中小學(xué)編程教育的計(jì)算思維導(dǎo)向與實(shí)踐訓(xùn)練探索

董 玥

（北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 北京 100032）

一、概述

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)教育帶來重大挑戰(zhàn)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的內(nèi)容成為課程改革的課程目標(biāo)。依據(jù)新課標(biāo)的要求，信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面，這無疑對(duì)信息技術(shù)教育教學(xué)提出了很高的要求，需要對(duì)課內(nèi)外學(xué)習(xí)內(nèi)容做出很大程度的改變。特別是要將各類青少年編程、機(jī)器人編程課程走進(jìn)中小學(xué)課程和課外實(shí)踐課程，來推進(jìn)信息技術(shù)教學(xué)改革。

計(jì)算思維由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授提出，認(rèn)為計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行為題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的思維活動(dòng)[1-3]。從教學(xué)目標(biāo)來看，中小學(xué)的信息技術(shù)和編程教育，需要以思維訓(xùn)練提升核心素養(yǎng)為指導(dǎo)思想，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力[4-5]。這樣計(jì)算機(jī)編程為學(xué)生帶來的提高不僅僅是技術(shù)層面的模擬，而是上升到思維訓(xùn)練層面，在中小學(xué)信息技術(shù)課程中極為重要。

二、計(jì)算思維編程語言課程設(shè)置

從中小學(xué)信息技術(shù)教育的目標(biāo)來看，計(jì)算機(jī)編程課程重點(diǎn)培養(yǎng)編程思想和解決實(shí)際問題的能力。掌握程序設(shè)計(jì)的基本常識(shí)和主要思想，形成運(yùn)用計(jì)算思維方法解決問題的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他知識(shí)和未來發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

編程教育無論是針對(duì)小學(xué)生，還是中學(xué)生，其實(shí)都是有很好的實(shí)施途徑和手段的，適合各個(gè)年齡段學(xué)生的學(xué)習(xí)。學(xué)生對(duì)于編程的興趣比很多純機(jī)器人硬件的搭建更濃厚，這是由編程語言的嚴(yán)謹(jǐn)性和可糾錯(cuò)性以及硬件連接的不確定性共同決定的。無論對(duì)于小學(xué)生還是中學(xué)生，當(dāng)面臨硬件的搭建再結(jié)合編程一起實(shí)現(xiàn)效果的時(shí)候，往往會(huì)出現(xiàn)很大困難，學(xué)生會(huì)不知所措，不知道是硬件出了問題還是軟件的編寫出了問題。這種時(shí)候，教師想幫助學(xué)生糾錯(cuò)其實(shí)也是很困難的，往往解決一個(gè)或者一組學(xué)生的問題，就會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間，以至于無暇管理其他同學(xué)，這在信息技術(shù)課堂上是經(jīng)常會(huì)遇到的難題。因此在開展中小學(xué)編程教育的時(shí)候，對(duì)于初學(xué)者，我們還是建議以最簡(jiǎn)單且單一化的程序語言編程作為入門課程，盡量減少學(xué)生的課堂負(fù)載。讓學(xué)生通過基本的結(jié)構(gòu)化模塊語句或者代碼編寫，先把程序的語言的基本方法和算法思路學(xué)會(huì)學(xué)懂，把基礎(chǔ)打好后，再結(jié)合實(shí)際的生活場(chǎng)景，配合各種開源硬件或者機(jī)器人套裝教具，來實(shí)現(xiàn)軟硬件的結(jié)合。這樣學(xué)生起步較快，基礎(chǔ)牢靠，教師在課堂實(shí)施上，也便于把編程語言全面細(xì)致的給學(xué)生進(jìn)行講解。

結(jié)合中小學(xué)生的認(rèn)知水平和課時(shí)設(shè)置，編程課程建議可以結(jié)合Scratch 編程、Python 編程、C/C++編程進(jìn)行系列設(shè)置。核心部分，以流行的、通用的開源腳本語言——Python 作為編程語言來講授“高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言”，讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何利用Python 和計(jì)算思維來解決典型的實(shí)際問題[6]。

