摘　要：编程教育作为儿童计算思维培养的重要手段受到广泛关注，采用系统综述法，以计算思维三维框架为参照，对2013—2023年国内外40项实证案例进行分析，探究当前编程教育侧重培养儿童计算思维的哪些方面、采用哪些编程工具、教学方法、评价方法等，从现状中找到不足，以明确未来儿童编程教育的发展方向。结果表明，现有儿童编程教育对计算思维的内容培养不够全面;对编程工具使用效果关注较多，缺少对工具适宜性的研究;教学方法强调技术支持，缺少对师生互动的关注;评价方法种类繁多，但评价内容不完整，方法有待优化。建议未来的研究要进一步深化对计算思维内容框架的系统认知，选择符合儿童认知规律的编程工具，探索激发儿童学习动力的教学方法，构建基于理论框架的评价体系。

　　关键词：编程教育；计算思维；儿童；图形化编程；系统综述

　　中图分类号：G434

　　文献标志码：A

　　文章编号：1673-8454(2024)10-0109-10

　　作者简介：陆霞，徐州幼儿师范高等专科学校人工智能学院副教授(江苏徐州221004)，中国矿业大学公共管理学院博士研究生(江苏徐州221116);董永权，江苏师范大学智慧教育学院教授，博士(江苏徐州221116)

　　基金项目：2022年江苏省高校哲学社会科学研究项目“面向计算思维培养的K12阶段少儿编程教育实践研究”(编号：2022SJYB1268);2021年徐州幼儿师范高等专科学校教育科学“十四五”规划课题重点项目“基于计算思维的少儿编程教育实践研究”(编号：2021JK1450102)


　　一、引言

　　计算思维作为智能时代的产物，越来越受到教育领域的关注。有学者将表述及求解问题过程中涉及的思维活动定义为计算思维，其核心是问题解决;[1]有学者认为计算思维是具有“计算”特质的思维过程，将其分解为抽象、算法、分解、评估和概括五个要素;[2]有学者提出计算思维是有计算特质的一系列思维活动，其本质是抽象、自动化和关联世界。[3]尽管计算思维在定义上尚未达成一致意见，但已有研究大多认同其本质是以计算、抽象、自动化为重要特征的问题表述和求解的思维过程。近年来，各国对计算思维的培养重心逐渐从高等教育阶段转移到K-12教育阶段。[4]

　　在诸多提升儿童计算思维的方法中，编程教育以其特有的潜能受到广泛关注。新加坡、芬兰、日本等国推出多项措施将编程教育融入学科教学，我国将计算思维列为核心素养之一并纳入正规教育体系。[5]儿童编程工具纷纷涌现：塔夫茨大学设计的KIBO套件、麻省理工学院设计的Scratch图形化编程工具，[6]以及华中科技大学开发的Aieggy编程机器人等，均在实践中取得良好效果。多种方法被用于编程教学：营造游戏化学习环境激发学习兴趣;[7][8]采用任务驱动的方式明确学习步骤;[9]通过基于设计的学习提高学习主动性。[10]在计算思维评价方面，既出现了CTt(ComputationalThinkingtest)试题、CTS(ComputationalThinkingScales)量表等量化评价方法，也有基于访谈、观察的质性评价。[11]

　　综上所述，编程教育作为儿童计算思维培养的重要手段受到越来越多的关注。国内外相关实践研究受研究工具、研究对象等因素影响，形成的研究结论不尽相同。基于此，本研究梳理国内外有关编程教育对儿童计算思维影响的实证研究，对研究过程及结果进行整理分析，重点探讨以下问题：当前编程教育侧重培养儿童计算思维的哪些方面?采用哪些编程工具、教学方法和评价方法?已有实践为儿童编程教育开展提供了怎样的启示?

