儿童编程与小学科学融合教学：基于Scratch的模式构建

概括

[摘要]少儿编程教育与基础课程的融合已成为编程教育领域的重要研究课题。将少儿编程教育融入学科教学，是转变和重塑计算教育理念的新尝试。也是推动和普及少儿编程教育的一项创新举措。也有利于编程教学与学科知识的协调发展。 Scratch 拥有简化的算法、丰富的媒体图像空间、自上而下、分而治之的修复概念，以及自由的设计、构建、沟通和协作环境。它已经成为“用编程来学习”的首选媒介。基于此，文章以设计研究为设计原则，以4P学习法为理论基础，以小学科学内容为例，构建少儿编程与学科融合的教学模式，以丰富和优化小学科学知识。学校科学探索教学方法 推广形式多样的少儿编程教学。

[关键词] 少儿编程教育；划痕;小学科学；教学模式

人工智能时代的到来对教育提出了更高的要求。 Seymour Papert 在 20 世纪 60 年代创建了 Logo 语言，其愿景是通过计算机环境改变儿童的认知学习，但在此后的十年里，编程几乎从 K-12 计算机教育中消失，取而代之的是文字处理等实用技能。当时互联网搜索更有价值。随着智能教育时代的到来，编程教育不仅是为了满足未来就业和社会需求，更注重“编程赋能”的价值。孩子们通过编程学习培养的思维能力、同理心、沟通协作精神可以填补学校教学的许多空白。可视化编程语言的出现重新唤醒了人们对教育编码的兴趣，编码不是作为一种工具，而是作为培养其他技能以提高学生动机和成果的媒介。正如 Mitchell Resnick 所说，孩子们不是在学习编码（Learn to Code），而是“Code to Learn”。他们将编程视为一种新的表达方式，而编程也可以作为学习其他学科的媒介。因此，将编程融入少儿基础课程已成为当前和未来的一大研究趋势。

一、少儿编程教育融入学科的必要性

（一）认知视角：变革重塑计算教育理念的新尝试

课堂上对新技术的接受和发展一直是缓慢而犹豫的。尽管教师们已经意识到计算机教育的重要性并为此做出了努力，但效果并不理想。也许我们应该做的是改变计算教育的观念。计算机赋能教育、信息技术与课程的融合等是研究者经常讨论的话题。然而，在智慧教育时代的期待下，它们可能会表现出许多不适应。首先是主观分离。教育者在意识和实践上并没有真正将计算机教育与传统学校教育同等对待。计算机只是赋能，也就是说，它们处于互补的地位。这种情况在教育信息化覆盖率较高的国外课堂上也存在。英国皇家学会曾做过一项全球调查，结果显示，一些国家中小学计算机课程遭到严重“废弃和挤压”；第二，主题错位。计算机辅助教学就是计算机给孩子编程，让计算机给孩子编程。 。少儿编程教育的目的就是让孩子能够对计算机进行编程，将自己的想法和设计融入到计算机程序中。因此，要改变和重塑传统的计算机教育理念，我们应该认识到，计算机教育在课堂上普及的障碍，并不是由高难度的技术排斥人所决定的，而是由人们不愿意对其进行投入所决定的。

帕普特一生都在推广他所希望的计算机辅助文化。 Logo语言在学校已经存在多年，但编程教学作为“形式”和“展示”的现象依然存在。他认为，是因为学校在推动技术教育方面“胆怯、犹豫”，“保守”的教育界可分为“学者型”和“渴望型”两种类型。 “学者型”认识到当前教育中潜在的问题，但只关注短期紧急事件； “有抱负型”在此基础上不断尝试改善现状，但不得不承认科技并没有给学校学习带来革命。性变化。学习型社会就像桑巴舞团的表演。它有一定的组织架构和专业指导，但最终的结果是舞者自己创造的。在相对自由开放的情况下，他们表现出了极大的热情和学习意愿，表演的效果既专业又创新，也充满了对当代政治、文化、生活的隐喻。但学校忽视了计算机的广泛功能，将它们作为教育的附加部分与学习过程隔离开来，而它们在学校中的真正地位应该像书本、笔和纸一样无处不在。技术是教育中不可或缺的元素。或许应该这样说：未来最大的挑战永远不是科学技术，而是人类认知观念的变化。

