編程教育活動對大班幼兒執(zhí)行功能發(fā)展的影響

時紹軒 邊霞 * 徐程 孫悅含 方詩琪

(1 武漢市江漢區(qū)蕓尚幼兒園，湖北武漢，430023）（2 南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，江蘇南京，210097）（3 南京師范大學(xué)金陵女子學(xué)院，江蘇南京，210097）（4 湖北第二師范學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430205)

執(zhí)行功能指在完成復(fù)雜的認知任務(wù)時，對各種認知過程進行協(xié)調(diào)，以保證認知系統(tǒng)以靈活、優(yōu)化的方式實行特定目標(biāo)的一般性控制機制。〔1〕當(dāng)前學(xué)界普遍認為，執(zhí)行功能包含三種既相互獨立又緊密聯(lián)系的成分：抑制控制、工作記憶、認知靈活性。〔2，3〕執(zhí)行功能在幼兒的學(xué)習(xí)和生活中扮演著重要的角色，與其身體健康、學(xué)業(yè)成就表現(xiàn)、生活質(zhì)量等多方面密切相關(guān)。〔4-7〕學(xué)齡前是個體執(zhí)行功能快速發(fā)展的時期，〔8〕具有較大可塑性。根據(jù)該階段幼兒的特點開展優(yōu)質(zhì)的教學(xué)活動或干預(yù)訓(xùn)練，具有促進幼兒學(xué)習(xí)能力和執(zhí)行功能發(fā)展的雙重價值，如體育活動（足球、跆拳道等）、正念訓(xùn)練、音樂訓(xùn)練、蒙臺梭利課程等已被證明對幼兒執(zhí)行功能子成分的發(fā)展具有一定促進作用。〔9-13〕

除了傳統(tǒng)的幼兒教育活動外，已有研究還關(guān)注到引入新技術(shù)工具的早期教育活動對執(zhí)行功能發(fā)展的影響。面向智能時代，編程能力被視為適應(yīng)未來社會發(fā)展的重要能力之一。作為人工智能啟蒙教育的重要部分，〔14〕編程教育正逐漸向?qū)W前教育階段延伸。迪里托等人研究發(fā)現(xiàn)，愉快且富有挑戰(zhàn)性的教育機器人活動有利于改善5—6 歲幼兒的視覺空間工作記憶和抑制運動反應(yīng)。〔15〕芭芭拉等人則發(fā)現(xiàn)，編程學(xué)習(xí)對5—6 歲幼兒的抑制控制以及計劃能力具有促進作用。〔16，17〕以上研究結(jié)果也得到了腦神經(jīng)科學(xué)研究的支持，如瑞恩等人發(fā)現(xiàn)，編碼過程涉及更多大腦右半球的工作，其中就包括注意力控制、工作記憶、計劃和空間認知等與執(zhí)行功能密切相關(guān)的神經(jīng)區(qū)域。〔18〕另一項功能性磁共振成像的研究也發(fā)現(xiàn)，與專家相比，初學(xué)者在接觸編程時會更多地激活右半球，涉及更多的視覺空間加工過程，〔19〕也就是說編程啟蒙對幼兒執(zhí)行功能的促進效果可能更為顯著。然而，幼兒編程和執(zhí)行功能的相關(guān)研究還處于探索階段，研究結(jié)果存在不完全一致的情況。如部分研究發(fā)現(xiàn)幼兒的編程技能與工作記憶之間的測試得分不存在顯著相關(guān)，〔20〕可編程機器人活動并不能促進幼兒視覺記憶能力的提升。〔21〕此外，已有研究僅考察了編程活動對工作記憶和抑制控制部分子成分的影響，編程活動對認知靈活性子成分的影響還存在研究空白。對于編程活動能否有效促進執(zhí)行功能各子成分的發(fā)展、如何有效發(fā)揮編程活動對執(zhí)行功能發(fā)展的促進作用、國內(nèi)外的研究結(jié)果是否一致等問題，仍需更多實證研究的探索。

基于此，本研究通過追蹤研究的實驗方法，檢驗編程教育活動對大班幼兒執(zhí)行功能（工作記憶、抑制控制、認知靈活性）的影響，探尋早期編程教育的價值，以期為學(xué)前教育階段編程教育實踐活動的開展及幼兒執(zhí)行功能的干預(yù)提供一定的理論依據(jù)和實踐支持。

一、研究設(shè)計

1.研究對象

按照方便取樣的原則，本研究選取了南京市某公立幼兒園兩個大班的幼兒作為研究對象。幼兒此前均未接觸過編程活動。隨機指定一個班為實驗班，另一個班為對照班。基本情況見表1。所有被試無智力障礙、精神障礙及嚴(yán)重的軀體疾病。