三、Python語言教學(xué)方法

結(jié)合Python 語言特點(diǎn)，在教學(xué)進(jìn)度的安排上，課程可以采取“問題驅(qū)動(dòng)，急用先學(xué)”的施教策略，在培養(yǎng)解決具體實(shí)際問題的意識(shí)和能力基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的操作訓(xùn)練[4]。

（1）授課教師需要將計(jì)算思維貫穿到課程過程，做到授課內(nèi)容與大綱相符。學(xué)生要求認(rèn)真聽課、積極思考、完成作業(yè)和實(shí)驗(yàn)。

（2）學(xué)好Python 程序設(shè)計(jì)重在實(shí)踐。講授和學(xué)習(xí)過程都將貫穿實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生積極參與課堂的學(xué)習(xí)討論，獨(dú)立思考，認(rèn)真完成課后作業(yè)。

（3）必要的知識(shí)記憶，是學(xué)好一門語言的有效途徑，學(xué)生需要通過對(duì)典型代碼的記憶，對(duì)成熟代碼的閱讀分析，培養(yǎng)編程實(shí)踐和解決問題的能力。

另外，Python 綜合了多種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的特性，在熟練使用的基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行其原理的探究和理解，然而這些內(nèi)容與后續(xù)中小學(xué)編程語言課程（C/C++）有一定交叉，教學(xué)時(shí)注意避重，做好鋪墊，點(diǎn)到即可。

四、課程教學(xué)內(nèi)容及要求

課程內(nèi)容設(shè)置，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際信息技術(shù)水平和計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)模塊化組織，課程內(nèi)容通過程序設(shè)計(jì)的基本思想和一般方法的講授。實(shí)現(xiàn)四個(gè)層次的單元化教學(xué)。

第一個(gè)層次課程內(nèi)容，初步認(rèn)識(shí)Python 程序設(shè)計(jì)，基本編程環(huán)境。

介紹計(jì)算思維理論，鼓勵(lì)學(xué)生多思考，培養(yǎng)解決問題的能力。介紹基本的Python編程環(huán)境安裝和語言基礎(chǔ)，了解編程基礎(chǔ)知識(shí)。

計(jì)算思維理論的介紹，主要內(nèi)容包括介紹計(jì)算機(jī)解決問題的能力，計(jì)算思維理論；程序設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)，語言必要性及要解決的問題，Python 可以解決哪些實(shí)際問題，培養(yǎng)興趣和好奇心。講解語言基礎(chǔ)，介紹開發(fā)環(huán)境配置與安裝過程，開發(fā)自己的第一個(gè)Python 程序，簡(jiǎn)單了解編程基礎(chǔ)知識(shí)。目前很多Python 的編程環(huán)境供學(xué)生選擇和使用，學(xué)生可以通過個(gè)人電腦直接安裝程序，但可能會(huì)面臨下載更新各種庫函數(shù)和工具包的困難，這需要教師做有針對(duì)性的專門指導(dǎo)。當(dāng)然，學(xué)生也可以通過互聯(lián)網(wǎng)，利用在線平臺(tái)，以解決版本更新、模塊庫添加，參數(shù)配置等問題。

第二個(gè)層次，培養(yǎng)利用Python 解決基本問題的能力，計(jì)算思維的初步應(yīng)用和培養(yǎng)。

從計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)類型入手，解決Python 編程的適配范圍。從程序設(shè)計(jì)的基本邏輯和流程控制入手，提高學(xué)生利用計(jì)算思維和編程解決復(fù)雜問題的能力。