（二）方法观：推动普及少儿编程教育的创新举措

作为继奥数、英语之后我国少儿教育市场的“最后一块蛋糕”，少儿编程教育吸引了无数市场和资本争相注入。然而，编程教育在学校的普及，无论是作为信息技术还是作为科学课程，都没有达到理想的预期。

西班牙国立远程教育大学的研究人员选取了多所学校五、六年级的学生进行为期两年的教学跟踪，探究学生在科学、艺术等课程中的学科表现、计算思维能力和学习情感。刮擦教学环境。变化。结果表明，参加教学活动的学生在这些方面的成绩都有显着提高。西班牙胡安卡洛斯国王大学的研究人员将Scratch引入小学四五年级英语课堂，并与传统教学课堂进行对比研究。经过一个学期的教学活动，他们发现教Scratch的小组英语成绩提高较多，对计算机的理解也更加深入。更加积极的教学态度。日本文部科学省于2018年颁布《小学学习方针》，将编程教育定为小学必修课，将编程思想与小学课程内容相结合，设计了大量的教学实践案例在小学推广实施。发展中国家教育信息化改革和发展可能面临更加严峻的挑战。巴西圣卡塔琳娜联邦大学的研究人员让五年级小学生通过Scratch学习历史知识，从而提高了学生的学习兴趣，缓解了学校计算机课程不足和专职教师不足的问题。因此，探索将少儿编程教育融入学生基础课程的理论支撑和实践路径，是编程教育“落后”国家推进编程教育的快车道。是我国推进少儿编程教育值得借鉴的重要形式。我们现在需要的不仅仅是一种理念和形式，更多的是一种氛围和情境。形式更多的是一种“渲染和陪衬”，但不可否认的是，使用这种方式可能会获得更多的理解。只有舆论高度认可，少儿编程教育才能获得其真正的​​教育地位，并获得后续发展。

（3）工具视角：帮助编程教学与学科知识协同

国际上对儿童编程教育的研究不断深入，研究人员更加关注编程的“赋能”特性，即编程环境对儿童高阶思维能力和其他课程学习的提升。 Papert和Edith Harrell指出，编程学习具有“反身”效应，即一起学习其他领域的编程和逻辑知识比单独学习各个领域更容易、进步更快。 。土耳其研究人员探索了儿童使用 Scratch 创建游戏项目的情况，以验证这种干预对学生概率学习的影响。结果表明，基于Scratch的游戏创作教学对学生概率知识的学习成绩有统计上显着的提高。编程学习方法与逻辑学科知识的学习在持续协作集成中“互为成就”。

编程教育主要利用适合儿童年龄发展的简化编程工具，帮助孩子掌握计算机科学知识，培养理论思维能力。编程的魅力不仅仅在于编码，更重要的价值体现在解决问题的过程和思维能力的延伸，以及学习者观察、反思、结构思维等无形技能的培养。过程。这些技能不仅是优秀程序员的必备技能，也是每一个优秀学习者的必备技能。将少儿编程教育融入学科课程的目的是为了给孩子的学习带来更深层次的改变。理想的教育情境不是强大的教学方法和技术的有效运用，而是孩子们融入环境的认知和意愿。

2.“学编程”的媒介——Scratch

《Scratch》是麻省理工学院媒体实验室为8至16岁儿童开发的一款编程软件。Scratch的设计灵感来自于Logo和Squeak Etoy积木编程概念。孩子们可以通过用鼠标拖动程序块来编写“雪碧”动画故事，并可以将它们上传到Scratch社区与其他创作者分享和交流。Scratch作为标志性的图形编程软件在全球范围内流行，目前已被翻译成40多种语言。少儿编程教育主要以Scratch为载体。

