無屏幕編程教育活動對學前兒童計算思維和創造性思維的影響研究

高宏鈺 于開蓮 蔣云宵 楊雨欣

[摘? ?要] 近年來編程教育逐漸延伸至學前階段，呈現低齡化趨勢，但編程教育對學前兒童發展的影響缺乏充分的實證研究。研究以計算思維和創造性思維兩項高階思維為視角，依托無屏幕編程機器人工具，基于5E教學法設計實施系列編程教育活動，采用準實驗法考察編程教育對學前兒童發展的影響。研究發現，無屏幕編程教育活動對學前兒童計算思維發展具有顯著促進作用，對學前兒童的創造性思維具有部分促進作用，創造性思維的獨創性和變通性維度并未得到顯著提升。由此建議：理性看待編程教育對學前兒童發展的價值與限度，加強編程教育與幼兒園教育活動的融合創新，優化編程教學設計以更好地促進學前兒童思維發展。

[關鍵詞] 無屏幕編程活動； 編程教育； 學前兒童； 計算思維； 創造性思維

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 高宏鈺（1987—），女，山東濱州人。副教授，博士，主要從事學前教育信息化研究。E-mail：gaohongyu@cnu.edu.cn。于開蓮為通訊作者，E-mail：yklian79@126.com。

一、 引? ?言

近年來，編程教育對科技創新人才培養的重要意義得到凸顯，已納入多個國家的戰略規劃之中。在政策推動下，編程教育不僅成為中小學教育創新的重要組成部分，而且逐漸影響到學前教育階段，呈現低齡化趨勢。例如，美國和英國提出兒童從5歲開始就可以學習編程，新加坡啟動了面向學前兒童的編程教育項目[1]。在我國，少兒編程培訓蓬勃發展，編程教育已經成為學前兒童家庭教育投入的重要組成部分。盡管“少兒編程熱”引發了社會的廣泛關注，但編程教育在學前階段的推廣卻存在一個值得認真思考的問題，即編程教育對學前兒童的發展究竟有何影響，尤其是在促進兒童高階思維發展方面是否具有積極價值，因此，需要更加充分的實證研究以切實回答這一問題。已有研究指出，編程教育有利于突破囿于知識理解層面的傳統教育模式，幫助兒童從低階思維向高階思維發展，多項研究證明編程教育和計算思維之間關系密切[2]；亦有學者認為，創新思維養成是編程教育的終極目標，編程教育是發展學生創造性思維的有效途徑[3]。但這些研究多聚焦中小學生，較少關注學前兒童，本研究從計算思維和創造性思維的視角，結合學前兒童的年齡特點設計編程教育活動，通過準實驗研究考察編程教育對學前兒童發展的影響，以期為學前階段的編程教育提供實證證據與實踐依據。

二、 文獻綜述

（一）編程教育與計算思維

學界對兒童計算思維的內涵認識可分為三種不同傾向：一種傾向認為，計算思維是一種問題解決導向的思維能力，即“計算機化地解決問題”的思維能力。計算思維的最終目的是“問題解決”“確保解決方案被信息處理代理有效執行”[4]，計算思維的基本過程是將發現問題、設計解決方案和解決問題的環節“計算機化”，即轉變為對問題的抽象表征、設計程序、測試調試等環節。第二種傾向認為，計算思維是一種學習方式。Papert提出了構造主義學習理論，認為兒童通過構造實體物品來積極參與知識建構時，學習是最有效的，他將計算機視作兒童學習的外部工具，兒童與計算機的關系是“兒童作用于計算機”[5]，兒童通過計算機建構自己的知識體系，通過計算機不斷修復錯誤、改進完善作品的過程實現有意義的學習。第三種觀點認為，計算思維不僅是問題解決能力，而且是依托于計算機的基礎概念進行交流與表達想法的方式。Bers進一步將計算思維概括為“七個強大的想法”，即算法、模塊化、控制結構、表征、硬件/軟件、設計過程和調試[6]。盡管目前對計算思維的定義并不統一，但普遍共識在于計算思維是21世紀核心素養之一，是個體適應未來社會以及國家取得核心競爭力的重要基礎，培養兒童的計算思維至關重要。

研究表明，編程教育是培養兒童計算思維的重要途徑，編程教育支持學習者通過編程進行學習，從中領悟編程的核心思想，最后能用計算機的思維方式解決問題。Lye和Koh通過分析27篇實證研究發現，編程教育有利于發展學生的計算思維[7]。Zhan以及李倩等人均發現，通過不插電編程引導兒童分解和解決問題，能夠促進小學生的計算思維發展[8-9]。多召軍等人基于圖形化編程工具設計實施系列“結構化的編程學習活動”，促進了小學生計算思維水平顯著提升，且分解思維、抽象思維、程序化思維與迭代思維等計算思維要素同步發展[10]。傅騫等人同樣基于圖形化工具的編程教學促進了初中生的計算思維發展[11]?？梢?，編程教育對中小學生計算思維的促進作用得到較多證實，但國內學者較少對學前兒童計算思維的影響進行研究。

