以能力發展為導向的青少年編程課程體系的構建探析

王先龍，黃麗清，劉春紅

（1.梧州學院電子與信息工程學院，廣西梧州 543002；2.廣西桂平市光明小學，廣西桂平 537200）

0 引言

當今世界，大數據云計算人工智能等新興科技的重要性已經形成社會的普遍共識。2017年國家頒布了《新一代人工智能發展規劃》，標志著人工智能正式上升成為國家發展戰略，規劃中明確提出“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”[1]。從而編程課程進入中小學課堂；2021年國家“雙減”政策的出臺及后續教育部對信息技術教育按照非學科類進行管理認定，青少年編程教育得到國家政策支持的同時受到了社會廣泛關注。2023年5月教育部聯合多個部門發布了《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》（以下簡稱《意見》)，旨在為適應科技發展和產業變革需要，整合各方資源全面提高中小學學生科學素養，建設教育強國；同時，《意見》回答了如何把青少年培養成為國家真正需要的未來人才，回答了如何落實國家人工智能人才戰略的問題。至此，青少年編程教育成為極其重要的中小學科學教育的一環，青少年編程教育邁入了一個全新的發展階段。為落實人工智能人才發展戰略，培養具有創新能力和實踐能力的創新型人才，實現青少年編程教育人才培養目標，本課題著眼于對構建以能力發展為導向的青少年編程課程體系進行分析探討。

1 青少年編程課程體系框架構建

青少年人才培養要與黨和國家事業發展要求相適應，國家“十四五”規劃明確提出人工智能是優先發展的前沿科技領域之一，為中國未來5年培養人工智能人才指明了方向，堅持人才強國戰略，實施人工智能人才發展理念，確保經濟社會高質量可持續發展，意義重大。青少年編程教育是落實國家人工智能人才戰略一條可行的路徑[2-4]。編程教育目的是在實踐應用中培養編程思維，進而培養解決實際問題的能力。青少年在編程教育過程中學習程序設計的基本語法規則，掌握解決問題的思路和方法，以實際應用為切入點，通過對語法規則和解決問題的思路和方法的合理應用，以解決生活中遇到的實際問題為導向，培養學員的創新能力和實踐能力。

編程教育課程體系的建設是人工智能人才戰略落地的一個抓手，科學的課程體系是編程教育質量的根本保障。青少年編程教育作為一種新興的教育模式，編程教育課程體系還沒有形成科學統一的課程標準，課程設置定位還不清晰，編程教育的良性發展受到了嚴重制約。本課題基于STEAM教育理念、OBE教育理念、艾賓浩斯記憶遺忘曲線規律和皮亞杰少兒認知理論等教育學的相關理論知識構建了青少年編程教育課程體系開發框架圖。該框架圖根據青少年編程教育學習特點，以能力發展為導向，以應用和實踐為路徑，進行有效學習，真正做到學以致用，解決實際問題[5]。青少年編程教育課程體系開發框架如圖1所示。

圖1課程體系開發框架構造遵循OBE教育理念，以成果為導向，以學員需要獲得的能力發展為依據反向構建模塊化課程體系，可有效將需求傳導至課程體系中。通過逐級分解，落實到課程模塊建設上，以學員作為主體，構建以學員能力發展為導向的課程模塊具有適用性、實用性、科學性。課程模塊的構建明確地指向能力結構模塊。青少年應擁有的編程能力應該包括通用能力、專業能力和綜合能力；其中，通用能力分解為溝通協作能力、邏輯思維能力、語言表達能力、動手能力、觀察能力及想象能力；專業能力分解為分解問題能力、模式認知能力、抽象思維能力及算法設計能力；綜合能力分解為創新能力和實踐能力。青少年要掌握這些能力，就必須完成相應的知識結構的學習，其包括編程貓和Scratch 圖形化編程工具應用、C++和Python應用及競賽機器人和工業機器人；而其中編程貓和Scratch圖形化編程工具應用是屬于基礎課程模塊的學習，而C++和Python 應用及競賽機器人和工業機器人等是屬于專業編程模塊的學習，同時學員要進行課程實訓模塊的訓練即參加合適自己的不同等級的考試或比賽，比如：全國青少年編程等級考試、廣西北部灣人工智能教育大賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽等，畢竟只有通過參加此類考試或大賽才能對自己各學習階段作階段檢測，課程實訓模塊是有效提高學員的創新能力和實踐能力的可靠路徑，保障了實現高素質人工智能人才培養目標。

