學前兒童的計算思維發(fā)展情況及其影響因素

摘要：隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，計算思維成為教育創(chuàng)新的重點，并逐漸擴展到學前教育。為探索學前兒童的計算思維發(fā)展情況及其影響因素，文章以北京市101名4～6歲學前兒童為研究對象，采用工具TechCheck、PST、HTKS分別測試了其計算思維、排序能力和行為自我調(diào)節(jié)能力，結(jié)果表明：學前兒童的計算思維隨年齡增長顯著提升，性別、家庭社會經(jīng)濟地位的差異不顯著；排序能力、行為自我調(diào)節(jié)能力對學前兒童計算思維具有顯著正向影響?；诖耍恼陆ㄗh抓住學前階段這一關(guān)鍵期，重視計算思維啟蒙教育；同時，要注意發(fā)展學前兒童的排序能力和行為自我調(diào)節(jié)能力。文章對學前兒童計算思維影響因素的探討，有助于明確計算思維的發(fā)展脈絡，更好地指導計算思維教育實踐，并可為促進學前兒童計算思維的發(fā)展提供理論指導。

關(guān)鍵詞：學前兒童；計算思維；排序能力；行為自我調(diào)節(jié)能力

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2023）07—0044—09 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2023.07.005

在人工智能高速發(fā)展的今天，計算思維成為21世紀公民應該必備的核心素養(yǎng)^[1]。作為一種認識世界、解決問題的思維方式，計算思維指向?qū)﹂_放、復雜問題解決方案的系統(tǒng)分析、探索和測試^[2]，不僅對兒童形成有效的計劃能力、批判性思維和問題解決能力至關(guān)重要，而且對兒童閱讀、寫作、數(shù)學和社會情感等領(lǐng)域的學習具有廣泛影響。近年來，計算思維培養(yǎng)成為教育領(lǐng)域的一項重要目標，并逐漸擴展到學前教育，以幫助兒童更好地適應未來的人工智能社會。有研究發(fā)現(xiàn)，4歲左右的兒童已具備理解基本編程概念的認知水平^[3]。而4～6歲兒童可以構(gòu)建和編程簡單的機器人項目，從中學習工程、技術(shù)和計算機編程知識，同時發(fā)展計算思維能力。例如，Tangible-k項目將適宜學前兒童的機器人工具與建造主義理念相結(jié)合，有效提升了兒童的計算思維和問題解決能力^[4]。為了更好地指導計算思維教育實踐，確保計算思維教育取得更加理想的效果，研究者開始關(guān)注影響兒童計算思維發(fā)展的不同因素。厘清這些影響因素的作用，有助于從根本上認識兒童計算思維發(fā)展的規(guī)律和機制，發(fā)現(xiàn)對兒童計算思維發(fā)展有益或不利的方面，從而指導教育工作者設(shè)計并實施有效的教學策略，促進兒童計算思維的發(fā)展。

一 計算思維影響因素的探討

國內(nèi)外直接研究學前階段兒童計算思維影響因素的成果較少，已有研究對計算思維影響因素的探討集中在人口學變量和兒童發(fā)展特征兩個方面。

1 人口學變量

在人口學變量方面，性別、年齡和家庭社會經(jīng)濟地位被考察較多：①性別方面，學者得出的研究結(jié)論并不一致。例如，Sullivan等^[5]發(fā)現(xiàn)男孩、女孩都能成功完成機器人編程任務，且其成績不具有顯著差異；而Roman等^[6]的調(diào)查顯示，男孩的計算思維水平顯著高于女孩。②年齡方面，認知發(fā)展水平和成熟程度影響計算思維發(fā)展^[7]。例如，孫立會等^[8]發(fā)現(xiàn)小學生的計算思維成績隨年級上升呈現(xiàn)上升趨勢；但Soumela等^[9]通過一項機器人課程研究，發(fā)現(xiàn)不同年齡組的學生達到了相同的計算思維任務解決水平。③家庭社會經(jīng)濟地位方面，國際教育成就評估協(xié)會對14個國家的46000多名學生進行了測試，發(fā)現(xiàn)學生計算思維表現(xiàn)之間的差距與其家庭社會經(jīng)濟背景有關(guān)^[10]；但Milicic等^[11]的研究表明，兒童計算思維發(fā)展水平與家庭社會經(jīng)濟地位關(guān)系不大，而主要與學校能夠提供的計算思維學習環(huán)境有關(guān)。

