面向計算思維培養的兒童編程教育研究綜述

摘" "要：編程教育作為兒童計算思維培養的重要手段受到廣泛關注，采用系統綜述法，以計算思維三維框架為參照，對2013—2023年國內外40項實證案例進行分析，探究當前編程教育側重培養兒童計算思維的哪些方面、采用哪些編程工具、教學方法、評價方法等，從現狀中找到不足，以明確未來兒童編程教育的發展方向。結果表明，現有兒童編程教育對計算思維的內容培養不夠全面；對編程工具使用效果關注較多，缺少對工具適宜性的研究；教學方法強調技術支持，缺少對師生互動的關注；評價方法種類繁多，但評價內容不完整，方法有待優化。建議未來的研究要進一步深化對計算思維內容框架的系統認知，選擇符合兒童認知規律的編程工具，探索激發兒童學習動力的教學方法，構建基于理論框架的評價體系。

關鍵詞：編程教育；計算思維；兒童；圖形化編程；系統綜述

中圖分類號：G434" " " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：1673-8454（2024）10-0109-10

DOI：10.3969/j.issn.1673-8454.2024.10.010

作者簡介：陸霞，徐州幼兒師范高等專科學校人工智能學院副教授（江蘇徐州 221004），中國礦業大學公共管理學院博士研究生（江蘇徐州 221116）；董永權，江蘇師范大學智慧教育學院教授，博士（江蘇徐州 221116）

基金項目：2022年江蘇省高校哲學社會科學研究項目“面向計算思維培養的K12階段少兒編程教育實踐研究”（編號：2022SJYB1268）；2021年徐州幼兒師范高等專科學校教育科學“十四五”規劃課題重點項目“基于計算思維的少兒編程教育實踐研究”（編號：2021JK1450102）

一、引言

計算思維作為智能時代的產物，越來越受到教育領域的關注。有學者將表述及求解問題過程中涉及的思維活動定義為計算思維，其核心是問題解決；[1]有學者認為計算思維是具有“計算”特質的思維過程，將其分解為抽象、算法、分解、評估和概括五個要素；[2]有學者提出計算思維是有計算特質的一系列思維活動，其本質是抽象、自動化和關聯世界。[3]盡管計算思維在定義上尚未達成一致意見，但已有研究大多認同其本質是以計算、抽象、自動化為重要特征的問題表述和求解的思維過程。近年來，各國對計算思維的培養重心逐漸從高等教育階段轉移到K-12教育階段。[4]

在諸多提升兒童計算思維的方法中，編程教育以其特有的潛能受到廣泛關注。新加坡、芬蘭、日本等國推出多項措施將編程教育融入學科教學，我國將計算思維列為核心素養之一并納入正規教育體系。[5]兒童編程工具紛紛涌現：塔夫茨大學設計的KIBO套件、麻省理工學院設計的Scratch圖形化編程工具，[6]以及華中科技大學開發的Aieggy編程機器人等，均在實踐中取得良好效果。多種方法被用于編程教學：營造游戲化學習環境激發學習興趣；[7][8]采用任務驅動的方式明確學習步驟；[9]通過基于設計的學習提高學習主動性。[10]在計算思維評價方面，既出現了CTt（Computational Thinking test）試題、CTS（Computational Thinking Scales）量表等量化評價方法，也有基于訪談、觀察的質性評價。[11]

綜上所述，編程教育作為兒童計算思維培養的重要手段受到越來越多的關注。國內外相關實踐研究受研究工具、研究對象等因素影響，形成的研究結論不盡相同。基于此，本研究梳理國內外有關編程教育對兒童計算思維影響的實證研究，對研究過程及結果進行整理分析，重點探討以下問題：當前編程教育側重培養兒童計算思維的哪些方面？采用哪些編程工具、教學方法和評價方法？已有實踐為兒童編程教育開展提供了怎樣的啟示？

二、研究設計

系統綜述法有明確的研究問題和文獻篩選標準，通過對多個獨立研究的綜合歸納得到趨于一致的結論，并發現以往研究的空白。[12]本研究采用系統綜述法，結合研究問題進行文獻檢索與篩選，對所納入文獻進行編碼分析，最終呈現研究結果。

本研究外文數據庫選擇Web of Science、Scopus，檢索類型設為“期刊”，中文數據庫選擇中國知網，檢索類型設為“學術期刊”，檢索范圍設為CSSCI、北大核心。檢索時間限定為2013年1月到2023年4月。關鍵詞選擇“child* or teenager”“computational thinking”“program* or code or Scratch or un-plugged”“計算思維”“編程”“兒童”“中小學”等多種組合，并采用文獻回溯法對首輪檢索所得的參考文獻進行二次檢索，合并兩輪檢索所得數據，共檢出文獻346篇，去重后余290篇文獻。

