基于計算思維發展的兒童編程教學模式設計研究*

常詠梅 王雅萍

（西北師范大學 教育技術學院，甘肅 蘭州 730070）

一、引言

信息時代，計算思維必須像“閱讀、寫作、算數”一樣普及，成為每個合格公民的必備素質[1]，發展兒童計算思維已勢在必行。近幾年，兒童編程作為發展兒童計算思維的主要途徑，在我國得到了長足的發展。但細察我國兒童編程教學現狀，當前我國兒童編程教學對兒童計算思維的促進作用卻微乎其微。孫立會先生表示，當前兒童編程教學的開展主要依賴于校外培訓機構，打著兒童編程是學業選拔的籌碼或能為兒童未來職業選擇做準備的廣告，以競賽和編程應用為主要教學目標[2]。但這種以競賽訓練和編程應用為目的的兒童編程，不僅不能有效發展兒童的計算思維，還使不少兒童對編程望而生畏?？梢姡斚碌膬和幊?，迫切需要以發展兒童計算思維為核心和根本落實教學，以實現其長遠發展。

二、計算思維的內涵與表現形式

我國《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》將計算思維定義為個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。具體表現為解決問題的形式化、模式化、自動化和系統化。形式化，即在信息活動中，能夠采用計算機科學領域的思想方法界定問題、抽象特征；模式化，即通過判斷、分析與綜合各種信息資源，建立結構模型、合理組織數據，運用合理的算法形成解決問題的方案；自動化，即總結利用計算機解決問題的過程與方法，實現問題解決方案的自動化運行；系統化，即形成解決問題的系統過程, 將其遷移到與之相關的其他問題解決中[3]。

三、基于計算思維發展的兒童編程教學模式的設計過程

（一）兒童學習編程的特征分析

本研究特針對小學中高年級兒童，該年齡段的兒童正處于具體運算學習階段，具備一定的邏輯運算能力，且通過信息技術教育對計算機有了一定了解，能夠較好適應兒童編程學習。皮亞杰兒童認知發展理論認為，在具體運算階段，兒童只能進行簡單的抽象思維，思維運算高度依賴具體事物的支持。

兒童對情境具有較強的依賴性。根據梅洛-龐蒂的兒童研究，身體活動是兒童認知發生的基礎。且這里的身體活動不僅包括具體的肢體活動，也包括內隱的、利用身體進行感知和想象的活動[4]。這就意味著，在兒童編程教學中，不能脫離身體感知進行知識傳授和技能訓練，應當以學生為主體，盡可能為兒童提供可感知的情境。

兒童缺乏學習的持久動力。在石晉陽等人的調查中，大多數兒童都表示對編程感興趣，但研究表明，這種直接的興趣非常容易消退，并不能為兒童學習編程提供長久動力[5]。石晉陽等人認為，以興趣和努力為核心培養兒童學習編程的內在動力，為兒童提供足夠的外部支持，能夠有效培養兒童學習編程的持久動力。

基于兒童學習編程的特點，兒童編程教學應該注重編程情境的創設，具象化編程對象，構建以興趣和努力為核心的學習系統，為兒童提供充足的教學指導和學習資源。

（二）計算思維訓練的一般步驟

在杜威看來，思維的演進是推動問題解決進程的關鍵，他將問題解決過程分為五個階段，提出了“思維五步法”。第一步發現問題，即主體從客觀情境中感受困難。第二步明確問題，主體通過觀察分析掌握客觀情況，明確問題的性質。一般來說，對困難的定位會隨著困難的出現而完成，但也存在感受到困難及問題所在，卻并不知道具體問題及性質的現象，這就需要通過第二個步驟明確具體困難和性質。第三步提出假設，假設是主體運用聯想提出的問題解決方案，通過聯想形成的方案，或多或少帶有一定的猜想和推測性質，需要以不同推測來印證對比。第四步推理判斷，即通過認真細致的思考，選擇合理假設的過程。第五步驗證假設，若某個假設所依據的種種條件都已完備，且通過實踐問題的確得到解決，則該假設得到驗證，問題解決主體也會因此形成自己的信念；反之，則需要重新明確問題或提出新的假設進行推理驗證，最終實現問題的解決[6]。該方法揭示了問題解決過程中思維的發展進程，對思維訓練的過程確定具有重要意義。

