本文发表于《数字教育》 2022年第 4期（总第 46期）基础教育信息化栏目，页码： 64-70。转载请注明出处。
摘 要
计算思维已被教育部列为信息技术学科核心素养之一，是信息时代学习者问题解决能力的重要组成部分。文章首先对计算思维的内涵和评价进行了解读，然后提出了融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式。以 “贪吃蛇 ”项目为例，选择 30名学生作为实验对象，开展实证研究以验证模式的有效性。通过使用 Bebras测试题、 Scratch试卷和访谈等对学生的计算思维变化进行测量，发现实验组和对照组在计算概念上无显著差异；但实验组在计算实践上显著高于对照组，且表现出更强的计算观念。实验结果证明融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式对小学生的计算实践和计算观念具有显著促进作用。
关键词：计算思维；游戏化； 4C/ID； Scratch编程
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引言
教育部于 2020年指出应高度重视学生信息素养的提升，采取措施帮助学习者掌握信息技术技能、增强信息意识、发展计算思维 [1]，可见计算思维对提升学生信息素养的重要性。当前国内关于如何进行计算思维教学设计模式的研究在高校中较为多见，而基础教育学段的研究则有待深入。计算思维的培养离不开编程，夏小刚等人发现编程成绩与计算思维发展水平有显著正相关关系 [2]。 Scratch非常适合用于中小学的编程教学，其可视化的编程方法屏蔽了语法规则及算法结构等学习障碍，降低了学生的认知难度，因此可作为计算思维教学工具。计算思维的教学模式主要包括探究式学习、自主学习和任务驱动教学等。四成分教学设计模型（ Four-Component Instructional Design, 简称 4C/ID）以任务为中心，通过 “学习任务 ”“即时信息 ”“支持性信息 ”“部分任务练习 ”等策略来设计学习活动和学习环境，最终形成一个基于问题的、面向复杂领域且相互关联的整体教学系统 [3]，可为通过基础教育编程教学提升学生计算思维提供新的有效路径。
游戏化教学是指将游戏设计的元素应用于教育情境中，大多通过游戏元素或游戏机制使过程更具吸引力，以激发学生的参与动机 [4]，激励学生完成学习任务。本研究提出了融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式，结合任务驱动教学法和游戏化元素，激励小学生完成 Scratch作品以发展其计算思维，为小学生计算思维的培养提供参考。
一、 文献综述
（一）计算思维内涵和评价方式
计算思维的概念最早由周以真（ Jeannette M.Wing）教授提出，其认为计算思维是运用计算机科学的基础概念来求解问题、设计系统和理解人类行为的一系列思维活动 [5]。麻省理工学院（ Massachusetts Institute of Technology，简称 MIT）媒体实验室以编程学习为核心，研发了 MIT Scratch计算思维框架。在此基础上，有学者基于 Scratch软件的特点，构建了包含计算概念、计算实践、计算观念三大维度的计算思维三维框架 [6]。其中，计算概念包括运算符、循环、并行等；计算实践包含迭代、调试、模块化等；计算观念包含表达、连接、质疑等。
在计算思维评测方面，目前的评价方式主要包括文本话语分析、题目测试、作品分析等实证方法。 Scrape可视化工具和访谈法可以结合在一起使用，实现对计算思维的评价，从而发现学生在概念而不是作品上的不足之处。此外，标准化测试也被用来测量计算思维。有学者基于计算机科学教师协会标准的计算思维框架，从句法规则、数据、算法、表示、高效五个维度设计了一套评估小学生计算思维的测试题，实证研究表明试题具有良好的心理测量特性 [7]，可以用于对计算思维中相关能力的测量。综合上述研究可以发现，单一的评价方式很难全面反映学生的计算思维能力，因此在实际研究中需要结合多种评价方式来测量计算思维水平。
（二） 4C/ID模型
4C/ID教学设计模型由荷兰的一些学者研究开发，后又进行了补充完善 [8]。 4C/ID模型有一个理论和四大核心要素。一个理论是指解决问题的复杂技能分为复用性和非复用性技能。复用性技能一般指的是学习者可反复应用的基础性的、常规性的技能。非复用性技能则需要学习者不断从具体的经验中构建图式，迁移到不同的情境中。四大核心要素则包括：（ 1）学习任务：通常基于真实情境或模拟情境，并提供全任务练习。在一组任务中，随着任务的推进，提供给学习者的 “脚手架 ”逐步减少。（ 2）支持性信息：帮助学习者掌握非复用性技能而提供的信息，为学习者提供先验知识和学习任务之间的桥梁。（ 3）即时信息：学习者完成学习任务时应了解的规则、程序等基础信息，支持学习者逐步学习。（ 4）部分任务练习：提供给学习者的练习项目，主要针对规则自动化，通过不断强化以达到非常高的自动化水平。 4C/ID模型具有以任务为中心、强调培养学生解决问题能力的典型特征。这些特征能够为构建计算思维教学设计模式提供了参考。如何应用 4C/ID模型开展教学设计活动，以提升学生计算思维能力还有待进一步的探索。
