具身認(rèn)知視角下面向幼兒的計(jì)算思維游戲化教學(xué)模型構(gòu)建與應(yīng)用*

李艷燕 胡婉青 黃睿妍 傅 騫

具身認(rèn)知視角下面向幼兒的計(jì)算思維游戲化教學(xué)模型構(gòu)建與應(yīng)用*

李艷燕 胡婉青 黃睿妍 傅 騫[通訊作者]

（北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875）

如今，隨著計(jì)算思維教育的推廣，如何發(fā)展幼兒的計(jì)算思維成為教育工作者面臨的教學(xué)困境。為此，文章充分考慮了幼兒的認(rèn)知特點(diǎn)，并基于加里斯等提出的游戲化學(xué)習(xí)模型，從具身認(rèn)知的視角出發(fā)梳理了游戲圈中幼兒和學(xué)習(xí)工具、教師的關(guān)系，構(gòu)建了EC-CT教學(xué)模型來促進(jìn)幼兒的計(jì)算思維和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，該教學(xué)模型解釋了幼兒是如何在身體和環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)計(jì)算思維的，并描述了教師在其中發(fā)揮的作用。隨后，文章基于該教學(xué)模型開發(fā)了高具身性的實(shí)體編程工具和低具身性的紙筆工具，設(shè)計(jì)了配套的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并招募了被試參與活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，基于該教學(xué)模型設(shè)計(jì)的兩套工具和活動(dòng)都能夠有效地培養(yǎng)幼兒的計(jì)算思維和激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，并且高具身性工具的促進(jìn)效果更加明顯。文章旨在為幼兒計(jì)算思維的培養(yǎng)提供理論參考和實(shí)踐支持。

計(jì)算思維；教學(xué)模型；幼兒；具身認(rèn)知

一 問題提出

2006年，周以真教授提出了“計(jì)算思維”（Computational Thinking，CT）這一概念，并指出未來計(jì)算思維將和閱讀、寫作、算術(shù)一樣成為每個(gè)人都應(yīng)該掌握的能力[1]。此后，世界各國開始陸續(xù)將計(jì)算思維納入K12正式教育中。到目前為止，全球的教育工作者已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：計(jì)算思維已成為21世紀(jì)人才的基本素養(yǎng)，應(yīng)該在所有學(xué)段（從學(xué)前到高等教育階段）開展相關(guān)的教育活動(dòng)[2]。

盡管研究者指出從幼兒階段（3～8歲）就開始培養(yǎng)計(jì)算思維非常重要，但是目前關(guān)注幼兒計(jì)算思維發(fā)展的研究相對(duì)較少[3]。一方面，幼兒尚不具備成熟的算術(shù)和抽象推理等技能，不能完全脫離物理表征去理解抽象的概念和邏輯[4]，這就給針對(duì)幼兒的計(jì)算思維教學(xué)設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，盡管一些研究者開發(fā)了針對(duì)幼兒的計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)和工具[5][6]，但是并沒有關(guān)注如何將這些活動(dòng)和工具系統(tǒng)性地組織起來，導(dǎo)致相關(guān)教學(xué)活動(dòng)的開展普遍缺乏理論指導(dǎo)。對(duì)此，研究者指出具身認(rèn)知觀點(diǎn)能夠給針對(duì)幼兒的計(jì)算思維教學(xué)設(shè)計(jì)帶來啟發(fā)[7]。具身認(rèn)知（Embodied Cognition，EC）是認(rèn)知科學(xué)中一類理論的總稱，強(qiáng)調(diào)身體和環(huán)境的交互對(duì)于認(rèn)知的重要性，認(rèn)為人可以通過感知運(yùn)動(dòng)循環(huán)發(fā)展高級(jí)思維[8]，這恰好滿足了幼兒依賴物理環(huán)境和身體體驗(yàn)學(xué)習(xí)抽象知識(shí)（如計(jì)算思維）的需求。與此同時(shí)，研究者指出在基于具身認(rèn)知理論設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)中融入游戲元素，可以幫助幼兒更好地投入到學(xué)習(xí)過程中，從而提升教學(xué)效果[9]。

