編程學習與兒童認知發展關系的探討*

王 琳 耿鳳基 李 艷

(浙江大學課程與學習科學系，杭州310058)

1 引 言

隨著科學技術的飛速發展，計算機等電子設備與人們的關系日趨密切，與計算機緊密相關的編程能力正逐漸成為21世紀人們的重要素養。編程學習是培養學習者編程能力的主要途徑，除此之外，它還能激發學習者今后從事與科學、技術、工程、數學相關職業的興趣，為未來的勞動力市場提供所需的人才(K-12 Computer Science Framework Steering Committee，2016)。因此，編程學習成為了新時代背景下教育和心理領域的一個研究熱點，受到研究者和各國教育部門的重視。

在國家政策的推動之下，編程學習日益普及，學習者群體逐漸從成人和青少年擴展到學前兒童。在英美等發達國家，政府積極鼓勵學前兒童參與到編程學習中。例如美國計算機科學協會攜手多個教育機構發布的《K-12計算機科學框架》(K-12ComputerScienceFramework)，描述了學前計算機科學教育的主要框架(K-12 Computer Science Framework Steering Committee，2016；趙中建 & 周蕾，2017)。英國教育部宣布兒童從5歲起可接受計算機教育(Department for Education & Truss, 2013)。在亞洲，日本、新加坡等國家也啟動了針對學前兒童、小學生的編程學習項目(Digital News Asia，2015；日本文部科學省，2019)。我國同樣倡導從小培養信息意識和計算思維(中國教育報，2017)。政府建議在中小學階段逐步推廣編程教育，將編程學習作為綜合實踐活動的主要方式之一(中華人民共和國教育部，2017)。在國家信息化教學實驗區，將編程課程作為課程改革的組成部分(中華人民共和國教育部，2020)。在國家政策的推動下，編程課程不僅進入了學校、幼兒園等正規教育體系，也受到校外培訓機構的重視，在社會上形成了較為廣泛的影響力(孫丹 & 李艷，2019；王葉，郭培才，陳炎輝，戴程，2018)。

開展早期編程學習對人才培養具有重要意義，已被納入國家層面的戰略規劃(Bers，2018；孫丹 & 李艷，2019)。然而，早期編程教育作為數字時代的產物，在發展過程中也存在著值得思考的問題。例如，學前兒童的認知發展處于一個快速發展的時期，編程學習會對認知發展產生怎樣的影響，需要進一步的探討。本文旨在闡述學前編程學習的內涵與特點、兒童認知能力發展的特點，并揭示早期編程學習對兒童認知發展產生的影響，以期為未來學前編程教育的開展提供借鑒。

2 學前編程學習的內涵及特點

學前編程學習的內涵最早由Papert(1980)提出，他認為編程學習是一個促進兒童發展問題解決、團隊合作、堅持性、邏輯數學思維、抽象思維和創造力等能力的過程。隨著人們對學前編程學習研究的深入，其內涵也得到了豐富和發展。從計算機和機器語言等學習媒介的角度出發，編程學習是一種學習使用機器語言向計算機輸入指令(Manches & Plowman，2017)，并最終解決問題的過程(郁曉華，肖敏，王美玲，陳妍，2017)。從知識建構的角度分析，學前編程學習可視為獲得編程概念和過程性知識的過程(Scherer，Siddiq，Viveros，2019)。概而言之，編程學習是一個借助電子媒介掌握編程概念和知識，最終解決問題，促進各方面能力發展的過程。

編程學習研究中常提及“計算思維”一詞，參與編程學習與培養學習者計算思維之間有著密切的聯系(Scherer et al.，2019)。為進一步解析編程學習的內涵，有必要對編程學習與計算思維的關系進行一個簡單的梳理。計算思維是人們利用計算機科學的基本概念去解決問題或設計系統，理解人類自身行為的一種思維方式(Wing，2006)。編程學習不僅是培養和發展計算思維的重要途徑，也是評估計算思維的重要方法(Bers，Flannery，Kazakoff，Sullivan，2014；Flórez et al.，2017；Grover & Pea，2013；陳鵬，黃榮懷，梁躍，張進寶，2018；陳育賢，2019；陳鵬，黃榮懷，梁躍，張進寶，2018；蔣小涵，2020)。總之，個體的計算思維水平在編程學習中可得到提高(Tang，Yin，Lin，Hadad，Zhai，2020)。