（三）游戏化教学
游戏化教学指的是在非游戏教育场景中应用类似游戏的设计元素，从而提升学习兴趣、增强学习动机。邱学青等人则认为游戏化教学是 “化 ”教学为游戏 [9]，通过游戏中有效激励参与者的设计方法和原则来促进学生学习。通过实时的反馈，学习者可以轻松地尝试新事物和困难事物，并获得成就感。
已有研究发现游戏化教学可以激发学习者的学习动机并提高其参与度，有助于提升学习效果。如胡晓玲等通过元分析发现游戏化英语和体育教学、小学游戏化教学以及 50人以内的集体游戏化教学对学生的学业成就提升优势显著 [10]；李秀晗等提出基于游戏化策略开展教育活动，以促进儿童的数字读写素养。实证研究结果显示，其游戏化教学策略能够提升儿童的学习动机和学习兴趣 [11]。上述研究结果表明游戏化元素能够为学习带来积极影响，但目前与其相关的教学设计模式研究则略显不足，有待进一步探索实践。
二、 融合游戏化和4C/ID模型的计算思维教学设计模式
本研究提出了融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式，如图 1所示。该模式遵循 “教学目标 —教学策略 —教学流程 —设计原则 ”层层递进、从顶至底的教学设计模式，从宏观到微观为教学设计活动提供参考。教学目标位于最外层，是整个教学设计的顶层指导。第二层是教学策略，在教学目标的指导下确定教学过程中使用的教学策略。第三层是教学流程，确定教学过程的具体流程。最后是核心层设计原则，是在教学流程的基础上确定教学活动的设计原则，并设计教学活动，从而形成详细的教学方案。下面对每一层进行详细介绍。
（一）教学目标
教学目标是所有教学活动的根本目的。在 Scratch教学中，教学的主要目标是提高学习者的计算思维水平。基于布伦南等所提出的计算思维三维框架，计算思维的教学目标主要包括三大核心内容：计算概念、计算实践和计算观念 [12]。教学活动的设计应该是为了促进学习者在上述三个方面的提升。
（二）教学策略
以教学目标为指导，教师可以进一步制定教学策略。教学工作者应根据实际教学情况，合理选择 4C/ID模型中的四大要素，以达到帮助学习者提升计算思维能力的目的，具体的教学策略介绍如下。
1.学习任务
一系列学习任务是复杂技能习得的基础，学习者会把学习任务中习得的技能迁移到新的任务情境中。在确定学习任务时要遵循以下原则：第一，根据技能的构成数量，从简单到复杂，避免带给学习者过多的认知负担。第二，在同类别任务中，学习任务难度同等。第三，在任务中给学习者提供“脚手架”。
2.支持性信息和即时信息
在任务解决过程中，给学习者提供逐步学习所需要的信息以及先验知识和学习任务之间的桥梁，帮助其克服困难，掌握知识和技能。
3.部分任务练习
复杂技能的习得需要反复的练习，学习任务无法提供足够的重复性，因此需要设置一些小范围的练习。将部分任务练习与学习任务相结合，能够使小范围练习的技能与整个复杂技能相关联。
（三）教学流程
教学流程描述的是教学活动的基本过程。以 4C/ID模型为参考，本研究将计算思维教学设计中的典型教学流程划分为四个阶段，分别是分解任务、呈现信息、算法设计和实施反馈。首先对任务进行分解说明，然后呈现相关信息，并引导学生进行算法设计和操作实现，最后给予反馈。四个阶段在教学实践中可以根据教学内容进行进一步细化。
1.分解任务
学习任务通常基于真实或者模拟情境进行设置，学生通过解决任务掌握技能，建构认知模式。
2.呈现信息
学生的现有水平和目标水平之间具有一定差距，即时信息和支持性信息的介入在教学过程中为学生搭建了“脚手架”，帮助他们克服知识和技能层面的欠缺。灵活选用游戏化原则，设置相应的“游戏规则”使学生保持较好的学习动机水平，从而更好地完成任务。
3.算法设计
掌握基本知识和技能后，如何设计解决问题的算法也是教学的重要环节之一。教学工作者需要结合学生的具体情况，给予他们更多知识的提示或思维的启发；避免学生因知识不足或找不到解决问题的思路而长时间陷入困境，导致任务难以进行。同时还可以设置趣味“游戏规则”，鼓励学生积极参与“头脑风暴”，设计出问题解决方案。
4.实施反馈
