實(shí)體編程促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展：工具與策略

王佑鎂 宛平 南希烜 柳晨晨

摘要：實(shí)體編程具有無屏幕、操作簡(jiǎn)單、編程指令實(shí)物化等特點(diǎn)，成為兒童計(jì)算思維培養(yǎng)的有效載體。該文從面向計(jì)算思維培養(yǎng)的編程教育形式出發(fā)，梳理國(guó)內(nèi)外七種實(shí)體編程工具的特征與教育功能;結(jié)合相關(guān)案例，形成五種面向計(jì)算思維發(fā)展的兒童實(shí)體編程教學(xué)策略，包括編程主題生活化，編程任務(wù)細(xì)化分解、融合STEAM跨界素養(yǎng)、編程過程具象化、游戲化互動(dòng)教學(xué);并對(duì)我國(guó)兒童編程教育提出相關(guān)建議，為人工智能時(shí)代我國(guó)兒童計(jì)算思維的培養(yǎng)提供參考思路。

關(guān)鍵詞：實(shí)體編程;計(jì)算思維;編程教育

中圖分類號(hào)：CJ434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

數(shù)字智能時(shí)代，計(jì)算思維已成為個(gè)體面臨復(fù)雜社會(huì)問題所應(yīng)具備的基本素養(yǎng)。編程教育是培養(yǎng)計(jì)算思維的主要方式，伴隨社會(huì)需求與教育供給不斷改革與調(diào)整，兒童編程教育受到各國(guó)的高度重視。芬蘭與2016年起規(guī)定所有小學(xué)生學(xué)習(xí)編程，歐盟推進(jìn)編程素養(yǎng)數(shù)字化議程，美國(guó)計(jì)劃十年普及中小學(xué)編程教育，英國(guó)規(guī)定5-16歲兒童學(xué)習(xí)編程，日本要求全面實(shí)現(xiàn)小學(xué)編程教育必修化，我國(guó)于2017年7月發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出編程進(jìn)中小學(xué)課堂，在2018年1月教育部宣布人工智能、機(jī)器人進(jìn)入全國(guó)高中新課標(biāo)，同年8月浙江省將信息技術(shù)（含編程）列入高考科目。此類政策的發(fā)布表明編程教育趨向低齡化，有力推動(dòng)兒童編程教育學(xué)?；M(jìn)程，逐步實(shí)現(xiàn)由個(gè)體層面的白組織學(xué)習(xí)到學(xué)校層面的系統(tǒng)融合式學(xué)習(xí)，像語(yǔ)文、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)性學(xué)科一樣成為助力兒童發(fā)展的基石。

相比之下，我國(guó)編程教育實(shí)踐處于初步發(fā)展階段，校外主要以企業(yè)推廣為主，呈現(xiàn)一種無序、自由發(fā)展的狀態(tài);校內(nèi)多以社團(tuán)、興趣班、競(jìng)賽突擊班等小眾的方式進(jìn)行。此外，編程教育資源和項(xiàng)目建設(shè)缺少創(chuàng)新高效性，大多從國(guó)外引進(jìn)，教師編程水平有限，不利于引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用教育資源掌握知識(shí)。當(dāng)前學(xué)校常用的編程教育形式以文本編程、圖形化編程為主。兒童編程教育核心人物西蒙·派珀特（Seymour Papert）認(rèn)為，形象化編程工具可改變兒童機(jī)械記憶事實(shí)的方式，在發(fā)現(xiàn)和探索中建構(gòu)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)自己的想法[1]。對(duì)于幼兒和小學(xué)低年級(jí)學(xué)生而言，過早接觸電子產(chǎn)品對(duì)其視力發(fā)育十分不利，他們首先需要學(xué)習(xí)的不是編程語(yǔ)言，而是策劃構(gòu)思、邏輯分析、模式識(shí)別、問題分解、測(cè)試糾錯(cuò)的編程思維。相對(duì)于傳統(tǒng)圖形化編程，將語(yǔ)言學(xué)習(xí)變成關(guān)卡，通過實(shí)際操作指令引導(dǎo)學(xué)生角色過關(guān)，有利于編程知識(shí)擴(kuò)展。實(shí)體編程作為促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)的工具，以實(shí)物塊為操作指令，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，由抽象到具體，關(guān)注兒童在簡(jiǎn)單的算法實(shí)踐中發(fā)展起來的思維能力。本文系統(tǒng)闡述實(shí)體編程的特征與功能，探討發(fā)展兒童計(jì)算思維的教學(xué)策略，為新時(shí)期我國(guó)兒童計(jì)算思維發(fā)展實(shí)踐提供參考。

