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以能力发展为导向的中学生编程培养方案

2021-09-06杨金英张玲玲孙君丽

中国教育信息化·基础教育 2021年8期
关键词:编程中学生

杨金英 张玲玲 孙君丽

摘   要:信息社会发展和编程教育推广对中学生编程教学提出新的要求。文章对以能力发展为导向的“双激双培开放发展”编程培养方案进行了探索。该方案从激发学生兴趣和创新能力入手,培养“程序医师”,提升实践能力;培养“学生讲师”,锻炼交流表达能力。使学生在编程学习中得到综合锻炼,提升发展软实力,最终进入自主发展、开放发展的高级阶段。

关键词:编程;中学生;程序医师;学生讲师;开放发展

中图分类号:G434 文献标志码:A 文章编号:1673-8454(2021)16-0091-06

一、引言

国务院印发的《新一代人工智能发展规划》和教育部印发的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》明确提出,将推动在中小学阶段设置人工智能相关课程,逐步推广编程教育[1]。2018年教育部发布的《普通高中信息技术课程标准(2017版)》大幅提升了编程教育、计算思维和人工智能等方面的要求。2019年实施的“全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0”,特别要求各地对接中小学编程教育需求。2020年12月9日,教育部《关于政协十三届全国委员会第三次会议第3172号提案答复的函》中答复称:将推动和规范编程教育发展,将编程教育纳入中小学相關课程[2]。这些规划与标准都预示着,在不久的将来,学校将会成为中小学编程教育的主阵地。

已经举办多年的中小学电脑制作、信息学奥赛、创意编程等课外活动,可以看作中小学编程教育的试点教学,如果能将优秀做法进行总结推广,必将有助于中小学编程教育的科学发展。在多年的编程特长教学实践中,笔者不断拓宽研究思路与视角,尝试有效策略与方法,注重从激发学生兴趣入手,以学生能力发展为导向,探索出了“双激双培开放发展”的编程培养方案,对中小学编程教育推广有着积极的启发意义。

二、国内外中小学编程教育研究现状

自2006年周以真教授提出计算思维概念以来,计算思维培养和编程教育研究迅速引起国内外学者的高度重视[3]。世界发达国家早已在国家层面规划并研究中小学编程教育发展,在学校教育体系和校外培训领域都获得了较为广泛的社会影响力,各种编程教育平台呈爆炸式增长,涌现出Scratch Jr等风靡全球的青少年编程教育平台[3]。美国通过加大国家投入,扩大青少年编程教育规模,2017年推出了《K-12计算机科学标准》[4]以指导青少年编程教育,同时推出大量适合青少年学习的编程教育平台。英国自2013年将编程融入《计算》和《设计与技术》课程[5]。澳大利亚在2016年将编程教育贯彻到中小学《数字技术》课程中,以学科结合的形式开展编程教育[6]。欧盟各国也在“编程周”后陆续将编程纳入中小学课程大纲,编程课程各具特色[7]。2019年11月,国际教育成就评价协会(ICILS)首次对中学生的计算思维进行了大规模国际测评[8]。测评结果为世界各国深入理解和把握中学生计算思维发展状况、明确中学生计算思维影响因素等提供了科学有效的途径与工具[9],也将推进世界各国对中学生编程教育的深入研究。

相比之下,国内编程教育起步较晚,但在国家层面已经重视并规划编程教育发展。中学信息技术课程编程内容少,师资队伍仍极为匮乏,面向全体的规范教材体系和成熟培养模式尚在探索之中,但课外活动已持续多年。中学编程教育还需要教育专家和一线教师不断努力,共同夯实编程教育发展的根基[10]。受政策影响,以行业、企业和社会培训为主的少儿编程教育刚刚兴起[11],虽然引进了相关编程平台,也有编程猫等国内平台的崛起,但其学习对象更适合低龄学生。中学生编程教育有自己的特点,如何帮助更多中学生学习编程知识,实现计算思维与能力的发展,还需要进行大量实证研究。

思维能力是学习能力的核心,也是中小学编程教育的重要目标。中学阶段是学生抽象思维迅速发展的阶段,学生思维已经超越具体感知事物的依赖,进入形式运算阶段[12]。中学生编程教育必须遵循中学生的成长规律和认知规律,遵循编程学习的教学规律[13]。参考已有研究,积极探索中学生编程培养体系,具有重要的现实意义。