文獻篩選標準如下：一是研究主題，使用編程工具培養計算思維。二是研究對象兒童，根據聯合國《兒童權利公約》，“兒童”指的是18歲以下的任何人。三是研究類型，采取實驗研究或準實驗研究。依據上述標準，由兩位熟悉該領域的研究者分別對檢索文獻進行篩選與評估，過程中如果產生分歧，咨詢第三位研究者以達成一致意見。最后對所納入文獻進一步核查整理，查漏補缺，共有40篇文獻符合要求，具體篩選過程如圖1所示。

對納入分析的40篇文獻進行編碼，提取信息包括研究基本情況（年份、國家、學段、學科等）、培養內容、編程工具、教學方法、評價方法等。其中培養內容參考雷斯尼克（Resnick）等提出的計算思維三維框架，分為計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度。[13]一篇文章可能涉及計算思維多個維度，選擇不同編程工具和教學方法，采取多種評價方式，編碼原則是各指標出現一次即計數一次，因此編碼結果會出現一對多的情況。

三、研究結果

（一）基本情況

近十年越來越多的國家將計算思維培養納入K-12教育體系，研究數量呈顯著上升趨勢，如圖2所示。教學學段覆蓋K-12各階段，其中小學占比最高，如圖3所示。課程形式可分為三類：一是專門的編程課，二是作為信息技術課的一部分，三是結合藝術、科學等形成跨學科課程，目前占主導地位的是編程課，如圖4所示。

（二）培養內容

本研究借助計算思維三維框架，從計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度對案例進行分析，有利于從整體上把握目前的研究現狀及熱點，發現兒童編程教育培養的優勢和短板。結果顯示，針對計算實踐的關注度最高，其次是計算觀念和計算概念，如圖5所示。

計算概念是學生在使用編程工具時需要理解和掌握的一組概念，其中順序、循環和條件出現頻次較高，研究者多從年齡和性別的差異上進行比較。研究表明，簡單順序語句大約3歲即可掌握，長順序語句要5歲以后才能掌握。相比男孩，女孩在長順序語句上有更高的興趣和成就。[14-16]4—5歲兒童掌握條件語句和循環語句速度較慢，6歲以上則有較高的進步水平。[17]針對數據、事件、并行、運算的研究相對較少，小學高年級和低年級對事件的掌握程度沒有顯著差異，但是數據、并行等概念過于抽象，整體掌握情況不理想。[18]學生編程作品中運算符的使用率很低，這意味著他們不知道如何使用運算符。[19]

計算實踐聚焦學習方式和問題解決策略，其中測試與調試關注度最高。研究表明，測試與調試訓練可以幫助學生發現和修正錯誤，確保程序正常運行。[20][21]遞增和重復、抽象和模塊化是計算實踐的重要組成部分，研究發現，小學生在不斷完善編程作品的過程中體現出嘗試和迭代的思想。[22]學生在編程過程中會以特定模式表達并使用抽象、模式化思維，使用問題分解、視覺分解和代碼分解來快速有效地更改作品。[23]涉及再利用和再創作的研究不多，但體現出來的重用與混合創作的思想非常重要。[23]通過提問引導學生回憶類似場景代碼，探尋將舊代碼應用于新場景的方法，大部分學生能夠調整和重用以前的代碼。[24]

計算觀念是學生在編程過程中形成的對自己、他人和世界的理解，表達和聯系是關注的重點。研究發現，編程學習給予學生更多機會表達自己的觀點，合作學習的態度有極大改善。[25][26]創作復雜游戲時，女孩能比男孩更充分地表達故事、想法，創造更復雜的腳本。[27][28]質疑是計算觀念的重要組成部分，目前研究雖少但結論是積極的。兒童在游戲制作過程中評估自己的工作并檢查錯誤的次數超過其他任何課程，相比男生，女生在批判性思維方面進步更大。[29]

綜合來看，現有編程教育對計算思維內容的培養涵蓋了概念、實踐和觀念三個維度，但對部分二級指標的研究還不成熟。未來可以在并行和運算、再利用和再創作、質疑等方面進行更加深入的研究。

（三）工具及效果

兒童編程工具種類繁多，但研究者在研究設計中很少闡述選擇某類工具的理由，這是目前研究的一個缺失環節。對編程工具進行梳理和分類，能夠更加清晰地展現兒童的不同認知階段與編程工具的對應關系。

