基于小學(xué)年段認(rèn)知發(fā)展的KODU軟件的教學(xué)實踐研究

邱振華

摘要：當(dāng)前大量的少兒編程軟件，如Scratch軟件中涉及的部分?jǐn)?shù)學(xué)知識、程序算法超出了皮亞杰提出的小學(xué)年段的認(rèn)知發(fā)展。有一款3D可視化少兒編程軟件——KODU軟件，其特點符合小學(xué)年段的認(rèn)知發(fā)展。本文基于該軟件的特點開發(fā)了相關(guān)校本課程，以行動研究法的方式在小學(xué)三年級拓展課實施，從學(xué)生的作品案例分析及前后測問卷結(jié)果兩方面，以案例研究法和調(diào)查研究法的方式證明了KODU確實是一款符合小學(xué)年段學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，且對學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)有著良好效果的軟件。

關(guān)鍵詞：小學(xué)年段;KODU

中圖分類號：TP317? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0072-03

1 教學(xué)研究背景

隨著2017年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出需在中小學(xué)階段逐步推廣編程教育，編程教育進(jìn)入中小學(xué)課堂的熱度逐年遞增，Scratch軟件是目前大多數(shù)中小學(xué)課堂首選的少兒編程教學(xué)軟件。筆者自2014年開始即在中小學(xué)開展Scratch軟件的教學(xué)，這些年間主持參與了《初中信息科技學(xué)科中實施Scratch編程的途徑》等系列課題研究，取得了一定的成果。客觀地說，雖然通過教學(xué)涌現(xiàn)出大批能在各類編程競賽中嶄露頭角的優(yōu)秀學(xué)生，但也存在編程方面的學(xué)困生，特別是在小學(xué)年段。

2017年，筆者在一次市級信息科技課程交流展示活動中，從上海市虹口區(qū)“酷沙”團(tuán)隊（KODU沙龍）的經(jīng)驗分享中，得知了KODU這款軟件——一款2012年微軟研究院開發(fā)了3D可視化少兒編程軟件。經(jīng)筆者研究后發(fā)現(xiàn)，該軟件相對于Scratch軟件來說有其獨特之處，其設(shè)計更符合皮亞杰提出的小學(xué)年段學(xué)生“具體運算階段”的認(rèn)知發(fā)展能力（該階段的特征主要為守恒化、序列化和分類化），具體如下。

1.1 序列化的事件處理模式

在KODU軟件的簡單編程中，經(jīng)常運用的編程模式只有并行計算、事件觸發(fā)兩種模式，且只提供“WHEN...DO...”一種語句。在編寫程序時，只需要根據(jù)事件中具體序列的觸發(fā)順序找到相應(yīng)模塊即可完成事件觸發(fā)，當(dāng)有多個事件存在時，則采用并行計算的方式展開。以基礎(chǔ)事件“讓角色移動”為例：KODU中首先考慮到“上下左右”是一個常用的組合應(yīng)用，因此單獨為其設(shè)計了一個模塊簡化編程難度，其次避開了“坐標(biāo)”這個概念，直接將坐標(biāo)的具體應(yīng)用方法封裝在“移動”這個模塊中進(jìn)行使用;在Scratch軟件的編程中，該事件的觸發(fā)需要用到直角坐標(biāo)系的概念。直角坐標(biāo)系這一概念在數(shù)學(xué)學(xué)科中一般在七年級才進(jìn)行教學(xué)，這是因為其教學(xué)需要學(xué)生具備皮亞杰提出的基于邏輯演繹的“形式運算階段”的認(rèn)知發(fā)展能力，這一定程度上也解釋了為何筆者在小學(xué)學(xué)段Scratch教學(xué)中會存在學(xué)困生的原因。不可否認(rèn)，Scratch軟件是一款非常優(yōu)秀的少兒編程軟件，但其中涉及的部分?jǐn)?shù)學(xué)知識、程序算法超出小學(xué)年段的認(rèn)知發(fā)展能力。在KODU軟件中，將復(fù)雜算法、程序結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)知識等內(nèi)容封裝在各類模塊中，使得學(xué)生可以“即插即用”，將更多精力放在功能實現(xiàn)的“具體運算”中。

