基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式促進(jìn)學(xué)生編程和計(jì)算思維的實(shí)證研究

摘要：本研究以“活動(dòng)理論”教育理念為依據(jù)，構(gòu)建以“引導(dǎo)活動(dòng)、知識(shí)測試活動(dòng)、合作體驗(yàn)活動(dòng)和學(xué)習(xí)反思活動(dòng)”為主體的活動(dòng)理論教學(xué)模型，并設(shè)計(jì)以“導(dǎo)入、目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)”六個(gè)環(huán)節(jié)為主體的BOPPPS教學(xué)模式，利用Pepper機(jī)器人開展教學(xué)實(shí)踐以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。實(shí)證分析結(jié)果表明，基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式促進(jìn)了學(xué)生的編程成績和計(jì)算思維成績的提升，為中小學(xué)編程教學(xué)改革提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；Pepper機(jī)器人；活動(dòng)理論；編程教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"論文編號(hào)：1674-2117（2025）02-0076-05

計(jì)算思維最早由麻省理工學(xué)院的西蒙·派珀特（Sey?mourPapert）教授于1996年首次提出。[1]隨后，周以真教授對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。[2]計(jì)算思維概念被提出以來，受到各國的廣泛關(guān)注和高度重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)青少年必備的基本素養(yǎng)和關(guān)鍵技能。[3]因此，如何培養(yǎng)青少年的計(jì)算思維成為全世界教育工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。隨著機(jī)器人編程教育的興起，學(xué)生可以在設(shè)計(jì)機(jī)器人、組裝機(jī)器人、機(jī)器人編程等情境中實(shí)現(xiàn)思維的拓展和能力的提高。機(jī)器人教育中除了包含計(jì)算機(jī)科學(xué)外，還融合了機(jī)械、工程等多領(lǐng)域的內(nèi)容，致力于培養(yǎng)學(xué)生全方位的能力。[4]因此，機(jī)器人教育成為培養(yǎng)青少年計(jì)算思維的重要途徑。但是，設(shè)計(jì)什么樣的教學(xué)模式創(chuàng)新機(jī)器人編程教育？如何設(shè)計(jì)并實(shí)施有效的教學(xué)模式來促進(jìn)編程學(xué)習(xí)和提高學(xué)生的計(jì)算思維？本研究將通過實(shí)驗(yàn)研究來回答這些問題。

基于活動(dòng)理論的教學(xué)理念

活動(dòng)理論又稱為“文化-歷史活動(dòng)理論”（Cultural-historicalActivityTheory），它關(guān)注的是實(shí)踐過程而非知識(shí)本身，是人們?cè)诎l(fā)展過程中使用工具的本質(zhì)、不同環(huán)境的作用、社會(huì)關(guān)系、活動(dòng)目的與意義，最終達(dá)到對(duì)主體或客體進(jìn)行改變的過程和結(jié)果。當(dāng)前，應(yīng)用廣泛的是恩格斯托姆的活動(dòng)理論體系，包括主體、客體、工具、共同體、規(guī)則和勞動(dòng)分工六要素。[5]

本研究基于活動(dòng)理論的教學(xué)理念，構(gòu)建了以“引導(dǎo)活動(dòng)、知識(shí)測試活動(dòng)、合作體驗(yàn)活動(dòng)和學(xué)習(xí)反思活動(dòng)”為主體的活動(dòng)理論教學(xué)模型（如下頁圖1）。引導(dǎo)活動(dòng)主要包括導(dǎo)入和目標(biāo)呈現(xiàn)，通過情境的導(dǎo)入既讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)主題，又能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)借助工具呈現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)幫助學(xué)生明晰學(xué)習(xí)的具體內(nèi)容。知識(shí)測試活動(dòng)包括課堂中的前測和后測，前測是通過問卷或抽問的形式對(duì)學(xué)生的編程水平、學(xué)習(xí)興趣、計(jì)算思維水平進(jìn)行的基礎(chǔ)測試，后測是為了檢驗(yàn)學(xué)生的編程學(xué)習(xí)效果。合作體驗(yàn)活動(dòng)主要是學(xué)生為實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)而進(jìn)行的一系列的實(shí)踐和探究。學(xué)習(xí)反思活動(dòng)主要由各小組進(jìn)行成果展示、反思、點(diǎn)評(píng)和總結(jié)。在一系列活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生通過活動(dòng)內(nèi)化，完成知識(shí)建構(gòu)，輸出結(jié)果，從而提高計(jì)算思維水平和編程能力。

