基于“編程一小時”與Scratch培養(yǎng)中小學生編程能力

張琦旋 劉揚 徐瑞祺

摘 ?要： 在人工智能時代的背后，驅動這個美好社會的底層是編程，其搭建的底層架構為人工智能的實現(xiàn)打下良好的基礎，因此，編程已成為未來發(fā)展中不可或缺的一項基本技能。中小學生作為信息時代的“數(shù)字土著”，更需要具備基本的編程能力以應對未來信息時代中的各種挑戰(zhàn)。但目前國內的編程教育還存在教學內容單一，教學方法不到位，編程教育相對其他課程孤立等問題。因此，論文通過Scratch 和“編程一小時”圖形化和具有趣味性的特點，將程序流程化，引導學生入門并自主完成程序設計，以該平臺為工具進行編程教學，更有利于培養(yǎng)中小學生的編程能力。

關鍵詞： 編程能力;編程一小時;Scratch;中小學生

中圖分類號： G434 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.063

本文著錄格式：張琦旋，劉揚，徐瑞祺，等. 基于“編程一小時”與Scratch培養(yǎng)中小學生編程能力[J]. 軟件，2020，41（08）：229-232

【Abstract】： Behind the era of artificial intelligence， the bottom layer that drives this beautiful society is programming， and the underlying architecture it builds lays a good foundation for the realization of artificial intelligence. Therefore， programming has become an indispensable basic skill in future development. As a “digital native” in the information age， elementary and middle school students need to have basic programming skills to meet the challenges of the future information age. Through the graphical and interesting features of Scratch and “One-hour Programming”， the thesis streamlines the program， guides students to get started and completes the program design independently， and uses the platform as a tool for programming teaching， which is conducive to cultivating the programming ability of primary and middle school students.

【Key words】： Programming ability; Programming for one hour; Scratch; Primary and middle school students

0 ?引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展與成熟，人工智能也得到了迅猛的發(fā)展，編程是互聯(lián)網(wǎng)與人工智能等各種高新技術的基礎和核心。據(jù)美國新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC）的《2017年地平線報告（基礎教育版）》，在未來1-2年內，編程作為一項專業(yè)素養(yǎng)，將逐漸成為驅動基礎教育發(fā)展的關鍵要素[1]。

近年來，編程教育已逐漸進入中小學階段，很多發(fā)達國家都在基礎教育中設立了編程課程大綱。作為互聯(lián)網(wǎng)大國，我國在少兒編程教育上也開始普及，國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要“廣泛開展人工智能科普活動，在中小學設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”[2]。中小學階段是學生增長知識和智慧的關鍵時期，也是思維從具體形象逐步向抽象邏輯過渡的階段，但抽象的邏輯思維在很大的程度上仍以感性經(jīng)驗為主，具有很大的直觀性[3]。因此將編程可視化的“編程一小時”網(wǎng)站和Scratch在中小學生的編程教育中發(fā)揮著重要的作用，將中小學生 ?的編程教學與該平臺相結合可以達到寓教于樂的學習效果。

1 ?國內外中小學編程教育的現(xiàn)狀

在人工智能時代，編程已逐漸成為一項必不可缺的技能，因而國際產業(yè)界和教育界都開始重視編程能力的培養(yǎng)，各個國家也開始將編程能力的培養(yǎng)作為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)戰(zhàn)略的實施重點。國外有關編程教學的研究較早，從20世紀80年代起，編程教育研究就已從單純的編程教學轉向編程與其它學科的融合，并將編程作為一種表達思維的工具[4]。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)將中小學編程教育納入到國家層面的戰(zhàn)略規(guī)劃或行動計劃中。

相比之下，我國中小學編程教育的實踐與研究總體還處于初級發(fā)展階段，主要以行業(yè)、企業(yè)的推廣和實踐為主，中小學階段編程教育的課程標準尚未建立，正規(guī)的編程教育師資隊伍極為短缺，規(guī)范的教材體系和成熟的教學模式尚在摸索之中[5]。但是近年來，隨著中小學編程教育逐漸受到重視，我國已將青少年編程納入到國務院發(fā)展規(guī)劃中，作為國家級戰(zhàn)略推進，部分學校已經(jīng)將編程教育融于信息技術教學中。中小學生的邏輯思維能力處于不斷發(fā)展的過程，相對而言并不成熟，如果直接使用高級程序設計語言進行編程會有一定的難度，尤其是國內的孩子，更是受到英語、數(shù)學、自然語言以及邏輯思維等多重因素的限制[6] ，因此一些青少年編程平臺逐漸受到青睞，比如在國內應用較多的編程平臺有Scratch、“編程一小時”等。

2 ?中小學生編程教育存在的問題

從“計算機教育時代”到“信息技術時代”，信息技術教育已超越了單純的計算機技術的訓練階段，發(fā)展成為與信息社會人才需要相適應的信息素養(yǎng)教育[7]。中小學的編程教育也越來越受到重視，但由于編程教育正處于起步階段，所以在教學內容和方法等方面還存在一些問題。