设计出解决问题的具体算法之后，加入游戏化规则，创造一个轻松自由的学习环境，鼓励学生大胆试错，努力尝试。在学生完成作品之后，给予反馈意见，指导学生进行修改。
（四）设计原则
确定教学流程后，应进一步设计教学活动。教学活动的设计应遵循游戏化教学的基本原则。游戏化教学以游戏元素作为设计元素，改善学习任务的体验感，激发学生的学习动机，创设有趣的学习活动，提高课堂参与感。本研究总结了如下游戏化设计原则，将其贯穿整个教学设计与实践可以营造轻松有趣的学习氛围，提高课堂积极性。
1.任务分解原则
学生的已有水平与学习目标要求的水平之间具有一定差距，当这个差距过大时，会打击学生的动机，不利于完成复杂任务。将长期的目标分解为一系列连贯的小任务，并按照由易到难的顺序排列，符合学生的认知特征，能够促使学生积极完成任务。
2.快速反馈原则
游戏之所以吸引玩家，是因为游戏的反馈几乎是即时且有针对性的。小学生因自身认知发展的限制，抽象和逻辑思维能力有时难以支持他们独自完成学习任务。教学者可以使用视觉的提示、频繁的问答活动等给予学生反馈，及时指导其调整学习。
3.失败自由原则
鼓励学生尝试和试错，让学生将学习的关注点转移到解决问题的过程中，而不是一味强调结果。同时创造轻松愉悦的学习氛围以消除学生的畏难情绪和恐惧心理。
4.进度明确原则
游戏中进度使用户了解自己的行为和动作对目标的影响。给出明确直观的任务进度，学生可以清楚地知道自己的完成情况。当学生将自己的进度展示给别人的时候能够提升自信心，并增强学习动机。其他学生也能在进度比较中激起学习的热情和动机。
5.奖励和激励原则
奖励和激励是提高学习者外部动机的关键因素，游戏中常用的奖励包括积分、徽章、虚拟商品等。在编程学习中，积分和徽章是一种可行的方案，可提高学生参与课堂的积极性。当学生成功完成一个小任务，给予徽章奖励肯定其学习表现，有利于激励学生继续挑战接下来的学习任务。
6.故事体验原则
在课堂中，教师可以提供一些真实情境作为知识学习的背景，当背景有“故事”元素时会更加可信，增强学生的体验感。在整个课程中可以提供一个统一的故事，学习任务围绕这个故事背景展开，学生以游戏主人公的身份代入学习，可以更好地增强课堂参与感。
三、 案例设计与实证研究
（一）案例设计
为了验证上述融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式的有效性，本研究以 Scratch编程教学项目 “贪吃蛇 ”为例设计并开展了实证研究。 “贪吃蛇 ”共包含 6次课，持续时间为 1个月，每次课学习者均需完成一个基于本次课程内容的作品。每次课的教学活动均按照融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式进行设计。选取其中一次课 “贪吃蛇之动起来 ”为例详细说明融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式在教学设计中的具体应用。 “贪吃蛇之动起来 ”的核心教学设计如表 1所示，包括教学流程、学生活动、教师活动、教学策略、教学原则五个方面。
课程伊始设计故事情景邀请学生作为游戏设计师，发布学习任务要求学生设计自己的贪吃蛇游戏。依据由易到难的顺序，将“贪吃蛇之动起来”划分为一个连续的任务组，包含 3个任务：任务 1为蛇头持续移动；任务 2为蛇头在上下、左右边界移动；任务 3为苹果随机出现在舞台中。随后展示 “贪吃蛇之动起来 ”和苹果出现在舞台上的实例，讲解相关模块指令的含义，构建解决问题的算法等，提供给学生完成任务所需的即时信息和支持性信息。例如 “如何实现蛇头持续移动 ”问题中有两个关键点： “移动 ”“持续 ”。鼓励学生自发寻找 Scratch中的运动模块 “移动 ”的积木块并进行尝试。“持续”，引导学生理解为“重复执行”，寻找到“重复执行”积木块，之后对两个积木块进行合理拼接。整个过程使用积分、徽章、进度条和成就卡来激励学生完成任务，课堂游戏化规则设计如表 2所示。完成任务之后，进行全班展示，教师点评学生的作品，给出指导和改进意见，并在进度条上给予实时记录。
（二）实验对象
本次实验对象是来自某创客教育基地四年级 Scratch课程的 30名小学生，实验组和对照组各 15人。实验组女生 8人，男生 7人。对照组男生 9人，女生 6人。两组学生均有 Scratch的学习基础，能够利用 Scratch进行简单的程序编写，对软件的操作比较熟悉。
（三）实验过程
本研究采用准实验研究法，探究融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式对学生计算思维培养的影响。实验组和对照组均由同一位教师授课，实验组采用融合游戏化和 4C/ID模型的计算思维教学设计模式对教学任务进行设计，在课堂中应用游戏化教学策略，提供积分、成就卡、进度条等游戏化元素。对照组采用常规的基于项目式学习的教学设计，教师不使用游戏化教学策略，也不进行任务的分解，其他教学活动与实验组相同。
