付東升 朱新飛 高松

備注：本文系福建省電化教育館“中小學(xué)生人工智能計(jì)算思維與編程教學(xué)實(shí)踐研究”（閩教電館KT2010）研究成果

摘要：隨著社會(huì)進(jìn)步，國(guó)家對(duì)創(chuàng)新人才的需求與日俱增。編程教育作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一項(xiàng)有效途徑，其地位也在國(guó)內(nèi)逐漸受到重視。在初中階段如何有效的開(kāi)展編程教育，本文將就編程教育在開(kāi)展中，軟硬件相結(jié)合的教學(xué)模式進(jìn)行介紹，以期對(duì)廣大一線編程教育的教師隊(duì)伍起到參考作用。

關(guān)鍵詞：初中 編程教育 軟硬件結(jié)合 實(shí)踐研究

中圖分類號(hào)：G633.67

一、引言

一些發(fā)達(dá)國(guó)家在2014年就將編程教育納入到了他們的課程標(biāo)準(zhǔn)或教學(xué)大綱之中，編程教育已經(jīng)納入其中，并且要求編程教育從一年級(jí)就開(kāi)始。[1]對(duì)于我國(guó)的編程教育而言，現(xiàn)在也在逐步得到重視，在2017年我國(guó)就印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，我國(guó)也提出了在中小學(xué)階段需要設(shè)置相關(guān)課程?，F(xiàn)今對(duì)編程教育的研究已經(jīng)在逐年增加，但使用軟硬件相結(jié)合的編程教育方式還較少，這種方式讓學(xué)生在動(dòng)手中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中實(shí)踐，對(duì)編程學(xué)習(xí)起到了促進(jìn)作用，本文就將通過(guò)軟硬件結(jié)合的教學(xué)方式進(jìn)行編程教學(xué)探究進(jìn)行介紹。

二、中小學(xué)編程教育現(xiàn)狀

隨著發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)編程教育的愈發(fā)重視，我國(guó)對(duì)編程教育的重視也達(dá)到了一個(gè)新的高度。編程課堂在各省市的部分學(xué)校也逐步得到了重視，不過(guò)當(dāng)下課堂的編程教學(xué)，根據(jù)一項(xiàng)針對(duì)初中編程課程的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有18%的學(xué)生提到自己的學(xué)校是有開(kāi)設(shè)編程課程的，有四分之一的同學(xué)提到有聽(tīng)過(guò)相關(guān)的講座，40%的學(xué)生提到還未接觸過(guò)此類課程。[2]在學(xué)習(xí)過(guò)編程的同學(xué)中，調(diào)查顯示大部分孩子在學(xué)習(xí)之初對(duì)編程教育感興趣，但隨著難度的增加，對(duì)編程的喜歡程度便逐步下降。

我校在開(kāi)展編程教育的初期也是遇到這樣的問(wèn)題，學(xué)生在學(xué)習(xí)初期，對(duì)人工智能時(shí)代的充滿向往，對(duì)編程有著較高的學(xué)習(xí)熱情。但是在隨著編程語(yǔ)言難度的加大，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情便逐漸的退卻。在編程教育的初期，我校教師的授課方式使用的是較為傳統(tǒng)的知識(shí)講授式，這也不禁讓我校教師在教學(xué)過(guò)程中去探索新教學(xué)模式，從而重新激發(fā)起學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。

三、軟硬件相結(jié)合的編程教育模式

軟硬件的教學(xué)模式，在當(dāng)下在教育領(lǐng)域較多以創(chuàng)客的形式存在。在學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新思維;圖形化編程、開(kāi)源硬件等編程課程可以開(kāi)展相關(guān)創(chuàng)客活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意代碼搭建;3D打印等原型化動(dòng)手課程、由軟件搭建代碼控制配件的物理交互式課程也可以按照創(chuàng)客學(xué)習(xí)活動(dòng)形式開(kāi)展動(dòng)手實(shí)操類課程。

（一）軟硬件相結(jié)合的常態(tài)化課堂應(yīng)用

就目前來(lái)說(shuō)，這類創(chuàng)客類的課程在學(xué)校內(nèi)并不是主流課程，它們大都出現(xiàn)在科技館、創(chuàng)客培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等。我校在編程教育的探索中，在硬件融入編程的過(guò)程中，選用了采用圖形化編程的硬件開(kāi)發(fā)板。在不斷的教學(xué)探索過(guò)程中，逐漸形成了較為完善的課程，來(lái)提升學(xué)生對(duì)編程的學(xué)習(xí)興趣。

