研究表明，计算思维的培养对与儿童的认知发展有着积极的作用，也是二十一世纪每个儿童应当学习掌握的技能。作为培养计算思维的方法之一，编程教育随着计算机技术的发展及实物交互界面的成熟愈发普及。研究发现，编程教育不仅可以培养儿童计算思维，而且在儿童语言，数学，创造力等方面的发展都有着积极的作用。

然而，对幼儿来说，编程似乎是一个相当大的挑战。在使用传统的编程方式编程时，儿童不仅在学习复杂语法和文本符号方面存在困难，而且在使用复杂的编程环境方面也存在困难。因此，降低编程难度，为儿童提供适当的编程工具在教育中具有很高的价值。实物交互界面是一种有效的互动方法，它融合了人类与物质世界互动的丰富性，有助于儿童的学习。有了实物编程工具，孩子们可以通过组装物理对象来编写程序，而无需敲击键盘，这使得孩子们更容易参与编程。此外，实物交互界面开放的环境可以很好地支持多人协作。

本研究致力于研究设计基于分布式认知的儿童编程系统，实验验证适合儿童实物编程的系统设计。在调研并分析国内外相关工作的基础上，结合实验提出了适合儿童合作编程的系统结构设计方式，实现了两款实物编程工具，通过用户评估验证实物编程可以降低认知负的特点，并尝试了算法教育与实物编程的结合。

本文的主要工作如下：

1. 基于分布式认知的实物编程语言设计

根据分布式认知理论，结合实物交互界面下儿童操作习惯以及儿童的视觉认知习惯设计实物编程语言。所设计语言具有直观的语义与利于理解记忆语法以降低儿童的认知负荷。儿童可以像搭积木的操作编写程序，完成所设计的编程任务学习编程及算法。

2. 基于分布式认知的实物编程原型系统的设计与实现

在借鉴了相关工作及分析了合作评估实验结果的基础上，设计并开发了基于实物的儿童编程系统：TLogic和ARcat。TLogic的设计目的是为了探究实物编程工具能否降低编程所解决的问题的认知负荷，并设计不同的虚拟场景对比发现儿童对于在使用实物编程工具条件下的对于更有挑战性的任务有选择倾向。ARcat在TLogic评估结论的基础上，结合了算法教育与实物编程，提出了在实物编程环境下的学习深度优先搜索算法的可能性。

 3. 对所实现的实物编程系统的用户研究

通过调研实物交互界面评估相关文献，设计对TLogic和ARcat的评估实验。研究对实验过程记录数据，问卷数据分析讨论。实验结果表明TLogic可以降低儿童的认知负荷，儿童在实物编程环境下倾向完成较有挑战性的任务。ARcat的实验结果表明，儿童在实物编程活动后，对算法有了初步的理解，证实了算法教育与实物编程结合的可行性。