農(nóng)村中學(xué)生編程能力現(xiàn)狀、實踐與提升途徑
——以北京大學(xué)一次暑期學(xué)生實踐活動為例

賈積有 芮靜姝

（1.北京大學(xué) 教育學(xué)院教育技術(shù)系，北京 100871； 2.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871）

引言

人工智能教育是關(guān)于人工智能知識的教育。人工智能知識包括概念、領(lǐng)域、實現(xiàn)技術(shù)與方法、應(yīng)用和影響等多方面。其中，人工智能概念、領(lǐng)域、應(yīng)用和影響可以在學(xué)校相關(guān)課程中介紹、普及，比如語文、外語、自然、信息技術(shù)和通用技術(shù)等。學(xué)習(xí)人工智能的實現(xiàn)技術(shù)與方法則需要學(xué)生具有一定的邏輯思維和形象思維能力、數(shù)學(xué)知識和英語知識。人工智能教育需要與學(xué)生的不同發(fā)展階段相適應(yīng)，主要在信息技術(shù)類課程中實施。例如，學(xué)前階段和小學(xué)階段的編程教育可以采用可視化編程方法（如Scratch），以各種形式的機器人為載體，硬件和軟件緊密結(jié)合，學(xué)生需要既動手又動腦，在培養(yǎng)感性認識的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，普及編程基本知識；在中學(xué)階段的編程教育則可以教授學(xué)生高級編程語言,如Python等。

國內(nèi)關(guān)于中學(xué)生編程教育的研究大多聚焦于編程教育的歷史和現(xiàn)狀分析、課程模式設(shè)計、理論探討等；關(guān)于編程教育實踐的實證研究較少，基本都是碩士論文，其研究對象也基本上都是城市的學(xué)校和學(xué)生。關(guān)于農(nóng)村中小學(xué)信息技術(shù)課程或者編程教育的期刊論文為數(shù)不多，大多是理論層面的探討，缺乏較為深入的實地調(diào)查和嚴格的實證研究。[1][2][3]

2019年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》提出了推進教育現(xiàn)代化的八大基本理念，其中之一便是“更加注重面向人人”。這種“面向人人”的理念就是要保障每個學(xué)生都接受同樣優(yōu)質(zhì)、全面的教育，當(dāng)然也應(yīng)該包括作為人工智能教育基礎(chǔ)的編程教育。為此，本文將以一所農(nóng)村中學(xué)為例，調(diào)查農(nóng)村中學(xué)生的編程能力，以大學(xué)生在該校的實踐活動為例，考查農(nóng)村中學(xué)生編程能力的提升路徑和效果。

一、研究內(nèi)容和方法

本文研究主要包括兩個方面的內(nèi)容：(1)農(nóng)村學(xué)生編程知識和計算思維基礎(chǔ)調(diào)查；(2)以暑期實踐方式教授農(nóng)村學(xué)生編程知識和計算思維的方法和效果。

研究方法主要采用調(diào)查法、準實驗研究法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計法。調(diào)查法通過發(fā)放調(diào)查問卷的方式，收集被調(diào)查者的態(tài)度、意見和建議。準實驗研究法是一種常用的教育科學(xué)研究方法，用來衡量某種教學(xué)手段或者技術(shù)對受試者的影響效果及其大小。數(shù)據(jù)統(tǒng)計法采用SPSS等統(tǒng)計分析軟件對收集到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。

二、研究過程

（一）編程教師

在北京大學(xué)2019年暑期實踐活動中，某學(xué)生社團組織了10名本科生到河南省一所農(nóng)村初中進行教學(xué)實踐，包括計算機、心理學(xué)、性教育、手工課等非中考考試科目課程，為期一周。該實踐團的一位大二學(xué)生來自北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，編程能力較強，熱愛編程教育事業(yè),曾在北京某編程教育公司做過一個月的編程課程設(shè)計實習(xí)生，了解該公司的編程教育課程內(nèi)容和設(shè)計理念。下面簡稱該生為編程教師。

（二）教材內(nèi)容和輔助教學(xué)系統(tǒng)