三、“双激双培开放发展”方案的具体做法

没有兴趣,思维就会枯燥无味。学生的编程学习受兴趣、动机和自我效能感等维度的正向影响[14]。因而,编程教学要注重学生兴趣、动机和自我效能感的激发,调动其学习主动性。

1.抓基点破阻塞,激发编程兴趣

兴趣是开启编程学习的首要基点,也是深入学习的内在支点。针对中学生好玩、好奇、喜欢新颖、喜欢挑战等心理特点,在入门学习时注意抓住“趣”字基点,以“趣味编程”吸引入门学习,以“趣味生活”突破理解阻塞,以“趣味测试”激发挑战斗志,引领学生进入编程大门。

(1)玩趣程、编趣程,在欢乐中体验程序魅力

当代中学生作为“数字土著”,早已领略过游戏的吸引力。而游戏程序是怎么编写的,绝大多数学生并不了解。在学习初期,可以利用趣味程序欣赏、趣味程序分析、趣味程序编写等引导学生体验编程魅力,感受编程世界的神奇,从而激发编程学习的兴趣。例如:“汉诺塔”学递归、“过河卒”思递推、“走迷宫”“八皇后”理解深度优先搜索、“五子棋”“中国象棋”理解广度优先搜索等。通过趣味程序引导编程学习,鼓励大胆创新,尝试编写好玩有趣的小程序,并进行展示。程序虽然简单,却引来初学者的赞叹,给编写者带来成就感。通过学生的不断积累,趣味程序库逐渐充实,不但启发了学生的创新思路,更激发了编程兴趣和学习欲望。

(2)演生活、讲生活,在生活中寻找编程趣味

生活是教育的根本,也是学习的根本[15]。编程教学要融入生活情景,结合情景分析算法流程,帮助学生更好地理解算法流程。例如:讲循环时演练“万米长跑”,数圈的裁判酷似控制变量,帮助理解循环过程;讲函数时联系“一碗米的蒸锅与高压锅加工”的不同过程,不同函数就像不同的加工设备;讲队列时演练“排队交费”,理解队列的操作与变化;讲排序时演练“冒泡排序”的大泡冒出……在欢乐的演练中理解程序的工作过程,在生活中寻找编程的趣味与价值。将理性的程序与实际生活相结合,深入浅出地进行演练与讲解,帮助学生理解程序,减少编程枯燥性,有效破解编程学习的阻塞点。

(3)个人赛、团队战,在挑战中感受编程魔力

测试是检查知识掌握情况的手段,而项目制作是对学生综合知识运用能力的测试。常规学习中,很多学生惧怕考试、讨厌考试。设置闯关大赛等趣味形式,或团队合作共同完成项目制作,能带给学生挑战编程的持续兴趣。团队大战或团队项目制作时,队内学生分工合作,比赛过程允许队员讨论思路、相互检查程序、自主协调分工与进度,将枯燥的个人测试变为欢乐的团队作战,在实战中培养团队合作意识,深受学生喜爱。为了增强团队战斗力,许多学生主动钻研,同时也锻炼出一批优秀的战队长。他们在协同作战中锻炼了领导能力,增强了发展自信,带动了整个队伍快速发展。

2.鼓励发散性思维,激发创新能力

(1)基于“照猫画虎”,培养创造能力

模仿是创造的第一步也是学习的最初形式。将课堂教学的切入点放在学生“最近发展区”才能使教学真正有效[16]。从模仿到独立编程的渐进式编程教学,为学生搭建了从现有水平到达独立编程、创新编程的梯子,帮助学生顺利穿越编程学习的“最近发展区”。

例如:for循环基本例题:s1=1+2+3+……+n,编程求出s1。“照猫画虎”的变式练习设计如下:

变形一:计算2+12+22+……+1002的和s2;

变形二:计算1-1/2+1/3-1/4……-1/100的和s3;

变形三:计算1+1/2+2/3+3/5+5/8+……前20项和s4。

模仿是一种学习,但学习不止于模仿[17]。将已有程序修改完善或对已有项目变换要求,可以引发学生的深度思考。典型的背包九讲以基本的“01”背包为切入,延伸出完全背包、多重背包、混合背包、分组背包等一系列问题,引出多种算法的思考与编程。“模仿—练习—迁移—创新”的学习模式[18],通过由此及彼的变式训练,大大提高了学生的问题解决能力,让编程学习逐步创新自如。其实,“画虎”的过程也是创新过程,通过差别对比、共性归纳、梳理总结以及递进的变式程序帮助学生顺利突破难点,逐步培养实际编程能力。

