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王琳 耿凤基 李艳:编程学习与儿童认知发展关系的探讨

更新时间:2022-06-09 00:57:34
作者: 王琳   耿凤基   李艳  

   内容提要:随着编程课程渗入到学前教育当中,研究者开始探究编程学习对学前儿童认知发展的影响及机制。本文通过对已有文献的分析发现,编程学习可显著提升学前儿童的认知控制、工作记忆等基础认知能力,并促进问题解决、创造力等高阶认知能力的发展,还对数学与语言学习绩效具有提升效果。未来早期编程学习研究还需从设计、工具、研究系统性和其他影响因素等层面进行变革,揭示编程学习影响认知发展的机制,为开展儿童编程教育提供科学依据。

  

   关 键 词:学前儿童  编程学习  认知发展  preschool children  coding learning  cognitive development 

  

  

   1 引言

  

   随着科学技术的飞速发展,计算机等电子设备与人们的关系日趋密切,与计算机紧密相关的编程能力正逐渐成为21世纪人们的重要素养。编程学习是培养学习者编程能力的主要途径,除此之外,它还能激发学习者今后从事与科学、技术、工程、数学相关职业的兴趣,为未来的劳动力市场提供所需的人才(K-12 Computer Science Framework Steering Committee,2016)。因此,编程学习成为了新时代背景下教育和心理领域的一个研究热点,受到研究者和各国教育部门的重视。

  

   在国家政策的推动之下,编程学习日益普及,学习者群体逐渐从成人和青少年扩展到学前儿童。在英美等发达国家,政府积极鼓励学前儿童参与到编程学习中。例如美国计算机科学协会携手多个教育机构发布的《K-12计算机科学框架》(K-12 Computer Science Framework),描述了学前计算机科学教育的主要框架(K-12 Computer Science Framework Steering Committee,2016;赵中建 & 周蕾,2017)。英国教育部宣布儿童从5岁起可接受计算机教育(Department for Education & Truss,2013)。在亚洲,日本、新加坡等国家也启动了针对学前儿童、小学生的编程学习项目(Digital News Asia,2015;日本文部科学省,2019)。我国同样倡导从小培养信息意识和计算思维(中国教育报,2017)。政府建议在中小学阶段逐步推广编程教育,将编程学习作为综合实践活动的主要方式之一(中华人民共和国教育部,2017)。在国家信息化教学实验区,将编程课程作为课程改革的组成部分(中华人民共和国教育部,2020)。在国家政策的推动下,编程课程不仅进入了学校、幼儿园等正规教育体系,也受到校外培训机构的重视,在社会上形成了较为广泛的影响力(孙丹 & 李艳,2019;王叶,郭培才,陈炎辉,戴程,2018)。

  

   开展早期编程学习对人才培养具有重要意义,已被纳入国家层面的战略规划(Bers,2018;孙丹 & 李艳,2019)。然而,早期编程教育作为数字时代的产物,在发展过程中也存在着值得思考的问题。例如,学前儿童的认知发展处于一个快速发展的时期,编程学习会对认知发展产生怎样的影响,需要进一步的探讨。本文旨在阐述学前编程学习的内涵与特点、儿童认知能力发展的特点,并揭示早期编程学习对儿童认知发展产生的影响,以期为未来学前编程教育的开展提供借鉴。

  

   2 学前编程学习的内涵及特点

  

   学前编程学习的内涵最早由Papert(1980)提出,他认为编程学习是一个促进儿童发展问题解决、团队合作、坚持性、逻辑数学思维、抽象思维和创造力等能力的过程。随着人们对学前编程学习研究的深入,其内涵也得到了丰富和发展。从计算机和机器语言等学习媒介的角度出发,编程学习是一种学习使用机器语言向计算机输入指令(Manches & Plowman,2017),并最终解决问题的过程(郁晓华,肖敏,王美玲,陈妍,2017)。从知识建构的角度分析,学前编程学习可视为获得编程概念和过程性知识的过程(Scherer,Siddiq,Viveros,2019)。概而言之,编程学习是一个借助电子媒介掌握编程概念和知识,最终解决问题,促进各方面能力发展的过程。

  

   编程学习研究中常提及“计算思维”一词,参与编程学习与培养学习者计算思维之间有着密切的联系(Scherer et al.,2019)。为进一步解析编程学习的内涵,有必要对编程学习与计算思维的关系进行一个简单的梳理。计算思维是人们利用计算机科学的基本概念去解决问题或设计系统,理解人类自身行为的一种思维方式(Wing,2006)。编程学习不仅是培养和发展计算思维的重要途径,也是评估计算思维的重要方法(Bers,Flannery,Kazakoff,Sullivan,2014;Flórez et al.,2017;Grover & Pea,2013;陈鹏,黄荣怀,梁跃,张进宝,2018;陈育贤,2019;陈鹏,黄荣怀,梁跃,张进宝,2018;蒋小涵,2020)。总之,个体的计算思维水平在编程学习中可得到提高(Tang,Yin,Lin,Hadad,Zhai,2020)。

  

