不插电编程学习对小学生计算思维培养效果研究

摘要：本研究旨在使用不插电编程产品协助小学生理解程序设计思想并培养其计算思维。通过两学期“不插电编程”特色课教学实验结果可知，采用此种教学模式可以满足学生实践需求，且对于低学段和无编程基础的学生具有较好效果，能够有效培养学生的计算思维。同时，本研究也可作为信息技术教材或硬件设备老旧校的替代教学方案。

关键词：不插电编程；计算思维；小学课程教学

中图分类号：G434" 文献标识码：A" 论文编号：1674-2117（2025）04-0107-04

研究背景

1.政策导向

现阶段，社会对计算思维培养的重要性已达成共识。我国于2017年将计算思维纳入高中信息技术学科核心素养，随后在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中再度声明培养计算思维的意义和价值。因此，基础教育单位要按照国家教育方针和需求对学生计算思维培养给予足够重视，充分利用校内的各种机会和平台提升学生学科核心素养。

2.区域现状

目前，青海师范大学附属实验小学选用的是清华大学出版社2012年编写的系列教材，其中涉及的知识包括信息技术初探、WPS套件、Adobe套件中的部分内容。教学内容整体偏向软件应用，侧重知识与技能层面的培训，对学生信息技术（科技）学科核心素养特别是计算思维的培养有待提升。由新课标可知，1～3年级学生的学习内容主要围绕“信息技术初探”展开，包括信息交流与分享、信息隐私与安全、在线学习与生活三大板块；4～6年级学生应掌握内容主要围绕“数据与计算”展开，包括数据与编码、身边的算法、过程与控制三大板块。新课标中的内容对青海学生而言较为新颖，少部分学生的相关知识储备严重不足，学习起来可能会有一定的困难。因此，笔者以信息技术学科AR特色课程的形式，在备课和讲授的过程中尝试与新课标相对应，以期实现新旧内容的交叠和过渡。

3.学情分析

在教学与教研过程中，笔者发现所在学校的低年级学生对计算机使用尚存在不同程度的困难。尤其是四年级及以下学生，不论是对计算机的基本操作还是应用软件的使用都不太熟悉。经过调查，发现问题主要包括以下三类：对计算机陌生（部分家庭存在限制信息化产品使用的情况）、对校内Win7系统版本陌生（部分学生使用macOS或Win10及以上版本）、对程序代码陌生（部分学生零编程基础）。后两类学生在教师的协助和支持下勉强能够完成学习任务，第一类学生则难以在短期内达到较好的学习效果。而在实际情况中，第一类学生的占比最多，这就对教师引导低年级学生上机练习造成了较大困难。因此，采用不插电编程的形式既可以避免软硬件对低年级学生造成较大的认知负荷，又能够帮助学生尽早了解程序设计思想并培养其计算思维。[1]

研究基础

2023年5月，青海师范大学附属实验中学及小学部申请加入中国教育技术协会“十四五”规划一般课题“基于AR编程的跨学科主题教学策略与成效研究”，同年6月成为课题合作校并获批“AR编程”学习套装数套。同年9月，在校小学部开设特色课“不插电编程基础”，该课以AR技术为基础打造创新型课堂，使信息科技变得立体化、场景化，所学内容涵盖编程知识、计算思维、社会人文等。2023年9月至2024年1月，课程在校内完成了第一轮教学实践，通过对参课学生访谈和与同行交流讨论的形式检验课程成果且均获得正向反馈。故本研究于2024年3月至2024年7月开展第二轮教学研究，旨在探究不插电编程学习对小学生计算思维培养的效果。

文献调研

“Computer Science Unplugged”（不插电的计算机科学）是由新西兰Canterbury大学的蒂姆·贝尔（Tim Bell）教授和两位中小学教师最早应用并推广至世界范围的学习理念。

早些年，国内已有专家学者围绕“不插电”“不插电活动”“不插电学习”“不插电编程”等主题开展研究。笔者在中国知网以“不插电*（计算机科学+编程+学习）”为关键词进行检索，截至2024年4月，得到相关文献共计57篇，剔除无关内容后余45篇，系统中收录的第一篇中文文献发表时间是2014年，最近一篇发表时间为2024年，2021—2023年为相关研究高峰期。目前，在知网中检索到的文献主要依托中小学信息技术课程展开“不插电”教学活动并设计相关研究，研究对象主要聚焦于小学学段学生，也有部分研究针对幼儿园和初中学段学生。

近年来，北京教师任辉等人也在进行“插电与不插电学习方式促进小学生计算思维发展的研究”。其围绕小学三四年级学生开展不插电算法教学，围绕五六年级学生开展插电算法教学，采用自主设计的面向计算思维的教学架构并实施多轮次教学实践研究。实验选用《小学生计算思维量表》中的13道题目检验学生计算思维的发展变化，通过独立样本T检验验证了不插电学习方式对低年级小学生和插电学习方式对高年级小学生提升计算思维和其他能力维度方面的有效性。[2]该研究分别设计了面向小学低年级学段和高年级学段的两种算法教学模式并得出了科学规范的结论，具有较好的实践意义，可供本研究参照。除此之外，上海市教师李晶开发的“基于计算思维的不插电计算机教学模式实践”课例，运用中华传统文化配合“进制转换”这一信息技术学科主题进行讲解，亦达到较好的教学实践效果，且与本研究后续工作具有较强相关性。[3]