一、不同編程類型及其比較

隨著編程教育的發(fā)展，編程教育形式趨于多樣化。Humble等人認(rèn)為編程教育主要有文本編程（Textual Programming）、塊編程（BlockProgramming）、不插電編程（Unplugged Programming）三種編程類型[2]，傅騫等認(rèn)為編程形式可分為文本編程、圖形化編程、實(shí)體編程（TangibleProgramming）[3]。其中，塊編程也被稱為圖形化或可視化編程[4]，然而關(guān)于不插電編程與實(shí)體編程之間的界定目前仍無統(tǒng)一定論。Krpan等認(rèn)為不插電活動(dòng)是實(shí)體編程的一種形式[5]，Song等認(rèn)為不插電的塊編碼系統(tǒng)是一種實(shí)體編程，它可以通過組合不插電的塊來編碼[6]，Wohl等認(rèn)為不插電編程、實(shí)體編程均為教授計(jì)算科學(xué)的工具[7]，顧俊認(rèn)為實(shí)體設(shè)備、“不插電”活動(dòng)是促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)的兩種類型[8]。目前而言，尚少有文獻(xiàn)資料直接對(duì)不插電編程與實(shí)體編程進(jìn)行界定。表1對(duì)不同編程類型的內(nèi)涵、特征、操作、價(jià)值等進(jìn)行了比較。

文本編程通過語(yǔ)句、選擇、迭代、常量和變量的組合作為文本代碼在文件中執(zhí)行[9]。當(dāng)前，絕大多數(shù)程序都是用高級(jí)語(yǔ)言編寫，例如Python等編程語(yǔ)言一條指令可以對(duì)應(yīng)幾十條或幾百條機(jī)器指令，強(qiáng)調(diào)高可讀性和可寫性，適合有一定編程基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者和程序員編寫。塊編程被稱為圖形化或可視化編程，其開發(fā)是從LISP-LOGO編程語(yǔ)言開始。相較于文本編程，塊編程門檻相對(duì)較低，易于學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程，提高編程學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)[10]。不插電編程不使用計(jì)算機(jī)，通過命令或書面指令來控制彼此或其它東西，與傳統(tǒng)需要依托數(shù)字設(shè)備的編程相比，不插電編程對(duì)于技術(shù)資源較低或缺乏穩(wěn)定互聯(lián)網(wǎng)的學(xué)校以及低齡兒童更具優(yōu)勢(shì)。教師通過使用卡片、繩子、蠟筆和大量跑動(dòng)的游戲和謎題等向?qū)W生傳授計(jì)算概念，教授基本編程和機(jī)器人操作。例如，Computer Science Unplugged （CS Unplugged）是國(guó)外著：名的青少年免費(fèi)計(jì)算機(jī)課程，主要面向中學(xué)生，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣[11]。實(shí)體編程的代碼塊是兒童能夠熟練操作的物理對(duì)象，相較于圖形化編程更受低齡兒童歡迎。目前，文本編程、圖形化編程已為大眾所熟悉，但關(guān)于實(shí)體編程的了解還稍顯欠缺。

二、實(shí)體編程的內(nèi)涵與價(jià)值

（一）何為實(shí)體編程

實(shí)體編程（Tangible Programming）由日本學(xué)者鈴木英之、加藤浩提出，用來描述類似AlgoBlock在物理空間排列程序塊的編程工具，將屏幕代碼塊實(shí)物化[12]。實(shí)體編程基于現(xiàn)實(shí)世界的物化編程方式，為兒童適應(yīng)圖形化編程過渡，較為適合低齡兒童的認(rèn)知發(fā)展。20世紀(jì)中期，麻省理工學(xué)院拉迪亞·珀?duì)柭≧adia Perlman）指出影響兒童計(jì)算機(jī)編程能力發(fā)展的兩大障礙：語(yǔ)言和用戶界面，其中按鈕盒（Button Box）和老虎機(jī)（Slot Machine）是其設(shè)計(jì)的兒童編程設(shè)備[13]。此后，麻省理T學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室推出實(shí)體用戶界面及可編程程序塊等系列產(chǎn)品[14]。塔夫茨大學(xué)開發(fā)技術(shù)研究小組（Dev Tech Research Groupof Tufts University）將實(shí)體編程工具與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)實(shí)體編程T具KIBO（原稱為KIWD并將其應(yīng)用在課堂，這種具體化、實(shí)物化的編程T具使兒童更好地理解編程語(yǔ)言的邏輯性[15]。圖1展示了當(dāng)前比較典型的實(shí)體編程T具。