（二）編程教育與創造性思維

研究指出，創造性思維是創造力的核心[12]。創造性思維是一種可以產生新穎、獨特、有社會意義或個人價值的產品的智力品質[13]；也有學者認為，創造性思維是思維活動的高級過程，是在已有經驗的基礎上，通過多角度思維創造出新穎獨特、有社會價值的產品的一種思維過程[14]。Torrance指出，創造性思維包括四個要素：流暢性，是指個體對某個特定主題產生大量想法和思路的能力，強調“數量多”；變通性，即對某個主題產生多種類型想法的能力，強調“種類多”；獨創性，即對某個主題能思考出不明顯的、不尋常的，甚至是偶爾被駁斥的觀點的能力，強調“獨一無二”；精進性，即能夠對現有的主題進行細致的描述以擴大現有想法的能力，強調“細節描述”[15]。

有研究探討了編程教育對兒童創造性的影響，例如：Murcia等人研究發現，學前兒童使用BeeBot和BeeBot iPad進行編程活動能夠在較大程度上提升創造性[16]；？覶AKIR 等人的研究也發現，機器人編程教育對學前兒童的創造性思維的某些要素具有積極影響[17]?？梢钥闯鼍幊探逃龑W前兒童的創造性發展具有一定潛力，但相關研究并不充分。

（三）適合學前兒童的無屏幕編程教育

考慮學前兒童具體形象、直覺行動的思維特點，在編程工具的選擇上，學前階段使用最為廣泛的是無屏幕編程工具，如KIBO、Beebot、Sphero、ALERT、Bluebot、Matatalab等。無屏幕編程是在不使用屏幕的情況下，通過操作現實世界中的物理模塊或者采用模塊拼接的方式來構建和表達計算機程序指令的運行過程，具有零屏幕時間避免視力損害、真實的物理操作、簡化的編程語言、較強的現實互動性和游戲性等特點，更加適合低齡兒童操作使用[18]。Sapounidis等人研究發現，低齡兒童使用無屏幕編程工具能夠更快地完成程序設計，且表現出更強的探索欲望[19]。無屏幕編程工具便于教師創設游戲化任務情境，使兒童獲得更好的學習體驗，發展其抽象、分析與創造能力[20]。

綜上所述，無屏幕編程教育是適宜學前兒童編程學習的主要方式，本研究將設計實施系列無屏幕編程教育活動，以探究其對學前兒童計算思維和創造性思維的影響。

三、 研究設計

（一） 研究方法

采用教育準實驗法，在北京市F幼兒園隨機選擇兩個大班作為實驗班和對照班，實驗班共有兒童35名，其中男童18名，女童17名，對照班共有兒童31名，其中男童14名，女童17名，平均年齡為5.6歲，調查得知這些兒童整體缺乏編程經驗。實驗班由教師實施6周的無屏幕編程教學活動，每周2次活動，共12次，對照班由教師實施常規的教育活動，其他教育活動保持一致。實驗前后，研究者對實驗班和對照班兒童的計算思維和創造性思維分別進行前測和后測。由于疫情封控、兒童生病等原因，一些兒童未能參加測試或完整參加教學活動，這些數據被舍棄，最終實驗班保留32名兒童數據，其中男童17名，女童15名，對照班共保留28名兒童數據，其中男童12名，女童16名。

（二） 活動設計

無屏幕編程活動的設計包括活動目標、內容與組織實施方式的設計。在活動目標上，研究圍繞計算思維和創造性思維的要素，結合無屏幕編程機器人可以實現的功能，確定學前兒童在編程活動中可觀測的行為表現，由此確定具體的活動目標（見表1）。

從活動內容上，結合生動有趣的游戲地圖（如摘果子、找糖果）幫助學前兒童由易到難掌握基本技能，然后循序漸進掌握較為復雜的編程技能，最終需要他們創造性地完成小組項目?；顒?是認識無屏編程機器人基本動作編程塊的功能和操作（前進、后退、左轉、右轉）；活動2～5是在游戲地圖上使用基本編程塊完成路線編程任務?；顒?～7由兒童探索機器人的繪畫功能，完成給“小貓畫胡子”“畫正方形”任務；活動8～9由兒童使用參數和循環功能，完成帶有路障的復雜任務；活動10～11由兒童探索音樂功能，并分組自由編制樂曲和創造性藝術裝飾機器人；活動12由兒童發揮創意設計游戲地圖（如敲地鼠）并開展游戲活動。

