面向計算思維的中小學校外編程教育實施路徑

梁健

【摘要】人工智能時代，編程教育成為培養中小學生計算思維能力的重要方式。本文結合廣州市越秀區少年宮三年多來的編程教育實踐，在皮亞杰認知發展理論與計算思維培養階段的基礎上構建中小學校外編程教育實施模型，并基于模型探討中小學校外編程教育實施路徑，旨在為中小學生計算思維的培養和校外編程教育的開展提供新的參考路徑。本研究所構建的模型以計算思維為導向，在多方聯動、重構課程體系的基礎上，形成“公益編程活動——Scratch編程——Python語言——C++語言——比賽交流”的編程教育實施路徑。

【關鍵詞】校外編程教育; 計算思維; 實施模型; 實施路徑

一、問題提出

近年來，通過編程培養學生的計算思維能力逐漸成為教育領域專家學者關注的焦點。2011年，美國計算機科學教師協會（CSTA）和計算機協會（ ACM）研制了《 K-12 計算機科學標準》，強調通過編程學習，解決實際問題，培養學生的計算思維能力。2017年，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》：強調中小學階段設置人工智能課程，并逐步推廣編程教育。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》更是將“計算思維”融入學科核心素養，實現從之前的計算機技能培養向計算思維培養的轉變。

然而，我國中小學編程教育仍存在以下問題。一是編程教育的實踐經驗不足，高校、中小學和社會未形成一種融合性的發展模式;二是課堂上主要以語法、算法學習為主，學生易對編程內容感到枯燥，失去學習興趣。而與學校相比，少年宮等校外力量在提供編程教育環境、資源、產品、培訓等服務方面具有一定的優勢。因此，本文旨在探究面向計算思維能力的中小學校外編程課程實施路徑，以期為計算思維的培養和校外編程教育的開展提供新的參考路徑。

二、相關研究述評

1980年，麻省理工學院教授派珀特在其著作中首次提出計算思維（Computational Thinking）的概念，強調計算思維是學生在學習計算機時所訓練出來的思維技能。2016年，周以真從全新的角度給出了計算思維的定義，認為計算思維是運用計算機基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為，強調計算思維是人的思維能力。上述定義表明，計算思維是學生基于計算機基礎概念，利用計算機的功能進行問題求解的能力。

通過梳理相關研究發現，基礎教育各個階段已經開始探索利用編程課程去培養計算思維。如孫立會等基于皮亞杰的認真發展階段理論，將計算思維培養劃分為前計算思維階段、計算思維準備階段、計算思維形成階段和計算思維發展階段;曹曉明等基于高中信息技術課程校本課程的開發，提出了計算思維的培養路徑，通過系統化的案例學習，實現計算思維能力的培養;熊秋娥等通過實證研究的方法，采用Scratch課程對34名小學生開展為期16周的教學實踐，發現游戲化的圖形編程教學能夠促進小學生計算思維能力的培養。但受長期的傳統教育理念影響，中小學的編程教育普遍存在教條學習的現象，學生僅僅學習語法和算法，學習的平臺和資源較為單一。

社會力量也逐漸重視編程教育。蘋果公司宣布將其“人人能編程”課程推廣至全球，該課程使用 Swift 語言， 面向高中生和大學生;著名的非營利組織Code.org提出“編程一小時”口號，并設計了一套系統的課程，目的是讓每一位孩子都有機會學習編程。國內企業也為編程教育的方法理念提供了資源和技術的支持，拓寬編程教育研發平臺與視野。如林芳竹通過分析編程貓軟件的特點和及其配套課程的應用優勢，認為編程貓這種圖形化的游戲化的編程教育，對學生解決問題能力、創新能力，以及邏輯思維能力的培養有著積極地促進作用。

通過對上述相關研究梳理，發現中小學已經在推廣編程教育，并逐步探索校本課程的開發，這為本研究提供了理論基礎。但由于經驗的不足和資源、技術等不配套，計算思維能力培養與目標要求仍存在很大的差距。且目前少有研究去探究校外編程課程實施方案。因此，本文將研究面向計算思維的校外編程課程實施路徑。

三、中小學校外編程教育實施模型和路徑

人工智能時代，中小學編程教育成為培養中小學生計算思維能力的重要方式。筆者在借鑒其他學者所提出的推進方式的基礎上，結合廣州市越秀區少年宮編程教育實踐，以計算思維能力為目標導向構建了中小學校外編程教育實施模型（如圖 1 所示），并基于該實施模型提出中小學校外編程教育實施的路徑。

（一）多方聯動

我國中小學校外編程教育尚處于初期發展階段，仍面臨較多的困難與挑戰，需聯動各方力量，以推動形成良好的發展模式。筆者所在的廣州市越秀區少年宮是越秀區教育局的直屬單位，以區域層面開展編程公益活動及課程已有三年多時間。期間，聯動教育局、社會機構、中小學等各方力量積極推動中小學校外編程教育的發展。廣州市教育局于2019年7月公布《廣州市教育局關于開展人工智能改革試驗區、校遴選的通知》，表明將于本年秋季開展人工智能校本課程試點實驗，到2022年，實現人工智能教育覆蓋廣州全市學校。此通知對編程教育進入中小學產生極大的促進作用。越秀區少年宮深刻認識到人工智能企業是中小學校外編程教育發展的促進者和有益補充成份，積極與社會力量合作交流，比如邀請大型人工智能企業的工程師為學員們講解最新信息科技的發展。此外，我們也非常重視與中小學的交流合作，多次舉辦校際團隊編程比賽，大大促進了區內編程學習的氛圍。

