面向儿童编程能力的游戏化学习活动设计研究

张功云+马卉+梁德明+杨志亚

【摘 要】随着STEAM教育在国内外中小学不断展开，编程能力培养的相关研究成为国内外信息技术的热点之一。然而，编程本身对儿童及中小学生来说是枯燥乏味的；为了提高儿童及中小学生的编程兴趣，本文提出了一种面向儿童编程能力的游戏化学习活动设计方法；并利用Scratch编程软件对本方法进行实践应用。实践证明，这种方法对儿童编程兴趣的提升具有一定意义。

【关键词】儿童编程能力；游戏化学习；Scratch

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2016）11-0036-04

引 言

程序设计教学在儿童逻辑思维的培养、创新实践能力及解决问题能力提升方面具有不可估量的作用。在基础教育领域，儿童编程教育没有得到足够的重视，儿童对编程方面的知识了解甚少。游戏是儿童生活学习活动的重要组成部分[1]。随着寓教于乐学习方式的倡导，基于游戏化学习的儿童编程教学模式逐渐进入计算机教育的视野。儿童在游戏的氛围中进行编程学习，符合儿童的年龄特点及认知情况，体现儿童学习的主体性，能激发儿童学习兴趣，培养儿童的编程能力和实践能力，提升儿童的技术素养和工程素养，切实推进STEAM教育。本研究利用Scratch平台可视化及模块化的优点，对已经封装好的程序模块进行自由的拼接，儿童运用程序设计的思维来解决问题，从而提高儿童编程能力[2]，以实现预期功能。

相关研究

信息与交流技能、分析和解决问题的能力、处理人际关系的能力等新的知识和技能逐步深入K12教育体系，重视培养儿童编程能力已成为国内外教育研究的热点。在国外，美国Code.org组织强调要让每个孩子都有机会学习编程；英国为了提升儿童对计算机科学的兴趣，提倡儿童从5岁开始学习编程[3]；芬兰启动新项目为儿童学习计算机编程提供机会等[4]。在中国，为推进STEAM教育和培养儿童编程能力，教育研究者在计算机教育及编程方面进行了大量研究，这些研究大多集中在儿童编程工具的应用层面，而且大多是借助Scratch可视化编程工具开展程序设计教学，以提高儿童学习程序设计的兴趣。朱丽彬等将大卫·库伯的体验学习圈理论应用于Scratch程序设计教学中，有效地激发了学生学习编程的兴趣[5]；袁庆从Scratch究竟能够为学生带来什么出发，表明Scratch在提升学生问题解决能力、创新能力、合作能力、编程能力等方面具有巨大促进作用[6]；凌秋虹为培养学生用程序设计的思维进行思考，提高学生解决问题的能力，将 Scratch 作为编程教学平台引入课堂[2]。通过以上国内外儿童编程研究现状分析发现，儿童编程能力的培养得到很多国家的重视，国内也展开此方面的研究。

面向儿童编程能力的游戏化学习模式构建

1. 儿童编程能力分析

儿童编程能力，即儿童为实现某种预期的效果而使用程序设计语言编程的能力。为了使计算机能够理解人的意图，人类需要将解决问题的思路、方法和手段以计算机能够理解的形式呈现，使得计算机能够根据人的思想去工作，以实现某种功能及任务。

美国为应对21世纪的挑战，提出了“21世纪技能”教育改革的新思想，提议将“21世纪技能”与K12教育体系紧密结合，为基础教育人才的培养提供新的研究范式。面向21世纪的技能被概括为以下几种类型：信息与交流技能、分析与解决问题的能力、生活与职业技能[7]等。这几种技能被认为是21世纪教育改革的基础条件。

结合儿童编程能力的特点和“21世纪技能”，本研究对儿童编程能力的构成要素进行了归纳总结，具体如图1所示。儿童编程能力主要包括基本能力和高阶能力两个部分。其中基本能力主要包括观察、比较、分析/判断、加工信息的能力、动手实践能力、合作意识、创造性思维能力等；高阶能力主要包括算法编程能力、将程序模块化能力、将编程问题数学模型化的能力以及调试程序能力。

（1）基本能力

基本能力是指儿童需要具备处理信息的能力，根据问题的需要，观察信息、比较信息、分析判断信息、加工信息，其中观察和比较信息是儿童能够利用信息的前提；分析信息的能力要求儿童对教师提供的信息进行鉴别、遴选、分析和判断，自觉抵制和消除垃圾信息的干扰和侵蚀，找出有用信息并加以整理；加工信息是组织信息源传递的信息并展示的过程，这是检验儿童信息处理能力的最佳体现。基本能力另一主要能力是解决问题的能力，这项能力是儿童进行学习活动时必备的一项能力，解决问题的过程是儿童进行知识建构和智力发展的过程；动手实践能力倡导儿童积极地动手、动脑，大胆地去思索、探讨，儿童不再是被动接受知识的容器；合作意识使儿童优势互补，提高解决问题的效率；创造性思维能力倡导儿童在已有的经验基础上发现新事物、创造新方法、解决新问题，形成一种良好的思维品质。