(2)鼓励“一题多解”,培养发散思维。

在教学中提倡一题多解(如图1所示),及时发现新程序、新思路、新方法,并给予表扬鼓励。一题多解可以帮助学生理解不同算法在同一问题中的应用方法,也是学生个性化思维的具体展示。鼓励学生讲解独特思路,既能给予学生表现自我的机会,使其在肯定与赞扬中产生成就感和快乐感,也能让其他学生在程序对比中深刻理解算法。

(3)鼓励“自命试题”和“自选项目”,培养创新应用。

自命试题、自选项目让学生不再害怕测试。学生自命试题常常融入感兴趣的生活,题干和项目切合同龄人的兴趣和关注点,增强了试题的亲切感。命题过程和项目分析需要深入研究考查知识点,学生会根据学习感受切中理解要点,深入思考知识之间的关联,从而促进知识运用。自命试题在创新测试内容的同时,激发了学生的创新能力,引导学生在解决问题的过程中学会探索,发现更多可能性。而受测学生知道命题者就是隔壁机房的学长,往往产生强烈的挑战兴致,跃跃欲试。

3.培养“程序医师”,夯实编程能力

编程学习需要不断上机实践。上机实践能力越强,学习兴趣越高,而高效调试是上机实践的关键环节。初学编程,查错和调试常占据上机时间的50%以上,甚至编程10分钟查错1小时也很常见。学生兴致勃勃编写的程序,常因一个小错误被“卡住”,教师又因為学生多可能兼顾不到,学生的学习兴趣就会因此大大降低。因此,准确查错、正确纠错是编程兴趣保持的关键环节,需要在实践中尽早培养“程序医师”,提高调试效率,从而改善编程体验,夯实编程能力。

(1)掌握查错和调试技巧,培养思维缜密性

程序自身的多样性为生成性教学提供了天然土壤。课堂上的教学意外往往潜藏着不同的教育元素,教师若能及时洞察捕捉,则可推动学生的发展[19]。在教学中,对错误程序巧妙利用便可将错误转化为即时教学资源,顺利实施生成性教学。以出错程序为反例,引导学生像“啄木鸟”一样找出“程序虫子”,帮助学生逐步形成严谨全面的思维习惯。对优秀的“啄木鸟”及时表扬,对程序错误分类强调,对思路错误重点讲解,对思路创新但有瑕疵的程序则在纠错后及时鼓励。生成性教学从表层看是一套教学方法,而从深层来看则是一种“以人为本”的教学方法论[20]。适切中肯的评价使出错学生印象深刻,其自尊心和编程积极性得到很好保护,同时也激励其他学生主动思考、严谨思考。

教学在理智方面的任务是要让学生形成清楚、细致、透彻的思维习惯[21]。程序输入完,学生在静态查错中独立梳理思路、耐心确认算法,对提高程序通过率、培养严谨的思维习惯都非常重要。静态查错成功时,程序运行一次通过,会让学生在兴奋中感受到快乐,大大增加学习兴趣和学习自信。

(2)尽早培养“程序医师”,改善编程体验

鼓励学生间相互查错,减少程序调试的挫败感。引导学生不仅能自己查错,也能帮助别人查错,并由此提升个人的程序调试能力。尽早培养“程序医师”, 鼓励优秀学生脱颖而出,成为程序的“主治医师”,提高调试效率,改善编程体验,从而让更多学生“爱”上编程。

4.培养“学生讲师” ,提升综合能力

(1)培养“学生讲师”,在锻炼中提升综合能力

建构主义提倡将学习的主导权还给学习者,让其在学习过程中承担一定的责任,做学习的主人[22]。互联网的开放性以及网络资源的极大丰富,使得学生可以便捷地获取知识,自主研究感兴趣的内容。利用费曼学习法逐步培养“学生讲师”,可以促进学生主动建构知识体系,在讲解中锻炼语言表达能力,让学生收获更多的学习成就感。一是鼓励学生大胆发言,交流思路;二是鼓励组内互讲,让学生敢讲、想讲、会讲;三是在具备一定知识基础后,尝试分模块讲解,引导学生钻研自学,逐步培养“学生讲师”,可以双人搭档,也可以从优秀者开始,然后逐步形成讲的氛围;四是鼓励优秀学长为低层次学生讲解较难知识。“学生讲师”需要深入备课研究,促进了学生自主学习和自我提升,从而激发起更强烈的学习追求。