趙國慶、趙姝等人在前人研究的基礎上提出“思維訓練三階段理論”，將思維訓練劃分為三個階段，為每個階段的實現提供了操作性建議[7]。第一階段，隱性思維顯性化。通過思維圖示、思維導圖和概念圖等可視化認知工具呈現思維過程與效果，以降低思考者的認知負荷，是該階段的中心任務。第二階段，顯性思維策略化。通過思維策略工具的應用，來指引、激發和組織思維，塑造高效思維模式。常見的思維指引策略有5W1H 分析法、SWOT 分析法、因素分析法等，目的在于規避思考者原有思維模式的誤差，以拓展感知，形成對問題的全面認識。思維激發策略則以“頭腦風暴”為代表，它以激發創新思維為目的，需要在對原有思維模式進行識別評價的基礎上創造突破，建構新的思維方式。思維組織策略以高度結構化為特點，能夠有效解決問題解決過程中的思考流程的問題，以“六頂思考帽”“麥肯錫問題解決七步法”為代表。第三階段，高效思維自動化。即通過重復強化“去工具化”，將有意識的高效內化成為無意識的高效，實現思維訓練的目的。

用計算機解決問題需通過提出問題、分析問題、設計算法、編寫程序、調試程序五個步驟的迭代與實現來實現[8]。綜合分析思維五步法、思維訓練三階段理論和計算機解決問題的一般步驟，本研究認為，通過分析客觀情境提出問題、分析問題明確問題要素、構建算法解決問題、總結評價反思、應用實踐遷移五個步驟，可以實現計算思維的訓練。

（三）兒童編程教學模式的提出

為發展兒童計算思維，本研究從計算思維的內涵與表現形式角度出發，結合用計算機解決問題的一般步驟和思維五步法，認為在契合兒童學習編程特點的前提下，針對性訓練兒童運用計算機解決具體編程問題過程中的思維活動能夠有效促進兒童計算思維發展。為更好落實計算思維訓練，結合思維訓練三階段理論進行合理建構，從引入問題情境、明確問題要素、構建解決方案、總結評價反思和實踐應用遷移五個環節展開教學活動設計，可以有效實現兒童編程課程中兒童計算思維的形式化、模型化、自動化和系統化，關于具體模式建構過程如圖1。

圖1 模式建構過程

（四）兒童編程教學模式的解析

該模式依托于可視化編程環境展開，可視化編程以“所見即所得”為原則，具有簡潔的編程邏輯和直觀的操作界面，有效規避了編程學習中繁瑣的語法調試，能將復雜的編程代碼用直觀可視的積木塊或圖像表現出來，有利于兒童感知問題解決過程，與問題解決過程產生直接聯系。模式將兒童編程教學分為五個環節，以兒童解決問題為主線，突出了兒童編程中學生活動的主體地位，通過教師的及時組織和有效指導，落實兒童編程過程中計算思維的形式化、模型化、自動化和系統化，以發展兒童計算思維，關于具體模式如圖2。

圖2 基于計算思維發展的兒童編程教學模式

1.引入問題情境

有效創設編程問題情境，是教學活動順利展開的關鍵。兒童編程的問題情境由教師創設，教師可通過講故事、播放視頻、角色扮演等多種方式引入問題情境，盡可能選擇兒童感興趣的生活活動作為問題情境的創設素材，以便于兒童理解情境，發現問題。

2.明確問題要素

在發現問題后，明確問題要素是解決問題的重要前提。兒童需要通過可視化認知工具進一步分析問題，收集問題情境中的各種數據，明確解決問題的關鍵要素及各要素間的關系，教師則提供必要的支持，幫助兒童掌握相關工具的同時，控制學習進度，實現計算思維形式化。該模式中教師的引導主要以兩種形式存在，即教學流程指引和活動策略指導。教學流程指引，是指教師需要在教學實施的各個環節嚴格把關，引導學生在特定時間完成當前活動進入下一環節。活動策略指導，是指教師需要指導兒童使用教學實施過程中所要用到的可視化編程軟件、思維圖示、思維導圖和概念圖等工具。

3.構建解決方案

構建解決方案是解決問題的核心所在。兒童需要假設問題解決的方案，在推理判斷基礎上設計相應算法，并進行程序調試，教師負責監督兒童完成以上活動，并進行有效指導。該環節中的迭代主要體現在學生活動中，如推理判斷或程序調試不通過，就需要兒童提出新的假設，甚至是重新分析問題整理數據。每一次迭代都意味著兒童對一個方案的取舍，要求兒童首先對原有方案做出評價，并在實踐測試或理論的支持下提出新的解決方案，這就有可能需要兒童回到方案模型化階段，重新進行數據分析與模型建構，甚至可能需要回到分析問題要素階段重新對問題進行界定。聯想是學生利用現有數據假設方案，進行算法設計的重要思維過程，不同學生聯想時在反應速度、聯想范圍、深刻程度上都可能存在不同，但這并不意味著學生反應慢就是錯誤的，有的孩子可能因為思考深入而表現為外在的遲鈍。故而構建聯想方式豐富的小組合作，盡可能窮舉所有問題解決的可能，對促進兒童計算思維發展具有重要意義。根據“六頂思考帽法”，兒童形成假設的方法多種多樣，可以是基于數據分析的，也可以是基于直觀感受的。該方法可以很好地指導兒童形成解決問題的假設方案，并對其合理性進行推理判斷，幫助兒童完成算法設計，既能運用于小組討論，也能運用于個人思考。