基于此，本研究充分考慮了幼兒的認(rèn)知特點(diǎn)，從具身認(rèn)知的視角出發(fā)，提出了一個(gè)針對(duì)幼兒的計(jì)算思維游戲化教學(xué)模型——EC-CT教學(xué)模型。隨后，本研究基于該教學(xué)模型設(shè)計(jì)了針對(duì)幼兒的兩套學(xué)習(xí)工具及其相關(guān)活動(dòng)，并驗(yàn)證該教學(xué)模型的有效性，以期為今后幼兒計(jì)算思維的培養(yǎng)提供理論參考和實(shí)踐支持。

二 文獻(xiàn)綜述

1 計(jì)算思維的游戲化教學(xué)

研究者提出了各種各樣的計(jì)算思維教學(xué)模型來指導(dǎo)教師開展計(jì)算思維教學(xué)，并通過實(shí)證研究驗(yàn)證了模型的有效性[10][11]。但是，已有的計(jì)算思維教學(xué)模型主要針對(duì)中學(xué)生和大學(xué)生，較少面向幼兒。另外，現(xiàn)有計(jì)算思維教學(xué)模型中的關(guān)鍵載體主要是文本編程或圖形化編程，但這兩種編程形式對(duì)于幼兒的認(rèn)知負(fù)荷都較大，并且該階段的孩子正處于視力發(fā)展的關(guān)鍵期，與電腦、平板或手機(jī)等電子屏幕有過多的接觸，也不利于其視力健康[12]。由此可見，目前亟需建立考慮到幼兒特點(diǎn)的計(jì)算思維教學(xué)模型，為一線教師提供幼兒計(jì)算思維教學(xué)的理論指導(dǎo)。

雖然目前沒有針對(duì)幼兒的計(jì)算思維教學(xué)模型，但研究者已經(jīng)探索出一些有效培養(yǎng)幼兒計(jì)算思維的方式，目前主要有兩種：一種是讓幼兒按照包含運(yùn)動(dòng)提示的預(yù)定義序列實(shí)施物理表演[13]，比如有研究者設(shè)計(jì)了角色扮演游戲，讓幼兒扮演機(jī)器人，按照教師或者同伴的方向指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[14]。另一種是讓幼兒控制一個(gè)外部的物理對(duì)象或虛擬角色發(fā)生運(yùn)動(dòng)[15]，實(shí)體編程工具就是這種形式的典型代表，比如較多研究者使用了實(shí)體編程工具Beebot，幼兒通過按鍵給Beebot下發(fā)指令，控制Beebot在地圖上進(jìn)行移動(dòng)并最終抵達(dá)目的地[16]；還有研究者設(shè)計(jì)了包含競爭和獎(jiǎng)勵(lì)等機(jī)制的紙牌游戲“Code Ocean”，幼兒需要使用指令卡牌來控制海盜船進(jìn)行移動(dòng)[17]。

這些研究都證明了融入游戲元素并重視身體體驗(yàn)的活動(dòng)確實(shí)能夠有效地激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)并促進(jìn)幼兒的計(jì)算思維，但這些研究并沒有解釋為什么這些基于身體體驗(yàn)的活動(dòng)能夠培養(yǎng)計(jì)算思維[18]。研究者呼吁未來需要更多的研究來關(guān)注這些學(xué)習(xí)工具和活動(dòng)是如何組織在一起促進(jìn)計(jì)算思維的，并且這些活動(dòng)還需要更扎實(shí)的理論基礎(chǔ)[19]。

2 具身認(rèn)知視角下的計(jì)算思維教學(xué)

20世紀(jì)80年代以前，主流的認(rèn)知理論認(rèn)為認(rèn)知是一個(gè)抽象的信息處理過程，與身體的感知與行動(dòng)是剝離開的[20]。與此不同的是，具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)身體和環(huán)境的交互在認(rèn)知中所起的作用，認(rèn)為人類的認(rèn)知過程是根植于人與環(huán)境的物理交互的[21]。具身認(rèn)知領(lǐng)域的研究者認(rèn)為，當(dāng)個(gè)體在環(huán)境中活動(dòng)時(shí)，行動(dòng)影響知覺，知覺又會(huì)影響未來行動(dòng)，未來行動(dòng)接著又決定新的知覺，如此往復(fù)從而形成“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)[22]。