（四）数据测量工具
Scratch编程以计算思维的培养为主要教学目标。因此，对教学效果的评价也围绕对教学思维的评价展开。对计算思维的教学评价采用多元评价模式，即总结性与过程性评价相结合。本研究从以下三方面来评价学生的计算思维：（ 1）计算概念：利用 Bebras计算思维能力标准化测试题和笔者编写的 Scratch试卷来测试学生的计算概念能力水平。（ 2）计算实践： DR.Scratch软件评测 Scratch程序具有可靠性和可行性。本研究使用 DR.Scratch分析学生每节课的程序以评估学生的计算实践水平。（ 3）计算观念：借鉴科尔克马兹（ Korkmaz）计算思维量表 [12]，采用访谈的形式评估学生的计算观念，用内容分析法对访谈内容进行分析。
（五）数据分析和结果
1.计算概念
在实验项目开始前用 Bebras计算思维能力标准化测试题对两组学生的计算概念能力进行前测，结果无显著差异，表明两组学生处于相同的起始水平。在整个实验项目完成后，使用描述性统计和独立样本 t检验分析实验组和对照组的 Scratch试卷得分。结果表明实验组 Scratch试卷得分均值大于对照组，但无显著差异。
2.计算实践
将两组学生的 6次作品利用 DR.Scratch进行分析，得知两组作品各次平均分总体呈增长趋势，且实验组分数总体高于对照组。之后对两组作品的平均分进行独立样本 t检验，两组学生作品分数差异性分析结果如表 3所示。在前 3次的作品中，两组的得分并无显著差异。从第 4次作品开始，实验组得分均值显著大于对照组。
3.计算观念
本研究采用结构式访谈对计算观念进行评价。实验组选取 Bebras前测中成绩在 5分的 2名学生， 1名男生， 1名女生。对照组也按照此标准选择 2名学生进行访谈。访谈提纲借鉴计算思维测量量表，量表中共有五个维度：问题解决能力、创造性、合作、表达交流、批判性 [12]。结果表明：（ 1）问题解决维度：实验组学生对于作品多次迭代修改持肯定态度，主动寻找 Scratch程序中所存在的问题并对其积极修改。如学生回答 “修改 2～ 4次 ”“慢慢就自己找到错误了 ”。（ 2）创造性维度：实验组学生喜欢给程序中增加一些好玩的东西，在做的过程中会产生新的想法，思维更加活跃。（ 3）合作和表达交流维度：两组学生能力相当，都持积极的态度，愿意与人合作交流，但是对照组的学生缺乏自信，害怕自己的想法不被接受。（ 4）批判性维度：实验组学生对 Scratch的软件功能有更多的设想。如 “我想让程序有我说话出现角色的功能 ”“我想程序可以识别我的动作 ”。
总之，对学习者计算思维三个维度的实验数据分析发现：在计算概念维度，实验组学生 Scratch试卷得分均值大于对照组，但无显著差异；在计算实践维度，实验组作品分数显著高于对照组；在计算观念维度，典型访谈发现在学习 Scratch编程实践过程中，实验组学生表现出更强的自信和挑战意愿，思维更加活跃。因此总体上，此教学设计模式能够促进小学生计算思维的发展。
四、 结语
如何通过编程学习有效培养学习者的计算思维，是当前人工智能教育研究中的重难点之一。本研究融合游戏化教学和 4C/ID 模型构建了面向小学生计算思维培养的教学设计模式，并通过案例设计和实证研究验证了模型的有效性。实验结果证明该教学设计模型能够提升学习者的计算思维，具有实践应用价值。研究也存在一些不足之处，如实证研究持续时间较短、被试的数量较少等。后续研究将进一步应用该模式进行多轮行动研究，在实践中不断调整完善以进一步促进小学生计算思维的发展。
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[12]白雪梅，顾小清 .K12阶段学生计算思维评价工具构建与应用 [J].中国电化教育， 2019(10)： 83-90.
作者简介：
吴林静（ 1987— ），女，湖北松滋人，博士，副教授、硕士生导师，研究方向为计算思维、人工智能与教育应用；
杨雪雁（ 1997— ），女，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为编程教育、计算思维；
朱亚亚（ 1995— ），女，陕西西安人，信息技术教师，研究方向为编程教育、计算思维；
高喻（ 1998— ），女，云南昭通人，硕士研究生，研究方向为数据挖掘、学习分析；
王瑾洁（ 1998— ），女，湖南株洲人，硕士研究生，研究方向为计算思维、人工智能与教育应用。
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