不插電編程的內(nèi)涵及其實(shí)施模式

南昌大學(xué)教育發(fā)展研究院 劉敏敏

在數(shù)字時(shí)代之下，編程教育的低齡化發(fā)展趨勢(shì)正盛，更加符合基礎(chǔ)教育階段學(xué)生成長(zhǎng)需求的實(shí)體編程與不插電編程課程也日益普及。為了深入了解不插電編程的內(nèi)涵及其實(shí)施模式，本文通過(guò)分析和梳理相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)不插電編程的內(nèi)涵和特點(diǎn)進(jìn)行提煉總結(jié)：不插電編程既是以有形物體作為載體的，不使用無(wú)屏幕或者較少使用屏幕的編程工具，又是一種無(wú)形的培養(yǎng)計(jì)算思維的活動(dòng)理念，它具有使用屏幕少、使用門檻低、現(xiàn)實(shí)互動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)；隨后，通過(guò)案例介紹目前市面上已有的不插電編程實(shí)體產(chǎn)品；最后，根據(jù)自身參與程度的高低進(jìn)一步將不插電編程分為紙筆型實(shí)施模式、游戲型實(shí)施模式和情境沉浸型實(shí)施模式等。本研究旨在為未來(lái)不插電編程的開發(fā)設(shè)計(jì)與可持續(xù)發(fā)展提供理論支持及實(shí)現(xiàn)模式參考。

國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，第一次在決策中寫到“編程教育”，編程教育是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的載體，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是編程教育的高階目標(biāo)，編程教育是培養(yǎng)計(jì)算思維的有效手段[1]，國(guó)務(wù)院提出要“廣泛開展人工智能科普活動(dòng)，在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂(lè)的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和逐步推廣編程教育”，目前，社會(huì)各界已經(jīng)意識(shí)到編程教育的巨大發(fā)展?jié)摿?，針?duì)兒童計(jì)算思維發(fā)展的編程工具層出不窮。在眾多不同形式的編程工具中，不插電的編程工具更加適宜K-12 階段的兒童。此種編程形式可以使兒童通過(guò)直接感知、親身體驗(yàn)與實(shí)際操作等方式來(lái)形成初步的計(jì)算思維、編程概念以及掌握一些基本的操作技能，能夠?yàn)轫樌M(jìn)行下一步的圖形化編程以及更高難度的編程形式、為啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行“編程式思考”、為發(fā)展學(xué)生面向未來(lái)的創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，在編程教育低齡化發(fā)展的背景之下，越來(lái)越多的人將不插電編程作為培養(yǎng)基礎(chǔ)教育階段兒童計(jì)算思維的一種教學(xué)方式。為此，有必要梳理和分析相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)詳述基礎(chǔ)教育階段不插電編程的概念及特點(diǎn)。本文對(duì)不插電編程的內(nèi)涵、特點(diǎn)及實(shí)施模式進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為未來(lái)不插電編程在教育教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用和普及提供可借鑒的思路。

1 不插電編程的內(nèi)涵與特點(diǎn)

1.1 編程教育的內(nèi)涵

編程，簡(jiǎn)單來(lái)講就是編寫代碼程序以實(shí)現(xiàn)某種目的。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為編程的最終結(jié)果就是解決問(wèn)題，孫立會(huì)在其研究?jī)和幊痰奈恼轮刑岬骄幊叹褪亲層?jì)算機(jī)代為解決某個(gè)具體問(wèn)題，對(duì)某個(gè)計(jì)算體系規(guī)定一定的運(yùn)算方式，使其按照一定的計(jì)算方式運(yùn)行，并最終輸出相應(yīng)結(jié)果的運(yùn)演過(guò)程[2]。宋兆玉指出編程就是讓計(jì)算機(jī)通過(guò)編寫代碼來(lái)解決某個(gè)需要解決的具體問(wèn)題，將具體問(wèn)題以計(jì)算機(jī)可以理解的形式傳達(dá)給計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)具體的指令進(jìn)行運(yùn)算，最終去完成特定任務(wù)，確切來(lái)說(shuō)編程就是計(jì)算機(jī)和人類進(jìn)行語(yǔ)言交流的一種特定語(yǔ)言[3]。在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的信息技術(shù)運(yùn)用廣泛的數(shù)字化時(shí)代，需掌握編程中含有的程序思維、計(jì)算思維、算法思維以及數(shù)據(jù)思維，通過(guò)編程教育培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力成為必要。本研究認(rèn)為編程教育是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字技術(shù)手段、計(jì)算思維的一種重要方式，并且編程教育未來(lái)將會(huì)成為教育改革與深耕的發(fā)力點(diǎn)。

