面向幼兒計算思維培養(yǎng)的教學模式構建
——以實體編程為例

鄭丹 楊剛 陳際煥 李學亮 李倩 溫州大學教育學院

計算思維自2006年周以真(Jeannette M.Wing)教授提出以來，受到各領域專家的關注。[1]近年來，在對計算思維的探索過程中,很多學者發(fā)現(xiàn)，學齡前兒童具備編程學習能力，且基于編程培養(yǎng)幼兒計算思維被認為是一種有效的途徑。[2-3]隨著技術的發(fā)展，大量可視化、易操作的編程工具被開發(fā)，為幼兒學習編程提供了良好的條件。然而由于幼兒教育的特殊性，編程教學仍舊遇到不少的挑戰(zhàn)，幼兒計算思維培養(yǎng)該以何種路徑實施值得深思。

● 幼兒計算思維內(nèi)涵與培養(yǎng)困境

1.幼兒計算思維內(nèi)涵：計算思維習慣的養(yǎng)成

計算思維是一個具有階段性、學科性和領域性的綜合性概念，其本質(zhì)是抽象和自動化[4]，培養(yǎng)幼兒計算思維是向幼兒教授計算機科學最重要的目標之一。[5]探究幼兒計算思維培養(yǎng)內(nèi)涵在一定程度上回答了計算思維與編程教學之間的關系。美國學者布倫南(Brennan)和雷斯尼克(Resnick)認為計算思維包括計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度。[6]根據(jù)美國計算機科學教師協(xié)會（CSTA）為計算機科學相關教學制訂的核心能力標準，計算思維在不同階段有不同的特點與側重，按照不同年齡階段將學習者分為三個等級。[7]第一個等級是針對幼兒園到小學六年級的學生，主要培養(yǎng)學生對計算機科學概念的理解，從計算思維的角度來看，該階段主要是通過簡單的計算實踐體驗來促進幼兒對計算概念的理解，從而初步形成計算觀念。

編程涉及問題解決、掌握概念和技能的認知層面，也包含情感表達和社會交往的非認知層面。[8]因此，在計算思維培養(yǎng)上，編程成為最主要的途徑。[9]以編程培養(yǎng)幼兒計算思維需注重計算思維概念的掌握、計算思維實踐的體驗和計算思維觀念的形成，進而幫助幼兒在生活當中養(yǎng)成計算思維習慣，利用計算思維去解決生活中的問題。

2.幼兒計算思維培養(yǎng)困境：從認知到工具，再到教學

學齡前兒童正處于前運算階段，這時期幼兒認知水平較低，學習呈現(xiàn)出明顯的具象性，不具備成熟的識字和使用計算機的能力。[10-11]因此，以編程的方式培養(yǎng)幼兒計算思維仍面臨著認知、工具和教學三個層面的挑戰(zhàn)。[12-13]在認知層面，由于幼兒處于認知發(fā)展前期，在處理信息、邏輯思維、去中心化以及記憶復雜信息上都存在困難，因此他們很難在進行編程的同時處理程序步驟過多、任務復雜、規(guī)則煩瑣的信息。[14]在工具層面，由于學齡前兒童不具備成熟的識字、計算和抽象推理能力，在學習過程中傾向于具體、步驟簡潔的思維方式，這導致對教學工具的選擇要求較為苛刻。常用的圖形化編程和文本編程很難符合幼兒的思維方式。[15]在教學層面，由于幼兒專注力持續(xù)時間較短、學習韌性較低以及明顯的自我中心性，在學習過程中難以將概念性的想法轉換到實踐活動中[16]，如果教學中任務過難、方法枯燥、幫助較少，幼兒會失去繼續(xù)學習的興趣。

● 幼兒計算思維培養(yǎng)途徑：來自編程工具的視角

高質(zhì)量的學前教育對幼兒未來的學習會產(chǎn)生積極的影響[17]，而我國基于編程培養(yǎng)幼兒計算思維方面的研究還處于初步探索階段，工具理性的培養(yǎng)方式忽視了幼兒自身的特點，導致效果并不理想。因此，如何針對幼兒獨特的發(fā)展需求和認知能力選擇合適的教學方式成為重點。有研究者以編程工具為視角，探索了不同編程工具對幼兒計算思維發(fā)展的影響，發(fā)現(xiàn)實體編程可以有效促進幼兒計算思維能力、精細的運動技能、手眼協(xié)調(diào)能力、合作能力的發(fā)展。[18]實體編程是通過一系列物化的編程指令，使得幼兒可以直接觸摸、操作和觀察編程過程，幫助幼兒在編程過程中理解傳感器模塊事件的觸發(fā)機制從而掌握編程概念。實體編程工具避開了幼兒在計算機中的操作困難，為幼兒提供了更大的探索空間[19]，具有零基礎啟蒙的優(yōu)勢，比較符合幼兒的思維特征。[20]筆者列舉了常用的實體編程工具，如下表所示。

