梁健

【摘要】人工智能時代，編程教育成為培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維能力的重要方式。本文結(jié)合廣州市越秀區(qū)少年宮三年多來的編程教育實(shí)踐，在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論與計算思維培養(yǎng)階段的基礎(chǔ)上構(gòu)建中小學(xué)校外編程教育實(shí)施模型，并基于模型探討中小學(xué)校外編程教育實(shí)施路徑，旨在為中小學(xué)生計算思維的培養(yǎng)和校外編程教育的開展提供新的參考路徑。本研究所構(gòu)建的模型以計算思維為導(dǎo)向，在多方聯(lián)動、重構(gòu)課程體系的基礎(chǔ)上，形成“公益編程活動——Scratch編程——Python語言——C++語言——比賽交流”的編程教育實(shí)施路徑。

【關(guān)鍵詞】校外編程教育; 計算思維; 實(shí)施模型; 實(shí)施路徑

一、問題提出

近年來，通過編程培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力逐漸成為教育領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。2011年，美國計算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）和計算機(jī)協(xié)會（ ACM）研制了《 K-12 計算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》，強(qiáng)調(diào)通過編程學(xué)習(xí)，解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。2017年，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》：強(qiáng)調(diào)中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程，并逐步推廣編程教育?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》更是將“計算思維”融入學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)從之前的計算機(jī)技能培養(yǎng)向計算思維培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。

然而，我國中小學(xué)編程教育仍存在以下問題。一是編程教育的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，高校、中小學(xué)和社會未形成一種融合性的發(fā)展模式;二是課堂上主要以語法、算法學(xué)習(xí)為主，學(xué)生易對編程內(nèi)容感到枯燥，失去學(xué)習(xí)興趣。而與學(xué)校相比，少年宮等校外力量在提供編程教育環(huán)境、資源、產(chǎn)品、培訓(xùn)等服務(wù)方面具有一定的優(yōu)勢。因此，本文旨在探究面向計算思維能力的中小學(xué)校外編程課程實(shí)施路徑，以期為計算思維的培養(yǎng)和校外編程教育的開展提供新的參考路徑。

二、相關(guān)研究述評

1980年，麻省理工學(xué)院教授派珀特在其著作中首次提出計算思維（Computational Thinking）的概念，強(qiáng)調(diào)計算思維是學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機(jī)時所訓(xùn)練出來的思維技能。2016年，周以真從全新的角度給出了計算思維的定義，認(rèn)為計算思維是運(yùn)用計算機(jī)基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為，強(qiáng)調(diào)計算思維是人的思維能力。上述定義表明，計算思維是學(xué)生基于計算機(jī)基礎(chǔ)概念，利用計算機(jī)的功能進(jìn)行問題求解的能力。

通過梳理相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)教育各個階段已經(jīng)開始探索利用編程課程去培養(yǎng)計算思維。如孫立會等基于皮亞杰的認(rèn)真發(fā)展階段理論，將計算思維培養(yǎng)劃分為前計算思維階段、計算思維準(zhǔn)備階段、計算思維形成階段和計算思維發(fā)展階段;曹曉明等基于高中信息技術(shù)課程校本課程的開發(fā)，提出了計算思維的培養(yǎng)路徑，通過系統(tǒng)化的案例學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)計算思維能力的培養(yǎng);熊秋娥等通過實(shí)證研究的方法，采用Scratch課程對34名小學(xué)生開展為期16周的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)游戲化的圖形編程教學(xué)能夠促進(jìn)小學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。但受長期的傳統(tǒng)教育理念影響，中小學(xué)的編程教育普遍存在教條學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，學(xué)生僅僅學(xué)習(xí)語法和算法，學(xué)習(xí)的平臺和資源較為單一。

社會力量也逐漸重視編程教育。蘋果公司宣布將其“人人能編程”課程推廣至全球，該課程使用 Swift 語言， 面向高中生和大學(xué)生;著名的非營利組織Code.org提出“編程一小時”口號，并設(shè)計了一套系統(tǒng)的課程，目的是讓每一位孩子都有機(jī)會學(xué)習(xí)編程。國內(nèi)企業(yè)也為編程教育的方法理念提供了資源和技術(shù)的支持，拓寬編程教育研發(fā)平臺與視野。如林芳竹通過分析編程貓軟件的特點(diǎn)和及其配套課程的應(yīng)用優(yōu)勢，認(rèn)為編程貓這種圖形化的游戲化的編程教育，對學(xué)生解決問題能力、創(chuàng)新能力，以及邏輯思維能力的培養(yǎng)有著積極地促進(jìn)作用。

通過對上述相關(guān)研究梳理，發(fā)現(xiàn)中小學(xué)已經(jīng)在推廣編程教育，并逐步探索校本課程的開發(fā)，這為本研究提供了理論基礎(chǔ)。但由于經(jīng)驗(yàn)的不足和資源、技術(shù)等不配套，計算思維能力培養(yǎng)與目標(biāo)要求仍存在很大的差距。且目前少有研究去探究校外編程課程實(shí)施方案。因此，本文將研究面向計算思維的校外編程課程實(shí)施路徑。

