无屏幕编程教育活动对学前儿童计算思维和创造性思维的影响研究

高宏钰 于开莲 蒋云宵 杨雨欣

[摘   要] 近年来编程教育逐渐延伸至学前阶段，呈现低龄化趋势，但编程教育对学前儿童发展的影响缺乏充分的实证研究。研究以计算思维和创造性思维两项高阶思维为视角，依托无屏幕编程机器人工具，基于5E教学法设计实施系列编程教育活动，采用准实验法考察编程教育对学前儿童发展的影响。研究发现，无屏幕编程教育活动对学前儿童计算思维发展具有显著促进作用，对学前儿童的创造性思维具有部分促进作用，创造性思维的独创性和变通性维度并未得到显著提升。由此建议：理性看待编程教育对学前儿童发展的价值与限度，加强编程教育与幼儿园教育活动的融合创新，优化编程教学设计以更好地促进学前儿童思维发展。

[关键词] 无屏幕编程活动； 编程教育； 学前儿童； 计算思维； 创造性思维

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 高宏钰（1987—），女，山东滨州人。副教授，博士，主要从事学前教育信息化研究。E-mail：gaohongyu@cnu.edu.cn。于开莲为通讯作者，E-mail：yklian79@126.com。

一、 引   言

近年来，编程教育对科技创新人才培养的重要意义得到凸显，已纳入多个国家的战略规划之中。在政策推动下，编程教育不仅成为中小学教育创新的重要组成部分，而且逐渐影响到学前教育阶段，呈现低龄化趋势。例如，美国和英国提出儿童从5岁开始就可以学习编程，新加坡启动了面向学前儿童的编程教育项目[1]。在我国，少儿编程培训蓬勃发展，编程教育已经成为学前儿童家庭教育投入的重要组成部分。尽管“少儿编程热”引发了社会的广泛关注，但编程教育在学前阶段的推广却存在一个值得认真思考的问题，即编程教育对学前儿童的发展究竟有何影响，尤其是在促进儿童高阶思维发展方面是否具有积极价值，因此，需要更加充分的实证研究以切实回答这一问题。已有研究指出，编程教育有利于突破囿于知识理解层面的传统教育模式，帮助儿童从低阶思维向高阶思维发展，多项研究证明编程教育和计算思维之间关系密切[2]；亦有学者认为，创新思维养成是编程教育的终极目标，编程教育是发展学生创造性思维的有效途径[3]。但这些研究多聚焦中小学生，较少关注学前儿童，本研究从计算思维和创造性思维的视角，结合学前儿童的年龄特点设计编程教育活动，通过准实验研究考察编程教育对学前儿童发展的影响，以期为学前阶段的编程教育提供实证证据与实践依据。

二、 文献综述

（一）编程教育与计算思维

学界对儿童计算思维的内涵认识可分为三种不同倾向：一种倾向认为，计算思维是一种问题解决导向的思维能力，即“计算机化地解决问题”的思维能力。计算思维的最终目的是“问题解决”“确保解决方案被信息处理代理有效执行”[4]，计算思维的基本过程是将发现问题、设计解决方案和解决问题的环节“计算机化”，即转变为对问题的抽象表征、设计程序、测试调试等环节。第二种倾向认为，计算思维是一种学习方式。Papert提出了构造主义学习理论，认为儿童通过构造实体物品来积极参与知识建构时，学习是最有效的，他将计算机视作儿童学习的外部工具，儿童与计算机的关系是“儿童作用于计算机”[5]，儿童通过计算机建构自己的知识体系，通过计算机不断修复错误、改进完善作品的过程实现有意义的学习。第三种观点认为，计算思维不仅是问题解决能力，而且是依托于计算机的基础概念进行交流与表达想法的方式。Bers进一步将计算思维概括为“七个强大的想法”，即算法、模块化、控制结构、表征、硬件/软件、设计过程和调试[6]。尽管目前对计算思维的定义并不统一，但普遍共识在于计算思维是21世纪核心素养之一，是个体适应未来社会以及国家取得核心竞争力的重要基础，培养儿童的计算思维至关重要。

