面向兒童編程能力的游戲化學習活動設計研究

張功云+馬卉+梁德明+楊志亞

【摘 要】隨著STEAM教育在國內(nèi)外中小學不斷展開，編程能力培養(yǎng)的相關研究成為國內(nèi)外信息技術的熱點之一。然而，編程本身對兒童及中小學生來說是枯燥乏味的；為了提高兒童及中小學生的編程興趣，本文提出了一種面向兒童編程能力的游戲化學習活動設計方法；并利用Scratch編程軟件對本方法進行實踐應用。實踐證明，這種方法對兒童編程興趣的提升具有一定意義。

【關鍵詞】兒童編程能力；游戲化學習；Scratch

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2016）11-0036-04

引 言

程序設計教學在兒童邏輯思維的培養(yǎng)、創(chuàng)新實踐能力及解決問題能力提升方面具有不可估量的作用。在基礎教育領域，兒童編程教育沒有得到足夠的重視，兒童對編程方面的知識了解甚少。游戲是兒童生活學習活動的重要組成部分[1]。隨著寓教于樂學習方式的倡導，基于游戲化學習的兒童編程教學模式逐漸進入計算機教育的視野。兒童在游戲的氛圍中進行編程學習，符合兒童的年齡特點及認知情況，體現(xiàn)兒童學習的主體性，能激發(fā)兒童學習興趣，培養(yǎng)兒童的編程能力和實踐能力，提升兒童的技術素養(yǎng)和工程素養(yǎng)，切實推進STEAM教育。本研究利用Scratch平臺可視化及模塊化的優(yōu)點，對已經(jīng)封裝好的程序模塊進行自由的拼接，兒童運用程序設計的思維來解決問題，從而提高兒童編程能力[2]，以實現(xiàn)預期功能。

相關研究

信息與交流技能、分析和解決問題的能力、處理人際關系的能力等新的知識和技能逐步深入K12教育體系，重視培養(yǎng)兒童編程能力已成為國內(nèi)外教育研究的熱點。在國外，美國Code.org組織強調(diào)要讓每個孩子都有機會學習編程；英國為了提升兒童對計算機科學的興趣，提倡兒童從5歲開始學習編程[3]；芬蘭啟動新項目為兒童學習計算機編程提供機會等[4]。在中國，為推進STEAM教育和培養(yǎng)兒童編程能力，教育研究者在計算機教育及編程方面進行了大量研究，這些研究大多集中在兒童編程工具的應用層面，而且大多是借助Scratch可視化編程工具開展程序設計教學，以提高兒童學習程序設計的興趣。朱麗彬等將大衛(wèi)·庫伯的體驗學習圈理論應用于Scratch程序設計教學中，有效地激發(fā)了學生學習編程的興趣[5]；袁慶從Scratch究竟能夠為學生帶來什么出發(fā)，表明Scratch在提升學生問題解決能力、創(chuàng)新能力、合作能力、編程能力等方面具有巨大促進作用[6]；凌秋虹為培養(yǎng)學生用程序設計的思維進行思考，提高學生解決問題的能力，將 Scratch 作為編程教學平臺引入課堂[2]。通過以上國內(nèi)外兒童編程研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，兒童編程能力的培養(yǎng)得到很多國家的重視，國內(nèi)也展開此方面的研究。

面向兒童編程能力的游戲化學習模式構建

1. 兒童編程能力分析

兒童編程能力，即兒童為實現(xiàn)某種預期的效果而使用程序設計語言編程的能力。為了使計算機能夠理解人的意圖，人類需要將解決問題的思路、方法和手段以計算機能夠理解的形式呈現(xiàn)，使得計算機能夠根據(jù)人的思想去工作，以實現(xiàn)某種功能及任務。

美國為應對21世紀的挑戰(zhàn)，提出了“21世紀技能”教育改革的新思想，提議將“21世紀技能”與K12教育體系緊密結合，為基礎教育人才的培養(yǎng)提供新的研究范式。面向21世紀的技能被概括為以下幾種類型：信息與交流技能、分析與解決問題的能力、生活與職業(yè)技能[7]等。這幾種技能被認為是21世紀教育改革的基礎條件。