　　二、研究设计

　　系统综述法有明确的研究问题和文献筛选标准，通过对多个独立研究的综合归纳得到趋于一致的结论，并发现以往研究的空白。[12]本研究采用系统综述法，结合研究问题进行文献检索与筛选，对所纳入文献进行编码分析，最终呈现研究结果。

　　本研究外文数据库选择WebofScience、Scopus，检索类型设为“期刊”，中文数据库选择中国知网，检索类型设为“学术期刊”，检索范围设为CSSCI、北大核心。检索时间限定为2013年1月到2023年4月。关键词选择“child*orteenager”“computationalthinking”“program*orcodeorScratchorun-plugged”“计算思维”“编程”“儿童”“中小学”等多种组合，并采用文献回溯法对首轮检索所得的参考文献进行二次检索，合并两轮检索所得数据，共检出文献346篇，去重后余290篇文献。

　　文献筛选标准如下：一是研究主题，使用编程工具培养计算思维。二是研究对象儿童，根据联合国《儿童权利公约》，“儿童”指的是18岁以下的任何人。三是研究类型，采取实验研究或准实验研究。依据上述标准，由两位熟悉该领域的研究者分别对检索文献进行筛选与评估，过程中如果产生分歧，咨询第三位研究者以达成一致意见。最后对所纳入文献进一步核查整理，查漏补缺，共有40篇文献符合要求，具体筛选过程如图1所示。

图1  文献筛选流程

　　对纳入分析的40篇文献进行编码，提取信息包括研究基本情况(年份、国家、学段、学科等)、培养内容、编程工具、教学方法、评价方法等。其中培养内容参考雷斯尼克(Resnick)等提出的计算思维三维框架，分为计算概念、计算实践和计算观念三个维度。[13]一篇文章可能涉及计算思维多个维度，选择不同编程工具和教学方法，采取多种评价方式，编码原则是各指标出现一次即计数一次，因此编码结果会出现一对多的情况。

　　三、研究结果

　　(一)基本情况

　　近十年越来越多的国家将计算思维培养纳入K-12教育体系，研究数量呈显著上升趋势，如图2所示。教学学段覆盖K-12各阶段，其中小学占比最高，如图3所示。课程形式可分为三类：一是专门的编程课，二是作为信息技术课的一部分，三是结合艺术、科学等形成跨学科课程，目前占主导地位的是编程课，如图4所示。

图2  文献发表时间统计

图3  学段分布统计

图4  课程分布统计

　　(二)培养内容

　　本研究借助计算思维三维框架，从计算概念、计算实践和计算观念三个维度对案例进行分析，有利于从整体上把握目前的研究现状及热点，发现儿童编程教育培养的优势和短板。结果显示，针对计算实践的关注度最高，其次是计算观念和计算概念，如图5所示。

图5  计算思维培养内容频次统计

　　计算概念是学生在使用编程工具时需要理解和掌握的一组概念，其中顺序、循环和条件出现频次较高，研究者多从年龄和性别的差异上进行比较。研究表明，简单顺序语句大约3岁即可掌握，长顺序语句要5岁以后才能掌握。相比男孩，女孩在长顺序语句上有更高的兴趣和成就。[14-16]4—5岁儿童掌握条件语句和循环语句速度较慢，6岁以上则有较高的进步水平。[17]针对数据、事件、并行、运算的研究相对较少，小学高年级和低年级对事件的掌握程度没有显著差异，但是数据、并行等概念过于抽象，整体掌握情况不理想。[18]学生编程作品中运算符的使用率很低，这意味着他们不知道如何使用运算符。[19]

　　计算实践聚焦学习方式和问题解决策略，其中测试与调试关注度最高。研究表明，测试与调试训练可以帮助学生发现和修正错误，确保程序正常运行。[20][21]递增和重复、抽象和模块化是计算实践的重要组成部分，研究发现，小学生在不断完善编程作品的过程中体现出尝试和迭代的思想。[22]学生在编程过程中会以特定模式表达并使用抽象、模式化思维，使用问题分解、视觉分解和代码分解来快速有效地更改作品。[23]涉及再利用和再创作的研究不多，但体现出来的重用与混合创作的思想非常重要。[23]通过提问引导学生回忆类似场景代码，探寻将旧代码应用于新场景的方法，大部分学生能够调整和重用以前的代码。[24]