基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式設(shè)計(jì)

基于上述的活動(dòng)理論基礎(chǔ)與教學(xué)活動(dòng)模型，筆者設(shè)計(jì)了BOPPPS教學(xué)模式，如圖2所示。

1.導(dǎo)入（Bridge-in）：引入主題

導(dǎo)入是活動(dòng)理論模型中引導(dǎo)活動(dòng)的第一部分，是指教師利用工具（多媒體設(shè)備、Pepper機(jī)器人）設(shè)置情境引導(dǎo)主體（學(xué)生個(gè)體或群體）進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，起到引入主題的作用。該環(huán)節(jié)主要是利用情境將課程的內(nèi)容和學(xué)生的已有知識(shí)有效銜接，不僅能夠提高學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，而且容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.目標(biāo)（Objective）：目標(biāo)呈現(xiàn)

目標(biāo)是活動(dòng)理論模型中引導(dǎo)活動(dòng)的第二部分，是指教師利用工具（多媒體設(shè)備、Pepper機(jī)器人）向主體（學(xué)生個(gè)體或群體）展示客體（學(xué)習(xí)目標(biāo)），起到目標(biāo)呈現(xiàn)的作用。該環(huán)節(jié)主要是教師通過PPT等方式呈現(xiàn)知識(shí)、素養(yǎng)和技能三個(gè)方面的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生明晰本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，便于其掌握學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。

3.前測（Pre-assessment）：知識(shí)摸底

前測是活動(dòng)理論模型中知識(shí)測試活動(dòng)的第一部分，是指主體（學(xué)生個(gè)體或群體）和共同體（各小組成員）在規(guī)則（測試規(guī)則）的條件下進(jìn)行學(xué)習(xí)前的知識(shí)水平檢測，起到知識(shí)摸底的作用。該環(huán)節(jié)主要是為了掌握學(xué)生的儲(chǔ)備知識(shí)情況，了解學(xué)生對(duì)本課程的興趣，以便調(diào)整后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的深度及進(jìn)度，讓教學(xué)更加聚焦。

4.參與式學(xué)習(xí)（Participatorylearning）：突出主體

參與式學(xué)習(xí)是活動(dòng)理論模型中合作體驗(yàn)活動(dòng)的部分，是指主體（學(xué)生個(gè)體或群體）為實(shí)現(xiàn)客體（學(xué)習(xí)目標(biāo)）與共同體（各小組成員）的合作探究，進(jìn)行協(xié)作編程的過程，起到突出主體的作用。該環(huán)節(jié)注重學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中的體驗(yàn)與獲得，體現(xiàn)“以學(xué)生為主體”的教學(xué)思想。

5.后測（Post-assessment）：知識(shí)檢驗(yàn)

后測是活動(dòng)理論模型中知識(shí)測試活動(dòng)的第二部分，是指主體（學(xué)生）和共同體（各小組成員）在規(guī)則（測試規(guī)則）的條件下進(jìn)行參與式學(xué)習(xí)后的效果檢測，起到知識(shí)檢驗(yàn)的作用。該環(huán)節(jié)需要驗(yàn)收學(xué)習(xí)成果，判斷學(xué)生是否達(dá)到預(yù)期的效果。

6.總結(jié)（Summary）：自我反思

總結(jié)是活動(dòng)理論模型中學(xué)習(xí)反思活動(dòng)的部分，是指共同體（各小組成員）通過勞動(dòng)分工（生生交流、師生交流）進(jìn)行成果展示、點(diǎn)評(píng)、總結(jié)和反思，從而判斷是否實(shí)現(xiàn)客體（學(xué)習(xí)目標(biāo)），起到自我反思的作用。該環(huán)節(jié)主要是讓學(xué)生展示成果以獲得教師和同伴的反饋，然后進(jìn)行總結(jié)反思。