(2)鼓励“学长报告”,以优秀榜样指引前进方向

“优秀的你不只是骄傲,更是引领和榜样,你的今天就是学弟学妹们的明天”①。通过“学长报告”介绍学习经验,讲述专业发展前沿,分享个人成长历程。学弟学妹在学长报告中开阔眼界、发现兴趣,在与学长的交流中碰撞思维、启迪思想、激励发展欲望。同时也让学长在分享中获得更强的发展自信,激励他们不满足于现状,不断追求更高的发展愿望。

5.持续自主学习,促进开放发展

当学生具备更多的学习选择权时,便会因为掌握学习主动权而愿意探索实现即时学习和终身学习所必需的学习策略与方法[23]。随着学习的深入,学生的兴趣逐渐稳定,思维创新和实践能力不断提升,自控钻研能力也达到一定水平。这时便可基于个性化学习和建构主义理论,采取更加开放的方式引导学生自主发展。利用信息技术和网络资源的独特优势,指导学生搜集资料并自主规划学习进度,在个性化学习中自主建构知识体系,主动寻求更高的发展目标,促进自主发展、开放发展。

“双激双培开放发展”培养方案(如图2所示)依据最近发展区、个性化学习和建构主义学习等理论,遵循因材施教和循序渐进等原则,发挥了学生的兴趣和优势,促进了学生的发展。具体做法为:从激发学生的编程兴趣入手,通过算法创新和应用创新,激发学生的创新能力;培养“程序医师”,夯实程序调试,提升实践能力;培养“学生讲师”,锻炼表达交流能力,提升发展软实力;在学习中感受团队力量,互帮互助;在持续的自主学习中进入开放发展的高级阶段。

四、“双激双培开放发展”方案的效果

“双激双培开放发展”培养方案注重激发兴趣和创新能力,注重培养实践能力和综合能力,促进了学生的自主发展和开放发展,为他们的学习、工作和生活奠定了坚实基础。

1.优化学习品质,提升思维与学习能力

培养方案有利于改变学生的思维习惯,优化思维品质和学习品质,提升以计算思维为主的思维能力和学习能力。

编程学习中的递推、递归等算法训练提高了学生的逆向思维能力,思维的灵活性和发散性也得到发展。例如:调皮的小明要爬上10步台阶的楼梯,他可以一步迈1个台阶,也可以一步迈2个台阶,但第一次只能上第一台阶,问小明共有多少种不同走法可以上到楼梯顶。该题如果用正向思维,一般学生很难计算出正确答案,但用逆向思维却很容易推出有55种方法。即:第10步台阶只能从第9步和第8步臺阶上,第9步台阶只能从第8步和第7步台阶上……第n步台阶的上法=从第n-1步与第n-2步台阶上法的和;而第1步和第2步台阶都只有1种上法,进而反向推出55种方法。

如果编程学习持续一定的时间,诸如此类的思维训练以及对一题多解中灵活多变、复杂程序的深入思考,都会让学生享受到思维的盛宴,从而改善思维品质,提高思维能力。在编程学习中,全面准确的思维细节培养了学生认真细致的思维习惯,提升了学习能力,促进了学习效率的提高(如图3、4所示)。

2.锻炼综合能力,增强未来发展软实力

通过一定时间的编程学习,条理的程序控制、算法的优化选择、全面的缜密思维、问题解决的创新方法等思想深深植入学生心里,内化为他们学习和生活的指导思想,并运用到实际问题的解决中。

持续钻研的坚韧毅力、“学生讲师”的表达能力锻炼、集体讨论和团队大战的团队合作、“学长报告”促生的专业发展欲望以及自学钻研和资料搜集等能力,大大提升了学生发展的软实力(如图5所示)。有的学生虽因能力或时间冲突中途退出,但仍深深留恋学习氛围。正如有学生在总结中写道:“今天跟队友讨论学会了Tarjan算法,明天就能跟同学一起研究带电粒子转圈圈。现在,我学过的线段树、SPFA都忘掉了,但我得到了更重要的学习能力,这不会随着时间的推移而渐渐淡忘,这是我受用一生的财富。”

3.提升专业能力,引导专业与发展方向

通过“程序医师”和上机实践夯实编程能力,通过编程学习和创新应用锻炼综合能力,不但使一批学生在全国青少年信息学奥林匹克比赛中获奖,更激发了学生的专业兴趣和发展自信。学生掌握了一定的算法知识,也深深喜欢上计算机专业,对今后的专业选择和工作发展都产生重要影响。

