基于活動理論的BOPPPS教學模式促進學生編程和計算思維的實證研究

摘要：本研究以“活動理論”教育理念為依據，構建以“引導活動、知識測試活動、合作體驗活動和學習反思活動”為主體的活動理論教學模型，并設計以“導入、目標、前測、參與式學習、后測、總結”六個環節為主體的BOPPPS教學模式，利用Pepper機器人開展教學實踐以培養學生的計算思維。實證分析結果表明，基于活動理論的BOPPPS教學模式促進了學生的編程成績和計算思維成績的提升，為中小學編程教學改革提供了借鑒。

關鍵詞：計算思維；Pepper機器人；活動理論；編程教學

中圖分類號：G434"文獻標識碼：A"論文編號：1674-2117（2025）02-0076-05

計算思維最早由麻省理工學院的西蒙·派珀特（Sey?mourPapert）教授于1996年首次提出。[1]隨后，周以真教授對計算思維進行了系統的論述。[2]計算思維概念被提出以來，受到各國的廣泛關注和高度重視，被認為是21世紀青少年必備的基本素養和關鍵技能。[3]因此，如何培養青少年的計算思維成為全世界教育工作者關注的熱點問題。隨著機器人編程教育的興起，學生可以在設計機器人、組裝機器人、機器人編程等情境中實現思維的拓展和能力的提高。機器人教育中除了包含計算機科學外，還融合了機械、工程等多領域的內容，致力于培養學生全方位的能力。[4]因此，機器人教育成為培養青少年計算思維的重要途徑。但是，設計什么樣的教學模式創新機器人編程教育？如何設計并實施有效的教學模式來促進編程學習和提高學生的計算思維？本研究將通過實驗研究來回答這些問題。

基于活動理論的教學理念

活動理論又稱為“文化-歷史活動理論”（Cultural-historicalActivityTheory），它關注的是實踐過程而非知識本身，是人們在發展過程中使用工具的本質、不同環境的作用、社會關系、活動目的與意義，最終達到對主體或客體進行改變的過程和結果。當前，應用廣泛的是恩格斯托姆的活動理論體系，包括主體、客體、工具、共同體、規則和勞動分工六要素。[5]

本研究基于活動理論的教學理念，構建了以“引導活動、知識測試活動、合作體驗活動和學習反思活動”為主體的活動理論教學模型（如下頁圖1）。引導活動主要包括導入和目標呈現，通過情境的導入既讓學生明確學習主題，又能夠激發學生學習興趣，同時借助工具呈現學習目標幫助學生明晰學習的具體內容。知識測試活動包括課堂中的前測和后測，前測是通過問卷或抽問的形式對學生的編程水平、學習興趣、計算思維水平進行的基礎測試，后測是為了檢驗學生的編程學習效果。合作體驗活動主要是學生為實現學習目標而進行的一系列的實踐和探究。學習反思活動主要由各小組進行成果展示、反思、點評和總結。在一系列活動結束后，學生通過活動內化，完成知識建構，輸出結果，從而提高計算思維水平和編程能力。

基于活動理論的BOPPPS教學模式設計

基于上述的活動理論基礎與教學活動模型，筆者設計了BOPPPS教學模式，如圖2所示。

1.導入（Bridge-in）：引入主題

導入是活動理論模型中引導活動的第一部分，是指教師利用工具（多媒體設備、Pepper機器人）設置情境引導主體（學生個體或群體）進入學習情境，起到引入主題的作用。該環節主要是利用情境將課程的內容和學生的已有知識有效銜接，不僅能夠提高學生對課程目標、教學內容的認識，而且容易激發學生的學習興趣。

2.目標（Objective）：目標呈現

目標是活動理論模型中引導活動的第二部分，是指教師利用工具（多媒體設備、Pepper機器人）向主體（學生個體或群體）展示客體（學習目標），起到目標呈現的作用。該環節主要是教師通過PPT等方式呈現知識、素養和技能三個方面的學習目標，讓學生明晰本節課的學習目標，便于其掌握學習的重點。

