面向幼儿计算思维培养的教学模式构建——以实体编程为例

郑丹 杨刚 陈际焕 李学亮 李倩 温州大学教育学院

计算思维自2006年周以真(Jeannette M.Wing)教授提出以来，受到各领域专家的关注。[1]近年来，在对计算思维的探索过程中,很多学者发现，学龄前儿童具备编程学习能力，且基于编程培养幼儿计算思维被认为是一种有效的途径。[2-3]随着技术的发展，大量可视化、易操作的编程工具被开发，为幼儿学习编程提供了良好的条件。然而由于幼儿教育的特殊性，编程教学仍旧遇到不少的挑战，幼儿计算思维培养该以何种路径实施值得深思。

● 幼儿计算思维内涵与培养困境

1.幼儿计算思维内涵：计算思维习惯的养成

计算思维是一个具有阶段性、学科性和领域性的综合性概念，其本质是抽象和自动化[4]，培养幼儿计算思维是向幼儿教授计算机科学最重要的目标之一。[5]探究幼儿计算思维培养内涵在一定程度上回答了计算思维与编程教学之间的关系。美国学者布伦南(Brennan)和雷斯尼克(Resnick)认为计算思维包括计算概念、计算实践和计算观念三个维度。[6]根据美国计算机科学教师协会（CSTA）为计算机科学相关教学制订的核心能力标准，计算思维在不同阶段有不同的特点与侧重，按照不同年龄阶段将学习者分为三个等级。[7]第一个等级是针对幼儿园到小学六年级的学生，主要培养学生对计算机科学概念的理解，从计算思维的角度来看，该阶段主要是通过简单的计算实践体验来促进幼儿对计算概念的理解，从而初步形成计算观念。

编程涉及问题解决、掌握概念和技能的认知层面，也包含情感表达和社会交往的非认知层面。[8]因此，在计算思维培养上，编程成为最主要的途径。[9]以编程培养幼儿计算思维需注重计算思维概念的掌握、计算思维实践的体验和计算思维观念的形成，进而帮助幼儿在生活当中养成计算思维习惯，利用计算思维去解决生活中的问题。

2.幼儿计算思维培养困境：从认知到工具，再到教学

学龄前儿童正处于前运算阶段，这时期幼儿认知水平较低，学习呈现出明显的具象性，不具备成熟的识字和使用计算机的能力。[10-11]因此，以编程的方式培养幼儿计算思维仍面临着认知、工具和教学三个层面的挑战。[12-13]在认知层面，由于幼儿处于认知发展前期，在处理信息、逻辑思维、去中心化以及记忆复杂信息上都存在困难，因此他们很难在进行编程的同时处理程序步骤过多、任务复杂、规则烦琐的信息。[14]在工具层面，由于学龄前儿童不具备成熟的识字、计算和抽象推理能力，在学习过程中倾向于具体、步骤简洁的思维方式，这导致对教学工具的选择要求较为苛刻。常用的图形化编程和文本编程很难符合幼儿的思维方式。[15]在教学层面，由于幼儿专注力持续时间较短、学习韧性较低以及明显的自我中心性，在学习过程中难以将概念性的想法转换到实践活动中[16]，如果教学中任务过难、方法枯燥、帮助较少，幼儿会失去继续学习的兴趣。

● 幼儿计算思维培养途径：来自编程工具的视角

高质量的学前教育对幼儿未来的学习会产生积极的影响[17]，而我国基于编程培养幼儿计算思维方面的研究还处于初步探索阶段，工具理性的培养方式忽视了幼儿自身的特点，导致效果并不理想。因此，如何针对幼儿独特的发展需求和认知能力选择合适的教学方式成为重点。有研究者以编程工具为视角，探索了不同编程工具对幼儿计算思维发展的影响，发现实体编程可以有效促进幼儿计算思维能力、精细的运动技能、手眼协调能力、合作能力的发展。[18]实体编程是通过一系列物化的编程指令，使得幼儿可以直接触摸、操作和观察编程过程，帮助幼儿在编程过程中理解传感器模块事件的触发机制从而掌握编程概念。实体编程工具避开了幼儿在计算机中的操作困难，为幼儿提供了更大的探索空间[19]，具有零基础启蒙的优势，比较符合幼儿的思维特征。[20]笔者列举了常用的实体编程工具，如下表所示。

● 面向幼儿计算思维的教学模式构建和案例设计

1.教学模型的建构

本文以幼儿计算思维培养为目标，提出“情境体验、模型构建、算法实现、总结反思和应用迁移”五阶段的教学模式（如下图），以期探索计算思维核心能力培养与幼儿编程教学耦合的实践路径。

（1）情境体验阶段

情境体验的核心目的是激发幼儿的学习兴趣、激活幼儿的先验知识和培养幼儿的问题意识。该阶段教师的主要任务是创设贴近幼儿真实生活的问题情境，即教师通过讲故事、视频或图片呈现的方式将幼儿引入所创设的情境中，对教学问题进行定性表征。幼儿的核心任务是结合自身的先验知识从情境中发现问题，对教学问题进行首次表征和选择，但这时幼儿对问题的认识并不完整，教师需要在为幼儿发现问题提供引导的同时讲授新知，为接下来的深入探究奠定基础。

（2）模型构建阶段

工具 年龄 特点mBOT 3岁以上 幼儿入门机器人，通过积木式编程发展计算思维Cubetto 3～6岁 无屏幕机器人，通过不同颜色的指令编程块驱动机器人执行相应的动作MatataLab 3～9岁 无屏幕机器人，儿童通过编辑编程块控制机器人执行相应的动作KIBO 4～7岁 无屏幕机器人，儿童通过设计、创建、装饰机器人的过程培养计算思维Bee-BOT 5～7岁 小型桌面机器人，幼儿通过机器人的前进、后退、左转、右转、暂停、清除和前进七个按钮实现自己计划T-Maze 5～9岁 通过放置编程块来建构计算机程序，能够提供实时图像和语音反馈

