幼儿园实物编程教育的价值探析与实践范式——人工智能技术嵌入幼儿园科学教育的创新实践
成都市金牛区机关第三幼儿园
【摘要】幼儿园实物编程对幼儿信息素养、计算思维、创新潜能、元认知监控等方面发展具有独特价值，实物编程教育活动设计逻辑遵循经验为源、游戏导向、探究为要三大原则以及低结构性、问题性、开放性、综合性、持续性、生成性六大特性，采取“自主游戏→任务驱动→项目活动”的渐进式教学，以迭代式和组合式两种推进模式，聚焦真实问题进行四个环节的探究，教师通过情境创设、资源整合、师幼互动、组织研讨等方式支持幼儿深入学习。
【关键词】实物编程；幼儿园实物编程；科学教育
人工智能日新月异，人们在未来将会面临数字社会的挑战。只有聚焦新时代对人才培养的新需求，将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量，才能支撑引领教育现代化发展。因此，我们要转变教育观、革新教育技术观，教育技术不能仅停留在学习环境，而要嵌入到学习系统中去，深入推动教育信息化的创新实践。
在信息技术与教育深度融合的时代潮流下，校外幼儿编程教育机构如雨后春笋般不断涌现，但缺乏以儿童发展为中心、立足儿童认知水平统筹编程教育的意识和能力，致使编程技术与教育割裂。因此，我们着力探索尊重并支持儿童的幼儿园实物编程教育实践，解决校外幼儿编程教育理念滞后、路径单一、方法死板等问题，真正以人工智能赋能科学教育，积极推动儿童学习方式的变革。
一、幼儿园实物编程教育的价值探析
实物编程是一种通过组合可触摸实物指令控制对应实体机器人产生交互结果的编程方式。它是将屏幕中的代码块实物化，封装到具有不同属性或功能（包括函数、变量、逻辑、传感器等）的实物模块当中，幼儿通过不同操作形式（包括积木、遥控、旋钮和拼图等），使实物模块表达程序逻辑，对指令做出响应。
（一）实物编程的特点
实物编程作为一种教学媒介具有以下特点：编程过程具象化，即编程过程的实体化映射，实物编程的物理载体为磁吸模块，改变了通过键盘输入代码和鼠标拖动图标的编程形式，幼儿可直接感知、实际操作、亲身体验；编程语言简易化，实物编程将复杂的语法封装到编程模块中，仅使用少量简单的指令，幼儿可以更好地开展创造性编程活动，实现了机器语言的儿童友好性转换；人机交互多元化，幼儿有更多机会在更自然的空间、环境中学习，促进了学习者与现实环境、编程实体、同伴之间的互动。
（二）幼儿实物编程学习的特点
实物编程的以上特点将直接影响儿童的学习方式，使得幼儿实物编程学习彰显以下特征：一是联动性，体现在“身体-工具-环境”之间的联动，例如幼儿喜欢将编程模块与其他材料发生有机关联，会根据模块的外形特征，自发地去匹配可以融合游戏的低结构材料进行游戏。二是交互性，幼儿会自发地与同伴发生交往与合作，产生联合游戏，通过观察、倾听、交流互动促进游戏经验的学习与交互。三是生活性，幼儿的编程活动是生活经验的映射与联动，幼儿利用实物编程表达、创造与生活相关事物。四是逻辑性，幼儿编程过程是对因果逻辑的具象化建构，幼儿可以对各种情况进行分析，不断调试编程的过程与结果。五是阶段性，幼儿游戏在内容建构、游戏形态、任务意识等表现出不断递进的动态发展规律，游戏内容从“想象”向“具象”转变，游戏形态从“简单的单一游戏”逐渐向“复杂的混合游戏”转变，游戏目的从“随意性”向“生成性”再向“计划性”转变。
（三）实物编程教育的多元价值体现
幼儿编程教育是全人教育，不以技术的掌握为终极目的，强调幼儿综合能力的培育，让幼儿更好地适应未来生活。幼儿园实物编程教育具有以下独特价值：
