编程教育活动对大班幼儿执行功能发展的影响

时绍轩 边霞 * 徐程 孙悦含 方诗琪

(1 武汉市江汉区芸尚幼儿园，湖北武汉，430023）（2 南京师范大学教育科学学院，江苏南京，210097）（3 南京师范大学金陵女子学院，江苏南京，210097）（4 湖北第二师范学院教育科学学院，湖北武汉，430205)

执行功能指在完成复杂的认知任务时，对各种认知过程进行协调，以保证认知系统以灵活、优化的方式实行特定目标的一般性控制机制。〔1〕当前学界普遍认为，执行功能包含三种既相互独立又紧密联系的成分：抑制控制、工作记忆、认知灵活性。〔2，3〕执行功能在幼儿的学习和生活中扮演着重要的角色，与其身体健康、学业成就表现、生活质量等多方面密切相关。〔4-7〕学龄前是个体执行功能快速发展的时期，〔8〕具有较大可塑性。根据该阶段幼儿的特点开展优质的教学活动或干预训练，具有促进幼儿学习能力和执行功能发展的双重价值，如体育活动（足球、跆拳道等）、正念训练、音乐训练、蒙台梭利课程等已被证明对幼儿执行功能子成分的发展具有一定促进作用。〔9-13〕

除了传统的幼儿教育活动外，已有研究还关注到引入新技术工具的早期教育活动对执行功能发展的影响。面向智能时代，编程能力被视为适应未来社会发展的重要能力之一。作为人工智能启蒙教育的重要部分，〔14〕编程教育正逐渐向学前教育阶段延伸。迪里托等人研究发现，愉快且富有挑战性的教育机器人活动有利于改善5—6 岁幼儿的视觉空间工作记忆和抑制运动反应。〔15〕芭芭拉等人则发现，编程学习对5—6 岁幼儿的抑制控制以及计划能力具有促进作用。〔16，17〕以上研究结果也得到了脑神经科学研究的支持，如瑞恩等人发现，编码过程涉及更多大脑右半球的工作，其中就包括注意力控制、工作记忆、计划和空间认知等与执行功能密切相关的神经区域。〔18〕另一项功能性磁共振成像的研究也发现，与专家相比，初学者在接触编程时会更多地激活右半球，涉及更多的视觉空间加工过程，〔19〕也就是说编程启蒙对幼儿执行功能的促进效果可能更为显著。然而，幼儿编程和执行功能的相关研究还处于探索阶段，研究结果存在不完全一致的情况。如部分研究发现幼儿的编程技能与工作记忆之间的测试得分不存在显著相关，〔20〕可编程机器人活动并不能促进幼儿视觉记忆能力的提升。〔21〕此外，已有研究仅考察了编程活动对工作记忆和抑制控制部分子成分的影响，编程活动对认知灵活性子成分的影响还存在研究空白。对于编程活动能否有效促进执行功能各子成分的发展、如何有效发挥编程活动对执行功能发展的促进作用、国内外的研究结果是否一致等问题，仍需更多实证研究的探索。

基于此，本研究通过追踪研究的实验方法，检验编程教育活动对大班幼儿执行功能（工作记忆、抑制控制、认知灵活性）的影响，探寻早期编程教育的价值，以期为学前教育阶段编程教育实践活动的开展及幼儿执行功能的干预提供一定的理论依据和实践支持。

一、研究设计

1.研究对象

按照方便取样的原则，本研究选取了南京市某公立幼儿园两个大班的幼儿作为研究对象。幼儿此前均未接触过编程活动。随机指定一个班为实验班，另一个班为对照班。基本情况见表1。所有被试无智力障碍、精神障碍及严重的躯体疾病。

表1 研究对象基本情况

2.研究工具

本研究采用早期儿童评估工具包（Early Years Toolbox，EYT）评估幼儿的执行功能。这是由霍华德、梅尔惠什及其团队开发的一套平板电脑应用程序，能够通过简短的、引人入胜的、游戏化的任务设置获得学龄前儿童在自我调控、语言、执行功能、社会发展等方面的发展情况。〔22〕本研究选取该工具包中的三项测试任务——蚂蚁先生（Mr.Ant）、小鱼-鲨鱼（Go/No-Go）、卡片分类（Card Sorting），用来测量幼儿执行功能的三个子成分，即工作记忆、抑制控制和认知灵活性能力，分数越高，则表示执行功能能力越强。

3.活动设计

本研究中的幼儿编程教育活动指以具有年龄适宜性的可编程机器人为载体，支持幼儿自主参与、积极思考、动手操作以初步了解和掌握编程基础、发展编程思维的集体教学活动。编程教育活动包括基础和深化两个阶段。基础阶段的活动内容简单，任务明确，目标在于帮助幼儿熟悉编程工具的软件和硬件部分，初步掌握编程工具的基本操作方法。深化阶段的游戏任务难度升级，主要涉及重复循环程序的设计、编程问题的分解和程序的调试，对幼儿思维的灵活性和学习品质各个方面都提出了更高的要求。编程教育活动的具体内容如表2 所示。