三、中小學(xué)校外編程教育實(shí)施模型和路徑

人工智能時代，中小學(xué)編程教育成為培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維能力的重要方式。筆者在借鑒其他學(xué)者所提出的推進(jìn)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣州市越秀區(qū)少年宮編程教育實(shí)踐，以計算思維能力為目標(biāo)導(dǎo)向構(gòu)建了中小學(xué)校外編程教育實(shí)施模型（如圖 1 所示），并基于該實(shí)施模型提出中小學(xué)校外編程教育實(shí)施的路徑。

（一）多方聯(lián)動

我國中小學(xué)校外編程教育尚處于初期發(fā)展階段，仍面臨較多的困難與挑戰(zhàn)，需聯(lián)動各方力量，以推動形成良好的發(fā)展模式。筆者所在的廣州市越秀區(qū)少年宮是越秀區(qū)教育局的直屬單位，以區(qū)域?qū)用骈_展編程公益活動及課程已有三年多時間。期間，聯(lián)動教育局、社會機(jī)構(gòu)、中小學(xué)等各方力量積極推動中小學(xué)校外編程教育的發(fā)展。廣州市教育局于2019年7月公布《廣州市教育局關(guān)于開展人工智能改革試驗(yàn)區(qū)、校遴選的通知》，表明將于本年秋季開展人工智能校本課程試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，到2022年，實(shí)現(xiàn)人工智能教育覆蓋廣州全市學(xué)校。此通知對編程教育進(jìn)入中小學(xué)產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。越秀區(qū)少年宮深刻認(rèn)識到人工智能企業(yè)是中小學(xué)校外編程教育發(fā)展的促進(jìn)者和有益補(bǔ)充成份，積極與社會力量合作交流，比如邀請大型人工智能企業(yè)的工程師為學(xué)員們講解最新信息科技的發(fā)展。此外，我們也非常重視與中小學(xué)的交流合作，多次舉辦校際團(tuán)隊編程比賽，大大促進(jìn)了區(qū)內(nèi)編程學(xué)習(xí)的氛圍。

（二）重構(gòu)中小學(xué)校外編程課程體系

1.明確課程目標(biāo)

近年來，不少企業(yè)紛紛開展校外編程，但面臨同質(zhì)化嚴(yán)重、盲目競爭等問題，甚至連課程目標(biāo)定位都不明確，單純“為了教而教”。明確課程目標(biāo)，才能更好地開發(fā)課程資源和創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐，是重構(gòu)中小學(xué)校外編程課程體系的第一步也是關(guān)鍵一步。越秀區(qū)少年宮明確課程目標(biāo)的核心是計算思維能力，在三年多的實(shí)踐中形成了基于皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論的分階段計算思維培養(yǎng)目標(biāo)，并借鑒孫立會等學(xué)者依據(jù)認(rèn)知發(fā)展規(guī)律所劃分計算思維培養(yǎng)階段——前計算思維階段、計算思維準(zhǔn)備階段、計算思維形成階段、計算思維發(fā)展階段，完善了各階段的編程教學(xué)目標(biāo)。

2.建設(shè)課程群

編程教育是由一系列編程課程組合而成，課程組合的合理與否將直接影響編程教育的效果。這種組合并非簡單的拼湊，而是需要遵循一定邏輯進(jìn)行組合。目前越秀區(qū)少年宮基于課程目標(biāo)開設(shè)了五個系列的編程教學(xué)，分別是公益編程活動、Scratch、Python語言、C++語言及比賽交流。公益編程活動對應(yīng)前計算思維階段，Scratch圖形化編程對應(yīng)計算思維準(zhǔn)備階段，Python語言對應(yīng)計算思維形成階段，C++語言和區(qū)級比賽對應(yīng)計算思維發(fā)展階段。

（1）公益編程活動

越秀區(qū)少年宮開展的公益編程活動主要包括項目式STEM創(chuàng)客教育活動和機(jī)器人創(chuàng)客活動。前者以“科技改變生活”為主題，每學(xué)期均會舉行3-4次活動，活動使用Arduino器材制作各種貼近生活的創(chuàng)意項目，例如：走馬燈、紅外人體感應(yīng)燈、坐姿提醒儀等，每次活動完成一個主題。包含各種傳感器、開發(fā)板及IDE開發(fā)環(huán)境的Ardunio器材，對學(xué)生們有著天然的吸引力，學(xué)生們在同一空間下的合作將變得更加容易實(shí)現(xiàn)。后者適合低年級學(xué)生參與，由于界面友好、造型可愛、代入性強(qiáng)，機(jī)器人的活動深受低年級兒童的歡迎。對學(xué)童提高分解、構(gòu)建、對象、事件等計算思維能力頗有成效。根據(jù)研究，學(xué)習(xí)機(jī)器人能夠有效提高計算思維及問題解決能力，且這些能力能遷移到Ardunio、代碼編程等項目中。通過機(jī)器人活動和Ardunio活動，我們挑選有興趣學(xué)習(xí)編程的學(xué)生進(jìn)入常態(tài)班級，他們在日后的學(xué)習(xí)中大多表現(xiàn)出主動性強(qiáng)、協(xié)作能力好的特點(diǎn)。