身體與物理世界的交互活動(dòng)能夠幫助學(xué)習(xí)者掌握抽象概念[23]，而具身認(rèn)知強(qiáng)調(diào)動(dòng)覺經(jīng)驗(yàn)與抽象概念的聯(lián)系，因此研究者指出創(chuàng)建學(xué)習(xí)環(huán)境讓學(xué)習(xí)者自然地參與到映射抽象概念的身體活動(dòng)中是非常重要的[24]。同時(shí)，具身認(rèn)知觀點(diǎn)與過去專家在幼兒教學(xué)中重視幼兒身體動(dòng)作的理念也是一致的[25]。但是，目前少有研究者從具身認(rèn)知的角度出發(fā)設(shè)計(jì)幼兒計(jì)算思維教學(xué)并驗(yàn)證其效果。有研究者嘗試從具身認(rèn)知的視角為幼兒設(shè)計(jì)了計(jì)算思維課程，探索幼兒在活動(dòng)中參考系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變規(guī)律，但是該研究并沒有驗(yàn)證幼兒的計(jì)算思維是否有所發(fā)展[26]。此外，還有一項(xiàng)研究從具身認(rèn)知的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了低具身性和高具身性的活動(dòng)幫助幼兒學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，發(fā)現(xiàn)高具身性的活動(dòng)能夠幫助幼兒更好地理解計(jì)算觀點(diǎn)[27]。盡管該研究并沒有聚焦于幼兒計(jì)算思維的培養(yǎng)，但是其發(fā)現(xiàn)證明了基于具身認(rèn)知理論的教學(xué)活動(dòng)在培養(yǎng)幼兒計(jì)算思維方面的潛力。

總的來說，目前亟需適合幼兒的計(jì)算思維教學(xué)模型。過去的研究也說明了具身認(rèn)知理論與幼兒計(jì)算思維教學(xué)的適切性，并充分證明了融入游戲化要素對(duì)于培養(yǎng)幼兒計(jì)算思維的積極作用。因此，本研究基于具身認(rèn)知理論，以幼兒為對(duì)象構(gòu)建了計(jì)算思維游戲化教學(xué)模型，隨后根據(jù)模型設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)活動(dòng)和工具，并驗(yàn)證了其能否有效促進(jìn)幼兒計(jì)算思維的發(fā)展。

三 EC-CT教學(xué)模型的構(gòu)建

1 理論基礎(chǔ)

①具身設(shè)計(jì)。具身設(shè)計(jì)（Embodied Design）是指應(yīng)用具身認(rèn)知理論來設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)境。Abrahamson等[28]提出了包含活動(dòng)、資源和促進(jìn)三個(gè)方面的具身設(shè)計(jì)原則：在活動(dòng)方面，應(yīng)充分地調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的身體經(jīng)驗(yàn)并按照由易到難的順序進(jìn)行組織；在資源方面，應(yīng)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境使學(xué)習(xí)者通過物理或心理動(dòng)作發(fā)生感知運(yùn)動(dòng)循環(huán)，并幫助學(xué)習(xí)者發(fā)展出新的感知—運(yùn)動(dòng)模式，從而更好地控制對(duì)象，達(dá)成更復(fù)雜的目標(biāo)；在促進(jìn)方面，需要為學(xué)習(xí)者設(shè)計(jì)腳手架來制定目標(biāo)知識(shí)的隱喻。此外，還需要?jiǎng)?chuàng)建學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)習(xí)者提供物理的實(shí)時(shí)反饋，并且由教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)者總結(jié)在交互過程中形成的策略。具身設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)本研究建立了幼兒與學(xué)習(xí)工具的具身交互機(jī)制，并在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)工具和教學(xué)活動(dòng)方面提供了理論參考。

②游戲化學(xué)習(xí)。游戲能夠激發(fā)人們的內(nèi)在動(dòng)機(jī)[29]，故進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)常引入競爭、獎(jiǎng)勵(lì)等游戲化要素來激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。Garris[30]認(rèn)為大多數(shù)教育游戲存在一種隱性學(xué)習(xí)模式，可將其總結(jié)為輸入、游戲圈以及輸出三個(gè)階段，并以此構(gòu)建了設(shè)計(jì)游戲化教學(xué)項(xiàng)目的模型：首先在輸入階段，要確定教學(xué)項(xiàng)目涉及的教學(xué)內(nèi)容以及需要結(jié)合的游戲特征。然后，輸入會(huì)觸發(fā)一個(gè)被稱為游戲圈的循環(huán)，游戲圈中包括用戶的判斷或反應(yīng)（如享受或興趣）、用戶行為（如更大的持久性或任務(wù)時(shí)間）以及進(jìn)一步的系統(tǒng)反饋。如果能夠成功地將教學(xué)內(nèi)容與適當(dāng)?shù)挠螒蚬δ芟嗥ヅ洌湍苄纬勺晕壹?lì)的游戲循環(huán)。最后，在輸出階段，用戶通過參與游戲可以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，形成特定的學(xué)習(xí)成果。參考設(shè)計(jì)游戲化教學(xué)的這三個(gè)核心階段，本研究對(duì)教學(xué)模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 模型構(gòu)建

