兒童編程教育的育人價值探析①

張建軍 王有升

2017 年，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出：“在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發(fā)和推廣。”[1]這進一步推動編程課程在我國中小學校的開展和普及。2018年，教育部印發(fā)《教育信息化2.0 行動計劃》，提出要“完善課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容”[2]。2019 年，中小學人工智能教育項目成果發(fā)布，讓《人工智能》這一學生用書走進北京、武漢、廣州、西安、深圳的中小學課堂[3]。隨著國家政策和有關項目的推動，很多中小學開始增設編程教育內(nèi)容，編程逐漸成為一門必修課。我國編程教育處于初步發(fā)展的探索階段，校內(nèi)編程教育尚未發(fā)展成熟，兒童編程教育行業(yè)也存在良莠不齊的現(xiàn)象。為深入推進兒童編程教育的良性發(fā)展，有必要對其獨到的育人價值展開分析。兒童編程教育的育人價值主要分為與編程領域相關的領域素養(yǎng)和超越編程領域的通用素養(yǎng)。領域素養(yǎng)聚焦于兒童編程教育的教育目標，通用素養(yǎng)主要對兒童編程教育內(nèi)容與過程進行分析。

一、兒童編程工具的發(fā)展與兒童編程教育的本質(zhì)

兒童編程教育的出現(xiàn)與兒童編程工具的誕生息息相關。從文本編程到有形編程，再到圖形化編程的發(fā)展，兒童編程工具讓編程變得易理解、易操作，充分適應兒童的年齡特點和發(fā)展規(guī)律，讓我們體會到兒童編程教育的本質(zhì)。

LOGO 語言的出現(xiàn)將兒童編程教育帶入人們的視野。為解決以往編程語言過于抽象而不適合兒童的問題，1968 年，美國麻省理工學院人工智能實驗室的西蒙·派珀特（S. Papert）率領研究團隊創(chuàng)建了LOGO 語言[4]。自此，西蒙·派珀特成為兒童編程教育的先驅(qū)者，他提出的兒童編程教育思想指引著兒童編程教育的發(fā)展。LOGO 語言是一種文本編程語言，與自然語言非常接近，便于兒童理解。最初，兒童可以通過LOGO 語言使用向前、向后、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)及返回等命令控制實體“海龜”機器人的行動。隨著個人計算機的普及，派珀特等人又創(chuàng)建了基于計算機環(huán)境的“屏幕海龜”，兒童可以控制“海龜”圖標在計算機上繪制幾何圖形。雖然LOGO 語言簡單易操作，但人們通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，即使通過鍵盤輸入LOGO 語言代碼，也要10 ～14 歲的兒童才能實現(xiàn)[5]。

20 世紀70 年代，同在麻省理工學院LOGO 實驗室工作的拉迪亞·珀爾曼（Radia Perlman）創(chuàng)造了“按鈕盒”（button box）和“老虎機”（slot machine）幫助兒童進行LOGO 語言的學習[6]。這兩種裝置主要通過積木塊或卡片代替鍵盤進行程序語言的輸入，以進一步簡化編程過程中的操作方法，打開有形編程的大門。與此同時，塔夫茨大學開發(fā)技術研究小組（DevTech Research Group）將有形編程與機器人技術相結(jié)合，使機器人進入兒童編程教育領域，推動兒童編程教育的商業(yè)化發(fā)展，產(chǎn)生不同種類的有形編程工具。20 世紀90 年代，日本學者鈴木（Suzuki）和加藤（Kato）正式提出“有形編程”（Tangible Programming）這一概念，即可以通過物理環(huán)境的操作引起虛擬環(huán)境的變化，描述他們所設計的Alogo Block 系統(tǒng)[5]。

2003 年，美國麻省理工學院媒體實驗室設計開發(fā)了Scratch 軟件，兒童可以通過拖動程序塊進行排列組合完成程序的設計，進行游戲、故事和動畫的創(chuàng)作[6]。Scratch將編碼積木虛擬化為計算機上的程序塊，秉承了有形編程易操作、易理解的特點，成為最受歡迎的兒童編程軟件。隨后，App Inventor、Alice、Daisy、the Dinosaur、Hackety-Hack、Code Monster 及Codecademy 等各種各樣的圖形化編程軟件一一出現(xiàn)。兒童編程工具經(jīng)歷了從文本編程到有形編程再到圖形化編程的發(fā)展歷程，更適合3 ～12歲的兒童使用。對12 歲以上沒有接觸過編程的青少年來說，這些工具也是他們編程入門的良好選擇。

