實(shí)體編程的教育應(yīng)用與啟示

傅 騫 章夢(mèng)瑤

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實(shí)體編程的教育應(yīng)用與啟示

傅 騫 章夢(mèng)瑤

（北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京 100875）

實(shí)體編程是一種特殊的編程形式，具有操作直接、編程簡(jiǎn)單、交互性強(qiáng)三個(gè)基本特征。實(shí)體編程在教育中的應(yīng)用涉及編程與多個(gè)學(xué)科的融合以及對(duì)學(xué)生多元能力的培養(yǎng)。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外實(shí)體編程的研究都處于起步階段，尚未成熟。文章通過(guò)對(duì)已有的實(shí)體編程教育應(yīng)用案例進(jìn)行分析歸納后發(fā)現(xiàn)，實(shí)體編程具有較強(qiáng)的易用性，可以較好地促進(jìn)各類學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)、高階思維能力的培養(yǎng)和協(xié)同建構(gòu)能力的提升，但目前也存在產(chǎn)品教育屬性不突出、實(shí)驗(yàn)研究缺乏、教育功能單一等問(wèn)題。基于此，文章從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、研究設(shè)計(jì)和生態(tài)發(fā)展四個(gè)方面對(duì)實(shí)體編程的發(fā)展提出了自己的設(shè)想。

實(shí)體編程；教育應(yīng)用；編程教育

引言

2017年8月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂(lè)的編程教學(xué)軟件、游戲的開(kāi)發(fā)和推廣[1]。美國(guó)于2016年11月發(fā)布的《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》將“算法與編程”列入計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的五大核心概念之一，并致力于幫助人們理解編程是如何影響計(jì)算機(jī)之外的世界的，以及編程和數(shù)據(jù)是如何與數(shù)學(xué)、科學(xué)甚至是歷史和藝術(shù)等學(xué)科產(chǎn)生互動(dòng)的[2]。編程教育是計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的一個(gè)重要部分，它對(duì)幫助學(xué)生理解復(fù)雜概念，培養(yǎng)學(xué)生高階思維方式有重要作用。目前，在中小學(xué)開(kāi)展編程教育已漸成趨勢(shì)。伴隨編程教育的發(fā)展，編程教學(xué)的軟硬件形式變得更加多樣化。編程教育在實(shí)踐中與教育教學(xué)的需求不斷磨合，形成了文本編程之外的另外兩種編程形式：以Scratch、Mixly、Alice等編程軟件為代表的圖形化編程和以Programmable Bricks為代表的實(shí)體編程（Tangible Programming）。目前，圖形化編程已為大眾所熟悉，并廣泛應(yīng)用于中小學(xué)創(chuàng)新教育的課堂；而實(shí)體編程作為一種特殊的編程形式，尚未得到有效的了解和研究。

實(shí)體編程自20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始萌芽，并于1993年由日本學(xué)者鈴木英之、加藤浩[3]明確提出。他們?cè)谝豁?xiàng)研究中基于有形用戶界面設(shè)計(jì)了一套特殊的編程規(guī)則，并將此稱為“有形的編程語(yǔ)言”（Tangible Programming Language）。實(shí)體編程在圖形化編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，將屏幕中的代碼塊實(shí)物化，封裝到類似于樂(lè)高積木的實(shí)物模塊當(dāng)中。這些實(shí)物模塊被賦予不同的屬性或功能，如函數(shù)、變量、邏輯、傳感器等。它們可以通過(guò)不同的堆疊方式表達(dá)程序邏輯，并對(duì)指令做出響應(yīng)。這種基于現(xiàn)實(shí)世界的編程方式的出現(xiàn)，為教育者解開(kāi)了諸多環(huán)境和工具上的限制，為低齡學(xué)習(xí)者的編程活動(dòng)提供了更大的探索空間。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對(duì)實(shí)體編程尚無(wú)明確定義。本研究基于相關(guān)研究成果，將實(shí)體編程視為一種以實(shí)物連接的方式表示執(zhí)行序列并由對(duì)應(yīng)裝置產(chǎn)生交互結(jié)果的人機(jī)交互方式，即以實(shí)物操作方式描述一個(gè)程序的過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)體編程主要指通過(guò)操作現(xiàn)實(shí)世界中的物理模塊，采用模塊拼接的方式構(gòu)建、表達(dá)計(jì)算機(jī)程序指令的運(yùn)行過(guò)程。