在計(jì)算思維教學(xué)的背景下，基于上述“輸入—游戲圈—輸出”游戲化教學(xué)模型，本研究從具身認(rèn)知的視角重新梳理了游戲圈中用戶和系統(tǒng)的關(guān)系，即幼兒和學(xué)習(xí)工具、教師的關(guān)系。具體來說，幼兒通過控制學(xué)習(xí)工具和感知學(xué)習(xí)工具的反饋形成感知運(yùn)動(dòng)循環(huán)，而教師需要支持幼兒與工具的交互（如圖1所示）。具身認(rèn)知觀點(diǎn)的引入使該模型能夠更深刻地解釋幼兒是如何在身體和環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)計(jì)算思維的，以及教師在其中起到的作用。

①輸入。模型的輸入階段包括課程內(nèi)容和游戲特征，這里的課程內(nèi)容就是計(jì)算思維的三個(gè)維度——概念、實(shí)踐和觀念，這里的游戲特征主要包括任務(wù)、競爭和獎(jiǎng)勵(lì)，這些游戲化元素已被證明能夠幫助幼兒發(fā)展計(jì)算思維[31]。接著，再通過基于問題的教學(xué)模式來設(shè)計(jì)以計(jì)算思維三維框架為核心內(nèi)容、以游戲化為外在形式的學(xué)習(xí)活動(dòng)，也就是圖1中的游戲圈。并且，隨著游戲圈中幼兒通過和學(xué)習(xí)工具的交互不斷發(fā)展計(jì)算思維并提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，輸出的結(jié)果也會(huì)進(jìn)一步影響課程內(nèi)容和游戲特征的設(shè)計(jì)。

②游戲圈。游戲圈的核心在于幼兒通過“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)與學(xué)習(xí)工具發(fā)生交互，從而發(fā)展計(jì)算思維。輸入的教學(xué)內(nèi)容映射在幼兒的“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)中，而輸入的游戲特征激勵(lì)幼兒投入到“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)中。具體來說，首先幼兒通過感官感知到學(xué)習(xí)工具提供的信息，基于這些信息，幼兒需要操作學(xué)習(xí)工具，構(gòu)建問題解決方案。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，幼兒會(huì)自發(fā)地驗(yàn)證問題解決方案，這時(shí)學(xué)習(xí)工具會(huì)將可感知到的信息反饋給幼兒，幼兒在感知到反饋后又會(huì)操縱學(xué)習(xí)工具，如此循環(huán)直到真正地解決問題。

在幼兒自主探索解決問題的過程中，教師作為支架來支持幼兒與學(xué)習(xí)工具之間的具身交互。首先，教師會(huì)引導(dǎo)幼兒解讀學(xué)習(xí)工具的反饋，幫助幼兒更好地利用學(xué)習(xí)工具的反饋信息。然后，教師需要營造游戲的氛圍，激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，比如提醒先完成任務(wù)就可以獲得更多的分?jǐn)?shù)等。與此同時(shí)，教師還要采取措施降低幼兒在閱讀和記憶上的負(fù)荷，使其將自己的認(rèn)知資源集中在解決問題上，比如可以結(jié)合多媒體資源創(chuàng)設(shè)情景，提供實(shí)體卡片幫助幼兒記住問題信息。

③輸出。該模型的預(yù)期輸出結(jié)果主要是計(jì)算思維的發(fā)展和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的提升。在計(jì)算思維方面，幼兒在和學(xué)習(xí)工具交互的過程中，能夠通過“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)理解計(jì)算思維的基本概念。當(dāng)通過不斷的“感知—反饋”循環(huán)形成一定的“感知—運(yùn)動(dòng)”模式時(shí)，幼兒也就掌握了對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維實(shí)踐。同時(shí)，幼兒也會(huì)在這個(gè)過程中形成對(duì)計(jì)算思維的態(tài)度和觀點(diǎn)。在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，當(dāng)幼兒進(jìn)入這種“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)中時(shí)，其注意力將會(huì)自然而然地得以維持。此外，競爭、獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制帶來的勝負(fù)感以及完成任務(wù)帶來的成就感，也會(huì)激發(fā)幼兒的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