研究表明，编程教育是培养儿童计算思维的重要途径，编程教育支持学习者通过编程进行学习，从中领悟编程的核心思想，最后能用计算机的思维方式解决问题。Lye和Koh通过分析27篇实证研究发现，编程教育有利于发展学生的计算思维[7]。Zhan以及李倩等人均发现，通过不插电编程引导兒童分解和解决问题，能够促进小学生的计算思维发展[8-9]。多召军等人基于图形化编程工具设计实施系列“结构化的编程学习活动”，促进了小学生计算思维水平显著提升，且分解思维、抽象思维、程序化思维与迭代思维等计算思维要素同步发展[10]。傅骞等人同样基于图形化工具的编程教学促进了初中生的计算思维发展[11]。可见，编程教育对中小学生计算思维的促进作用得到较多证实，但国内学者较少对学前儿童计算思维的影响进行研究。

（二）编程教育与创造性思维

研究指出，创造性思维是创造力的核心[12]。创造性思维是一种可以产生新颖、独特、有社会意义或个人价值的产品的智力品质[13]；也有学者认为，创造性思维是思维活动的高级过程，是在已有经验的基础上，通过多角度思维创造出新颖独特、有社会价值的产品的一种思维过程[14]。Torrance指出，创造性思维包括四个要素：流畅性，是指个体对某个特定主题产生大量想法和思路的能力，强调“数量多”；变通性，即对某个主题产生多种类型想法的能力，强调“种类多”；独创性，即对某个主题能思考出不明显的、不寻常的，甚至是偶尔被驳斥的观点的能力，强调“独一无二”；精进性，即能够对现有的主题进行细致的描述以扩大现有想法的能力，强调“细节描述”[15]。

有研究探讨了编程教育对儿童创造性的影响，例如：Murcia等人研究发现，学前儿童使用BeeBot和BeeBot iPad进行编程活动能够在较大程度上提升创造性[16]；？覶AKIR 等人的研究也发现，机器人编程教育对学前儿童的创造性思维的某些要素具有积极影响[17]。可以看出编程教育对学前儿童的创造性发展具有一定潜力，但相关研究并不充分。

（三）适合学前儿童的无屏幕编程教育

考虑学前儿童具体形象、直觉行动的思维特点，在编程工具的选择上，学前阶段使用最为广泛的是无屏幕编程工具，如KIBO、Beebot、Sphero、ALERT、Bluebot、Matatalab等。无屏幕编程是在不使用屏幕的情况下，通过操作现实世界中的物理模块或者采用模块拼接的方式来构建和表达计算机程序指令的运行过程，具有零屏幕时间避免视力损害、真实的物理操作、简化的编程语言、较强的现实互动性和游戏性等特点，更加适合低龄儿童操作使用[18]。Sapounidis等人研究发现，低龄儿童使用无屏幕编程工具能够更快地完成程序设计，且表现出更强的探索欲望[19]。无屏幕编程工具便于教师创设游戏化任务情境，使儿童获得更好的学习体验，发展其抽象、分析与创造能力[20]。

综上所述，无屏幕编程教育是适宜学前儿童编程学习的主要方式，本研究将设计实施系列无屏幕编程教育活动，以探究其对学前儿童计算思维和创造性思维的影响。

三、 研究设计

（一） 研究方法

采用教育准实验法，在北京市F幼儿园随机选择两个大班作为实验班和对照班，实验班共有儿童35名，其中男童18名，女童17名，对照班共有儿童31名，其中男童14名，女童17名，平均年龄为5.6岁，调查得知这些儿童整体缺乏编程经验。实验班由教师实施6周的无屏幕编程教学活动，每周2次活动，共12次，对照班由教师实施常规的教育活动，其他教育活动保持一致。实验前后，研究者对实验班和对照班儿童的计算思维和创造性思维分别进行前测和后测。由于疫情封控、儿童生病等原因，一些儿童未能参加测试或完整参加教学活动，这些数据被舍弃，最终实验班保留32名儿童数据，其中男童17名，女童15名，对照班共保留28名儿童数据，其中男童12名，女童16名。

（二） 活动设计

无屏幕编程活动的设计包括活动目标、内容与组织实施方式的设计。在活动目标上，研究围绕计算思维和创造性思维的要素，结合无屏幕编程机器人可以实现的功能，确定学前儿童在编程活动中可观测的行为表现，由此确定具体的活动目标（见表1）。

从活动内容上，结合生动有趣的游戏地图（如摘果子、找糖果）帮助学前儿童由易到难掌握基本技能，然后循序渐进掌握较为复杂的编程技能，最终需要他们创造性地完成小组项目。活动1是认识无屏编程机器人基本动作编程块的功能和操作（前进、后退、左转、右转）；活动2～5是在游戏地图上使用基本编程块完成路线编程任务。活动6～7由儿童探索机器人的绘画功能，完成给“小猫画胡子”“画正方形”任务；活动8～9由儿童使用参数和循环功能，完成带有路障的复杂任务；活动10～11由儿童探索音乐功能，并分组自由编制乐曲和创造性艺术装饰机器人；活动12由儿童发挥创意设计游戏地图（如敲地鼠）并开展游戏活动。

