作者：花琪 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】 儿童编程教育与基础课程的融合已成为编程教育领域研究的重要课题。儿童编程教育融入学科教学是转变与重塑计算教育观念的一次新尝试，也是推广与普及儿童编程教育的创新举措，更能助力编程教学与学科知识彼此协同发展。Scratch 具有算法简化、媒体丰富的图像空间，自上而下、分而治之的修补理念，设计建造、交流协作的自由情境等特征优势，成为“用编程学”的媒介首选。基于此，文章以基于设计的研究为设计原则，并以 4P 学习法为理论基础，构建了以小学科学内容为案例的儿童编程与学科融合的教学模式，以期丰富与优化小学科学教学方式并探索推广多样化的儿童编程教学形式。
【关键词】 儿童编程教育；Scratch；小学科学；教学模式
一、引言
在人工智能时代的到来下，教育面临着更高的要求。在20世纪60年代，西蒙·派珀特创造了Logo语言，旨在通过计算机环境改变儿童的认知学习方式。然而，在随后的十年中，编程几乎从K-12计算机教育中消失，取而代之的是更实用的技能，如文字处理和互联网搜索。然而，随着智能教育时代的到来，编程教育逐渐受到重视。现在，编程教育不仅满足未来就业和社会需求，还更加关注“编程赋能”的价值。
通过编程学习，儿童培养了思维技能、共情能力和交流协作精神，填补了学校教学中的空白。可视化编程语言的出现重新激发了对编码的兴趣，将编程视为一种媒介来发展其他技能，以提高学生的学习动机和学习成果。正如米切尔·雷斯尼克所说，儿童不仅在学习编程，而是通过编程来学习。编程变成了一种新的表达方式，同时也成为学习其他学科的媒介。
因此，将编程渗透到儿童的基础课程中已成为当前和未来的研究趋势。这种趋势应该得到重视，因为人工智能时代对教育提出了更高的要求，而编程教育可以满足这些要求并为儿童提供全面发展的机会。通过充分利用编程教育的潜力，我们可以让儿童在面对未来的挑战时更好地适应和成功。
二、儿童编程教育融入学科的必要性
儿童编程教育融入学科的必要性体现在认知观、方式观和工具观的角度。首先，我们需要转变计算教育观念，将其视为与传统学科平等对待的主流学科。其次，推广儿童编程教育的创新举措，在学科课程中引入编程教育，提高学生参与度和学习兴趣。最后，将编程教学与学科知识相互协同发展，培养学生高阶思维能力，并应用逻辑性的学科知识。通过适合儿童发展的编程工具，帮助他们掌握计算机科学知识，培养理论思维能力。这样的综合方法将促进儿童全面发展。
三、“用编程学”的媒介———Scratch
Scratch是麻省理工学院媒体实验室开发的一款面向8~16岁儿童的编程软件。它通过图块化编程的理念，让孩子们通过拖拽程序块的方式编写动画故事，并可以在Scratch社区与其他创作者分享交流。与文本编程语言相比，Scratch算法理解和操作更简单，它提供了丰富的媒体资源和可见的变量操作，为学生发挥创造力和引入目标对象提供了支持。Scratch还奉行自上而下、分而治之的修补理念，让儿童能够逐步解决问题并培养思维能力。同时，它创建了一个设计建造和交流协作的自由情境，学生可以在Scratch社区中分享作品、探讨修改并不断完善，培养协作学习和沟通交流的技巧。这些特点使得Scratch成为全球广受欢迎的标志性图形化编程软件，儿童编程教育也主要集中在以Scratch为基础的教学模式上。
四、基于 Scratch 的课程模式
设计与构建
Scratch 作为儿童编程教育实施的载体， 兼具工具性与教育性，可以将其作为课程教学的横向工具整合以恰当的科目及单元内容，从而培养学生在理论思维、 学科知识、 学习动机、 社交情感等方面的能力。Scratch 良好的工具性特点需要理论坚实的教学模式以及形式丰富的教学活动的支撑，从而最大限度地发挥其教育优势。
在教学研究原则与理论基础方面，研究采用了基于设计的研究(DBR)方法，并以4P学习法作为理论基础。基于设计的研究方法强调将教学与研究相结合，通过实践中的反思和改进来提高教学效果。而4P学习法则是一种针对编程学习的特点而设计的学习模式，包括项目（Project）、解决问题（Problem）、队伍（Pairs）和展示（Present）四个阶段，旨在培养学生的创造力、解决问题的能力和团队协作能力。