一 實(shí)體編程的基本特征

相較于傳統(tǒng)文本和圖形化編程形式，實(shí)體編程的主要特征可歸納為以下三點(diǎn)：

①使用直接的物理操作。實(shí)體編程指令的物理形態(tài)主要為塊、按鈕和卡片，它改變了通過(guò)鍵盤(pán)輸入代碼和鼠標(biāo)拖動(dòng)圖標(biāo)的編程形式，避開(kāi)了低齡兒童在計(jì)算機(jī)界面中的操作困難。實(shí)體編程工具更像是他們所熟悉的游戲形式——積木、遙控器和拼圖，對(duì)兒童的動(dòng)作技能要求很低，如堆放、打開(kāi)開(kāi)關(guān)、按下按鈕、拼裝拆卸，因而使編程成為了一種手、腦直接作用的活動(dòng)。

②采用簡(jiǎn)化的編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)的文本編程甚至部分圖形化編程規(guī)則中，依舊存在較多抽象的語(yǔ)法規(guī)則。實(shí)體編程將復(fù)雜的語(yǔ)法封裝到編程模塊中，盡量避免兒童與復(fù)雜編程語(yǔ)法的接觸，僅使用少量簡(jiǎn)單的指令，如順序性指令（“前進(jìn)”、“后退”、“暫停”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”）和執(zhí)行指令（“開(kāi)始”、“停止”、“清空”）等。兒童憑借生活經(jīng)驗(yàn)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)掌握編程規(guī)則，從而將更多的精力應(yīng)用在創(chuàng)造性編程活動(dòng)中。

③具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)互動(dòng)性。實(shí)體編程構(gòu)建了現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)環(huán)境，它使學(xué)習(xí)者有更多機(jī)會(huì)在更自然的教室環(huán)境中學(xué)習(xí)，如桌子或地板，而不是計(jì)算機(jī)屏幕前。在理想的情況下，這給了教師更多的靈活性來(lái)確定教室中編程活動(dòng)的結(jié)構(gòu)和時(shí)間[4]。實(shí)體編程不僅促進(jìn)了學(xué)習(xí)者與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的互動(dòng)，也促進(jìn)了他們與編程實(shí)體、與同伴之間的互動(dòng)。這為同伴之間的合作與交流提供了極大的空間，使兒童在具體的合作編程過(guò)程中，可以直接指出、拿起自己認(rèn)為存在問(wèn)題的程序塊，并將它擺放到合適的位置，由此激發(fā)他們自我表達(dá)和相互干預(yù)、相互評(píng)價(jià)的意愿，有助于引發(fā)學(xué)習(xí)者與概念之間的交互。

二 實(shí)體編程在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例

實(shí)體編程在教育領(lǐng)域中有多種多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，并在不同場(chǎng)景中擔(dān)任不同的角色。歸納和討論實(shí)體編程在不同教育情境中的應(yīng)用實(shí)例，能夠更好地揭示其背后的教育教學(xué)理念和教學(xué)形式，為今后實(shí)體編程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、實(shí)踐提供指導(dǎo)方向。本研究基于文獻(xiàn)分析，將實(shí)體編程在教育教學(xué)中的應(yīng)用歸納為以下幾個(gè)方面：

1 促進(jìn)各類學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)

已有的研究成果顯示，實(shí)體編程涉及與數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科的結(jié)合，其目的在于幫助學(xué)習(xí)者掌握學(xué)科知識(shí)，開(kāi)展探索性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)。

