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面向计算思维的中小学校外编程教育实施路径

范文

梁健

【摘要】人工智能时代，编程教育成为培养中小学生计算思维能力的重要方式。本文结合广州市越秀区少年宫三年多来的编程教育实践，在皮亚杰认知发展理论与计算思维培养阶段的基础上构建中小学校外编程教育实施模型，并基于模型探讨中小学校外编程教育实施路径，旨在为中小学生计算思维的培养和校外编程教育的开展提供新的参考路径。本研究所构建的模型以计算思维为导向，在多方联动、重构课程体系的基础上，形成“公益编程活动——Scratch编程——Python语言——C++语言——比赛交流”的编程教育实施路径。

【关键词】校外编程教育; 计算思维; 实施模型; 实施路径

一、问题提出

近年来，通过编程培养学生的计算思维能力逐渐成为教育领域专家学者关注的焦点。2011年，美国计算机科学教师协会（CSTA）和计算机协会（ ACM）研制了《 K-12 计算机科学标准》，强调通过编程学习，解决实际问题，培养学生的计算思维能力。2017年，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》：强调中小学阶段设置人工智能课程，并逐步推广编程教育。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》更是将“计算思维”融入学科核心素养，实现从之前的计算机技能培养向计算思维培养的转变。

然而，我国中小学编程教育仍存在以下问题。一是编程教育的实践经验不足，高校、中小学和社会未形成一种融合性的发展模式;二是课堂上主要以语法、算法学习为主，学生易对编程内容感到枯燥，失去学习兴趣。而与学校相比，少年宫等校外力量在提供编程教育环境、资源、产品、培训等服务方面具有一定的优势。因此，本文旨在探究面向计算思维能力的中小学校外编程课程实施路径，以期为计算思维的培养和校外编程教育的开展提供新的参考路径。

二、相关研究述评

1980年，麻省理工学院教授派珀特在其著作中首次提出计算思维（Computational Thinking）的概念，强调计算思维是学生在学习计算机时所训练出来的思维技能。2016年，周以真从全新的角度给出了计算思维的定义，认为计算思维是运用计算机基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，强调计算思维是人的思维能力。上述定义表明，计算思维是学生基于计算机基础概念，利用计算机的功能进行问题求解的能力。

通过梳理相关研究发现，基础教育各个阶段已经开始探索利用编程课程去培养计算思维。如孙立会等基于皮亚杰的认真发展阶段理论，将计算思维培养划分为前计算思维阶段、计算思维准备阶段、计算思维形成阶段和计算思维发展阶段;曹晓明等基于高中信息技术课程校本课程的开发，提出了计算思维的培养路径，通过系统化的案例学习，实现计算思维能力的培养;熊秋娥等通过实证研究的方法，采用Scratch课程对34名小学生开展为期16周的教学实践，发现游戏化的图形编程教学能够促进小学生计算思维能力的培养。但受长期的传统教育理念影响，中小学的编程教育普遍存在教条学习的现象，学生仅仅学习语法和算法，学习的平台和资源较为单一。

社会力量也逐渐重视编程教育。苹果公司宣布将其“人人能编程”课程推广至全球，该课程使用 Swift 语言，面向高中生和大学生;著名的非营利组织Code.org提出“编程一小时”口号，并设计了一套系统的课程，目的是让每一位孩子都有机会学习编程。国内企业也为编程教育的方法理念提供了资源和技术的支持，拓宽编程教育研发平台与视野。如林芳竹通过分析编程猫软件的特点和及其配套课程的应用优势，认为编程猫这种图形化的游戏化的编程教育，对学生解决问题能力、创新能力，以及逻辑思维能力的培养有着积极地促进作用。

通过对上述相关研究梳理，发现中小学已经在推广编程教育，并逐步探索校本课程的开发，这为本研究提供了理论基础。但由于经验的不足和资源、技术等不配套，计算思维能力培养与目标要求仍存在很大的差距。且目前少有研究去探究校外编程課程实施方案。因此，本文将研究面向计算思维的校外编程课程实施路径。

三、中小学校外编程教育实施模型和路径

人工智能时代，中小学编程教育成为培养中小学生计算思维能力的重要方式。笔者在借鉴其他学者所提出的推进方式的基础上，结合广州市越秀区少年宫编程教育实践，以计算思维能力为目标导向构建了中小学校外编程教育实施模型（如图 1 所示），并基于该实施模型提出中小学校外编程教育实施的路径。

（一）多方联动

我国中小学校外编程教育尚处于初期发展阶段，仍面临较多的困难与挑战，需联动各方力量，以推动形成良好的发展模式。笔者所在的广州市越秀区少年宫是越秀区教育局的直属单位，以区域层面开展编程公益活动及课程已有三年多时间。期间，联动教育局、社会机构、中小学等各方力量积极推动中小学校外编程教育的发展。广州市教育局于2019年7月公布《广州市教育局关于开展人工智能改革试验区、校遴选的通知》，表明将于本年秋季开展人工智能校本课程试点实验，到2022年，实现人工智能教育覆盖广州全市学校。此通知对编程教育进入中小学产生极大的促进作用。越秀区少年宫深刻认识到人工智能企业是中小学校外编程教育发展的促进者和有益补充成份，积极与社会力量合作交流，比如邀请大型人工智能企业的工程师为学员们讲解最新信息科技的发展。此外，我们也非常重视与中小学的交流合作，多次举办校际团队编程比赛，大大促进了区内编程学习的氛围。

