不插电计算机科学活动教学模型构建

宋 璐，成丹丹

（1.黔南民族幼儿师范高等专科学校学前教育系，贵州黔南 551300；2.山东中医药大学健康学院，山东济南 250355）

0 引言

随着人工智能技术的飞速发展与广泛应用，编程教育与计算思维教育等计算机科学活动备受关注，但在实践教学中存在学生对计算机科学活动学习兴趣不高、积极性差的问题。如Rory［1］指出，英国在计算机必修课程改革时遇到很大困难，选修并参加课程考试的学生比例过低；在国内，大学生对计算机通识教育课程兴趣不大，逃课率高［2］。国内外学者尝试借助计算机软硬件，提高课堂效率和学习积极性，相关实验证明有一定效果，但因机器人成本高昂，编程语言学习需较长的学习周期才能见效等原因［3］，许多方案对于普通学校难以承受。

新西兰Canterbury 大学教授Tim Bell 等于1998 年提出不插电活动，相关著作被翻译成12 种语言，在美国、新西兰、日本、韩国已经产生广泛影响。不插电计算机科学活动（Computer Science Unplugged），具有低成本、简易性、非技术性等特点，已被实践证明为一种有效促进计算机科学的教育方式。如Bezerra［4］通过对高中学生的实践研究发现，不插电活动能够提高学习者对计算机科学概念的理解；Nishida 等［5］通过在初中和高中开展不插电活动，证明该活动可以提高学习者学习动机、思考能力和想象力。

不插电活动是信息科学技术训练项目，以有趣、难度不高的活动和游戏为载体，采用开放和自主学习方式把计算思维能力培养融入青少年信息技术课程中，其创新点是不使用计算机可达到学习计算机科学的目的，这也是不插电活动的魅力所在。目前国内外相关研究多从实证主义哲学的角度，探索不插电个案活动课堂效果实效性及适用范围，但鲜有学者从共性视角出发，探究活动教学规律和特质。因此本文聚焦两个核心议题，即不插电活动特质与教师应如何组织、设计不插电活动，采用经典扎根理论方法论，构建不插电活动教学模型，使教师不仅了解教学组织活动形式，也为一线教师和相关研究者开展实践活动提供理论借鉴，为后续深入透析不插电活动的研究提供文献支撑。

1 经典扎根理论研究程序

1967 年，Glaser［6］经典著作《扎根理论的发现》出版，标志着扎根理论形成。扎根理论指从资料中发现理论的方法论。目前，至少存在3 个版本的扎根理论：Glaser 的原始版本，即经典扎根理论；科宾等［7］的程序化版本；Charmaz［8］的建构型扎根理论。本研究采用Glaser 经典扎根理论，因为Eaves［9］认为现有众多关于扎根理论研究方法论的文献中，绝大部分被认为违背和脱离了原始版本。

经典扎根理论研究方法论基本要素包括：①文献回顾延迟性，延迟性是扎根理论研究方法论的1 个显著特征；②不断比较，不断比较贯穿于经典扎根理论研究的全程；③一切皆为数据，经典扎根理论研究方法论认为一切皆为数据，这个要素极为重要，数据包含一切，可以是现有文献、研究者本身及其研究对象的观点、历史信息或个人经历［9］，或者是一手的访谈资料，也可以是二手相关文献；④自然涌现，扎根理论研究者应该在展开研究时从1 个包含生命周期兴趣的研究领域出发，而不是1 个事先设想的问题。其研究程序一般包括：产生研究问题、数据收集、数据处理—实质性编码、理论构建—理论性编码［10］。以研究程序为基本框架，以基本要素为指导，从而确定本研究基本框架，如图1 所示。

Fig.1 Basic research framework图1 研究基本框架

1.1 研究问题

本文依据文献回顾延迟性和自然涌现两要素，研究教师应如何组织、设计不插电活动以及不插电活动特点。

1.2 数据收集

我国不插电活动还未引起学术界广泛注意，相关实践活动与研究较为鲜见，一手访谈数据较难获得，因此本文以不插电活动案例为数据。为保证数据权威性和多样性，笔者以不插电活动创始人Bell 等［11］1998 年出版的《Com⁃puter Science Unplugged：Off-line activities and games for all ages》中的活动案例及从相关网站［12］中获取的活动案例为数据来源，通过实质性编码阶段和理论性编码阶段，共编码分析42 个活动案例。

