基于活动理论的BOPPPS教学模式促进学生编程和计算思维的实证研究

摘要：本研究以“活动理论”教育理念为依据，构建以“引导活动、知识测试活动、合作体验活动和学习反思活动”为主体的活动理论教学模型，并设计以“导入、目标、前测、参与式学习、后测、总结”六个环节为主体的BOPPPS教学模式，利用Pepper机器人开展教学实践以培养学生的计算思维。实证分析结果表明，基于活动理论的BOPPPS教学模式促进了学生的编程成绩和计算思维成绩的提升，为中小学编程教学改革提供了借鉴。

关键词：计算思维；Pepper机器人；活动理论；编程教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）02-0076-05

计算思维最早由麻省理工学院的西蒙·派珀特（Sey⁃mour Papert）教授于1996年首次提出。[1]随后，周以真教授对计算思维进行了系统的论述。[2]计算思维概念被提出以来，受到各国的广泛关注和高度重视，被认为是21世纪青少年必备的基本素养和关键技能。[3]因此，如何培养青少年的计算思维成为全世界教育工作者关注的热点问题。随着机器人编程教育的兴起，学生可以在设计机器人、组装机器人、机器人编程等情境中实现思维的拓展和能力的提高。机器人教育中除了包含计算机科学外，还融合了机械、工程等多领域的内容，致力于培养学生全方位的能力。[4]因此，机器人教育成为培养青少年计算思维的重要途径。但是，设计什么样的教学模式创新机器人编程教育？如何设计并实施有效的教学模式来促进编程学习和提高学生的计算思维？本研究将通过实验研究来回答这些问题。

基于活动理论的教学理念

活动理论又称为“文化-历史活动理论”（Cultural-historical Activity Theory），它关注的是实践过程而非知识本身，是人们在发展过程中使用工具的本质、不同环境的作用、社会关系、活动目的与意义，最终达到对主体或客体进行改变的过程和结果。当前，应用广泛的是恩格斯托姆的活动理论体系，包括主体、客体、工具、共同体、规则和劳动分工六要素。[5]

本研究基于活动理论的教学理念，构建了以“引导活动、知识测试活动、合作体验活动和学习反思活动”为主体的活动理论教学模型（如下页图1）。引导活动主要包括导入和目标呈现，通过情境的导入既让学生明确学习主题，又能够激发学生学习兴趣，同时借助工具呈现学习目标帮助学生明晰学习的具体内容。知识测试活动包括课堂中的前测和后测，前测是通过问卷或抽问的形式对学生的编程水平、学习兴趣、计算思维水平进行的基础测试，后测是为了检验学生的编程学习效果。合作体验活动主要是学生为实现学习目标而进行的一系列的实践和探究。学习反思活动主要由各小组进行成果展示、反思、点评和总结。在一系列活动结束后，学生通过活动内化，完成知识建构，输出结果，从而提高计算思维水平和编程能力。

基于活动理论的BOPPPS教学模式设计

基于上述的活动理论基础与教学活动模型，笔者设计了BOPPPS教学模式，如图2所示。

1.导入（Bridge-in）：引入主题

导入是活动理论模型中引导活动的第一部分，是指教师利用工具（多媒体设备、Pepper机器人）设置情境引导主体（学生个体或群体）进入学习情境，起到引入主题的作用。该环节主要是利用情境将课程的内容和学生的已有知识有效衔接，不仅能够提高学生对课程目标、教学内容的认识，而且容易激发学生的学习兴趣。

2.目标（Objective）：目标呈现

目标是活动理论模型中引导活动的第二部分，是指教师利用工具（多媒体设备、Pepper机器人）向主体（学生个体或群体）展示客体（学习目标），起到目标呈现的作用。该环节主要是教师通过PPT等方式呈现知识、素养和技能三个方面的学习目标，让学生明晰本节课的学习目标，便于其掌握学习的重点。