2.1 ?編程教育的教學內容單一

在目前的編程教育中，以Scratch為工具展開教學的較多，因為它拖拉式的圖形界面能夠激發(fā)中小學生學習編程的興趣，方便進行教學，但是Scratch相對于其他編程平臺和工具而言更適合編程入門，隨著學生掌握編程知識的增加和編程能力的提高，Scratch就不再能很好地滿足學生提高編程能力的需求，因此單一的教學內容不利于培養(yǎng)中小學生的編程能力。

2.2 ?編程教育的教學方法和工具不到位

近年來計算機相關技術的大熱，使得編程進入到人們的視野中，編程教育也隨之興起。但校內的編程教育所需的軟硬件設施配套不全，教育方法不足，在編程教學中沒有做好因材施教，沒有充分的結合學生的年齡段和知識掌握水平采取合適的教育，沒有恰當?shù)睦镁幊唐脚_和工具開展教學，導致中小學生的編程教育沒有達到目標。

2.3 ?編程教育相對其他課程孤立

美國，澳大利亞，歐盟等國家已經(jīng)將編程與其他學科融合，作為必修課程加入到中小學課程中，如：澳大利亞的《數(shù)字技術》課程，英國的《計算》和《設計與技術》等。而國內的編程教育目前還沒有與其他學科和課程相結合，使得中小學生對編程沒有充分的了解，學習編程的熱情不高，不利于編程教育的進行。

2.4 ?編程教育中沒有充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力

很多教師只是結合編程平臺中的一些基礎課程進行教學，當學生編程入門并具有一定的編程能力后沒有進一步培養(yǎng)其自主設計和創(chuàng)作的能力，沒有為編程能力較強的學生提出進一步提高的建議。

3 ?基于“編程一小時”與Scratch的教學建議

3.1 ?結合Scratch的課程教學，引領學生編程入門

3.1.1 ?選取恰當范例，引領學生入門

中小學生的信息技術基礎薄弱，在剛接觸編程教學時會感到生疏，因此教師在進行教學時應該綜合考慮學生當前的學習水平與能力，并根據(jù)學生對知識的接受狀況選取適合的Scratch范例，比如可以選取有背景音樂的范例進行教學，更能激發(fā)學生的學習興趣。在入門教學時，教師可以先向學生展示范例的運行結果，使學生對程序有個初步直觀的感受，并對其產生興趣，充滿好奇心。接著，教師可以用提問的形式來了解學生的感受和疑惑點，并結合學生的問題進行編程原理的講解，向學生介紹Scratch的界面構成部分以及如何進行腳本的編寫和查看運行效果，從而引領學生編程入門。

3.1.2 ?將程序流程化，幫助學生理解程序設計的思路

在進行編教程教學時，教師應結合范例帶領學生梳理程序的設計思路，理解程序中每個結構模塊的意義與作用，在此過程中，可以借助流程圖，使程序流程化，更加清晰直觀的向學生展示程序的設計思路與流程，并更加準確的理解和掌握各個程序結構的功能，會學以致用。例如在Scratch的入門范例《捉迷藏》中，教師可以帶著學生一起梳理腳本（見圖1）的流程并理解腳本的含義，在此基礎上進一步理解程序設計思路，并畫出對應的流程圖（見圖2），從而使學生能更好的理解程序的執(zhí)行步驟。

利用流程圖將算法圖形化，不僅能直觀清晰的表述問題，還能培養(yǎng)學生獨立思考問題，分析問題的能力，鍛煉學生的創(chuàng)造性思維。

3.2 ?結合“編程一小時”的課程教學，引導學生自主完成設計

3.2.1 ?基于“編程一小時”的課程教學

教師在進行編程教學時，可根據(jù)學生的年齡和理解問題的能力選擇合適的“編程一小時”課程，并引導學生按照課程教學內容自主完成程序設計。例如課程2里面第8節(jié)蜜蜂：循環(huán)（見圖3），學生可以按照說明里的提示以及左邊畫面的顯示窗口，在左邊操作窗口內進行積木的拖拉來實現(xiàn)程序要求，從而理解和掌握循環(huán)模塊的含義和使用。當完成模塊搭建后，學生可以查看當前模塊的代碼，（見圖4）從而逐步了解和學習該模塊代碼的編寫，有助于后期培養(yǎng)學生的代碼編寫能力。

