作者：陈青芬 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅、夏小俊
【摘要】：这是一篇基于现有文献的概念性论文，旨在为设计和实施促进儿童计算思维的活动提供实用信息。早期的计算思维能力可以在儿童早期活动中发现。本文确定了教师可以在课堂上使用的活动，以明确促进儿童的计算思维，并为如何使课堂活动融入计算思维提供了新的视角。我们特别强调活动内容要求的多样性，并根据儿童的需要和发展融入计算思维，确保儿童在思维过程中不断进步。
【关键词】：计算思维；CT技能；算法；数学；素养
01
介绍
“CT”一词在幼儿教育中是一个相对较新的新兴概念。在幼儿课堂实施CT活动时，考虑儿童的发展是很重要的。众所周知，四岁和五岁的孩子通过具体的、动手的游戏活动学习效果最好。常见的活动和游戏可以作为培养他们CT技能的方法。当孩子们参与动手的CT活动时，他们获得了早期的CT技能，成为工具创造者，并通过应用各种技能成为能够创造性地、有效地解决复杂问题的工具使用者。
CT的四大思维技能分别是:分解、抽象、模式识别和算法。在本文中，我们提出了与四种主要计算机思维技能相一致的活动和游戏理念，并提出了如何使普通课堂活动融入计算思维的框架。
02
作为批判性思维技能的计算思维
换句话说，计算思维不需要计算机，但计算思维是有效和高效计算所必需的。计算机技能和编码越来越多地出现在学校课程和标准中;编码和计算都需要CT。此外，基本的与CT相关的分析和解决问题的技能通常适用于计算以外的领域。虽然关于儿童早期计算的讨论超出了本文的范围，但我们注意到，计算不仅通常成本高昂，而且还有些争议。由于这些原因，我们在论文中提出的早期儿童CT方法是“不插电”的，这意味着它不依赖于访问计算机硬件来实现。
03
基础计算思维技能
计算性思维是解决问题的整个思维过程，涉及识别问题、计划解决问题的步骤、执行计划、检测错误、修复错误以使计划生效的系统。解决问题需要多种思维技巧。
在进行CT活动时，有四个主要技能是突出的，从分解开始，经过模式识别和抽象过程，最后创建一个算法，以有效的方式解决复杂问题。这四种技能在解释计算思维技能时已被普遍接受。在本文中，我们也将这四大技能作为幼儿活动的基础。下图显示了这些技能的简要描述(图1)。
图1计算思维基础技能。改编自ISTE (2016)
3.1分解
分解需要将复杂的问题或系统分解成更小、更易于管理的部分的分析分解过程。也就是说，分解是一个解构的过程:对于许多现实世界的任务来说，将大问题分解成小问题的能力非常重要。为了有效地分解问题，必须了解它的约束条件，生成潜在的解决方案，并评估这些解决方案的优点和缺点。
3.2抽象
抽象是为了解决问题而过滤掉不必要或不需要的细节。“过滤”本质上是一个过程，通过这个过程，可能会分散解决问题的注意力的信息被忽略。这使得最重要和最相关的信息被优先考虑。
3.3模式识别
模式识别是找出问题之间和问题内部的相似点和不同点或识别模式的技能。当模式被识别出来时，问题就更容易解决;公共模式及其解决方案可以应用于共享相同模式的新问题。没有模式识别，每个问题都是新的和新奇的，因此问题的解决或信息处理不会变得更加系统和有效。
3.4算法
算法是解决问题的一步一步的计划。算法设计是开发一个问题的一步一步解决方案的过程，或者是解决问题所遵循的规则。算法的步骤表示为有效地解决问题而采取的行动。这个计划必须顺序正确，有明确的开始和结束，包括中间所有必要的步骤，并包含所有相关信息。算法的执行也是算法技能的一部分。
04
基础计算思维技能之间的关系
当问题被分解时，模式被识别，不必要的信息可以被忽略。这些技能允许“使问题变得更容易”的过程——通过分解过程将问题分解成更易于管理的小问题，从而使问题变得更小。从一组较小的问题中，可以找到以前解决过的问题(及其解决方案)的模式并加以应用。