2 兒童發(fā)展特征

在兒童發(fā)展特征方面，已有研究考察了言語能力、排序能力、空間知覺、推理能力、問題解決能力等與計算思維的關(guān)系。其中，排序能力和自我調(diào)節(jié)能力是學前階段兒童需要重點發(fā)展的基礎(chǔ)能力，也是學前兒童做好入學準備、順利向小學過渡的關(guān)鍵。

①排序能力：是指將物體或動作按正確順序排列的能力。排序能力不僅是早期兒童數(shù)學、語言等學科學習的重要組成，也通常被認為是兒童編程學習的基礎(chǔ)，可為兒童完成算法設(shè)計與實現(xiàn)提供認知支持。有研究顯示，排序能力與5歲兒童的計算思維存在中等程度的正相關(guān)^[12]。

②自我調(diào)節(jié)能力：從廣義來講，是指控制情緒、認知和行為功能的綜合過程，包含情緒自我調(diào)節(jié)、認知自我調(diào)節(jié)和行為自我調(diào)節(jié)；從狹義來講，自我調(diào)節(jié)能力聚焦于可觀測的行為自我調(diào)節(jié)。行為自我調(diào)節(jié)源于大腦執(zhí)行功能，但高于執(zhí)行功能，是整合工作記憶、注意力和抑制控制等認知要素，將執(zhí)行功能轉(zhuǎn)化為外顯行為，從而在具體情境中選擇適宜行為的能力^[13]。本研究采用自我調(diào)節(jié)能力的狹義理解，即行為自我調(diào)節(jié)能力。有研究表明，行為自我調(diào)節(jié)能力越高的兒童，越能運用社會規(guī)則和標準規(guī)范其自身行為，從而取得更好的學習表現(xiàn)和學業(yè)成績^[14]。在計算思維與自我調(diào)節(jié)能力的關(guān)系方面，Shell等^[15]的研究表明，學生通過自我調(diào)節(jié)增加工作記憶投入，能夠提升計算機成績；Robertson等^[16]發(fā)現(xiàn)，兒童的行為自我調(diào)節(jié)得分與Scratch編程表現(xiàn)得分之間顯著相關(guān)。

綜上可知，人口學變量和兒童發(fā)展特征都在一定程度上影響兒童的計算思維，但國內(nèi)缺乏針對這些因素影響學前兒童計算思維的直接證據(jù)，因此本研究以學前兒童為研究對象，探索其計算思維的發(fā)展情況，并重點探究學前兒童計算思維的影響因素，以期更好地指導計算思維教育實踐，促進學前兒童計算思維的發(fā)展。

二 研究設(shè)計

1 研究對象

本研究以北京市D幼兒園的4～6歲學前兒童為研究對象，于2020年進行了調(diào)查。在調(diào)查開始前，本研究通過幼兒園向每位兒童家長發(fā)放問卷，以獲取家長知情同意書與家庭基本信息。最終，有101名4～6歲學前兒童的家長同意孩子參與調(diào)查，其中4歲、5歲、6歲兒童占比分別為15.8%、44.6%、39.6%，男童、女童占比分別為49%、51%。

本研究參考任春榮^[17]對家庭社會經(jīng)濟地位的因子分析計算方法，對父母受教育程度、父母職業(yè)與家庭月收入三個變量進行因子分析。之后，根據(jù)公式（1），計算出家庭社會經(jīng)濟地位（Socio-economic Status，SES）的綜合得分。