3.前测（Pre-assessment）：知识摸底

前测是活动理论模型中知识测试活动的第一部分，是指主体（学生个体或群体）和共同体（各小组成员）在规则（测试规则）的条件下进行学习前的知识水平检测，起到知识摸底的作用。该环节主要是为了掌握学生的储备知识情况，了解学生对本课程的兴趣，以便调整后续教学内容的深度及进度，让教学更加聚焦。

4.参与式学习（Participatory learning）：突出主体

参与式学习是活动理论模型中合作体验活动的部分，是指主体（学生个体或群体）为实现客体（学习目标）与共同体（各小组成员）的合作探究，进行协作编程的过程，起到突出主体的作用。该环节注重学生在实践活动中的体验与获得，体现“以学生为主体”的教学思想。

5.后测（Post-assessment）：知识检验

后测是活动理论模型中知识测试活动的第二部分，是指主体（学生）和共同体（各小组成员）在规则（测试规则）的条件下进行参与式学习后的效果检测，起到知识检验的作用。该环节需要验收学习成果，判断学生是否达到预期的效果。

6.总结（Summary）：自我反思

总结是活动理论模型中学习反思活动的部分，是指共同体（各小组成员）通过劳动分工（生生交流、师生交流）进行成果展示、点评、总结和反思，从而判断是否实现客体（学习目标），起到自我反思的作用。该环节主要是让学生展示成果以获得教师和同伴的反馈，然后进行总结反思。

教学案例

下面，笔者基于活动理论基础与教学活动模型，以及BOPPPS教学模型尝试进行Pepper机器人编程教学案例设计，其活动流程主要分为六个部分，即导入、目标、前测、参与式学习、后测、总结。

1.导入

教师活动：①利用机器人诗词朗诵大赛的主题激发学习兴趣；

②演示Pepper机器人朗诵诗词激发学生的编程兴趣。

学生活动：①小组合作讨论“诗词朗诵Pepper机器人”的设计思路；②与Pepper机器人进行互动，熟悉Pepper机器人的功能。

2.目标

①制作出能够语音输出的Pepper机器人。②制作出能够图像展示的Pepper机器人。③制作出能够肢体表达的Pepper机器人。

3.前测

在合作体验活动开始前教师通过问卷调查掌握学生的计算思维水平，通过提问的方式掌握学生对Pepper机器人编程的兴趣和熟悉程度。

4.参与式学习

教师活动：①指导编程；②启发思考；③监控学生行为与交流讨论。

学生活动：

探究一：制作出能够语音输出的Pepper机器人。

①使用分支结构的积木块编程；②使用语音识别积木块编程；③录制音频。

探究二：制作出能够图像展示的Pepper机器人。

①使用布尔运算编程；②使用循环结构积木块编程；③使用文字显示和图像显示积木块编程。

探究三：制作出能够肢体表达的Pepper机器人。

①使用动作积木块编程；②使用时间积木块编程。

5.后测

本节课在Pepper机器人编程任务结束后，会根据课堂学习的编程知识进行随机性抽问，如“循环结构的模块有哪些”“怎样才能让Pepper机器人能够向我们打招呼”等，以实现对学生的学习效果的评估，并根据抽问的效果进行教学反思，及时调整教学设计，从而更好地达成教学目标。

6.总结

教师活动：①总结本次课程的重难点；②点评各小组的成果；③选出优秀作品。

学生活动：①各小组上台展示“诗词朗诵Pepper机器人”，进行朗诵诗词比赛；②各小组互相点评；

③小组内或小组间交流编程的经验，进行总结和反思。

基于活动理论的BOPPPS教学模式效果分析

1.研究设计

（1）研究对象

本研究采用准实验研究法，研究对象为某中学七年级的学生（平均年龄为14岁），共有59人，学生初识Pepper机器人，尚不熟悉其编程的过程，但已经具备一定的推理探究能力和编程基础知识，能够动手设计创新的个性化项目，有利于教学的顺利开展。