從組織實施上，依據5E教學法進行適當調整，5E教學法由美國生物學課程研究會（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）提出，包括引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）和評價（Evaluate）五個環節[21]。在引入環節，教師為兒童介紹活動背景及編程任務，調動兒童積極參與；在探究環節，兒童按照教師發布的任務，運用設計路線和驗證路線完成特定任務；在解釋環節，兒童分享路線設計的方法和遇到的困難，教師給予反饋與指導；在精致環節，兒童基于教師的反饋規劃新的編程路線；在評價環節，教師組織兒童進行自評、互評，總結活動經驗。如圖1所示。

（三）前后測工具

1. TechCheck

TechCheck是由Relkin等人專門為幼兒園到二年級（5～9歲）兒童設計的計算思維測試工具，包含了計算思維的六個要素，即算法、模塊化、控制結構、表征、硬件/軟件和調試[22]，測試包括2個練習題，15個正式題，練習題不計分，正式題正確得1分，錯誤不得分，滿分15分，分數越高代表兒童的計算思維越高。測試方式是研究者為兒童閱讀題目，讓兒童從每個題目中選擇正確的選項。該工具可以在15分鐘內或者更短的時間里進行評估。TechCheck的開發者對測試工具進行了嚴格的內部一致性信度檢驗，Cronbach's alpha值為0.68，說明信度可以接受；同時進行了表面效度檢驗，評估者對每個問題最相關的計算思維領域達成共識，平均一致性為81%。Relkin應用TechCheck測試了768名兒童，并基于經典測量理論與項目反應理論檢驗其信度、難度和區分度，證明TechCheck具有較好的測量學屬性。測試示例見表2。

2. 托蘭斯創造性思維測試

采用托蘭斯（E.P.Torrance）的圖形創造思考測驗工具（Torrance Tests of Creative Thinking，TTCT）A版測查學前兒童的創造性思維。測試包括三個活動：建構圖畫、完成圖畫、平行線條。每個活動會涉及創造性思維四個維度的不同方面，每個活動有對應的評分記錄表，每名兒童使用一張記錄表。研究者嚴格按照工具手冊要求進行測試，收集兒童作品后，根據評分標準進行打分。獨創性和變通性根據兒童所繪內容與指導手冊規定范圍的匹配度打分，最高5分。流暢性根據兒童完成繪畫的數量打分，完成越多，分數越高。精進性根據兒童完成繪畫的細節打分，細節越多，分數越高。采用評分者信度和內容信度測試工具的信度水平。評分者信度由三名研究者同時對20%的作品打分，研究發現，肯德爾和諧系數達到0.971，漸進顯著性達到0.03，評分者信度較高，同質性信度檢驗表明創造性四個維度的Cronbach's alpha系數均在0.9-1.0之間，表明信度理想。

四、研究結果

本研究采用SPSS26.0分析前后測數據變化的顯著性水平，以判斷編程教育活動對學前兒童計算思維和創造性思維的影響。

（一）無屏幕編程活動對兒童計算思維的影響

1. 橫向對比分析學前兒童計算思維前測和后測差異

本研究樣本量屬于獨立小樣本，需采用Shapiro-Wilk Test進行正態檢驗，結果表明，實驗前實驗班和對照班兒童計算思維各維度得分及總分正態性檢驗顯著性水平均大于0.05，數據服從正態分布；使用獨立樣本t檢驗分析實驗班和對照班兒童計算思維前測的差異，結果顯示，實驗班和對照班兒童計算思維各維度得分及總分前測不存在差異，這說明兩個班計算思維水平基本一致，可視為同質組。后測結果顯示，實驗班兒童在算法、模塊化、控制結構、表征、硬軟件以及調試各維度顯著高于對照班兒童（t=4.206，p<0.001； t=2.161，p<0.05； t=2.585，p<0.05； t=3.836，p<0.001；t=4.739，p<0.001；t=1.919，p<0.05），計算思維總分顯著高于對照班兒童（t=5.68，p<0.001）。

2. 縱向對比分析學前兒童計算思維前后測差異

使用配對樣本t檢驗分析學前兒童計算思維前后測差異，結果顯示，實驗班兒童后測計算思維各維度得分及總分顯著高于前測得分，說明實驗班兒童的計算思維得到顯著提升。對照班兒童計算思維總分與各維度前后測得分不存在顯著差異。具體結果見表3。

