實(shí)物編程在小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)中的應(yīng)用研究

齊馨蕾

上海師范大學(xué)教育學(xué)院 上海 200234

引言

計(jì)算思維的重要性不言而喻，眾多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了充分的探討。在計(jì)算思維不斷發(fā)展的過(guò)程中，其落腳點(diǎn)逐漸從高等教育轉(zhuǎn)移到k-12教育中[1]，呈現(xiàn)出低齡化趨勢(shì)。新興技術(shù)的發(fā)展也為在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)計(jì)算思維創(chuàng)造了條件，許多研究者在小學(xué)高年級(jí)信息技術(shù)課堂中使用scratch、App Inventor等軟件培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維并取得了豐富的研究成果。然而，如何在小學(xué)教育早期引入計(jì)算思維還值得我們進(jìn)行探索。實(shí)物編程作為一種無(wú)屏幕、互動(dòng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的編程形式受到了部分研究者的青睞，被認(rèn)為是一種符合兒童計(jì)算思維發(fā)展需求的教學(xué)工具。本研究中對(duì)于實(shí)物編程在小學(xué)低年級(jí)群體中的適用性進(jìn)行深入分析，提出了在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用策略。

1 計(jì)算思維與實(shí)物編程

1.1 計(jì)算思維

我國(guó)2022年頒布的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出計(jì)算思維是信息科技課程的核心素養(yǎng)之一并將計(jì)算思維界定為個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在解決問(wèn)題的過(guò)程中涉及抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)[2]。由此可見(jiàn)，計(jì)算思維已經(jīng)成為我國(guó)基礎(chǔ)教育關(guān)注的重要內(nèi)容。Wing強(qiáng)調(diào)了在教育早期引入計(jì)算思維的重要性：“如果想確保所有人都有一個(gè)理解和應(yīng)用計(jì)算思維的共同而堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，那么這種學(xué)習(xí)最好在兒童早期進(jìn)行”[3]。計(jì)算思維作為信息化社會(huì)人人都應(yīng)該具備的基本素養(yǎng)，需要在教育早期就開(kāi)始培養(yǎng)，同時(shí)還要充分挖掘應(yīng)該發(fā)展學(xué)生哪些計(jì)算思維技能，比如Bers提出的7個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算思維概念，適合小學(xué)早期兒童學(xué)習(xí)[4]。

1.2 實(shí)物編程

實(shí)物編程（Tangible Programming）最早是由學(xué)者鈴木英之、加藤浩提出的，他們嘗試將編程指令封裝在正方體塊中，兒童通過(guò)排列不同的編程指令方塊編寫(xiě)程序，編程結(jié)果通過(guò)電腦屏幕呈現(xiàn)出來(lái)。后來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，實(shí)物編程脫離了電腦屏幕，它將圖形化編程語(yǔ)言簡(jiǎn)化、實(shí)物化，封裝于兒童易于操作的積木塊中，這些積木塊被賦予不同的屬性或功能[5]，如循環(huán)、條件、傳感器等。學(xué)生通過(guò)排列組合不同的編程積木塊來(lái)設(shè)計(jì)程序，這種輸入方式使得沒(méi)有電腦使用經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生也可輕松地進(jìn)行編程，編程結(jié)果通常是以對(duì)應(yīng)物理執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)或反應(yīng)呈現(xiàn)出來(lái)。實(shí)物編程的出現(xiàn)滿(mǎn)足了低齡學(xué)習(xí)者所需的計(jì)算思維環(huán)境和計(jì)算思維工具低門(mén)檻和高上限的特性，學(xué)生在上課的過(guò)程中能夠獲得良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。目前關(guān)于實(shí)物編程還沒(méi)有明確定義，在本研究中將其視為一種通過(guò)實(shí)物將抽象的計(jì)算思維概念具體化呈現(xiàn)出來(lái)的一種方式。

1.3 實(shí)物編程應(yīng)用于計(jì)算思維培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)

1.3.1 實(shí)物編程與小學(xué)低年級(jí)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展相契合。計(jì)算思維作為一種高階思維能力，其發(fā)展與培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程[6]。根據(jù)皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段理論，小學(xué)低年級(jí)學(xué)生處于具體運(yùn)算階段初期，這個(gè)階段的兒童正逐步形成抽象思維，皮亞杰認(rèn)為該時(shí)期的思維活動(dòng)需要具體內(nèi)容的支持。實(shí)物編程能夠?yàn)閷W(xué)生提供有形的編程環(huán)境，其思維過(guò)程通過(guò)物理執(zhí)行器在現(xiàn)實(shí)世界中展現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生可以興奮地看到他們頭腦中的抽象思維具體化的過(guò)程。