1.2 不插電編程的內(nèi)涵

不插電編程是適用于基礎(chǔ)教育階段的編程教育形式之一，它是在編程教育發(fā)展初期階段，并在計(jì)算機(jī)沒(méi)有普及的時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生的，最初是由學(xué)者Tim bell、Ian H.Written、Mike Fellows（1994）提出[4]。學(xué)者們對(duì)不插電編程的概念解釋各有異同。Bell、Alexander、Freeman 和Grimley[5]認(rèn)為在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，不插電活動(dòng)是指不使用計(jì)算機(jī)的動(dòng)手項(xiàng)目，它能夠向?qū)W生展示計(jì)算機(jī)科學(xué)所需的思維過(guò)程類型；王芬等人提出不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)是通過(guò)有趣的游戲或謎題讓學(xué)生很好地理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念，理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的本質(zhì)[6]；Woochun Jun 認(rèn)為不插電活動(dòng)是一種不用電腦就能真正了解電腦的教學(xué)方法[7]；孫立會(huì)等學(xué)者指出不插電編程掙脫了“電”的束縛，能夠通過(guò)一系列有邏輯的活動(dòng)或任務(wù)來(lái)展現(xiàn)編程的思維[8]；還有學(xué)者認(rèn)為不插電活動(dòng)是學(xué)生進(jìn)行電腦編程前置準(zhǔn)備，也就是學(xué)生在使用電腦前先用有形物品進(jìn)行練習(xí)。筆者認(rèn)為不插電編程既是以有形物體作為載體的，不使用屏幕或者較少使用屏幕的編程工具，又是一種無(wú)形的培養(yǎng)計(jì)算思維的活動(dòng)理念。同時(shí)，也可以作為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)插電編程的過(guò)渡手段。

1.3 不插電編程的特點(diǎn)

1.3.1 使用屏幕少

不插電編程最大的一個(gè)特色就是基本上不需要使用計(jì)算機(jī)、平板、手機(jī)之類的電子設(shè)備，主要是利用我們身邊唾手可得的事物，例如，卡片、線、粉筆、杯子、球、鉛筆和彩紙等各種材料來(lái)組織含有計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的活動(dòng)。一方面，兒童不用面對(duì)電子屏幕便可以體驗(yàn)到編程學(xué)習(xí)的快樂(lè)，非屏幕的活動(dòng)讓孩子更能聚焦于活動(dòng)本身和技能的獲得，更利于激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性；另一方面，無(wú)屏幕的不插電編程可以保護(hù)兒童的視力，傳統(tǒng)編程教育的開展需要使用計(jì)算機(jī)設(shè)備，不利于兒童的視力健康。

1.3.2 使用門檻低

學(xué)生的學(xué)習(xí)門檻較低，不插電編程給予學(xué)生更低的認(rèn)知負(fù)荷，讓學(xué)生在輕松愉悅的氛圍下進(jìn)行學(xué)習(xí)，無(wú)需學(xué)生對(duì)繁雜的編程語(yǔ)言進(jìn)行大量識(shí)記，大幅度降低了編程學(xué)習(xí)的難度和壓力。即使是從未接觸過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)，沒(méi)有任何相關(guān)學(xué)習(xí)背景的學(xué)生也可以通過(guò)不插電編程學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，逐漸形成以計(jì)算思維為驅(qū)動(dòng)解決問(wèn)題的習(xí)慣。同時(shí)，由于不插電編程學(xué)習(xí)難度不高，符合低齡階段兒童的認(rèn)知發(fā)展，兒童可以在短期內(nèi)憑借生活經(jīng)驗(yàn)理解和掌握編程規(guī)則，更輕易地了解計(jì)算機(jī)和程序運(yùn)作原理。

1.3.3 現(xiàn)實(shí)互動(dòng)強(qiáng)