通過回顧兒童編程工具的發(fā)展歷程可以看出，兒童編程教育并不是學習寫代碼，也不是計算機編程教育的提前。派珀特認為，兒童學習編程不能只聚焦于技術本身，而應學習編程背后的問題解決方法[7]。他提出“高天花板”（high ceiling）、“低地板”（low floors）和“寬墻”（wide wall）的編程教育理念。Scratch 的主設計師米切爾·雷斯尼克（M. Resnick)將其表述為能立即輕松地創(chuàng)建內(nèi)容（低地板），并隨著時間的推移保持興趣，同時允許學生跨越多種學習風格，創(chuàng)建越來越復雜的項目（高天花板），促進學生編程認知和興趣的發(fā)展（寬墻），在此過程中，兒童的編程經(jīng)驗和技能隨著編程工具一起成長[8]。由此可見，兒童編程教育是利用適合兒童的編程工具，通過編程體驗，提升兒童的編程認知與學習興趣，培養(yǎng)思維能力和問題解決能力的一種學習方式。兒童編程教育更注重“用編程學，而不是學編程”，通過編程學習，兒童可以發(fā)展領域素養(yǎng)與通用素養(yǎng)。領域素養(yǎng)的發(fā)展指兒童計算思維的培養(yǎng)；通用素養(yǎng)的發(fā)展指兒童的探究能力和創(chuàng)造力的提升，增強兒童的編程學習興趣和互動體驗，促進兒童學會學習。只有認清這一事實，才能把握兒童編程教育的真義。

二、兒童編程教育的目標聚焦于計算思維的發(fā)展

（一）計算思維的溯源與內(nèi)涵

計算思維是兒童編程教育的核心目標，也是重要的領域素養(yǎng)。美國卡內(nèi)基梅隆大學的周以真（J. M. Wing）將計算思維定義為一種運用計算機科學基本概念進行問題求解、系統(tǒng)設計及理解人類行為等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維工具[9]。2008 年，周以真教授對計算思維做了進一步界定，通過她的界定，我們了解計算思維是概念化而不是編程語言的開發(fā)過程，它是人的思維，是一種邏輯過程，是幫助我們解決問題的方法，是人類生活的基本技能，而不是一種抽象的哲學[10]。

計算思維概念的使用與派珀特的建構(gòu)主義研究有關。派珀特師從皮亞杰，在建構(gòu)主義（constructivism）的基礎上提出了建造主義（constructionism），提倡在制作和建造中學習[4]。他認為形式思維不一定是解決問題的最好方式，即便使用具體思維，借助工具也能有效地解決問題。他用“bricolage”表示自己的建造主義學習過程，“bricolage”是一個法語單詞，原指“原始”社會使用手頭工具擺弄的“具體科學”[7]，也指“走街串巷的修補者”這一職業(yè)，他們可以利用口袋中有限的工具解決不同的個性化問題[4]。計算思維強調(diào)的計算機科學基本概念被比作有限的工具，利用這些概念解決不同的問題才是形成計算思維的關鍵。此外，布倫南（K. Brennan）和雷斯尼克（M. Resnick）提出關于計算思維能力的測評模型，包括計算概念、計算實踐和計算觀念[11]。計算概念指在編程過程接觸的各種概念，包括順序（sequence）、循環(huán)（loops）、并行（parallelism）、事件（events）、條件（conditionals）、運算符（operators）和數(shù)據(jù)（data）；計算實踐關注的是編程的學習過程和問題解決策略，包括遞增（being incremental）和重復（iterative）、測試（testing）和調(diào)試（debugging）、再利用（reusing）和再創(chuàng)作（remixing）及抽象（abstracting）和模塊化（modularizing）；計算觀念指學生在編程學習過程中不斷形成的對自己與他人關系及周圍世界的理解[12]。該測量模型讓我們進一步清楚計算思維涉及的不同方面，不僅注重對計算機科學概念的運用，還注重問題解決過程。