兒童編程工具可分為有形編程、圖形化編程和文本編程三大類。有形編程多出現在幼兒園，常用工具包括樂高積木、小型桌面機器人、圖片、地圖、紙筆等。早期兒童在成人幫助下通過地圖和圖片序列引導機器人沿著指定路線前進，其邏輯思維能力和協作能力均得到提升，[20]溝通、協作、創造力和領導力也會相應獲得發展。[30]

圖形化編程在小學階段很受歡迎，常用工具包括ScratchJr、Alice等。圖形化編程屏蔽了傳統編程的語法規則，對兒童的計算思維培養有顯著作用。[31]例如，兒童在利用ScratchJr合作設計數字故事的過程中，能夠成功地傳達他們自己的觀點，[18]協作、溝通、堅持、解決問題、創造力等學習能力有顯著提升。[19]

文本編程多用于中學階段，常用工具包括Python、MaLT2等。文本編程語言在語法上更接近自然語言，易于閱讀和維護。研究發現，將Python的類、屬性、方法等內容，與計算思維的分解、抽象、算法等要素對應起來，對學生計算思維能力的提高有顯著作用。[25][26]

研究者還嘗試將不同類工具組合使用，以達到教學效果的優化。研究證明，使用混合工具的兒童對計算思維實踐的掌握程度更高，產生了更復雜的項目，體現出更復雜的計算實踐。[32][33]結合兒童認知發展規律選擇編程工具，以提高編程教育效果，將是未來研究的關注點。

（四）教學方法

兒童思維特點與成人有較大區別，梳理常見的兒童編程教學方法，有利于編程教育的深入發展。實踐案例中采用的教學方法靈活多樣，如圖6所示，主要包括游戲化教學、任務驅動教學、項目引導教學、使用隱喻教學等。

游戲化教學的沉浸效果已經引起研究者的廣泛關注，案例中34%采用了該方法。 例如，“小世界”編程游戲有效提高了小學生對條件語句的理解，對他們的算法設計及測試能力提升很有幫助。[34]棋盤游戲引導學生在游戲中設計獲勝策略，促進了高階計算思維的發展。[35]角色扮演游戲，引導兒童逐步將游戲概念轉化為抽象的算法規則，并以迭代的方式對其進行改進。[36]

任務驅動教學和項目引導教學也是使用較為頻繁的方法。將編程課程中的任務與現實生活緊密聯系，如解決噪音污染問題和全球變暖問題等，不但能提高學生的計算思維能力，也有助于培養他們的社會責任感。[37]項目引導教學中，將編程與歷史、藝術等學科聯系在一起，引導學生進行代碼開發，有助于實現計算思維跨課程無縫集成。[24]

隱喻是將抽象概念轉化為簡單的想法和圖像，幫助學生理解。將程序、存儲器和變量比喻為菜譜、食品儲藏室和盒子，將輸入和輸出語句比喻為消化系統的起點和終點，對小學生學習編程有顯著效果。[38][39]此外，基于設計的學習等方法也被研究者應用于課堂實踐，并取得顯著效果。[40]值得注意的是，現有教學方法多強調技術手段，對教學過程中師生角色互動和學習需求的探討不夠充分。如何避免被技術奴役，切實關注兒童思維能力的提升，需要更加深入的研究。

（五）評價方法

本研究基于計算思維三維框架對各種評價方法進行統計分析，凸顯不同評價方法對應的計算思維內容，有利于計算思維評價的優化。在40個實踐案例中，49%的案例關注了三維框架的全部三個維度，42%的案例關注了其中兩個維度，9%的案例關注了一個維度，反映出大部分研究者能夠充分考慮計算思維內涵的復雜性，并對其進行較為全面的評價。案例中的評價方法可分為量化評價和質性評價兩大類，每個實踐案例中使用的評價方法可能不止一種，統計后如圖7所示。

量化評價的特點是邏輯性強，標準化和精確化程度較高。基于試題的評價主要測量計算概念和計算實踐水平，如張進寶的《國際計算思維挑戰賽試題集錦》可以分析計算實踐。[41]基于量表的評價是學習者的自我匯報，可用來測量計算思維的三個維度，[42]如科爾克馬茲（Korkmaz）的計算思維評價量表，從創造力、算法思維、協作性、批判性思維和問題解決五個維度測量學習者的計算思維水平。[29]基于編程任務的評價通常依據學習者完成任務的情況進行測評，有學者設計的編程任務在方向性、封閉性、開放程度等方面進行了細分，可以測量學習者在不同任務中對計算思維概念和計算實踐的掌握程度。[21]基于系統環境的評價依托專門的系統收集學習者產生的數據，可用來測量計算思維的三個維度，如藍色螞蟻代碼（BAC）[16]。對作品覆蓋的指標點進行計數統計和難度區分，作品分析以此來評價學生計算概念和計算實踐水平。[25][26]此外，自制評分表、反思報告等也出現在量化評價中。