結合兒童編程能力的特點和“21世紀技能”，本研究對兒童編程能力的構成要素進行了歸納總結，具體如圖1所示。兒童編程能力主要包括基本能力和高階能力兩個部分。其中基本能力主要包括觀察、比較、分析/判斷、加工信息的能力、動手實踐能力、合作意識、創(chuàng)造性思維能力等；高階能力主要包括算法編程能力、將程序模塊化能力、將編程問題數(shù)學模型化的能力以及調(diào)試程序能力。

（1）基本能力

基本能力是指兒童需要具備處理信息的能力，根據(jù)問題的需要，觀察信息、比較信息、分析判斷信息、加工信息，其中觀察和比較信息是兒童能夠利用信息的前提；分析信息的能力要求兒童對教師提供的信息進行鑒別、遴選、分析和判斷，自覺抵制和消除垃圾信息的干擾和侵蝕，找出有用信息并加以整理；加工信息是組織信息源傳遞的信息并展示的過程，這是檢驗兒童信息處理能力的最佳體現(xiàn)?；灸芰α硪恢饕芰κ墙鉀Q問題的能力，這項能力是兒童進行學習活動時必備的一項能力，解決問題的過程是兒童進行知識建構和智力發(fā)展的過程；動手實踐能力倡導兒童積極地動手、動腦，大膽地去思索、探討，兒童不再是被動接受知識的容器；合作意識使兒童優(yōu)勢互補，提高解決問題的效率；創(chuàng)造性思維能力倡導兒童在已有的經(jīng)驗基礎上發(fā)現(xiàn)新事物、創(chuàng)造新方法、解決新問題，形成一種良好的思維品質(zhì)。

（2）高階能力

算法編程能力：包括常見算法的掌握和算法改進創(chuàng)新的能力，這是從根本上提高編程水平的有效措施。

將程序模塊化的能力：化繁就簡，化整為零，提高程序的復用率。在設計游戲時應考慮到模塊之間的邏輯關系。

將編程問題數(shù)學模型化的能力：要善于理清程序中各數(shù)據(jù)間的關系，找出相互間的關系，建立數(shù)學模型，提升兒童的抽象概括能力及邏輯思維能力。

調(diào)試程序的能力：編寫程序過程中，經(jīng)常會遇到未知的錯誤。在發(fā)生錯誤時快速準確發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，是每個兒童在編程活動中應具備的基本技能。

2. 面向兒童編程能力的游戲化學習模型構建

北京大學的尚俊杰副教授認為：“游戲化學習有兩種理解，一種是在玩游戲的過程中達到學習的目的，另一種是將頭腦中的想法設計成游戲，在這個過程中進行學習活動?！盵8]游戲中的“學習性因素”，如情境、問題求解、競爭、關卡、挑戰(zhàn)以及玩家與情境間的交互等，對游戲參與者的思維、認知、積極性等方面都起著不可忽視的作用[9]。美國新媒體聯(lián)盟地平線報告（2016年基教版）把“游戲和游戲化”列為未來一年以內(nèi)將被廣泛應用的學習技術。簡言之，游戲化學習就是游戲的機制在教育領域的一種實踐形式[10]。

兒童編程能力的培養(yǎng)應該融合在具體的游戲化學習中才能取得成效。編程學習枯燥乏味，兒童在學習的過程中容易喪失學習的興趣，編程能力的培養(yǎng)也就無從談起。在對兒童學習特點及認知能力深入分析的基礎上，筆者選擇游戲化學習作為支持情景學習的方式。游戲化學習，作為兒童學習的一種方式，不僅能夠提高兒童的學習熱情，而且還可以培養(yǎng)其問題解決的能力。在游戲化學習課堂中，不再以教師講授為中心，而是以學習者的自主發(fā)現(xiàn)和自我體驗為主。游戲化學習有兩種形式，一種是從玩游戲中學習；另一種是設計游戲，將自己的創(chuàng)意想法轉變成游戲[11]。本研究采用兒童設計游戲的方式來開展游戲化學習，構建了面向兒童編程能力的游戲化學習模型，具體如圖2所示。