總之，計算思維是人用邏輯解決問題的過程，在該過程中邏輯思考和問題解決能力等因素與計算思維的發(fā)展密切相關。

（二）編程能有效促進兒童計算思維的發(fā)展

計算思維雖是人用邏輯來解決問題的過程，是人類的一項生活技能，但并不意味著兒童一定能在生活中完善計算思維。在生活中，人在解決問題時會呈現(xiàn)混亂、無序和無效的狀態(tài)，缺乏引導計算思維發(fā)展的有效方式。編程恰恰為兒童計算思維的發(fā)展提供了有效方式。簡單說，編程就是程序的編輯，是我們想讓計算機完成一些任務，將自己的思維過程用計算機能懂的語言進行編輯的過程。計算機運行的原理是用邏輯解決問題，兒童進行編程能體驗運用邏輯解決問題的過程，促進其計算思維的發(fā)展。在問題情境中，兒童通過編程的實踐操作解決問題，計算思維的發(fā)展與情境相聯(lián)，有利于兒童進行遷移，將計算思維真正發(fā)展為一項基本生活技能。計算思維的發(fā)展也為兒童進一步的編程學習奠定基礎，更好地實現(xiàn)從有形編程到圖形化編程再到代碼編程的過渡。

此外，大量研究表明，編程對兒童計算思維的發(fā)展具有重要作用。薩利特佩奇（M. Saritepeci）的研究表明，學生的編程自我效能感與計算思維技能發(fā)展間存在顯著的相關關系[13]。馬塞利諾（M.J. Marcelino）等人利用Scratch 軟件，通過遠程教學幫助兒童提高計算思維和問題解決能力[14]。熊秋娥等人通過研究發(fā)現(xiàn)，圖形化編程軟件對低齡兒童計算思維的發(fā)展具有促進作用[10]。

在具體的實踐中，首先，兒童編程教育的主題與日常生活相聯(lián)，為兒童創(chuàng)設真實的問題情境，使兒童融入情境之中理解問題、分析問題、制訂策略及解決問題。其次，兒童編程教育擁有多樣化的實體編程和圖形化編程工具，這些工具簡單易操作，有助于兒童理解順序、循環(huán)、并行、事件、條件等概念。例如在編程時，兒童需知道命令的先后順序，是否需重復執(zhí)行，是否需添加執(zhí)行條件，等等。具體形象的程序塊或編碼積木有助于兒童更簡便地進行操作，從而更容易理解編程中所包含的計算機概念。除此之外，在機器人、游戲、動畫及故事等創(chuàng)作過程中，兒童需對程序及機器人進行測試和調(diào)試，不斷反思、修改和制訂解決方案，最終達到解決問題的目的。最后，在兒童編程教育中，兒童能夠在師生和生生互動中交流和表達對作品的看法。這種交流有助于兒童清晰闡釋自己的思維過程及所理解的世界，進一步理順自己的思路或引發(fā)自己進一步思考。

教育目標的實現(xiàn)需教育內(nèi)容和教育過程的支持。計算思維的培養(yǎng)融合在兒童編程教育的內(nèi)容和過程中，而內(nèi)容與過程會呈現(xiàn)其獨特的價值，發(fā)展兒童的通用素養(yǎng)。

三、在兒童編程工具的“微世界”中進行探究與創(chuàng)造

學習使用兒童編程工具是兒童編程教育的主要內(nèi)容。兒童編程工具形成一種獨特的“微世界”，兒童利用編程工具學習就是在“微世界”中進行探究與創(chuàng)造，發(fā)展通用素養(yǎng)。

（一）兒童編程工具所形成的“微世界”