（二）實(shí)體編程與兒童計(jì)算思維培養(yǎng)

實(shí)體編程是培養(yǎng)兒童計(jì)算思維的關(guān)鍵工具。計(jì)算思維成為各個(gè)國(guó)家青少年發(fā)展的核心素養(yǎng)，2021年國(guó)際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目（PISA）數(shù)學(xué)評(píng)估將計(jì)算思維納入測(cè)評(píng)范圍。周以真認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等系列思維活動(dòng)，使個(gè)人能夠像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣的思考，來更有效地解決問題[16]。計(jì)算思維是一種思維T具，經(jīng)常被用來解決問題，是多種思維技能的綜合應(yīng)用，包括抽象和模式概括、系統(tǒng)性信息處理、結(jié)構(gòu)化問題分解、遞歸及并行思維。在分析問題、解決問題的過程中還會(huì)涉及到邏輯思維、數(shù)學(xué)思維、創(chuàng)造思維、算法思維。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)兒童階段的教育干預(yù)措施成本更低、教育效果更持久[17]。對(duì)于低齡兒童而言，豐富的計(jì)算環(huán)境和計(jì)算思維培養(yǎng)工具需要具有低門檻和高上限兩個(gè)特性[18]，既需要滿足初學(xué)者入門，又要有較好擴(kuò)展性，便于學(xué)習(xí)者進(jìn)一步拔高。

實(shí)體編程是適合兒童編程學(xué)習(xí)的重要模式。美國(guó)兒科協(xié)會(huì)認(rèn)為，應(yīng)限制小孩每天面對(duì)電腦、電視屏幕的時(shí)間，5歲以下兒童每天最多看1小時(shí)屏幕，長(zhǎng)時(shí)間盯著屏幕會(huì)損傷視力。實(shí)體編程是沒有數(shù)字界面和屏幕的編程玩具，通過組合包含流程圖命令符號(hào)塊的小板或傳感器，教授孩子們“實(shí)物化”的編程語(yǔ)言[19]，幫助學(xué)習(xí)者從流程圖學(xué)習(xí)過渡到編程學(xué)習(xí)。實(shí)體用戶界面（Tangible User Interfaces，TUD沒有鼠標(biāo)、鍵盤，是兒童天生就能夠熟練操作的物理對(duì)象，為兒童或新手提供創(chuàng)新的游戲和學(xué)習(xí)方式。實(shí)體編程應(yīng)用實(shí)物塊表示操作指令，操作簡(jiǎn)單，含有拓展功能，提供多種玩法和模塊支架便于進(jìn)一步提升。

實(shí)體編程符合現(xiàn)階段我國(guó)中小學(xué)計(jì)算思維教育需求。我國(guó)兒童編程教育起步較晚，目前仍處于初步發(fā)展階段，但在國(guó)家政策引導(dǎo)和兒童編程制作規(guī)模擴(kuò)大的背景下，短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，未來或?qū)⒗^續(xù)保持火熱。兒童編程教育備受教育工作者、投資者、家長(zhǎng)的重視，但在實(shí)際推行過程中仍存在諸多問題。編程理念普及、政策落實(shí)保障、教育教學(xué)活動(dòng)體系、教材完善、編程環(huán)境、師資配備方面存在不足[20]。除此之外，在編程課程實(shí)際開展過程中，還存在著時(shí)間不足、教師負(fù)擔(dān)過重、課程過于耗時(shí)等課程設(shè)置問題[21]。幼兒編程教育缺乏明確的教育政策導(dǎo)向、課程體系不完整、師資力量不足圈。簡(jiǎn)而言之，兒童編程教育的核心問題可歸納為師資匱乏、課程體系不完善、編程工具適切性不足。麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室、塔夫茨大學(xué)開發(fā)技術(shù)研究小組作為兒編程教育的主要研發(fā)團(tuán)隊(duì)，認(rèn)為實(shí)體編程無需依托屏幕編程，將計(jì)算機(jī)指令具象化為直觀易懂的實(shí)物圖標(biāo)，非常符合兒童的認(rèn)知發(fā)展，可幫助兒童很好理解編程代碼背后所指代的實(shí)際意義。就教育本質(zhì)來說，編程是為了讓學(xué)生獲益良多，核心不是掌握多少編程代碼，而是培養(yǎng)孩子的計(jì)算思維.通過編程實(shí)踐幫助學(xué)生定義、拆解、分析問題，而這種思維能力的掌握對(duì)于學(xué)生未來學(xué)習(xí)、就業(yè)均大有益處。

