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基于可视化学习技术的初中创意编程课程教学研究

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钟翠玲

摘要：随着人工智能时代的来临，社会对高质量人才需求剧增，编程教育作为培养人才的重要途径受到了国家和社会的重视。然而，编程课程实施存在诸多问题，最主要的是学生有限的学习水平无法理解复杂的编程知识。因此，本文将基于目前中小学编程课程发展现状，从可视化学习技术的角度切入，探究初中编程课程的有效教学方式。

关键词：可视化学习技术;创意编程课程;教学方式

中图分类号：G434? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）23-0184-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

以往编程课程大多设置在高等教育阶段，中小学阶段对于编程教育关注较少，而随着社会对创新人才需求的提高，编程课程逐渐受到广泛关注。教育部办公厅关于印发《2019年教育信息化和网络安全工作要点》的通知中，提出在中小学阶段逐步推广编程教育，培养以及提升学生的信息素养。[1]目前许多中小学校开设各类编程课程，意图培养学生的创新思维能力，提高学生信息素养，提升社会竞争力。然而，编程学习难度较大，中小学生的已有认知水平难以接收复杂的程序设计知识，学习效果不佳。

1 中小学编程课程发展现状

1.1 青少年直接使用代码编程存在的问题

从学生层面分析，传统的编程语言（如Visual Basic、C语言等等）是基于文字和符号的方式来学习的，内容十分枯燥复杂，特别是程序编写部分因其过于复杂容易使学生产生认知负荷，难以理解和接受。而且初学者也难以直观地看到编程的应用效果，在程序结果的检验方式上，大多是以虚拟或仿真的结果为主，脱离硬件的直观体现，无法吸引学习者的兴趣。[2]同时，应用程序代码控制硬件中有许多复杂而高深的电子元件知识、硬件控制知识，中小学生接觸得更少甚至是没有接触过，这些都使得学生对编程望而却步。

从教师层面分析，在当前的信息技术课程的算法与程序设计的教学中，大多教师在教学方法上仍倾向于传统的讲授法与演示法，在教学内容上着重于程序编写规则及语法的讲解，教学知识显得抽象、枯燥，影响了课程目标的实现。[3]而且编程课程的教学任务大多远离学生学习和生活实际，不符合学生心理特点，使学生难以理解程序设计的思想。[4]

1.2图形化编程软件的优势

图形化编程即使用基于图形的编程方式，图形化编程工具的定位是替换原有复杂的文本编程方式[5]。与枯燥的代码编程语言相比，图形化编程能够减轻学生对学习编程的难度，通过可视化的学习方式增强学生学习编程的兴趣，提高学习效率，从而培养学生的逻辑思维、创新能力的发展。

Scratch是目前图形化编程中最受中小学师生欢迎的一款编程软件，它的主要特点是使用者无需学习代码编程复杂的语法，只需要通过鼠标拖动积木形状的模块到程序编辑栏来构成程序的命令和参数，这样降低了学习编程的难度，图形化的界面也使学生容易对学习Scratch产生兴趣。并且Scratch的多媒体功能强大，集成了图片、声效、动作、外观等编程部件和键盘、鼠标等事件部件，利用Scratch可以方便地创作故事、动画、游戏等多媒体程序，教师采用适当的教学方式，能够使学生轻松掌握编程知识与脚本编写的方法。

2可视化学习技术

2.1可视化学习概述

可视化，简单而言就是把所需要的信息用图形图像等直观可视的方式表达出来，能够简单直观地认识信息所表达的深层含义。可视化早在上世纪就应用到实际工作中，随着计算机与信息技术的发展，可视化学习不断发展演变，衍生出思维可视化、知识可视化、数据可视化等不同的可视化学习类型。在教育教学领域，目前中小学阶段应用较为普及的可视化学习类型主要是思维可视化与知识可视化。

思维可视化，即把看不见的思维过程以图示的方式呈现出来，以方便人们思考、表达、理解并促进交流。在教学中许多教师也应用思维可视化的理论方法和技术工具来提高教学效率以及提升学生的思维能力，比如教师灵活运用思维导图、思维地图等方式来帮助学生发散思维，从而达到教学目的。

知识可视化，国内著名学者赵国庆对其定义为“知识可视化是研究如何应用视觉表征改进两个或两个以上人之间复杂知识创造与传递的学科”。[6]即是通过图形图像的方式对知识进行重构、记忆和应用，促进有意义学习。在中小学的课程教学中，许多学科都有应用知识可视化的方式来整理知识内容，帮助学生梳理知识点，巩固知识。

2.2 知识可视化工具与技术

随着知识可视化的不断发展，人们把知识可视化应用于不同的行业领域，知识可视化工具的研究与使用也越来越多。在编程课程中常用的知识可视化工具主要有思维导图、流程图等。

思维导图是一种有效表达发散性思维的图形思维工具，它主要是运用图文并重的技巧，将各级主题的关系用相关的层级图表现出来，把主题关键词与图像、颜色等建立记忆链接，充分利用左右脑的机能和记忆、阅读、思维的规律，帮助人们在科学与艺术、逻辑与想象中平衡发展，促进思维能力的提升。[7]在实际的课程教学中教师引导学生用思维导图，有助于学生发散思维，培养学生创新能力。