數(shù)值類型等方面，以實(shí)際計(jì)算問題案例需要，介紹Python的各種數(shù)值類型，演示如何通過運(yùn)算符解決數(shù)學(xué)計(jì)算問題；Python 簡(jiǎn)單文件讀寫、圖片、數(shù)值等趣味文件讀取顯示；程序的流程控制方面，引出并講授Python 程序的三種流程結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)控制結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用，以實(shí)際應(yīng)用需求為背景引出，重點(diǎn)講授關(guān)系和邏輯運(yùn)算、分支結(jié)構(gòu)、for 循環(huán)、whⅰle 循環(huán)的知識(shí)，著重培養(yǎng)面向問題的決策流程及控制能力。當(dāng)然，Python 語言的語法結(jié)構(gòu)比較自由，不像C 語言那樣格式特別的嚴(yán)謹(jǐn)和規(guī)范。對(duì)于初學(xué)者而言，很多規(guī)則容易忽略，反而增大了程序出錯(cuò)的幾率和糾錯(cuò)的難度。在這個(gè)問題上，教師一定要特別的注意，在學(xué)生一開始學(xué)習(xí)編寫程序的時(shí)候，就一定要把Python 語言的規(guī)則給學(xué)生講解清楚，包括縮進(jìn)、中文字符和英文字符的區(qū)分等等，讓學(xué)生打好基礎(chǔ)，盡量避免因程序書寫不規(guī)范甚至錯(cuò)誤給學(xué)生帶來的畏難情緒和挫敗感。

第三個(gè)層次，培養(yǎng)Python 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)模塊復(fù)用概念，提升計(jì)算思維解決復(fù)雜問題的處理能力。

從計(jì)算機(jī)如何處理稍微大型的任務(wù)，從函數(shù)與模塊的代碼服用與管理入手，從復(fù)雜數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理入手，介紹主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用能力。

函數(shù)與模塊部分，介紹怎么編寫大型Python 程序文件；函數(shù)的聲明、定義和調(diào)用；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，針對(duì)中小學(xué)的認(rèn)知水平，從如何管理復(fù)雜數(shù)據(jù)入手；介紹什么是Python 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；列表、元組、字典及字符串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及操作。

由于Python 語言的功能非常強(qiáng)大，可以導(dǎo)入非常多的工具庫，因此在使用的時(shí)候，可以完成很多任務(wù)，包括可視化，機(jī)器學(xué)習(xí)等。教師可以通過一些具體的實(shí)例，讓學(xué)生去逐一接觸和掌握這些工具庫的使用方法和功能。由于現(xiàn)在中小學(xué)人工智能課程的興起，利用Python 語言進(jìn)行人工智能的教學(xué)非常普遍，因此教師也可以將人工智能課程中的一些非常經(jīng)典的實(shí)例作為Python 教學(xué)的資源展示介紹給學(xué)生，讓學(xué)生體會(huì)到Python 語言在人工智能方面的強(qiáng)大應(yīng)用。

第四個(gè)層次，培養(yǎng)Python 的處理文件和Python 類的基本思想。

主要從計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行輸入輸出的角度，介紹文件的必要性和使用方法，為完成相關(guān)任務(wù)提供數(shù)據(jù)保存手段。通過對(duì)繁雜數(shù)據(jù)的進(jìn)一步歸類，教會(huì)學(xué)生用抽象方法進(jìn)行不同信息的歸類、分層次組織。

本層次對(duì)學(xué)生的要求其實(shí)是很高的，多數(shù)學(xué)生對(duì)于軟件的使用和編程語言的編寫掌握起來并不是非常的困難，但是一旦要涉及到各種文件的輸入輸出，完成文件的關(guān)聯(lián)與保存，就會(huì)出現(xiàn)不知所措，找不到方法或者不明白彼此的邏輯關(guān)系的問題。在介紹這些方面知識(shí)的時(shí)候，教師又很難將整節(jié)課都只單一的講解這方面的知識(shí)，因?yàn)闊o論從課時(shí)安排還是課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，這部分內(nèi)容都不是屬于重點(diǎn)章節(jié)。因此，教師就很有必要在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，盡量將這些知識(shí)滲透到每一次的編程教學(xué)中，讓學(xué)生多練多理解，遇到具體問題具體操作，隨時(shí)學(xué)習(xí)，隨時(shí)記憶，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和效率。