編程教師采用北京某編程教育公司面向小學(xué)高年段（四年級到六年級）的零基礎(chǔ)學(xué)生的編程教育課程，對初中生進行編程教學(xué)，主要講授“Scratch入門”(共七節(jié)課)的第一節(jié)和第二節(jié)內(nèi)容，包括以下知識點：順序執(zhí)行、移動、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)（代碼塊的用法）、循環(huán)結(jié)構(gòu)、下一個造型（代碼塊）、事件的概念、坐標(biāo)的概念。

為配合課程教學(xué)，該公司設(shè)計了在線輔助教學(xué)系統(tǒng)。每節(jié)課有兩個視頻和一個練習(xí)：第一個視頻根據(jù)劇情告訴學(xué)生遇到了什么問題和需要完成什么任務(wù)；第二個視頻具體梳理完成任務(wù)需要用到哪些代碼塊，給出一些小提示；練習(xí)環(huán)節(jié)是讓學(xué)生做選擇題，學(xué)生提交答案后，如果正確，系統(tǒng)會提示“過關(guān)”，然后就可以進入下一個頁面，如果錯誤，系統(tǒng)會彈出“再試試”，并根據(jù)錯誤給出提示，學(xué)生需要再次做題，直到正確為止。練習(xí)環(huán)節(jié)中有一個答疑窗口，學(xué)生提問后，線上教師做出解答。

（三）研究對象和實驗條件

該農(nóng)村中學(xué)的三位校長高度重視這次實踐活動。授課對象是自愿報名的本校學(xué)生和附近鄉(xiāng)村的學(xué)生。校長通過家長微信群等方式向家長和學(xué)生推薦這個實踐活動，學(xué)生和家長都非常踴躍地報名參加。初中三個年級共有143名學(xué)生報名參加學(xué)習(xí)，每個年級50名左右。

學(xué)?；A(chǔ)條件較差，不過每間教室均配備了電子白板和可以上網(wǎng)的多媒體電腦。學(xué)校有一間配備了20臺電腦的機房，可以訪問互聯(lián)網(wǎng)。雖然有機房，但是學(xué)校沒有能教計算機課程的老師，因此機房常年空置。

（四）前測

2019年8月1日，學(xué)生集體到校，按照學(xué)齡分為七、八、九共三個年級,參加了書面前測，以便了解其編程基礎(chǔ)和相關(guān)信息。前測內(nèi)容來自北京某編程教育公司招聘實習(xí)生和員工的試題，含20道單項選擇題，主要考查基本的編程知識和計算思維，包括順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件判斷、邏輯運算、變量和常量、廣播、計時等內(nèi)容。

針對學(xué)生相關(guān)信息設(shè)計了三道開放式問題：

（1）你在小學(xué)上過計算機課嗎？如上過，學(xué)了什么內(nèi)容？

（2）你對編程有過了解嗎？談一談你對編程的了解。（自由發(fā)揮，任何形式都可以，比如講述你聽到的消息，或者講述一個發(fā)生在你身上的與編程有關(guān)的小故事）

（3）答完上面的問題，你對初中編程課的期待是什么？希望有怎么樣的授課形式和授課內(nèi)容？

前測總時間為60分鐘，大部分學(xué)生45分鐘就做完交卷。我們選擇的對照組為編程教學(xué)公司招聘的實習(xí)生，他們要參加同樣內(nèi)容的考試。從平均成績上看，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結(jié)果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.0001）；七年級和九年級、八年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）；但是七年級和八年級之間的成績差異不顯著（p=0.655＞0.05）。最低的七年級學(xué)生居然掌握了46.9%的編程知識，八年級掌握了49.9%的編程知識，而九年級已經(jīng)掌握了58.5%的編程知識。作為對照組的公司實習(xí)人員的編程知識平均接近100%。該農(nóng)村初中三個年級學(xué)生的編程測試成績并非想象中那么差，平均得分接近50%。從離散程度上看，三個年級的標(biāo)準差也不是很大。