不同年齡的學習者具有不同的學習特點。根據低幼兒童的年齡特征，學前編程學習呈現出具象性、游戲性和遷移性三方面的特點。具象性是指學前期兒童在進行編程學習時，編程學習工具和內容是具體形象的。學前編程學習多使用機器人、指令塊等實物編程(tangible user interfaces，TUIs)工具(Sapounidis & Demetriadis，2013)。內容的具象性主要體現在學前兒童通過刷牙等實例了解算法在日常生活中的應用(K-12 Computer Science Framework Steering Committee，2016)。其次，學前編程教育的遷移性體現在編程教育的效果具有遷移作用。元分析及其他實證研究的結果表明，編程學習不僅能發展兒童的編程能力，對認知控制、記憶、創造力、問題解決等能力也有遷移效應(Di Lieto et al.，2017；Fessakis，Gouli，&Mavroudi，2013；Scherer et al.，2019)。這些遷移效應的產生可能主要源于在編程學習過程中，認知控制和記憶等認知能力發揮著重要的作用。最后，游戲是兒童的基本活動形式，也是學前教育區別于中小學教育的顯著標志(教育部基礎教育司，2002；劉焱，2008)。因此，學前編程學習也體現出游戲性這一特點。具體地看，編程學習從角色定位到情境創設都以游戲的方式貫穿始終。兒童既是學習者，又是游戲中的角色，學習過程同游戲過程融為一體。

3 學前兒童認知能力的發展及其在編程學習中的作用

學前兒童的多種認知能力呈現出快速發展的特點。其中，認知控制和情景記憶能力的發展尤為顯著(Erb & Marcovitch，2019；Geng，Canada，Riggins，2018)。認知控制是指運用計劃、監測和控制等認知技能達成目標的能力(Akshoomoff，Brown，Bakeman，Hagler，2018；Erb & Marcovitch，2019)，主要包括前攝性控制和反應性控制兩種類型(Braver，Gray，Burgess，2007；Braver，Paxton，Locke，Barch，2009)。伴隨大腦的快速發育，認知控制能力也得到發展。情景記憶是指兒童對事件及與其伴隨的背景信息的記憶(Geng et al.，2018；Riggins，2014)，其發展特點也與海馬結構及功能上的不斷成熟存在密切關系(Riggins et al.，2018)。

在進行編程學習時，認知控制和記憶會參與其中。例如，兒童需要根據具體編程任務想象和計劃問題解決的方案，這一過程涉及情景記憶和認知控制能力(Kretschmer-Trendowicz，Schnitzspahn，Reuter，Altgassen，2017)。隨后，兒童可能會持續使用認知控制能力監測和調整原有方案。監測表現為兒童根據指令檢查機器人的行進路線；調整表現為機器人偏離路線時，兒童對錯誤指令的修正。在監測和調節過程中，記憶建立起了指令與路線之間的關聯(Di Lieto et al.，2017)。因此，認知控制和情景記憶這兩種重要的認知能力在編程學習活動中發揮著重要作用(D’Autume，Ruder，Kong，Yogatama，2019；Espy et al.，2004；Newcombe，Lloyd，Ratliff，2007；Senn，Espy，Kaufmann，2004；Zhang et al.，2020)。以下，我們將探討學前編程學習對兒童認知控制、記憶及相關認知學習能力發展的影響。

4 學前編程學習對兒童認知發展的影響

早在1980年，Papert就將編程學習看作一種可能改變和提升人們學習、思考方式或能力的工具(Papert，1980)。這個領域多年的研究支持了Papert的觀點，即發現編程學習對兒童認知發展確實有益(周進，安濤，韓雪婧，2018)。元分析結果表明，編程學習對認知發展存在中度的正向遷移效應(Scherer et al.，2019)。本文梳理了學前編程學習對兒童認知發展影響的研究。在檢索到的19篇相關文獻中，關注認知控制等基礎認知加工過程的研究共4篇，約占16%；探討問題解決、創造力等高階認知能力的11篇，約占42%；聚焦數學和語言能力的11篇，約占42%。認知控制、記憶是個體的基本認知能力，支持人類各種復雜的認知加工活動(Blair，2002；Meltzer，2018)。例如，認知控制和記憶能力與個體在問題解決過程中體現出的創造力緊密相關(Ahrari，Gargari，Abdollahi，Porkar，Yousefi，2018)。這些基本和高階認知能力會最終影響個體的學習能力及學業成就(D’Autume et al.，2019；Espy et al.，2004；Senn et al.，2004；Zhang et al.，2020)。因此，下文將從基礎認知能力、高階認知能力及認知學習成效三方面闡釋編程學習對認知發展的影響。