一是信息素养的启蒙培育。幼儿通过实物编程材料有效获取和应用信息，在信息分析的基础上建构与共享知识。实物编程模块本身是一个小型的信息集成系统，实体模块携带着丰富的信息，幼儿通过不同操作形式（包括积木、遥控、旋钮和拼图等），使实物模块表达程序逻辑，对指令做出响应。这一过程中，幼儿对材料中的信息进行获取、分析、加工和利用，利用信息技术进行创造性思考和表达，发展信息创新和共享的意识。
二是计算思维的可视化养成。编程帮助幼儿养成程序设计背后的思维方法，形成通过抽象化的方式认识事物、通过建立模型高效地解决问题的认识方式。计算思维的本质是解决问题的若干个思维能力的集合，幼儿在实物编程中充分发展的计算思维包括逻辑、算法、分解、模式等。逻辑是对因果关系的推理与解释，可以理解为“如果我这样做，那么这就会发生”。算法是引导计算机系统完成某项任务的一系列指令或者某项规则，在幼儿园实物编程启蒙中可以理解为解决问题的准确而有效的描述，或者是为解决问题而制定的一系列编程指令。分解是将复杂任务拆分成若干个简单的、容易解决的子任务的过程。模式是寻找解决一类问题通用方法的方法，即找到事物规律，总结范式，重复应用到同类问题中。在实物编程教育中，幼儿能够分析相似的对象或经验。
三是人机协同的创新潜能激发。幼儿园实物编程教育是幼儿运用信息技术，创造性解决问题的编程启蒙学习活动。实物编程可以让幼儿在面对不同类型和难度的问题时，运用自己习得的粗浅的编程经验来寻找合适的解决方案，并且培养孩子对问题进行分析、评估和创新的能力，能够让孩子发挥自己的想象力和创意，通过操作编程模块来设计简单的程序，从而实现自己想要的功能和效果。
四是元认知监控的数字化支持。实物编程的本质是一种具身的思考活动。实物编程操作的核心任务是控制某一对象的运转状态，幼儿对自己每一步编程操作的预测和验证预测的行为与学习过程即为元认知。幼儿会带着预测去设置模块的程序，如果编程的结果与自己的预测一致，在经过多次试验后，幼儿便能够掌握某一或某些设置程序的方法。反之，如果编程的结果与预测不一致，幼儿需要思考其原因，从而在质疑中推动着探索活动的持续深入。
二、幼儿园实物编程教育的实践范式
（一）设计逻辑：幼儿园实物编程活动的原则与特性
幼儿园编程教育要从以教师为主导转变成以幼儿为核心的教育模式，强调尊重幼儿年龄特点和发展规律。
实物编程活动的设计遵循三个原则：一是经验为源，幼儿园实物编程教育强调儿童的经验，倡导以儿童的经验为中心，实现从生活事件到编程逻辑的转化；二是游戏导向，幼儿园实物编程强调编程功能的外化和任务的简化，采用形象化、互动化的方式促进幼儿直接感知、实际操作和亲身体验，要强调游戏性，使幼儿的编程经验在游戏活动中得到自然生长；三是探究为要，幼儿园实物编程是以问题探究解决为驱动的探究性活动，要重视幼儿在编程过程中的体验，思维、能力的发展以及学习品质的培育，而非最终结果。
实物编程活动的设计同时应彰显六个特性：一是低结构性，打破教师讲授、演示的方法，儿童可以按照自己的兴趣和节奏进行探究，激发创造力和自主性；二是问题性，活动围绕问题的解决展开，包含幼儿的生活、学习、运动和游戏等具体情境中产生的原发性的问题，以及幼儿探究过程中的生成性问题；三是开放性，教师有更多的灵活性来确定编程活动的结构、内容、时间、地点等，幼儿在开放的空间和环境中，与材料、环境、同伴、教师、资源充分互动；四是综合性，编程学习是一个复杂的、综合性的行为过程，涉及数学、自然科学、系统科学、艺术等多个领域，学习内容相互交织、有机整合；五是持续性，编程问题的有效解决需要幼儿进行持续性探究，不断尝试直至解决问题，经验得到持续增长；六是生成性，编程任务和要素随着探究动态变化，活动的内容根据儿童的兴趣、提问和发现不断生成和调整。
（二）经验阶梯：幼儿园实物编程活动的渐进式教学路径
幼儿园实物编程基于幼儿的经验发展水平，遵循“自主游戏→任务驱动→项目活动”的路径逐步推进。