圖1 具身認(rèn)知視角下的計(jì)算思維游戲化教學(xué)模型（EC-CT教學(xué)模型）

四 研究設(shè)計(jì)

為探究EC-CT模型的應(yīng)用效果，本研究設(shè)計(jì)了具有高低具身性的兩套學(xué)習(xí)工具及其活動(dòng)（其中高具身性工具提供了更多的動(dòng)覺體驗(yàn)），并探索了在參與兩種活動(dòng)前后，幼兒的計(jì)算思維與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是否有存在差異，以及兩種活動(dòng)在幼兒計(jì)算思維的促進(jìn)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的提升上是否存在差異。

1 研究對(duì)象及流程

本研究采用方便抽樣的方法，于2021年7月招募了45名6～8歲的幼兒參與實(shí)驗(yàn)，他們被隨機(jī)分配到高具身性組（28名）和低具身性組（17名）。其中高具身性組的平均年齡為7.1歲，低具身性組的平均年齡為7.2歲，所有被試均未學(xué)習(xí)過計(jì)算思維的相關(guān)課程。整個(gè)活動(dòng)持續(xù)約110分鐘，在開始時(shí)被試需要在15分鐘內(nèi)完成計(jì)算思維前測。此后，被試參與10分鐘的培訓(xùn)活動(dòng)，熟悉各自組中學(xué)習(xí)工具的使用規(guī)則。接著，被試在5分鐘內(nèi)完成學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)前測。隨后，教師引導(dǎo)被試在60分鐘內(nèi)進(jìn)行4個(gè)活動(dòng)，兩組的學(xué)習(xí)情景和內(nèi)容完全一致，并且都由同一個(gè)教師開展教學(xué)，但是使用的學(xué)習(xí)工具不同。最后，被試在20分鐘內(nèi)完成學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和計(jì)算思維的后測。

2 學(xué)習(xí)工具設(shè)計(jì)

基于EC-CT教學(xué)模型，本研究設(shè)計(jì)了CodeWay實(shí)體編程工具和CodeWay紙筆工具。高具身性組使用CodeWay實(shí)體編程工具，它由一系列具有特定功能的積木塊以及大球、小球組成。在實(shí)驗(yàn)中，高具身性組的幼兒需要利用功能不同的CodeWay積木塊搭建出一條通路，讓小球在重力的作用下從起點(diǎn)走到終點(diǎn)，如圖2（a）所示。每個(gè)小球滾動(dòng)的過程就是算法執(zhí)行的過程，而搭建通路的過程則是設(shè)計(jì)算法、解決問題的過程。表1呈現(xiàn)了實(shí)體編程工具與計(jì)算思維概念的映射關(guān)系。被試擺放好積木塊后投入小球，會(huì)通過視覺、聲音等感知到小球的滾動(dòng)軌跡，如果小球的滾動(dòng)軌跡不符合預(yù)期，被試將再次調(diào)動(dòng)身體控制積木塊。在這樣的感知—運(yùn)動(dòng)循環(huán)中，被試將逐漸理解小球動(dòng)作、積木塊顏色所映射的計(jì)算思維概念。當(dāng)通過不斷的“感知—反饋”循環(huán)形成了一定的“感知—運(yùn)動(dòng)”模式時(shí)，被試也就掌握了對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維實(shí)踐。

低具身性組使用了CodeWay紙筆工具，如圖2（b）所示。該紙筆工具的使用規(guī)則與實(shí)體編程工具的使用規(guī)則基本一致，核心區(qū)別在于實(shí)體編程工具的使用流程是被試通過搭建積木讓小球發(fā)生運(yùn)動(dòng)從而解決問題，而紙筆工具的使用流程是被試在方格地圖上繪制具有特定含義的圖標(biāo)來解決問題。高具身性組的積木塊與低具身性組使用的圖標(biāo)是一一對(duì)應(yīng)的，所映射的計(jì)算思維概念也是一致的。低具身性組的被試并沒有實(shí)體的小球作為一個(gè)具身的思考對(duì)象，對(duì)于該組的被試來說，其對(duì)于小球的認(rèn)知是離線的，“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)存在于其想象中。