1.3 实质性编码阶段

该阶段包括开放性编码和选择性编码两步骤，这是构建理论的关键和基础环节。在开放性编码阶段，对每个活动案例进行逐行编码，将其逐层概念化和抽象化，每重新分析1 个活动案例，都将产生的新概念和范畴与已经形成的概念、范畴或关系进行比对，通过不断的比对将概念、范畴或关系打破、揉碎并重新综合，在对31 个活动案例编码分析后，核心范畴涌现，进入选择性编码阶段。在选择性编码阶段，对那些可以和核心范畴产生足够重要关联的数据进行编码，在理论性抽样的指导下，搜集、编码分析11个活动案例后，不再涌现新的概念和范畴，达到理论饱和的状态，进入理论性编码阶段。

1.4 理论性编码阶段

本阶段包括理论初构、文献回顾比较、理论形成3 部分。在理论初构环节，藉由Corbin［13］提出的“条件—行动—结果”的范式模型将主范畴与副范畴连接在一起，形成故事线。在文献回顾比较环节，检索国内外权威数据库，包括CNKI 中国知网、Web of Science 数据库，通过回顾比较，既与原有研究相互印证，又超越原有研究深度和范畴。在理论形成环节，基于理论初构的范式模型，以已有研究不足为引，构建不插电计算机科学活动教学模型。

2 范畴提炼与模型构建

2.1 实质性编码

2.1.1 开放性编码

表1 为开放性编码得到的初始概念和范畴，为了节省篇幅仅列举部分编码，由于初始概念抽象程度较低、数量庞大，且存在一定的交叉，本文对初始概念进行范畴化，并剔除出现频次较少的初始概念（频次低于两次），保留3 次以上的概念，最终核心范畴涌现，如表2 所示。

Table 1 Categorized open coding表1 范畴化开放性编码

Table 2 Core categories表2 核心范畴

2.1.2 选择性编码

在选择性编码阶段“核心范畴变成进一步数据收集和理论性抽样的指导”［10］，以7 个主范畴为指导进一步收集数据，在抽取到第11 个活动案例时，核心范畴达到饱和，即不再出现新概念范畴。实质性编码阶段到此结束，进入理论性编码。

2.2 理论性编码

2.2.1 理论初构

在理论初构阶段，藉由Corbin［13］提出的“条件—行动—结果”的范式，将7 个核心范畴进行联结构建“故事线”，如表3 所示。在该模式中，条件指“故事”发生的环境或情境，行动是指该情境中“故事”主要采取和执行的策略，结果指行动产生的结果。

Table 3 Initial construction of the theory表3 理论初构

2.2.2 文献回顾比较

当概念化数据分析完成后，理论达到饱和状态时，将初步构建的理论与已有文献进行不断比较，以发现和补充已有概念、范畴及理论的不足［13］。据此对国内外相关文献进行整理分析，在国内通过CNKI 中国知网进行文献检索，选择高级检索，检索式为主题检索，检索关键词为“不插电”并含“计算机科学”，检索时间为2020 年2 月2 日，检索到相关文献5 篇；在国外通过对Web of Science 核心合集数据库进行文献检索，时间跨度为所有年份，检索式为TS=（（“computer science”or cs）and（unplugged or“un⁃plugged activity”）），检索时间为2020 年2 月2 日，Web of Science 检索到55 篇。将搜集到的国内外文献与本文初步构建的理论进行比较，既相互印证又超出原有文献深度和范畴。一方面，相互印证。如Nishida［14］、Bell 等［11］学者指出不插电活动除了培养学习者对计算机科学的认知外，还可锻炼学习者合作能力、解决问题的能力、创新能力和想象能力，这与本文得出的一主多元的培养目标一致；另一方面，超出原有文献深度和范畴。虽有研究者指出不插电活动具备动觉、学生直接参与、故事性情境等特征，这与本文得出的故事性情境、具身性范畴是一致的，但并未意识到故事性情境与具身性活动方式之间内在关联，未对两者关系进行深入剖析、提炼、升华。身体与情境之间的交互是学习者生成计算机科学认知的重要路径，体现第二代认知科学——具身认知的重要思想；除此之外，通过扎根理论得出抽象概念具象化、非技术性、物简意深的活动材料等新范畴。

2.2.3 理论形成

通过文献回顾比较可知，目前国内外学界对不插电活动的实证研究为多，理论剖析为少；个案研究为多，共性研究为少；尤其是部分学者在开展个案实践中，仅仅抱着“试一试的新鲜感”照搬已有不插电活动案例，疏漏了不插电活动精髓，如Ding［15］在设计实验研究的过程中，笼统地将不插电活动等同于游戏法。鉴于此，结合研究之初的两个核心议题和理论初构的范式模型，构建不插电计算机科学活动教学模型，如图2 所示。