1.2 分類化的功能識別模式

“類包含”是皮亞杰提出的小學(xué)年段學(xué)生“具體運算階段”的認(rèn)知發(fā)展能力的一個重要維度，該年段的學(xué)生可以認(rèn)識到，一些范疇是彼此嵌套的。在KODU中，采用類似于分級選項卡的模式擺放各種模塊，例如要判定游戲勝利，則先點擊“游戲”選項卡，在彈出的下級選項中選擇“贏”即可（圖2）。在這種模式下，學(xué)生需要根據(jù)分類嵌套的思想去尋找相應(yīng)的選項序列模塊。這一定程度上可以幫助他們完善分類思想，認(rèn)識事物間的關(guān)系，提升“具體運算階段”的認(rèn)知能力。

1.3 構(gòu)建化的自主創(chuàng)造模式

KODU從場景世界來看與“我的世界”這款深受兒童喜愛的游戲非常相像，在軟件中，你可以使用“地面刷具、山丘山谷、變形、山尖山巒、水工具”等系列工具，配合各種3D角色創(chuàng)造屬于自己的立體3D世界，且可以改變世界中的各種參數(shù)，如天氣情況、光影效果等，創(chuàng)建的世界場景非常“壯觀”（圖3）。其世界的創(chuàng)建方法非常簡單，大部分操作只需要選擇對用工具按鼠標(biāo)左鍵或右鍵即可進(jìn)行，只要會玩“我的世界”的學(xué)生，都可以在KODU中順利構(gòu)建自己的世界。這種強(qiáng)大的3D立體化設(shè)計功能，罕有少兒編程軟件能與之匹敵，非常吸引學(xué)生的眼球，讓學(xué)生在程序設(shè)計之外，在場景建模方面可以快速、便捷地將自己的創(chuàng)意呈現(xiàn)在眼前，極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)創(chuàng)新意識。

2 教學(xué)資源開發(fā)

從KODU的特點來看，可以看出其是一門符合小學(xué)年段學(xué)生“具體運算階段”認(rèn)知能力的編程軟件，但認(rèn)知能力的發(fā)展僅靠“接受式”學(xué)習(xí)是不夠的，還需要學(xué)生參與“知識的建構(gòu)過程”，只有這樣才能促進(jìn)深層次、有意義的思維發(fā)展。從文獻(xiàn)中得知KODU的開發(fā)得到了計算思維的提出者周以真教授的大力支持，讓學(xué)生學(xué)習(xí)計算思維的概念是其開發(fā)的初衷之一（本文采用的計算思維的定義為普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）中的解讀：“個體在運用計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動”）。因此筆者的KODU校本課程編寫目標(biāo)界定為：在構(gòu)建的3D虛擬世界中，根據(jù)“具體運算階段”序列化、分類化的特征，按照項目要求使用圖形模塊自由編寫程序，在這個過程中提升思維品質(zhì)，特別是內(nèi)化計算思維的概念，并根據(jù)“具體運算階段”中“守恒化”的特性將計算思維遷移到現(xiàn)實生活的應(yīng)用中去。在具體開發(fā)中，筆者按照“生活中的游戲原型（項目原型）”——“搭建我的世界模型（項目建模）”——“游戲制作技能學(xué)習(xí)（項目編程）”——“交流互玩改進(jìn)游戲（項目進(jìn)階）”的游戲化項目活動流程設(shè)計了6個主題項目活動及一個開放式自主設(shè)計項目活動。考慮到計算思維屬于比較抽象的概念，基于學(xué)生的年齡段在課程中并不直接提出其概念，讓學(xué)生在課程的教學(xué)與游戲的編寫中對其進(jìn)行隱性內(nèi)化。課程內(nèi)容簡介如表1所示。

3 教學(xué)實施效果

筆者根據(jù)開發(fā)的課程資源在小學(xué)拓展課（三年級），開展了為期一學(xué)期的KODU課程教學(xué)活動，下面從學(xué)生的項目作品案例與前測、后測問卷調(diào)查數(shù)據(jù)兩方面對教學(xué)實施效果進(jìn)行分析。

3.1 KODU課程實施效果分析

3.1.1 KODU課程教學(xué)中所呈現(xiàn)的亮點

1）獨一無二的場景設(shè)計

一千個讀者心中有一千個哈姆雷特，每個孩子心中也有自己的夢想世界?；贙ODU強(qiáng)大的場景設(shè)計功能，每個孩子所設(shè)計的世界場景都是獨一無二的，能根據(jù)個性特征充分發(fā)揮主觀能動性，調(diào)動創(chuàng)造性思維在KODU中“圓夢”。