以我校開(kāi)展的采用圖形化編程的硬件開(kāi)發(fā)板課程《火箭發(fā)射》為例，介紹在課堂中如何將編程教育與軟硬件相結(jié)合。

首先《火箭發(fā)射》這節(jié)課，需要學(xué)生能夠熟練運(yùn)用for循環(huán)和set_pixel（）的使用。對(duì)于for循環(huán)的教學(xué)，對(duì)有接觸過(guò)編程教育的老師來(lái)說(shuō)都再非常熟悉，這是編程學(xué)習(xí)不可或缺的部分。在實(shí)際的編程教育中，到學(xué)習(xí)for循環(huán)開(kāi)始，學(xué)生的就逐漸對(duì)編程教育開(kāi)始產(chǎn)生的畏難情緒，對(duì)循環(huán)的概念與運(yùn)用的理解出現(xiàn)了困難。我校在編程教學(xué)初期，大多也是采用例題講解的形式，對(duì)于一半左右的學(xué)生在知識(shí)接受反饋中，都不同程度的產(chǎn)生了理解不夠充分的現(xiàn)象?；诖爽F(xiàn)象，我們運(yùn)用軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行了教學(xué)形式的重構(gòu)，下面我們就將對(duì)本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)做一個(gè)介紹，以期對(duì)編程教育工作者能夠帶來(lái)參考。

1、結(jié)合實(shí)際的情境導(dǎo)入

為本節(jié)課創(chuàng)設(shè)一個(gè)好的情境，對(duì)課程各環(huán)節(jié)的貫穿起到了很好的引導(dǎo)作用。在本節(jié)課中，教師通過(guò)PPT呈現(xiàn)火箭發(fā)射的圖片，介紹國(guó)家時(shí)事;然后通過(guò)視頻播放一個(gè)一分鐘的關(guān)于我國(guó)火箭發(fā)射的視頻，引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容為采用圖形化編程的硬件開(kāi)發(fā)板制作火箭發(fā)射，并對(duì)火箭的用途進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。這樣的情境導(dǎo)入，既能讓后續(xù)的教學(xué)圍繞火箭發(fā)射來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)變得合情合理，又能切合當(dāng)下的科技發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，起到愛(ài)國(guó)教育，體現(xiàn)核心主義價(jià)值觀。

2. for循環(huán)在硬件中的應(yīng)用

以往學(xué)生在學(xué)習(xí)for循環(huán)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，產(chǎn)生了畏難的情緒，在本節(jié)課的教學(xué)中就應(yīng)用軟硬件教學(xué)，嘗試運(yùn)用此方法來(lái)解決這一痛點(diǎn)。

首先在教學(xué)設(shè)計(jì)中，先通過(guò)圖形化的for循環(huán)運(yùn)用，在圖形化編程軟件的程序界面實(shí)現(xiàn)火箭升空的效果。圖形化編程軟件可以直觀的讓學(xué)生看到通過(guò)編程設(shè)計(jì)，隨后圖形化編程的硬件開(kāi)發(fā)板塊將會(huì)模擬呈現(xiàn)其效果，這個(gè)步驟就直接給了學(xué)生一種直觀的感受，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提升是有極大的幫助。

基于效果的實(shí)現(xiàn)，我們就將平時(shí)枯燥的代碼，通過(guò)圖形化編程的硬件開(kāi)發(fā)板這一教學(xué)硬件，通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的亮燈效果，實(shí)現(xiàn)火箭升空的簡(jiǎn)單模擬動(dòng)畫(huà)效果。可以說(shuō)此時(shí)for循環(huán)的效果得到了最直接的體現(xiàn)，學(xué)生手中的圖形化編程的硬件開(kāi)發(fā)板就能看到運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)后的亮燈效果。通過(guò)觀察，學(xué)生為了實(shí)現(xiàn)這一效果，主動(dòng)學(xué)習(xí)語(yǔ)言的能動(dòng)性得到了提升，原先那些在班級(jí)學(xué)習(xí)較為困難的學(xué)生，也紛紛與小組同學(xué)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自己手中硬件的效果。