● 面向幼兒計算思維的教學模式構建和案例設計

1.教學模型的建構

本文以幼兒計算思維培養(yǎng)為目標，提出“情境體驗、模型構建、算法實現(xiàn)、總結反思和應用遷移”五階段的教學模式（如下圖），以期探索計算思維核心能力培養(yǎng)與幼兒編程教學耦合的實踐路徑。

（1）情境體驗階段

情境體驗的核心目的是激發(fā)幼兒的學習興趣、激活幼兒的先驗知識和培養(yǎng)幼兒的問題意識。該階段教師的主要任務是創(chuàng)設貼近幼兒真實生活的問題情境，即教師通過講故事、視頻或圖片呈現(xiàn)的方式將幼兒引入所創(chuàng)設的情境中，對教學問題進行定性表征。幼兒的核心任務是結合自身的先驗知識從情境中發(fā)現(xiàn)問題，對教學問題進行首次表征和選擇，但這時幼兒對問題的認識并不完整，教師需要在為幼兒發(fā)現(xiàn)問題提供引導的同時講授新知，為接下來的深入探究奠定基礎。

（2）模型構建階段

工具 年齡 特點mBOT 3歲以上 幼兒入門機器人，通過積木式編程發(fā)展計算思維Cubetto 3～6歲 無屏幕機器人，通過不同顏色的指令編程塊驅動機器人執(zhí)行相應的動作MatataLab 3～9歲 無屏幕機器人，兒童通過編輯編程塊控制機器人執(zhí)行相應的動作KIBO 4～7歲 無屏幕機器人，兒童通過設計、創(chuàng)建、裝飾機器人的過程培養(yǎng)計算思維Bee-BOT 5～7歲 小型桌面機器人，幼兒通過機器人的前進、后退、左轉、右轉、暫停、清除和前進七個按鈕實現(xiàn)自己計劃T-Maze 5～9歲 通過放置編程塊來建構計算機程序，能夠提供實時圖像和語音反饋

模型建立是幼兒計算思維培養(yǎng)的核心階段，其主要目的是幫助幼兒對問題解決方案進行初步規(guī)劃。教師不僅需要為學生提供支架和學習案例，還需制訂適宜的活動規(guī)則，引導幼兒持續(xù)參與到活動中。

（3）算法實現(xiàn)階段

算法實現(xiàn)是對上一階段所建立的問題解決模型進行驗證，具體體現(xiàn)為幼兒通過操作機器人和拼接編程塊來表達自己對程序概念的理解。該階段教師的主要任務是識別全體幼兒在編程過程中出現(xiàn)的共性問題，為幼兒提供過程性幫助以支持編程活動的繼續(xù)。幼兒的主要任務是編程實踐，通過同伴、教師、機器人等多方反饋驗證程序是否正確。該階段幼兒通過具體操作體驗來理解抽象的程序概念，比較符合幼兒認知發(fā)展特征，同時又能夠鍛煉幼兒手眼協(xié)調(diào)能力。

（4）總結反思階段

總結反思階段的主要目的是對幼兒零散的學習進行概括和總結，幫助幼兒形成完整的知識體系，強化幼兒的知識結構，提升其反思能力、創(chuàng)新能力和計算思維能力。其中，教師需要對具有示范性的案例進行展示，組織幼兒之間相互探討，誘發(fā)幼兒創(chuàng)新思維的發(fā)生。該階段是幼兒對編程活動、內(nèi)容重新思考和認知的過程，幼兒在此階段可能會用到多種學習策略，對編程中發(fā)現(xiàn)的問題進行反復的修正和糾錯，尋找最佳解決方案，促進思維向更高層次發(fā)展。