(1)算法简化和富媒体图像空间

与文本编程语言相比，Scratch 更容易理解和操作算法。 Scratch以命令块、功能块、触发块等取代文本编程语言，用户可以通过拖动功能块将命令分配给字符。每个块的形状决定了它们是否可以组合在一起。不符合编程语法的代码块无法成功拼接。 Scratch也被称为“数字乐高”。特定的部分只能以特定的方式组合，这使得编程中不太可能出现语法错误，也建立了编程中的“试错”操作。

在文本编程语言中，变量和列表是不可见的，但Scratch中的变量和列表是可见且可操作的。用户可以通过显示看到每次命令执行时变量或列表中数据的变化过程。 Scratch包含丰富的媒体资源，包括动画人物、背景图片、声音等，为学生提供了丰富的表达创造力的素材，也为创设教学情境、引入目标物体提供了支持。 Scratch3.0的扩展功能包括添加音乐、画笔、视频检测等功能。 Scratch还支持硬件功能的扩展，可以充分调动学生的感官体验。扩展的功能丰富了Scratch的媒介环境，为学习活动的开展提供更好的载体支撑，方便学生对各种科学现象的直观理解和转化操作。 。

(2) 自上而下、分而治之的修复理念

修理的概念源自法语单词“Bricolage”，意思是“走在街上的修理工”，并延伸至一种具有无限可能性的创造性活动。 Bricolage 的工具包包含各种修复工件。面对多样化的问题情况，他们会尝试使用不同的工具来解决各种“随机问题”。 Bricolage 的形象概括了编程初学者的状态。无论是图形化的编程形式还是有形的编程形式，都秉承着修复的理念。在现有的文献中，经常使用“修补匠”这个词来表达它。少儿编程的特点就是“可修补性”强，这也符合Scratch不会产生语法错误。用户通常很容易开始创建项目，他们可以通过不断尝试新想法来实现既定目标，并在此过程中培养他们的思维能力。 Tinker符合Bricolage的编程思想，也成为了少儿编程格式特点的代名词。

打补丁的概念决定了Scratch自上而下、分而治之的编程形式。自上而下的编程方法是指用户从各个程序组件开始，将它们连接在一起，形成一个更大的子系统，直到构建出一个完整的顶层系统。这就是所谓的“颗粒化”（Extremely Fine）——“GrainedProgramming”编程格式可以有效训练孩子一步一步解决问题的意识和能力。同时，Scratch自上而下的编程方式可以淡化孩子们在学习时的深层算法层面处理。程序，把目标任务的完成看作是一个解决问题的过程，通过尝试所有可能适合任务目标的程序块来解决问题。自上而下、分而治之的格式不仅提供了支持。对于程序编写和课程创新，也可以让孩子对自己的思维过程有更清晰的认识，更有利于解决问题能力的培养。

(3) 一个自由的设计、建造、交流和协作的环境

Scratch延续了植根于建构主义的建构主义理论，但建构主义将其应用范围扩大到了技术学习情境。建构主义主张儿童通过特定情境的设计和制作，利用工具来获取知识、发展技能；少儿编程教育的“具体”思维方式不再是皮亚杰理论中描述的低阶思维形式，过于形式化的逻辑思维是孩子对编程产生恐惧和疏远的原因之一。 Scratch界面提供具体的情境支持，用具体有形的构建过程和最终可见可评价的物理结构来反映和评价学生抽象思维能力在这个过程中的获取和变化，使“具体”和“抽象”思维相辅相成。

Scratch的“社交计算”也是它的重要特性之一。孩子们可以将自己的作品上传到Scratch社区，与世界各地的设计师分享和学习。作品在发布之前在共享开放社区中不断讨论、修改和完善。回归社区，这个过程充分展现了协作学习和沟通能力的发展。建构主义不应成为技术课程的方法论，而应从认识论的角度来看待，以推动儿童学习研究的更深层次转变。在充满媒体技术的现代课堂中，这一理念被越来越多的研究者所接受。建构主义本质上应该作为一种认识论，这样才能承载和衍生不同学习理论的实施和发展，并作为儿童的编程。教育一体化课程教学模式构建与发展的顶层设计