模型建立是幼儿计算思维培养的核心阶段，其主要目的是帮助幼儿对问题解决方案进行初步规划。教师不仅需要为学生提供支架和学习案例，还需制订适宜的活动规则，引导幼儿持续参与到活动中。

（3）算法实现阶段

算法实现是对上一阶段所建立的问题解决模型进行验证，具体体现为幼儿通过操作机器人和拼接编程块来表达自己对程序概念的理解。该阶段教师的主要任务是识别全体幼儿在编程过程中出现的共性问题，为幼儿提供过程性帮助以支持编程活动的继续。幼儿的主要任务是编程实践，通过同伴、教师、机器人等多方反馈验证程序是否正确。该阶段幼儿通过具体操作体验来理解抽象的程序概念，比较符合幼儿认知发展特征，同时又能够锻炼幼儿手眼协调能力。

（4）总结反思阶段

总结反思阶段的主要目的是对幼儿零散的学习进行概括和总结，帮助幼儿形成完整的知识体系，强化幼儿的知识结构，提升其反思能力、创新能力和计算思维能力。其中，教师需要对具有示范性的案例进行展示，组织幼儿之间相互探讨，诱发幼儿创新思维的发生。该阶段是幼儿对编程活动、内容重新思考和认知的过程，幼儿在此阶段可能会用到多种学习策略，对编程中发现的问题进行反复的修正和纠错，寻找最佳解决方案，促进思维向更高层次发展。

（5）应用迁移阶段

应用迁移的主要目的是锻炼幼儿独立分析问题和解决问题的能力，促进知识技能向实践应用迁移。该阶段教师的主要任务是设置符合幼儿认知特征的迁移性任务，组织幼儿独立完成，其中教师所设置的任务需具有一定的宽松度，以适应不同水平的幼儿。幼儿的主要任务是根据教师所提供的迁移性任务，结合先前的案例进行问题解决方案的设计以及编程实践，其中，通过完成迁移性任务能够帮助幼儿灵活应用所学知识，促进幼儿知识的内化。

2.基于GIOE模型的教学案例设计

笔者以玛塔（MatataLab）机器人作为教学工具，该课程案例的主题是“拯救我们的朋友”，幼儿和玛塔机器人一起闯过重重难关拿到宝箱里的钥匙救出自己的朋友。学生在有趣的故事情境中，运用编程块编程使得玛塔机器人能够避开红色的障碍物从起点到达宝箱的位置拿到钥匙救出自己的朋友。

（1）情境体验

教师：以讲故事和PPT呈现的方式讲述“拯救我们的朋友”故事发展线，引导幼儿思考如何可以救出被困的朋友；提出课程所包含的教学问题并讲解新知，制订活动规则。

幼儿：积极参与课堂互动，思考情境中的教学问题以及理解课程活动规则、目标。

（2）模型建构

教师：讲解案例、不同编程块指令的功能，引导幼儿设计问题解决方案。

幼儿：根据案例学习数字编程块和运动编程块的功能和区别,并思考问题。

（3）算法实现

教师：课堂观察和监督，提供及时帮助和指导。

幼儿：编程实践和通过多方反馈对程序进行调试和修改。

（4）总结反思

教师：对幼儿作品提供点评和知识总结。

幼儿：听取教师、同伴的建议对程序进行修改，积极分享作品思路。

（5）应用迁移

教师：设置新的开放型任务，及时为幼儿答疑。

幼儿：完成新任务。

● 总结与展望

本文通过分析编程与计算思维之间的内在联系，揭示幼儿编程教学的内涵与困境，探究符合幼儿认知特征的编程工具，厘清了幼儿编程与计算思维之间的耦合关系，为幼儿开展计算思维教学提供了新思路。但要想更好地应对幼儿计算思维培养中的困境，还需要不断探索其他途径。

1.人工智能赋能教育：拓展幼儿计算思维培养方式

当前，基于人工智能的教育应用成为幼儿日常生活的一部分，从智能玩具到AI教师，人工智能技术能够详细地记录幼儿的学习过程，识别幼儿的学习状态和分析幼儿的学习数据，为幼儿各方面的学习和测评提供“个性化”“精准化”的支持与服务，与现代教育理念产生了良好的共鸣。因此，人工智能的出现在很大程度上增加了幼儿计算思维教育的可能性。

2.多样化教学策略实施：深化幼儿计算思维发展路径

当前，关于幼儿计算思维课程的研究大多集中在编程工具上，对教学策略的研究却很少。有研究发现，在幼儿教学课堂上，教师的教学策略、课堂管理风格等因素都会对幼儿产生较大的影响。[21]所以，如何选择和设计有效的教学策略是未来以编程为基础深化幼儿计算思维发展的一大突破点，也是基于编程的教学方式能否真正被幼儿接受和理解的关键。

3.STEM跨学科思想：助力幼儿计算思维非认知因素发展

将跨学科思想与幼儿计算思维培养相结合，开设综合性的跨学科STEM课程，并将实体编程融入其中，能使学生体验到计算思维在日常生活、科学探索中的重要性。它在培养智能时代所需的数据素养和计算思维的同时，也为幼儿搭建了一个系统解决问题的经验框架，促使幼儿在STEM教学活动中形成积极的学习态度、坚韧的学习意志、良好的思维习惯等，为幼儿今后的教育与发展提供动力与支持。[22]