（二）重构中小学校外编程课程体系

1.明确课程目标

近年来，不少企业纷纷开展校外编程，但面临同质化严重、盲目竞争等问题，甚至连课程目标定位都不明确，单纯“为了教而教”。明确课程目标，才能更好地开发课程资源和创新教学实践，是重构中小学校外编程课程体系的第一步也是关键一步。越秀区少年宫明确课程目标的核心是计算思维能力，在三年多的实践中形成了基于皮亚杰认知发展理论的分阶段计算思维培养目标，并借鉴孙立会等学者依据认知发展规律所划分计算思维培养阶段——前计算思维阶段、计算思维准备阶段、计算思维形成阶段、计算思维发展阶段，完善了各阶段的编程教学目标。

2.建設课程群

编程教育是由一系列编程课程组合而成，课程组合的合理与否将直接影响编程教育的效果。这种组合并非简单的拼凑，而是需要遵循一定逻辑进行组合。目前越秀区少年宫基于课程目标开设了五个系列的编程教学，分别是公益编程活动、Scratch、Python语言、C++语言及比赛交流。公益编程活动对应前计算思维阶段，Scratch图形化编程对应计算思维准备阶段，Python语言对应计算思维形成阶段，C++语言和区级比赛对应计算思维发展阶段。

（1）公益编程活动

越秀区少年宫开展的公益编程活动主要包括项目式STEM创客教育活动和机器人创客活动。前者以“科技改变生活”为主题，每学期均会举行3-4次活动，活动使用Arduino器材制作各种贴近生活的创意项目，例如：走马灯、红外人体感应灯、坐姿提醒仪等，每次活动完成一个主题。包含各种传感器、开发板及IDE开发环境的Ardunio器材，对学生们有着天然的吸引力，学生们在同一空间下的合作将变得更加容易实现。后者适合低年级学生参与，由于界面友好、造型可爱、代入性强，机器人的活动深受低年级儿童的欢迎。对学童提高分解、构建、对象、事件等计算思维能力颇有成效。根据研究，学习机器人能够有效提高计算思维及问题解决能力，且这些能力能迁移到Ardunio、代码编程等项目中。通过机器人活动和Ardunio活动，我们挑选有兴趣学习编程的学生进入常态班级，他们在日后的学习中大多表现出主动性强、协作能力好的特点。

（2）Scratch趣味编程

Scratch趣味编程课程比较适合低年龄段的孩子。通过模仿案例，孩子们较为轻松地理解变量、函数这些概念，并应用到二次创作之中去，使孩子们的获得感大增。而这些同学升入编程语言班之后，能将这些知识和技能迁移到文本编程学习中，比起没有学过图形化编程的同学更迅速理解问题情境，并建立相应模拟的流程。

（3）Python语言编程课程

越秀区少年宫Python编程课程更鼓励学生在编程学业上有更专业的发展。教师们设计生活化、趣味和有应用价值的情景，把整个项目分割成若干阶段子任务，以任务驱动的方式引领学生分析问题，建立模型并写出算法，子任务之间的知识需要形成正迁移，始终着眼于学生的“最近发展区”，并且鼓励学生探索更抽象的算法知识解决情景问题。

由于情景建立在跨学科的应用基础上，例如绘画、汉诺塔、迷宫等项目，都是需要一定的算法思维解决具体的问题，如绘画需要使用turtle库，汉诺塔需要使用递归算法，迷宫需要使用搜索（深度优先或广度优先）算法。教师引导学生使用编译工具了解算法的时空复杂度，认识到算法的价值和优缺点，从而做出合理的选择。

（4）C++语言编程课程

C++语言课程是高难度，但也是最受学生欢迎的课程。教师创设学科情境，引导学生采用适当的算法及代码解决问题。借鉴学者所提的归纳抽象、模拟流程、算法设计、优化调试、迁移学习五个步骤促进学员使用C++语言及算法解决抽象问题。例如，在一维布尔型数组的教学中，约瑟夫问题是一个经典的问题情境，我们引导学生通过问题情境归纳出核心的问题模型，让学生模拟流程，选择布尔型数组解决问题，再细化问题的层次，逐个解决循环结束条件、出队人员识别等环节，再把代码整合进行调试，解决问题之后再引入“优美序列”等问题。当然，约瑟夫问题也可以用队列解决，学生成功解决这个问题后，就可以学习广度优先搜索算法了。

（5）交流活动及比赛

为在区内中小学形成学习编程的氛围，提高中小学生学习编程的兴趣，越秀区少年宫时常策划交流活动和比赛。例如，邀请大型人工智能企业的工程师讲解最新信息科技的发展、邀请信息学奥赛金牌教练讲解算法、举行校际团队编程比赛等。

3.创新课程实施

在以计算思维能力为核心的课程目标下，创新各系列课程的实施。目前越秀区少年宫已形成逐步提高计算思维能力的分阶段课程实施路径，“公益活动——Scratch图形化编程——Python语言——C++语言——比赛交流”。在低年龄段以图形化编程促进推理、自动化、模块化等思维能力;通过活动平台，开展贴近生活情境的的硬件编程活动和举办校际比赛，在这些比赛活动中根据学生展现的特长，推荐进入Python语言或C++语言班;Python语言班着重融入跨学科背景，使用编程工具解决问题，而C++语言班则着重使用文本编程工具，解决抽象性的情景问题。

四、结语

科技飞速发展，面向计算思维的中小学校外编程教育之路任重而道远。未来将会在中小学校外编程教育实施路径的基础上，进一步深入探索不同阶段编程教育的具体教学方法，形成教学模式，构建稳定的区域编程教育发展模式。

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