（二）軟硬件相結(jié)合的興趣特長(zhǎng)課程開(kāi)展

程序能夠控制機(jī)器工作，這是編程教育的一個(gè)實(shí)現(xiàn)價(jià)值的一個(gè)重要途徑。讓一個(gè)程序變得有意義，變得直觀，硬件的結(jié)合就發(fā)揮了重要作用。在開(kāi)展編程教育教學(xué)中，我校還開(kāi)展了一系列的軟硬件結(jié)合的編程興趣特長(zhǎng)課程。

該課程有無(wú)人機(jī)編程、機(jī)甲大師編程、鯨魚(yú)機(jī)器人編程等，這類課程都很好的將編程與硬件相結(jié)合。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，都充分發(fā)揮出了自主性。這與硬件帶來(lái)的良好、實(shí)時(shí)互動(dòng)性密不可分。學(xué)生的編程后的程序，能夠快速直觀的在硬件中得到反饋，這種任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的反饋效果，對(duì)學(xué)生的產(chǎn)生了正向效果，從而提升了自主性。

如在我校在鯨魚(yú)機(jī)器人編程教育的過(guò)程中，學(xué)生需要通過(guò)編程驅(qū)動(dòng)機(jī)器小車自主巡線，到達(dá)任務(wù)地點(diǎn)后，小車還需要通過(guò)設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行機(jī)械臂的操作。往往一個(gè)程序的長(zhǎng)度達(dá)到近百行，這在平時(shí)的純粹只有代碼學(xué)習(xí)的課堂中，學(xué)生要掌握這種量級(jí)的代碼是及其困難的，一個(gè)班級(jí)中只有少數(shù)優(yōu)生才能實(shí)現(xiàn)。但是通過(guò)小車的編程教育，普通程度的學(xué)生便能掌握這樣的代碼量。而且在這個(gè)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)學(xué)生不僅是能運(yùn)用該程序，同時(shí)還掌握了如何修正代碼的能力。學(xué)生通過(guò)代碼的不斷調(diào)試，從而最終完成任務(wù)。在鯨魚(yú)機(jī)器人的編程教學(xué)中，學(xué)生僅僅利用了兩個(gè)的月課余時(shí)間學(xué)習(xí)，便能夠熟練的進(jìn)行該編程代碼的操作，在參加世界機(jī)器人大賽的賽事，還獲得了不俗的成績(jī)?？梢?jiàn)軟硬件相結(jié)合的編程教學(xué)方式，對(duì)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)促進(jìn)是明顯的。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)我校一年的軟硬件結(jié)合的編程教育的探究，可以發(fā)現(xiàn)軟硬件結(jié)合的編程教育的優(yōu)勢(shì)明顯。學(xué)生在動(dòng)手操作中實(shí)現(xiàn)了程序?qū)W習(xí)，原來(lái)晦澀難懂的編程題目轉(zhuǎn)變成了直觀的硬件呈現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了很好的調(diào)動(dòng)。整體的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果都得到了提升。

但是軟硬件教學(xué)的在提升教學(xué)效果的同時(shí)，也是有其不足之處。首選這種教學(xué)方式需要學(xué)校投入一定的資金購(gòu)買相應(yīng)的教學(xué)設(shè)備，其次是設(shè)備存在損壞的情況，我校在教學(xué)過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)硬件的損壞率在一年后達(dá)到了30%，需要不斷補(bǔ)充教學(xué)設(shè)備;最后便是設(shè)備的管理，這里涉及到課堂中的教學(xué)設(shè)備管理和課后的設(shè)備整理，都需要教師額外付出精力。

雖然軟硬件相結(jié)合的編程教育還存在著不足，但是其給孩子帶來(lái)的教育成長(zhǎng)是可見(jiàn)的，對(duì)于有條件的學(xué)校，開(kāi)展軟硬件相結(jié)合的編程教育是一項(xiàng)不錯(cuò)的教學(xué)方式，值得編程教育工作者進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用。

[1] 康建朝.芬蘭中小學(xué)編程教育的緣起、實(shí)踐路徑與特征〔J〕.電化教育研究，2021，（08）∶101-107

[2]張潔 金毛玉 劉凱.我國(guó)中小學(xué)編程教育的發(fā)展路徑及策略研究〔J〕.科技風(fēng)，2021，（15）∶61-62