對三個開放問題的回答表明，絕大部分同學(xué)沒有學(xué)過計算機知識，也沒有編程經(jīng)歷。

（五）教學(xué)過程

在7天的實踐過程中，七年級和八年級各安排了2個下午的班級教學(xué)課程，每個下午3節(jié)課，每節(jié)課40分鐘，共240分鐘（4小時）的計算機班級教學(xué)課程。九年級先安排了兩節(jié)課在機房上機，每次40分鐘，共80分鐘的上機教學(xué)時間，學(xué)生每人一臺計算機，進入編程輔助教學(xué)網(wǎng)站，跟著系統(tǒng)自學(xué)課程，然后安排4節(jié)班級教學(xué)，共160分鐘。三個年級總課時相同，都是240分鐘。

課堂班級教學(xué)過程中，教師先在電子白板上板書、講解、演示，然后使用網(wǎng)上輔助教學(xué)系統(tǒng)，播放錄屏文件，按照關(guān)卡依次打開練習(xí)頁面，請同學(xué)們搶答。為保障公平，使每個同學(xué)都有回答的機會，教師會在舉手的同學(xué)里挑選沒有上過臺的同學(xué)到講臺上操作，下面的同學(xué)一起觀看，如果做錯了會請第二個同學(xué)來改正，如果還錯就再請別的同學(xué)來做，直到做對為止。最后，教師根據(jù)做題情況進行總結(jié)和梳理。

（六）后測

在一周教學(xué)結(jié)束之后，各個年級輪流在機房參加了后測。后測除了包含和前測完全一樣的20道選擇題，還增加了30道新的選擇題，著重考查學(xué)生的計算思維，難度稍大，后測結(jié)果如表1所示。

從平均成績上看，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結(jié)果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.0001）；七年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）；但是七年級和八年級之間、九年級和八年級之間的成績差異不顯著（p＞0.05）。

表1 參加后測學(xué)生的總分對比

七年級學(xué)生掌握了51.6%的編程知識，八年級學(xué)生掌握了59.2%的編程知識，九年級學(xué)生掌握了63.1%的編程知識。作為對照組的公司實習(xí)人員的編程知識平均接近100%。注意到七、八、九年級的最高分分均不低于對照組的最低分36分。從離散程度上看，三個年級的離散程度仍然不大。

因為前測和后測的前20道題目相同，將其單獨分離出來分析，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 參加后測學(xué)生的前20道題目得分對比

結(jié)果表明，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結(jié)果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.0001）；七年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）,七年級和八年級的成績差異統(tǒng)計意義上顯著（p＜0.05）；但是九年級和八年級之間的成績差異不顯著（p＞0.05）。

從后測后30題的平均成績上看，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結(jié)果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）；七年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）,但是七年級和八年級、九年級和八年級的成績差異統(tǒng)計意義上不顯著（p＞0.05）。

因為前20道題目前測和后測內(nèi)容完全相同，可以比較前測和后測的差異，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 后測和前測成對樣本T檢驗結(jié)果

所有年級的后測和前測相比，成績都有顯著性提高。其中八年級提高幅度最大，T檢驗p值＜0.01，均值提高了25.7%，效果量為0.71,說明效果非常明顯。七年級和九年級提高幅度接近,大于10%。全年級的整體提高幅度為14.5%，效果量為0.416，接近中等規(guī)模，效果顯著（p＜0.01）。這些統(tǒng)計結(jié)果表明，這種暑假支教方式的編程教育對于農(nóng)村初中學(xué)生掌握編程知識而言，從成績的提升上看，有非常顯著的促進作用。

后測在計算機上進行，系統(tǒng)以秒為單位記錄了做題時間。統(tǒng)計結(jié)果表明：八年級用時最少（2139秒），七年級（2583秒）和九年級（2308秒）用時較多，但是都顯著小于對照組所用時間（4642秒）。成績無顯著性差異的八年級和九年級所使用時間也無顯著性差異（p=0.313＞0.05）；成績較差的七年級的使用時間顯著高于八年級（p=0.011），但是和九年級的差異無顯著性（p=0.129＞0.05）。

（七）學(xué)生感悟總結(jié)

在支教活動結(jié)束之前，編程教師請學(xué)生自愿提交書面感悟和總結(jié)。共收到120份，約占全部參加學(xué)習(xí)學(xué)生總數(shù)的83.9%。其中35份提到了編程課，占比29.2%。我們詳細分析了其文本內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)其可以大致概括為：編程學(xué)習(xí)非常新鮮，之前從未接觸過；編程課上，看動畫視頻、闖關(guān)的教學(xué)方式非常有趣，就像玩游戲一樣；老師手把手教學(xué)后學(xué)生自己克服了膽怯心理，勇敢嘗試編程。