質性評價最突出的特點就是對人的尊重，可以全面反映學生計算思維的發展水平。訪談法中常用的半結構式訪談，讓參與者不僅有機會描述他們的項目，而且有機會描述他們的經驗，[37]觀察法可以觀察兒童如何在社交場合參與問題解決過程，搜集一些無法言表的材料。[43]此外，學習記錄表、成長文件夾等方法也被少量應用。[44]

四、建議

（一）深化對計算思維內容框架的系統認知

計算思維三維框架目前被學界廣為接受，它沒有局限于概念、方法層面，還關注到性格品質和價值觀的塑造，與我們熟悉的三維教學目標相呼應，即計算概念對應知識與技能目標，計算實踐對應過程與方法目標，計算觀念對應情感態度與價值觀目標。

已有兒童編程教育雖然覆蓋了計算思維的概念、實踐和觀念三個維度，但對部分二級指標研究不深入，究其原因主要是研究者缺少對計算思維內容的系統性認識。因此，以三維框架為基礎，構建適合兒童的系統化計算思維內容體系是凝聚共識、推進研究發展的必要之舉。在計算概念方面，研究者已經發現不同年齡階段的兒童對順序、循環等基本概念的掌握程度不同，因此可將這部分指標結合年齡進行細化。在計算實踐方面，兒童在調試過程中的問題解決策略、在重復和模塊化過程中的學習方法、在再創作過程中的混合創作思想是考察的重點。在計算觀念方面，兒童表現出的學習興趣、自信心、合作精神、批判性思維等非智力因素對學習發展都會產生積極影響，應納入培養范疇。

（二）選擇符合兒童認知規律的編程工具

根據皮亞杰的認知發展理論，不同年齡階段的兒童適用的編程工具是不同的。[45]前運算階段（2—7歲）的兒童已經能夠理解和使用符號，熱衷于象征性游戲，思維活動具有相對具體性，尚不能進行抽象運算思維，使用各種實物道具有助于發展他們的邏輯思維。有形編程擺脫了計算機編程環境，幫助早期兒童在現實環境中通過“擺弄”材料來理解編程概念，對物理材料的使用使抽象的想法變得具體，是培養計算思維的有效工具。具體運算階段（7—11歲）的兒童認知有了較大發展，思維出現了可逆性，能解決守恒問題，即認識到物體在外觀上發生了變化，但特有的屬性不變；能夠進行邏輯推理和群集運算，但仍脫離不了具體事物或形象的支持。圖形化編程通過對可視化程序塊的拖拽，像搭積木一樣完成應用程序，大大降低了編程的難度，使用戶專注于解決實際問題。形式運算階段（11—18歲）兒童的思維發展水平已接近成人，能夠擺脫具體事物的束縛，進行邏輯思維，解決抽象問題，具備一定的知識遷移能力，批判性思維開始出現。文本編程由命令和函數等代碼構成，語法規則更加復雜，對認知水平要求更高，更適合這個階段的兒童。

目前，有形編程、圖形化編程和文本編程都有廣泛的應用基礎，因此根據兒童認知發展規律選擇適宜的編程工具就成為促進兒童計算思維發展的關鍵一環。在衡量兒童編程工具的優劣時，相關學者提出的“低地板”“高天花板”“寬墻壁”原則非常重要。[46]“低地板”是指能夠為新手提供簡單的開始方式，“高天花板”是指讓學習者隨著時間的推移能夠完成日益復雜的項目，“寬墻壁”則是指能夠支持和促進各種不同類型項目的技術，即在“低地板”到“高天花板”的過程中提供多種途徑。例如，Scratch編程語言方面，圖形化的設計簡單易學，經過一段時間的學習后可以完成各種復雜的項目，且項目形式多樣，包括游戲、交互故事、仿真模擬等。“低地板”“高天花板”“寬墻壁”原則增加了兒童編程工具的多樣性，有利于創造力的培養。

（三）探索激發兒童學習動力的教學方法

派珀特（Papert）在皮亞杰（Piaget）建構主義學習理論的基礎上提出“建造主義”的觀點，認為應該通過制造來學習，借助具體的工具進行學習是符合兒童認知發展規律的；強調編程教育的重點不在于兒童使用什么技術和工具，而在于他們運用這些技術和工具做了什么；教師要善于根據學習內容創設出豐富的學習情境，讓兒童能夠“在建造中學習”。隨著學界對計算思維培養研究的不斷深入，跨學科課程已經顯示出越來越大的優勢。將計算思維培養與不同學科融合，解決現實世界的問題，不僅有助于計算思維的遷移，還能幫助學生加深對知識的理解。