流程图是指用相互关联的线性连接线把方框的文本连接起来，通过这种直观的图形图像的形式来解释执行或者完成某一任务的程序和步骤。流程图还可以清晰、直观、形象的将学生的思维过程外显出来，利于教师对学生思维障碍点的察觉，提高教学中思维训练的针对性和有效性。[8]把流程图应用在编程教学中，能够帮助学习者清晰地认识理解事件的发生顺序并且有效地概括出某一过程的各个阶段，降低学习难度。

3 基于可视化学习技术的初中创意编程课程教学设计

创意编程以图形化的界面与拖动积木的简单操作步骤成为中小学校开设应用较多的编程课程，然而，复杂的编程知识对于学生而言还是有一定的难度。基于此，本文以初中Scratch课程为例，把可视化学习技术融入创意编程课程中，设计可视化技术支持下的创意编程课程教学活动，探究基于可视化学习技术的初中创意编程课程的教学效果。

3.1 教学前期分析

1）教学对象分析

初中生处于认知发展阶段的形式运算阶段，这时期的学生已经出现了逻辑思维，具有分析问题、思考问题、解决问题的能力。而初中阶段的学生由于小学编程教育的不同，导致学生的编程能力不一，因此在教学设计前教师要先对学生的学习能力进行了解分析。

2）教学目标分析

Scratch编程课程是通过信息技术课堂开展的，教学目标也是以三维目标来设置的：在知识与技能方面，主要是掌握Scratch编程中的各个模块、各种积木的应用以及理解相关编程知识;在过程与方法中，主要是在完成编程任务的过程中，学习解决问题的方法与规律;在情感、态度与价值观方面，学生培养思维能力、创新能力、协作学习能力等，提高其信息素养。

3.2 初中创意编程课程教学内容设计

初中创意编程课程融合steam教育理念的学习内容。STEAM（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathematics）是由美国弗吉尼亚理工大学的Georgette Yakaman提出的一种跨学科教学框架，STEAM教育是关于科学、技术、工程、艺术与数学的教育。[9]在创意编程课程基于STEAM教育理念，结合数学、语文、音乐、英语、物理等学科知识，通过任务驱动式的教学方式引导学生应用Scratch编程解决实际问题，主要培养学生以及综合运用各学科知识解决问题的能力，加深学生对相关学科知识的理解。比如设计一个“用Scratch软件画一个正方形”的任务，在教师引导学生完成任务的过程中既学习中循环结构等编程知识，也回顾了正方形的性质等数学知识，同时培养学生跨学科解决问题的意识和能力。

3.3基于可视化学习技术的初中创意编程课程教学活动设计

基于对教学对象、教学目标以及教学内容的分析，可视化学习技术支持下的初中创意编程课程教学是以教师引导、学生主导的任务驱动式的教学模式来开展，具体教学活动主要分为四个部分，如图1所示。

第一步是教师通过Scratch软件的创设问题情境，导入教学任务，让学生在情境中融入课堂，在教师的引导下思考解决问题的方法。

第二步是教师通过流程图来讲解演示任务操作步骤，让学生直观了解程序搭建的每个步骤与顺序。接着学生通过小组协作学习，借助流程图与课前教师准备好的微课视频（即任务的操作过程）来完成任务。

第三步是教师通过思维导图引导学生发散思维，在已完成的作品上进行改编，学生对作品进行创新创造活动。

第四步是教师引导学生展示作品，鼓励学生讲解自己的想法与创意，教师在学生展示汇报的基础上点评给出修改建议，并与学生共同总结知识内容。

4 小结

在可视化学习技术支持下的初中创意编程课程教学设计应用到教学课堂实践中，教师的教学效率有了很大的提高，教学任务能够基本完成，教学目标也基本实现，从学生的作品中发现学生的思维能力有所提升，创新能力也得到了发展。

参考文献：

[1] 教育部办公厅关于印发《2019年教育信息化和网络安全工作要点》的通知[EB/OL].2019-03-01.

[2] 傅泽禄，李益，许玉球.基于青少年创新能力培养的编程学习系统的设计与实现——以广东机器人科普活动为例[J].广东科技，2014（16）：193-171.

[3] 肖如，顾倩颐.面向STEAM教育的App Inventor课堂教学研究[J].中国信息技术教育，2016（17）：61-64.

[4] 郑立新.中小学程序设计教学思考[C].北京教育科学研究院2015年学术年会论文集，2016：231-233.

[5] 傅骞，罗开亮，陈露.面向创客教育普及的Mixly图形化编程工具开发[J].现代教育技术，2016，26（01）：120-126.

[6] 赵国庆.知识可视化2004定义的分析与修订[J].电化教育研究，2009（03）：15-18.

[7] 丁莉. 思维导图在初中生物学教学中的应用研究[D]. 上海师范大学，2015.

[8] 李京.初中生构建生物知识流程图思维过程个案研究[D].首都师范大学，2012.

[9] Connor A M，Karmokar S，Whittington C，et al.Full STEAM Ahead A Manifesto For Integrating Arts Pedago-gics Into STEM Education[C]//Teaching，Assessment And Learning （TALE），2014 International Conference On.IEEE，2014：319-326.

【通聯编辑：王力】

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