三、研究結(jié)論和討論

概括以上研究過程和對所收集的數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

編程教師采用北京高科技編程教育公司的入職面試書面題目測試學(xué)生的編程知識，以求職大學(xué)生的成績作為成績參照（對照組）。盡管農(nóng)村中學(xué)生沒有系統(tǒng)地上過信息技術(shù)課程，但是他們的書面前測成績均分接近于滿分的50%，反映出農(nóng)村中學(xué)生編程能力并非為零，甚至不是很差。年級越高，書面測試成績越好，所反映出來的編程能力越強。九年級學(xué)生的前測成績顯著高于八年級和七年級學(xué)生的前測成績。每個年級內(nèi)的離散程度并不是很大。個別學(xué)生的成績?yōu)闈M分的85%，高于對照組的最低分。

經(jīng)過一周共240分鐘的編程教學(xué)后，書面后測成績反映出來的農(nóng)村中學(xué)生的編程能力都有了顯著提高。只看同樣內(nèi)容的題目成績的話，全年級的整體提高幅度為14.5%，效果量為0.416,接近中等規(guī)模，效果顯著（p＜0.01）。其中八年級的提高幅度最大，均值提高了25.7%，效果量高達0.71?？梢?，這次大學(xué)生暑假實踐活動進行的編程教育有效地提高了農(nóng)村初中學(xué)生的計算機編程知識。某些學(xué)生的成績?yōu)闈M分或者接近滿分。如果看后測全部內(nèi)容成績的話，某些初中學(xué)生的成績也接近滿分，顯著高于對照組的最低分。

七年級和八年級學(xué)生都沒有上機操作，而是跟著編程教師在教室中集體學(xué)習(xí)；九年級學(xué)生在三分之一的時間中跟著網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)單獨學(xué)習(xí)，三分之二的時間跟著編程教師在教室中集體學(xué)習(xí)；兩種學(xué)習(xí)方式的效果差別不大?？梢娫谌狈熧Y的條件下，網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)也可以起到與人類教師類似的教學(xué)效果。這與之前的研究發(fā)現(xiàn)相同[4]。這種混合式教學(xué)方式還充分發(fā)揮了廣大農(nóng)村學(xué)校已經(jīng)配備的計算機和網(wǎng)絡(luò)硬件資源的作用，避免了教育信息化建設(shè)資源的浪費。

學(xué)生提交的書面感悟表明，他們喜歡這種編程教學(xué)，不僅僅是因為這是第一次學(xué)習(xí)這類課程，還因為編程教師采用了游戲化闖關(guān)的教學(xué)方法和系統(tǒng)。

我們對上述結(jié)論產(chǎn)生的原因作了詳細的討論分析。

農(nóng)村初中學(xué)生盡管沒有系統(tǒng)地上過信息技術(shù)課程，但是在參加與北京高科技企業(yè)招聘考試同樣內(nèi)容的書面測驗中的總體表現(xiàn)卻比我們想象得好，個別初中生的成績甚至好于大學(xué)生求職者的成績。這個發(fā)現(xiàn)和之前我國相關(guān)研究中對農(nóng)村學(xué)生信息技術(shù)和編程知識及能力的描述差別很大。從編程筆試題目的內(nèi)容中可以看出，這些題目表面上考查編程能力，實際上更考查學(xué)生的邏輯思維能力，而這種邏輯思維能力在初中的數(shù)學(xué)、物理、語文等課程中都已經(jīng)得到了訓(xùn)練。學(xué)生年級越高，這種邏輯思維能力越強。所以，盡管沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過編程知識，只要具有一定的邏輯思維能力，農(nóng)村初中生照樣可以在編程知識的筆試中取得一定的成績，這種成績隨著年級升高而升高。

我們進一步取得了這所學(xué)校上個學(xué)期末的全科成績之后，對參加前測的學(xué)生的語文、數(shù)學(xué)、英語成績及其總和與編程成績進行了相關(guān)分析，結(jié)果如下：