表2 编程教育活动内容

4.实验流程

本研究采用准实验研究的方法，以研究者设计的编程教育活动为自变量，执行功能为因变量，纵向追踪编程教育活动对大班幼儿执行功能的影响。正式实验过程包含执行功能测评和编程教育活动实施两个部分，实验流程见图1。本研究共对实验班和对照班全体幼儿完成三次执行功能测评，分别是前测、后测、追踪测，每次测评的间隔时间为8 周左右。执行功能测试由研究者本人一对一施测，在幼儿园安静的活动室内进行。指导语由编程工具系统自动播放，且每个活动前都有相应的练习任务。每个测试游戏结束后，系统自动计算出得分，由研究者记录分数。

图1 实验流程

实验班幼儿按照每周1 次的频率，每次40—50 分钟，不间断地参加8 次编程教育活动。对照班则执行原本幼儿园的活动安排，不进行编程相关主题的教育活动，实验班和对照班除实验内容外，其他教育教学活动保持一致。

5.统计方法

所得数据使用统计软件（SPSS22.0）进行处理。实验班和对照班幼儿的工作记忆和抑制控制得分均为连续性变量且符合正态分布，可使用重复测量方差分析检验编程教学活动对大班幼儿工作记忆和抑制控制发展的影响及长时效应。实验班和对照班幼儿的认知灵活性得分不符合正态分布，则运用广义估计方程检验编程教育活动对大班幼儿认知灵活性发展的影响及长时效应。

二、研究结果

首先，对两组幼儿的执行功能各子成分的前测、后测、追踪测得分进行描述性统计分析，结果见表3。

表3 两组幼儿执行功能测试任务得分的描述统计（M±SD）

其次，为进一步考察编程教育活动对幼儿执行功能各子成分，即工作记忆、抑制控制和认知灵活性的影响，采用重复测量方差分析和广义估计方程分析组别因素和时间因素对幼儿执行功能各子成分的影响效应。

两组幼儿工作记忆测试任务得分的重复测量方差分析结果显示，组别与时间的交互作用显著（F=3.217，p＜0.05）。简单效应分析发现（见图2），在前测中，实验班与对照班幼儿的工作记忆得分不存在显著差异（p=0.871＞0.05）；在后测中，两组幼儿的工作记忆后测结果存在显著的组间差异，实验班幼儿工作记忆的后测得分显著高于对照班（p=0.010＜0.05）；在追踪测中，虽然实验班幼儿的工作记忆得分仍然高于对照班幼儿，但不存在显著的组间差异（p=0.314＞0.05）。

图2 两组幼儿工作记忆三次测试得分变化趋势

两组幼儿抑制控制测试任务得分的重复测量方差分析结果显示，组别与时间的交互作用显著（F=1.512，p＜0.05）。简单效应分析发现（见图3），在实验班与对照班幼儿的抑制控制前测得分不存在显著差异的情况下（p=0.973＞0.05），两组幼儿的抑制控制后测和追踪测结果存在显著的组间差异，实验班幼儿抑制控制的后测和追踪测得分均显著高于对照班（p=0.024＜0.01，p=0.000＜0.001）。

图3 两组幼儿抑制控制三次测试得分变化趋势

以认知灵活性测试得分为因变量，以组别和时间因素为自变量建立广义估计方程。工作相关矩阵采用独立（Independent）结构，联接函数采用线性模型，准似然独立准则值（QIC 值）为358.412。结果显示，时间差异显著（瓦尔德卡方值＜Wald χ2＞=50.077，p=0.000＜0.05），说明幼儿的认知灵活性有随时间的改变而显著增长的趋势。组间差异显著，说明对照班与实验班幼儿的认知灵活性得分存在显著差异（瓦尔德卡方值＜Wald χ2＞=6.174，p=0.013＜0.05），结合95%的置信区间来看，实验班幼儿的认知灵活性测试得分显著高于对照班幼儿。时间与组别的交互作用不显著（瓦尔德卡方值＜Wald χ2＞=1.377，p=0.513＞0.05）。如图4 所示，两条均值变化曲线平行，实验班幼儿的认知灵活性后测及追踪测得分显著高于对照班幼儿。

图4 两组幼儿认知灵活性三次测试得分变化趋势

三、讨论与分析

本研究发现，在前测得分无显著差异的情况下，实验班幼儿执行功能各子成分的后测得分均显著高于对照班幼儿。随着时间的推移，实验班幼儿抑制控制和认知灵活性的追踪测得分仍然显著高于对照班幼儿，但实验班幼儿工作记忆的追踪测得分与对照班幼儿相比不存在显著差异。这说明，编程教育活动能够有效促进大班幼儿执行功能各子成分的发展，且对抑制控制和认知灵活性的影响具有长时效应。