学生李某某本科考入哈尔滨工业大学,孙某某本科考入北京邮电大学。扎实的专业基础使他们在大学专业学习中如鱼得水,成绩突出,顺利保研到清华大学计算机系,带来人生发展的新转机。学生姜某某仅取得信息学联赛二等奖,但大四实习时期就因为编程学习经历和突出的专业成绩,顺利进入微软亚洲研究院实习,并因此顺利申请到美国加州大学的全额奖学金,毕业进入某知名企业总部发展。学生王某某一直特别喜爱编程,两次参加信息学奥赛却发挥失误,虽然在大学时根据家长建议选择了医疗技术专业方向,但在工作时,却以程序员身份进入知名IT企业负责编程相关工作。

五、方案对中小学编程教育推广的启发

“双激双培开放发展”方案源自中学生编程特长的教学实践,是基于学生禀赋和潜能差异,依据多元智能等理论,通过激发兴趣、激励创新而实施的“扬长教育”[24],在发挥兴趣优势加速学生能力发展中效果明显。而推广中小学编程教育,既要调动学生兴趣、发挥学生优势,也应注意面向全体,注重以能力发展为导向,让编程教育更好地服务于学生发展。“双激双培开放发展”方案是一线编程教学的实践探索,方案中的策略方法对于推广中学生编程教育具有重要的启发意义。

1.激发兴趣并规范习惯,保障学习有效性

编程学习需要兴趣,也要规范学习习惯。普通学生的编程兴趣谈不上浓厚,保证学生在电脑前的专注度是教学初期的重要问题。学生分心的主要原因有:学习兴趣淡漠难以投入;自控能力有限,难以克服网络环境的便利与诱惑;学习遇到困难不善钻研等。在教学中要不断创新,借鉴方案中激发兴趣和创新能力的方法,吸引学生注意力。在学习初期要注意兴趣激发与技术控制相结合,以技术手段减少网络诱惑,并制定相关纪律规范学习行为,多措并举培养学生的专注习惯,保障学习的有效性。

2.关注年龄与能力差异,尊重学习差异性

由于知识基础、理解能力和思维发展水平各不相同,不同年龄学生的兴趣和能力也不同。相对而言,低龄学生兴趣持久性弱、学习难度大,需要在激发兴趣的具体方式上多想办法、多做尝试;而高年级学生思维能力较强,学习韧性大,则需要在学习方法和持续发展上给予更多引导和鼓励,以促进学生能力的开放发展。“程序医师”和“学生讲师”是促进学生编程能力和计算机思维提升的有效手段,在不同年龄段学生的学习中都应积极鼓励,有效实施。

3.破解学习阻塞和困难,确保学习持续性

编程学习是一个漫长而复杂的过程,并非一帆风顺。在学生兴趣减弱或思维阻塞时,教师要及时分析原因,疏导困扰,鼓励学生迎难而上,恢复发展自信。编程学习初期有三大难点容易导致兴趣减弱,造成学习困难。一是循环与双重循环,二是数组与二维数组,三是函数与递归。推广编程教育,要想办法帮助学生顺利跨越三大难关。方案中将知识与生活实例相结合、将程序模仿与激发创新相结合等具体做法,可以有效破除学生的理解阻塞,促进思维内化。教学中可以适当放慢教学进程,让学生有充分时间消化理解,实现学习的增量恢复和跃进发展。

4.鼓励特长学生开放发展,引导人生规划

编程学习有独特的知识特点和思维特点。在编程学习推进中,必然会涌现出一批接受能力好、学习兴趣高的特长学生。对于特长学生,可以借鉴开放发展的做法,为他们提供更多学习资源,指导他们个性化地深入钻研,帮助他们自我规划、开放发展。同时注意理想格局教育,加强人生发展规划的指导,激发他们深入学习计算机专业知识的兴趣和斗志,以待将来实现更大的人生目标。

六、结语

智能正在改变世界,但引领未来的并不是智能本身,而是智能背后人类的智慧。编程亦如此,需要在编程中不断思考和完善想法,才能真正成为行动的思考者、问题的解决者和思维的创新者[25]。“双激双培开放发展”的培养体系,不只培养学生的编程能力,更要培养学生的创新能力和未来学习生活发展能力,这才是编程教育的真正价值。推广中小学编程教育,绝不能企求每个学生都成为程序员,要充分认识到编程教育对思维、学习和综合能力的培养效果,让编程教育更好地服务于学生的长远发展、开放发展。

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(编辑:王晓明)

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