Fig.2 Teaching model of unplugged computer science activites图2 不插电计算机科学活动教学模型

3 模型阐释

根据图2 可以发现模型囊括两个部分：不插电活动教学设计和不插电活动特质。在教学设计部分主要阐释教师如何组织不插电活动，在特质部分主要包括不插电活动具象化属性、非技术性和全民性的特点。

3.1 活动特质

（1）具象化属性。抽象概念具象化指将计算机科学概念具体化、直观化、形象化，通过可触摸、可感知、可识别的载体和形式，将其清晰勾勒出来，如编码G16、J10、I07 等。不插电活动首先将计算机科学概念中的关键要素剥离，例如数据存储—比特、有限状态自动机—状态和转换、搜索算法和排序算法—比较、图像—像素，随后考虑哪些游戏、玩具或者事物具备这些关键要素特征。

（2）非技术性、全民性特点。非技术性这一特点拓宽了不插电活动受众群体，使计算机科学不再囿于少部分计算机专业人员，同时也体现了全民性特点，这些特点有助于改善计算机焦虑者、计算机基础薄弱的学习者、贫困地区学生的劣势地位，使计算思维成为一种普适性能力。

3.2 教学设计关键要素

（1）一主多元的培养目标指以培养计算思维为主，兼具培养团队协作能力、问题解决能力和创造性思维等多元能力。如橘子游戏既能使学习者理解路由和死锁的概念，又可以锻炼团队协作能力。一主多元的培养目标一方面是不插电活动价值性体现，另一方面也对活动有着定向、调控和评价的功能。

（2）物简意深的活动材料。不插电活动材料看似简单，但却意蕴深刻，包含两方面特性：一方面具有简易性，贴近生活，容易获取，如橘子、天平、纸牌等；另一方面具有双重属性，具备游戏功能和学习功能，如冒泡排序算法中的砝码不仅是游戏活动中的道具，也代表计算机数据。

（3）团队协作的组织形式。团队协作体现在两个方面：一方面，以小组的形式开展活动，组内成员之间地位平等，各有分工，相互协作完成活动任务；另一方面，在完成活动任务后，组织学生进行成果展示和讨论交流，在此过程中，学习者彼此交流经验和心得，思想相互碰撞、相互交融，共同发展。在没有电子设备的教学环境中，学习者从电子设备的桎梏中解放出来，全身心投入到人与人、人与环境的交互中，合作能力、协作能力不仅能得到提升，还能够增进学习者之间的感情。

（4）具身认知活动策略。具身认知是第二代认知科学的核心内容和基础，具身认知强调身体在认知的实现中发挥关键作用，认知、身体和环境是一个动态统一体［19］，具身认知是不插电活动中学习者完成认知构建的理论指导，引领着活动情境创设、活动开展的形式和学生认知的生成，如编码I07、编码K11、编码J09。

4 结语

由于现有研究大都仅呈现不插电活动教学案例，并未阐明不插电活动特征、属性以及学习行为发生的机制，这也导致了许多误读与曲解。因此，一线教师在开展不插电活动之前，首先需厘清活动内涵，使教学有所依据，这也是本文理论价值所在。

在我国开展不插电活动实践时需注意两个问题：①不插电活动本土化问题。在日本、韩国、新西兰、美国等国家，通过实证研究证明不插电活动能够提高学习者积极性和学习兴趣，是一种有效的教育方式。由于不插电活动材料取自国外文化和日常生活，如何基于我国国情与教学现状，挖掘不插电活动新素材，设计新玩法，实现不插电活动的本土化，这些都是不插电活动引入我国后亟须解决的问题；②不插电活动是培养学生信息技术学科核心素养的有效途径，其设计初衷是作为计算机课程的延伸活动，帮助没有计算机科学背景的学习者更容易入门，作为插电活动的“衍生品”，在一定程度上可以解释计算机科学相关概念，但并不能使学习者理解计算机科学核心原理，也不具备“本体”关键属性，如技术属性等。

综上所述，不插电活动为我国K12 阶段信息技术教育提供了新方法、新视角，使信息技术学习不再枯燥、乏味，能够以贴近生活的方式展现计算机科学，对提高学习者知识迁移能力、运用计算思维解决实际问题大有裨益。