①三個年級的編程前測和后測成績與三門學(xué)科成績及其總和都是在0.01的水平上顯著正相關(guān)（p＜0.01），也就是說，初中生的語文、數(shù)學(xué)、英語單科或者總成績越好，編程基礎(chǔ)越好，學(xué)習(xí)編程的效果也越好。

②七年級和八年級的數(shù)學(xué)成績與編程前測成績的相關(guān)系數(shù)最大（分別為0.52和0.69），而九年級的英語成績與編程前測成績的相關(guān)系數(shù)最大（0.59），七年級和九年級的三科總分與編程前測成績的相關(guān)系數(shù)都高于各個單科成績與編程前測成績的相關(guān)系數(shù)。

③三個年級的數(shù)學(xué)成績與后測成績（包括總分、前20題和后30題）的相關(guān)系數(shù)都是最大的。七年級和八年級數(shù)學(xué)與后測成績的相關(guān)系數(shù)也都高于三科總分與編程后測成績的相關(guān)系數(shù)，九年級的后測總分和后30題的成績與三科總分的相關(guān)系數(shù)高于其與數(shù)學(xué)成績的相關(guān)系數(shù)。

三點分析結(jié)果表明初中生的語文、數(shù)學(xué)和英語成績及其總分構(gòu)成了其學(xué)習(xí)編程知識的基礎(chǔ)，也都對編程知識的學(xué)習(xí)效果有正面影響；數(shù)學(xué)和英語兩門課程對編程知識影響最大。

本研究對農(nóng)村中學(xué)生編程知識和能力的考查僅僅局限于通過單選題形式的書面或者計算機上的測驗來實現(xiàn)，而不是讓學(xué)生在計算機上實際編程來實現(xiàn)。盡管有這樣的局限性，我們也不能否認理論引導(dǎo)實踐，學(xué)生的邏輯思維和理論基礎(chǔ)將指導(dǎo)其上機操作實踐。我們將在以后的研究中，考查學(xué)生的上機操作能力，并分析其與學(xué)校課程的關(guān)系。

四、政策建議

基于對北大學(xué)生志愿者暑期實踐活動中編程教學(xué)的分析結(jié)果，我們提出以下政策建議，以期對我國的編程教育和人工智能教育的發(fā)展以及實現(xiàn)教育公平提供參考。

中小學(xué)生編程教育是人工智能教育的重要基礎(chǔ)和組成部分，需要引起教育管理部門的高度重視。城市學(xué)校如此，農(nóng)村學(xué)校也不例外。這是“面向人人”的教育理念、教育公平和均衡發(fā)展的重要體現(xiàn)。

中小學(xué)生編程知識與數(shù)學(xué)、英語和語文等學(xué)校常規(guī)課程高度正相關(guān)。受過中小學(xué)邏輯思維訓(xùn)練的學(xué)生都具有一定的編程知識基礎(chǔ)，都可以接受更加專業(yè)的編程和人工智能知識教育。城市學(xué)生如此，農(nóng)村學(xué)生也不例外。教育管理者要高度重視人工智能教育，更需要將人工智能教育與常規(guī)教育有機結(jié)合。

在農(nóng)村中小學(xué)校編程教育師資力量匱乏的實際狀況下，優(yōu)秀大學(xué)生組成的假期實踐活動是一種高效可行的開展農(nóng)村學(xué)校編程教育的途徑。這種活動不僅可以有效地給農(nóng)村學(xué)生傳授編程和人工智能知識，也有助于大學(xué)生了解我國基礎(chǔ)教育的現(xiàn)狀。教育管理部門和高校應(yīng)當(dāng)給予政策、資金等方面的支持。

關(guān)于編程教育的具體形式，如果教師數(shù)量足夠的話，可以是教師講授為主；如果教師數(shù)量不足、教學(xué)質(zhì)量有待提高的話，也可以采用教師講授與學(xué)生跟著網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)自學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)方式?；旌鲜浇虒W(xué)方式不僅能彌補農(nóng)村學(xué)校在師資數(shù)量和教學(xué)質(zhì)量兩個方面的欠缺，更能充分發(fā)揮教育信息化建設(shè)中配備的計算機和網(wǎng)絡(luò)硬件的作用。