SES=（0.80×父母受教育程度+0.80×父母職業(yè)+0.82×家庭月收入）/0.65

公式（1）

2 研究工具

（1）TechCheck測試計算思維

TechCheck是Relkin等^[18]專門為早期兒童開發(fā)的計算思維測試工具，可以在15分鐘內(nèi)完成評估。TechCheck包括2道練習題、15道正式題（如圖1所示），每道題都有四個選項、且都只有唯一的正確答案。其中，練習題不計分，正式題正確得1分，錯誤不得分，總分為15分——分數(shù)越高，代表兒童計算思維水平越高。Relkin^[19]應用TechCheck測試了768名兒童，并基于經(jīng)典測量理論與項目反應理論檢驗其信度、難度和區(qū)分度，證明TechCheck具有較好的測量學屬性；同時，通過校標效度檢驗TechCheck與學前兒童計算思維測量工具TACTIC-KIBO的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者的測量結(jié)果顯著相關(guān)，表明TechCheck可以用于測量學前兒童的計算思維。

（2）PSP測試排序能力

本研究采用Baron-Cohen等^[20]創(chuàng)建的圖片排序游戲（Picture Sequencing Play，PSP），測試學前兒童的排序能力。PSP分為前、后測兩套，本研究采用前測，其包括五個故事，每個故事有四張圖片（如圖2所示），測試過程如下：研究者首先按照標準程序打亂順序，之后出示圖片，兒童根據(jù)自身對故事的理解完成排序，最后研究者記錄兒童的圖片排序結(jié)果并根據(jù)標準答案進行打分——順序完全正確得2分，首尾正確中間錯誤得1分，首尾錯誤得0分，總分為10分。作為專為學前兒童設(shè)計的排序能力評估工具，PSP得到了廣泛使用^[21][22][23]，在本研究中其內(nèi)部一致性Cronbach’s α系數(shù)值為0.66，說明信度可以接受。

（3）HTKS測試行為自我調(diào)節(jié)能力

本研究采用McClelland等^[24]研制的“頭—腳趾—膝蓋—肩膀”（Head-Toe-Knee-Shoulder，HTKS）測試行為自我調(diào)節(jié)能力。HTKS可以反映學前兒童在具體學習情境下的行為自我調(diào)節(jié)過程，兒童需要記憶測試者講解的規(guī)則、注意測試者發(fā)出的具體指令、抑制聽到指令后的第一反應，這分別對應工作記憶、注意力、抑制控制三個認知要素，是測量學前兒童行為自我調(diào)節(jié)能力的常用工具。HTKS包括三個部分：①要求兒童做出與測試者指令相反的摸頭、摸腳趾動作；②增加摸肩膀、摸膝蓋動作，要求兒童做出與測試者指令相反的“頭—腳趾”“肩膀—膝蓋”之間的轉(zhuǎn)換動作；③改變配對規(guī)則，兒童根據(jù)“頭—膝蓋”“肩膀—腳趾”的對應，做出與測試者指令相反的動作。正式的指令共30個，總分為60分——如果兒童很快做出正確反應，得2分，反之得0分；做錯后能馬上自我糾正做出正確反應，得1分。本研究通過評分者信度檢驗HTKS測試的可靠性，并由6名評分員對12名兒童接受測試的視頻評分，經(jīng)計算得到評分者信度達0.98，說明信度較為理想。

3 實施流程

本研究分別采用Techcheck、PSP、HTKS對學前兒童進行一對一測試，測試環(huán)境獨立且安靜，避免被試受外界環(huán)境的干擾。施測人員共6名，均接受過專門培訓，熟悉研究工具，保證測試客觀、嚴謹。為避免兒童出現(xiàn)疲勞或厭煩，每個測試用時控制在25分鐘以內(nèi)。

4 數(shù)據(jù)處理

本研究使用SPSS 26.0對問卷數(shù)據(jù)進行處理，采用描述性統(tǒng)計、獨立樣本t檢驗、單因素方差分析、相關(guān)分析和回歸分析考察學前兒童計算思維的發(fā)展情況及其影響因素。