　　计算观念是学生在编程过程中形成的对自己、他人和世界的理解，表达和联系是关注的重点。研究发现，编程学习给予学生更多机会表达自己的观点，合作学习的态度有极大改善。[25][26]创作复杂游戏时，女孩能比男孩更充分地表达故事、想法，创造更复杂的脚本。[27][28]质疑是计算观念的重要组成部分，目前研究虽少但结论是积极的。儿童在游戏制作过程中评估自己的工作并检查错误的次数超过其他任何课程，相比男生，女生在批判性思维方面进步更大。[29]

　　综合来看，现有编程教育对计算思维内容的培养涵盖了概念、实践和观念三个维度，但对部分二级指标的研究还不成熟。未来可以在并行和运算、再利用和再创作、质疑等方面进行更加深入的研究。

　　(三)工具及效果

　　儿童编程工具种类繁多，但研究者在研究设计中很少阐述选择某类工具的理由，这是目前研究的一个缺失环节。对编程工具进行梳理和分类，能够更加清晰地展现儿童的不同认知阶段与编程工具的对应关系。

　　儿童编程工具可分为有形编程、图形化编程和文本编程三大类。有形编程多出现在幼儿园，常用工具包括乐高积木、小型桌面机器人、图片、地图、纸笔等。早期儿童在成人帮助下通过地图和图片序列引导机器人沿着指定路线前进，其逻辑思维能力和协作能力均得到提升，[20]沟通、协作、创造力和领导力也会相应获得发展。[30]

　　图形化编程在小学阶段很受欢迎，常用工具包括ScratchJr、Alice等。图形化编程屏蔽了传统编程的语法规则，对儿童的计算思维培养有显著作用。[31]例如，儿童在利用ScratchJr合作设计数字故事的过程中，能够成功地传达他们自己的观点，[18]协作、沟通、坚持、解决问题、创造力等学习能力有显著提升。[19]

　　文本编程多用于中学阶段，常用工具包括Python、MaLT2等。文本编程语言在语法上更接近自然语言，易于阅读和维护。研究发现，将Python的类、属性、方法等内容，与计算思维的分解、抽象、算法等要素对应起来，对学生计算思维能力的提高有显著作用。[25][26]

　　研究者还尝试将不同类工具组合使用，以达到教学效果的优化。研究证明，使用混合工具的儿童对计算思维实践的掌握程度更高，产生了更复杂的项目，体现出更复杂的计算实践。[32][33]结合儿童认知发展规律选择编程工具，以提高编程教育效果，将是未来研究的关注点。

　　(四)教学方法

　　儿童思维特点与成人有较大区别，梳理常见的儿童编程教学方法，有利于编程教育的深入发展。实践案例中采用的教学方法灵活多样，如图6所示，主要包括游戏化教学、任务驱动教学、项目引导教学、使用隐喻教学等。

图6  教学方法分布统计

　　游戏化教学的沉浸效果已经引起研究者的广泛关注，案例中34%采用了该方法。例如，“小世界”编程游戏有效提高了小学生对条件语句的理解，对他们的算法设计及测试能力提升很有帮助。[34]棋盘游戏引导学生在游戏中设计获胜策略，促进了高阶计算思维的发展。[35]角色扮演游戏，引导儿童逐步将游戏概念转化为抽象的算法规则，并以迭代的方式对其进行改进。[36]

　　任务驱动教学和项目引导教学也是使用较为频繁的方法。将编程课程中的任务与现实生活紧密联系，如解决噪音污染问题和全球变暖问题等，不但能提高学生的计算思维能力，也有助于培养他们的社会责任感。[37]项目引导教学中，将编程与历史、艺术等学科联系在一起，引导学生进行代码开发，有助于实现计算思维跨课程无缝集成。[24]