1.3.2 編程指令簡(jiǎn)化，給予學(xué)生及時(shí)反饋。實(shí)物編程將復(fù)雜的文本編程語(yǔ)言用兒童可以識(shí)別的符號(hào)代替并封裝于實(shí)物化的編程指令中，學(xué)生在學(xué)習(xí)后可以輕松掌握對(duì)應(yīng)編程概念和使用技巧，有利于他們創(chuàng)造性地完成學(xué)習(xí)活動(dòng)。這種有形的編程方式在輸入和輸出過(guò)程中具有即時(shí)性。即時(shí)的視覺(jué)反饋能夠讓學(xué)習(xí)者觀察到編程過(guò)程中存在的問(wèn)題，不斷測(cè)試他們的想法，當(dāng)學(xué)生看到結(jié)果與自己的設(shè)想一致時(shí)能夠獲得愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，這對(duì)低年級(jí)的學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)十分有吸引力。

1.3.3 互動(dòng)性強(qiáng)，有利于小組合作。實(shí)物編程相較于其他編程形式的獨(dú)特之處體現(xiàn)在互動(dòng)性。這里所說(shuō)的互動(dòng)一方面體現(xiàn)在學(xué)生與編程工具之間的互動(dòng)，因?yàn)閷?shí)物編程的編程指令和執(zhí)行體都是實(shí)物化的，學(xué)生在編程過(guò)程中可以獲得真實(shí)的交互體驗(yàn)。另一方面體現(xiàn)在學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)，處于具體運(yùn)算階段的兒童在社會(huì)情感方面渴望與伙伴進(jìn)行交流協(xié)作，并愿意接納別人的觀點(diǎn)，實(shí)物編程剛好為學(xué)生之間的協(xié)作搭建起橋梁。

2 實(shí)物編程在計(jì)算思維培養(yǎng)中的應(yīng)用案例

實(shí)物編程被視為促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展的媒介，除基本的編程指令外，其大多還自帶有傳感器、拓展性平臺(tái)等，為學(xué)生創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)項(xiàng)目或完成任務(wù)提供了條件，因此許多研究者在探索實(shí)物編程教學(xué)的過(guò)程中提出了很多有創(chuàng)造性的想法。Tengler K等人設(shè)計(jì)了基于機(jī)器人的講故事活動(dòng)，運(yùn)用講故事的方法，開(kāi)發(fā)一個(gè)可行的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生的任務(wù)是閱讀或者編造一個(gè)故事，通過(guò)編程將故事情節(jié)創(chuàng)造性地展現(xiàn)出來(lái)。這種方式將編程語(yǔ)言、視覺(jué)語(yǔ)言和敘事語(yǔ)言編程語(yǔ)言結(jié)合起來(lái)，有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展[7]。陳潔借助Matatalab實(shí)物編程機(jī)器人設(shè)計(jì)我國(guó)本土化的實(shí)物編程教學(xué)資源，構(gòu)建了基于計(jì)算思維的小學(xué)實(shí)物編程課程培養(yǎng)框架，通過(guò)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證課程實(shí)施效果[8]。目前關(guān)于實(shí)物編程的研究正在不斷豐富，如將實(shí)物編程與基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、游戲化教學(xué)、STEM教育等相結(jié)合。

3 借助實(shí)物編程培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的策略

本研究使用PP9實(shí)物編程機(jī)器人套件作為主要的教學(xué)工具，結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)法和工程設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)以下教學(xué)策略，通過(guò)前期的文獻(xiàn)梳理和教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和反思總結(jié)出如何將實(shí)物編程有效應(yīng)用于課堂中來(lái)培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維能力。

3.1 情景導(dǎo)入，明確問(wèn)題

使用游戲、視頻、講故事等方式說(shuō)明本節(jié)課的任務(wù)背景，將本節(jié)課的核心問(wèn)題隱藏于學(xué)生感興趣或者日常熟悉的情景之中，能夠充分激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究的積極性。教師在主動(dòng)提出問(wèn)題或者引導(dǎo)學(xué)生提問(wèn)的過(guò)程應(yīng)當(dāng)循循善誘，可以先提出一個(gè)或者幾個(gè)小問(wèn)題逐步過(guò)渡到核心問(wèn)題。

實(shí)物編程在創(chuàng)設(shè)情景方面也有獨(dú)特之處，因?yàn)閷W(xué)生會(huì)自然而然地將實(shí)物編程機(jī)器人認(rèn)定為自己的“伙伴”，更容易將學(xué)生帶入問(wèn)題情景中。以《送回實(shí)驗(yàn)包裹》這節(jié)課為例，教師首先借助一個(gè)視頻引出本節(jié)課的任務(wù)：空間站實(shí)驗(yàn)室收到了一批最新的實(shí)驗(yàn)材料，小9作為空間站機(jī)器人助手需要將他們根據(jù)包裹顏色分類(lèi)并放入對(duì)應(yīng)是實(shí)驗(yàn)柜中。學(xué)生會(huì)站在自己就是實(shí)驗(yàn)室助手的角度上去理解與思考問(wèn)題，不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感還能激發(fā)學(xué)生的興趣。