教學(xué)案例

下面，筆者基于活動(dòng)理論基礎(chǔ)與教學(xué)活動(dòng)模型，以及BOPPPS教學(xué)模型嘗試進(jìn)行Pepper機(jī)器人編程教學(xué)案例設(shè)計(jì)，其活動(dòng)流程主要分為六個(gè)部分，即導(dǎo)入、目標(biāo)、前測、參與式學(xué)習(xí)、后測、總結(jié)。

1.導(dǎo)入

教師活動(dòng)：①利用機(jī)器人詩詞朗誦大賽的主題激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；

②演示Pepper機(jī)器人朗誦詩詞激發(fā)學(xué)生的編程興趣。

學(xué)生活動(dòng)：①小組合作討論“詩詞朗誦Pepper機(jī)器人”的設(shè)計(jì)思路；②與Pepper機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)，熟悉Pepper機(jī)器人的功能。

2.目標(biāo)

①制作出能夠語音輸出的Pepper機(jī)器人。②制作出能夠圖像展示的Pepper機(jī)器人。③制作出能夠肢體表達(dá)的Pepper機(jī)器人。

3.前測

在合作體驗(yàn)活動(dòng)開始前教師通過問卷調(diào)查掌握學(xué)生的計(jì)算思維水平，通過提問的方式掌握學(xué)生對(duì)Pepper機(jī)器人編程的興趣和熟悉程度。

4.參與式學(xué)習(xí)

教師活動(dòng)：①指導(dǎo)編程；②啟發(fā)思考；③監(jiān)控學(xué)生行為與交流討論。

學(xué)生活動(dòng)：

探究一：制作出能夠語音輸出的Pepper機(jī)器人。

①使用分支結(jié)構(gòu)的積木塊編程；②使用語音識(shí)別積木塊編程；③錄制音頻。

探究二：制作出能夠圖像展示的Pepper機(jī)器人。

①使用布爾運(yùn)算編程；②使用循環(huán)結(jié)構(gòu)積木塊編程；③使用文字顯示和圖像顯示積木塊編程。

探究三：制作出能夠肢體表達(dá)的Pepper機(jī)器人。

①使用動(dòng)作積木塊編程；②使用時(shí)間積木塊編程。

5.后測

本節(jié)課在Pepper機(jī)器人編程任務(wù)結(jié)束后，會(huì)根據(jù)課堂學(xué)習(xí)的編程知識(shí)進(jìn)行隨機(jī)性抽問，如“循環(huán)結(jié)構(gòu)的模塊有哪些”“怎樣才能讓Pepper機(jī)器人能夠向我們打招呼”等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的評(píng)估，并根據(jù)抽問的效果進(jìn)行教學(xué)反思，及時(shí)調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，從而更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

6.總結(jié)

教師活動(dòng)：①總結(jié)本次課程的重難點(diǎn)；②點(diǎn)評(píng)各小組的成果；③選出優(yōu)秀作品。

學(xué)生活動(dòng)：①各小組上臺(tái)展示“詩詞朗誦Pepper機(jī)器人”，進(jìn)行朗誦詩詞比賽；②各小組互相點(diǎn)評(píng)；

③小組內(nèi)或小組間交流編程的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行總結(jié)和反思。

基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式效果分析

1.研究設(shè)計(jì)

（1）研究對(duì)象

本研究采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究法，研究對(duì)象為某中學(xué)七年級(jí)的學(xué)生（平均年齡為14歲），共有59人，學(xué)生初識(shí)Pepper機(jī)器人，尚不熟悉其編程的過程，但已經(jīng)具備一定的推理探究能力和編程基礎(chǔ)知識(shí)，能夠動(dòng)手設(shè)計(jì)創(chuàng)新的個(gè)性化項(xiàng)目，有利于教學(xué)的順利開展。

（2）研究工具

計(jì)算思維測量表改編于張屹等人[6]提出的計(jì)算思維測試量表，共包含15個(gè)題項(xiàng)，總計(jì)100分，其中1～4題屬于計(jì)算概念（每題5分），5～10題屬于計(jì)算實(shí)踐（每題5分），11～15題屬于計(jì)算觀念（每題10分）。在本研究中，計(jì)算思維前測問卷Cronbachalpha信度系數(shù)為0.720，后測問卷Cronbachalpha信度系數(shù)為0.885，均大于0.7，滿足信度要求，說明計(jì)算思維測試量表具有良好的信度。