（2）高阶能力

算法编程能力：包括常见算法的掌握和算法改进创新的能力，这是从根本上提高编程水平的有效措施。

将程序模块化的能力：化繁就简，化整为零，提高程序的复用率。在设计游戏时应考虑到模块之间的逻辑关系。

将编程问题数学模型化的能力：要善于理清程序中各数据间的关系，找出相互间的关系，建立数学模型，提升儿童的抽象概括能力及逻辑思维能力。

调试程序的能力：编写程序过程中，经常会遇到未知的错误。在发生错误时快速准确发现问题、分析问题、解决问题，是每个儿童在编程活动中应具备的基本技能。

2. 面向儿童编程能力的游戏化学习模型构建

北京大学的尚俊杰副教授认为：“游戏化学习有两种理解，一种是在玩游戏的过程中达到学习的目的，另一种是将头脑中的想法设计成游戏，在这个过程中进行学习活动。”[8]游戏中的“学习性因素”，如情境、问题求解、竞争、关卡、挑战以及玩家与情境间的交互等，对游戏参与者的思维、认知、积极性等方面都起着不可忽视的作用[9]。美国新媒体联盟地平线报告（2016年基教版）把“游戏和游戏化”列为未来一年以内将被广泛应用的学习技术。简言之，游戏化学习就是游戏的机制在教育领域的一种实践形式[10]。

儿童编程能力的培养应该融合在具体的游戏化学习中才能取得成效。编程学习枯燥乏味，儿童在学习的过程中容易丧失学习的兴趣，编程能力的培养也就无从谈起。在对儿童学习特点及认知能力深入分析的基础上，笔者选择游戏化学习作为支持情景学习的方式。游戏化学习，作为儿童学习的一种方式，不仅能够提高儿童的学习热情，而且还可以培养其问题解决的能力。在游戏化学习课堂中，不再以教师讲授为中心，而是以学习者的自主发现和自我体验为主。游戏化学习有两种形式，一种是从玩游戏中学习；另一种是设计游戏，将自己的创意想法转变成游戏[11]。本研究采用儿童设计游戏的方式来开展游戏化学习，构建了面向儿童编程能力的游戏化学习模型，具体如图2所示。

面向儿童编程能力的游戏化学习模型中，儿童、教师和工具三者之间相互影响作用。该学习模型是以游戏化编程学习工具的支持为基础，主要包括学生探究学习、教师辅助指导。

首先，由教师确定学习主题，选择适合儿童进行游戏化编程的游戏。在此过程中，教师需要对学习者进行分析，制定学习目标，调动儿童的学习兴趣；随后，教师提出游戏任务并设置相关问题。与此同时，儿童也在不断地观察问题，在脑海里形成所要探究问题的雏形，在教师的引导下，使问题清晰化，并逐渐形成自己的解题思路。

其次，儿童设计游戏过程中，主要包括问题引入、学习探究、游戏编写、成果展示四个环节。在问题引入环节，儿童主要是对游戏的情景、角色、任务进行构想和设计；在任务及好奇心的驱使下，积极进行自主探究和合作探究，形成解决问题的步骤及方法；在游戏编写过程中，儿童需要进行游戏设计，制作并进行调试；成果展示环节，根据教师和其他儿童的意见或建议，对自己的成果不断进行改错及优化。在设计游戏这一关键环节中，教师须在活动中对儿童进行辅助支持。儿童在探究的过程中对某一知识点理解很难时，教师就需要对问题进行适当的调整。此外，在儿童设计游戏的过程中，教师要对儿童进行学习跟踪及评价。

最后，儿童针对本次的游戏活动设计进行总结反思。在探究性学习活动中，由于儿童能力的差异，有的儿童可能顺利地完成了这个过程，而有的儿童则需要进行反馈修订、发现问题、积极寻找问题的解决方案。教师也要进行总结反思，综合评价学习者在学习活动中的表现，进行知识点总结，并积极引导学生寻找创新解决方案。在整个学习过程中，儿童通过对游戏的分析、设计、实现、优化和分享，螺旋上升循环迭代，加深对编程思维的理解，不断提高自身的编程能力。

儿童编程学习活动案例

在儿童编程学习工具的选择上，笔者选用美国麻省理工学院（MIT）研发的Scratch工具来开展编程活动的学习。选此工具是基于儿童的年龄特点及认知规律来考虑。由于儿童的逻辑思维能力在不断地发展中，相对来讲并不成熟，那么使用成人化的程序设计语言去编程是有一定难度的，尤其是国内的孩子，更是受到来自英语、数学、自然语言以及逻辑思维等多重因素的限制[12]。Scratch工具巧妙地绕开这些困难，利用Scratch平台进行可视化交互操作。下面以“吃鱼游戏”为情景，基于Scratch进行游戏设计，如表1所示。

结束语

通过对儿童编程能力现状以及Scratch游戏化编程应用的梳理，笔者认为，游戏化学习对于儿童编程能力的培养具有极其重要的促进作用。通过利用适合儿童编程的工具，结合儿童的认知特点，开展学习活动，能有效培养儿童编程能力。研究表明，儿童编程能力的提高不仅需要教师的引导，更需要儿童在兴趣的吸引下，不断地进行动手实践。总体而言，这种学习活动设计能够将游戏化学习理论运用到课堂中，不仅有助于儿童编程能力的培养，还有助于提升儿童解决实际问题的能力。

参考文献

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姚鹏阁，颜磊，杨阳，郭光武，郭玉翠. 树莓派教育应用：儿童编程能力培养的新途径[J]. 现代教育技术，2015（10）：113-118.

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（作者单位：首都师范大学教育技术系数字化学习实验室）