（2）研究工具

计算思维测量表改编于张屹等人[6]提出的计算思维测试量表，共包含15个题项，总计100分，其中1～4题属于计算概念（每题5分），5～10题属于计算实践（每题5分），11～15题属于计算观念（每题10分）。在本研究中，计算思维前测问卷Cronbach alpha信度系数为0.720，后测问卷Cronbach alpha信度系数为0.885，均大于0.7，满足信度要求，说明计算思维测试量表具有良好的信度。

（3）实验流程

本研究开展了为期7周的准实验研究。在实验前，被试学生进行一次编程成绩测试和计算思维成绩测试（作为前测成绩）。在正式实验中，共开展三次编程学习活动，分别是以“语音输出”“图像展示”“肢体表达”为主题的编程学习。最后，被试学生进行一次编程成绩测试和计算思维成绩测试（作为后测成绩）。

2.研究分析

经过7周的Pepper机器人编程学习活动，学生的编程成绩、计算思维能力发生了一定程度的变化。本研究采用定量统计分析的方法从两个方面探析基于活动理论的BOPPPS教学模式的效果：①学生在接受训练前后编程成绩的变化；②学生在接受训练前后计算思维的变化。

（1）学生编程成绩分析：编程成绩显著提升

本研究采用配对样本t检验对学生编程测试成绩前后测是否存在显著性差异进行了分析（如表1），结果表明被试学生的编程测试成绩前后测存在显著性差异（p=0.000<0.001）。具体而言，基于活动理论的BOPPPS教学模式有效提升了学生的编程测试成绩（M后=84.77>M前=72.89）。

（2）学生计算思维成绩分析：计算思维成绩显著提升

本研究采用配对样本t检验对学生计算思维成绩前后测是否存在显著性差异进行了分析（如表2），结果表明被试学生的计算思维成绩前后测存在显著性差异（p=0.000<0.001），尤其是计算概念维度（p=0.000<0.001）和计算实践维度（p=0.000<0.001）。具体而言，基于活动理论的BOPPPS教学模式有效提升了学生的计算思维成绩。

结语

实验结果表明，基于活动理论的BOPPPS教学模式能够有效融入Pepper机器人教学，有助于提升学生的编程能力，为培养学生的计算思维提供了载体。同时，它能够帮助教师更好地开展教学活动，改善课堂教学效果，提高课堂教学质量。

因此，在未来的教学中，希望一线工作者能够从教学设计创新的视角去开展实践研究，如探讨机器人教学对学生设计思维、解决问题的深层技能的影响，以及如何整合有效的教学策略对学生编程能力、编程思维的影响等。

参考文献：

[1]Papert S. An exploration in the space of mathematics educations[J].Int. J. Comput. Math. Learn.，1996（01）：95-123.

[2]Wing J M. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（03）：33-35.

[3]周平红，桑雪梅，张屹，等.同伴互评支持的结对编程对学习者计算思维的影响研究[J].电化教育研究，2023，44（11）：105-112.

[4]焦沫.基于中小学生计算思维培养的机器人教学模式设计与实践探究[J].中小学电教：教学，2023，575（04）：7-9.

[5]Engeström Y. Activity theory and individual and social transformation[J]. Perspectives on activity theory，1999（38）：19-30.

[6]张屹，陈邓康，付卫东，等.基于新课标的中小学生计算思维量表构建研究[J].电化教育研究，2024，45（03）：90-98.

作者简介：周玮（1998—），男，重庆市人，华南师范大学博士研究生，研究方向为学习科学、数字技术教育应用；罗霞（1997—），女，四川省巴中市人，厦门大学博士研究生，研究方向为人工智能教育应用；杨刚（1979—），男，苗族，湖南省怀化市人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为学习科学、编程教育。

基金项目：浙江省教育科学规划2023年度重点课题“新课标背景下编程教育促进青少年计算思维发展的理论与实践研究”（课题号：2023SB088）。（立项者：杨刚）