現(xiàn)今中小學開展的編程教育課程各具特色，例如深圳螺嶺外國語實驗學校開設的Arduino 機器人編程教育，包括Code、Scratch 編程和AS 機器人等課程；中國人民大學附屬中學采用“人工智能+X”的培養(yǎng)模式，開設了“Python 語言”“數(shù)據(jù)挖掘樣本”等特色課程；南通大學附屬中學開設了機器人課程并研發(fā)了《Arduino 創(chuàng)意機器人》校本教材[15]。國內(nèi)較有代表性的兒童編程教育品牌機構(gòu)包括優(yōu)必選、樂博樂博、編程貓、MakeBlock、奇幻工房及妙小程等，它們的課程內(nèi)容涉及Python、Scratch、AppInventor 以及C++ 等語言的學習[16]。由此可以看出，機器人和兒童編程軟件是兒童編程教育的重要組成部分。計算機的虛擬環(huán)境和機器人的實物環(huán)境成為現(xiàn)實世界的映射，兒童的思維在這種環(huán)境中得以表達，繼而形成一個供兒童探究的“微世界”。兒童編程教育的課程主題大多與日常生活相近，包括動物、植物、美食、生活用品以及其他日常事務等，這符合兒童的先前認知，能激發(fā)兒童的興趣，同時也將“微世界”與兒童的日常生活相聯(lián)系，將跨學科、跨領域的編程知識與兒童的日常經(jīng)驗聯(lián)系起來。

（二）“微世界”中的問題解決與兒童探究能力的提升

在學習編程的過程中，兒童會遇到不同的問題，需運用數(shù)學、科學、工程、美術和音樂等不同學科與領域的知識解決。這時，兒童雖利用某種學科知識解決問題，但這些知識并不是文字形式的公式或定理，而是體現(xiàn)在兒童的日常經(jīng)驗中，并通過編程工具發(fā)揮作用。有時學習知識的困難不在科目本身，而在知識的呈現(xiàn)方式。對兒童來說，以文字呈現(xiàn)的原理、規(guī)律等過于抽象，有時會因與日常表達方式不同而產(chǎn)生歧義，導致兒童難以理解這些知識。但通過程序的編輯與機器人的制作，兒童會結(jié)合自己的日常經(jīng)驗解決問題，在探究中獲得成長性經(jīng)驗。這種成長性經(jīng)驗進一步幫助兒童解決學習和生活中的問題并持續(xù)成長。經(jīng)歷這一過程，兒童不但能獲得成長性經(jīng)驗，更為重要的是能提升探究能力。杜威認為：“在人類歷史上，各門科學都是從有用的社會作業(yè)逐步發(fā)展起來的。”[17]在編程的“微世界”中可以模擬多種社會作業(yè)，讓兒童在實踐場域中體驗知識的作用，在解決問題過程中提升探究能力，建構(gòu)知識系統(tǒng)與認知模型。即使他們無法像科學家那樣以符號的形式將知識展現(xiàn)出來，他們也在像科學家那樣進行探究，逐漸學習不同的知識。

（三）“微世界”中兒童創(chuàng)造力的發(fā)展

兒童編程教育的“微世界”為兒童創(chuàng)造力的發(fā)展提供了有效的環(huán)境。通過游戲、動畫及機器人的制作，兒童逐漸習得編程和拼裝機器人的技能，理解每一個部件或程序塊的作用。這種技能并不是依靠反復操作某一部分獲得的，而是通過做一件事情，即在這個“微世界”中完成一個主題任務獲得的。所以，這時的技能不再是單純的肌肉和記憶訓練的結(jié)果，而被賦予一定的意義，與情境相聯(lián)。通過這種方式獲得的技能可被有效地遷移，有助于兒童充分發(fā)揮創(chuàng)造力。同時，不同的程序塊或積木能夠產(chǎn)生多種多樣的搭配，給予兒童自由發(fā)揮的空間。在創(chuàng)造過程中，兒童靈活應用自己獲得的技能，例如兒童可以用積木搭建建筑物、動物、植物、武器和交通工具等，并通過編程賦予它們不同的功能。兒童也可以用軟件設計自己想要的動畫人物形象、語言、動作和故事情節(jié)等創(chuàng)造屬于自己的動畫故事或游戲。沒有規(guī)定目標的束縛，兒童在創(chuàng)造過程中會產(chǎn)生很多新奇的想法。兒童有一套自己的“世界觀”，他們看待世界的方式與成人不同，所謂的常識或習慣對兒童的束縛也比較小，這也意味著他們的想法難以在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)。然而，通過編程和機器人的創(chuàng)造，他們可將自己的想法付諸實踐，例如創(chuàng)造一座會飛的或漂在水上的城堡等。創(chuàng)造的過程不是一帆風順的，兒童需經(jīng)過反復嘗試與修改。在嘗試中，兒童或許有新的創(chuàng)意并再次進行驗證，直至實現(xiàn)自己的想法。兒童的創(chuàng)造不是產(chǎn)生一個全新的成果，而是兒童對自身未知的世界的認識與思考，是兒童運用獲得的知識與技能實現(xiàn)自己想法的過程，存在改變現(xiàn)實世界的潛能。

