兒童計算思維教育價值與培養路徑探索

李宏揚 王吉 渤海大學教育科學學院

隨著計算機技術的高速發展，用計算解決問題取代了傳統的思考問題方式，計算思維自提出以來得到了高度重視，事實證明計算思維對學生的學習能力、合作能力、解決問題能力以及科學精神等方面都有明顯幫助，國外有研究指出，若要將計算思維作為與“讀、寫、算”能力同等的基本技能，需要讓學生在小學階段便具備計算思維，這就要求在學齡前便進行計算思維教育。對K-12階段以及高等教育階段計算思維培養的研究層出不窮，對學齡前兒童計算思維培養的研究卻不多見。兒童計算思維的培養具有哪些價值？兒童計算思維培養方式與其他階段的計算思維培養方式有哪些區別？如何在學前教育階段開展有效且符合兒童認知發展階段特征的教育活動？這些都是亟待解決的問題。

● 兒童計算思維的內涵

1.計算思維

計算思維概念最早由麻省理工學院教授西摩·派珀特于1980年提出，他在《頭腦風暴:兒童、計算機及充滿活力的創意》一書中提到，希望兒童在計算機學習過程中培養一種思維能力。他并未明確指出這種思維能力的概念，只是希望兒童能夠具有一種“有力量的觀點”，這種觀點不是既定的書本知識，而是一種源自現實的、有用的、富有創造力的觀點。直至2006年，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授正式提出計算思維這一概念，她認為計算思維是利用計算機科學實現問題求解、系統設計、理解人類行為的一種思維活動。CSTA將計算思維定義為九個核心技能：數據收集、數據分析、數據呈現、問題分解、抽象、算法與程序、自動化、仿真、并行處理。陳鵬等人通過梳理2006—2016年的相關文獻及會議論文，研究眾多學者對計算思維的概念性定義得出常用的高頻詞匯為問題解決、抽象、過程、計算機、算法數據、科學、有效等，這與CSTA定義的計算思維核心技能相吻合。

2.兒童計算思維

2011年，周以真教授進一步明確了計算思維的定義，強調計算思維是一種解決問題的思維過程，并且能夠將解決方案用信息處理代理（機器或人）所能有效執行的方式表達出來。這一定義給義務教育階段的啟示是：計算思維是一個獨立于技術的思維過程；計算思維是一種需要不同能力并行的特殊的解決問題的方法。2016年歐盟委員會聯合研究中心發布了《在義務教育階段發展計算思維研究報告》，報告指出，一部分學者認為義務教育階段的計算思維不僅是一種技能，同時也表現為態度和性格，是知識、技能和態度的總和，同樣啟示兒童計算思維的培養不單單是技能的培養。關于學齡前階段的低齡兒童，他們處于皮亞杰認知發展階段論中的感知運動階段，孫立會等人將這一階段定義為前計算思維階段，認為在這一階段進行計算思維的培養，投入的成本、時間以及教學效果均較此后階段更為樂觀。程藝將計算思維的核心技能對應兒童的相關技能，如算法是指兒童要學會基礎的排序和邏輯組織，每一種核心技能都能與兒童的活動一一對應，這表明計算思維在3～6歲兒童中已經出現，反過來又有利于此階段兒童的發展。對照義務教育階段的計算思維內涵，筆者將本研究所指的兒童計算思維定義為3～6歲兒童解決實際問題的思維過程以及在此過程中觀念與態度發生的一系列變化。這種思維絕非僅僅教會兒童使用計算機并具備計算技能，而是對兒童各方面的能力發展都有寶貴價值。

● 兒童計算思維的教育價值

處于學前階段的幼兒，是當今社會的“數字原住民”，相比于上一代的“數字移民”，他們時刻生活在信息化社會環境中，每時每地都能接觸到計算設備并且具有極強的學習能力，這些條件賦予他們發展計算思維的先天優勢。可見，3～6歲階段是計算思維培養的黃金關鍵期，更容易達到事半功倍的效果。

1.培養兒童的創造力

相關研究報告指出，伴隨著科學技術的高速發展，未來社會的大部分工作將會與計算機科學有關，如果僅僅學習使用現有的軟件以及工具完成信息的加工與處理，缺乏對新技術內涵的理解，便只能被動地適應計算機科學的發展，甚至阻礙計算機科學的發展。因此，應培養學生的創造力以及實際解決問題的能力。而3～6歲兒童有其獨特的思考問題方式，并具有很強的學習能力，對周圍環境中的一切事物有極強的探索欲望，在此階段更容易建立起計算的思維方式，有利于發展更高階的思維能力，為理解掌握甚至創造一整套的計算機科學設計與實施方案奠定堅實的基礎，能有效提高他們的創造力，并與社會對未來人才的要求相適應。

2.訓練兒童的STEAM能力

STEAM教育指的是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Art)、數學(Mathmatics)及其綜合的教育理念，其重視學生創新能力、綜合能力和實踐能力的培養。CSTA在不同學段都倡導計算思維的培養應與數學、科學、語言等課程結合，研究表明，計算思維所要求的核心技能與科學、工程、數學等學科核心素養有明顯的交叉，如計算思維的核心技能“抽象”，體現在科學與工程學科中的“構造解釋，設計解決方案”以及數學中的“抽象推理”“通過反復推理尋找和表達規律”等。同時，STEAM教育中的“確定問題、規劃、嘗試、修改和交流”這五個關鍵步驟都需要計算思維的核心技能作為支撐。由此可見，計算思維的培養標準與數學、科學等眾多學科的標準都存在匹配之處，計算思維是STEAM學習的思維基礎。