   不同年龄的学习者具有不同的学习特点。根据低幼儿童的年龄特征,学前编程学习呈现出具象性、游戏性和迁移性三方面的特点。具象性是指学前期儿童在进行编程学习时,编程学习工具和内容是具体形象的。学前编程学习多使用机器人、指令块等实物编程(tangible user interfaces,TUIs)工具(Sapounidis & Demetriadis,2013)。内容的具象性主要体现在学前儿童通过刷牙等实例了解算法在日常生活中的应用(K-12 Computer Science Framework Steering Committee,2016)。其次,学前编程教育的迁移性体现在编程教育的效果具有迁移作用。元分析及其他实证研究的结果表明,编程学习不仅能发展儿童的编程能力,对认知控制、记忆、创造力、问题解决等能力也有迁移效应(Di Lieto et al.,2017;Fessakis,Gouli,& Mavroudi,2013;Scherer et al.,2019)。这些迁移效应的产生可能主要源于在编程学习过程中,认知控制和记忆等认知能力发挥着重要的作用。最后,游戏是儿童的基本活动形式,也是学前教育区别于中小学教育的显著标志(教育部基础教育司,2002;刘焱,2008)。因此,学前编程学习也体现出游戏性这一特点。具体地看,编程学习从角色定位到情境创设都以游戏的方式贯穿始终。儿童既是学习者,又是游戏中的角色,学习过程同游戏过程融为一体。

  

   3 学前儿童认知能力的发展及其在编程学习中的作用

  

   学前儿童的多种认知能力呈现出快速发展的特点。其中,认知控制和情景记忆能力的发展尤为显著(Erb & Marcovitch,2019;Geng,Canada,Riggins,2018)。认知控制是指运用计划、监测和控制等认知技能达成目标的能力(Akshoomoff,Brown,Bakeman,Hagler,2018;Erb & Marcovitch,2019),主要包括前摄性控制和反应性控制两种类型(Braver,Gray,Burgess,2007;Braver,Paxton,Locke,Barch,2009)。伴随大脑的快速发育,认知控制能力也得到发展。情景记忆是指儿童对事件及与其伴随的背景信息的记忆(Geng et al.,2018;Riggins,2014),其发展特点也与海马结构及功能上的不断成熟存在密切关系(Riggins et al.,2018)。

  

   在进行编程学习时,认知控制和记忆会参与其中。例如,儿童需要根据具体编程任务想象和计划问题解决的方案,这一过程涉及情景记忆和认知控制能力(Kretschmer-Trendowicz,Schnitzspahn,Reuter,Altgassen,2017)。随后,儿童可能会持续使用认知控制能力监测和调整原有方案。监测表现为儿童根据指令检查机器人的行进路线;调整表现为机器人偏离路线时,儿童对错误指令的修正。在监测和调节过程中,记忆建立起了指令与路线之间的关联(Di Lieto et al.,2017)。因此,认知控制和情景记忆这两种重要的认知能力在编程学习活动中发挥着重要作用(D'Autume,Ruder,Kong,Yogatama,2019;Espy et al.,2004;Newcombe,Lloyd,Ratliff,2007;Senn,Espy,Kaufmann,2004;Zhang et al.,2020)。以下,我们将探讨学前编程学习对儿童认知控制、记忆及相关认知学习能力发展的影响。

  

   4 学前编程学习对儿童认知发展的影响

  

   早在1980年,Papert就将编程学习看作一种可能改变和提升人们学习、思考方式或能力的工具(Papert,1980)。这个领域多年的研究支持了Papert的观点,即发现编程学习对儿童认知发展确实有益(周进,安涛,韩雪婧,2018)。元分析结果表明,编程学习对认知发展存在中度的正向迁移效应(Scherer et al.,2019)。本文梳理了学前编程学习对儿童认知发展影响的研究。在检索到的19篇相关文献中,关注认知控制等基础认知加工过程的研究共4篇,约占16%;探讨问题解决、创造力等高阶认知能力的11篇,约占42%;聚焦数学和语言能力的11篇,约占42%。认知控制、记忆是个体的基本认知能力,支持人类各种复杂的认知加工活动(Blair,2002;Meltzer,2018)。例如,认知控制和记忆能力与个体在问题解决过程中体现出的创造力紧密相关(Ahrari,Gargari,Abdollahi,Porkar,Yousefi,2018)。这些基本和高阶认知能力会最终影响个体的学习能力及学业成就(D'Autume et al.,2019;Espy et al.,2004;Senn et al.,2004;Zhang et al.,2020)。因此,下文将从基础认知能力、高阶认知能力及认知学习成效三方面阐释编程学习对认知发展的影响。

  

   4.1 编程学习对儿童基础认知能力的影响

  

编程学习对儿童的认知控制、工作记忆等基本认知加工过程有提升的作用。根据信息加工理论,认知加工过程涉及认知控制、反应抑制、工作记忆等。以往的研究表明,编程学习能促进上述能力的发展。例如,使用机器人进行6周的编程干预之后,儿童的视觉-空间工作记忆、抑制能力和编程能力能得到显著提升(Di Lieto et al.,2017)。通过Code.org平台进行4周的编程学习,不仅能提高一年级小学生的编程能力,还可促进执行功能的发展(Arfé,(点击此处阅读下一页)


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本文责编:陈冬冬
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文章来源:《应用心理学》 2021年第3期
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