三 數(shù)據(jù)分析

1 計算思維與排序能力、行為自我調(diào)節(jié)能力的基本情況

被試各項能力的得分情況如表1所示。描述性統(tǒng)計分析結(jié)果表明，被試的計算思維均值為7.42（SD=2.82）。獨立樣本t檢驗結(jié)果顯示，被試中男童的計算思維得分均值（M=7.61）略高于女童（M=7.24），但不存在顯著差異。單因素方差分析表明，被試的計算思維在年齡上存在顯著差異（F=14.27，p＜0.001），6歲兒童（M=9.10，SD=2.75）的計算思維得分顯著高于4歲（M=6.08，SD=2.01）、5歲（M=6.40，SD=2.57）兒童，表明學前兒童的計算思維正處于發(fā)展關(guān)鍵期，且其水平隨著年齡增長不斷提升。此外，被試的排序能力均值為4.49（SD=2.74），在性別上不存在顯著差異，但在年齡上存在顯著差異（F=8.82，p＜0.001），6歲兒童的排序能力（M=5.80，SD=2.30）顯著高于4歲（M=3.60，SD=2.57）、5歲（M=3.69，SD=3.05）兒童；被試的行為自我調(diào)節(jié)能力均值為41.63（SD=13.91），在性別上不存在顯著差異，但在年齡上存在顯著差異（F=8.47，p＜0.001），6歲兒童的自我調(diào)節(jié)能力（M=48.00，SD=9.93）顯著高于4歲（M=34.69，SD=16.86）、5歲（M=38.44，SD=13.81）兒童。

2 排序能力、行為自我調(diào)節(jié)能力與計算思維的相關(guān)分析

對被試的排序能力、行為自我調(diào)節(jié)能力、計算思維進行相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示，可以看出：排序能力與行為自我調(diào)節(jié)能力、計算思維均存在顯著正相關(guān)（r=0.40，p＜0.001；r=0.36，p＜0.001），行為自我調(diào)節(jié)能力也與計算思維存在顯著正相關(guān)（r=0.54，p＜0.001）。

3 排序能力、行為自我調(diào)節(jié)能力與計算思維的回歸分析

為探究不同因素對計算思維的影響，本研究以計算思維為結(jié)果變量，以年齡、性別、家庭社會經(jīng)濟地位、排序能力、行為自我調(diào)節(jié)能力為影響變量進行回歸分析，結(jié)果如表3所示。將年齡、性別、家庭社會經(jīng)濟地位等人口學變量納入模型1，結(jié)果顯示年齡（β=1.79，p＜0.001）對兒童計算思維具有顯著正向影響，性別、家庭社會經(jīng)濟地位對兒童計算思維的影響不顯著；將排序能力納入模型2，結(jié)果顯示排序能力（β=0.25，p＜0.01）顯著正向影響兒童計算思維；將行為自我調(diào)節(jié)能力納入模型3，結(jié)果顯示行為自我調(diào)節(jié)能力（β=0.09，p＜0.001）對兒童計算思維具有顯著正向影響。

四 研究結(jié)論

基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，本研究發(fā)現(xiàn)計算思維在學前階段年齡差異顯著，且受排序能力和行為自我調(diào)節(jié)能力的影響，得出的研究結(jié)論主要如下：

1 學前兒童的計算思維隨年齡增長顯著提升，性別、家庭社會經(jīng)濟地位的差異不顯著

本研究發(fā)現(xiàn)，計算思維在學前階段具有顯著的年齡差異，6歲兒童的計算思維顯著高于4歲、5歲兒童。這意味著學前時期是計算思維發(fā)展的關(guān)鍵階段，這可能與學前兒童正處于從具象思維轉(zhuǎn)向抽象思維的認知發(fā)展特點有關(guān)：在認知發(fā)展早期階段，兒童主要使用具象思維，依賴直接經(jīng)驗和感官感受理解世界；隨著年齡增長，兒童開始逐漸發(fā)展抽象思維，能夠理解抽象概念、符號并進行邏輯推理。本研究發(fā)現(xiàn)，男童、女童的計算思維發(fā)展不存在顯著差異，這可能是因為學前兒童年齡較小且并未受到性別刻板觀點的影響。Sullivan等^[25]發(fā)現(xiàn)，幼兒園男孩和女孩都能成功完成機器人編程項目，且成績不具有顯著差異；Yadav等^[26]發(fā)現(xiàn)，性別僅影響兒童的計算思維興趣，而對計算思維其他成分的影響并不顯著，這些研究成果與本研究所得結(jié)論基本一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，家庭社會經(jīng)濟地位對兒童計算思維無顯著影響，表明在學前階段不同家庭社會經(jīng)濟地位的兒童計算思維水平差異不大。

