實物編程在小學計算思維培養(yǎng)中的應用研究

齊馨蕾

上海師范大學教育學院 上海 200234

引言

計算思維的重要性不言而喻，眾多學者已經(jīng)進行了充分的探討。在計算思維不斷發(fā)展的過程中，其落腳點逐漸從高等教育轉(zhuǎn)移到k-12教育中[1]，呈現(xiàn)出低齡化趨勢。新興技術(shù)的發(fā)展也為在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)計算思維創(chuàng)造了條件，許多研究者在小學高年級信息技術(shù)課堂中使用scratch、App Inventor等軟件培養(yǎng)學生計算思維并取得了豐富的研究成果。然而，如何在小學教育早期引入計算思維還值得我們進行探索。實物編程作為一種無屏幕、互動性強、操作簡單的編程形式受到了部分研究者的青睞，被認為是一種符合兒童計算思維發(fā)展需求的教學工具。本研究中對于實物編程在小學低年級群體中的適用性進行深入分析，提出了在實際教學中應用策略。

1 計算思維與實物編程

1.1 計算思維

我國2022年頒布的《義務教育信息科技課程標準》中指出計算思維是信息科技課程的核心素養(yǎng)之一并將計算思維界定為個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在解決問題的過程中涉及抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動[2]。由此可見，計算思維已經(jīng)成為我國基礎(chǔ)教育關(guān)注的重要內(nèi)容。Wing強調(diào)了在教育早期引入計算思維的重要性：“如果想確保所有人都有一個理解和應用計算思維的共同而堅實的基礎(chǔ)，那么這種學習最好在兒童早期進行”[3]。計算思維作為信息化社會人人都應該具備的基本素養(yǎng)，需要在教育早期就開始培養(yǎng)，同時還要充分挖掘應該發(fā)展學生哪些計算思維技能，比如Bers提出的7個強有力的計算思維概念，適合小學早期兒童學習[4]。

1.2 實物編程

實物編程（Tangible Programming）最早是由學者鈴木英之、加藤浩提出的，他們嘗試將編程指令封裝在正方體塊中，兒童通過排列不同的編程指令方塊編寫程序，編程結(jié)果通過電腦屏幕呈現(xiàn)出來。后來隨著技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，實物編程脫離了電腦屏幕，它將圖形化編程語言簡化、實物化，封裝于兒童易于操作的積木塊中，這些積木塊被賦予不同的屬性或功能[5]，如循環(huán)、條件、傳感器等。學生通過排列組合不同的編程積木塊來設(shè)計程序，這種輸入方式使得沒有電腦使用經(jīng)驗的學生也可輕松地進行編程，編程結(jié)果通常是以對應物理執(zhí)行器的運動或反應呈現(xiàn)出來。實物編程的出現(xiàn)滿足了低齡學習者所需的計算思維環(huán)境和計算思維工具低門檻和高上限的特性，學生在上課的過程中能夠獲得良好的學習體驗。目前關(guān)于實物編程還沒有明確定義，在本研究中將其視為一種通過實物將抽象的計算思維概念具體化呈現(xiàn)出來的一種方式。

1.3 實物編程應用于計算思維培養(yǎng)的優(yōu)勢

1.3.1 實物編程與小學低年級學生認知發(fā)展相契合。計算思維作為一種高階思維能力，其發(fā)展與培養(yǎng)應當是一個循序漸進的過程[6]。根據(jù)皮亞杰認知發(fā)展階段理論，小學低年級學生處于具體運算階段初期，這個階段的兒童正逐步形成抽象思維，皮亞杰認為該時期的思維活動需要具體內(nèi)容的支持。實物編程能夠為學生提供有形的編程環(huán)境，其思維過程通過物理執(zhí)行器在現(xiàn)實世界中展現(xiàn)出來，學生可以興奮地看到他們頭腦中的抽象思維具體化的過程。

1.3.2 編程指令簡化，給予學生及時反饋。實物編程將復雜的文本編程語言用兒童可以識別的符號代替并封裝于實物化的編程指令中，學生在學習后可以輕松掌握對應編程概念和使用技巧，有利于他們創(chuàng)造性地完成學習活動。這種有形的編程方式在輸入和輸出過程中具有即時性。即時的視覺反饋能夠讓學習者觀察到編程過程中存在的問題，不斷測試他們的想法，當學生看到結(jié)果與自己的設(shè)想一致時能夠獲得愉快的學習體驗，這對低年級的學習者來說十分有吸引力。

1.3.3 互動性強，有利于小組合作。實物編程相較于其他編程形式的獨特之處體現(xiàn)在互動性。這里所說的互動一方面體現(xiàn)在學生與編程工具之間的互動，因為實物編程的編程指令和執(zhí)行體都是實物化的，學生在編程過程中可以獲得真實的交互體驗。另一方面體現(xiàn)在學生與學生之間的互動，處于具體運算階段的兒童在社會情感方面渴望與伙伴進行交流協(xié)作，并愿意接納別人的觀點，實物編程剛好為學生之間的協(xié)作搭建起橋梁。