表1 研究對象基本情況

2.研究工具

本研究采用早期兒童評估工具包（Early Years Toolbox，EYT）評估幼兒的執(zhí)行功能。這是由霍華德、梅爾惠什及其團隊開發(fā)的一套平板電腦應(yīng)用程序，能夠通過簡短的、引人入勝的、游戲化的任務(wù)設(shè)置獲得學(xué)齡前兒童在自我調(diào)控、語言、執(zhí)行功能、社會發(fā)展等方面的發(fā)展情況。〔22〕本研究選取該工具包中的三項測試任務(wù)——螞蟻先生（Mr.Ant）、小魚-鯊魚（Go/No-Go）、卡片分類（Card Sorting），用來測量幼兒執(zhí)行功能的三個子成分，即工作記憶、抑制控制和認知靈活性能力，分?jǐn)?shù)越高，則表示執(zhí)行功能能力越強。

3.活動設(shè)計

本研究中的幼兒編程教育活動指以具有年齡適宜性的可編程機器人為載體，支持幼兒自主參與、積極思考、動手操作以初步了解和掌握編程基礎(chǔ)、發(fā)展編程思維的集體教學(xué)活動。編程教育活動包括基礎(chǔ)和深化兩個階段。基礎(chǔ)階段的活動內(nèi)容簡單，任務(wù)明確，目標(biāo)在于幫助幼兒熟悉編程工具的軟件和硬件部分，初步掌握編程工具的基本操作方法。深化階段的游戲任務(wù)難度升級，主要涉及重復(fù)循環(huán)程序的設(shè)計、編程問題的分解和程序的調(diào)試，對幼兒思維的靈活性和學(xué)習(xí)品質(zhì)各個方面都提出了更高的要求。編程教育活動的具體內(nèi)容如表2 所示。

表2 編程教育活動內(nèi)容

4.實驗流程

本研究采用準(zhǔn)實驗研究的方法，以研究者設(shè)計的編程教育活動為自變量，執(zhí)行功能為因變量，縱向追蹤編程教育活動對大班幼兒執(zhí)行功能的影響。正式實驗過程包含執(zhí)行功能測評和編程教育活動實施兩個部分，實驗流程見圖1。本研究共對實驗班和對照班全體幼兒完成三次執(zhí)行功能測評，分別是前測、后測、追蹤測，每次測評的間隔時間為8 周左右。執(zhí)行功能測試由研究者本人一對一施測，在幼兒園安靜的活動室內(nèi)進行。指導(dǎo)語由編程工具系統(tǒng)自動播放，且每個活動前都有相應(yīng)的練習(xí)任務(wù)。每個測試游戲結(jié)束后，系統(tǒng)自動計算出得分，由研究者記錄分?jǐn)?shù)。

圖1 實驗流程

實驗班幼兒按照每周1 次的頻率，每次40—50 分鐘，不間斷地參加8 次編程教育活動。對照班則執(zhí)行原本幼兒園的活動安排，不進行編程相關(guān)主題的教育活動，實驗班和對照班除實驗內(nèi)容外，其他教育教學(xué)活動保持一致。

5.統(tǒng)計方法

所得數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計軟件（SPSS22.0）進行處理。實驗班和對照班幼兒的工作記憶和抑制控制得分均為連續(xù)性變量且符合正態(tài)分布，可使用重復(fù)測量方差分析檢驗編程教學(xué)活動對大班幼兒工作記憶和抑制控制發(fā)展的影響及長時效應(yīng)。實驗班和對照班幼兒的認知靈活性得分不符合正態(tài)分布，則運用廣義估計方程檢驗編程教育活動對大班幼兒認知靈活性發(fā)展的影響及長時效應(yīng)。

二、研究結(jié)果

首先，對兩組幼兒的執(zhí)行功能各子成分的前測、后測、追蹤測得分進行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3 兩組幼兒執(zhí)行功能測試任務(wù)得分的描述統(tǒng)計（M±SD）

其次，為進一步考察編程教育活動對幼兒執(zhí)行功能各子成分，即工作記憶、抑制控制和認知靈活性的影響，采用重復(fù)測量方差分析和廣義估計方程分析組別因素和時間因素對幼兒執(zhí)行功能各子成分的影響效應(yīng)。