圖2 高低具身性組使用的學(xué)習(xí)工具

圖3 學(xué)生的問題解決方案

表1 實(shí)體編程工具與計(jì)算思維概念的映射關(guān)系

3 學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

在60分鐘的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，兩個(gè)組的被試都將完成四個(gè)任務(wù)，且根據(jù)具身設(shè)計(jì)原則，任務(wù)的難度設(shè)置逐漸增加。在學(xué)習(xí)活動(dòng)開始前，教師建立了包含獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制和競爭機(jī)制的游戲規(guī)則。每個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的流程都是在基于問題的教學(xué)模式指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的，主要包含情景引入、問題解決、評(píng)價(jià)與反思三個(gè)階段。表2呈現(xiàn)了學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)容，圖3學(xué)生針對(duì)呈現(xiàn)了“挑選試衣間”這一任務(wù)的問題解決方案。

表2 學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)容

4 數(shù)據(jù)收集與分析

在數(shù)據(jù)收集方面，本研究從2018年和2019年國際Bebras比賽6～8歲類別的題目中選擇了9道進(jìn)行計(jì)算思維測試，這些題目按照難度從低到高進(jìn)行排序。基于前測題目，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了與其難度相同的不同版本作為后測題目。由于幼兒閱讀能力尚不成熟，在測試環(huán)節(jié)每名幼兒都有一名助教幫忙閱讀題目。在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的測量方面，本研究使用Loorbach等[32]經(jīng)過修改和驗(yàn)證的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)量表，包含了注意力、相關(guān)性、信心和滿意度四個(gè)維度，具有較好的信度（Cronbach α=0.92）。該量表采用李克特量表計(jì)分，取值為1（非常不同意）～5（非常同意）。在數(shù)據(jù)分析方面，本研究使用Wilcoxon方法對(duì)比在參與學(xué)習(xí)活動(dòng)前后，被試的計(jì)算思維以及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是否存在顯著差異；同時(shí)使用曼惠特尼U檢驗(yàn)，對(duì)比高低具身性組計(jì)算思維和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的差異。

五 結(jié)果與討論

1 計(jì)算思維水平

本研究發(fā)現(xiàn)，兩組被試的計(jì)算思維平均分在參與學(xué)習(xí)活動(dòng)之后都得到了提升，具體計(jì)算思維測試結(jié)果如表3所示。使用Wilcoxon方法檢驗(yàn)被試后測和前測的分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)兩組被試的計(jì)算思維后測分?jǐn)?shù)都顯著高于前測分?jǐn)?shù)，這說明本研究中基于EC-CT教學(xué)模型設(shè)計(jì)的兩套學(xué)習(xí)工具及其相關(guān)活動(dòng)都能夠有效促進(jìn)幼兒的計(jì)算思維。盡管使用曼惠特尼U檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高低具身性組在前測和后測上均沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異（U=232.50，=0.90；U=204.00，=0.41），但是從平均分來看，高具身性組被試在前測時(shí)分?jǐn)?shù)低于低具身性組，而后測時(shí)超過了低具身性組，這可能說明高具身性的學(xué)習(xí)工具更有益于幼兒發(fā)展計(jì)算思維。之前的研究也發(fā)現(xiàn)，高具身性活動(dòng)更能促進(jìn)幼兒的數(shù)學(xué)理解和編程技能[33]。

另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在高具身性組中，盡管教師沒有講授如何進(jìn)行調(diào)試，但部分被試在使用實(shí)體編程工具時(shí)仍然自發(fā)地參與了調(diào)試的過程。這些發(fā)現(xiàn)都證明了本研究中實(shí)體編程工具的優(yōu)勢(shì)：與Beebot類似的教育機(jī)器人相比[34]，該工具提供了可視化的指令，降低了幼兒記憶的負(fù)荷；與一些桌面游戲[35]以及本研究中的紙筆工具相比，該工具通過小球的運(yùn)動(dòng)提供了反饋，使幼兒能夠自然地參與到感知運(yùn)動(dòng)循環(huán)中。而實(shí)體編程工具的優(yōu)勢(shì)，正反映了本研究中EC-CT教學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)。