戴蒙曾提出两种执行功能提升的机制，一种是指向工作记忆、抑制控制、认知灵活性训练的直接路径，另一种则是通过降低个体压力、增加乐趣、建立自信来促进个体执行功能发展的间接路径。〔23〕在执行功能发展的影响因素中，认知因素和情绪情感因素也常被研究者提及。因此，可以从认知、情绪情感层面来讨论编程教育活动促进幼儿执行功能发展的成因。其一，编程活动能够充分调动幼儿执行功能的参与，并不断对执行功能提出挑战。已有研究归纳总结了各种执行功能有效干预活动的共性特征，其中一条提出个体在需要运用执行功能的活动中获益更多。〔24〕具体到编程活动中，幼儿在完成编程游戏任务过程中，既要在视觉空间模板中存储加工动态变化的指令符号、地图等相关的视觉信息，还要实时观察机器人的反应，进而调节编程程序，实现执行功能各系统之间的动态交互。编程教育内容设计遵循循序渐进的原则，从简单的指令卡排序再到复杂的重复指令排序，由较短路线的任务再到较长路线的任务，由易到难的编程学习内容不断提出递进性的新问题，避免幼儿对编程操作的自动化加工，从而有助于其执行功能的发展。其二，编程教育活动所创设的支持性、无压力的活动氛围能够让幼儿感到安全与愉悦，这也是促进幼儿执行功能发展的重要因素。已有研究结果显示，积极情绪可能促进言语工作记忆的表征刷新、〔25〕任务转换，〔26〕使个体表现出更好的执行功能。借助编程活动可“修修补补”的特点和犯错修复成本低的优势，〔27〕编程教育活动设置了幼儿独立探索环节，为幼儿提供充足的时间尝试体验、修复错误，并给予正向的反馈，让幼儿能够在宽松的氛围中冷静思考并解决编程问题。

此外，本研究还发现，编程教育活动对大班幼儿工作记忆子成分的影响效果随着时间的推移逐渐减弱。与后测时实验班与对照班幼儿工作记忆子成分得分的差距相比，追踪测时两组幼儿的工作记忆得分差距缩小，干预的长时效应不明显。已有研究发现，工作记忆训练项目在短期内显著改善了临床样本工作记忆技能，但在训练结束后的几周内，工作记忆技能的改善并没有得到保持。〔28〕这可能是由于个体运用工作记忆时涉及各类信息处理，所需调动的心理资源更多，因此需要更长的干预时间才能获得明显的提高。而本研究中相对较少的活动次数以及相对较长的间隔时间在一定程度上限制了编程教育活动对幼儿工作记忆能力促进作用的发挥。后续研究可对编程活动干预的适宜强度和持续时长进行更深入的探讨。

四、教育建议

本研究通过准实验研究的方法探究了8 周编程教育活动对大班幼儿执行功能的影响。研究结果表明，编程教育活动能够有效促进大班幼儿执行功能各子成分的发展，其中对抑制控制和认知灵活性的影响具有长时效应。基于以上结论，研究者提出以下教育建议。

1.重视早期编程教育的价值，因地制宜地开展编程活动

幼儿园可因地制宜地开展编程教育，给予幼儿更多参与编程实践的机会，发挥编程教育的赋能价值。有条件的幼儿园可以借助实体编程工具，以区域活动或集体教学活动等多种形式组织编程活动。在不具备计算机化编程条件的情况下，教师也可充分发挥教育机智，就地取材，结合流程图、表格等易获取和制作的材料，将刷牙、洗手、购物等日常生活内容设计成算法游戏，通过不插电编程和纸笔编程的实施方式为幼儿参与编程创造机会。〔29〕以购物游戏为例，教师可和幼儿一起设计、制作超市场景方格地图，并设计“根据指令找物品”“根据路线写指令”等任务，用于开展编程游戏。

2.创设愉悦的、支持性的、公平的执行功能友好型环境

已有研究表明，情绪情感、身体健康对认知功能的影响在执行功能上最为明显，当个体感到孤独、悲伤、压力大或身体不适时，与执行功能密切相关的脑神经系统——前额叶皮层和额叶皮层会首当其冲，从而干扰个体的思考和判断。〔30〕相反，当幼儿感到放松、愉悦时，会更加积极地、主动地参与活动并为之付出努力。基于此，在提升幼儿执行功能的编程教育活动或其他多样化活动中，要重视幼儿的情绪情感体验，为其创设执行功能友好型环境。首先，执行功能友好型环境应该是愉悦的，教师可发挥游戏的作用，采用游戏化的教学策略，寓教于乐；其次，执行功能友好型环境应是支持性的，能包容幼儿的错误，同时鼓励、指导幼儿尝试用不同的方式解决问题；最后，执行功能友好型环境应是公平的，能尊重幼儿发展的个体差异性，为幼儿提供个性化指导，努力使每一名幼儿有所收获和成长。