付東升 朱新飛 高松

備注：本文系福建省電化教育館“中小學生人工智能計算思維與編程教學實踐研究”（閩教電館KT2010）研究成果

摘要：隨著社會進步，國家對創(chuàng)新人才的需求與日俱增。編程教育作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一項有效途徑，其地位也在國內逐漸受到重視。在初中階段如何有效的開展編程教育，本文將就編程教育在開展中，軟硬件相結合的教學模式進行介紹，以期對廣大一線編程教育的教師隊伍起到參考作用。

關鍵詞：初中 編程教育 軟硬件結合 實踐研究

中圖分類號：G633.67

一、引言

一些發(fā)達國家在2014年就將編程教育納入到了他們的課程標準或教學大綱之中，編程教育已經納入其中，并且要求編程教育從一年級就開始。[1]對于我國的編程教育而言，現(xiàn)在也在逐步得到重視，在2017年我國就印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，我國也提出了在中小學階段需要設置相關課程?，F(xiàn)今對編程教育的研究已經在逐年增加，但使用軟硬件相結合的編程教育方式還較少，這種方式讓學生在動手中學習，在學習中實踐，對編程學習起到了促進作用，本文就將通過軟硬件結合的教學方式進行編程教學探究進行介紹。

二、中小學編程教育現(xiàn)狀

隨著發(fā)達國家對編程教育的愈發(fā)重視，我國對編程教育的重視也達到了一個新的高度。編程課堂在各省市的部分學校也逐步得到了重視，不過當下課堂的編程教學，根據(jù)一項針對初中編程課程的調查數(shù)據(jù)顯示，有18%的學生提到自己的學校是有開設編程課程的，有四分之一的同學提到有聽過相關的講座，40%的學生提到還未接觸過此類課程。[2]在學習過編程的同學中，調查顯示大部分孩子在學習之初對編程教育感興趣，但隨著難度的增加，對編程的喜歡程度便逐步下降。

我校在開展編程教育的初期也是遇到這樣的問題，學生在學習初期，對人工智能時代的充滿向往，對編程有著較高的學習熱情。但是在隨著編程語言難度的加大，學生的學習熱情便逐漸的退卻。在編程教育的初期，我校教師的授課方式使用的是較為傳統(tǒng)的知識講授式，這也不禁讓我校教師在教學過程中去探索新教學模式，從而重新激發(fā)起學生們的學習熱情。

三、軟硬件相結合的編程教育模式

軟硬件的教學模式，在當下在教育領域較多以創(chuàng)客的形式存在。在學習學科知識的同時培養(yǎng)創(chuàng)新思維;圖形化編程、開源硬件等編程課程可以開展相關創(chuàng)客活動，實現(xiàn)創(chuàng)意代碼搭建;3D打印等原型化動手課程、由軟件搭建代碼控制配件的物理交互式課程也可以按照創(chuàng)客學習活動形式開展動手實操類課程。

（一）軟硬件相結合的常態(tài)化課堂應用

就目前來說，這類創(chuàng)客類的課程在學校內并不是主流課程，它們大都出現(xiàn)在科技館、創(chuàng)客培訓機構等。我校在編程教育的探索中，在硬件融入編程的過程中，選用了采用圖形化編程的硬件開發(fā)板。在不斷的教學探索過程中，逐漸形成了較為完善的課程，來提升學生對編程的學習興趣。

以我校開展的采用圖形化編程的硬件開發(fā)板課程《火箭發(fā)射》為例，介紹在課堂中如何將編程教育與軟硬件相結合。

首先《火箭發(fā)射》這節(jié)課，需要學生能夠熟練運用for循環(huán)和set_pixel（）的使用。對于for循環(huán)的教學，對有接觸過編程教育的老師來說都再非常熟悉，這是編程學習不可或缺的部分。在實際的編程教育中，到學習for循環(huán)開始，學生的就逐漸對編程教育開始產生的畏難情緒，對循環(huán)的概念與運用的理解出現(xiàn)了困難。我校在編程教學初期，大多也是采用例題講解的形式，對于一半左右的學生在知識接受反饋中，都不同程度的產生了理解不夠充分的現(xiàn)象?；诖爽F(xiàn)象，我們運用軟硬件結合的方式進行了教學形式的重構，下面我們就將對本節(jié)課的教學設計做一個介紹，以期對編程教育工作者能夠帶來參考。

1、結合實際的情境導入

為本節(jié)課創(chuàng)設一個好的情境，對課程各環(huán)節(jié)的貫穿起到了很好的引導作用。在本節(jié)課中，教師通過PPT呈現(xiàn)火箭發(fā)射的圖片，介紹國家時事;然后通過視頻播放一個一分鐘的關于我國火箭發(fā)射的視頻，引出本節(jié)課的學習內容為采用圖形化編程的硬件開發(fā)板制作火箭發(fā)射，并對火箭的用途進行簡單介紹。這樣的情境導入，既能讓后續(xù)的教學圍繞火箭發(fā)射來進行程序設計變得合情合理，又能切合當下的科技發(fā)展，激發(fā)學生的民族自豪感，起到愛國教育，體現(xiàn)核心主義價值觀。