2 青少年編程課程體系框架構建的理論基礎

青少年編程課程體系開發框架圖基于STEAM 教育理念、OBE 教育理念、艾賓浩斯記憶遺忘曲線和皮亞杰少兒認知理論進行構建。

2.1 STEAM教育理念

有別于傳統的單學科教育方式，STEAM教育理念是綜合教育，包含數學、工程、藝術等多學科領域，多方面培養學員工程實踐、藝術審美、機械結構設計等能力，STEAM 教育理念與青少年編程教育高度契合[6-7]。青少年編程教育具有跨學科性和前瞻性，涉及數學，工程，機械設計及藝術等多個學科領域。通過動手操作、趣味體驗、情景教學等方式，結合貼近生活的小實驗項目，激發學員的學習熱情，培養實踐動手能力，邏輯思維能力及創新能力，進而激發他們發現問題、解決問題的能力，提升學員科學素養。

2.2 OBE教育理念

OBE教育理念關注學員的培養結果，以學員為中心，以產出為目標導向，反向構建課程體系。學員的學習成果體現為一組能力目標預期，這一組預期能力具有明確、具體、可衡量及可達成特點，這種能力主要通過課程教學來實現[8]。學員所獲得的能力結構和知識結構存在映射關系，課程模塊支撐預期的目標能力是否合理，是能力目標定位可實現的保障。

2.3 艾賓浩斯記憶遺忘曲線

艾賓浩斯記憶遺忘曲線揭示了人們對所學新知識的遺忘的規律，通過觀察這條遺忘曲線不難發現，保持與遺忘是時間的函數，知識的遺忘在學習后立即開始。在最初的幾天人們對學習后所獲得新知識的遺忘速度非?？欤筮z忘速度逐漸變緩，隨著時間的推移延續，幾乎不再遺忘。記憶遺忘規律遵循“先快后慢”的原則。學習新知識一天后，新知識便成為短期記憶存儲在人的大腦中，在不及時復習的情況下，新知識記憶僅保持為原有的25%，遺忘速度最快。掌握記憶遺忘規律，指導青少年編程教育實踐。

溫故而知新，遺忘曲線說明復習遠比新知識的學習重要。根據遺忘曲線規律，制定復習計劃表，按照計劃不斷復習前面所學，不斷創造新的記憶遺忘曲線，努力將短期記憶變為長期記憶，提升學習效果。

2.4 皮亞杰少兒認知理論

基于人的生理和心理的發展規律，普遍認定青少年年齡段為14~25歲。一般來說，青少年分為兩個年齡階段，14~17 歲為中學階段，18~25 歲為大學階段。皮亞杰少兒認知理論認為人們獲得知識和解決問題的能力，會隨著時間的推移不斷變化。人在青少年初期(14歲—)思維發展到抽象邏輯推理水平，能進行假設-演繹推理，抽象思維和系統思維具有靈活性[9]。掌握少兒認知發展客觀規律，在青少年編程教育實踐過程中利用規律辦事。

3 青少年編程課程體系框架優化策略

青少年編程課程體系框架不可能一成不變，課程體系必須緊跟時代發展的要求不斷地調整和優化。課程設置和課程設計優化原則如下：

3.1 課程設置的優化原則

課程設置持續優化原則應保持課程的適用性、實用性、科學性。適用性即課程所涉及的多學科知識點的難度和廣度與青少年認識發展規律相匹配，是現有知識的拓展。實用性即課程與學員的生活相關聯，來源于生活，貼近生活實際，能學以致用，具有實踐性?？茖W性即確保課程在科學上的正確性，通過課程的學習，學員在能掌握正確的思維技能同時掌握正確的科學概念。課程應融入AI最新前沿進展與成果介紹。