兩組幼兒工作記憶測試任務(wù)得分的重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示，組別與時間的交互作用顯著（F=3.217，p＜0.05）。簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)（見圖2），在前測中，實驗班與對照班幼兒的工作記憶得分不存在顯著差異（p=0.871＞0.05）；在后測中，兩組幼兒的工作記憶后測結(jié)果存在顯著的組間差異，實驗班幼兒工作記憶的后測得分顯著高于對照班（p=0.010＜0.05）；在追蹤測中，雖然實驗班幼兒的工作記憶得分仍然高于對照班幼兒，但不存在顯著的組間差異（p=0.314＞0.05）。

圖2 兩組幼兒工作記憶三次測試得分變化趨勢

兩組幼兒抑制控制測試任務(wù)得分的重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示，組別與時間的交互作用顯著（F=1.512，p＜0.05）。簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)（見圖3），在實驗班與對照班幼兒的抑制控制前測得分不存在顯著差異的情況下（p=0.973＞0.05），兩組幼兒的抑制控制后測和追蹤測結(jié)果存在顯著的組間差異，實驗班幼兒抑制控制的后測和追蹤測得分均顯著高于對照班（p=0.024＜0.01，p=0.000＜0.001）。

圖3 兩組幼兒抑制控制三次測試得分變化趨勢

以認知靈活性測試得分為因變量，以組別和時間因素為自變量建立廣義估計方程。工作相關(guān)矩陣采用獨立（Independent）結(jié)構(gòu)，聯(lián)接函數(shù)采用線性模型，準(zhǔn)似然獨立準(zhǔn)則值（QIC 值）為358.412。結(jié)果顯示，時間差異顯著（瓦爾德卡方值＜Wald χ2＞=50.077，p=0.000＜0.05），說明幼兒的認知靈活性有隨時間的改變而顯著增長的趨勢。組間差異顯著，說明對照班與實驗班幼兒的認知靈活性得分存在顯著差異（瓦爾德卡方值＜Wald χ2＞=6.174，p=0.013＜0.05），結(jié)合95%的置信區(qū)間來看，實驗班幼兒的認知靈活性測試得分顯著高于對照班幼兒。時間與組別的交互作用不顯著（瓦爾德卡方值＜Wald χ2＞=1.377，p=0.513＞0.05）。如圖4 所示，兩條均值變化曲線平行，實驗班幼兒的認知靈活性后測及追蹤測得分顯著高于對照班幼兒。

圖4 兩組幼兒認知靈活性三次測試得分變化趨勢

三、討論與分析

本研究發(fā)現(xiàn)，在前測得分無顯著差異的情況下，實驗班幼兒執(zhí)行功能各子成分的后測得分均顯著高于對照班幼兒。隨著時間的推移，實驗班幼兒抑制控制和認知靈活性的追蹤測得分仍然顯著高于對照班幼兒，但實驗班幼兒工作記憶的追蹤測得分與對照班幼兒相比不存在顯著差異。這說明，編程教育活動能夠有效促進大班幼兒執(zhí)行功能各子成分的發(fā)展，且對抑制控制和認知靈活性的影響具有長時效應(yīng)。