从组织实施上，依据5E教学法进行适当调整，5E教学法由美国生物学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）提出，包括引入（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、精致（Elaborate）和评价（Evaluate）五个环节[21]。在引入环节，教师为儿童介绍活动背景及编程任务，调动儿童积极参与；在探究环节，儿童按照教师发布的任务，运用设计路线和验证路线完成特定任务；在解释环节，儿童分享路线设计的方法和遇到的困难，教师给予反馈与指导；在精致环节，儿童基于教师的反馈规划新的编程路线；在评价环节，教师组织儿童进行自评、互评，总结活动经验。如图1所示。

（三）前后测工具

1. TechCheck

TechCheck是由Relkin等人专门为幼儿园到二年级（5～9岁）儿童设计的计算思维测试工具，包含了计算思维的六个要素，即算法、模块化、控制结构、表征、硬件/软件和调试[22]，测试包括2个练习题，15个正式题，练习题不计分，正式题正确得1分，错误不得分，满分15分，分数越高代表儿童的计算思维越高。测试方式是研究者為儿童阅读题目，让儿童从每个题目中选择正确的选项。该工具可以在15分钟内或者更短的时间里进行评估。TechCheck的开发者对测试工具进行了严格的内部一致性信度检验，Cronbach's alpha值为0.68，说明信度可以接受；同时进行了表面效度检验，评估者对每个问题最相关的计算思维领域达成共识，平均一致性为81%。Relkin应用TechCheck测试了768名儿童，并基于经典测量理论与项目反应理论检验其信度、难度和区分度，证明TechCheck具有较好的测量学属性。测试示例见表2。

2. 托兰斯创造性思维测试

采用托兰斯（E.P.Torrance）的图形创造思考测验工具（Torrance Tests of Creative Thinking，TTCT）A版测查学前儿童的创造性思维。测试包括三个活动：建构图画、完成图画、平行线条。每个活动会涉及创造性思维四个维度的不同方面，每个活动有对应的评分记录表，每名儿童使用一张记录表。研究者严格按照工具手册要求进行测试，收集儿童作品后，根据评分标准进行打分。独创性和变通性根据儿童所绘内容与指导手册规定范围的匹配度打分，最高5分。流畅性根据儿童完成绘画的数量打分，完成越多，分数越高。精进性根据儿童完成绘画的细节打分，细节越多，分数越高。采用评分者信度和内容信度测试工具的信度水平。评分者信度由三名研究者同时对20%的作品打分，研究发现，肯德尔和谐系数达到0.971，渐进显著性达到0.03，评分者信度较高，同质性信度检验表明创造性四个维度的Cronbach's alpha系数均在0.9-1.0之间，表明信度理想。

四、研究结果

本研究采用SPSS26.0分析前后测数据变化的显著性水平，以判断编程教育活动对学前儿童计算思维和创造性思维的影响。

（一）无屏幕编程活动对儿童计算思维的影响

1. 横向对比分析学前儿童计算思维前测和后测差异

本研究样本量属于独立小样本，需采用Shapiro-Wilk Test进行正态检验，结果表明，实验前实验班和对照班儿童计算思维各维度得分及总分正态性检验显著性水平均大于0.05，数据服从正态分布；使用独立样本t检验分析实验班和对照班儿童计算思维前测的差异，结果显示，实验班和对照班儿童计算思维各维度得分及总分前测不存在差异，这说明两个班计算思维水平基本一致，可视为同质组。后测结果显示，实验班儿童在算法、模块化、控制结构、表征、硬软件以及调试各维度显著高于对照班儿童（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），计算思维总分显著高于对照班儿童（t=5.68，p<0.001）。

2. 纵向对比分析学前儿童计算思维前后测差异

使用配对样本t检验分析学前儿童计算思维前后测差异，结果显示，实验班儿童后测计算思维各维度得分及总分显著高于前测得分，说明实验班儿童的计算思维得到显著提升。对照班儿童计算思维总分与各维度前后测得分不存在显著差异。具体结果见表3。