面向兒童編程能力的游戲化學習模型中，兒童、教師和工具三者之間相互影響作用。該學習模型是以游戲化編程學習工具的支持為基礎，主要包括學生探究學習、教師輔助指導。

首先，由教師確定學習主題，選擇適合兒童進行游戲化編程的游戲。在此過程中，教師需要對學習者進行分析，制定學習目標，調(diào)動兒童的學習興趣；隨后，教師提出游戲任務并設置相關問題。與此同時，兒童也在不斷地觀察問題，在腦海里形成所要探究問題的雛形，在教師的引導下，使問題清晰化，并逐漸形成自己的解題思路。

其次，兒童設計游戲過程中，主要包括問題引入、學習探究、游戲編寫、成果展示四個環(huán)節(jié)。在問題引入環(huán)節(jié)，兒童主要是對游戲的情景、角色、任務進行構想和設計；在任務及好奇心的驅(qū)使下，積極進行自主探究和合作探究，形成解決問題的步驟及方法；在游戲編寫過程中，兒童需要進行游戲設計，制作并進行調(diào)試；成果展示環(huán)節(jié)，根據(jù)教師和其他兒童的意見或建議，對自己的成果不斷進行改錯及優(yōu)化。在設計游戲這一關鍵環(huán)節(jié)中，教師須在活動中對兒童進行輔助支持。兒童在探究的過程中對某一知識點理解很難時，教師就需要對問題進行適當?shù)恼{(diào)整。此外，在兒童設計游戲的過程中，教師要對兒童進行學習跟蹤及評價。

最后，兒童針對本次的游戲活動設計進行總結反思。在探究性學習活動中，由于兒童能力的差異，有的兒童可能順利地完成了這個過程，而有的兒童則需要進行反饋修訂、發(fā)現(xiàn)問題、積極尋找問題的解決方案。教師也要進行總結反思，綜合評價學習者在學習活動中的表現(xiàn)，進行知識點總結，并積極引導學生尋找創(chuàng)新解決方案。在整個學習過程中，兒童通過對游戲的分析、設計、實現(xiàn)、優(yōu)化和分享，螺旋上升循環(huán)迭代，加深對編程思維的理解，不斷提高自身的編程能力。

兒童編程學習活動案例

在兒童編程學習工具的選擇上，筆者選用美國麻省理工學院（MIT）研發(fā)的Scratch工具來開展編程活動的學習。選此工具是基于兒童的年齡特點及認知規(guī)律來考慮。由于兒童的邏輯思維能力在不斷地發(fā)展中，相對來講并不成熟，那么使用成人化的程序設計語言去編程是有一定難度的，尤其是國內(nèi)的孩子，更是受到來自英語、數(shù)學、自然語言以及邏輯思維等多重因素的限制[12]。Scratch工具巧妙地繞開這些困難，利用Scratch平臺進行可視化交互操作。下面以“吃魚游戲”為情景，基于Scratch進行游戲設計，如表1所示。

結束語

通過對兒童編程能力現(xiàn)狀以及Scratch游戲化編程應用的梳理，筆者認為，游戲化學習對于兒童編程能力的培養(yǎng)具有極其重要的促進作用。通過利用適合兒童編程的工具，結合兒童的認知特點，開展學習活動，能有效培養(yǎng)兒童編程能力。研究表明，兒童編程能力的提高不僅需要教師的引導，更需要兒童在興趣的吸引下，不斷地進行動手實踐。總體而言，這種學習活動設計能夠?qū)⒂螒蚧瘜W習理論運用到課堂中，不僅有助于兒童編程能力的培養(yǎng)，還有助于提升兒童解決實際問題的能力。

參考文獻

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（作者單位：首都師范大學教育技術系數(shù)字化學習實驗室）