在數(shù)學(xué)方面，實(shí)體編程被用于訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的幾何思維。最典型的代表是美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的Logo語(yǔ)言和實(shí)體編程龜，以及MIT后來(lái)推出的Button Box、Slot Machine等編程工具[5]。學(xué)習(xí)者按一定順序按下按鈕、插放卡片，就能夠控制編程龜在地板上進(jìn)退、轉(zhuǎn)向，利用編程龜?shù)男袆?dòng)軌跡繪制圖畫(huà)，由此深入體會(huì)幾何形狀、線段長(zhǎng)度、角度等概念。與編程龜相類似的實(shí)體編程工具Curlybot則可以通過(guò)手勢(shì)動(dòng)作控制小車(chē)行動(dòng)軌跡繪制圖形，F(xiàn)rei等[6]用它來(lái)向兒童滲透微分等數(shù)學(xué)思想，如控制小車(chē)分段繪制圓形，就體現(xiàn)了“無(wú)線分割”的思想。

在自然科學(xué)方面，MIT實(shí)驗(yàn)室的Resnick、Randy[7][8]等就實(shí)體編程如何輔助中小學(xué)生學(xué)習(xí)自然科學(xué)開(kāi)展了大量的教育實(shí)驗(yàn)。他們以電子磚（Electronic Bricks）、編程磚（Programmable Bricks）、“蟋蟀”（Cricket）等實(shí)體編程模塊為學(xué)習(xí)工具，組織學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而發(fā)展其觀察能力、問(wèn)題解決能力和自主探索能力，如使用電子磚搭建機(jī)器生物來(lái)觀察、模擬真實(shí)生物的行為。Resnick等[9]還將實(shí)體編程與物理知識(shí)結(jié)合，他們開(kāi)發(fā)的比特球（BitBall）可以通過(guò)編程來(lái)控制在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的發(fā)光規(guī)則，并可以記錄加速數(shù)據(jù)?；谶@些功能，學(xué)生通過(guò)編程探討與加速度（如重力加速度）相關(guān)的物理問(wèn)題。

在系統(tǒng)科學(xué)方面，實(shí)體編程被用來(lái)幫助學(xué)習(xí)者討論一些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演進(jìn)規(guī)律。學(xué)習(xí)者經(jīng)常通過(guò)角色扮演的形式參與學(xué)習(xí)，對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、歸納和總結(jié)。MIT早期的一些實(shí)體編程產(chǎn)品，如編程珠子（Programmable Beads）、思考標(biāo)簽（Thinking Tags）[10]，為兒童了解系統(tǒng)理論提供了方便。編程珠子是一種彼此之間可以通訊的可發(fā)光珠子，在一定的通信規(guī)則下，不同的串聯(lián)模式會(huì)導(dǎo)致不同的發(fā)光效果。教育工作者利用編程珠子指導(dǎo)兒童創(chuàng)建珠子發(fā)光的不同動(dòng)態(tài)模式，從而了解去中心化系統(tǒng)現(xiàn)象。“思考標(biāo)簽”則被用在大學(xué)預(yù)科的學(xué)習(xí)中，利用該工具可以討論流行病毒的傳播模型和模因論，即思想在社會(huì)群體中的傳播模式。

在藝術(shù)方面，實(shí)體編程主要用于音樂(lè)教育，它打破了樂(lè)器對(duì)音樂(lè)學(xué)習(xí)的限制，幫助學(xué)習(xí)者通過(guò)編程活動(dòng)了解樂(lè)理知識(shí)，并完成自己的音樂(lè)創(chuàng)作。Garaizar等[11]開(kāi)發(fā)了3DU積木，將傳統(tǒng)玩具積木與移動(dòng)設(shè)備相結(jié)合，學(xué)習(xí)者通過(guò)拼接積木（代表樂(lè)器和音符）再現(xiàn)簡(jiǎn)單的旋律。Tung[12]和Schiettecatte[13]等開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)Musicbot、AudioCubes也采用了連接塊的方式，支持學(xué)習(xí)者播放音樂(lè)，編寫(xiě)旋律，自主探索音樂(lè)的動(dòng)態(tài)變化。

2 促進(jìn)高階思維能力的培養(yǎng)