以項目四——王牌賽車手為例，以下為四位學(xué)生所設(shè)計的不同場景（圖4）。其中作品1和作品2采用的風(fēng)格較為簡約，作品3與作品4采用的風(fēng)格較為繁復(fù)。觀察作品細(xì)節(jié)又可以發(fā)現(xiàn)：作品1使用的“賽道”和地面材質(zhì)比較特殊，采用了雙人競技的模式;作品2的賽道難度逐漸增加，最終需要爬上“陡坡”才能抵達(dá)終點;作品3的“賽道”四通發(fā)達(dá)，有多種到達(dá)“終點”的方法;作品4的“賽道”直沖云霄，最考驗操作技術(shù)。在這之前，筆者僅講授了“路徑工具”的使用方法，在設(shè)計中，學(xué)生卻可以做到絕對個性化，這說明KODU有非常大的自由創(chuàng)作空間，且能讓學(xué)生快速上手，這種高自由度的場景設(shè)計具有其獨特的優(yōu)勢。

2）方便實現(xiàn)的自主創(chuàng)意

基于KODU序列化的功能模塊封裝設(shè)計理念，當(dāng)學(xué)生有所創(chuàng)意時，只需要找到對應(yīng)功能的模塊，按照正確的序列順序進(jìn)行拼接，即可能實現(xiàn)相關(guān)效果，這大大方便了學(xué)生探索并實現(xiàn)自己的創(chuàng)意。

以項目五——叢林絕地求生為例，筆者的范例程序功能僅僅是讓“小酷”發(fā)射“子彈”，但學(xué)生卻開發(fā)出了一系列創(chuàng)意功能（圖5）：在作品1中，學(xué)生設(shè)置了一個游戲BOSS，為其編寫了智能AI，使其自動移動和發(fā)射“子彈”;在作品2中，學(xué)生將游戲視角設(shè)置成第一視角，更具身臨其境的感覺;在作品3中，學(xué)生將“子彈”設(shè)置成“彩色模式”，將“子彈”轉(zhuǎn)變成“煙花”功能。這些功能的代碼實現(xiàn)均為學(xué)生自主探索所得，可見在創(chuàng)意思維的驅(qū)動下，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力被積極調(diào)動，而KODU軟件的學(xué)習(xí)難度也非常符合小學(xué)年段學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，激勵學(xué)生探索實現(xiàn)自主創(chuàng)意。

3.1.2 KODU課程教學(xué)中待解決的問題

雖然前文中已提及KODU課程教學(xué)中的一些亮點，但客觀地說，這款軟件也存在一些不足之處，具體如下。

1）硬件配置要求較高

由于這是一款3D圖形化編程軟件，對于電腦的硬件配置有一定的要求。筆者學(xué)校的電腦購置于5年前，相對來說硬件配置較為滯后，不僅打開KODU程序速度緩慢，在運行KODU時有時還會出現(xiàn)花屏、頓卡的現(xiàn)象，且放置部分資源后，即提示“資源數(shù)已達(dá)最大上限”，無法構(gòu)建規(guī)模龐大、資源較多的場景?？紤]到不少學(xué)校的電腦配置與筆者學(xué)校相似，硬件配置可能是阻礙KODU教學(xué)推廣應(yīng)用的一個不利因素。

2）糾錯困難資料稀缺

KODU的編程模式雖然非常簡單，但若出現(xiàn)錯誤卻也很難發(fā)現(xiàn)，KODU并不會給予一定的錯誤提示，這為學(xué)生自主探索帶來了一定的困難。且由于KODU的相關(guān)輔助中文資料稀缺（筆者目前能找到的僅有華東師范大學(xué)王榮良教授出版的兩本教材及知網(wǎng)上不到10篇的論文文獻(xiàn)），有時學(xué)生自主探索所遇的問題，筆者也無法解答，且無中文資料可尋，這一因素一定程度上也會阻礙KODU教學(xué)的推廣應(yīng)用。

3.2 問卷調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本問卷數(shù)據(jù)來自三年級拓展課學(xué)生（共20人），問卷分為前測卷和后測卷兩份問卷，前測卷在課程開始之前填寫，后測卷在課程結(jié)束之后填寫，下面對其中部分題目的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3.2.1 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

從學(xué)習(xí)意愿來看，所有的學(xué)生都對KODU的學(xué)習(xí)充滿了興趣，且基本也都愿意在未來繼續(xù)學(xué)習(xí);從學(xué)習(xí)難度來看，大部分學(xué)生都覺得KODU學(xué)起來很簡單，只有極少數(shù)學(xué)生覺得“有些困難”。由此可見，KODU軟件非常受小學(xué)年段學(xué)生歡迎，且教學(xué)難度符合其年齡段認(rèn)知發(fā)展能力。