3、基于Scratch的课程模型设计与构建

Scratch作为实施少儿编程教育的载体，兼具工具性和教育性。它可以作为课程教学中的横向工具，整合适当的学科和单元内容，从而培养学生的理论思维、学科知识、学习动机、社会情感等能力。 Scratch良好的工具化特性需要有理论扎实的教学模式和丰富的教学活动的支持，才能最大限度地发挥其教育优势。

(一)教学研究的原理和理论基础

1. 教学研究原则：设计研究

通过对少儿编程教育理论和Scratch媒体特点的总结，勾勒出少儿编程教学模式的大致实施图景。然而，如何弥合理论研究与教学实践之间的差距是当前亟待解决的问题。因此，需要符合Scratch内部理论特征和外部操作特征的教学设计原则，为模型构建提供框架支撑。本研究选择基于设计的研究（DBR）作为教学模式的设计和实施原则。 DBR是美国研究人员在20世纪90年代中期针对实际情况提出的一种以设计为中心的研究方法。在当代智能环境下，DBR在设计开发和教育评价方面获得了新的活力，并广泛应用于计算机创新教学和评价活动中。 DBR的实施可分为四个阶段：第一阶段是知情探索，即通过多种方式理解和假设问题表征，从而激发参与动机；第二阶段是设计构建，记录和描述设计和制造过程，涉及研究人员、学习和教学从业者在现实生活中的干预周期；第三章影响评估，创建评估工具来评估干预措施并反馈到干预活动中。在迭代实践中不断修改、完善，达到预期效果；第四阶段是理论延伸，将从实践中获得的理论原理延伸到更常见的情境中，制定适应个性化教学特点的方法。 DBR注重在研究人员和实践者的参与下，在真实教学情境中设计和实施教学干预。通过不断的创作、测试和迭代细化，设计方案得以改进和完善，并将这种理论技能转移到更广阔的背景中。在这种情况下。通过对DBR的阶段和特征的解读，可以明确DBR站点定位于实践主体（教师和学习者）、技术语境和社会文化之下。这与少儿编程教育的理论以及Scratch的特点有很多相似之处。

2.理论基础：4P学习法

4P学习方法是由Mitchell Resnick提出的。是对少儿编程教育观点提炼后形成的“全面融合”。具有一定的教育理论和实践指导作用。

（1）项目：项目是创新教学活动的基本单位。在创客时代，最有价值的是通过“边做边学”和实践创造产品的过程中获得的知识。基于计算机的学习是孩子主动“创造、创造”知识的广阔途径。孩子们在构建周围事物的过程中获得新的想法和技能，从而促进新事物的螺旋式构建。无论是玩具还是编程工具，从“为我”到“我做”的主体转变都应该体现在学习和制造过程中，即不是工具载体能为孩子做什么，而是孩子能做什么通过他们获得。编程是一种表达过程和交流思想的方式，它延伸到各种问题解决和设计活动。

（2）激情：内在动机是孩子学习长期持续发展的关键。将编程教育融入学科教学活动，应在儿童的认知因素和动机因素之间找到最佳的调节状态。基于激情的学习应该是“艰苦的乐趣”，也就是说，当孩子对他们正在从事的项目感兴趣时，他们会积极参与其中，即使是在复杂的问题情况下或没有外部奖励的情况下。同时，积极性和内在动力给标准化教育模式带来了更多的个性化发展空间，孩子可以更好地掌控自己的学习方式、内容、时间、地点等。

（3）同伴：新技术的出现不仅改变了协作学习的时间和地点，也改变了同伴在学习过程中的角色。 Scratch 在线学习社区允许孩子们互相学习，并通过协作共享提供进度反馈。开放的设计环境可以带来更丰富的创作灵感和更深层次的学习体验，营造关爱和尊重的文化氛围，弘扬多样性和包容性的文化价值，培养孩子共情和鼓励的社会情感。同时，教师也是“同伴”角色之一，扮演着催化剂（激发学生思维）、顾问（鼓励、改进和发展学生项目创意）、连接者（连接各个成员）、合作者等角色。 （参与项目制作过程））的作用，技术不会完全取代教师，但会抛弃不懂得正确使用技术的教师。新技术使教师能够进行“最少的干预”，但最大限度地提高其效率。