　　隐喻是将抽象概念转化为简单的想法和图像，帮助学生理解。将程序、存储器和变量比喻为菜谱、食品储藏室和盒子，将输入和输出语句比喻为消化系统的起点和终点，对小学生学习编程有显著效果。[38][39]此外，基于设计的学习等方法也被研究者应用于课堂实践，并取得显著效果。[40]值得注意的是，现有教学方法多强调技术手段，对教学过程中师生角色互动和学习需求的探讨不够充分。如何避免被技术奴役，切实关注儿童思维能力的提升，需要更加深入的研究。

　　(五)评价方法

　　本研究基于计算思维三维框架对各种评价方法进行统计分析，凸显不同评价方法对应的计算思维内容，有利于计算思维评价的优化。在40个实践案例中，49%的案例关注了三维框架的全部三个维度，42%的案例关注了其中两个维度，9%的案例关注了一个维度，反映出大部分研究者能够充分考虑计算思维内涵的复杂性，并对其进行较为全面的评价。案例中的评价方法可分为量化评价和质性评价两大类，每个实践案例中使用的评价方法可能不止一种，统计后如图7所示。

图7  评价方法分布统计

　　量化评价的特点是逻辑性强，标准化和精确化程度较高。基于试题的评价主要测量计算概念和计算实践水平，如张进宝的《国际计算思维挑战赛试题集锦》可以分析计算实践。[41]基于量表的评价是学习者的自我汇报，可用来测量计算思维的三个维度，[42]如科尔克马兹(Korkmaz)的计算思维评价量表，从创造力、算法思维、协作性、批判性思维和问题解决五个维度测量学习者的计算思维水平。[29]基于编程任务的评价通常依据学习者完成任务的情况进行测评，有学者设计的编程任务在方向性、封闭性、开放程度等方面进行了细分，可以测量学习者在不同任务中对计算思维概念和计算实践的掌握程度。[21]基于系统环境的评价依托专门的系统收集学习者产生的数据，可用来测量计算思维的三个维度，如蓝色蚂蚁代码(BAC)[16]。对作品覆盖的指标点进行计数统计和难度区分，作品分析以此来评价学生计算概念和计算实践水平。[25][26]此外，自制评分表、反思报告等也出现在量化评价中。

　　质性评价最突出的特点就是对人的尊重，可以全面反映学生计算思维的发展水平。访谈法中常用的半结构式访谈，让参与者不仅有机会描述他们的项目，而且有机会描述他们的经验，[37]观察法可以观察儿童如何在社交场合参与问题解决过程，搜集一些无法言表的材料。[43]此外，学习记录表、成长文件夹等方法也被少量应用。[44]

　　四、建议

　　(一)深化对计算思维内容框架的系统认知

　　计算思维三维框架目前被学界广为接受，它没有局限于概念、方法层面，还关注到性格品质和价值观的塑造，与我们熟悉的三维教学目标相呼应，即计算概念对应知识与技能目标，计算实践对应过程与方法目标，计算观念对应情感态度与价值观目标。

　　已有儿童编程教育虽然覆盖了计算思维的概念、实践和观念三个维度，但对部分二级指标研究不深入，究其原因主要是研究者缺少对计算思维内容的系统性认识。因此，以三维框架为基础，构建适合儿童的系统化计算思维内容体系是凝聚共识、推进研究发展的必要之举。在计算概念方面，研究者已经发现不同年龄阶段的儿童对顺序、循环等基本概念的掌握程度不同，因此可将这部分指标结合年龄进行细化。在计算实践方面，儿童在调试过程中的问题解决策略、在重复和模块化过程中的学习方法、在再创作过程中的混合创作思想是考察的重点。在计算观念方面，儿童表现出的学习兴趣、自信心、合作精神、批判性思维等非智力因素对学习发展都会产生积极影响，应纳入培养范畴。