從學習者角度來看，最好的任務是那些有吸引力的任務，當兒童在從事自己感興趣的活動時，他們會十分投入。[21]編程工具“低地板”的特點對吸引兒童興趣是非常成功的，要實現“高天花板”，兒童需要投入更多的時間，付出更多的努力，但大多數兒童仍樂此不疲，派珀特稱之為“艱苦的樂趣”。此外，合作學習在編程教育中起到非常重要的作用，和同伴一起學習意味著從獨自思考轉向共同創造。在Scratch在線社區里，兒童可以招募志同道合的伙伴共同開發項目，新的想法不斷涌現，激發了所有參與者的激情。

（四）構建基于理論框架的評價體系

過往研究多將計算思維評價當成研究設計的一部分，針對評價的專門研究并不多見，尚未形成系統有效的評價體系，問題主要表現在兩方面：一是評價內容不全面。由于計算思維內涵復雜且學界尚未達成共識，導致研究者選擇的概念不同，進行測評的重點也不同。本研究40個實踐案例中，僅有半數左右對計算思維進行了較為全面的評價。二是評價方法混亂。計算思維內涵的復雜性決定了其評價方法的多樣性，實踐案例中既有自編試題和問卷，也有對經典量表和試題的改編，評價工具的科學性和信效度難以保證。

要克服上述問題，可以從以下兩方面著手：一是構建理論框架。計算思維三維框架結構清晰，內容覆蓋全面，已被廣泛應用于國內外計算思維評價研究，并取得了顯著效果。基于該三維框架構建相應評價指標，具有較強的準確性和可操作性。二是優化評價方法。根據計算思維三維框架，可將評價歸納為計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度。對計算概念的評價可采用測試題的形式，對環境要求不高且易于操作和遷移，因此使用或改編經典試題是一個不錯的選擇。對計算實踐的評價可采用編程任務和訪談相結合的方法，對學習者的實踐表現進行綜合評價。對于計算觀念的評價可采用量表和訪談結合的形式，量表反映學習者的自我評價，但主觀性強，訪談雖然耗時卻可以彌補量表的缺陷，二者結合能夠全面反映學習者計算觀念的發展情況。優化評價方法，提高可操作性，是實現計算思維多元評價的必然選擇。

五、結語

編程是培養兒童計算思維的關鍵工具，已有研究中，計算思維的培養內容涵蓋概念、實踐和觀念三個維度，但對部分二級指標的研究還比較缺乏。編程工具包括有形編程、圖形化編程和文本編程三大類，各類工具都有其優勢和局限性。常用的教學方法有游戲化教學、任務驅動教學、項目引導教學等，但過于依賴技術，缺乏對師生互動的探討。計算思維的評價方法繁多，但覆蓋面和科學性有待提高。[47]為促進兒童編程教育發展，需要進一步深化對計算思維內容的認知，選擇適合兒童發展的編程工具，在實踐中探索有效的編程教學策略，合理使用各種測評方法，全面客觀反映兒童計算思維發展水平。

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Review of Children Programming Education Based on Computational Thinking

Xia LU1，2， Yongquan DONG3

（1.College of Artificial Intelligence， Xuzhou Kindergarten Teachers College， Xuzhou 221004， Jiangsu;

2.School of Public Policy， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， Jiangsu;

3.School of Smart Education， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， Jiangsu）

Abstract： Programming education， as an important means of cultivating children’s computational thinking， has attracted wide attention. Using the Systematic review method and the three-dimensional framework of computational thinking as a reference to analyze 40 empirical cases at home and abroad from 2010 to 2023， explore what aspects of current programming education focus on cultivating children’s computational thinking， what programming tools， teaching methods and evaluation methods are used to identify shortcomings from the current situation to clarify the future direction of children’s programming education. The results indicate that the existing children programming education on the content of computational thinking is not comprehensive enough; more attention is paid to the use effect of programming tools， and there is a lack of research on the suitability of tools. The teaching method emphasizes the technical support and lacks the attention to the teacher-student interaction; there are many kinds of evaluation methods， but the evaluation content is not complete， the method needs to be optimized. It is suggested that future research should further deepen the systematic cognition of the content framework of computational thinking， select programming tools that conform to children’s cognitive rules， explore teaching methods that stimulate children’s learning motivation， and build an evaluation system based on the theoretical framework.

Keywords： Programming education; Computational thinking; Children; Graphical programming; Systematic review

編輯：王天鵬" "校對：王曉明