2 排序能力對學前兒童計算思維具有顯著正向影響

研究發(fā)現(xiàn)，排序能力對學前兒童計算思維具有顯著正向影響，原因可能在于：①排序能力和計算思維相互關(guān)聯(lián)，排序意味著兒童能夠按照順序有步驟地組織物體和事件，而這顯然是計算思維中算法設(shè)計和按步驟編程的關(guān)鍵要素。②排序需要兒童具有一定的抽象思維，如可逆性、傳遞性和雙重性等^[27]，這些抽象思維為兒童計算思維發(fā)展提供了認知基礎(chǔ)。Kazakoff等發(fā)現(xiàn)，計算機編程活動顯著提高了兒童的排序能力，考慮到計算思維培養(yǎng)是編程教育的首要目標，這可能說明排序和計算思維具有相關(guān)性^[28]，這與本研究發(fā)現(xiàn)一致。

3 行為自我調(diào)節(jié)能力對學前兒童計算思維具有顯著正向影響

本研究發(fā)現(xiàn)，行為自我調(diào)節(jié)能力對學前兒童計算思維具有顯著正向影響，這與Shell等^[29]、Peters-Burton等^[30]的研究結(jié)論一致，即具有較高自我調(diào)節(jié)能力的兒童會通過調(diào)節(jié)注意力、增加工作記憶投入、堅持目標導向的問題解決過程來提升學習效果，從而促進計算思維的發(fā)展。一項研究發(fā)現(xiàn)，具有更高自我調(diào)節(jié)能力的兒童，他們在編程活動中的表現(xiàn)和學習結(jié)果更好^[31]。另一研究發(fā)現(xiàn)，編程指令越多、編程任務越復雜，兒童越難正確地編程，原因可能在于兒童缺少足夠的工作記憶和認知負荷來同時處理多個指令^[32]。復雜的編程需要投入更多的注意力和工作記憶，并需要根據(jù)目標不斷調(diào)整認知策略，這就對兒童的自我調(diào)節(jié)能力提出了更高要求。

五 學前兒童計算思維發(fā)展的建議

基于對學前兒童計算思維發(fā)展情況及其影響因素的討論與分析，本研究針對學前兒童計算思維的發(fā)展提出以下建議：

1 需抓住學前階段這一關(guān)鍵期，重視計算思維啟蒙教育

學前兒童的計算思維處于迅速發(fā)展狀態(tài)，計算思維教育應抓住學前階段這一關(guān)鍵期。考慮到學前兒童對身體參與、動手操作、有限的屏幕暴露等方面的需求，為有效提升學前兒童的計算思維，可以引入一些不插電的計算思維游戲（如機器烏龜卡牌游戲）^[33]，也可以利用一些專為低齡兒童開發(fā)的編程工具（如Scratch Jr、Bee-Bot、KIBO、Matatalab）來設(shè)計、實施適宜學前兒童的課程方案^[34]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)不同性別兒童的計算思維在學前階段并無顯著差異，這說明工程、計算機科學等技術(shù)領(lǐng)域的男性優(yōu)勢可能是在學齡階段逐漸形成的，目前一些教育措施試圖解決這種性別差異，但通常側(cè)重提升高中、大學時期女生對技術(shù)領(lǐng)域的興趣，但若在尚未形成性別刻板印象的學前階段便對女童進行計算思維啟蒙，說不定能夠起到事半功倍的作用。本研究還發(fā)現(xiàn)家庭社會經(jīng)濟地位對兒童計算思維的影響并不顯著，這意味著在計算思維啟蒙教育方面學前兒童的起點比較公平，如果幼兒園能夠結(jié)合幼兒的認知特點與個體差異，為不同家庭的兒童提供適宜的計算思維學習環(huán)境，那么對于彌補家庭社會經(jīng)濟差異對兒童發(fā)展的影響、促進教育公平無疑將具有積極的價值。