4.1 編程學習對兒童基礎認知能力的影響

編程學習對兒童的認知控制、工作記憶等基本認知加工過程有提升的作用。根據信息加工理論，認知加工過程涉及認知控制、反應抑制、工作記憶等。以往的研究表明，編程學習能促進上述能力的發展。例如，使用機器人進行6周的編程干預之后，兒童的視覺-空間工作記憶、抑制能力和編程能力能得到顯著提升(Di Lieto et al.，2017)。通過Code.org平臺進行4周的編程學習，不僅能提高一年級小學生的編程能力，還可促進執行功能的發展(Arfé，Vardanega，Ronconi，2020)。另一個針對小學生的研究表明，在基于硬件和軟件的混合編程學習中，態度積極的兒童能夠更好地加工自己在認知活動中的負載(Papavlasopoulou，Giannakos，Jaccheri，2019)。因此，編程學習能夠對學前和小學低齡兒童的認知發展產生積極的影響。但是，這個領域的研究在學習效果評測、實驗設計和被試篩選等方面還有待完善。另外，有待更多研究采用實證研究方法，從認知發展的不同層面來系統探究編程學習對兒童認知發展的影響。

4.2 編程學習對兒童高階認知能力的影響

編程學習有助于提高兒童的問題解決能力和創造力等高階認知能力(Di Lieto et al.，2017)。例如，在使用ScratchJr、Ladybug Leaf等進行編程學習時，兒童在解決問題這一維度的后測得分顯著高于前測(Amanda，Melissa，Bers，2018；Arfé et al.，2020；Fessakis et al.，2013)。這一結果同樣在LEGO和口袋烏龜這類不插電機器人編程學習研究中得到了重復。如果將研究聚焦到新問題情境的解決能力上，兒童在前后測中的得分也存在顯著差異(Aranda，Roca，Martí，2019)。從學習動機的角度看，兒童不僅樂于表達自己在編程中遇到的問題，而且能通過交流積極尋求問題解決的思路、計劃問題解決的策略(Fessakis et al.，2013)。

在編程學習對認知發展產生的遷移效應中，另一種強遷移效應發生在創造力這一維度上(Scherer et al.，2019)，參與編程學習的實驗組創造力成績均優于控制組(Pardamean，Evelin，Honni，2011)。在理論層面，Bers等提出了“積極技術發展框架”(positive technological development，PTD)。在這一框架的指導下，兒童可以通過實物編程學習發展創造力(Bers，2010)。已有研究根據PTD框架中的標準對兒童的溝通、合作、社區建設、內容創建、創造力和行為選擇進行了評估，結果顯示編程學習在兒童創造力培養方面最為有效(Burleson et al.，2018；Sullivan & Bers，2018)。

解決問題能力的培養在編程學習研究中已經得到了廣泛的討論，編程學習中的創造力培養日益受到研究關注。但是，創造力已有成熟的測試方式，編程能力尚缺可靠的測量工具。若要科學地證明兩者之間的關系，需要研究者設計、開發學前編程能力的測量工具。

4.3 編程學習對兒童認知學習績效的影響

大量的研究表明，編程學習會積極影響兒童的數學和語言能力等認知學習績效。元分析研究結果顯示，編程學習的績效可以遷移至數學能力，并具有較大的效應量(Scherer et al.，2019)。編程學習對數學能力的具體影響體現在排序等技能、數學概念掌握能力以及數學學習興趣這幾方面。其中，通過編程學習發展兒童排序技能的研究是最為普遍的(Bers et al.，2014；Kazakoff & Bers，2012；Kazakoff，Sullivan，Bers，2013；Nam，Kim，Lee，2019；Toh，Causo，Tzuo，Chen，Yeo，2016)。除了排序技能，編程學習還有助于提升兒童的計算、比較數字大小、認識形狀等能力(Fessakis et al.，2013；Sullivan，Kazakoff，Bers，2013)。兒童對數學概念的掌握能力也可通過編程學習獲得發展。如參與Blue-Bot機器人編程學習可提升兒童對復雜數學概念的掌握能力(Aranda et al.，2019)。最后，編程學習還可激發兒童學習數學的興趣(Sullivan et al.，2013)。

已有研究證實編程學習可支持兒童語言能力的發展。在讀寫方面，編程機器人被視為一種可提高兒童讀寫能力的工具(Sullivan et al.，2013)。在口語表達方面，研究者認為編程學習或可促進兒童口頭語言的表達能力。這可能與編程過程需要兒童不斷與同伴、指導者交流有關(Aranda et al.，2019)。針對成年人的神經影像學證據顯示，程序員在進行編程理解時，大腦中與語言處理相關的區域被明顯激活(Siegmund et al.，2014)。