（二）无屏幕编程活动对学前儿童创造性思维的影响

1. 横向对比分析学前儿童创造性思维前测和后测差异

采用 Shapiro-Wilk Test进行正态检验，表明实验班和对照班儿童创造性思维各维度得分及总分正态性检验显著性水平均大于0.05，数据服从正态分布；使用独立样本t检验分析，结果显示，实验班和对照班儿童创造性思维前测和后测得分均不存在显著差异。

2. 纵向对比分析学前儿童创造性思维前后测差异

使用配对样本t检验分析实验班和对照班儿童实验前后创造性思维的差异，结果显示，实验班儿童的流畅性、精进性和创造性思维总分在实验前后存在显著差异，后测得分显著高于前测得分；实验班儿童变通性和独创性得分在实验前后存在不显著差异。对照班儿童创造性思维各维度得分和总分在实验前后均不存在显著差异。具体结果见表4。

五、讨   论

研究表明，无屏幕编程教育活动对学前的计算思维和创造性思维总体上具有积极影响，但影响程度有所差异，具体来说：

（一）无屏幕编程教育对学前儿童计算思维的提升作用显著

结果显示，实验班学前儿童的计算思维得到显著提升，说明编程教育活动能够有效促进学前儿童计算思维发展，这与已有的研究结果具有一致性。原因可能在于，编程和计算思维本质上存在紧密关系，学前儿童通过编程工具创建程序的过程，亦是儿童不断运用和发展计算思维的过程[23]。在本研究中，首先研究者选择无屏编程机器人作为编程工具，这类机器人适宜于儿童直接感知、动手操作的学习方式，能更好地调动儿童参与编程的积极性，激发儿童的探究热情，使得儿童主动建构学习的理想得以实现，同时编程机器人支持儿童将抽象的计算思维通过操作得以具体化应用，实现了“学习过程的两种建构”[24]。即将外化的机器人编程操作与内化的计算思维建构有机结合，使儿童的思維过程变得可视化，对儿童的思维过程给予及时反馈，促使儿童持续运用与发展计算思维各项能力。

其次，本研究从分析学前儿童计算思维内涵出发，明确学前儿童计算思维外显行为，再到设计具体活动目标，这种精细化的目标建构路径，为教师针对性地设计与指导编程活动提供方向指引，因此，在活动设计中，教师会允许儿童进行自主探索、敢于“试错”。此外，与多召军等学者的研究结果一致，本研究采用5E教学法设计了系列“结构化的编程活动”，可以保障儿童在引入、探究、解释、精致、评价等不同环节运用计算思维的不同要素，不断经历分解、表征、模块化、算法设计、测试调试的过程来分析问题与解决问题，也可以帮助教师在不同环节通过多通道、多表征、多支架策略引导儿童发挥最大潜能，促进儿童计算思维的发展。

（二）无屏幕编程教育对学前儿童创造性思维的提升效果有限

研究表明，无屏幕编程活动显著提升了学前儿童的创造性思维，对流畅性和精进性维度具有显著影响，这与前述Murcia等人的研究具有一致性。究其原因可能在于，编程教育主要围绕一系列的编程任务展开，而这些任务通常没有固定答案，儿童在完成任务的过程中通过多种解决方式的探索有利于创造性思维的发展[25]。具体到流畅性维度，在编程活动中学前儿童可以设计多种不同的算法控制机器人的行进路线，通过小组合作与交流碰撞产生许多不同的想法。在精进性维度，精进性关注儿童对细节的描述和表现能力，在这方面主要体现在儿童需要一次次规划路线，需要儿童精准选择、设计与调试每个指令，直到能够成功执行，儿童还会在教师引导下逐渐发现“最优路径”，不断调试与精进算法设计，这为儿童思维精进性的发展奠定了基础。

结果显示，实验组儿童的创造性思维在独创性和变通性方面与对照组没有统计学上的显著差异。？覶AKIR等人的研究同样发现，编程教育对学前儿童创造性思维的某些方面（变通性、延续性等）不存在显著影响[17]。本研究的这一发现可能是由于以下几方面原因：第一，课程时长的限制。独创性指向儿童想法的独特性，在编程活动中体现为设计出与众不同的路线，变通性指向儿童想法类型的多样性，体现为儿童路线呈现多种不同的分类，这需要儿童非常熟练地掌握编程经验，才能灵活变通、玩出花样，但由于实验组儿童为初次接触编程，在6周有限的编程教育时长中，儿童可能尚无法做到想法独特、灵活变通。第二，无屏幕编程工具的功能制约。为适宜学前儿童的理解与操作，本研究选择的工具可提供的编程模块功能简单、可设计的算法有限、可选择的解决方案较少，这可能也限制了儿童想法的独创性和变通性。第三，编程任务的创造性空间限制。研究中的编程任务多是从起点到终点的路径编程任务，任务的开放性和创造性空间有限，而且研究者发现教师通常会引导儿童选择“最优路径”，这导致儿童会更多思考如何通过编程帮助机器人从起点更快到达终点，从而相对弱化了编程设计的独特性与多样性，这可能也是导致编程教育对儿童思维的独创性和变通性发展贡献不足的原因。