戴蒙曾提出兩種執(zhí)行功能提升的機制，一種是指向工作記憶、抑制控制、認知靈活性訓(xùn)練的直接路徑，另一種則是通過降低個體壓力、增加樂趣、建立自信來促進個體執(zhí)行功能發(fā)展的間接路徑。〔23〕在執(zhí)行功能發(fā)展的影響因素中，認知因素和情緒情感因素也常被研究者提及。因此，可以從認知、情緒情感層面來討論編程教育活動促進幼兒執(zhí)行功能發(fā)展的成因。其一，編程活動能夠充分調(diào)動幼兒執(zhí)行功能的參與，并不斷對執(zhí)行功能提出挑戰(zhàn)。已有研究歸納總結(jié)了各種執(zhí)行功能有效干預(yù)活動的共性特征，其中一條提出個體在需要運用執(zhí)行功能的活動中獲益更多。〔24〕具體到編程活動中，幼兒在完成編程游戲任務(wù)過程中，既要在視覺空間模板中存儲加工動態(tài)變化的指令符號、地圖等相關(guān)的視覺信息，還要實時觀察機器人的反應(yīng)，進而調(diào)節(jié)編程程序，實現(xiàn)執(zhí)行功能各系統(tǒng)之間的動態(tài)交互。編程教育內(nèi)容設(shè)計遵循循序漸進的原則，從簡單的指令卡排序再到復(fù)雜的重復(fù)指令排序，由較短路線的任務(wù)再到較長路線的任務(wù)，由易到難的編程學(xué)習(xí)內(nèi)容不斷提出遞進性的新問題，避免幼兒對編程操作的自動化加工，從而有助于其執(zhí)行功能的發(fā)展。其二，編程教育活動所創(chuàng)設(shè)的支持性、無壓力的活動氛圍能夠讓幼兒感到安全與愉悅，這也是促進幼兒執(zhí)行功能發(fā)展的重要因素。已有研究結(jié)果顯示，積極情緒可能促進言語工作記憶的表征刷新、〔25〕任務(wù)轉(zhuǎn)換，〔26〕使個體表現(xiàn)出更好的執(zhí)行功能。借助編程活動可“修修補補”的特點和犯錯修復(fù)成本低的優(yōu)勢，〔27〕編程教育活動設(shè)置了幼兒獨立探索環(huán)節(jié)，為幼兒提供充足的時間嘗試體驗、修復(fù)錯誤，并給予正向的反饋，讓幼兒能夠在寬松的氛圍中冷靜思考并解決編程問題。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，編程教育活動對大班幼兒工作記憶子成分的影響效果隨著時間的推移逐漸減弱。與后測時實驗班與對照班幼兒工作記憶子成分得分的差距相比，追蹤測時兩組幼兒的工作記憶得分差距縮小，干預(yù)的長時效應(yīng)不明顯。已有研究發(fā)現(xiàn)，工作記憶訓(xùn)練項目在短期內(nèi)顯著改善了臨床樣本工作記憶技能，但在訓(xùn)練結(jié)束后的幾周內(nèi)，工作記憶技能的改善并沒有得到保持。〔28〕這可能是由于個體運用工作記憶時涉及各類信息處理，所需調(diào)動的心理資源更多，因此需要更長的干預(yù)時間才能獲得明顯的提高。而本研究中相對較少的活動次數(shù)以及相對較長的間隔時間在一定程度上限制了編程教育活動對幼兒工作記憶能力促進作用的發(fā)揮。后續(xù)研究可對編程活動干預(yù)的適宜強度和持續(xù)時長進行更深入的探討。

四、教育建議

本研究通過準(zhǔn)實驗研究的方法探究了8 周編程教育活動對大班幼兒執(zhí)行功能的影響。研究結(jié)果表明，編程教育活動能夠有效促進大班幼兒執(zhí)行功能各子成分的發(fā)展，其中對抑制控制和認知靈活性的影響具有長時效應(yīng)。基于以上結(jié)論，研究者提出以下教育建議。

1.重視早期編程教育的價值，因地制宜地開展編程活動

幼兒園可因地制宜地開展編程教育，給予幼兒更多參與編程實踐的機會，發(fā)揮編程教育的賦能價值。有條件的幼兒園可以借助實體編程工具，以區(qū)域活動或集體教學(xué)活動等多種形式組織編程活動。在不具備計算機化編程條件的情況下，教師也可充分發(fā)揮教育機智，就地取材，結(jié)合流程圖、表格等易獲取和制作的材料，將刷牙、洗手、購物等日常生活內(nèi)容設(shè)計成算法游戲，通過不插電編程和紙筆編程的實施方式為幼兒參與編程創(chuàng)造機會。〔29〕以購物游戲為例，教師可和幼兒一起設(shè)計、制作超市場景方格地圖，并設(shè)計“根據(jù)指令找物品”“根據(jù)路線寫指令”等任務(wù)，用于開展編程游戲。

2.創(chuàng)設(shè)愉悅的、支持性的、公平的執(zhí)行功能友好型環(huán)境

已有研究表明，情緒情感、身體健康對認知功能的影響在執(zhí)行功能上最為明顯，當(dāng)個體感到孤獨、悲傷、壓力大或身體不適時，與執(zhí)行功能密切相關(guān)的腦神經(jīng)系統(tǒng)——前額葉皮層和額葉皮層會首當(dāng)其沖，從而干擾個體的思考和判斷。〔30〕相反，當(dāng)幼兒感到放松、愉悅時，會更加積極地、主動地參與活動并為之付出努力。基于此，在提升幼兒執(zhí)行功能的編程教育活動或其他多樣化活動中，要重視幼兒的情緒情感體驗，為其創(chuàng)設(shè)執(zhí)行功能友好型環(huán)境。首先，執(zhí)行功能友好型環(huán)境應(yīng)該是愉悅的，教師可發(fā)揮游戲的作用，采用游戲化的教學(xué)策略，寓教于樂；其次，執(zhí)行功能友好型環(huán)境應(yīng)是支持性的，能包容幼兒的錯誤，同時鼓勵、指導(dǎo)幼兒嘗試用不同的方式解決問題；最后，執(zhí)行功能友好型環(huán)境應(yīng)是公平的，能尊重幼兒發(fā)展的個體差異性，為幼兒提供個性化指導(dǎo)，努力使每一名幼兒有所收獲和成長。