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面向小学低年级学生计算思维培养的实体编程教育研究

随着信息科技的迅猛发展和社会对计算能力的需求日益增长，计算思维成为现代教育领域中的关键概念。经检索文献发现，我国对于计算思维培养的研究主要集中于小学中高年级及以上，对低年级学生的研究较少，一些教师对此存在困惑。低年级学生是否需要培养计算思维？何种教育方式有益于培养其计算思维？在教育过程中可以采用什么样的教育策略？本文就这些问题展开相关论述。

一、小学低年级学生计算思维培养的必要性

（一）计算思维已成为新时代学生的必备能力

国内外学者从不同的角度阐述了计算思维所涵盖的内容，其中较为典型的是周以真教授将其概括为“利用计算机科学的概念解决问题、设计系统和理解人类行为”的一种方式。塞尔比（Selby）描述了计算思维过程包括算法思维、评估、分解、抽象、概括这五个核心要素。美国国际教育技术协会（ISTE）将计算思维分为创造力、算法思维、批判性思维、问题解决能力、合作及交流技能。经对上述概念的比较与分析，本文认为计算思维是对问题逻辑分析、问题分解、给出详细的解决方案、设计相应的算法实施以及反思与优化的思维过程，包含分解思维、抽象思维、程序化思维、迭代思维及概括评估思维五个核心要素。可见，计算思维涉及范围广，影响着人们发展的方方面面。

虽然目前计算思维还没有完全统一的定义，但随着社会对人才培养需求的变化，其重要性日益凸显，且受到各国的高度重视。国外对计算思维教育的研究较早且较为成熟。2011年起，美国、澳大利亚、英国、芬兰、新西兰、韩国等国家先后发布相应政策文件，大力推动K-12阶段计算思维教育，一些国家甚至将计算思维作为一门国家级课程。近年来，我国也意识到计算思维培养的重要性。2017年，中国计算机学会中小学计算机教育发展委员会指出，应从小培养学生的计算思维[1]；2022年4月，《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》发布，其中将计算思维作为学科核心素养之一，并明确提出计算思维在各个年级的培养目标。可见，被视为“21世纪新素养”的计算思维，已成为继读、写、算之外每个数字时代青少年都必须具备的一项关键能力[2]，其发展培养已成为当前中小学教育领域的一个重要目标。

（二）小学低年级阶段学生计算思维处于迅速发展时期

我国计算思维教育的培养对象最早主要集中于高等教育阶段的大学生。随着高中信息技术课标以及义务教育信息科技课标的发布，其教育培养对象逐渐转向中学生及小学高年级学生，但是对于小学低年级学生却不够重视。

对此，一些专家学者对低龄儿童的计算思维发展进行了相关研究。孙立会教授通过对五个省市的小学生开展横向调查实验，指出小学低年级学生计算思维发展表现突出，特别是二年级，速率提升高于平均发展趋势线[3]。高宏钰教授指出，计算思维在低龄阶段具有显著的年龄差异，低龄儿童的计算思维处于迅速发展状态[4]。李宏扬等学者在研究中指出，低龄学生可塑性较强、思考问题方式独特、有较强的探索欲望，在此阶段更容易建立起计算思维方式，且建构起一种高效能、低成本、可持续的计算思维培养系统，有利于发展更高阶的思维能力[5]。经合组织（OECD）也提出，我们应该帮助幼儿从小建立计算思维，从而使他们能够有意义地参与数字环境，并以创造性的方式使用数字技术[6]。

低龄阶段是学生智力迅速发展的重要阶段，也是各种行为习惯养成的关键时期。从上述研究可见，小学低年级学生发展计算思维是非常必要且十分重要的，教育培养应抓住低龄学生这一关键阶段，且要从中高年级逐渐延伸扩展到小学低年级和早期教育[7]。

二、实体编程对培养小学低年级学生计算思维的优势分析

（一）编程教育成为计算思维培养的主要方式

对于计算思维培养，大多数研究者认为编程教育具有较大优势。多召军等人以30名小学生作为研究对象，开展了为期5周的教学实验，发现学生的计算思维水平在5周的编程学习之后有了显著的提升[8]。张银荣等人采用元分析方法，量化分析了国内外32项利用协作编程培养学生计算思维的相关研究，结果表明利用编程合作完成任务能够显著提升学生的计算思维水平，且中小学段效果更佳[9]。國外学者莱伊（Lye，S.Y.）等人分析了27篇基于编程的计算思维培养实证研究，发现大中小学生均可采用编程的方式培养计算思维[10]。以上研究表明，在计算思维培养方面，编程教育以其特有的逻辑思维和创新能力培养的潜能成为使用最多且至关重要的方式[11]。

（二）实体编程更加适合于小学低年级学生计算思维培养

随着编程教育的发展，其教育形式趋于多样化。目前，小学常见的编程教育有文本编程、图形化编程和实体编程[12]。还有一种存在分歧的不插电编程，它与实体编程之间的界定目前仍无统一定论，本文不做论述。

表1简要概括了小学常见的三种编程类型及特征，下面结合小学低年级学生认知发展特点以及数字化学习与创新的要