4.總結評價反思

總結評價反思是實現計算思維自動化的關鍵。教師應當組織兒童對整個問題解決過程進行總結梳理，引導兒童歸納問題解決的過程、方法和思維活動，并以兒童本身、同伴、教師為多元主體，對問題解決的全過程進行評價，通過加強兒童對于問題解決過程中方法和思維的感知，為兒童編程學習提供積極反饋，加強計算思維訓練的效果。

5.實踐應用遷移

將兒童通過教學活動所形成的解決問題的思維模式多次應用于相近或不同情境，是促成兒童計算思維系統化的必要手段。兒童需要通過多次實踐，熟練運用各思維工具，理解解決問題過程中思維的發展路徑，以促成完備的計算思維系統的實現，將計算思維融入生活點滴。

四、基于計算思維發展的兒童編程教學模式的實施策略

在實踐層面保障教學模式的順利實施，是發揮該模式促進兒童計算思維發展的關鍵所在?；谀Ｊ綄嵤┑目紤]，該模式在具體應用中，應注意以下幾點。

（一）注重教師引導的適時與適度

教師引導應當遵循從多到少，從繁到簡，從淺到深的規律。工欲善其事，必先利其器。在教學初期，教師不僅要引導兒童使用可視化編程軟件，還需要指導兒童學習思維導圖、概念圖等的繪制方法，引導兒童學習使用“六頂思考帽”等思維工具，以降低小組活動中學生的學習門檻，明確兒童編程課程的教學重心。為提高引導效率，教師可以以圖片、視頻或導學案的形式提前發放學習資源，引導兒童選擇和使用學習資源，根據課堂情況靈活選擇重難點進行集中講解演示，并隨著兒童對教學流程的熟悉，逐步減少淺層引導，充分發揮兒童學習的自主性。

（二）強調思維活動的記錄與梳理

過程記錄有利于幫助兒童形成完整的問題解決總結方案，全面復盤學習過程，引發深層思考。教師可為學生發放學案，或設計相應的程序，要求兒童填寫問題解決中的具體操作，形成如“第一步，分析問題情境中存在的對象及對象、對象屬性和對象關系，找到解決問題的關鍵”之類的步驟總結，并填寫或上傳相關思維導圖，引導兒童記錄問題解決過程中的思維活動，便于兒童積累經驗，在下次遇到該類問題時能夠產生聯想，優化問題解決過程。與此同時，完備的問題解決過程記錄也有利于在兒童編程教學中開展優質的過程性評價。

（三）重視兒童編程的個性化思維

兒童編程中兒童的個性化思維是兒童創新思維發展的萌芽，這既體現在兒童對情境的獨特理解，也體現在兒童在構建解決方案環節中對問題解決思路的獨特聯想。對于這種問題，教師應當引導兒童在編程時添加限定條件或擴展程序功能，在不影響課程進度的前提下鼓勵兒童大膽嘗試，避免對兒童思維的直接否定。在構建解決方案環節中，教師應當設計完備的游戲規則，充分發揮“藍色帽子”的控制和調節作用，重視和理解“綠色帽子”所提出的問題解決方案，保證構建問題解決方案過程中“戴著”各色帽子學生發言和思考的比重，并實行角色輪流制，保證每個人都能體驗不同的角色，得到思維的全面發展。

（四）選擇可視化編程工具的由簡到難

拖拽式編程和Python 編程語言是兒童接受度較高的兩種編程方式。拖拽式編程中，兒童不需要掌握具體的程序語言，通過拖拽積木塊的形式就能構建算法邏輯，實現編程功能。該方法直觀有趣，極大地降低了兒童編程的門檻，很適合初學者。但兒童編程決不能止步于拖拽式編程，過分依賴拖拽式編程，反而是對兒童計算思維能力的限制。Python 作為一門高級編程語言，具有簡單易學、可移植、可擴展等諸多特點，具有低門檻、高天花板的優勢，非常適合用于小學中高年級學生的編程進階訓練。因此，隨著兒童編程水平和計算思維能力的發展，教師應該在適當的時候引導兒童學習Python 編程語言，進一步訓練兒童計算思維。

五、結語

信息時代的發展日新月異，兒童計算思維培養已刻不容緩。本研究在分析兒童學習編程的特點和探究具備高操作性的思維訓練理論的基礎上，著力于構建高效促進計算思維發展的兒童編程教學模式，并給出了基于可視化編程平臺的教學實施流程，為一線教師組織兒童編程課程提供了理論參考和實踐指導。教師在模式應用過程中，需“因地制宜”“因人施教”，結合實際教學情況靈活運用教學模式，以確保有效促進學生計算思維發展。