實(shí)體編程不僅有助于具體的、良構(gòu)的學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且可以被用于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的高階思維能力。實(shí)體編程對(duì)高階思維能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在對(duì)“計(jì)算思維”和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)?！坝?jì)算思維”實(shí)質(zhì)上是問(wèn)題解決的過(guò)程，它包括利用計(jì)算機(jī)和其它工具幫助解決問(wèn)題、邏輯化地組織和分析數(shù)據(jù)、通過(guò)算法思想支持自動(dòng)化解決方案等步驟[14]。隨著2006年“計(jì)算思維”被提出，實(shí)體編程在算法思維、問(wèn)題解決等思維能力的訓(xùn)練上得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

編程學(xué)習(xí)對(duì)計(jì)算思維技能學(xué)習(xí)的重要性已經(jīng)成為了一項(xiàng)共識(shí)。圖形化編程、機(jī)器人編程相關(guān)的大量文獻(xiàn)表明，編程教育與計(jì)算機(jī)科學(xué)之間存在著一種有機(jī)的聯(lián)系，是計(jì)算思維學(xué)習(xí)的一項(xiàng)有效工具。Lee[15]和Sar?tepeci[16]均在其研究中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的編程自我效能感、計(jì)算思維技能以及計(jì)算思維技能發(fā)展之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。實(shí)體編程使教師和學(xué)生避開(kāi)復(fù)雜的電腦操作和文本代碼的編寫(xiě)，將更多時(shí)間聚焦于實(shí)際問(wèn)題向程序指令轉(zhuǎn)換的思考過(guò)程之中，因而可以更加有效地培養(yǎng)計(jì)算思維的能力。在實(shí)體編程的相關(guān)研究中，Turchi[17]和王丹力[18]均提出了基于實(shí)體編程發(fā)展兒童計(jì)算思維能力的觀點(diǎn)，Zaharija[19]提出在早教中使用實(shí)體編程和機(jī)器人編程來(lái)鼓勵(lì)兒童發(fā)展深入的邏輯思維能力。

在教育實(shí)踐當(dāng)中，研究人員通過(guò)將實(shí)體編程與基于任務(wù)的學(xué)習(xí)相結(jié)合，從而開(kāi)展一些測(cè)量、計(jì)算、策略制定教學(xué)活動(dòng)。王丹力等[20][21][22]針對(duì)5～9歲的兒童開(kāi)發(fā)了T-Maze等一系列基于迷宮游戲的實(shí)體編程產(chǎn)品，它們以迷宮為編程環(huán)境，學(xué)習(xí)者通過(guò)連接編程木塊控制虛擬人物在迷宮環(huán)境內(nèi)走動(dòng)，通過(guò)完成路線逃離迷宮和自主設(shè)計(jì)迷宮等任務(wù)來(lái)發(fā)展他們的問(wèn)題解決能力和分析能力。Resnick等[23]則針對(duì)小學(xué)五年級(jí)女孩設(shè)計(jì)了一個(gè)“巧克力步道”活動(dòng)，女孩們手持實(shí)體編程工具Cricket前往甜品店，實(shí)體編程工具將記錄女孩們不同行為下溫度傳感器感應(yīng)到的溫度，并在計(jì)算機(jī)中以圖表的形式體現(xiàn)，以此來(lái)教會(huì)女孩們掌握一些收集、分析數(shù)據(jù)的關(guān)鍵概念。

3 促進(jìn)協(xié)同建構(gòu)能力的提升

許多實(shí)體編程產(chǎn)品都是以游戲產(chǎn)品的形式出現(xiàn)，它們不僅能夠更好地吸引學(xué)習(xí)者的興趣，還能構(gòu)建真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者與環(huán)境、學(xué)習(xí)者個(gè)體間的協(xié)作互動(dòng)，并通過(guò)這些互動(dòng)作用獲得直接、間接的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，完成對(duì)外部世界的自主建構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)人與個(gè)人之間、個(gè)體與環(huán)境之間協(xié)同建構(gòu)能力的提升。

