不插電編程學習對小學生計算思維培養效果研究

摘要：本研究旨在使用不插電編程產品協助小學生理解程序設計思想并培養其計算思維。通過兩學期“不插電編程”特色課教學實驗結果可知，采用此種教學模式可以滿足學生實踐需求，且對于低學段和無編程基礎的學生具有較好效果，能夠有效培養學生的計算思維。同時，本研究也可作為信息技術教材或硬件設備老舊校的替代教學方案。

關鍵詞：不插電編程；計算思維；小學課程教學

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2025）04-0107-04

研究背景

1.政策導向

現階段，社會對計算思維培養的重要性已達成共識。我國于2017年將計算思維納入高中信息技術學科核心素養，隨后在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中再度聲明培養計算思維的意義和價值。因此，基礎教育單位要按照國家教育方針和需求對學生計算思維培養給予足夠重視，充分利用校內的各種機會和平臺提升學生學科核心素養。

2.區域現狀

目前，青海師范大學附屬實驗小學選用的是清華大學出版社2012年編寫的系列教材，其中涉及的知識包括信息技術初探、WPS套件、Adobe套件中的部分內容。教學內容整體偏向軟件應用，側重知識與技能層面的培訓，對學生信息技術（科技）學科核心素養特別是計算思維的培養有待提升。由新課標可知，1～3年級學生的學習內容主要圍繞“信息技術初探”展開，包括信息交流與分享、信息隱私與安全、在線學習與生活三大板塊；4～6年級學生應掌握內容主要圍繞“數據與計算”展開，包括數據與編碼、身邊的算法、過程與控制三大板塊。新課標中的內容對青海學生而言較為新穎，少部分學生的相關知識儲備嚴重不足，學習起來可能會有一定的困難。因此，筆者以信息技術學科AR特色課程的形式，在備課和講授的過程中嘗試與新課標相對應，以期實現新舊內容的交疊和過渡。

3.學情分析

在教學與教研過程中，筆者發現所在學校的低年級學生對計算機使用尚存在不同程度的困難。尤其是四年級及以下學生，不論是對計算機的基本操作還是應用軟件的使用都不太熟悉。經過調查，發現問題主要包括以下三類：對計算機陌生（部分家庭存在限制信息化產品使用的情況）、對校內Win7系統版本陌生（部分學生使用macOS或Win10及以上版本）、對程序代碼陌生（部分學生零編程基礎）。后兩類學生在教師的協助和支持下勉強能夠完成學習任務，第一類學生則難以在短期內達到較好的學習效果。而在實際情況中，第一類學生的占比最多，這就對教師引導低年級學生上機練習造成了較大困難。因此，采用不插電編程的形式既可以避免軟硬件對低年級學生造成較大的認知負荷，又能夠幫助學生盡早了解程序設計思想并培養其計算思維。[1]

研究基礎

2023年5月，青海師范大學附屬實驗中學及小學部申請加入中國教育技術協會“十四五”規劃一般課題“基于AR編程的跨學科主題教學策略與成效研究”，同年6月成為課題合作校并獲批“AR編程”學習套裝數套。同年9月，在校小學部開設特色課“不插電編程基礎”，該課以AR技術為基礎打造創新型課堂，使信息科技變得立體化、場景化，所學內容涵蓋編程知識、計算思維、社會人文等。2023年9月至2024年1月，課程在校內完成了第一輪教學實踐，通過對參課學生訪談和與同行交流討論的形式檢驗課程成果且均獲得正向反饋。故本研究于2024年3月至2024年7月開展第二輪教學研究，旨在探究不插電編程學習對小學生計算思維培養的效果。

文獻調研

“Computer Science Unplugged”（不插電的計算機科學）是由新西蘭Canterbury大學的蒂姆·貝爾（Tim Bell）教授和兩位中小學教師最早應用并推廣至世界范圍的學習理念。

早些年，國內已有專家學者圍繞“不插電”“不插電活動”“不插電學習”“不插電編程”等主題開展研究。筆者在中國知網以“不插電*（計算機科學+編程+學習）”為關鍵詞進行檢索，截至2024年4月，得到相關文獻共計57篇，剔除無關內容后余45篇，系統中收錄的第一篇中文文獻發表時間是2014年，最近一篇發表時間為2024年，2021—2023年為相關研究高峰期。目前，在知網中檢索到的文獻主要依托中小學信息技術課程展開“不插電”教學活動并設計相關研究，研究對象主要聚焦于小學學段學生，也有部分研究針對幼兒園和初中學段學生。

近年來，北京教師任輝等人也在進行“插電與不插電學習方式促進小學生計算思維發展的研究”。其圍繞小學三四年級學生開展不插電算法教學，圍繞五六年級學生開展插電算法教學，采用自主設計的面向計算思維的教學架構并實施多輪次教學實踐研究。實驗選用《小學生計算思維量表》中的13道題目檢驗學生計算思維的發展變化，通過獨立樣本T檢驗驗證了不插電學習方式對低年級小學生和插電學習方式對高年級小學生提升計算思維和其他能力維度方面的有效性。[2]該研究分別設計了面向小學低年級學段和高年級學段的兩種算法教學模式并得出了科學規范的結論，具有較好的實踐意義，可供本研究參照。除此之外，上海市教師李晶開發的“基于計算思維的不插電計算機教學模式實踐”課例，運用中華傳統文化配合“進制轉換”這一信息技術學科主題進行講解，亦達到較好的教學實踐效果，且與本研究后續工作具有較強相關性。[3]