　　(二)选择符合儿童认知规律的编程工具

　　根据皮亚杰的认知发展理论，不同年龄阶段的儿童适用的编程工具是不同的。[45]前运算阶段(2—7岁)的儿童已经能够理解和使用符号，热衷于象征性游戏，思维活动具有相对具体性，尚不能进行抽象运算思维，使用各种实物道具有助于发展他们的逻辑思维。有形编程摆脱了计算机编程环境，帮助早期儿童在现实环境中通过“摆弄”材料来理解编程概念，对物理材料的使用使抽象的想法变得具体，是培养计算思维的有效工具。具体运算阶段(7—11岁)的儿童认知有了较大发展，思维出现了可逆性，能解决守恒问题，即认识到物体在外观上发生了变化，但特有的属性不变;能够进行逻辑推理和群集运算，但仍脱离不了具体事物或形象的支持。图形化编程通过对可视化程序块的拖拽，像搭积木一样完成应用程序，大大降低了编程的难度，使用户专注于解决实际问题。形式运算阶段(11—18岁)儿童的思维发展水平已接近成人，能够摆脱具体事物的束缚，进行逻辑思维，解决抽象问题，具备一定的知识迁移能力，批判性思维开始出现。文本编程由命令和函数等代码构成，语法规则更加复杂，对认知水平要求更高，更适合这个阶段的儿童。

　　目前，有形编程、图形化编程和文本编程都有广泛的应用基础，因此根据儿童认知发展规律选择适宜的编程工具就成为促进儿童计算思维发展的关键一环。在衡量儿童编程工具的优劣时，相关学者提出的“低地板”“高天花板”“宽墙壁”原则非常重要。[46]“低地板”是指能够为新手提供简单的开始方式，“高天花板”是指让学习者随着时间的推移能够完成日益复杂的项目，“宽墙壁”则是指能够支持和促进各种不同类型项目的技术，即在“低地板”到“高天花板”的过程中提供多种途径。例如，Scratch编程语言方面，图形化的设计简单易学，经过一段时间的学习后可以完成各种复杂的项目，且项目形式多样，包括游戏、交互故事、仿真模拟等。“低地板”“高天花板”“宽墙壁”原则增加了儿童编程工具的多样性，有利于创造力的培养。

　　(三)探索激发儿童学习动力的教学方法

　　派珀特(Papert)在皮亚杰(Piaget)建构主义学习理论的基础上提出“建造主义”的观点，认为应该通过制造来学习，借助具体的工具进行学习是符合儿童认知发展规律的;强调编程教育的重点不在于儿童使用什么技术和工具，而在于他们运用这些技术和工具做了什么;教师要善于根据学习内容创设出丰富的学习情境，让儿童能够“在建造中学习”。随着学界对计算思维培养研究的不断深入，跨学科课程已经显示出越来越大的优势。将计算思维培养与不同学科融合，解决现实世界的问题，不仅有助于计算思维的迁移，还能帮助学生加深对知识的理解。

　　从学习者角度来看，最好的任务是那些有吸引力的任务，当儿童在从事自己感兴趣的活动时，他们会十分投入。[21]编程工具“低地板”的特点对吸引儿童兴趣是非常成功的，要实现“高天花板”，儿童需要投入更多的时间，付出更多的努力，但大多数儿童仍乐此不疲，派珀特称之为“艰苦的乐趣”。此外，合作学习在编程教育中起到非常重要的作用，和同伴一起学习意味着从独自思考转向共同创造。在Scratch在线社区里，儿童可以招募志同道合的伙伴共同开发项目，新的想法不断涌现，激发了所有参与者的激情。

　　(四)构建基于理论框架的评价体系

　　过往研究多将计算思维评价当成研究设计的一部分，针对评价的专门研究并不多见，尚未形成系统有效的评价体系，问题主要表现在两方面：一是评价内容不全面。由于计算思维内涵复杂且学界尚未达成共识，导致研究者选择的概念不同，进行测评的重点也不同。本研究40个实践案例中，仅有半数左右对计算思维进行了较为全面的评价。二是评价方法混乱。计算思维内涵的复杂性决定了其评价方法的多样性，实践案例中既有自编试题和问卷，也有对经典量表和试题的改编，评价工具的科学性和信效度难以保证。