3.前測（Pre-assessment）：知識摸底

前測是活動理論模型中知識測試活動的第一部分，是指主體（學生個體或群體）和共同體（各小組成員）在規則（測試規則）的條件下進行學習前的知識水平檢測，起到知識摸底的作用。該環節主要是為了掌握學生的儲備知識情況，了解學生對本課程的興趣，以便調整后續教學內容的深度及進度，讓教學更加聚焦。

4.參與式學習（Participatorylearning）：突出主體

參與式學習是活動理論模型中合作體驗活動的部分，是指主體（學生個體或群體）為實現客體（學習目標）與共同體（各小組成員）的合作探究，進行協作編程的過程，起到突出主體的作用。該環節注重學生在實踐活動中的體驗與獲得，體現“以學生為主體”的教學思想。

5.后測（Post-assessment）：知識檢驗

后測是活動理論模型中知識測試活動的第二部分，是指主體（學生）和共同體（各小組成員）在規則（測試規則）的條件下進行參與式學習后的效果檢測，起到知識檢驗的作用。該環節需要驗收學習成果，判斷學生是否達到預期的效果。

6.總結（Summary）：自我反思

總結是活動理論模型中學習反思活動的部分，是指共同體（各小組成員）通過勞動分工（生生交流、師生交流）進行成果展示、點評、總結和反思，從而判斷是否實現客體（學習目標），起到自我反思的作用。該環節主要是讓學生展示成果以獲得教師和同伴的反饋，然后進行總結反思。

教學案例

下面，筆者基于活動理論基礎與教學活動模型，以及BOPPPS教學模型嘗試進行Pepper機器人編程教學案例設計，其活動流程主要分為六個部分，即導入、目標、前測、參與式學習、后測、總結。

1.導入

教師活動：①利用機器人詩詞朗誦大賽的主題激發學習興趣；

②演示Pepper機器人朗誦詩詞激發學生的編程興趣。

學生活動：①小組合作討論“詩詞朗誦Pepper機器人”的設計思路；②與Pepper機器人進行互動，熟悉Pepper機器人的功能。

2.目標

①制作出能夠語音輸出的Pepper機器人。②制作出能夠圖像展示的Pepper機器人。③制作出能夠肢體表達的Pepper機器人。

3.前測

在合作體驗活動開始前教師通過問卷調查掌握學生的計算思維水平，通過提問的方式掌握學生對Pepper機器人編程的興趣和熟悉程度。

4.參與式學習

教師活動：①指導編程；②啟發思考；③監控學生行為與交流討論。

學生活動：

探究一：制作出能夠語音輸出的Pepper機器人。

①使用分支結構的積木塊編程；②使用語音識別積木塊編程；③錄制音頻。

探究二：制作出能夠圖像展示的Pepper機器人。

①使用布爾運算編程；②使用循環結構積木塊編程；③使用文字顯示和圖像顯示積木塊編程。

探究三：制作出能夠肢體表達的Pepper機器人。

①使用動作積木塊編程；②使用時間積木塊編程。

5.后測

本節課在Pepper機器人編程任務結束后，會根據課堂學習的編程知識進行隨機性抽問，如“循環結構的模塊有哪些”“怎樣才能讓Pepper機器人能夠向我們打招呼”等，以實現對學生的學習效果的評估，并根據抽問的效果進行教學反思，及時調整教學設計，從而更好地達成教學目標。

6.總結

教師活動：①總結本次課程的重難點；②點評各小組的成果；③選出優秀作品。

學生活動：①各小組上臺展示“詩詞朗誦Pepper機器人”，進行朗誦詩詞比賽；②各小組互相點評；

③小組內或小組間交流編程的經驗，進行總結和反思。

基于活動理論的BOPPPS教學模式效果分析

1.研究設計

（1）研究對象

本研究采用準實驗研究法，研究對象為某中學七年級的學生（平均年齡為14歲），共有59人，學生初識Pepper機器人，尚不熟悉其編程的過程，但已經具備一定的推理探究能力和編程基礎知識，能夠動手設計創新的個性化項目，有利于教學的順利開展。