研究過程與方法

1.研究過程

利用校內信息技術社團組織實驗班小學生參與每周兩課時的AR特色課，分別于學期前和學期末使用相關量表進行計算思維狀況檢測，并對實驗班學生不定時訪談以了解其學習收獲和存在問題，進而通過學生反饋和實驗數據驗證不插電編程學習對小學生計算思維培養效果。因社團包括小學全學段學生，故在學期初先利用計算思維前測數據對全班進行分組。分組時以同年級學生為參照確保“組內異質”，即每組均會配給小學高年級和低年級學生、計算思維現狀較好和欠發展學生，且盡量確保同班學生不同組；同時，以不同年級學生為參照確保“組間同質”，即每組學生測量所得計算思維平均值大致相當，由此提高學生合作能力，并通過組內互助進一步培養其計算思維。經過兩學期的課程教學并根據教具特性和學生反饋，逐漸探索并整理歸納出AR編程特色課教學的一般過程（如表1）。

2.研究方法

采用準實驗研究設計和問卷調查法。在通過首輪課程實驗驗證可行性之后，本研究選用華中師范大學人工智能教育學部張屹教授團隊開發的《小學生計算思維量表》中的23道題目檢測特色課實驗班小學生計算思維的發展變化，其考量范圍主要包括創造力、批判思維、問題解決能力、算法思維、合作能力五個維度。[4]

研究結果與意義

1.研究結果

2023年9月至2024年1月，首輪參與“AR編程特色課”的學生共計七組37人（5～6人為一組）。2024年3月至2024年7月，繼續參與“AR編程特色課”學習的學生共計七組39人，兩輪均參與學生29人，故以29人為初級樣本進行計算思維前后測。初級樣本中包括一至六年級全學段學生，通過訪談得知，六年級學生已系統學習過圖形化編程，故問卷表現較好，一年級學生因識字和問題抽象概括能力較弱，故問卷表現較差，因此剔除樣本中一年級和六年級學生共計7人。對樣本進一步整理后剔除無效問卷3人份，實際所得有效樣本19人份。對19人份數據進行配對樣本T檢驗后所得結果如表2所示。

根據表2中的數據可知，本實驗對學生計算思維培養和提升具有正向效果。具體而言，因課程內容均圍繞編程與算法展開，經過長期學練學生的算法思維有顯著提升；而課程一直是以小組學習的形式推進，在此過程中學生們的合作能力均得到了有效鍛煉和提高；課程案例均以生活中的真實問題為背景，引導學生從計算機科學家的視角出發去思考和解決問題，故問題解決技能亦有進步；參照均值，學生創造力略有提高，但經檢驗可知未有顯著差異，可能原因包括創造力作為相對抽象的素養難以表征或短期內無法通過某些學科學習得到系統性提升。教師也會在后續實驗設計過程中注意學生創造力的考察與培養，以期探索并證實影響學生創造力的相關因素。

2.研究意義

（1）地域性

目前現有關于“利用不插電編程培養計算思維”的研究大多集中在內地或沿海城市中小學，西北民族地區的相關研究較少，可供參考的文獻或案例均有限，故無法得出具有地域特性的實踐結果。因此，本研究立足西北，著眼青海，對填補民族地區的相關研究空白具有一定的積極意義和影響。

（2）團體性

通過查閱文獻，現有研究的設計偏向于采用傳統教學模式，即在固定班額內進行課程講授與練習，學生以個體的身份參與其中，雖然設計了小組活動但并未貫徹教學全流程。本研究從設計之初就對學生進行了分組，以4～6人為單位開展課程內容的學練，旨在發揮小組學習特色并培養低齡學生的計算思維和合作意識。

（3）跨學段

現有研究基本圍繞同一年級學生展開，而本研究的參與對象包括小學全學段學生，既有高年級具有圖形化編程學習經驗的學生（已有計算思維基礎），又有低年級對信息技術暫無概念的學生（計算思維有待開發）。故采用小組學習模式，以“組間同質，組內異質”為分組標準，將跨學段轉化為可供教學利用的優勢。

（4）項目式

本研究所選用的教學內容為“AR編程套件”，教師只需在其基礎之上進行二次加工即可用于課程教學。經過兩輪次教學實驗研究可知，使用該套件具有較好的實踐效果。

總結與反思

本研究目前依然存在一些問題。例如，組內合作不順利，個別小學高年級學生在組內濫用優勢地位、個別小學低年級學生不習慣參與小組任務、少數學生長期搭便車或不配合小組活動等，使得小組學習任務進展緩慢或未能按計劃順利完成；顯示設備較少，目前學校可供AR效果演示的設備只有一臺，7組學生在完成練習任務后需排隊使用設備進行AR驗證；周節課時可能會影響學生的學習效果，少數學生經過一周的間隔后對所學內容會產生遺忘或模糊等。針對上述三類問題，教師也提出了相應的解決思路，如：引導學生建立小組合作學習的思路和方法；向學校提出申請，給予顯示設備相關物料支持；特色課為每周80分鐘，故可以利用課程前15分鐘進行舊知回顧，后15分鐘進行知識拓展和下節預告，即給予學生更多時間構建知識體系，形成對所學內容的系統性認識，幫助學生克服周課時所造成的遺忘。

按照計劃，本研究今后將繼續開展小學生計算思維培養效果對照實驗。

參考文獻：

[1]高宏鈺，李玉順，代帥，等.編程教育如何更好地促進早期兒童計算思維發展——基于國際實證研究的系統述評[J].電化教育研究，2021，42（11）：121-128.

[2]任輝，劉月華，李巖，等.插電與不插電學習方式促進小學生計算思維發展的研究[J].中國現代教育裝備，2023（24）：42-44+47.

[3]李晶.基于計算思維的小學不插電計算機教學模式實踐[J].中國信息技術教育，2020（09）：40-43.

[4]張屹，莫尉，張巖，等.我國小學生計算思維量表研發與應用[J].中國電化教育，2020（10）：49-57.