在这些较小的问题中寻找模式时，也更容易识别不必要的信息，即抽象。通过算法，可以开发和实施蓝图或地图或简单的步骤或规则来解决每个较小的问题。有了小问题的一组解，原来的问题就可以解决了。在计算中，算法集在执行时是有效地解决复杂问题的程序。
总的来说，CT涉及到对良好计划有效和高效地实现目标的理解。
05
概念上的观点
5.1儿童早期CT的综合方法
研究表明，在儿童早期，为儿童提供某些类型的学习经验来练习批判性思维技能是至关重要。
在本文中，我们关注了不插电活动，并提出了在儿童早期发展和学习的常见课堂活动中整合计算思维技能的发展;我们认为，在儿童早期，CT可以通过与现有课程相结合的方法来产生。这些活动是具体的、动手的、以游戏为基础的，因此适合儿童的发展和兴趣。他们也不插电，所以他们不依赖任何基于计算机的技术来促进CT。例如，我们说明了CT如何嵌入到日常的课堂活动中。此外，我们解释了教师如何适应额外的课堂活动来支持儿童的CT技能发展，并区分这些活动以满足所有学习者的需求。
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基于基础CT技能的常见幼儿课堂活动
有针对性和重点的机会，以发展适当的方式练习基本的CT技能，如游戏般的环境，是促进儿童CT的必要条件。在本节中，我们介绍了常见的幼儿课堂活动，这些活动可以产生四种基本的CT技能，并按技能进行组织。
6.1支持分解技巧的课堂活动
练习分解最终可以帮助孩子有效地解决复杂的问题，把整个问题分解成更小的部分。下面描述了一些帮助孩子练习分解技能的常见幼儿活动，例如拼图和积木。
6.1.1拼图和积木
拼图和积木是支持幼儿数学思维和空间感的常见活动。它们也是发展分解技能的重要资源。拼图的本质是让孩子们看到整体的画面，要求他们把分解的碎片放在正确的位置，从而形成整体。谜题本身是基于组合和分解原则。也就是说，整个谜题集分解成小块(分解)，小块加起来就是整个谜题集(组合)。谜题的复杂程度从总拼图的数量到每个拼图唯一适合框架的配置，再到拼图相互匹配以填充框架。
在童年早期，孩子们经常玩积木，比如当他们为他们的玩具建造塔、轨道和家的时候。将已完成的积木建筑
卡与积木游戏活动结合起来，孩子们在
中既看到单个的积木(分解的积木)，也看到已完成的建筑(组合的积木)。孩子们可以使用
卡来复制建筑物，找到相同的部分并将它们放在一起，就像他们在照片中看到的那样。这个活动帮助他们体验合成和分解的过程。
6.2支持抽象技能的课堂活动
从儿童早期开始建立基本的抽象技能是必要的。抽象可以让孩子们忽略不相关的信息或细节，专注于重要的信息来完成任务。抽象过程通过减少不必要的信息或步骤，帮助孩子更容易地思考问题。支持儿童抽象技能的活动包括“西蒙说”游戏。讲故事时间也提供了各种机会来帮助孩子练习抽象技能(例如，让孩子复述故事的主要事件)。
6.2.1《西蒙说》
玩“西蒙说”是一个很好的方法，可以帮助孩子们练习专注于重要的信息，忽略无关的信息。当孩子们听到“西蒙说”时，他们会按照西蒙给出的命令去做(例如，“西蒙说，跳2次!”)。如果给出的命令没有“Simon说”序言，他们应该忽略该命令。例如，为了将数学融入游戏，“西蒙”可能会要求孩子们敲膝盖一定次数。在动作中添加数值可以让孩子们练习计数，并将运动与计数结合起来，这有助于建立重要的细分技能和对数字相对大小的认识。
6.2.2故事时间
幼儿课堂上讲故事的时间充斥着由老师搭建的抽象概念。阅读时，老师会用提示性问题来帮助孩子们把注意力集中在书中的主要故事上。例如，在阅读《饥饿的毛毛虫》时，老师可能会问:“毛毛虫星期一吃了什么?”“星期二?”“星期三?”等等。这些探索使孩子们能够把注意力集中在故事的主要事件上。在阅读过程中，提示语对培养孩子的抽象思维能力起着重要的作用。
插图可以吸引孩子们的注意力，因为他们在文字和插图之间的互动中挣扎，这些插图很少讲述完全相同的故事，也有助于培养抽象能力。
