式實施，將開放自由的身體活動和游戲規則巧妙地結合起來，基于游戲的學習具有趣味性、動態性、靈活性，使學習者的身體和思維得以融合。同時，將編程的重點和難點設計成簡單而有趣的小游戲，尤其符合K-12 階段學習者的認知特點，游戲化策略的引入能夠激發學習者對編程學習的興趣，增強活動的趣味性。兒童借助身體的各感知器官沉浸式地體驗編程活動，會具有更加強烈的學習動機。需要強調的是，所設計的游戲不是“無腦”游戲，學習者身體和心智是參與其中的，學習者在游戲過程中不僅能夠進行自主知識建構還能與師生進行人際交互[11]，理論知識以游戲的方式帶著人們探索計算機工作的奧秘，讓學生在輕松的環境下感受獨特編程體驗、體會編程理念，進一步培養學生學習編程的興趣與熱情。

3.3 情境型實施模式

情境型實施模式是有實物場景、結合生活實際場景的編程實施模式，也可以稱之為稱為“實景編程”。復雜計算算法的情境化是一種緩解學習者概念理解困難的手段，這可以刺激學習者主動學習和引導其進行編程知識的構建。不插電編程以日常生活故事情景為主線，創作一個引人入勝的故事，利用場景地圖，使編程與真實世界的生活發生交互[12]，學習者將自身代入學習任務中的故事角色，進行協作會話和社會交互，基于真實的任務情境，并通過具體的角色體驗，來實現與環境中各要素之間交互作用促進學習者與環境之間的具身交互，而這種交互，更強調學習者身體的深度參與和融合。

4 結語

本文明晰了不插電編程的內涵，通過分析各種不插電編程產品，歸類了不插電編程的實施模式，為后期不插電編程教育活動的設計以及不插電編程產品的開發提供了可參考的思路。實際上，探索創生多元化的不插電編程實施模式以發展兒童編程思維才是兒童編程教育的價值所在。通過和真實場景結合，不插電編程利用隨手可以觸摸到的實際物品，所達到的編程效果都通過實物的運行和感知獲得實時反饋，不會受到電子屏幕過多的注意力干擾，是兒童在具象思維階段最合適的編程啟蒙方式。它能夠使兒童掌握編程思維、計算思維、創意思維；能夠幫助兒童深入認識智能世界，參與未來智能世界的共創。

引用

[1] 高宏鈺,李玉順,代帥,等.編程教育如何更好地促進早期兒童計算思維發展——基于國際實證研究的系統述評[J].電化教育研究,2021,42(11):121-128.

[2] 孫立會.聚焦思維素養的兒童編程教育:概念、理路與目標[J].中國電化教育,2019(7):22-30.

[3] 宋兆玉.小學編程教育中不插電活動的設計與實踐研究[D].濟寧:曲阜師范大學,2021.

[4] Tim Bell,Ian H Written,Mike Fellow.不插電的計算機科學[M].武漢:華中科技大學出版社,2010.

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[6] 王芬,何聚厚.“不插電的計算機科學”發展計算思維的有效途徑[J].教育現代化,2017,4(20):45-47.

[7] Woochun Jun.Development of Evaluation Metrics for Learners in Unplugged Activity,Advances in Science[J].Technology and Engineering Systems Journal,2019,4(6): 216-219.

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[11] 許玲,張亦弛.全球視野下教育技術研究熱點的聚類分析與展望[J].中國遠程教育,2019(11):58-65+85.

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