阶梯1：自主游戏——支持幼儿自由探索实物编程材料。在自由探索期，教师在区域游戏中投放实物编程材料，幼儿通过观察、摆弄材料，猜测各部分材料的用途以及玩法，进一步围绕如何让模块动起来、如何让模块发光等问题，持续探究编程材料，引导幼儿将不同颜色的模块联系在一起，从而发现材料组合后的奇妙反应。
阶梯2：任务驱动——引导幼儿利用多元材料融合探究。在目标导向期，幼儿已经初步熟悉材料，教师可加大挑战，激发幼儿更加深入的探索。教师可以为幼儿设置一项任务，并且提供更多元化的低结构材料，引导幼儿以任务为驱动，结合低结构材料进行融合式学习，完成一项有挑战性的任务，如“设计一辆消防车”。
阶梯3：项目统整——提升编程技术应用创新与整合学习能力。在系统建构期，幼儿的编程经验不断丰富，则可以通过项目活动引领幼儿的深度学习，通过问题导向的项目式探究，激发幼儿层层递进地思考，实现以实物编程经验为核心的整合式学习和综合能力发展，如“举行一场编程小车比赛”。
（三）实施模式：幼儿园实物编程活动的两类模型
编程活动的项目任务通常表现为“创造有形成果”，有形成果的类型可能是一个产品、一个空间或场景等不同形式，根据项目成果的不同类型，可将编程活动的推进模式分为以下两种：
第一种是“迭代式”——依托幼儿经验纵向深入。活动表现为制作单个“物品”。这种类型活动围绕该产品的设计、制作和优化不断延展内容，通过问题的发现与解决环环相扣、层层深入，助力幼儿经验的不断叠加，儿童在持续重复做某一件事情中不断提升能力，在不断解决问题的过程中发展经验。如孩子们在设计一个桌面清洁机器人时，机器人的功能会不断完善，版本不断升级。
第二种是“组合式”——依托项目需求横向拓展。活动表现为构建一个“场景”。这种类型活动围绕一个有意义的空间、场景的建构展开，将特定的中心任务划分为多个平行的子任务，通过各子任务的组合共同完成项目任务和目标。同时，各子任务亦可能独立按照“迭代式”的操作范式推进。如小四班孩子们设计一个编程动物园，孩子制作了小鸭子、大象、长颈鹿和蛇等各种各样的动物，老师还和孩子们一起打造出森林草坪的场景，给小动物准备它们爱吃的食物，包括蘑菇、胡萝卜、青草、树叶等，还设计了房子、围栏，让小动物们能够在草坪上玩耍。
（四）探究流程：幼儿园实物编程活动的探究四环节
儿童不是随意地玩，是聚焦真实问题的解决有导向的玩，在探究过程中获得问题解决的思维与方法。
情境创设，问题界定：通过创设游戏型情境、生活型情境和挑战型情境调动幼儿的探究热情。情境的创设也伴随着问题的提出和任务的产生，教师需要引导幼儿识别问题、分析问题、理解问题。一辆消防车是什么样子的？有哪些要素和特点？孩子们通过收集资料、讨论交流，明确了消防车的整体造型，分析了消防车还需要警笛和警灯等。
模式识别，制定方案：首先进行“识别”，教师通过递进式提问，帮助幼儿对任务进行模式识别，明确本次任务的内在编程逻辑；其次进行“分解”，将复杂的问题拆分成一个个可完成的小任务，借助实体编程工具逐一突破。幼儿根据对消防车的分析，识别到需要前进、灯光、声音等编程要素，然后进行任务拆分，如先用驱动模块设置前进模式，再用七彩模块设置红色灯光，再用声音模块设置警笛声音，并形成操作方案。
实践操作，修正程序：幼儿沿着“编写程序（调节和组装模块）—启动程序（观察过程）—执行纠错（反复尝试）”的行进脉络充分操作探索，不断调试与优化。由于编程模块内部程序的问题较为抽象，幼儿不可避免会犯一些错误，他们试错、纠错、重新规划直到程序正常运作，形成解决问题的最优路径与最佳方案。
展示交流，评价反思：围绕本次活动的推进情况进行集中分享、交流、评价和反思，梳理总结相关经验。这一过程通常伴随着“成果展示”。
三、幼儿园实物编程活动的支持框架
（一）情境激趣：挑战性和趣味性情境激发探究兴趣