在MIT的“實(shí)體編程火車(chē)”項(xiàng)目中，Martin等[24]使用一款通過(guò)擺放代碼塊操控玩具火車(chē)的編程產(chǎn)品，使得學(xué)習(xí)者在碼放代碼塊的同時(shí)表述自己的想法，如創(chuàng)作一個(gè)故事，使編程與真實(shí)世界的生活相聯(lián)系。T-Maze與木英之等[25]開(kāi)發(fā)的實(shí)體編程工具AlgoBlock均為學(xué)習(xí)者構(gòu)建了一個(gè)迷宮主題的學(xué)習(xí)情境，學(xué)習(xí)者將自身代入學(xué)習(xí)任務(wù)中的虛擬角色，進(jìn)行協(xié)作會(huì)話和社會(huì)交互，基于真實(shí)的任務(wù)情境，使他們的計(jì)劃和構(gòu)建能力得以提高。Tarkan[26]采用實(shí)體編程的形式模擬烹飪環(huán)境，他們?yōu)?~11歲的孩子開(kāi)發(fā)了一種編程語(yǔ)言Toque，它的使用場(chǎng)景是一個(gè)模擬的廚房，操縱游戲手柄可以在圖形化的廚房制作虛擬菜肴。斯德哥爾摩大學(xué)的Fernaeus等[27]通過(guò)實(shí)體編程空間，使得孩子可以通過(guò)在地方上放置不同的編程卡片控制屏幕的物體和角色，從而構(gòu)建想象中的城市場(chǎng)景——這個(gè)編程空間充分利用各種物理資源，為孩子們提供共享的、集中的活動(dòng)體驗(yàn)。

三 實(shí)體編程教育應(yīng)用的成果與不足

實(shí)體編程經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前在產(chǎn)品的多樣性和易用性上都有了較大幅度的提升。實(shí)體編程產(chǎn)品的數(shù)量、種類和功能不斷增多，生產(chǎn)成本和教學(xué)推廣成本不斷降低，產(chǎn)品易用性不斷增強(qiáng)，產(chǎn)品外觀變得更加美觀。如Tern和T-Maze產(chǎn)品使用了不包含電子元器件的輕便木塊作為編程實(shí)物模塊，通過(guò)攝像機(jī)拍攝編程塊，向計(jì)算機(jī)傳遞語(yǔ)義和句法信息供其分析，有效降低了產(chǎn)品成本，并增加了調(diào)試功能，給使用者帶來(lái)了更好的編程體驗(yàn)。

此外，實(shí)體編程在教育教學(xué)方面的有效性也得到了諸多研究人員的肯定。大量研究表明，實(shí)體編程活動(dòng)可以激發(fā)低齡學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)計(jì)算思維技能的培養(yǎng)。如Sapounidis等[28]在一項(xiàng)跨年齡研究中發(fā)現(xiàn)，相較于圖形化編程，年幼的兒童在實(shí)體編程過(guò)程中能夠更快地完成程序，且錯(cuò)誤率更低，體現(xiàn)出了更高的探索精神。在其它教育實(shí)踐中，研究人員同樣發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者能夠很快學(xué)會(huì)實(shí)體編程工具的使用方式，并且表現(xiàn)出十分積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。如Horn[29][30]在一項(xiàng)名為“恐龍與機(jī)器人”的夏令營(yíng)研究中發(fā)現(xiàn)，實(shí)體編程界面可以使沒(méi)有電腦使用經(jīng)驗(yàn)的兒童獨(dú)立完成程序塊的連接，建立自己的項(xiàng)目。同時(shí)，對(duì)于女孩更能夠提升吸引力，使她們獲得愉快的編程體驗(yàn)。總體而言，使用實(shí)體編程實(shí)施編程教育能夠使得兒童獲得較好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，低幼兒童通過(guò)觸摸理解傳感器模塊的事件觸發(fā)，并通過(guò)編程活動(dòng)與現(xiàn)實(shí)世界建立聯(lián)系，更好地發(fā)展他們的抽象、觀察、分析和創(chuàng)造能力[31][32]。

然而，從現(xiàn)有研究的內(nèi)容、數(shù)量和質(zhì)量來(lái)看，實(shí)體編程在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用仍存在較多不足?，F(xiàn)階段，實(shí)體編程教育研究的內(nèi)容過(guò)于集中在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，缺少對(duì)理論研究、實(shí)證研究、教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的關(guān)注，與中小學(xué)校的教育實(shí)踐存在較大脫節(jié)，面臨的局限性可歸納為以下幾點(diǎn)：