（3）實(shí)驗(yàn)流程

本研究開展了為期7周的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)前，被試學(xué)生進(jìn)行一次編程成績測試和計(jì)算思維成績測試（作為前測成績）。在正式實(shí)驗(yàn)中，共開展三次編程學(xué)習(xí)活動(dòng)，分別是以“語音輸出”“圖像展示”“肢體表達(dá)”為主題的編程學(xué)習(xí)。最后，被試學(xué)生進(jìn)行一次編程成績測試和計(jì)算思維成績測試（作為后測成績）。

2.研究分析

經(jīng)過7周的Pepper機(jī)器人編程學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生的編程成績、計(jì)算思維能力發(fā)生了一定程度的變化。本研究采用定量統(tǒng)計(jì)分析的方法從兩個(gè)方面探析基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式的效果：①學(xué)生在接受訓(xùn)練前后編程成績的變化；②學(xué)生在接受訓(xùn)練前后計(jì)算思維的變化。

（1）學(xué)生編程成績分析：編程成績顯著提升

本研究采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)對(duì)學(xué)生編程測試成績前后測是否存在顯著性差異進(jìn)行了分析（如表1），結(jié)果表明被試學(xué)生的編程測試成績前后測存在顯著性差異（p=0.000lt;0.001）。具體而言，基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式有效提升了學(xué)生的編程測試成績（M后=84.77gt;M前=72.89）。

（2）學(xué)生計(jì)算思維成績分析：計(jì)算思維成績顯著提升

本研究采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維成績前后測是否存在顯著性差異進(jìn)行了分析（如表2），結(jié)果表明被試學(xué)生的計(jì)算思維成績前后測存在顯著性差異（p=0.000lt;0.001），尤其是計(jì)算概念維度（p=0.000lt;0.001）和計(jì)算實(shí)踐維度（p=0.000lt;0.001）。具體而言，基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式有效提升了學(xué)生的計(jì)算思維成績。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于活動(dòng)理論的BOPPPS教學(xué)模式能夠有效融入Pepper機(jī)器人教學(xué)，有助于提升學(xué)生的編程能力，為培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維提供了載體。同時(shí)，它能夠幫助教師更好地開展教學(xué)活動(dòng)，改善課堂教學(xué)效果，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

因此，在未來的教學(xué)中，希望一線工作者能夠從教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的視角去開展實(shí)踐研究，如探討機(jī)器人教學(xué)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)思維、解決問題的深層技能的影響，以及如何整合有效的教學(xué)策略對(duì)學(xué)生編程能力、編程思維的影響等。

參考文獻(xiàn)：

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[3]周平紅，桑雪梅，張屹，等.同伴互評(píng)支持的結(jié)對(duì)編程對(duì)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的影響研究[J].電化教育研究，2023，44（11）：105-112.

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[5]Engestr?mY.Activitytheoryandindividualandsocialtransformation[J].Perspectivesonactivitytheory，1999（38）：19-30.

[6]張屹，陳鄧康，付衛(wèi)東，等.基于新課標(biāo)的中小學(xué)生計(jì)算思維量表構(gòu)建研究[J].電化教育研究，2024，45（03）：90-98.

作者簡介：周瑋（1998—），男，重慶市人，華南師范大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)閷W(xué)習(xí)科學(xué)、數(shù)字技術(shù)教育應(yīng)用；羅霞（1997—），女，四川省巴中市人，廈門大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芙逃龖?yīng)用；楊剛（1979—），男，苗族，湖南省懷化市人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閷W(xué)習(xí)科學(xué)、編程教育。

基金項(xiàng)目：浙江省教育科學(xué)規(guī)劃2023年度重點(diǎn)課題“新課標(biāo)背景下編程教育促進(jìn)青少年計(jì)算思維發(fā)展的理論與實(shí)踐研究”（課題號(hào)：2023SB088）。（立項(xiàng)者：楊剛）