三、實(shí)體編程工具的特征與功能

實(shí)體編程已進(jìn)入兒童教學(xué)課堂、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)及家庭教育中。許多學(xué)者在實(shí)體編程教育領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐和研究，并探討實(shí)體編程教育對(duì)兒童計(jì)算思維的影響。有研究者認(rèn)為，實(shí)體編程減少了用戶為學(xué)習(xí)系統(tǒng)所付出的努力，而將注意力更完全集中在編程本身[23]，實(shí)體編程相較于圖形化編程界面對(duì)兒童更具吸引力[24]。編程和計(jì)算思維對(duì)很多學(xué)生來說，都是一個(gè)比較抽象的概念。編程教育中的分析問題、合理組織問題、解決問題等特征均與學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)存在相關(guān)關(guān)系，有研究者對(duì)27篇基于編程的計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)證研究進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大中小學(xué)生均可采用編程培養(yǎng)計(jì)算思維[25]。Bers等人在兒童課堂中以實(shí)體編程工具KIBO作為編程教育載體，探討實(shí)體編程對(duì)兒童編程技能和計(jì)算思維的影響，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的溝通、合作和創(chuàng)造力均有提升[26]。編程教育包括分析問題、合理地組織問題，以及通過超越現(xiàn)有編程的算法思維與同伴合作解決問題。韓國(guó)將編程教育作為培養(yǎng)計(jì)算思維技能的有效方法[27]。這里以實(shí)體編程工具KIBO套件、Cubetto、Mabot、Aieggy、Botley、Matatalab、KUBO為例，闡述實(shí)體編程工具的特征與功能，如表2所示。

實(shí)體編程通過一系列物化的編程指令，讓低齡兒童通過觸摸，理解傳感器模塊事件的觸發(fā)，發(fā)展他們的抽象、觀察、分析和創(chuàng)造能力，兒童像創(chuàng)客一樣應(yīng)用實(shí)體編程工具DIY設(shè)計(jì)、制作、批判性思考，為未來創(chuàng)客公民的培養(yǎng)做好準(zhǔn)備[28]。綜合起來，實(shí)體編程工具的特征與功能主要包括：（1）零基礎(chǔ)啟蒙，無門檻，附帶拓展功能，適合進(jìn)階學(xué)習(xí);（2）無屏幕編程，不需要借助其它電子設(shè)備，保護(hù)兒童視力，提供真實(shí)的交互體驗(yàn);（3）游戲化編程、玩中學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索、創(chuàng)造與嘗試;（4）融合STEAM教學(xué)理念，抽象概念具體化，將工程、藝術(shù)、歷史等內(nèi)容結(jié)合在一起，使編程學(xué)習(xí)不再是枯燥的代碼;（5）塑造兒童的思維方式，實(shí)體編程以具象化的物體模擬兒童遇到的困境，鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維，發(fā)現(xiàn)問題，拆解問題，分析問題，抽象思考，模擬結(jié)果從而解決問題。

四、面向兒童計(jì)算思維發(fā)展的實(shí)體編程教育策略

國(guó)際上許多國(guó)家、地區(qū)出臺(tái)編程教育政策規(guī)劃，保障編程教育實(shí)踐。近日，國(guó)家發(fā)改委等13個(gè)部門提出大力發(fā)展OMO（線下與線上的融合）模式在線教育，構(gòu)建線上線下教育常態(tài)化融合發(fā)展機(jī)制，形成校內(nèi)外聯(lián)動(dòng)良性互動(dòng)格局。其中，校內(nèi)編程課程是發(fā)展編程教育的主力軍，在課程建設(shè)、教材研發(fā)、人才評(píng)價(jià)等方面仍需投人大量人物力。本文將從編程課程設(shè)計(jì)與開發(fā)的角度談及實(shí)體編程教育策略。

（一）編程主題生活化

生活主題項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以日常生活故事情景為主線，以解決問題為目的，以實(shí)體編程工具為支持，在一段時(shí)間內(nèi)團(tuán)隊(duì)共同解決一個(gè)復(fù)雜問題或一項(xiàng)綜合性任務(wù)，學(xué)生通過親身參與體驗(yàn)，能更加深刻理解項(xiàng)目的教育價(jià)值，下面以“設(shè)計(jì)消防車最佳滅火路徑”為例，展現(xiàn)以生活為主題開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