表3 計(jì)算思維測試結(jié)果

注：*＜0.05，**＜0.01。

2 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平

使用Wilcoxon方法分別檢驗(yàn)兩個(gè)組的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，具體測試結(jié)果如表4所示，可以看出：高具身性組的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)后測分?jǐn)?shù)顯著高于前測分?jǐn)?shù)（z=-3.75，＜0.01），低具身性組則無顯著差異（如表4所示）。從學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)各個(gè)子維度上來看，高具身性組在注意力、相關(guān)性和滿意度上都得到了顯著提升（z=-2.79，＜0.01；z=-2.69，＜0.01；z=-2.02，=0.04），并且注意力這一維度提升的分值是最大的。盡管使用曼惠特尼U檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高低具身性組在計(jì)算思維前測、后測中均無顯著差異（U=218.00，=0.64；U=183.50，=0.19），但在前后測中，高具身性組的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)平均分都高于低具身性組，這說明高具身性組的學(xué)習(xí)工具更能吸引幼兒的注意力，激發(fā)幼兒的興趣。

表4 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)測試結(jié)果

奧爾莫等[36]發(fā)現(xiàn)幼兒在使用了類似的低具身性工具進(jìn)行學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但是本研究中高具身性組的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)卻得到了提升，這可能是因?yàn)楸狙芯吭O(shè)計(jì)的實(shí)體編程工具使被試在外顯的“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)中能夠自然而然地維持注意力，以激發(fā)他們的興趣。相較而言，被試在使用低具身性的紙筆工具時(shí)，“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)則是內(nèi)隱的，其無法直接從學(xué)習(xí)工具上得到顯性反饋。這在一定程度上說明了高具身性的實(shí)體編程工具比起低具身性的紙筆工具更能充分地吸引幼兒，使其在學(xué)習(xí)中保持興趣和專注。

六 總結(jié)

本研究從具身認(rèn)知視角提出了面向幼兒的計(jì)算思維游戲化教學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)了幼兒需要通過“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)來與學(xué)習(xí)環(huán)境發(fā)生交互，從而發(fā)展計(jì)算思維。本研究發(fā)現(xiàn)，基于該模型設(shè)計(jì)的兩套工具和活動(dòng)都能夠有效地培養(yǎng)幼兒的計(jì)算思維并激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，并且高具身性的實(shí)體編程工具的促進(jìn)效果更加明顯——這些發(fā)現(xiàn)證明了EC-CT模型的優(yōu)勢(shì)與有效性。本研究對(duì)幼兒的計(jì)算思維教學(xué)具有兩方面的啟示：①在學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)方面，要充分考慮到幼兒依賴物理環(huán)境理解抽象概念的特點(diǎn)，并建立及時(shí)且具身的反饋機(jī)制，使幼兒能夠自然地參與到“感知—運(yùn)動(dòng)”循環(huán)中；②在學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)方面，需要圍繞幼兒真實(shí)生活情景中的問題，將活動(dòng)按照從簡單到困難進(jìn)行排序，并且在活動(dòng)中融入合適的游戲化元素，比如獎(jiǎng)勵(lì)、競爭等來激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。本研究也存在一定的局限性，比如實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，只證明了基于EC-CT教學(xué)模型的兩套學(xué)習(xí)工具及其相關(guān)活動(dòng)在短期的效果，并且由于疫情原因招募到的被試較少。未來研究可以進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，開展長期實(shí)驗(yàn)并且深入探索幼兒學(xué)習(xí)計(jì)算思維的過程。

[1]Wing J M. Computational thinking[J]. Communications of the ACM, 2006,(3):33-35.

[2][7][19]Huang W, Looi C K. A critical review of literature on “unplugged” pedagogies in K-12 computer science and computational thinking education[J]. Computer Science Education, 2021,(1):83-111.

[3][16]Angeli C, Valanides N. Developing young children’s computational thinking with educational robotics: An interaction effect between gender and scaffolding strategy[J]. Computers in Human Behavior, 2020,(105):105954.

[4]Beilin H. Developmental stages and developmental processes[A]. Measurement and Piaget[C]. New York: McGraw-Hill, 1971:172-196.

[5][36]del Olmo-Mu?oz J, Cózar-Gutiérrez R, González-Calero J A. Computational thinking through unplugged activities in early years of Primary Education[J]. Computers & Education, 2020,150:103832.