①實(shí)體編程產(chǎn)品的教育屬性不夠突出。以產(chǎn)品開(kāi)發(fā)為主題的實(shí)體編程研究，其研究重點(diǎn)主要在于實(shí)體編程工具的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如可調(diào)式、可兼容性）和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)體編程工具被包裝得越來(lái)越好，而實(shí)體編程的教學(xué)活動(dòng)形式卻并沒(méi)有發(fā)生多少改變。如T-Maze與AlgoBlock問(wèn)世時(shí)間相隔十多年，都是通過(guò)程序指令來(lái)控制虛擬角色在地圖中行走，大同小異。

②基于實(shí)體編程的實(shí)證研究相對(duì)匱乏。大多數(shù)研究者只是進(jìn)行了非正式的教育實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品測(cè)試，通過(guò)小樣本的教育實(shí)驗(yàn)來(lái)證明研究者對(duì)實(shí)體編程教育功能的預(yù)設(shè)，或是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中被試行為、對(duì)話記錄的分析，來(lái)完成產(chǎn)品的評(píng)價(jià)。非正式實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的結(jié)果，并沒(méi)有在大規(guī)模課堂實(shí)踐中得到應(yīng)用和推廣。在教育研究領(lǐng)域，目前僅有少量研究者開(kāi)展了基于實(shí)證的實(shí)體編程教育功能的研究。如Strawhacker[33]等關(guān)注圖形化編程、實(shí)體編程、混合式編程等編程環(huán)境對(duì)幼兒理解編程概念的影響差異。然而，實(shí)體編程對(duì)不同階段、不同場(chǎng)景下兒童計(jì)算思維能力、問(wèn)題解決能力、協(xié)作能力等多樣的綜合素質(zhì)能力提升效果，目前相關(guān)實(shí)證研究成果較少；在教育實(shí)踐領(lǐng)域，對(duì)實(shí)體編程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、策略和形式，不同年齡的學(xué)習(xí)者使用實(shí)體編程學(xué)習(xí)存在的認(rèn)知差異，但這方面也沒(méi)有得到系統(tǒng)的研究討論。

③實(shí)體編程的教育功能趨向單一。越來(lái)越多的教師認(rèn)為，實(shí)體編程的教育意義在于通過(guò)被簡(jiǎn)化的編程形式教會(huì)年齡較小的孩子如何編程，從而忽略了實(shí)體編程相較于其它編程形式的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。如實(shí)體編程物理操作性的簡(jiǎn)易性和直觀性更加有助于教師組織協(xié)作學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生之間的會(huì)話活動(dòng)；實(shí)體編程工具與學(xué)生之間的強(qiáng)交互作用更加有助于教師創(chuàng)設(shè)具體的問(wèn)題情境和教學(xué)情境，將學(xué)生引入教學(xué)內(nèi)容。實(shí)體編程可與計(jì)算、識(shí)物、設(shè)計(jì)等認(rèn)知活動(dòng)進(jìn)行有效結(jié)合，在綜合實(shí)踐類課堂、科學(xué)課堂、語(yǔ)言類課堂中均可以得到很好的應(yīng)用。然而，廣大教師對(duì)這些優(yōu)勢(shì)尚未形成深刻的認(rèn)識(shí)。

四 總結(jié)與展望

本研究從已有文獻(xiàn)出發(fā)，對(duì)實(shí)體編程的基本特征、教育應(yīng)用案例和已有應(yīng)用的成果與不足進(jìn)行了歸納分析。實(shí)體編程在早期研究中主要被用于幫助低齡學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)科素養(yǎng)的啟蒙，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣；之后又被用于構(gòu)建編程環(huán)境，支持幼兒、中小學(xué)生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。整體而言，實(shí)體編程的教育應(yīng)用研究還處于初步發(fā)展階段，存在著重開(kāi)發(fā)而輕實(shí)踐的普遍趨勢(shì)，但具有巨大的教育應(yīng)用前景。本研究建議未來(lái)可從以下四個(gè)方面開(kāi)展實(shí)體編程的教育研究：