比如，“設(shè)計(jì)消防車最佳滅火路徑”項(xiàng)目中，教師要引導(dǎo)學(xué)生細(xì)化和分解問題。首先，要確定火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，設(shè)置火災(zāi)發(fā)生地;其次，要設(shè)計(jì)一個(gè)滅火消防車，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)編程工具車進(jìn)行裝扮;然后，要設(shè)計(jì)消防車行駛路徑，遇到障礙物怎么辦？如何搭建實(shí)物編程指令，到達(dá)火災(zāi)發(fā)生地;最后，要計(jì)算消防車最短行駛路線，引導(dǎo)思考、修正方案。在任務(wù)分解完以后，學(xué)生要積極思考參與到每個(gè)環(huán)節(jié)中，在地圖上設(shè)置火災(zāi)發(fā)生地，用編程工具車模擬消防車，用其他積木塊設(shè)置路障等模擬真實(shí)情景，從順序執(zhí)行→路徑選擇→設(shè)計(jì)路徑，不斷嘗試、修正，最終得出最短路徑，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需聯(lián)系日常生活實(shí)際，啟發(fā)學(xué)生思考。在這個(gè)過程中，教師帶領(lǐng)兒童將生活中遇到的真實(shí)復(fù)雜問題分解成若干可以解決的問題，這是一種遞歸思維，采用抽象和分解來控制巨大復(fù)雜問題，而這種思維方法的訓(xùn)練也正是計(jì)算思維培養(yǎng)的核心。

（二）編程任務(wù)細(xì)化分解

編程學(xué)習(xí)涉及的問題往往比較復(fù)雜，可以在具體學(xué)習(xí)活動(dòng)中嘗試對(duì)編程任務(wù)進(jìn)行細(xì)化分解，借助實(shí)體編程工具逐一突破。在此過程中，學(xué)生需要有一定的問題意識(shí)，在教師的引導(dǎo)下能將任務(wù)分解成一個(gè)個(gè)可完成的小任務(wù)，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，提升兒童的計(jì)算思維。比如，在“賽龍舟”學(xué)習(xí)項(xiàng)目中，教師創(chuàng)設(shè)了相關(guān)情境：端午節(jié)的賽龍舟是我國(guó)的一大特色，開展一場(chǎng)極具傳統(tǒng)文化特色的龍舟賽對(duì)于兒童非常有吸引力。在情境創(chuàng)設(shè)完后，兒童可在教師的引導(dǎo)下將賽龍舟這個(gè)主題任務(wù)分解成若干小任務(wù)。第一，賽龍舟至少要有兩個(gè)龍舟，如何應(yīng)用已有編程工具車及相關(guān)素材DIY;第二，要制定一個(gè)龍舟行駛路線，龍舟怎么移動(dòng)？第三，當(dāng)龍舟遇到障礙物時(shí)，實(shí)物編程塊如何發(fā)布指令避障？在任務(wù)細(xì)化分解完后，兒童可在教師的引導(dǎo)下，依次進(jìn)行操作，直至順利完成比賽，在這個(gè)過程中要不斷進(jìn)行調(diào)試[29]。

為了使龍舟競(jìng)賽活動(dòng)極具真實(shí)性，可事先下載打印好龍舟素材，DIY裝扮編程工具車，繪制龍舟行駛地圖，設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)。賽龍舟可以同伴合作競(jìng)賽的形式開展，龍舟由編程工具車模擬，龍舟的行駛路線可以用實(shí)體編程的實(shí)物模塊發(fā)布指令，通過比較龍舟從起點(diǎn)到終點(diǎn)的行駛時(shí)間，決出輸贏。此外，兒童可自行對(duì)龍舟行駛過程進(jìn)行路障設(shè)置。從提升素養(yǎng)發(fā)展的角度來看，制作過程需要有一定的藝術(shù)素養(yǎng)，會(huì)簡(jiǎn)單的手工繪制與裁剪，裝扮龍舟，繪制龍舟行駛路線。龍舟的行駛需要依托實(shí)物編程指令，整個(gè)過程兒童的空間方位感與邏輯思維均有提升，通過龍舟競(jìng)賽活動(dòng)，促使兒童不斷修正行駛路線，鍛煉數(shù)學(xué)思維和計(jì)算思維。

（三）編程融合STEAM跨界素養(yǎng)