[6][14][34]Saxena A, Lo C K, Hew K F, et al. Designing unplugged and plugged activities to cultivate computational thinking: An exploratory study in early childhood education[J]. The Asia-Pacific Education Researcher, 2020,(1):55-66.

[8][21][24][28]Abrahamson D, Lindgren R. Embodiment and embodied design[A]. The Cambridge Handbook of the Learning Sciences[C]. Cambridge: Cambridge University Press, 2014:358-376.

[9]Er S. Using total physical response method in early childhood foreign language teaching environments[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2019,(21):1766-1768.

[10]丁世強(qiáng),王平升,趙可云,等.面向計(jì)算思維能力發(fā)展的項(xiàng)目式教學(xué)研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2020,(9):49-55.

[11]陳興冶,馬穎瑩,楊伊.面向計(jì)算思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)模型建構(gòu)——以可視化編程教學(xué)為例[J].電化教育研究,2021,(5):94-100、121.

[12]王佑鎂,宛平,南希烜,等.實(shí)體編程促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展:工具與策略[J].中國電化教育,2021,(8):92-98.

[13][15][22]Fadjo C L. Developing computational thinking through grounded embodied cognition[D]. New York: Columbia University, 2012:15-48

[17][31][35]Chen K Z, Chi H H. Novice young board-game players’ experience about computational thinking[J]. Interactive Learning Environments, 2022,(8):1375-1387.

[18]Manches A, Mckenna P E, Rajendran G, et al. Identifying embodied metaphors for computing education[J]. Computers in Human Behavior, 2020,105:105859.

[20][23]Barsalou L. Grounded cognition[J]. Annual Review of Psychology, 2008,(1):617-645.

[25]Asher J J. Children learning another language: A developmental hypothesis[J]. Child Development, 1977,(3):40-1048.

[26]Clarke-Midura J, Kozlowski J S, Shumway J F, et al. How young children engage in and shift between reference frames when playing with coding toys[J]. International Journal of Child-Computer Interaction, 2021,28:100250.

[27][33]Sung W, Ahn J, Black J B. Introducing computational thinking to young learners: Practicing computational perspectives through embodiment in mathematics education[J]. Technology, Knowledge and Learning, 2017,(3):443-463.

[29]Malone T W, Lepper M R. Making learning fun: A taxonomy of intrinsic motivations for learning[A]. Aptitude, Learning, and Instruction[C]. London: Routledge, 2021:223-254.

[30]Garris R, Ahlers R, Driskell J E. Games, motivation, and learning: A research and practice model[J]. Simulation & Gaming, 2002,(4):441-467.

[32]Loorbach N, Peters O, Karreman J, et al. Validation of the instructional materials motivation survey (IMMS) in a self-directed instructional setting aimed at working with technology[J]. British Journal of Educational Technology, 2015,(1):204-218.

The Construction and Application of Computational Thinking Gamification Teaching Model for Young Children from the Perspective of Embodied Cognition

LI Yan-yan HU Wan-qing HUANG Rui-yan FU Qian[Corresponding Author]

At present, with the promotion of computational thinking education, how to develop young children’s computational thinking has become a teaching dilemma faced by educators. Therefore, fully considering young children’s cognitive characteristics, this paper combed the relationship among children, learning tools and teachers in the game circle from the perspective of embodied cognition, and constructed an ET-CT (Embodied Cognition—Computational Thinking) teaching model based on the gamification learning model proposed by Garris et al. This model explained how young children learned computational thinking by the interaction between the body and the environment, and described the role teachers played in it. Furthermore, based on the teaching model, a high-embodied entity programming tool and a low-embodied pen and paper tool were developed for young children, and supporting learning activities were designed, and the subjects were recruited to participate in these activities. It was found that the two sets of tools and activities designed based on this model could effectively cultivate young children’s computational thinking and stimulate their learning motivation, and the effect of the high-embodied tool was more obvious. Through the research, this paper was aimed to provide theoretical reference and practical support for the cultivation of young children’s computational thinking in the future.

computational thinking; teaching model; young children; embodied cognition

G40-057

A

1009—8097（2022）12—0109—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.12.013

本文受北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向數(shù)字社會(huì)發(fā)展的智慧教育支持服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào):9222019）資助。

李艷燕，教授，博士，研究方向?yàn)镾TEM教育、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)，郵箱為liyy@bnu.edu.cn。

2022年5月13日

編輯：小時(shí)