不插電編程是在自然的物理環(huán)境中進(jìn)行的。學(xué)習(xí)者參與度高、體驗(yàn)感強(qiáng)，能夠擁有更多機(jī)會(huì)和物理世界中的實(shí)物接觸，與師生面對(duì)面溝通交流。換句話說(shuō)，不插電編程在促進(jìn)學(xué)習(xí)者與現(xiàn)實(shí)環(huán)境、生活實(shí)際互動(dòng)的同時(shí)也促進(jìn)了他們與同伴和教師之間的思維互動(dòng)，比如，開展任務(wù)型游戲時(shí)，兒童為了達(dá)到游戲目標(biāo)會(huì)和同伴展開必要的溝通與交流，當(dāng)他們遇到困難時(shí)就會(huì)向教師尋求幫助，集思廣益之后制定相應(yīng)的策略，將構(gòu)想好的策略轉(zhuǎn)化成實(shí)際的動(dòng)作組合，進(jìn)行一步步試驗(yàn)和試錯(cuò)直至實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。學(xué)習(xí)者在此系列過(guò)程中通過(guò)大腦、身體和環(huán)境的交互來(lái)發(fā)展其計(jì)算思維。

2 不插電編程實(shí)體產(chǎn)品案例

目前，介紹不插電活動(dòng)的實(shí)體產(chǎn)品主要有CS Unplugged項(xiàng)目實(shí)體書、韓國(guó)學(xué)者洪志連、申甲千所著的《不插電!神奇的編程思維是玩出來(lái)的》等，以下是對(duì)現(xiàn)有實(shí)體產(chǎn)品的詳細(xì)案例說(shuō)明。

2.1 《不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)》

《不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)》是由Tim Bell 教授及其所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)所著，書中詳細(xì)介紹了32 個(gè)Tim Bell 教授和兩位中小學(xué)教師依據(jù)自己的實(shí)務(wù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的信息科學(xué)活動(dòng)，其中最具代表性的游戲有翻卡魔術(shù)、二進(jìn)制卡片、橘子游戲和金銀島等。此書是動(dòng)態(tài)更新的，隨著項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)的普及，具有各國(guó)特色的新穎案例不斷補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。它透過(guò)這些有意義的活動(dòng)充分把計(jì)算機(jī)工作原理通過(guò)有趣的游戲方式和生活實(shí)例情景呈現(xiàn)給讀者，就算沒(méi)有計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)的讀者來(lái)學(xué)習(xí)此書也能輕松閱讀。

2.2 《不插電!神奇的編程思維是玩出來(lái)的》

《不插電！神奇的編程思維是玩出來(lái)的》一書是韓國(guó)學(xué)者洪志連、申甲千編著的，本書包含50 個(gè)精彩游戲和44 組游戲圖卡。不需要計(jì)算機(jī)，通過(guò)50 個(gè)簡(jiǎn)單有趣的不插電編程游戲由淺入深地全面學(xué)習(xí)編程技能，并且書中有很多實(shí)景圖片和文字說(shuō)明。全書共分為四個(gè)部分，前兩部分包含26 個(gè)游戲，內(nèi)容主要涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，比如模式識(shí)別、二進(jìn)制、調(diào)試、壓縮等，很好地適合小學(xué)低年級(jí)學(xué)生；后兩部分包含24 個(gè)游戲，內(nèi)容包含了程序設(shè)計(jì)中的循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、函數(shù)、代碼等進(jìn)階知識(shí)，適合高年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)。書中有很多實(shí)景圖片和文字說(shuō)明，以幫助孩子徹底掌握游戲，讓孩子在開心玩游戲的過(guò)程中，就可以自然而然地學(xué)到編程的基本概念和原理。

3 不插電編程的實(shí)施模式

不插電編程的構(gòu)建需要真實(shí)互動(dòng)環(huán)境這一關(guān)鍵點(diǎn)體現(xiàn)了認(rèn)知的具身觀，這與認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域中的具身認(rèn)知理論聯(lián)結(jié)密切，該理論聚焦于身體感知器官與各種環(huán)境的交互作用，強(qiáng)調(diào)身體的具身體驗(yàn)、情境交互和協(xié)作互動(dòng)[9]，具身認(rèn)知的理念與不插電編程活動(dòng)的開展不謀而合，當(dāng)學(xué)習(xí)活動(dòng)被游戲、歌曲和故事強(qiáng)化時(shí)，整體的身體反應(yīng)是最有效的[10]。所以本研究通過(guò)分析市面上已有的不插電編程產(chǎn)品，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的具身參與程度將不插電編程的實(shí)施模式分為紙筆型、游戲型、情境型。