四、在編程學習過程中激發(fā)和保持學習的動力，促進兒童學會學習

在實施兒童編程教育的過程中，教師會注重激發(fā)和保持兒童的學習動力，促進兒童學會學習?！皩W會學習”作為促進個人幸福與社會發(fā)展的核心素養(yǎng)之一，被世界各國所重視?！皩W會學習”并不只是學會認知，而是認知、情感、身體、自信心和意志力等智力因素和非智力因素的統(tǒng)一。1996 年，芬蘭將“學會學習”分為認知維度和情感維度。其中，情感維度主要指與自我和情境有關的激發(fā)并維持學習的動力因素[18]?？梢姡楦惺菍W生學會學習的重要因素。兒童編程教育能夠營造積極的學習氛圍，激發(fā)并維持兒童的學習動力，培養(yǎng)兒童的學習品質(zhì)，促進兒童學會學習。

（一）多元條件支持下兒童編程學習興趣的增強

與自我相關的動力因素包括學習動機、自我概念、自尊、自我效能感、失敗恐懼等[19]。興趣是重要的學習動機，也是兒童編程教育的重要理念。

在編程工具的使用上，實體編程工具和圖形化編程工具簡單易懂，兒童可以利用其進行游戲、動畫和故事的創(chuàng)作，這本身對兒童就有極大的吸引力。威爾遜測量了兒童關于Scratch 感興趣的程度，結(jié)果表明，學習Scratch 能給兒童帶來很多樂趣，成為積極的學習體驗[5]。

在教學方法上，中小學編程課堂除頻繁使用講授法外，就是使用任務驅(qū)動法[20]，這為兒童提供更多動手操作的機會，提升了兒童的編程學習興趣。不同的編程教育機構(gòu)在教學方式上各具特色，例如樂博樂博通過情境導入、探索體驗、反思學習、總結(jié)重構(gòu)這一項目管理中的P-D-C-A 模式進行教學；編程貓以游戲、動畫和圖形為主要媒介，采用PBL 項目式教學[16]。這些不同的教學模式不是刻板地傳授程序的編輯步驟、聚焦于技術的獲得，而是讓兒童的學習過程變得靈活多樣、生動有趣。這有助于兒童有效體會編程學習給自身帶來的作用，滿足不同兒童的需求，并給他們帶來積極的學習體驗。

在教育評價上，兒童編程學習的結(jié)果是以作品的方式呈現(xiàn)的，比賽是評價兒童編程作品的重要途徑。比賽是編程教育的重要組成部分，能讓更多的兒童提升編程學習興趣。編程教育機構(gòu)會與各類比賽相銜接，不同機構(gòu)所銜接的比賽有所不同。編程比賽大致可分為商業(yè)賽、行政賽和國際賽。商業(yè)賽是由非政府組織、機構(gòu)或個人舉辦的，參賽者獲得的證書不被政府機構(gòu)和學校認可；行政賽主要是由教育局、中國科學技術協(xié)會、工信部、電教館或少年宮等政府部門和團體主辦的賽事，參賽者獲得的證書有時能為其加分；國際賽主要指一些全球性的比賽。這些比賽包含各種各樣的項目，項目多以問題為導向，兒童完成這些項目就如做游戲一般，能感受到很多樂趣。兒童自愿參加比賽，由編程教育機構(gòu)提供培訓。例如，參與行政賽時，學校會同校外編程機構(gòu)合作，由編程機構(gòu)的教師對學生進行培訓。這讓更多的兒童有更長的時間參與編程學習，體會編程的樂趣，增加兒童的積極學習體驗。