從小學階段開始培養學生的STEAM能力已是大勢所趨，這就要求兒童提前具備STEAM能力所要求的核心素養。在3～6歲階段培養兒童的計算思維，訓練兒童的STEAM能力，使兒童具備多學科的基本素養，與更高級學科的教育內容有機銜接，這一舉措具有深刻意義。

3.提高兒童的核心素養

Society5.0時代是日本政府首倡的繼狩獵社會、農耕社會、工業社會、信息社會之后出現的目前所處的智能化社會，智能化社會要求兒童具備更高階的信息素養，信息素養是核心素養框架中所倡導的八大核心素養之一，是人應對信息社會對自我、對工作、對生活的挑戰所必備的素養，日常生活和學習中的基本素養已經不足以應對智能化社會對人才的要求。

基礎教育中的核心素養涵蓋三個方面，即基礎教育中的基礎知識和基本技能，解決問題過程中所獲得的基本方法，思考問題、解決問題的思維方法和價值觀。這些方面無一不對應著計算思維中的核心技能，3～6歲兒童可塑性高，作為智能化社會發展的核心力量，在此階段對兒童計算思維進行培養，能夠建構起一種高效能、低成本、可持續的計算思維培養系統，通過這一系統的培養，能夠有效提高兒童的核心素養，使其適應未來社會的要求。

● 兒童計算思維的培養方式

1.由引領導向轉變為創造導向

派珀特在20世紀初提出兒童應具備認識自己的思維能力，計算機教育的目的也不僅僅是引領兒童培養技能，應該是教會他們思考，不向兒童樹立規范答案，讓兒童利用計算機思維，不斷地操作與應用，以建立對世界的認知，直至認知與現象合一。然而在現在的計算思維教育中，當兒童獨立解決問題時，教育者通常容易形成定勢，一旦兒童遇到困難或者不確定性的問題不想繼續探究下去，他們會習慣性地給出答案，按照既定答案引領兒童進一步探索，這樣的培養方式會僵化兒童的思維過程。教育者應更多關注兒童在此階段思維過程以及態度觀念發生的變化，更要接受、重視并支持兒童對不同問題或不同兒童對同一問題思考方式的不同，讓兒童能夠創造性地思考解決方案。同時，要給兒童留足嘗試和犯錯誤的空間，修補和矯正錯誤的過程同樣是計算思維發展的關鍵。

2.由刻意塑造轉變為環境浸潤

現有的兒童計算思維培養大多以編程教育、機器人教育等方式進行，事實上，3～6歲兒童受環境影響大，周圍環境的細微變化即可引起兒童的顯著改變，相比于刻意塑造兒童的計算思維，以環境浸潤兒童計算思維是眾多培養方式的首選。派珀特曾用“計算機國”來形容兒童計算思維培養的環境，即使在今天，“計算機國”的愿望也還需要進一步探索，但在培養過程中，可有意識地將計算思維所要求的核心素養與兒童的實際活動相聯系，為兒童創造豐富多樣的學習環境，使兒童處在計算的環境里，在培養過程中多問、多聽，以實際生活中的問題啟發兒童的計算思維。

3.由抽象培養轉變為實體操作

3～6歲兒童大多以看、聽、摸等方式與真實世界產生聯系，具有固定外形的具體實物更符合兒童計算思維發展的階段特點，不同于抽象地讓兒童編寫一段程序，在操作實物的過程中，動手興趣的培養更能促進兒童在活動過程中的思維發展，調動兒童各方面的感官，如在實體積木的操作過程中，通過積木的移動、排序、隊列、搭建等行為，為兒童的抽象、仿真等核心技能培養奠定基礎。編程教育作為計算思維培養的重要方式之一，有效地提高了青少年甚至兒童的計算思維，但計算思維的培養不完全等同于編程教育，尤其是在兒童計算思維培養中，編程教育不應過于復雜，應采取與實體操作相結合的方式，如在編程之前通過積木堆積、不插電活動、有聲繪本、簡易機器人等方式先讓兒童理解程序，再進行可視化的程序編寫，游戲化、動手操作的編程教育方式實現了由簡單符號向復雜符號的過渡，可以很好地滿足兒童計算思維發展的要求。

4.由單一訓練轉變為多元培養

兒童計算思維的傳統培養方式多以圖形化編程、機器人編程等方式展開，這些培養很大程度上能夠提高兒童的計算思維和創造能力。但是針對3～6歲兒童思維跳躍、不穩定并且對這些培養方式接受程度不高的特點，僅采取以上方式不免單一且困難，教育者應探索多元化的培養方式。例如，繪本閱讀作為3～6歲兒童汲取外界知識的重要方式之一，受到越來越多家長的重視。世界學前教育組織（OMEP）在1997年的國際會議中將“兒童與書”作為會議主題，會議研究認為，兒童早期閱讀是兒童語言發展的基礎，能夠提高兒童各方面技能，使兒童長期處于豐富的環境中，培養想象力、觀察力與思維能力。兒童電子繪本、有聲繪本等一系列的早期繪本閱讀，既可以實現兒童的交流互動，也可以讓兒童汲取各方面的知識，將其與兒童計算思維培養有機結合，是值得探索的新興計算思維培養方式。