3.1 紙筆型實(shí)施模式

紙筆型實(shí)施模式是直接讓學(xué)習(xí)者使用紙和筆進(jìn)行排列、畫畫和寫作，例如，在“尋寶”活動(dòng)中，一個(gè)寶島的主題吸引了學(xué)生的興趣，教師讓學(xué)生通過(guò)畫出自己的軌跡理解程序的概念。一般來(lái)說(shuō)，紙筆型模式的實(shí)施步驟可分為分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案、建造問(wèn)題解決方案、實(shí)施方案以及調(diào)試算法。整個(gè)環(huán)節(jié)需要將抽象化的邏輯思維在紙上反映出來(lái)，只需要大腦的認(rèn)知參與和手部操作，學(xué)生的具身參與程度較低。同時(shí)在繪制符號(hào)或流程圖等問(wèn)題解決方案時(shí)，不設(shè)置過(guò)多的規(guī)則，強(qiáng)調(diào)如何將大腦中的抽象邏輯思維完好地在紙張上表現(xiàn)出來(lái)，從而將心理模型轉(zhuǎn)換為邏輯表示，以助力自身計(jì)算思維技能的發(fā)展。

3.2 游戲型實(shí)施模式

不插電編程可以通過(guò)游戲的形式實(shí)施，將開放自由的身體活動(dòng)和游戲規(guī)則巧妙地結(jié)合起來(lái)，基于游戲的學(xué)習(xí)具有趣味性、動(dòng)態(tài)性、靈活性，使學(xué)習(xí)者的身體和思維得以融合。同時(shí)，將編程的重點(diǎn)和難點(diǎn)設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單而有趣的小游戲，尤其符合K-12 階段學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特點(diǎn)，游戲化策略的引入能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者對(duì)編程學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)活動(dòng)的趣味性。兒童借助身體的各感知器官沉浸式地體驗(yàn)編程活動(dòng)，會(huì)具有更加強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。需要強(qiáng)調(diào)的是，所設(shè)計(jì)的游戲不是“無(wú)腦”游戲，學(xué)習(xí)者身體和心智是參與其中的，學(xué)習(xí)者在游戲過(guò)程中不僅能夠進(jìn)行自主知識(shí)建構(gòu)還能與師生進(jìn)行人際交互[11]，理論知識(shí)以游戲的方式帶著人們探索計(jì)算機(jī)工作的奧秘，讓學(xué)生在輕松的環(huán)境下感受獨(dú)特編程體驗(yàn)、體會(huì)編程理念，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣與熱情。

3.3 情境型實(shí)施模式

情境型實(shí)施模式是有實(shí)物場(chǎng)景、結(jié)合生活實(shí)際場(chǎng)景的編程實(shí)施模式，也可以稱之為稱為“實(shí)景編程”。復(fù)雜計(jì)算算法的情境化是一種緩解學(xué)習(xí)者概念理解困難的手段，這可以刺激學(xué)習(xí)者主動(dòng)學(xué)習(xí)和引導(dǎo)其進(jìn)行編程知識(shí)的構(gòu)建。不插電編程以日常生活故事情景為主線，創(chuàng)作一個(gè)引人入勝的故事，利用場(chǎng)景地圖，使編程與真實(shí)世界的生活發(fā)生交互[12]，學(xué)習(xí)者將自身代入學(xué)習(xí)任務(wù)中的故事角色，進(jìn)行協(xié)作會(huì)話和社會(huì)交互，基于真實(shí)的任務(wù)情境，并通過(guò)具體的角色體驗(yàn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)與環(huán)境中各要素之間交互作用促進(jìn)學(xué)習(xí)者與環(huán)境之間的具身交互，而這種交互，更強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者身體的深度參與和融合。

4 結(jié)語(yǔ)

本文明晰了不插電編程的內(nèi)涵，通過(guò)分析各種不插電編程產(chǎn)品，歸類了不插電編程的實(shí)施模式，為后期不插電編程教育活動(dòng)的設(shè)計(jì)以及不插電編程產(chǎn)品的開發(fā)提供了可參考的思路。實(shí)際上，探索創(chuàng)生多元化的不插電編程實(shí)施模式以發(fā)展兒童編程思維才是兒童編程教育的價(jià)值所在。通過(guò)和真實(shí)場(chǎng)景結(jié)合，不插電編程利用隨手可以觸摸到的實(shí)際物品，所達(dá)到的編程效果都通過(guò)實(shí)物的運(yùn)行和感知獲得實(shí)時(shí)反饋，不會(huì)受到電子屏幕過(guò)多的注意力干擾，是兒童在具象思維階段最合適的編程啟蒙方式。它能夠使兒童掌握編程思維、計(jì)算思維、創(chuàng)意思維；能夠幫助兒童深入認(rèn)識(shí)智能世界，參與未來(lái)智能世界的共創(chuàng)。

引用

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