（4）游戏（Play）：游戏是好奇心、想象力和实践活动在项目创作中的结合和体现。编程是设计、探索和创造技术的过程。应该为学生提供创造性探索的自主权，让“编码就像在游乐场一样”。许多学习者都否认通过传统教育的首选模式向学习者教授学科知识的弊端。从少儿编程教育的角度来看，问题不在于学科本身，而在于如何呈现和传授知识。

以项目创造为基础、热情为动力、游戏为学习方式、同伴协作、共同创造是4P学习法的核心理念，为教学活动的设计和开展提供实践指导。 Scratch和4P学习方式兼具技术性、社会性和人文性特征。每个要素又可以分为实践主体、技术状况和社会文化。它与DBR的四个阶段具有相同的应用背景，并且两者是共同构建的。教学模式的实践基础。

(二)教学模式构建

本研究借鉴DBR阶段划分和Scratch项目创建的一般流程，将少儿编程教育教学模式分为定义抽象、算法设计、迭代实现、扩展延伸四个阶段。在实践主体、技术情境和社会文化融合的背景下，学习者能够在建构、执行、分析、反思、提炼的循环中不断发展。

1. 定义抽象

编程项目创建中最重要的环节之一就是抽象。如何将复杂多变的情境问题的本质浓缩，转化为Scratch可以表示的编码序列是关键。向学生解释目标任务，使学生了解学习情境并呈现知识内容，帮助学生将情境内容与基本算法原理联系起来，并将其简化为可以通过Scratch环境设计解决的问题。

2. 算法设计

了解问题情况后，需要预设每一步的实现流程，并基于Scratch设计程序算法。在老师的指导下，学生根据Scratch尝试修复的操作特点和程序算法原理，将问题情况算法分解为步骤，并绘制了操作的实施蓝图。

3. 迭代实施

按照预设步骤进行实际操作，根据实际情况不断调整方案，在创新变革中解决随机个性化问题；通过同行交流和参考（面对面交流或评论区提问）获得灵感。同时，教师的及时指导和帮助可以帮助学生更好地达到预设的情况。

4. 扩展和延伸

将项目创建所涉及的逻辑原则扩展到更广泛的生活情境。作品完成后，将对作品进行展示和评价。学生将其展示和介绍，与同行交流以澄清疑问，或将作品上传到Scratch社区，并在社会讨论中不断补充和修改；了解学生的教学活动后，了解Scratch编程中算法知识和学科知识学习的理解。结合感受，并将其与生活实践联系起来。

综上所述，各种要素有机结合，构建了少儿编程教育教学模式，如图1所示。在生命最基本层面的“细胞”中，4P学习方法充当“基因”，调控着整个系统；技术环境、实践主体、社会文化承担着“核膜”的监控和边界功能，设计就是在这个背景和学习下进行的；四阶段划分扮演了“mRNA”的角色，作为理论与实践之间的中介，将理论的“基因”与实践执行的“蛋白质”联系起来。教学实践需要更加具体、细致的指导。因此，在定义抽象、算法设计、迭代实现、拓展延伸四个阶段下，教学阶段细化为目标任务、内容呈现、设计构思、学习指导、迭代创新、实践反馈、评价巩固、知识掌握。每个阶段对应两个步骤，如图2所示。向学生讲解目标任务，呈现内容知识，创设问题情境，形成问题表征，激发学生对Scratch算法和学科知识的回忆；学生在老师的指导下，设计、构思解决问题的算法步骤；通过不断的尝试修复和迭代实施，形成最终的解决方案，并呈现项目作品；进行同伴交流演示和在线评估，并尝试将逻辑知识和思维能力扩展到更广泛的生活和学习领域。