計(jì)算思維培養(yǎng)注重藝術(shù)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等跨學(xué)科創(chuàng)作，展現(xiàn)科技與藝術(shù)結(jié)合之美，強(qiáng)調(diào)兒童創(chuàng)造力培養(yǎng)，這實(shí)際上是一種STEAM跨界素養(yǎng)追求。實(shí)體編程教學(xué)需要融合STEAM多維能力素養(yǎng)進(jìn)行跨界培養(yǎng)。以“造風(fēng)車”為例，風(fēng)車是一種深受兒童喜歡的常見工具，借助實(shí)體編程制作手工風(fēng)車，考驗(yàn)兒童的美感與基礎(chǔ)實(shí)物指令模塊的應(yīng)用，結(jié)合風(fēng)車歷史故事，做到玩中學(xué)。在正式開始制作前，兒童可在教師的引導(dǎo)下將“造風(fēng)車”分解成若干小任務(wù)，幫助學(xué)生塑造解決問題的思維過程，培養(yǎng)計(jì)算思維。首先，如果想制作一個(gè)顏色較為豐富的風(fēng)車，需要提前準(zhǔn)備好畫筆、彩紙、吸管等基本工具;其次，引導(dǎo)學(xué)生回憶起腦海中風(fēng)車的形狀，讓學(xué)生嘗試制作一個(gè)基本風(fēng)車，然后涂色;隨后，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生一起手工制作風(fēng)車;最后，風(fēng)車制作完畢后，思考如何讓風(fēng)車動(dòng)起來。在任務(wù)細(xì)化分解完后，學(xué)生可根據(jù)細(xì)化的任務(wù)依次完成[30]。

看上去，整個(gè)案例只有“讓風(fēng)車動(dòng)起來”這一步驟是借助編程工具車，應(yīng)用實(shí)物編程塊多點(diǎn)指令遙控風(fēng)車移動(dòng)，讓兒童熟悉和了解簡(jiǎn)單的編程邏輯指令，在此之前的諸多步驟會(huì)考驗(yàn)兒童的美感能力、數(shù)學(xué)思維、工程思維、邏輯思維、耐力、反復(fù)試錯(cuò)的精神。對(duì)于兒童來說，他們?nèi)硇膮⑴c和投入的過程是最為關(guān)鍵的。在這個(gè)過程中，他們接觸豐富的顏色，無意中會(huì)形成自己喜歡和不喜歡的色調(diào)，會(huì)認(rèn)識(shí)很多基本形狀。雖然，他不一定能準(zhǔn)確說出這個(gè)形狀特質(zhì)，但他知道這個(gè)形狀折疊以后可以用來干什么。正如Angelic所言，計(jì)算思維關(guān)注的是孩子們?cè)诰幊毯退惴▽?shí)踐中發(fā)展起來的技能，并使抽象思維、問題解決、模式識(shí)別和邏輯推理等素質(zhì)的發(fā)展成為可能[31]。

（四）編程過程具象化

“實(shí)體編程+手TDIY”是一種較好的兒童教育開展形式，一方面激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣，另一方面又鍛煉孩子的創(chuàng)作能力，手工拼搭帶給兒童成就感。下面以“上學(xué)記”“立體迷宮”為例闡釋游戲化的編程課程體系。“上學(xué)記”是一個(gè)由兒童自己創(chuàng)編的場(chǎng)景故事，以自身上學(xué)故事為原型，在地圖上設(shè)定上學(xué)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，準(zhǔn)確通過實(shí)物編程塊指令使機(jī)器人到達(dá)目的地[32]。起點(diǎn)和終點(diǎn)的路線可以不斷設(shè)置，剛開始對(duì)實(shí)物編程指令不熟悉時(shí)上學(xué)路線可以稍微簡(jiǎn)單點(diǎn)，當(dāng)學(xué)生對(duì)上述指令較為熟悉后，可以設(shè)置路障，不斷提高難度，體驗(yàn)闖關(guān)樂趣?！吧蠈W(xué)記”主要為路線行駛，相對(duì)簡(jiǎn)單，主要考察學(xué)生對(duì)實(shí)物編程指令的掌握程度，重在提升兒童的計(jì)算思維與邏輯思維，可作為學(xué)生的課后小游戲，在課上做分享，學(xué)生可自行在地圖上創(chuàng)建學(xué)校、圖書館、商店、馬路等日常上學(xué)路上遇到的元素，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造思維和動(dòng)手能力，鼓勵(lì)兒童發(fā)散性思維，勇于分享想法。

（五）游戲化互動(dòng)教學(xué)