（二）無屏幕編程活動對學前兒童創造性思維的影響

1. 橫向對比分析學前兒童創造性思維前測和后測差異

采用 Shapiro-Wilk Test進行正態檢驗，表明實驗班和對照班兒童創造性思維各維度得分及總分正態性檢驗顯著性水平均大于0.05，數據服從正態分布；使用獨立樣本t檢驗分析，結果顯示，實驗班和對照班兒童創造性思維前測和后測得分均不存在顯著差異。

2. 縱向對比分析學前兒童創造性思維前后測差異

使用配對樣本t檢驗分析實驗班和對照班兒童實驗前后創造性思維的差異，結果顯示，實驗班兒童的流暢性、精進性和創造性思維總分在實驗前后存在顯著差異，后測得分顯著高于前測得分；實驗班兒童變通性和獨創性得分在實驗前后存在不顯著差異。對照班兒童創造性思維各維度得分和總分在實驗前后均不存在顯著差異。具體結果見表4。

五、討? ?論

研究表明，無屏幕編程教育活動對學前的計算思維和創造性思維總體上具有積極影響，但影響程度有所差異，具體來說：

（一）無屏幕編程教育對學前兒童計算思維的提升作用顯著

結果顯示，實驗班學前兒童的計算思維得到顯著提升，說明編程教育活動能夠有效促進學前兒童計算思維發展，這與已有的研究結果具有一致性。原因可能在于，編程和計算思維本質上存在緊密關系，學前兒童通過編程工具創建程序的過程，亦是兒童不斷運用和發展計算思維的過程[23]。在本研究中，首先研究者選擇無屏編程機器人作為編程工具，這類機器人適宜于兒童直接感知、動手操作的學習方式，能更好地調動兒童參與編程的積極性，激發兒童的探究熱情，使得兒童主動建構學習的理想得以實現，同時編程機器人支持兒童將抽象的計算思維通過操作得以具體化應用，實現了“學習過程的兩種建構”[24]。即將外化的機器人編程操作與內化的計算思維建構有機結合，使兒童的思維過程變得可視化，對兒童的思維過程給予及時反饋，促使兒童持續運用與發展計算思維各項能力。

其次，本研究從分析學前兒童計算思維內涵出發，明確學前兒童計算思維外顯行為，再到設計具體活動目標，這種精細化的目標建構路徑，為教師針對性地設計與指導編程活動提供方向指引，因此，在活動設計中，教師會允許兒童進行自主探索、敢于“試錯”。此外，與多召軍等學者的研究結果一致，本研究采用5E教學法設計了系列“結構化的編程活動”，可以保障兒童在引入、探究、解釋、精致、評價等不同環節運用計算思維的不同要素，不斷經歷分解、表征、模塊化、算法設計、測試調試的過程來分析問題與解決問題，也可以幫助教師在不同環節通過多通道、多表征、多支架策略引導兒童發揮最大潛能，促進兒童計算思維的發展。

（二）無屏幕編程教育對學前兒童創造性思維的提升效果有限

研究表明，無屏幕編程活動顯著提升了學前兒童的創造性思維，對流暢性和精進性維度具有顯著影響，這與前述Murcia等人的研究具有一致性。究其原因可能在于，編程教育主要圍繞一系列的編程任務展開，而這些任務通常沒有固定答案，兒童在完成任務的過程中通過多種解決方式的探索有利于創造性思維的發展[25]。具體到流暢性維度，在編程活動中學前兒童可以設計多種不同的算法控制機器人的行進路線，通過小組合作與交流碰撞產生許多不同的想法。在精進性維度，精進性關注兒童對細節的描述和表現能力，在這方面主要體現在兒童需要一次次規劃路線，需要兒童精準選擇、設計與調試每個指令，直到能夠成功執行，兒童還會在教師引導下逐漸發現“最優路徑”，不斷調試與精進算法設計，這為兒童思維精進性的發展奠定了基礎。