①?gòu)膬和J(rèn)知發(fā)展水平出發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)體編程工具，根據(jù)不同年齡階段學(xué)習(xí)者的心智發(fā)展特征，設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的交互功能，以滿足特定的教學(xué)活動(dòng)；②從課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)體編程課程，使學(xué)科知識(shí)與程序設(shè)計(jì)知識(shí)得到有組織的結(jié)合；③從兒童思維發(fā)展出發(fā)開(kāi)展教學(xué)實(shí)證研究，即對(duì)兒童在實(shí)體編程教學(xué)中的知識(shí)能力獲取和認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行探究，并從中歸納教育規(guī)律，修正理論框架，為實(shí)體編程工具和教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和評(píng)價(jià)提供正確的思路；④從生態(tài)建設(shè)角度開(kāi)展多方協(xié)作研發(fā)，形成校、企、個(gè)人多方參與、相互支持的有機(jī)生態(tài)系統(tǒng)，并在該生態(tài)系統(tǒng)中形成配套的軟硬件產(chǎn)品、教學(xué)資源、理論方法，從而發(fā)展線上線下學(xué)習(xí)社區(qū)。

實(shí)體編程在我國(guó)的研究雖然還處于起步階段，但已經(jīng)迎來(lái)了較好的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)要想在教育領(lǐng)域開(kāi)展實(shí)體編程研究，就應(yīng)以前人為鑒，注重實(shí)證研究，加強(qiáng)校企合作，構(gòu)建成熟的理論框架和課程體系，在未來(lái)發(fā)展出多樣的實(shí)體編程教育方法和理念。

[1]國(guó)務(wù)院.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[OL].

[2]盧蓓蓉,尹佳,高守林,等.計(jì)算機(jī)科學(xué)教育:人人享有的機(jī)會(huì)——美國(guó)《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》的特點(diǎn)與啟示[J].電化教育研究,2017,(3):12-17.

[3][25]Suzuki H, Kato H. Algoblock: A tangible programming language, a tool for collaborative learning[OL].< https://www.researchgate.net/publication/242383829>

[4][29]Horn M S, Jacob R J K. Designing tangible programming languages for classroom use[A]. International Conference on Tangible and Embedded Interaction[C]. Baton Rouge, Louisiana, USA: DBLP, 2007:159-162.

[5]Mcnerney T S. From turtles to Tangible programming bricks: Explorations in physical language design[J]. Personal & Ubiquitous Computing, 2004,(5):326-337.

[6]Frei P, Su V, Mikhak B, et al. Curlybot: designing a new class of computational toys[A]. Sigchi Conference on Human Factors in Computing Systems[C]. New York, NY, USA: ACM, 2000:129-136.

[7]Resnick M, Martin F, Sargent R, et al. Programmable bricks: Toys to think with[J]. Ibm Systems Journal, 1996,(3-4):443-452.

[8][9][10]Resnick M, Martin F, Berg R, et al. Digital manipulatives: new toys to think with[A]. Proceeding of the CHI’ 98 Conference on Human Factors in Computing Systems[C]. Los Angeles, California, USA: DBLP, 1998:281-287.

[11]Garaizar P, Pe?a O, Romero J A. Montessori in the mobile era: Building new learning experiences through tangible user interfaces[C]. Valencia, SPAIN:INTED, 2013:5158-5164.

[12]Le V T, Hung P D, Ngo T D. Musicbot: Edutainment with a reconfigurable robotic system[A]. International Conference on Advanced Technologies for Communications[C]. Hanoi, Vietnam: IEEE, 2016:457-461.

[13]Schiettecatte B, Vanderdonckt J. AudioCubes: A distributed cube tangible interface based on interaction range for sound design[A]. International Conference on Tangible and Embedded Interaction[C]. New York, NY, USA: ACM, 2008:3-10.

[14]張學(xué)軍,郭夢(mèng)婷,李華.高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析[J].電化教育研究,2015,(8):80-86、107.

[15]Lee T Y, Mauriello M L, Ahn J, et al. CTArcade: computational thinking with games in school age children[J]. International Journal of Child-Computer Interaction, 2014, (1):26-33.