研究过程与方法

1.研究过程

利用校内信息技术社团组织实验班小学生参与每周两课时的AR特色课，分别于学期前和学期末使用相关量表进行计算思维状况检测，并对实验班学生不定时访谈以了解其学习收获和存在问题，进而通过学生反馈和实验数据验证不插电编程学习对小学生计算思维培养效果。因社团包括小学全学段学生，故在学期初先利用计算思维前测数据对全班进行分组。分组时以同年级学生为参照确保“组内异质”，即每组均会配给小学高年级和低年级学生、计算思维现状较好和欠发展学生，且尽量确保同班学生不同组；同时，以不同年级学生为参照确保“组间同质”，即每组学生测量所得计算思维平均值大致相当，由此提高学生合作能力，并通过组内互助进一步培养其计算思维。经过两学期的课程教学并根据教具特性和学生反馈，逐渐探索并整理归纳出AR编程特色课教学的一般过程（如表1）。

2.研究方法

采用准实验研究设计和问卷调查法。在通过首轮课程实验验证可行性之后，本研究选用华中师范大学人工智能教育学部张屹教授团队开发的《小学生计算思维量表》中的23道题目检测特色课实验班小学生计算思维的发展变化，其考量范围主要包括创造力、批判思维、问题解决能力、算法思维、合作能力五个维度。[4]

研究结果与意义

1.研究结果

2023年9月至2024年1月，首轮参与“AR编程特色课”的学生共计七组37人（5～6人为一组）。2024年3月至2024年7月，继续参与“AR编程特色课”学习的学生共计七组39人，两轮均参与学生29人，故以29人为初级样本进行计算思维前后测。初级样本中包括一至六年级全学段学生，通过访谈得知，六年级学生已系统学习过图形化编程，故问卷表现较好，一年级学生因识字和问题抽象概括能力较弱，故问卷表现较差，因此剔除样本中一年级和六年级学生共计7人。对样本进一步整理后剔除无效问卷3人份，实际所得有效样本19人份。对19人份数据进行配对样本T检验后所得结果如表2所示。

根据表2中的数据可知，本实验对学生计算思维培养和提升具有正向效果。具体而言，因课程内容均围绕编程与算法展开，经过长期学练学生的算法思维有显著提升；而课程一直是以小组学习的形式推进，在此过程中学生们的合作能力均得到了有效锻炼和提高；课程案例均以生活中的真实问题为背景，引导学生从计算机科学家的视角出发去思考和解决问题，故问题解决技能亦有进步；参照均值，学生创造力略有提高，但经检验可知未有显著差异，可能原因包括创造力作为相对抽象的素养难以表征或短期内无法通过某些学科学习得到系统性提升。教师也会在后续实验设计过程中注意学生创造力的考察与培养，以期探索并证实影响学生创造力的相关因素。

2.研究意义

（1）地域性

目前现有关于“利用不插电编程培养计算思维”的研究大多集中在内地或沿海城市中小学，西北民族地区的相关研究较少，可供参考的文献或案例均有限，故无法得出具有地域特性的实践结果。因此，本研究立足西北，着眼青海，对填补民族地区的相关研究空白具有一定的积极意义和影响。

（2）团体性

通过查阅文献，现有研究的设计偏向于采用传统教学模式，即在固定班额内进行课程讲授与练习，学生以个体的身份参与其中，虽然设计了小组活动但并未贯彻教学全流程。本研究从设计之初就对学生进行了分组，以4～6人为单位开展课程内容的学练，旨在发挥小组学习特色并培养低龄学生的计算思维和合作意识。

（3）跨学段

现有研究基本围绕同一年级学生展开，而本研究的参与对象包括小学全学段学生，既有高年级具有图形化编程学习经验的学生（已有计算思维基础），又有低年级对信息技术暂无概念的学生（计算思维有待开发）。故采用小组学习模式，以“组间同质，组内异质”为分组标准，将跨学段转化为可供教学利用的优势。

（4）项目式

本研究所选用的教学内容为“AR编程套件”，教师只需在其基础之上进行二次加工即可用于课程教学。经过两轮次教学实验研究可知，使用该套件具有较好的实践效果。

总结与反思

本研究目前依然存在一些问题。例如，组内合作不顺利，个别小学高年级学生在组内滥用优势地位、个别小学低年级学生不习惯参与小组任务、少数学生长期搭便车或不配合小组活动等，使得小组学习任务进展缓慢或未能按计划顺利完成；显示设备较少，目前学校可供AR效果演示的设备只有一台，7组学生在完成练习任务后需排队使用设备进行AR验证；周节课时可能会影响学生的学习效果，少数学生经过一周的间隔后对所学内容会产生遗忘或模糊等。针对上述三类问题，教师也提出了相应的解决思路，如：引导学生建立小组合作学习的思路和方法；向学校提出申请，给予显示设备相关物料支持；特色课为每周80分钟，故可以利用课程前15分钟进行旧知回顾，后15分钟进行知识拓展和下节预告，即给予学生更多时间构建知识体系，形成对所学内容的系统性认识，帮助学生克服周课时所造成的遗忘。

按照计划，本研究今后将继续开展小学生计算思维培养效果对照实验。

参考文献：

[1]高宏钰，李玉顺，代帅，等.编程教育如何更好地促进早期儿童计算思维发展——基于国际实证研究的系统述评[J].电化教育研究，2021，42（11）：121-128.

[2]任辉，刘月华，李岩，等.插电与不插电学习方式促进小学生计算思维发展的研究[J].中国现代教育装备，2023（24）：42-44+47.

[3]李晶.基于计算思维的小学不插电计算机教学模式实践[J].中国信息技术教育，2020（09）：40-43.

[4]张屹，莫尉，张岩，等.我国小学生计算思维量表研发与应用[J].中国电化教育，2020（10）：49-57.