2 應注意發(fā)展學前兒童的排序能力和行為自我調(diào)節(jié)能力

排序能力和行為自我調(diào)節(jié)能力均正向影響學前兒童的計算思維，對此幼兒園和家庭需要注意加強對這兩種基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，從而為學前兒童計算思維的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)：一方面，將排序能力的培養(yǎng)滲透在幼兒園一日活動中，為兒童創(chuàng)設(shè)豐富的排序?qū)W習機會。例如，在游戲活動中準備大小、顏色、形狀不同的玩具材料供兒童比較、分類和排序，在語言活動中鼓勵兒童按順序完整講述故事，在科學活動中引導兒童發(fā)現(xiàn)動植物生長順序和變化規(guī)律，在生活活動中支持幼兒掌握洗手刷牙、整理物品的步驟等。另一方面，有必要將行為自我調(diào)節(jié)能力納入計算思維啟蒙教育的重要范疇。行為自我調(diào)節(jié)能力包括工作記憶、注意力、抑制控制等要素，在日常教育和生活中可以通過設(shè)定有規(guī)律的活動安排、清晰的規(guī)則期望來幫助兒童明確行為要求，以引導兒童學會行為自控；可以通過有趣的游戲和問題解決情境培養(yǎng)兒童的專注力，逐步增加兒童的注意力時長；也可以通過適當?shù)奶魬?zhàn)性任務幫助兒童學習控制沖動，嘗試用不同方法努力完成任務；另外，成人可以發(fā)揮榜樣的作用，向兒童示范積極的自我調(diào)節(jié)行為，如遇到問題冷靜思考、靈活調(diào)整策略等，以支持兒童不斷提升行為自我調(diào)節(jié)能力。

本研究對學前兒童的計算思維發(fā)展情況和影響因素進行了探討，并針對學前兒童計算思維的發(fā)展提出了建議，可為有針對性地設(shè)計計算思維教育活動提供參考。需要說明的是，本研究也存在一些不足，如作為一項探索性研究，且調(diào)研處于疫情時期，取樣范圍存在一定的局限，因此后續(xù)研究應擴大取樣范圍、增加樣本數(shù)量，以增強研究結(jié)果的可推廣性。另外，計算思維結(jié)構(gòu)的復雜性決定其必將受諸多因素的影響，因此后續(xù)研究有必要進一步挖掘?qū)W前兒童計算思維的影響因素，并計算各影響因素的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建比較完善的計算思維影響因素模型，用于指導和支持計算思維教育實踐。

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The Development Situations of Preschool Children’s Computational Thinking and Its Influencing Factors

——Based on the Test Analysis of 101 Preschool Children Aged 4～6 in Beijing

GAO Hong-yu¹""" JIANG Yun-xiao¹ """YANG Wei-peng^{2[Corresponding Author]}""" SUN Li-hui³""" SONG Gao-yang¹

（1. College of Preschool Education， Capital Normal University， Beijing， China 100048;

2. Department of Early Childhood Education， The Education University of Hong Kong， Hongkong， China 999077;

3. School of Education， Minzu University of China， Beijing， China 100081）

Abstract： With the rapid development of artificial intelligence technology， computational thinking has become the focus of educational innovation， and gradually extended to preschool education. In order to explore the development situations of preschool children’s computational thinking and its influencing factors， this paper selected 101 preschool children aged 4～6 years in Beijing as research objects， and used TechCheck， PST and HTKS to test their computational thinking， sequencing ability and behavioral self-regulation ability， respectively. The results showed that preschool children’s computational thinking increased significantly with age， but there was no significant difference between gender and family socioeconomic status. The sequencing ability and behavioral self-regulation ability had significant positive effect on preschool children’s computational thinking. Based on this， it was suggested in this paper that the crucial period of preschool should be grasped and the enlightenment education of computational thinking should be emphasized. At the same time， attention should be paid to the development of preschool children’s sequencing ability and behavioral self-regulation ability. In this paper， the influencing factors of preschool children’s computational thinking were discussed， which contributed to clarifing the development sequence of computational thinking， better guiding the educational practice of computational thinking， and providing theoretical guidance for the promotion of the development of preschool children’s computational thinking.

Keywords： preschool children; computational thinking; sequencing ability; behavioral self-regulation ability