以上研究結果表明，參與編程學習可提升兒童數學、語言等認知學習績效。關于成人的編程神經影像學研究已經起步，但針對兒童的還較為缺乏，需要更多的證據來解釋編程學習是如何塑造大腦的。以上綜述擴展至小學低段，其主要原因是聚焦學前的研究較少。這一事實也表明，開展學前編程學習的相關研究具有現實意義。

5 小結與展望

學前編程學習對兒童認知發展影響的研究主要聚焦于編程學習對基本認知加工過程、高階認知能力、認知學習績效等方面。縱覽已有文獻結果，研究從以下幾個層面概述了編程學習現狀及未來的發展方向。

5.1 未來研究需注重縱向研究設計

現有實驗大多采用橫斷研究設計，這種設計易受干擾因素的影響，難以客觀地反映年齡這一因素的影響。相對而言，縱向研究設計在干擾控制方面更具優勢，有助于科學地體現年齡增長與編程學習效果之間的聯系。另外，縱向研究更利于觀測編程學習所產生的效應是否具有持續性。因此，采用縱向研究設計可彌補現有橫向研究設計的不足，為開發各年齡段的編程課程提供科學依據。

5.2 開發可靠的測量工具

在已有編程學習研究中，尚缺能推廣和應用的編程能力測量工具，未來研究需開發可靠的學前兒童編程能力測量工具。科學化是教育測評領域一直追求的目標(劉三女牙，楊宗凱，李卿，2020)，這一測量工具在設計時首先需具有充分的信度和效度。其次，不受機器人或軟件等載體(媒介)限制，在使用中應能避免因兒童計算機操作能力不足而影響結果的問題。規范的測量工具不僅可測得兒童真實的編程能力，還將推動編程學習實證研究的開展。已往的研究多以準實驗研究為主(Bers et al.，2014；Nam et al.，2019；Sullivan & Bers，2018)，真實驗研究相對缺乏。借助有效的測量工具，通過腦電、fMRI、近紅外等手段進行真實驗研究，可幫助研究者揭示編程學習影響兒童認知發展的內在機制。

5.3 系統探究編程學習對兒童認知能力的影響

已有研究關注了編程學習對認知控制、創造力和問題解決等認知能力發展的作用。實際上，學前兒童諸多的認知能力都處于快速發展期，需通過系統研究來厘清編程學習對認知發展的影響。從研究深度上看，尚待闡明編程學習影響認知發展的內在機制。從研究廣度上說，還需囊括更多的認知成分，來揭示編程學習可能對認知發展的哪些層面產生影響。

5.4 關注其他可能影響編程學習及認知發展的因素

在編程學習中，兒童的個體差異、機器人或軟件的款式、教師等其他因素也會對學習遷移的效果產生影響。例如，個體差異中的年齡這一因素，小學生對高級編程能力的掌握明顯優于幼兒園兒童(Amanda et al.，2018；Sullivan & Bers，2015)。對于同一年齡不同性別的兒童，男童使用機器人部件的表現優于女童(Sullivan & Bers，2013；Sullivan & Bers，2015)。除去個體差異，編程學習的機器人或軟件款式的差異可能對認知發展存在影響。另外，教師、干預時長等均可能成為潛在的影響因素。在未來，這些因素有待學者們深入研究。

6 實踐啟示及結語

探討編程學習對兒童認知發展的影響不僅能為研究者提供借鑒，也可為實踐者帶來啟發。從教學實踐角度出發，本研究提出了學習目標、學習內容、學習工具和學習效果測評四個維度的建議。在學習目標的制定上，要符合兒童年齡發展的水準。制定的目標不僅體現在對編程思維發展的影響上，也要注重對相關認知能力發展的積極作用。在學習內容上，應基于實證研究結果，選擇符合學前兒童認知發展水平的內容和形式進行學習。在學習工具的選擇上，建議優先考慮不插電機器人。在掌握相關概念之后，可以逐漸融入圖形化編程以及混合編程工具。另外，還需加強學前兒童編程學習的評測，對編程思維和相關認知能力發展的影響等方面，綜合評測學習效果。

綜上所述，編程能力正成為未來學習者的重要技術素養，編程教育的對象在逐步走向低齡化。為了科學有效地開展學前編程學習，我們有必要了解編程學習會如何影響兒童認知能力的發展及其內在機制。本文通過對已有研究的梳理，概括出早期編程學習影響學前兒童基本認知加工過程、高級認知能力和認知學習績效三個主要方面。從今后的研究發展趨勢來說，該領域的研究還需從設計、方法和內容等層面進行變革，以深入了解編程學習對認知發展的影響機制，為有效開展兒童編程學習提供科學依據。