[16]Saritepeci M, Yildiz-Durak H. Analyzing the e?ect of block and robotic coding activities on computational thinking in programming education[OL].

[17]Turchi T, Malizia A. Fostering computational thinking skills with a tangible blocks programming environment[A]. Visual Languages and Human-Centric Computing[C]. Cambridge, UK: IEEE, 2016:232-233.

[19]Zaharija G, Mladenovi? S, Boljat I. Use of robots and tangible programming for informal computer science introduction [J]. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 2015,(174):3878-3884.

[20]Wang D, Zhang C, Wang H. T-Maze: A tangible programming tool for children[A]. Adjunct Proceedings of theACM Symposium on User Interface Software and Technology[C]. New York, NY, USA: ACM,2011:127-135.

[21]Wang D, Zhang Y, Chen S. E-Block: A tangible programming tool with graphical blocks[OL]. .

[18][22][32]Wang D, Wang T, Liu Z. A tangible programming tool for children to cultivate computational thinking[OL].

[23]Resnick M, Berg R, Eisenberg M. Beyond black boxes: Bringing transparency and aesthetics back to scientific investigation[J]. Journal of the Learning Sciences, 2000,(1):7-30.

[24]Mcnerney T S. Tangible programming bricks: An approach to making programming accessible to everyone[OL].

[26]Tarkan S, Sazawal V, Druin A, et al. Toque: Designing a cooking-based programming language for and with children[A]. International Conference on Human Factors in Computing Systems, CHI 2010[C]. Atlanta, Georgia, USA: DBLP, 2010:2417-2426.

[27]Fernaeus Y, Tholander J. Finding design qualities in a tangible programming space[A]. Sigchi Conference on Human Factors in Computing Systems[C]. New York, NY, USA: ACM, 2006:447-456.

[28]Sapounidis T, Demetriadis S, Stamelos I. Evaluating children performance with graphical and tangible robot programming tools[J]. Personal & Ubiquitous Computing, 2015,(1):225-237.

[30]Horn M S, Solovey E T, Crouser R J, et al. Comparing the use of tangible and graphical programming languages for informal science education[A]. Sigchi Conference on Human Factors in Computing Systems[C]. New York, NY, USA: ACM, 2009:975-984.

[31]Papavlasopoulou S, Giannakos M N, Jaccheri L. Reviewing the affordances of tangible programming languages: Implications for design and practice[A]. Global Engineering Education Conference[C]. Athens, Greece: IEEE, 2017:1811-1816.

[33]Strawhacker A, Bers M U. “I want my robot to look for food”: Comparing kindergartner’s programming comprehension using tangible, graphic, and hybrid user interfaces[J]. International Journal of Technology & Design Education, 2015,(3):293-319.

The Educational Applications and Enlightenments of Tangible Programming

FU Qian ZHANG Meng-yao

Tangible programming is a special form of programming with three basic characteristics of direct operation, simple programming and strong interaction. The application of tangible programming in education involves the integration of programming with multiple disciplines and the cultivation of students’ multiple abilities. At present stage, the research of tangible programming at home and abroad is in primary stage and still immature. After summarizing the existing education application cases of tangible programming, it was found that tangible programming had strong usability, and could well promote the learning of various kinds of discipline knowledge, the development of higher-level thinking ability, and the improvement of collaborative construction capability. However, there are also some existing problems, such as unremarkably educational attributes, lack of experimental study and solely educational function. Based on this, our assumptions were presented from four aspects of product design, curriculum design, research design, and ecological development for the development of tangible programming.

tangible programming; educational application; programming education

G40-057

A

1009—8097（2018）08—0108—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.12.016

基金項(xiàng)目：本文受中國(guó)科學(xué)技術(shù)館科研項(xiàng)目“基于STEAM理念的現(xiàn)代折紙科學(xué)展巡回展覽設(shè)計(jì)”資助。

傅騫，副教授，博士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及教育應(yīng)用、創(chuàng)客教育，郵箱為fredqian@bnu.edu.cn。

2018年3月9日

編輯：小西