3.2.2 ?基于“編程一小時”的教學課程設計

（1）將“編程一小時”與中小學的學科相結合

在編程教學后期，教師可將編程和其他課程相結合，正如米切爾·雷斯尼克所說，兒童不是在學習編程（Learn to Code），而是“用編程學（Code to Learn）”，將編程視為一種新的表達方式，同時編程也可以作為學習其他學科的媒介[8]?？梢暬幊陶Z言的出現(xiàn)重新喚醒了教育界對編碼的興趣，編程不再是作為一種工具，而是一種發(fā)展其他技能的媒介，以改善學生的學習動機和結果[9]。“編程一小時”相比其他高級程序設計語言更適合中小學階段學生的學習，且能夠鍛煉學生的邏輯思維和創(chuàng)新意識，與所學的其他學科相結合也給更能幫助學生理解課程的邏輯和思想。例如早期的編程教育內容適合以中小學數(shù)學知識和數(shù)學常識為基準，在此之上引入編程的相關知識，在提升數(shù)學素養(yǎng)的同時，使學生初步的了解編程方面的知識。在有了一定的編程知識和數(shù)學素養(yǎng)的條件下，可以將編程作為學習數(shù)學的輔助工具，從問題入手，利用編程來解決數(shù)學問題，進一步將編程實踐與數(shù)學相結合。編程教育在保持與數(shù)學相關聯(lián)的同時，還可以增加與物理，化學，生物等課程的關系。物化生等學科的抽象性較強且與數(shù)學也有著緊密的聯(lián)系，在使用編程解決問題時會經(jīng)歷識別問題類型，建立數(shù)學模型，尋找合適算法，代碼實現(xiàn)解決等幾個過程，可以很好的培養(yǎng)學生的編程思維與能力。當學生理解和掌握編程知識后，編程教育的內容可以在保持與其他學科的聯(lián)系下，增加計算機領域的其他相關課程，如人工智能，數(shù)據(jù)庫等。論文以中學數(shù)學為例，選取其中的一個知識點進行教學設計，為中小學編程能力培養(yǎng)的教學設計提供一定的說明與借鑒。

（2）教學內容分析

循環(huán)、分支、順序等基本的程序結構同樣也普遍存在于數(shù)學學科中。利用“編程一小時”來進行創(chuàng)作，將數(shù)學問題形象化，可以加深學生對數(shù)學概念的理解，同時，在程序設計的過程中也鍛煉了學生的計算思維。教學設計選擇分段函數(shù)這一知識點，目標是使學生掌握分段函數(shù)的定義，理解并會計算分段函數(shù)的定義域和函數(shù)值，學會用分段函數(shù)的知識解決實際問題，體現(xiàn)了程序設計中的分支結構，只有進行正確的條件判斷和分段，才能使程序輸出預設的結果，讓學生懂得完成一個作品需要先明確作品的概念，接著進行設計，最后用代碼實現(xiàn)設計。學生可以結合題目背景，在“編程一小時”中設計相應的動畫角色和動作，并思考如何設計動畫的分支，不斷調整直至最終作品能夠符合題目背景的要求。中學生已具備一定的探究能力、邏輯思考和設計建構的技能，能夠動手創(chuàng)作出較為復雜的游戲、動畫等個性化項目，為教學的展開提供了前提條件。

（3）教學設計

教學進程遵循教學模式展開，教師和學生在每個階段的每一步驟中都有與之相對應的實踐活動。教師根據(jù)題目要求引入相應的問題情境，即探究問題背景中各變量之間的關系和定義域的確定，使學生能夠理解程序項目創(chuàng)建的背景，在問題呈現(xiàn)步驟中教師需要引導學生明確基于“編程一小時”項目創(chuàng)建所需的角色、背景等并完成導入。此后，闡述項目任務，可以通過創(chuàng)建游戲和動畫故事合理表示各變量之間的關系和分支的界定，使學生對任務表征有大致的了解。當學生自主完成程序設計后可以開展分享交流的活動，同學間互相評價并提出建議，學生可通過查看代碼的方式來了解和學習基本的程序結構和框架，具體教學設計見表1。

3.3 ?引導學生自由創(chuàng)作，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力

在編程教學的后期，教師可以引導學生在前期學習的基礎上發(fā)散思維，利用所學習的各個程序模塊結合自己的想法，自由創(chuàng)作，也可以分小組進行，組內成員間共同設計并編寫出自己的程序，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，提高學生解決問題的能力。同時鼓勵編程基礎好的學生在現(xiàn)有的計算機技術上進行改進創(chuàng)新，提出新的問題，或參加青少年編程比賽，通過實戰(zhàn)經(jīng)驗的積累鍛煉學生的編程能力和創(chuàng)造力，以達到對于編程的完全掌握和使用。與此同時，編程教育的教師，也要與時俱進，不斷學習新的知識，培養(yǎng)自身的創(chuàng)新意識與理念[10]，這樣才能更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力。

4 ?結語

互聯(lián)網(wǎng)技術深刻的影響著社會生產和生活，隨著人工智能時代的到來，編程也越來越重要，并逐漸受到人們的重視，中小學生作為時代未來的締造者，其編程能力的培養(yǎng)也備受關注，“編程一小時”和Scratch以一種形象直觀的編程方式幫助學生在創(chuàng)作的過程中學習編程、發(fā)散思維、表達自己的想法，教師借助“編程一小時”和Scratch進行編程教學可以極大地激發(fā)學生的學習興趣，通過引導學生從編程入門到自主學習和創(chuàng)作，培養(yǎng)其獨立思考和解決問題的能力，有利于更好的培養(yǎng)學生的編程能力。

參考文獻

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