3.2.2 計算思維能力分析

筆者在前測卷與后測卷中設(shè)置了五題完全一樣的計算思維能力測試題，在前測后未公布正確答案，前測與后測間隔時間為1學(xué)期，基本可以保證學(xué)生忘記原題內(nèi)容，測試結(jié)果如下（每題平均分滿分為1分）。

1）下面哪個選項的指令，能讓“吃豆人”沿著圖中的黃色路徑，到達(dá)“幽靈”的位置？

2）下面哪個選項的指令能讓“吃豆人”沿著圖中的黃色路徑，到達(dá)“幽靈”的位置？

3）要讓“吃豆人”沿著圖中的黃色路徑，到達(dá)“幽靈”的位置，下面的指令中哪一步是錯誤的？

4）在北方寒冷地區(qū)，一到冬眠季節(jié)熊就會開始冬眠，這體現(xiàn)了以下哪種思維形式（ ）

A.并行? B.條件? C.事件? D.數(shù)據(jù)

前測平均分：0.5? ?后測平均分：0.7

5）顛三倒四（形容說話辦事沒有次序，沒有條理）這個成語違反了以下哪種思維形式（ ）

A.順序? B.循環(huán)? C.條件? D.并行

前測平均分：0.55? ?后測平均分：0.65

在測試中，前三題為程序邏輯題，后兩題為計算思維在生活中的遷移應(yīng)用題?？梢钥吹降谝活}和第二題在學(xué)習(xí)了KODU后正確率明顯提升，第一題甚至達(dá)到了100%的正確率，說明KODU教學(xué)對于計算思維有顯著的提升效果。但第三題前測與后測的結(jié)果一致，且得分較低，分析其原因，雖然該題和前兩題一樣，考察的都是前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)命令，但該題采用的是代碼化的考察方式，和前兩題直觀圖示的考察方式有所不同，因此推測為學(xué)生無法讀懂程序代碼，導(dǎo)致得分未發(fā)生變化。第四題和第五題后測的正確率比前測略微提升，說明KODU教學(xué)對于計算思維能力的遷移應(yīng)用有一定的幫助。

4 結(jié)束語

綜上所述，KODU教學(xué)對于學(xué)生計算思維能力的提升有著較好的效果，但限于三年級學(xué)生年齡特點，當(dāng)問題以圖示等具體形式提出時，學(xué)生可以解決，當(dāng)問題以代碼化等抽象形式提出時，學(xué)生較難解決;另KODU的教學(xué)對于計算思維能力的遷移應(yīng)用有一定的幫助，但效果因人而異?？紤]到計算思維這個概念非常龐大，且內(nèi)涵豐富，可考慮設(shè)置不同年段學(xué)生計算思維培養(yǎng)分級目標(biāo)，使之更符合學(xué)生年齡特點，更具有適切性。

總體來說，KODU是一款非常適合小學(xué)年段學(xué)生認(rèn)知特點，適合培養(yǎng)計算思維能力的程序設(shè)計入門軟件，在這個“編程要從娃娃”抓起的時代，為少兒編程教學(xué)提供了一抹亮色，值得廣大教育人員實踐研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹磊.初中KODU編程課程的設(shè)計與開發(fā)[J].上海課程教學(xué)研究，2018（3）：19-22，60.

[2] 楊艷艷.基于KODU的編程思維可視化教學(xué)實踐[J].中國信息技術(shù)教育，2018（1）：41-44.

[3] 王榮良，萬璟.走近兒童編程教育[J].中國信息技術(shù)教育，2017（21）：4.

[4] 曹磊.兒童編程課程的設(shè)計與開發(fā)——以Kodu為例[J].中國信息技術(shù)教育，2017（21）：10-12.

[5] 張立新.不可錯過的可視化3D編程工具——微軟Kodu（酷豆）游戲?qū)嶒炇襕J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2017（6）：82-84.

[6] 邢曉俊.作為認(rèn)知工具的平板電腦對小學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的影響研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2016.

[7] 陳久華，王榮良.小學(xué)Kodu編程課程中計算思維教學(xué)實踐[J].中國信息技術(shù)教育，2015（23）：15-17.

【通聯(lián)編輯：唐一東】