2. for循環(huán)在硬件中的應用

以往學生在學習for循環(huán)的學習過程中，產生了畏難的情緒，在本節(jié)課的教學中就應用軟硬件教學，嘗試運用此方法來解決這一痛點。

首先在教學設計中，先通過圖形化的for循環(huán)運用，在圖形化編程軟件的程序界面實現(xiàn)火箭升空的效果。圖形化編程軟件可以直觀的讓學生看到通過編程設計，隨后圖形化編程的硬件開發(fā)板塊將會模擬呈現(xiàn)其效果，這個步驟就直接給了學生一種直觀的感受，對學生的學習興趣提升是有極大的幫助。

基于效果的實現(xiàn)，我們就將平時枯燥的代碼，通過圖形化編程的硬件開發(fā)板這一教學硬件，通過開發(fā)板上的亮燈效果，實現(xiàn)火箭升空的簡單模擬動畫效果?？梢哉f此時for循環(huán)的效果得到了最直接的體現(xiàn)，學生手中的圖形化編程的硬件開發(fā)板就能看到運用循環(huán)結構后的亮燈效果。通過觀察，學生為了實現(xiàn)這一效果，主動學習語言的能動性得到了提升，原先那些在班級學習較為困難的學生，也紛紛與小組同學互動，實現(xiàn)自己手中硬件的效果。

（二）軟硬件相結合的興趣特長課程開展

程序能夠控制機器工作，這是編程教育的一個實現(xiàn)價值的一個重要途徑。讓一個程序變得有意義，變得直觀，硬件的結合就發(fā)揮了重要作用。在開展編程教育教學中，我校還開展了一系列的軟硬件結合的編程興趣特長課程。

該課程有無人機編程、機甲大師編程、鯨魚機器人編程等，這類課程都很好的將編程與硬件相結合。學生在學習過程中，都充分發(fā)揮出了自主性。這與硬件帶來的良好、實時互動性密不可分。學生的編程后的程序，能夠快速直觀的在硬件中得到反饋，這種任務驅動式的反饋效果，對學生的產生了正向效果，從而提升了自主性。

如在我校在鯨魚機器人編程教育的過程中，學生需要通過編程驅動機器小車自主巡線，到達任務地點后，小車還需要通過設定的程序驅動舵機進行機械臂的操作。往往一個程序的長度達到近百行，這在平時的純粹只有代碼學習的課堂中，學生要掌握這種量級的代碼是及其困難的，一個班級中只有少數(shù)優(yōu)生才能實現(xiàn)。但是通過小車的編程教育，普通程度的學生便能掌握這樣的代碼量。而且在這個過程，發(fā)現(xiàn)學生不僅是能運用該程序，同時還掌握了如何修正代碼的能力。學生通過代碼的不斷調試，從而最終完成任務。在鯨魚機器人的編程教學中，學生僅僅利用了兩個的月課余時間學習，便能夠熟練的進行該編程代碼的操作，在參加世界機器人大賽的賽事，還獲得了不俗的成績。可見軟硬件相結合的編程教學方式，對促進學生的學習促進是明顯的。

四、結語

通過我校一年的軟硬件結合的編程教育的探究，可以發(fā)現(xiàn)軟硬件結合的編程教育的優(yōu)勢明顯。學生在動手操作中實現(xiàn)了程序學習，原來晦澀難懂的編程題目轉變成了直觀的硬件呈現(xiàn)，學生的學習興趣得到了很好的調動。整體的學習效率和學習效果都得到了提升。

但是軟硬件教學的在提升教學效果的同時，也是有其不足之處。首選這種教學方式需要學校投入一定的資金購買相應的教學設備，其次是設備存在損壞的情況，我校在教學過程中就發(fā)現(xiàn)硬件的損壞率在一年后達到了30%，需要不斷補充教學設備;最后便是設備的管理，這里涉及到課堂中的教學設備管理和課后的設備整理，都需要教師額外付出精力。

雖然軟硬件相結合的編程教育還存在著不足，但是其給孩子帶來的教育成長是可見的，對于有條件的學校，開展軟硬件相結合的編程教育是一項不錯的教學方式，值得編程教育工作者進行教學實踐應用。

[1] 康建朝.芬蘭中小學編程教育的緣起、實踐路徑與特征〔J〕.電化教育研究，2021，（08）∶101-107

[2]張潔 金毛玉 劉凱.我國中小學編程教育的發(fā)展路徑及策略研究〔J〕.科技風，2021，（15）∶61-62