当幼儿从互动中获得意义时，他们通过整理、组合和协调来自文字和插图的信息，成为积极的意义创造主体。教师可以通过引导孩子们深入地讨论书籍，以及使用锚点图表等工具来帮助孩子们专注于书中的重要信息，从而促进这种发展。图表中呈现的事件可以由老师预先选择，也可以与孩子们共同构建。
6.3支持模式识别的课堂活动
模式识别是一种技能，涉及整理相似性和差异性，或识别更大问题的分解小块之间和内部的模。模式识别是帮助儿童处理信息的关键，通过组织信息来更有效地解决复杂的问题。以下介绍了基于分类和模式活动支持儿童模式识别的早期儿童活动。
6.3.1分类和图案
许多幼儿课堂活动包括分类和模式。例如，当给孩子们塑料链条或积木或连接多种颜色的立方体时，孩子们可以将它们分成相同颜色的组或创建重复颜色组合的链。当然，颜色并不是要使用的唯一分类或图案特征。当孩子们被要求根据形状的属性或特征(如大小、形状和功能)对形状进行排序时，通常会发生数学排序。对物品进行分类可以帮助孩子们注意重要的特征(例如，形状的边数)和不重要的特征(至少不是那种特定的分类，例如，形状的大小)。图案，比如用一系列彩色块或一系列形状完成的图案，可以重复多次。儿童早期的数学模式比计数更能预测以后的数学成就。数学模式可能包括数字排序，大声数出每一个数字，或重复排列和顺序的项目，如形状。
6.4支持算法设计技能的课堂活动
算法设计是开发问题的一步一步解决方案或解决问题所遵循的规则的过程。算法是分解、模式识别和抽象的最后阶段，在这个阶段创建一组规则来解决问题。算法与分解密切相关，因为它涉及一组分解步骤;然而，算法设计的目的是通过排列这些分解步骤来创建最有效的过程(。制作墨西哥卷饼、为客人摆桌子、系鞋带和寻宝等活动都能培养孩子们的算法设计技能。
6.4.1系鞋带
系鞋带是孩子们练习算法技能的好方法。对小孩子来说，系鞋带是一项复杂的任务，因为他们必须遵循具体而精确的步骤才能成功地系上鞋带。因为有几种系鞋带的方法，孩子们可能会按照一步一步的步骤选择最有效的方法来完成任务。例如，一种方法是先用每只手拿住花边的每一面;第二，把它们交叉，以第一个结结束;第三，使用“兔耳”的方法，在花边的每一边打圈，然后再打结。
07
将计算思维融入幼儿课堂活动的过程
几乎所有幼儿的活动都可以进行可行的修改和区分，以支持CT的发展。我们将从三个部分解释如何做到这一点:(a)活动选择考虑，(b)活动修改和实施计划，以及(c)活动区分以满足所有学习者的需求。我们首先通过“播种”活动来讨论这些部分，然后从选择，修改和实施计划，以及差异化选项来说明我们的整个过程。
7.1活动选择考虑因素
我们建议选择一个具有现有或可能的特征的活动，专门针对四种基本CT技能中的至少一种。例如，回想一下谜题和积木是具有分解特征的活动:组成整体的组件或片段。表1的第一行显示了在选择支持儿童四种基本CT技能发展的活动时需要考虑的特征。
表1在幼儿课堂活动中支持基础计算思维技能的考虑
表2说明了如何使用我们的方法将CT纳入早期儿童课堂活动，我们使用之前未讨论的常见课堂活动来展示我们的过程。通常，在幼儿教室里，当学习植物和生命周期时，孩子们会在土壤里播种，给植物浇水，把它们放在阳光下，并记录它们的生长情况。
我们选择这个活动(见表2)是因为它具有所有四种主要的CT技能——分解、模式识别和算法设计。在播种时，孩子们分解播种所需的物品和帮助它们生长的物品(如杯子、种子、土壤)。当他们这样做时，他们可以识别出类似的模式来识别生物需要生长的东西。
例如，所有人都需要营养和水!最后，孩子们按照一组指示的每一步播种。表2的第一行详细介绍了幼儿播种活动中的基本CT技能。
表2播种活动
7.2活动修改和实施计划
选定的课堂活动可以修改以支持CT技能。考虑像故事时间这样的活动。我们之前注意到，故事时间充满了老师搭建的抽象概念，这是对活动的有意修改。也就是说，故事时间可以简单地成为教师朗读文本的活动。为了支持基本的CT技能，比如抽象，老师可以在阅读的同时提出问题，帮助孩子们关注文本中的相关信息，比如“哪些是重要的细节?”表1的第二行列出了指导性教学问题，教师可以在他们选择的活动中使用这些问题来支持每个基本的CT技能。