　　要克服上述问题，可以从以下两方面着手：一是构建理论框架。计算思维三维框架结构清晰，内容覆盖全面，已被广泛应用于国内外计算思维评价研究，并取得了显著效果。基于该三维框架构建相应评价指标，具有较强的准确性和可操作性。二是优化评价方法。根据计算思维三维框架，可将评价归纳为计算概念、计算实践和计算观念三个维度。对计算概念的评价可采用测试题的形式，对环境要求不高且易于操作和迁移，因此使用或改编经典试题是一个不错的选择。对计算实践的评价可采用编程任务和访谈相结合的方法，对学习者的实践表现进行综合评价。对于计算观念的评价可采用量表和访谈结合的形式，量表反映学习者的自我评价，但主观性强，访谈虽然耗时却可以弥补量表的缺陷，二者结合能够全面反映学习者计算观念的发展情况。优化评价方法，提高可操作性，是实现计算思维多元评价的必然选择。

　　五、结语

　　编程是培养儿童计算思维的关键工具，已有研究中，计算思维的培养内容涵盖概念、实践和观念三个维度，但对部分二级指标的研究还比较缺乏。编程工具包括有形编程、图形化编程和文本编程三大类，各类工具都有其优势和局限性。常用的教学方法有游戏化教学、任务驱动教学、项目引导教学等，但过于依赖技术，缺乏对师生互动的探讨。计算思维的评价方法繁多，但覆盖面和科学性有待提高。[47]为促进儿童编程教育发展，需要进一步深化对计算思维内容的认知，选择适合儿童发展的编程工具，在实践中探索有效的编程教学策略，合理使用各种测评方法，全面客观反映儿童计算思维发展水平。


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ReviewofChildrenProgrammingEducationBasedonComputationalThinking

XiaLU1,2,YongquanDONG3

(1.CollegeofArtificialIntelligence,XuzhouKindergartenTeachersCollege,Xuzhou221004,Jiangsu;

2.SchoolofPublicPolicy,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,Jiangsu;

3.SchoolofSmartEducation,JiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116,Jiangsu)

　　Abstract:Programmingeducation,asanimportantmeansofcultivatingchildren’scomputationalthinking,hasattractedwideattention.UsingtheSystematicreviewmethodandthethree-dimensionalframeworkofcomputationalthinkingasareferencetoanalyze40empiricalcasesathomeandabroadfrom2010to2023,explorewhataspectsofcurrentprogrammingeducationfocusoncultivatingchildren’scomputationalthinking,whatprogrammingtools,teachingmethodsandevaluationmethodsareusedtoidentifyshortcomingsfromthecurrentsituationtoclarifythefuturedirectionofchildren’sprogrammingeducation.Theresultsindicatethattheexistingchildrenprogrammingeducationonthecontentofcomputationalthinkingisnotcomprehensiveenough;moreattentionispaidtotheuseeffectofprogrammingtools,andthereisalackofresearchonthesuitabilityoftools.Theteachingmethodemphasizesthetechnicalsupportandlackstheattentiontotheteacher-studentinteraction;therearemanykindsofevaluationmethods,buttheevaluationcontentisnotcomplete,themethodneedstobeoptimized.Itissuggestedthatfutureresearchshouldfurtherdeepenthesystematiccognitionofthecontentframeworkofcomputationalthinking,selectprogrammingtoolsthatconformtochildren’scognitiverules,exploreteachingmethodsthatstimulatechildren’slearningmotivation,andbuildanevaluationsystembasedonthetheoreticalframework.

　　Keywords:Programmingeducation;Computationalthinking;Children;Graphicalprogramming;Systematicreview

　　编辑：王天鹏　校对：王晓明

原标题：面向计算思维培养的儿童编程教育研究综述

来源：《中国教育信息化》  

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