結果顯示，實驗組兒童的創造性思維在獨創性和變通性方面與對照組沒有統計學上的顯著差異。？覶AKIR等人的研究同樣發現，編程教育對學前兒童創造性思維的某些方面（變通性、延續性等）不存在顯著影響[17]。本研究的這一發現可能是由于以下幾方面原因：第一，課程時長的限制。獨創性指向兒童想法的獨特性，在編程活動中體現為設計出與眾不同的路線，變通性指向兒童想法類型的多樣性，體現為兒童路線呈現多種不同的分類，這需要兒童非常熟練地掌握編程經驗，才能靈活變通、玩出花樣，但由于實驗組兒童為初次接觸編程，在6周有限的編程教育時長中，兒童可能尚無法做到想法獨特、靈活變通。第二，無屏幕編程工具的功能制約。為適宜學前兒童的理解與操作，本研究選擇的工具可提供的編程模塊功能簡單、可設計的算法有限、可選擇的解決方案較少，這可能也限制了兒童想法的獨創性和變通性。第三，編程任務的創造性空間限制。研究中的編程任務多是從起點到終點的路徑編程任務，任務的開放性和創造性空間有限，而且研究者發現教師通常會引導兒童選擇“最優路徑”，這導致兒童會更多思考如何通過編程幫助機器人從起點更快到達終點，從而相對弱化了編程設計的獨特性與多樣性，這可能也是導致編程教育對兒童思維的獨創性和變通性發展貢獻不足的原因。

六、建? ?議

基于對研究結果的討論分析，本研究對學前階段的編程教育提出以下建議：

（一）理性看待編程教育對學前兒童發展的價值與限度

研究發現，無屏機器人編程活動對學前兒童計算思維具有顯著促進作用，但對創造性思維的影響存在限度，這意味著應理性看待編程教育對學前兒童發展的價值。一方面，要充分重視編程教育的積極作用，尤其應重視發揮編程教育在培養計算思維方面的獨特優勢，有條件的幼兒園可以配置適宜學前兒童的編程工具，開發適合不同年齡組的編程課程，為兒童提供智能化的學習環境[26]，以此擴展兒童的游戲通道和認知經驗，促進兒童的計算思維發展。另一方面，避免過分夸大編程教育的價值功能，尤其是一些培訓機構通過宣傳制造出編程改變兒童未來的“虛幻圖景”，加劇了家庭的教育焦慮，實際上任何一種教育或工具都有其局限性，編程教育也并非萬能的，編程教育有必要與其他幼兒園教育活動互相補充、有機整合，以促進兒童的全面發展。就創造性思維發展而言，豐富的開放性材料和多樣化的藝術活動（表演、舞蹈、唱歌、繪畫、手工）是兒童創造性思維發展的重要途徑。比如，國外學者借助機器人，圍繞“世界各地的舞蹈”設計編程活動方案，兒童可以自由選擇音樂，創編舞蹈讓機器人跳舞，設計特色服裝裝飾機器人，將編程與藝術整合給予兒童更加充足的創造和表達空間[27]。從這個意義上，進一步研究機器人編程與幼兒園傳統教育教學的融合創新是十分必要的。

（二）優化編程教學設計以更好地促進學前兒童思維發展

教學設計是“運用系統方法，將教學理論與學習理論的原理轉換成對教學目標與教學內容的分析、教學策略與教學媒體的選擇、教學活動的組織以及教學評價等教學環節進行具體計劃的過程”[28]。本研究結果顯示，確保編程教學設計的質量至關重要，其中，選擇適宜的編程工具、確定明確的編程教育目標、設計游戲化的編程內容和任務、基于5E教學法分步實施結構化的編程活動等不同教學設計要素都會影響學前兒童的學習與發展效果。因此，開展學前階段的編程教育應注意加強對教學設計的研究。一方面，應加強對構造主義理論的理解，通過為學前兒童選擇適宜的編程教學工具，給予兒童充足的探究時間和空間，鼓勵兒童通過動手操作和親身體驗，在構造有意義的編程“產品”過程中主動建構知識，促進高階思維發展。另一方面，研究表明，教師的結構化引導對于兒童的編程學習更加有效，脫離教師引導的單純自由探索往往意味著教學方法的“低效或失敗”，兒童在編程中需要教師持續提供支架，教師需要在編程教學活動中隨時關注兒童的思維參與情況，關注兒童在活動中的行為表現與發展數據，分析學前的思維參與和發展水平，繼而采用適宜的支架策略為兒童發展提供針對性支持。因此，幼兒園教師是提高編程教學質量的關鍵，考慮到目前教師的編程教育素養有限，應通過在職培訓和園本教研持續支持教師的專業發展。

盡管本研究通過實證研究探索了編程教育活動對學前兒童計算思維和創造性思維的影響，為學前階段的編程教育提供了研究依據與實踐參考，但這項研究還存在一些局限性：一是由于調研處于疫情時期，導致取樣難度大，僅能在兩個大班開展準實驗研究，未來可以擴大樣本，在不同年齡組之間進行重復實驗，以檢驗年齡因素的影響。二是本研究主要聚焦編程教育對計算思維和創造性思維的影響，未來可進一步研究編程教育與學前兒童的社會情感能力、學習品質等方面的關系，同時也有必要深入研究適宜學前兒童的編程活動設計方式與教學策略。

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