4、教学案例设计

（一）Scratch与小学科学的结合

Scratch可以更好地帮助学生理解学科的逻辑规则、计算结构和方法。本研究以小学科学为例，选课进行教学设计，以期为少儿编程教育教学模式的开发提供解释和参考。小学科学作为一门基础性、综合性、实践性课程，在小学中占有重要的地位。新课程标准提倡科学与多学科教学的融合，在科学内容上强调技术与工程领域教学的融合。探究式的科学教学方法不可动摇，但学校科学课程的发展却不容乐观，科学教育理论研究和教学方法亟待激活和创新；同时，对于一些实践周期较长或不适合学生接触和体验操作的课程，教学效果也不尽如人意。因此，基于Scratch开发小学科学教学，是少儿编程融入学科教学的一次创新尝试，也是对小学科学教学模式的优化和丰富。

（二）教学内容及学业情况分析

序列、条件和循环等基本程序原理也常见于科学现象中。使用刮擦编程来创建科学现象和逻辑过程，加深学生对科学概念的理解，同时，在设计过程中培养和培训学生的计算思维能力。教学设计选择了“食物链和食物网”课。本课程来自教科书“科学”的五年级卷。内容的目标是：使学生能够理解食物链和食物网，生产者，消费者，分解商等的概念，并能够正确编写食物链，也反映了自然界生物之间的相互关系；食物链中的营养水平相互联系，反映了计算中的顺序原理。只有合理的营养关系才能确保食物链中每个生物的稳定性。同时，只有更正程序序列才能输出预设结果。在划痕中设计动画角色行为要求学生深入思考如何设计角色指令的顺序并不断调整，直到最终作品可以合理地介绍角色之间的正确掠夺性关系。五年级的小学生已经掌握了某些科学概念和询问能力，具有逻辑思维，设计和施工技能，可以创建更复杂的动画，游戏，音乐和其他个性化项目，这为教学的发展提供了前提。

（3）教学活动设计

教学活动遵循教学模型。在每个阶段的每个步骤中，教师和学生都有相应的实践活动。每个阶段都体现了不同的4P学习方法，并激活不同的主题观点。定义抽象舞台目标任务步骤需要教师引入问题情况，也就是说，探索食物链中生物体之间的掠食性关系，以便学生可以理解项目创建的背景。在内容演示步骤中，教师需要指导学生明确定义基于划痕，背景等创建项目所需的角色，并完成导入。例如，本节需要涉及角色和背景，例如草，蚜虫，瓢虫，鸟类等。之后，将解释项目任务，并且可以通过创建游戏和动画故事来合理地表示各种生物之间的掠夺性关系。让学生对任务表示形式有一般的了解。在此阶段，Scratch创造了一个技术环境，以激发学生的热情。对项目任务的理解和介绍也使教学实践学科能够积极参与其中，这体现了4P学习方法中热情的原则。特定的教学设计如表1所示。

5. 总结

将儿童编程整合到主题教学中可以满足教育信息时代的需求，也是一种创新的教学方法，用于多样化儿童编程教育的发展。作为图形编程工具的代表，Scratch具有独特的操作特征和坚实的理论背景。同时，在实施过程中需要考虑许多因素，例如学科教师是否可以将划痕媒体环境或编程原理与适当的学科知识内容，教学整合编程教育和主题的启动时间进行整合。 ，以及技术设备的支持也应进一步讨论，例如教师和学生的技术水平。通过本研究的讨论，构建和设计过程，可以看出，基于划痕的儿童编程教育和教学模型可以在学校教室中实施，这为探索学科教学模型提供了更多样化的选择。同时，它也需要更深入。实践研究以创建各种各样的儿童编程教育环境。

[1] Papert S. Mindstorms：儿童，计算机和有力的想法[M]。纽约：基本书籍，1980年。

[2] Moreno-Leon J，Robles G，Roman G M. [J].信息技术教育杂志：研究，2016，15（6）：283 -303。