（2）研究工具

計算思維測量表改編于張屹等人[6]提出的計算思維測試量表，共包含15個題項，總計100分，其中1～4題屬于計算概念（每題5分），5～10題屬于計算實踐（每題5分），11～15題屬于計算觀念（每題10分）。在本研究中，計算思維前測問卷Cronbachalpha信度系數為0.720，后測問卷Cronbachalpha信度系數為0.885，均大于0.7，滿足信度要求，說明計算思維測試量表具有良好的信度。

（3）實驗流程

本研究開展了為期7周的準實驗研究。在實驗前，被試學生進行一次編程成績測試和計算思維成績測試（作為前測成績）。在正式實驗中，共開展三次編程學習活動，分別是以“語音輸出”“圖像展示”“肢體表達”為主題的編程學習。最后，被試學生進行一次編程成績測試和計算思維成績測試（作為后測成績）。

2.研究分析

經過7周的Pepper機器人編程學習活動，學生的編程成績、計算思維能力發生了一定程度的變化。本研究采用定量統計分析的方法從兩個方面探析基于活動理論的BOPPPS教學模式的效果：①學生在接受訓練前后編程成績的變化；②學生在接受訓練前后計算思維的變化。

（1）學生編程成績分析：編程成績顯著提升

本研究采用配對樣本t檢驗對學生編程測試成績前后測是否存在顯著性差異進行了分析（如表1），結果表明被試學生的編程測試成績前后測存在顯著性差異（p=0.000lt;0.001）。具體而言，基于活動理論的BOPPPS教學模式有效提升了學生的編程測試成績（M后=84.77gt;M前=72.89）。

（2）學生計算思維成績分析：計算思維成績顯著提升

本研究采用配對樣本t檢驗對學生計算思維成績前后測是否存在顯著性差異進行了分析（如表2），結果表明被試學生的計算思維成績前后測存在顯著性差異（p=0.000lt;0.001），尤其是計算概念維度（p=0.000lt;0.001）和計算實踐維度（p=0.000lt;0.001）。具體而言，基于活動理論的BOPPPS教學模式有效提升了學生的計算思維成績。

結語

實驗結果表明，基于活動理論的BOPPPS教學模式能夠有效融入Pepper機器人教學，有助于提升學生的編程能力，為培養學生的計算思維提供了載體。同時，它能夠幫助教師更好地開展教學活動，改善課堂教學效果，提高課堂教學質量。

因此，在未來的教學中，希望一線工作者能夠從教學設計創新的視角去開展實踐研究，如探討機器人教學對學生設計思維、解決問題的深層技能的影響，以及如何整合有效的教學策略對學生編程能力、編程思維的影響等。

參考文獻：

[1]PapertS.Anexplorationinthespaceofmathematicseducations[J].Int.J.Comput.Math.Learn.，1996（01）：95-123.

[2]WingJM.Computationalthinking[J].CommunicationsoftheACM，2006，49（03）：33-35.

[3]周平紅，桑雪梅，張屹，等.同伴互評支持的結對編程對學習者計算思維的影響研究[J].電化教育研究，2023，44（11）：105-112.

[4]焦沫.基于中小學生計算思維培養的機器人教學模式設計與實踐探究[J].中小學電教：教學，2023，575（04）：7-9.

[5]Engestr?mY.Activitytheoryandindividualandsocialtransformation[J].Perspectivesonactivitytheory，1999（38）：19-30.

[6]張屹，陳鄧康，付衛東，等.基于新課標的中小學生計算思維量表構建研究[J].電化教育研究，2024，45（03）：90-98.

作者簡介：周瑋（1998—），男，重慶市人，華南師范大學博士研究生，研究方向為學習科學、數字技術教育應用；羅霞（1997—），女，四川省巴中市人，廈門大學博士研究生，研究方向為人工智能教育應用；楊剛（1979—），男，苗族，湖南省懷化市人，教授，博士，碩士生導師，研究方向為學習科學、編程教育。

基金項目：浙江省教育科學規劃2023年度重點課題“新課標背景下編程教育促進青少年計算思維發展的理論與實踐研究”（課題號：2023SB088）。（立項者：楊剛）