（2）Scratch趣味編程

Scratch趣味編程課程比較適合低年齡段的孩子。通過模仿案例，孩子們較為輕松地理解變量、函數(shù)這些概念，并應(yīng)用到二次創(chuàng)作之中去，使孩子們的獲得感大增。而這些同學(xué)升入編程語言班之后，能將這些知識和技能遷移到文本編程學(xué)習(xí)中，比起沒有學(xué)過圖形化編程的同學(xué)更迅速理解問題情境，并建立相應(yīng)模擬的流程。

（3）Python語言編程課程

越秀區(qū)少年宮Python編程課程更鼓勵學(xué)生在編程學(xué)業(yè)上有更專業(yè)的發(fā)展。教師們設(shè)計生活化、趣味和有應(yīng)用價值的情景，把整個項目分割成若干階段子任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動的方式引領(lǐng)學(xué)生分析問題，建立模型并寫出算法，子任務(wù)之間的知識需要形成正遷移，始終著眼于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，并且鼓勵學(xué)生探索更抽象的算法知識解決情景問題。

由于情景建立在跨學(xué)科的應(yīng)用基礎(chǔ)上，例如繪畫、漢諾塔、迷宮等項目，都是需要一定的算法思維解決具體的問題，如繪畫需要使用turtle庫，漢諾塔需要使用遞歸算法，迷宮需要使用搜索（深度優(yōu)先或廣度優(yōu)先）算法。教師引導(dǎo)學(xué)生使用編譯工具了解算法的時空復(fù)雜度，認(rèn)識到算法的價值和優(yōu)缺點(diǎn)，從而做出合理的選擇。

（4）C++語言編程課程

C++語言課程是高難度，但也是最受學(xué)生歡迎的課程。教師創(chuàng)設(shè)學(xué)科情境，引導(dǎo)學(xué)生采用適當(dāng)?shù)乃惴按a解決問題。借鑒學(xué)者所提的歸納抽象、模擬流程、算法設(shè)計、優(yōu)化調(diào)試、遷移學(xué)習(xí)五個步驟促進(jìn)學(xué)員使用C++語言及算法解決抽象問題。例如，在一維布爾型數(shù)組的教學(xué)中，約瑟夫問題是一個經(jīng)典的問題情境，我們引導(dǎo)學(xué)生通過問題情境歸納出核心的問題模型，讓學(xué)生模擬流程，選擇布爾型數(shù)組解決問題，再細(xì)化問題的層次，逐個解決循環(huán)結(jié)束條件、出隊人員識別等環(huán)節(jié)，再把代碼整合進(jìn)行調(diào)試，解決問題之后再引入“優(yōu)美序列”等問題。當(dāng)然，約瑟夫問題也可以用隊列解決，學(xué)生成功解決這個問題后，就可以學(xué)習(xí)廣度優(yōu)先搜索算法了。

（5）交流活動及比賽

為在區(qū)內(nèi)中小學(xué)形成學(xué)習(xí)編程的氛圍，提高中小學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣，越秀區(qū)少年宮時常策劃交流活動和比賽。例如，邀請大型人工智能企業(yè)的工程師講解最新信息科技的發(fā)展、邀請信息學(xué)奧賽金牌教練講解算法、舉行校際團(tuán)隊編程比賽等。

3.創(chuàng)新課程實(shí)施

在以計算思維能力為核心的課程目標(biāo)下，創(chuàng)新各系列課程的實(shí)施。目前越秀區(qū)少年宮已形成逐步提高計算思維能力的分階段課程實(shí)施路徑，“公益活動——Scratch圖形化編程——Python語言——C++語言——比賽交流”。在低年齡段以圖形化編程促進(jìn)推理、自動化、模塊化等思維能力;通過活動平臺，開展貼近生活情境的的硬件編程活動和舉辦校際比賽，在這些比賽活動中根據(jù)學(xué)生展現(xiàn)的特長，推薦進(jìn)入Python語言或C++語言班;Python語言班著重融入跨學(xué)科背景，使用編程工具解決問題，而C++語言班則著重使用文本編程工具，解決抽象性的情景問題。

四、結(jié)語

科技飛速發(fā)展，面向計算思維的中小學(xué)校外編程教育之路任重而道遠(yuǎn)。未來將會在中小學(xué)校外編程教育實(shí)施路徑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入探索不同階段編程教育的具體教學(xué)方法，形成教學(xué)模式，構(gòu)建穩(wěn)定的區(qū)域編程教育發(fā)展模式。

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