（二）重構中小學校外編程課程體系

1.明確課程目標

近年來，不少企業紛紛開展校外編程，但面臨同質化嚴重、盲目競爭等問題，甚至連課程目標定位都不明確，單純“為了教而教”。明確課程目標，才能更好地開發課程資源和創新教學實踐，是重構中小學校外編程課程體系的第一步也是關鍵一步。越秀區少年宮明確課程目標的核心是計算思維能力，在三年多的實踐中形成了基于皮亞杰認知發展理論的分階段計算思維培養目標，并借鑒孫立會等學者依據認知發展規律所劃分計算思維培養階段——前計算思維階段、計算思維準備階段、計算思維形成階段、計算思維發展階段，完善了各階段的編程教學目標。

2.建設課程群

編程教育是由一系列編程課程組合而成，課程組合的合理與否將直接影響編程教育的效果。這種組合并非簡單的拼湊，而是需要遵循一定邏輯進行組合。目前越秀區少年宮基于課程目標開設了五個系列的編程教學，分別是公益編程活動、Scratch、Python語言、C++語言及比賽交流。公益編程活動對應前計算思維階段，Scratch圖形化編程對應計算思維準備階段，Python語言對應計算思維形成階段，C++語言和區級比賽對應計算思維發展階段。

（1）公益編程活動

越秀區少年宮開展的公益編程活動主要包括項目式STEM創客教育活動和機器人創客活動。前者以“科技改變生活”為主題，每學期均會舉行3-4次活動，活動使用Arduino器材制作各種貼近生活的創意項目，例如：走馬燈、紅外人體感應燈、坐姿提醒儀等，每次活動完成一個主題。包含各種傳感器、開發板及IDE開發環境的Ardunio器材，對學生們有著天然的吸引力，學生們在同一空間下的合作將變得更加容易實現。后者適合低年級學生參與，由于界面友好、造型可愛、代入性強，機器人的活動深受低年級兒童的歡迎。對學童提高分解、構建、對象、事件等計算思維能力頗有成效。根據研究，學習機器人能夠有效提高計算思維及問題解決能力，且這些能力能遷移到Ardunio、代碼編程等項目中。通過機器人活動和Ardunio活動，我們挑選有興趣學習編程的學生進入常態班級，他們在日后的學習中大多表現出主動性強、協作能力好的特點。

（2）Scratch趣味編程

Scratch趣味編程課程比較適合低年齡段的孩子。通過模仿案例，孩子們較為輕松地理解變量、函數這些概念，并應用到二次創作之中去，使孩子們的獲得感大增。而這些同學升入編程語言班之后，能將這些知識和技能遷移到文本編程學習中，比起沒有學過圖形化編程的同學更迅速理解問題情境，并建立相應模擬的流程。

（3）Python語言編程課程

越秀區少年宮Python編程課程更鼓勵學生在編程學業上有更專業的發展。教師們設計生活化、趣味和有應用價值的情景，把整個項目分割成若干階段子任務，以任務驅動的方式引領學生分析問題，建立模型并寫出算法，子任務之間的知識需要形成正遷移，始終著眼于學生的“最近發展區”，并且鼓勵學生探索更抽象的算法知識解決情景問題。

由于情景建立在跨學科的應用基礎上，例如繪畫、漢諾塔、迷宮等項目，都是需要一定的算法思維解決具體的問題，如繪畫需要使用turtle庫，漢諾塔需要使用遞歸算法，迷宮需要使用搜索（深度優先或廣度優先）算法。教師引導學生使用編譯工具了解算法的時空復雜度，認識到算法的價值和優缺點，從而做出合理的選擇。

（4）C++語言編程課程

C++語言課程是高難度，但也是最受學生歡迎的課程。教師創設學科情境，引導學生采用適當的算法及代碼解決問題。借鑒學者所提的歸納抽象、模擬流程、算法設計、優化調試、遷移學習五個步驟促進學員使用C++語言及算法解決抽象問題。例如，在一維布爾型數組的教學中，約瑟夫問題是一個經典的問題情境，我們引導學生通過問題情境歸納出核心的問題模型，讓學生模擬流程，選擇布爾型數組解決問題，再細化問題的層次，逐個解決循環結束條件、出隊人員識別等環節，再把代碼整合進行調試，解決問題之后再引入“優美序列”等問題。當然，約瑟夫問題也可以用隊列解決，學生成功解決這個問題后，就可以學習廣度優先搜索算法了。

（5）交流活動及比賽

為在區內中小學形成學習編程的氛圍，提高中小學生學習編程的興趣，越秀區少年宮時常策劃交流活動和比賽。例如，邀請大型人工智能企業的工程師講解最新信息科技的發展、邀請信息學奧賽金牌教練講解算法、舉行校際團隊編程比賽等。

3.創新課程實施

在以計算思維能力為核心的課程目標下，創新各系列課程的實施。目前越秀區少年宮已形成逐步提高計算思維能力的分階段課程實施路徑，“公益活動——Scratch圖形化編程——Python語言——C++語言——比賽交流”。在低年齡段以圖形化編程促進推理、自動化、模塊化等思維能力;通過活動平臺，開展貼近生活情境的的硬件編程活動和舉辦校際比賽，在這些比賽活動中根據學生展現的特長，推薦進入Python語言或C++語言班;Python語言班著重融入跨學科背景，使用編程工具解決問題，而C++語言班則著重使用文本編程工具，解決抽象性的情景問題。

四、結語

科技飛速發展，面向計算思維的中小學校外編程教育之路任重而道遠。未來將會在中小學校外編程教育實施路徑的基礎上，進一步深入探索不同階段編程教育的具體教學方法，形成教學模式，構建穩定的區域編程教育發展模式。

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