幼儿编程活动的推进是兴趣驱动的，情境性学习更贴合幼儿的认知发展特点。教师可以创设山洞、隧道、赛道、滑梯等场景，激发幼儿合作游戏，同时帮助幼儿更好地理解和适应即将进行的编程活动，并且更加投入地进行游戏。
（二）资源整合：挖掘材料、环境资源丰富探究方式
教师引导幼儿充分挖掘一切可利用的资源，增强编程模块与其他工具、材料和环境的互动，创生丰富多样的编程活动。“模块+乐高”组合：模块本身具有积木功能，幼儿结合乐高能够完成简单的拼接造型。“模块+乐高+低结构材料”组合：低结构材料与编程模块的组合可以创生多元玩法，低结构材料可以用来丰富编程作品的功能，也可以作为编程作品互动的对象，通过两者的组合不断丰富游戏元素与场景，幼儿根据游戏需求进行创造性的编程活动。“模块+乐高+（低结构材料）+环境”组合：通过对环境因素的充分挖掘与利用，可以开展更具生活性、情境性的编程活动。
（三）经验可视化：物化学习痕迹促进幼儿经验提升
教师可借助图示、墙饰、记录手册等方式，让幼儿编程活动中的过程与经验可视化。一是投放直观易懂的“图示”，如形象的功能图示、步骤图示等，幼儿可以通过观察和查找图示来丰富经验、解决问题。二是打造“主题墙饰”呈现脉络，将幼儿经验以“我的发现、我的问题、我的方法”等为主题，师幼共同布置在主题墙及走廊墙面，促进集体经验的交互学习。三是投放“记录手册”物化探究痕迹，建立幼儿编程活动成长档案，让幼儿通过图画、符号、文字等记录问题以及解决过程，促进经验的回顾梳理。
（四）支架式对话：有意义的提问引导幼儿问题解决
教师可借助有意义的提问来支持幼儿持续探究，帮助幼儿发现自身问题。有效提问要指向幼儿探究问题、能够支持幼儿经验持续深入，是有助于幼儿反思的。
在观察到幼儿遇到问题时，可以间接用语言提示幼儿发现问题、明确问题，进而通过“引导式提问”帮助幼儿结合已有经验，分析问题产生的原因，如“为什么会出现这样的问题？”最后可以用启发式的、开放式的提问促进幼儿发散思维，寻找解决策略，如“你打算如何调整这一问题？”“你觉得还可以怎样做？”通过提问引导幼儿不断衍生创意。
（五）经验融通：集体、小组、个体经验共享与交互
幼儿的活动内容、遇到的问题以及获取的探究经验各有不同，为了促进幼儿经验的共享与交互，教师可以组织幼儿分享游戏过程，将个体或小组的成功经验或解决问题的经验推广至集体。同时，当幼儿探究遇到了共性难题，教师也可组织幼儿进行小组讨论或集体讨论，共同研究问题解决的办法，并进行实践检验。
四、结语
实物编程教育带给儿童全新的科学体验与发展，促进了幼儿的多维发展。一方面，让幼儿初步建立“编程思维”，这并非指向幼儿真正掌握了“编程技术”，而是通过编程游戏习得一定解决问题的思维方法，创造性地解决问题。另一方面，发展了幼儿良好的学习品质，幼儿表现出了较高的专注性、坚持性和好奇心等学习品质，例如选择编程游戏的次数和编程游戏持续时长整体呈上升趋势。
传统的以信息驱动教学的能力培养更偏重于技术层面的应用，而忽视了信息智能技术与师幼互动、教学环节的融通。我园着力推动幼儿编程教育实现由“技术导向”向“学习导向”的跨越，强调教育功能与教学法的核心价值以及教师作为“人”不可替代的发展特性。幼儿园实物编程教育立足幼儿认知特点和发展水平，以简易的编程模块代替了复杂的代码，通过实物化、模块化、形象化、互动化的操作材料，结合游戏性、情境性的教育教学方式，调动幼儿多感官参与，实现实物编程活动的幼儿化。在这个过程中，打破了教师对智能技术的被动迎合和工具化操作，激发教师的教育意识，立足儿童的年龄特点优化编程教育活动的设计与实施，更好地支持幼儿的编程学习，有效促进了信息技术与学前教育的深度融合。
原文链接: https://aiedchair.bnu.edu.cn/news-citlab-2247627301-2-zh/