（5）應用遷移階段

應用遷移的主要目的是鍛煉幼兒獨立分析問題和解決問題的能力，促進知識技能向實踐應用遷移。該階段教師的主要任務是設置符合幼兒認知特征的遷移性任務，組織幼兒獨立完成，其中教師所設置的任務需具有一定的寬松度，以適應不同水平的幼兒。幼兒的主要任務是根據(jù)教師所提供的遷移性任務，結合先前的案例進行問題解決方案的設計以及編程實踐，其中，通過完成遷移性任務能夠幫助幼兒靈活應用所學知識，促進幼兒知識的內(nèi)化。

2.基于GIOE模型的教學案例設計

筆者以瑪塔（MatataLab）機器人作為教學工具，該課程案例的主題是“拯救我們的朋友”，幼兒和瑪塔機器人一起闖過重重難關拿到寶箱里的鑰匙救出自己的朋友。學生在有趣的故事情境中，運用編程塊編程使得瑪塔機器人能夠避開紅色的障礙物從起點到達寶箱的位置拿到鑰匙救出自己的朋友。

（1）情境體驗

教師：以講故事和PPT呈現(xiàn)的方式講述“拯救我們的朋友”故事發(fā)展線，引導幼兒思考如何可以救出被困的朋友；提出課程所包含的教學問題并講解新知，制訂活動規(guī)則。

幼兒：積極參與課堂互動，思考情境中的教學問題以及理解課程活動規(guī)則、目標。

（2）模型建構

教師：講解案例、不同編程塊指令的功能，引導幼兒設計問題解決方案。

幼兒：根據(jù)案例學習數(shù)字編程塊和運動編程塊的功能和區(qū)別,并思考問題。

（3）算法實現(xiàn)

教師：課堂觀察和監(jiān)督，提供及時幫助和指導。

幼兒：編程實踐和通過多方反饋對程序進行調(diào)試和修改。

（4）總結反思

教師：對幼兒作品提供點評和知識總結。

幼兒：聽取教師、同伴的建議對程序進行修改，積極分享作品思路。

（5）應用遷移

教師：設置新的開放型任務，及時為幼兒答疑。

幼兒：完成新任務。

● 總結與展望

本文通過分析編程與計算思維之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示幼兒編程教學的內(nèi)涵與困境，探究符合幼兒認知特征的編程工具，厘清了幼兒編程與計算思維之間的耦合關系，為幼兒開展計算思維教學提供了新思路。但要想更好地應對幼兒計算思維培養(yǎng)中的困境，還需要不斷探索其他途徑。

1.人工智能賦能教育：拓展幼兒計算思維培養(yǎng)方式

當前，基于人工智能的教育應用成為幼兒日常生活的一部分，從智能玩具到AI教師，人工智能技術能夠詳細地記錄幼兒的學習過程，識別幼兒的學習狀態(tài)和分析幼兒的學習數(shù)據(jù)，為幼兒各方面的學習和測評提供“個性化”“精準化”的支持與服務，與現(xiàn)代教育理念產(chǎn)生了良好的共鳴。因此，人工智能的出現(xiàn)在很大程度上增加了幼兒計算思維教育的可能性。

2.多樣化教學策略實施：深化幼兒計算思維發(fā)展路徑

當前，關于幼兒計算思維課程的研究大多集中在編程工具上，對教學策略的研究卻很少。有研究發(fā)現(xiàn)，在幼兒教學課堂上，教師的教學策略、課堂管理風格等因素都會對幼兒產(chǎn)生較大的影響。[21]所以，如何選擇和設計有效的教學策略是未來以編程為基礎深化幼兒計算思維發(fā)展的一大突破點，也是基于編程的教學方式能否真正被幼兒接受和理解的關鍵。

3.STEM跨學科思想：助力幼兒計算思維非認知因素發(fā)展

將跨學科思想與幼兒計算思維培養(yǎng)相結合，開設綜合性的跨學科STEM課程，并將實體編程融入其中，能使學生體驗到計算思維在日常生活、科學探索中的重要性。它在培養(yǎng)智能時代所需的數(shù)據(jù)素養(yǎng)和計算思維的同時，也為幼兒搭建了一個系統(tǒng)解決問題的經(jīng)驗框架，促使幼兒在STEM教學活動中形成積極的學習態(tài)度、堅韌的學習意志、良好的思維習慣等，為幼兒今后的教育與發(fā)展提供動力與支持。[22]