例如，“播种”活动除了支持CT技能外，还支持数学和识字内容。支持数学的方法包括让孩子数出所需的物品，数种子的数量，或测量植物的生长。在识字方面，孩子们可以列出种植所需物品的清单。在教学过程中提出的引导性问题思路见表2第二行;第三行列出了内容变化。
教师可以反复实施活动，每次实施都有不同的学习目标(见图2)。例如，第一次开展活动时，重点可以放在数学或识字内容上。一旦内容对孩子更熟悉了，下次可以着重于CT检查。
考虑分类活动。为了让孩子熟悉分类，早期的活动可以是将两种颜色的积木按颜色分成两组。这对CT技能和内容或教学知识的要求较低，因此属于图2所示的“最不理想”类别。然而，随着孩子们对排序的熟悉，这项任务可能会变得更加复杂。具有高CT和内容需求的实现将是根据形状特征(例如，边的数量)对六种模式块类型的集合进行排序。两者之间的分类活动可能包括按类型(例如，正方形和三角形)对有限数量的形状进行分类，或按颜色对各种材料或不同大小和类型进行分类(在低和高CT要求以及低和高内容或教学要求之间变化)。
另一个考虑是一些早期儿童课堂活动可以支持不止一种基本的CT技能。实施周期可能或多或少地侧重于每一项综合基础CT技能。图2显示了考虑到活动内容(例如，数学)和CT结合的需求连续矩阵。
图2课堂活动实施的变化。改编自Joswick et al (2019)
7.3活动分化
我们建议选择不同的内容或教学要求和活动的CT，使其符合课程的进展(例如，从不太理想的活动开始，逐渐达到最理想的活动，结合在此过程中越来越不容易接受的活动的迭代)和学生的需求(例如，那些具有高级内容知识的人将受益于逐渐增加的CT要求)。也就是说，我们以前讨论过的修改和执行原则可以用来区分活动，以满足幼儿的不同需要。
在上面表1的第三行中，我们给出了在活动中改变每个基本CT技能的一般指南。此外，这些步骤的难度可以有所不同。像“从书架上走三步”这样的方向比需要测量的方向(例如，“向书架左边移动三英尺”)要求更低。
修改和区分种子种植活动的想法可能包括预先用泥土填充杯子，预测植物的生长，比较不同类型植物在不同环境下的生长(例如，多水或少水或多光或少光)，等等。表2总结了该活动并提供了进一步的差异化思路。
08
结论
在确定促进儿童CT的课堂活动时，我们建议确定至少涉及一到两项基本CT技能的课堂活动。可能有必要根据课堂上儿童的需要来改变CT的要求水平(以及改变活动的内容要求)。此外，改变要求，或多或少地强调内容(例如，数学或识字)或CT的重复活动，使儿童熟悉内容或CT的特定概念。教师可以通过调整对内容的要求和对CT技能的要求，逐步培养幼儿对内容和CT的掌握。在实施这种方法时，重要的是监测儿童的学习过程，并根据儿童的发展水平或对概念或内容的掌握程度，从较少或最不可接受的活动到较多或最理想的活动来改变需求水平(见图2)。改变需求水平有助于儿童在更高层次上理解内容和/或CT。
考虑到游戏式课堂学习环境的重要性，以及早期接触与发展相适应但具有挑战性的学习的重要性，我们认为，通过修改内容水平和/或CT要求，将CT技能与现有的幼儿课程(如数学或识字)相结合，可以在幼儿中发展早期CT。早期接触CT可以使幼儿成为计算、信息处理和编码方面的计算思考者。这使他们成为高效和创造性的问题解决者，能够在二十一世纪胜任工作。
查阅原文：Joohi Lee, Candace Joswick, Kathryn Pole Early Childhood Education Journal
DOI：10.1007/s10643-022-01319-0
转自：“百研工坊”微信公众号
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