文件編程實(shí)踐主要內(nèi)容為介紹文件的主要作用及基本讀寫；類和對(duì)象通過案例，向?qū)W生介紹體驗(yàn)面向?qū)ο蠊芾?；什么是Python 面向?qū)ο螅泻翁攸c(diǎn)；類的屬性和方法定義，對(duì)象的創(chuàng)建和使用，舉例解決實(shí)際問題，深入淺出了解面向?qū)ο蟮母拍睢⒏黝悓傩砸约案黝惙椒ǖ亩x和使用、繼承。

五、課程實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)踐

編程課程，需要通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行編程互動(dòng)，強(qiáng)化和應(yīng)用計(jì)算思維，同學(xué)自己動(dòng)手安裝Python 開發(fā)環(huán)境，編寫第一個(gè)程序。學(xué)會(huì)使用函數(shù)和模塊迭代解決原有程序問題，實(shí)驗(yàn)包括各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、存取、訪問等使用操作，嘗試解決實(shí)際數(shù)據(jù)問題，進(jìn)行趣味性的Python 編寫，培養(yǎng)學(xué)生興趣。課程實(shí)驗(yàn)主要還是面向全體學(xué)生的信息技術(shù)教學(xué)，因此在難度的設(shè)置上，盡量要保證讓大多數(shù)學(xué)生都能夠接受。在課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)上，盡量強(qiáng)調(diào)趣味性與知識(shí)性相結(jié)合，實(shí)操性與原理性相結(jié)合，過程性評(píng)價(jià)和考試性評(píng)價(jià)相結(jié)合，讓學(xué)生能夠以一種比較輕松愉快的情緒來完成對(duì)Python 語言的學(xué)習(xí)。畢竟無論是初中還是高中的學(xué)生，在信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)時(shí)間都是相對(duì)比較少的，除了課上的學(xué)習(xí)時(shí)間，一般情況是沒有額外時(shí)間來完成信息技術(shù)的家庭作業(yè)的。這就要求教師要盡量把課堂教學(xué)和需要完成的作業(yè)，都安排在課內(nèi)進(jìn)行，必須將講授，練習(xí)，考核做合理的設(shè)計(jì)和安排。

根據(jù)學(xué)習(xí)的程度，可以更進(jìn)一步，層次化教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生利用Python 解決實(shí)際問題的能力，促進(jìn)計(jì)算思維與實(shí)際問題的結(jié)合，做到簡(jiǎn)單解決實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)。對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)，使用Python 編寫GUI 實(shí)戰(zhàn)，利用Python 中文信息處理基礎(chǔ)實(shí)戰(zhàn)編程，利用Python 圖像處理基礎(chǔ)實(shí)戰(zhàn)編程，Python數(shù)據(jù)庫編程實(shí)戰(zhàn)。對(duì)于高中階段的學(xué)生，隨著高中新課標(biāo)的發(fā)布和新課改的進(jìn)行，在人工智能，開源硬件和數(shù)據(jù)處理等選修模塊，Python 語言都有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐價(jià)值，可以通過課外小組和分類分層走班制的途徑，讓對(duì)編程有濃厚興趣并且能力較強(qiáng)的學(xué)生，或者是選修過人工智能，開源硬件或者數(shù)據(jù)處理的學(xué)生，進(jìn)一步利用Python 語言，來完成這些模塊的實(shí)踐和創(chuàng)新，將Python 語言的功能做到跨領(lǐng)域跨平臺(tái)的最大化應(yīng)用。

六、結(jié)束語

總體上看，程序設(shè)計(jì)的方法是信息學(xué)科的重要基礎(chǔ)工具和思維方法。通常的編程教育，缺乏對(duì)編程過程中本身固有的邏輯思維和計(jì)算思維訓(xùn)練，對(duì)于無編程基礎(chǔ)的基礎(chǔ)教育學(xué)生，純粹的簡(jiǎn)單訓(xùn)練容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降熱情不高。通過計(jì)算思維目標(biāo)下的信息技術(shù)課程，對(duì)計(jì)算機(jī)編程課程內(nèi)容和講授方法的梳理，對(duì)綜合信息素養(yǎng)的提升非常重要，后續(xù)需要更多思考和實(shí)踐探討[7]。