六、建   议

基于对研究结果的讨论分析，本研究对学前阶段的编程教育提出以下建议：

（一）理性看待编程教育对学前儿童发展的价值与限度

研究发现，无屏机器人编程活动对学前儿童计算思维具有显著促进作用，但对创造性思维的影响存在限度，这意味着应理性看待编程教育对学前儿童发展的价值。一方面，要充分重视编程教育的积极作用，尤其应重视发挥编程教育在培养计算思维方面的独特优势，有条件的幼儿园可以配置适宜学前儿童的编程工具，开发适合不同年龄组的编程课程，为儿童提供智能化的学习环境[26]，以此扩展儿童的游戏通道和认知经验，促进儿童的计算思维发展。另一方面，避免过分夸大编程教育的价值功能，尤其是一些培训机构通过宣传制造出编程改变儿童未来的“虚幻图景”，加剧了家庭的教育焦虑，实际上任何一种教育或工具都有其局限性，编程教育也并非万能的，编程教育有必要与其他幼儿园教育活动互相补充、有机整合，以促进儿童的全面发展。就创造性思维发展而言，丰富的开放性材料和多样化的艺术活动（表演、舞蹈、唱歌、绘画、手工）是儿童创造性思维发展的重要途径。比如，国外学者借助机器人，围绕“世界各地的舞蹈”设计编程活动方案，儿童可以自由选择音乐，创编舞蹈让机器人跳舞，设计特色服装装饰机器人，将编程与艺术整合给予儿童更加充足的创造和表达空间[27]。从这个意义上，进一步研究机器人编程与幼儿园传统教育教学的融合创新是十分必要的。

（二）优化编程教学设计以更好地促进学前儿童思维发展

教学设计是“运用系统方法，将教学理论与学习理论的原理转换成对教学目标与教学内容的分析、教学策略与教学媒体的选择、教学活动的组织以及教学评价等教学环节进行具体计划的过程”[28]。本研究结果显示，确保编程教学设计的质量至关重要，其中，选择适宜的编程工具、确定明确的编程教育目标、设计游戏化的编程内容和任务、基于5E教学法分步实施结构化的编程活动等不同教学设计要素都会影响学前儿童的学习与发展效果。因此，开展学前阶段的编程教育应注意加强对教学设计的研究。一方面，应加强对构造主义理论的理解，通过为学前儿童选择适宜的编程教学工具，给予儿童充足的探究时间和空间，鼓励儿童通过动手操作和亲身体验，在构造有意义的编程“产品”过程中主动建构知识，促进高阶思维发展。另一方面，研究表明，教师的结构化引导对于儿童的编程学习更加有效，脱离教师引导的单纯自由探索往往意味着教学方法的“低效或失败”，儿童在编程中需要教师持续提供支架，教师需要在编程教学活动中随时关注儿童的思维参与情况，关注儿童在活动中的行为表现与发展数据，分析学前的思维参与和发展水平，继而采用适宜的支架策略为儿童发展提供针对性支持。因此，幼儿园教师是提高编程教学质量的关键，考虑到目前教师的编程教育素养有限，应通过在职培训和园本教研持续支持教师的专业发展。

尽管本研究通过实证研究探索了编程教育活动对学前儿童计算思维和创造性思维的影响，为学前阶段的编程教育提供了研究依据与实践参考，但这项研究还存在一些局限性：一是由于调研处于疫情时期，导致取样难度大，仅能在两个大班开展准实验研究，未来可以扩大样本，在不同年龄组之间进行重复实验，以检验年龄因素的影响。二是本研究主要聚焦編程教育对计算思维和创造性思维的影响，未来可进一步研究编程教育与学前儿童的社会情感能力、学习品质等方面的关系，同时也有必要深入研究适宜学前儿童的编程活动设计方式与教学策略。

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