在教学模式建构方面，如图1所示，论文将儿童编程教育教学模式划分为定义抽象、算法设计、迭代实施和拓展延伸四个阶段，并详细描述了每个阶段的步骤和目标。在定义抽象阶段，学生将学习如何识别和定义问题，并将其抽象成具体的计算机程序。在算法设计阶段，学生将学习如何设计有效的算法来解决问题。在迭代实施阶段，学生将学习如何通过不断修改和改进程序来实现预期的功能。最后，在拓展延伸阶段，学生将探索更复杂的编程概念和技术，并应用到自己的项目中。
图1 儿童编程教育教学模式
教学实践需要更具体详细的指导，因此，在定义抽象、算法设计、迭代实施、拓展延伸四阶段之下，将教学阶段细化为目标任务、内容呈现，设计构思、学习指导，迭代创新、练习反馈，评估巩固、知识转移等，每个阶段对应两个步骤，如图 2 所示。向学生解释目标任务，呈现内容知识， 创设问题情境， 形成问题表征， 刺激学生对Scratch 算法和学科知识的回忆联系；在教师指导下，学生设计构思问题解决的算法步骤；通过不断尝试修补、迭代实施，形成最终的解决方案，呈现项目作品；开展同伴交流展示与在线评估，并尝试将逻辑知识与思维技能拓展到更广阔的生活与学习领域。
图2 儿童编程教育教学流程
图1 儿童编程教育教学模式
五、教学案例设计
Scratch作为一种具有较高教育价值的编程工具，能够更好地帮助学生理解学科逻辑规律与计算构造。本研究以小学科学为背景，针对《科学》五年级上册的《食物链与食物网》进行了教学设计，旨在探索儿童编程教育教学模式的展开方式，并为小学科学教学模式的优化与丰富提供借鉴。
小学科学是一门基础性、综合性、实践性的课程，在小学阶段具有重要地位。当前，教育改革倡导将科学与多学科融合教学，尤其强调科学内容中技术与工程领域的整合。然而，实际情况显示，学校中的科学课开展并不乐观，亟待进行科学教育理论研究和教学方式的激活与创新。此外，一些实践操作周期较长或不适合学生接触与体验，影响了教学效果。因此，基于Scratch的小学科学教学成为了融入儿童编程的尝试创新，也是对小学科学教学模式的优化与丰富。
在具体的教学设计中，Scratch编程可以生动地展现科学现象和逻辑过程，深化学生对科学概念内容的理解。同时，通过角色行为的编程设计，学生需要思考如何合理安排指令顺序，以呈现正确的捕食关系。五年级学生已具备一定的科学概念和探究能力，并具备逻辑思考和设计建构的技能，能够创作较为复杂的动画、游戏和音乐项目，为教学的展开提供了有利条件。
教学活动遵循教学模式展开，每个阶段都有与之相对应的实践活动，体现了不同的4P学习法和不同的主体视角。在定义抽象阶段，教师引入问题情境，让学生理解项目创建的背景，并明确所需角色和背景等要素。随后，教师阐述项目任务，可以通过创建游戏和动画故事来合理表示各生物之间的捕食关系。在Scratch的技术环境中，教学和学习的实践主体积极参与，体现了热情原则，具体教学设计见表1。
表1 基于 Scratch 的小学科学教学案例设计
六、结语
儿童编程融入学科教学符合教育信息化发展的时代需求， 也是儿童编程教育多样化发展的创新教学方式。Scratch 作为图形化编程工具的代表，具有鲜明的操作特点及坚实的理论背景。同时，在实践展开过程中有诸多因素也需考虑，学科教师能否将 Scratch 媒体环境或编程原理与恰当的学科知识内容相融合， 编程教育与学科融合的教学起始时间、 技术设备的支持情况还有教师与学生的技术操作熟练程度等也是应当进一步讨论的因素。通过本研究的论述、构建与设计过程可以看到，基于 Scratch 的儿童编程教育教学模式能够在学校课堂开展实施， 这为学科教学模式的探索提供了更加多样化的选择，同时，也需更加深入的实践探究，以此营造多样化的儿童编程教育大环境。
查阅原文：Design and Construction of Scratch-based Teaching Model for Children's
Programming Education:A Case of Elementary Science
DOI:10.13811/j.cnki.eer.2020.06.011
转自：“百研工坊”微信公众号
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