游戲化學(xué)習(xí)是當(dāng)今兒童學(xué)習(xí)的主流形式，可提高學(xué)生的編程興趣。比如，“迷宮”是非常受兒童喜愛的游戲活動(dòng)，考驗(yàn)兒童耐心和空間想象力的智力游戲?！吧蠈W(xué)記”游戲在某種程度上課理解為平面的迷宮玩法，而“立體迷宮”游戲則相當(dāng)于更復(fù)雜和逼真，玩法同樣也有多種擴(kuò)展。同其它實(shí)體編程工具玩法類似，“立體迷宮”游戲正式開始之前需要將游戲分解成一個(gè)個(gè)可完成的小任務(wù)，然后解決，這對(duì)兒童計(jì)算思維的培養(yǎng)非常有益。首先，思考和準(zhǔn)備搭建立體迷宮需要的“建筑材料”。對(duì)于立體迷宮的形狀大小，兒童可在教師的引導(dǎo)下用紙張制作較簡(jiǎn)單的圍墻，在明白其中原理后可白行更改。為了使迷宮更具有主題特色，兒童可根據(jù)自己喜好，將圍墻涂成自己喜歡的風(fēng)格，互相協(xié)作共同發(fā)揮創(chuàng)意。其次，搭建迷宮。搭建迷宮對(duì)于兒童而言，可能稍微有點(diǎn)難度，學(xué)生可在教師的指導(dǎo)和演示下，明白迷宮搭建的原理，在搭建時(shí)不斷修正迷宮擺放位置，思考每張紙的粘貼位置，這個(gè)過程非常鍛煉孩子的耐力和手工搭建能力，將平面東西立體化對(duì)于兒童空間思維的發(fā)展具有較大促進(jìn)作用。最后，開始瑪塔的迷宮之旅。

編程是一門學(xué)科，更是一種工具，在設(shè)計(jì)程序過程中，兒童需要調(diào)用所學(xué)的數(shù)學(xué)、科學(xué)等書本里的知識(shí)點(diǎn)，通過對(duì)編程玩具的設(shè)計(jì)，將這些知識(shí)體系在實(shí)踐中應(yīng)用，幫助學(xué)生梳理整個(gè)知識(shí)體系。通過實(shí)體編程工具的使用，讓學(xué)生知道實(shí)體器件如機(jī)器人的工作原理，任憑兒童自己摸索、糾錯(cuò)、創(chuàng)造，將編程工具當(dāng)作學(xué)習(xí)伙伴，培養(yǎng)兒童問題解決能力、專注力、耐力和創(chuàng)造力。在該案例中，瑪塔作為迷宮探險(xiǎn)者，兒童應(yīng)用實(shí)物編程塊的操作指令，控制瑪塔的行走，幫助瑪塔避障，成功走出迷宮[33]。立體迷宮游戲既讓兒童綜合考量機(jī)器人行進(jìn)的路徑，快速反應(yīng)出直行或者轉(zhuǎn)彎等簡(jiǎn)單編程指令，促進(jìn)兒童思維訓(xùn)練，又幫助他們認(rèn)知簡(jiǎn)單的幾何圖形。最為重要的是讓兒童在玩中進(jìn)行在編程和算法實(shí)踐，促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展。

五、結(jié)論與建議

兒童編程的最大意義不是讓孩子去學(xué)習(xí)一門特長(zhǎng)課程，而是通過學(xué)習(xí)編程背后的邏輯，鍛煉孩子的思維能力。實(shí)體編程具有無屏幕、操作簡(jiǎn)單、編程指令實(shí)物化等特點(diǎn)，成為兒童計(jì)算思維培養(yǎng)的有效載體。不同于文本編程工具的抽象，實(shí)體編程工具在顏色、現(xiàn)狀等外觀設(shè)計(jì)方面較為符合兒童認(rèn)知特點(diǎn)，容易激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)樂趣。本文系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外七種實(shí)體編程工具的特征與教育功能;結(jié)合相關(guān)案例，形成五種面向計(jì)算思維發(fā)展的兒童實(shí)體編程教學(xué)策略，包括編程主題生活化，編程任務(wù)細(xì)化分解、融合STEAM跨界素養(yǎng)、編程過程具象化、游戲化互動(dòng)教學(xué)，為中小學(xué)計(jì)算思維教育提供一種新視角，豐富低齡學(xué)習(xí)者計(jì)算思維教學(xué)策略和方法。