2 實物編程在計算思維培養(yǎng)中的應用案例

實物編程被視為促進計算思維發(fā)展的媒介，除基本的編程指令外，其大多還自帶有傳感器、拓展性平臺等，為學生創(chuàng)造性地設(shè)計項目或完成任務提供了條件，因此許多研究者在探索實物編程教學的過程中提出了很多有創(chuàng)造性的想法。Tengler K等人設(shè)計了基于機器人的講故事活動，運用講故事的方法，開發(fā)一個可行的學習環(huán)境。學生的任務是閱讀或者編造一個故事，通過編程將故事情節(jié)創(chuàng)造性地展現(xiàn)出來。這種方式將編程語言、視覺語言和敘事語言編程語言結(jié)合起來，有效促進學生計算思維發(fā)展[7]。陳潔借助Matatalab實物編程機器人設(shè)計我國本土化的實物編程教學資源，構(gòu)建了基于計算思維的小學實物編程課程培養(yǎng)框架，通過準實驗研究驗證課程實施效果[8]。目前關(guān)于實物編程的研究正在不斷豐富，如將實物編程與基于項目的學習、游戲化教學、STEM教育等相結(jié)合。

3 借助實物編程培養(yǎng)小學生計算思維的策略

本研究使用PP9實物編程機器人套件作為主要的教學工具，結(jié)合任務驅(qū)動法和工程設(shè)計過程設(shè)計以下教學策略，通過前期的文獻梳理和教學實踐過程中的經(jīng)驗和反思總結(jié)出如何將實物編程有效應用于課堂中來培養(yǎng)小學生的計算思維能力。

3.1 情景導入，明確問題

使用游戲、視頻、講故事等方式說明本節(jié)課的任務背景，將本節(jié)課的核心問題隱藏于學生感興趣或者日常熟悉的情景之中，能夠充分激發(fā)學生的好奇心和探究的積極性。教師在主動提出問題或者引導學生提問的過程應當循循善誘，可以先提出一個或者幾個小問題逐步過渡到核心問題。

實物編程在創(chuàng)設(shè)情景方面也有獨特之處，因為學生會自然而然地將實物編程機器人認定為自己的“伙伴”，更容易將學生帶入問題情景中。以《送回實驗包裹》這節(jié)課為例，教師首先借助一個視頻引出本節(jié)課的任務：空間站實驗室收到了一批最新的實驗材料，小9作為空間站機器人助手需要將他們根據(jù)包裹顏色分類并放入對應是實驗柜中。學生會站在自己就是實驗室助手的角度上去理解與思考問題，不僅能夠增強學生的體驗感還能激發(fā)學生的興趣。

3.2 背景探索，新知學習

任務的完成過程一般需要應用新的編程知識。在課程預實驗階段發(fā)現(xiàn)，獨立探索積木塊的使用規(guī)則對于低年級的學生來時還是有難度的，所以需要一個新知學習環(huán)節(jié)，教師帶領(lǐng)學生一起認識新的積木塊并講解其使用規(guī)則。當學生學會了比較復雜的編程語句后，其他輔助功能如眨眼、唱歌可以讓學生自己探索，因為這時的他們已經(jīng)熟悉了部分積木塊的使用方法，并積累了調(diào)試的經(jīng)驗，能夠根據(jù)編程積木塊上的符號自己嘗試。

例如《送回實驗包裹》的核心目標是學習條件語句和顏色傳感器的使用。小朋友們使用小9時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)每當自己的手靠近小9時，它最前面的燈會變換顏色閃爍，大家都非常好奇是為什么？那么這節(jié)課中老師主動讓小朋友們猜測一下它的作用。有學生會主動提出它像小9的眼睛，于是教師和同學們討論關(guān)于人的眼睛看到的世界是怎樣的？眼睛能夠看到和辨別各種色彩有什么作用呢？機器人怎樣才能看到這個五彩斑斕的世界的？由此引出顏色傳感器的概念。

3.3 設(shè)計方案，程序編寫

設(shè)計方案也是學生解決問題過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學生為實物編程機器人制定一個或多個行為方案，并滿足任務中給定的條件。可以將一個大的任務分解為一個個容易實現(xiàn)的小任務。教師會將設(shè)計好的學習單分發(fā)給學生，作為輔助工具的同時能夠記錄學生解決方案的形成過程。在本環(huán)節(jié)中為學生構(gòu)建自主探索的學習環(huán)境，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，學生以小組為單位開展學習活動，在討論交流的過程中表達自己的想法同時要吸取他人的意見，將程序記錄在學習單上，逐步形成本組的解決方案。

3.4 程序測試，修改完善

在本環(huán)節(jié)學生會創(chuàng)建一個程序，將編程語言借助實物機器人的行為表達出來。成功的前提是必備的編程語言知識和合理有效的問題解決策略。學生首先通排列組合編程積木塊來編寫程序，然后運行程序，觀察小9的行動是否會達到自己的預期結(jié)果，運用調(diào)試的方法對程序進行修改完善。學生會發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中存在的各種各樣的問題中或者在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)是否有更好的辦法來優(yōu)化自己的程序。

3.5 分享交流，總結(jié)評價

最后分享交流活動的目的是引導全班同學進行反思。在本環(huán)節(jié)學生首先能夠?qū)⒈窘M的學習成果展示出來，與大家分享。其次還需要認真聆聽和觀察其他小組的設(shè)計方案，思考本組方案的優(yōu)勢和不足之處。教師在整個過程中會進行點評，最后和同學們一起進行總結(jié)分析，促進學生思維發(fā)展。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代社會信息科技的發(fā)展在一定程度上影響著教育教學形式的變革，實物編程是科技進步的產(chǎn)物，在促進兒童計算思維發(fā)展方面產(chǎn)生了積極的反饋，在教學實踐的過程中不斷創(chuàng)新和完善，未來研究方向應該聚焦于如何在課堂中整合這些工具并結(jié)合學生的認知發(fā)展特點來促進學生的計算思維發(fā)展。