編程貓和Scratch 是非常適用于青少年編程教育啟蒙階段的圖形可視化編程工具，具有易懂、直觀和簡潔等特點，以類似于搭積木的方式搭建程序，貼近生活，將編程的規則、邏輯和思維等融入其中，使得編程整個過程充滿樂趣，可有效聚焦于編程思維的培養和通用能力的發展，便于向專業課程作學習遷移[10-11]。C++、Python、競賽機器人及工業機器人課程歸屬于編程專業課程，編程專業課程設置基于編程啟蒙教育后。

青少年編程教育作為一個新興的跨學科課程，應具備一定的數學知識、英語知識、邏輯知識及計算機基礎知識。課程設置應遵循STEAM教育理念和少兒認知理論，將專業課程拆分為若干個知識點，通過一個個貼近生活的案例，用所學的知識解決生活中的實際問題。實訓課程應促進專業能力的發展，提升創新能力和實踐能力。

3.2 課程設計的優化原則

基于青少年編程教育游戲化的特別的學習方式，課程設計應遵循記憶遺忘曲線的規律，采用螺旋式漸進式互動教學方法，安排了6個課程設計環節，課程設計環節如圖2所示。

圖2 課程設計環節

復習鞏固環節以圓桌會議的形式開展，以學員作為主體，教師作為引導者。會議的主要發言由學員完成，遵循遺忘曲線規律，復習鞏固的同時鍛煉學員的語言表達能力和溝通能力。導入新課和學習新課環節由老師介紹新課程相關知識并完成對應的編程案例教學。獨立實踐環節由學員自己單獨實踐，獨立思考，完成編程案例，解決實際問題，鍛煉學員的編程能力。結合項目驅動教學[12]，在完成新課程的學習后，學員在獨立實踐環節對所新學習的知識進行獨立調試，獨立解決問題，學員能在最短的時間看到自己的學習成果，驗證所得。集思廣益環節還是以圓桌會議的形式開展，由學員共同討論剛才的編程案例，運用頭腦風暴的方法，在老師的啟發開導下完成集思廣益，提升學員的創新能力。在集思廣益環節學員都能充分地闡述自己的想法，該環節拓寬了學員編程思路，鍛煉了學員的語言表達能力和溝通互助能力，整個的學習過程充滿趣味，使得學員學習變得高效。最后一個環節為梳理總結，梳理新課程的收獲，為下一個新課程做好鋪墊。

對課程設置和課程設計優化的同時，為確保對人才培養目標的達成，對編程教師也提出了更高的要求。人工智能時代，編程教師需要面向未來，適應教育場景的變化。由于國家對青少年編程教育還沒有統一的課程標準，這就要求教師對教學內容進行有序和諧重構，實現學科整合，知識交叉。教師需要做教學改革及教學研究，課程組定期組織開展學術活動，打造學習型教師隊伍，及時推出新的課程，加強自身技能的學習，緊跟時代前沿。

4 建立教學評價機制

建立健全科學的教學評價機制，確保課程體系順利平穩運行。教學評價機制的目標是保障教學質量，具有診斷，調控和激勵的作用。青少年編程教育課程體系建設引入教學評價機制，能及時發現教學存在的不足，并予以反饋。同時，教學評價對教學全過程具有監督控制作用，能促進建立編程課程學習型教研室，形成交流研討氛圍，能很好地促進教師能力提升；能優化課程設置，優化課程設計，進而完善課程體系，實現教學閉環，保障人才培養目標的達成。

5 結束語

人工智能時代對人才提出了新的更高的要求，青少年編程教育培養的是學員的編程思維，訓練的是基于編程思維下學員的動手解決實際問題的能力，編程思維的本質是解決問題的一種方法。遵循OBE 教育理念和STEAM 教育理念，結合青少年認知規律和遺忘曲線規律，構建科學高效的青少年編程教育課程體系。將程序設計中的模塊化編程思想融入其中，著力培養學員的分解問題能力、模式認知能力、抽象思維能力及算法設計能力，提高理論聯系實際的能力，促進學員的全面發展。確保在人工智能時代培養具有創新能力和實踐能力的創新型人才，實現青少年編程教育人才培養目標。