當(dāng)前，我國(guó)兒童編程教育存在師資匱乏、課程體系不完善、編程工具適切性不足等問題，結(jié)合本文，提出如下建議：（1）細(xì)化不同學(xué)習(xí)對(duì)象的編程教育要求。美國(guó)的CSTA K-12 CS Standards（計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)K-12計(jì)算機(jī)教育標(biāo)準(zhǔn)），按年齡段分級(jí)，將編程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及難度劃分為6個(gè)等級(jí)Level A-F.根據(jù)孩子的年齡，選擇對(duì)應(yīng)的編程難度和編程工具。我國(guó)各地區(qū)可結(jié)合本地區(qū)編程教育實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，制定區(qū)域性編程教育課程標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地規(guī)范和落實(shí)編程教育。（2）促進(jìn)編程教學(xué)與多學(xué)科融合。北歐四國(guó)都將編程課程融人中小學(xué)教育，作為單獨(dú)科目設(shè)立專門課程或以跨學(xué)科的方式融人現(xiàn)有科目。例如，芬蘭和瑞典小學(xué)階段的編程課程主要有兩種形式，一是整合到數(shù)學(xué)課程中，讓學(xué)生應(yīng)用可視化編程工具編寫簡(jiǎn)單程序;二是整合到手工課中，引導(dǎo)學(xué)生編程控制機(jī)器人等實(shí)物。我國(guó)應(yīng)該鼓勵(lì)有條件的地區(qū)開發(fā)編程類地方課程與校本課程，將編程教學(xué)作為課程體系的重要內(nèi)容納入學(xué)科教學(xué)基本規(guī)范，強(qiáng)化編程教學(xué)要求，同時(shí)要針對(duì)不同學(xué)段的教學(xué)要求精心設(shè)計(jì)編程教學(xué)內(nèi)容，組織開展好啟蒙、體驗(yàn)、拓展編程教育三部曲。（3）大力提升學(xué)科教師編程素養(yǎng)。教師編程素養(yǎng)提升是兒童編程教育教學(xué)開展的基礎(chǔ)。北歐各國(guó)開展了豐富多彩的白上而下及白下而上的公益性編程教育項(xiàng)目，比如瑞典一些大學(xué)為中小學(xué)數(shù)學(xué)教師提供基本的編程培訓(xùn)，挪威信息技術(shù)教育中心為教師提供“慕課”培訓(xùn)課程。（4）開展趣味性的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。在兒童編程教學(xué)設(shè)計(jì)中，讓學(xué)生參與趣味性的教學(xué)活動(dòng)可激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)際項(xiàng)目操作中鍛煉學(xué)生的計(jì)算機(jī)技能。（5）設(shè)計(jì)開發(fā)多樣化編程教學(xué)資源，形成科學(xué)的編程課程體系。現(xiàn)階段，實(shí)體編程教具集中在產(chǎn)品開發(fā)上，缺少理論研究、實(shí)證研究、教學(xué)資源開發(fā)，與教育實(shí)踐聯(lián)系不緊密，存在編程教育屬性不突出、實(shí)證匱乏、教育功能單一的問題[34]。編程教育內(nèi)容需要匹配學(xué)生的年齡特征、知識(shí)結(jié)構(gòu)和生活經(jīng)驗(yàn)，從資源生態(tài)建設(shè)角度開展多方協(xié)作研發(fā)，從兒童認(rèn)知發(fā)展水平、課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)實(shí)證出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)體編程工具和編程教育資源。

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作者簡(jiǎn)介：

王佑鎂：教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹腔劢逃?、人工智能教育、?shù)字閱讀。

宛平：在讀碩士，研究方向?yàn)樾畔⒒逃?、?shù)字閱讀。

南希炬：在讀碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字化學(xué)習(xí)、數(shù)字閱讀。

柳晨晨：副教授，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芙逃?shù)字化學(xué)習(xí)。

Tangible Programming Promotes the Cultivation of Computational Thinking： Tools and

Strategies

Wang Youmei， Wan Ping， Nan Xixuan， Liu Chenchen

（Research Center for Big Data and Smart Education， Wenzhou University， Wenzhou 325035， Zhejiang）Abstract： As a tool to promote the cultivation of computational thinking， tangible programming has no screen， simple operation，and materialized programming instructions， which has become an effective carrier for the cultivation of children's computationalthinking. Based on this， this article starts from the form of programming education for computational thinking training， sorts outthe characteristics and educational functions of seven tangible programming tools at home and abroad; combined with relevantcases， forms five computational thinking-oriented tangible programming education models： life as the theme， Create real situations;decompose programming tasks and simplify complex issues; integrate disciplines and cultivate STEAM cross-border literacy; fromexperience to training， visualize the programming process; conform to children's nature， gamified interactive teaching. Finally，based on the current development status of children's programming education in my country， four suggestions for the cultivationof children's computational thinking in the future are proposed in order to provide reference ideas for the cultivation of children'scomputational thinking in the era of artificial intelligence.Keywords ： tangible programming; computational thinking; programming education

收稿日期 ： 2020年10月18日

責(zé)任編輯：趙云建

*本文系國(guó)家語(yǔ)委2019年度重點(diǎn)（信息化專項(xiàng)）科研項(xiàng)目“我國(guó)中小學(xué)生數(shù)字閱讀素養(yǎng)測(cè)評(píng)技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZDI135 -113）研究成果之一。