3.2 背景探索，新知學(xué)習(xí)

任務(wù)的完成過(guò)程一般需要應(yīng)用新的編程知識(shí)。在課程預(yù)實(shí)驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立探索積木塊的使用規(guī)則對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生來(lái)時(shí)還是有難度的，所以需要一個(gè)新知學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起認(rèn)識(shí)新的積木塊并講解其使用規(guī)則。當(dāng)學(xué)生學(xué)會(huì)了比較復(fù)雜的編程語(yǔ)句后，其他輔助功能如眨眼、唱歌可以讓學(xué)生自己探索，因?yàn)檫@時(shí)的他們已經(jīng)熟悉了部分積木塊的使用方法，并積累了調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，能夠根據(jù)編程積木塊上的符號(hào)自己嘗試。

例如《送回實(shí)驗(yàn)包裹》的核心目標(biāo)是學(xué)習(xí)條件語(yǔ)句和顏色傳感器的使用。小朋友們使用小9時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)每當(dāng)自己的手靠近小9時(shí)，它最前面的燈會(huì)變換顏色閃爍，大家都非常好奇是為什么？那么這節(jié)課中老師主動(dòng)讓小朋友們猜測(cè)一下它的作用。有學(xué)生會(huì)主動(dòng)提出它像小9的眼睛，于是教師和同學(xué)們討論關(guān)于人的眼睛看到的世界是怎樣的？眼睛能夠看到和辨別各種色彩有什么作用呢？機(jī)器人怎樣才能看到這個(gè)五彩斑斕的世界的？由此引出顏色傳感器的概念。

3.3 設(shè)計(jì)方案，程序編寫(xiě)

設(shè)計(jì)方案也是學(xué)生解決問(wèn)題過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生為實(shí)物編程機(jī)器人制定一個(gè)或多個(gè)行為方案，并滿(mǎn)足任務(wù)中給定的條件?？梢詫⒁粋€(gè)大的任務(wù)分解為一個(gè)個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的小任務(wù)。教師會(huì)將設(shè)計(jì)好的學(xué)習(xí)單分發(fā)給學(xué)生，作為輔助工具的同時(shí)能夠記錄學(xué)生解決方案的形成過(guò)程。在本環(huán)節(jié)中為學(xué)生構(gòu)建自主探索的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生以小組為單位開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，在討論交流的過(guò)程中表達(dá)自己的想法同時(shí)要吸取他人的意見(jiàn)，將程序記錄在學(xué)習(xí)單上，逐步形成本組的解決方案。

3.4 程序測(cè)試，修改完善

在本環(huán)節(jié)學(xué)生會(huì)創(chuàng)建一個(gè)程序，將編程語(yǔ)言借助實(shí)物機(jī)器人的行為表達(dá)出來(lái)。成功的前提是必備的編程語(yǔ)言知識(shí)和合理有效的問(wèn)題解決策略。學(xué)生首先通排列組合編程積木塊來(lái)編寫(xiě)程序，然后運(yùn)行程序，觀察小9的行動(dòng)是否會(huì)達(dá)到自己的預(yù)期結(jié)果，運(yùn)用調(diào)試的方法對(duì)程序進(jìn)行修改完善。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的各種各樣的問(wèn)題中或者在調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)是否有更好的辦法來(lái)優(yōu)化自己的程序。

3.5 分享交流，總結(jié)評(píng)價(jià)

最后分享交流活動(dòng)的目的是引導(dǎo)全班同學(xué)進(jìn)行反思。在本環(huán)節(jié)學(xué)生首先能夠?qū)⒈窘M的學(xué)習(xí)成果展示出來(lái)，與大家分享。其次還需要認(rèn)真聆聽(tīng)和觀察其他小組的設(shè)計(jì)方案，思考本組方案的優(yōu)勢(shì)和不足之處。教師在整個(gè)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，最后和同學(xué)們一起進(jìn)行總結(jié)分析，促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代社會(huì)信息科技的發(fā)展在一定程度上影響著教育教學(xué)形式的變革，實(shí)物編程是科技進(jìn)步的產(chǎn)物，在促進(jìn)兒童計(jì)算思維發(fā)展方面產(chǎn)生了積極的反饋，在教學(xué)實(shí)踐的過(guò)程中不斷創(chuàng)新和完善，未來(lái)研究方向應(yīng)該聚焦于如何在課堂中整合這些工具并結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)來(lái)促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展。