兒童在編程課堂和比賽時幾乎全程自己動手操作，這給予兒童極大的自主性和掌控感，能進一步激發(fā)和維持兒童的學習興趣。兒童自己完成作品或取得比賽的勝利，也能獲得成就感和榮譽感，提高自信心和自我效能感。在編程學習或比賽過程中遭遇的問題與困難對兒童來說是一種挑戰(zhàn)，但適度的挑戰(zhàn)能激發(fā)部分兒童的興趣與斗志。對解決問題和完成挑戰(zhàn)的渴望，能增強兒童的求知欲和意志力，使他們?nèi)硇耐度刖幊虒W習中。兒童編程教育作為一種解決問題的學習方式，能培養(yǎng)兒童的學習興趣、自信心、自我效能感和意志力等，從而促進兒童學會學習。

（二）多元條件支持下兒童互動體驗的提升

與情境相關的動力因素不只包括客觀情境對兒童的支持，還包括家人、同學和教師等的支持。兒童編程教育不僅給予兒童“微世界”環(huán)境的支持，還讓兒童與教師、同學和家長互動，為兒童的編程學習提供幫助。

在編程教育機構(gòu)，師生關系相對較和諧，兒童的自主性較強。兒童大多是根據(jù)自己的興趣自愿選擇進入編程教育機構(gòu)的，他們會主動進行編程學習。機構(gòu)中的教師在一定程度上又是兒童的服務者，對兒童的束縛較小，師生關系更加融洽。這種關系會產(chǎn)生“師導生創(chuàng)”的教育模式，師生之間在身體或思想觀念方面不存在明顯的管束或依附關系[21]。在這種模式下，兒童和教師在一起就像和一群大朋友在一起一樣。在課堂上，兒童和教師一起進行制作和編程，可以在課堂上就自己的疑惑隨意提問，教師也能風趣地給予學生解答，從而擺脫了知識權威與教師權威對師生的束縛。在這種關系下，教師能更方便地了解不同兒童的學習、性格及家庭環(huán)境等方面的情況，以便給予兒童個性化的教育和支持。兒童和教師如同游戲伙伴一樣，這讓兒童產(chǎn)生了良好的互動體驗。

在課堂上，兒童可與其他同學討論自己的作品，這有助于進一步激發(fā)兒童創(chuàng)造性的想法，對作品進行創(chuàng)新。在比賽中，兒童有時需要團隊合作完成任務，不同的兒童負責管理器材、編程或操作等不同的工作。這種團隊配合、交流討論成為積極的學習體驗，促進兒童全身心投入編程學習中。

親子活動是編程教育機構(gòu)的重要活動之一。通過親子活動，家長與兒童一起學習編程，體驗編程的樂趣、理念和作用。這有助于家長了解兒童編程學習的過程，更好地與兒童互動。基于此，家長能以同理心對待孩子，避免出現(xiàn)強制孩子學習的現(xiàn)象。充分理解編程教育后，家長能和教師一起為兒童提供良好的教育環(huán)境，采取合適的教育干預措施，讓兒童在編程學習過程中產(chǎn)生積極的學習體驗。

學習不只發(fā)生在大腦中，還具有社會性和情境性。兒童編程教育為兒童與教師、同學、家長互動提供了開放的環(huán)境，也就是說，它為兒童的學習提供了社會性情境的支持，激發(fā)了兒童的學習動力，促進兒童學會學習。

五、結(jié)語

我國學校編程教育處于發(fā)展初期，尚未形成完善的課程體系，缺乏統(tǒng)一的教材、課程標準和教學目標，缺乏師資和完整的培訓體系，個別學校甚至不認可編程教育。有些編程教育機構(gòu)存在虛假宣傳、師資質(zhì)量不過關及片面追求利益等問題。然而，通過探尋兒童編程教育的育人價值可知，兒童編程教育有助于發(fā)展兒童的領域素養(yǎng)和通用素養(yǎng)，有助于兒童發(fā)展計算思維，提高探究能力并發(fā)展創(chuàng)造力，有助于兒童學會學習。聚焦兒童素養(yǎng)的發(fā)展，能在學校編程課程的建設、教學內(nèi)容的選擇、教材的編制、教師專業(yè)性的提升、編程教育機構(gòu)的規(guī)范等方面提供幫助，促進兒童編程教育的良性發(fā)展。