曹永存 王鈞懿 丁少龍 陳娟 李潛

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.054

摘? 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，編程教育越來越受到各國的重視，通過對(duì)編程教育在國內(nèi)外的發(fā)展歷程和目前中小學(xué)常用編程軟件的調(diào)查，探討如何把程序教學(xué)法應(yīng)用于編程教育。由于編程教育的研究處于初期階段，沒有相關(guān)的文件推動(dòng)和規(guī)范編程教育的發(fā)展，文章將討論編程教育相關(guān)培養(yǎng)方式和教學(xué)方法，即將斯金納的程序教學(xué)法與編程教育結(jié)合應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：編程教育;程序教學(xué)法;教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：TP312.2-4;G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）08-0191-05

Application of Programmed Teaching Method in Programming Education

CAO Yongcun1，WANG Junyi1，DING Shaolong2，CHEN Juan3，LI Qian1

（1.School of Information Engineering，Minzu University of China，Beijing? 100081，China;

2.Huadi Computer Group Co.，Ltd.，Beijing? 100195，China;3.Taiji Computer Corporation Limited，Beijing? 100102，China）

Abstract：With the development of the internet，programming education has been paid more and more attention by all countries. Through the investigation of the development process of programming education at home and abroad and the current commonly used programming software in primary and secondary schools，this paper explores how to apply the programmed teaching method to programming education. Because the research of programming education is in the initial stage，there are no relevant documents to promote and standardize the development of programming education. This paper will discuss the related training methods and teaching methods of programming education，that is，combining application of Skinner's programmed teaching method and programming education.

Keywords：programming education;programmed teaching method;teaching method

0? 引? 言

隨著K12教育和創(chuàng)客教育的發(fā)展，越來越多人開始重視STEM教育。其中STEM中的兒童編程教育受到更大的重視。人們認(rèn)為對(duì)編程能力的培養(yǎng)不再只是為未來的工作做準(zhǔn)備，更想通過編程教育培養(yǎng)孩子的計(jì)算思維和創(chuàng)新能力。根據(jù)目前市場(chǎng)上已有的編程教育的等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)，探討學(xué)習(xí)編程教育的教學(xué)方法，研究運(yùn)用程序教學(xué)法與編程教育相結(jié)合的教學(xué)方法。使學(xué)生學(xué)習(xí)編程內(nèi)容的興趣更高，了解編程，訓(xùn)練學(xué)生編程思維。

1? 程序教學(xué)法的概念

程序教學(xué)法是由斯金納建立的，他認(rèn)為教學(xué)過程是塑造行為的過程，教學(xué)者首先確定教學(xué)的終點(diǎn)和學(xué)生水平的起點(diǎn)，然后像程序一樣，從開始到結(jié)束的每一步，通過各種手段，如教師演講、學(xué)生小組活動(dòng)以及完成課堂作業(yè)等。讓學(xué)生根據(jù)步驟，按照程序完成所安排的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并及時(shí)反饋學(xué)生的每個(gè)問題。

筆者認(rèn)為斯金納的程序教學(xué)法很適合編程教育。例如，把學(xué)習(xí)Python語言的過程分為兩大部分，分別為基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和實(shí)際操作能力訓(xùn)練。把整個(gè)Python的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)分成8個(gè)小部分，分別為數(shù)據(jù)類型、列表、元組、字典、if語句、while循環(huán)、函數(shù)、類;根據(jù)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)操練習(xí)。把每個(gè)小部分的知識(shí)點(diǎn)分解成若干個(gè)小步子，在完成一個(gè)小步子后才能繼續(xù)做下一個(gè)。在完成每個(gè)小部分的練習(xí)后再進(jìn)行下一個(gè)部分的練習(xí)。在接下來的文章中，筆者會(huì)做詳細(xì)的舉例。

2? 編程教育的發(fā)展?fàn)顩r

2.1? 編程教育的培養(yǎng)目標(biāo)

2011年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）開發(fā)了《CTSA K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》定義了編程教育兩個(gè)層面的內(nèi)涵，如圖1所示。一是培養(yǎng)計(jì)算思維;二是計(jì)算實(shí)踐和編程。其目的是通過學(xué)習(xí)編程語言來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力，從而提高批判性思維和解決問題的能力，最終目的是培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力。

日本在2012年將編程作為中小學(xué)的學(xué)習(xí)課程進(jìn)行教授。美國在2013年，前總統(tǒng)奧巴馬提出“面向所有人的計(jì)算機(jī)科學(xué)”，并且開展了“編程一小時(shí)”的活動(dòng)，引發(fā)了美國全國中小學(xué)計(jì)算機(jī)編程教育運(yùn)動(dòng)的興起。2014年在愛爾蘭、意大利等11個(gè)歐洲國家將編程教育納入中小學(xué)課堂。新加坡在2017年將編程考試加入中小學(xué)考試科目。2019年聯(lián)合國教科文組織發(fā)布《北京共識(shí)——人工智能與教育》，建議將人工智能相關(guān)技能納入中小學(xué)學(xué)校課程。

我國2017年7月8日國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出人工智能已成為一個(gè)新的國際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，要發(fā)展智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)課程中開設(shè)人工智能相關(guān)課程。教育部辦公廳在2019年3月13日通知關(guān)于印發(fā)《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》中說明，在中小學(xué)校開設(shè)人工智能相關(guān)課程，逐步促進(jìn)并推廣編程教育;與此同時(shí)，大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)將進(jìn)一步應(yīng)用于教育教學(xué)。

除了國家政策層面以外，各省市也在加大“編程教育”的實(shí)踐推進(jìn)工作，以浙江為首，將往年高考的“6選3”，改為“6+1選3”，而這里所指的“+1”就是信息技術(shù)（含編程），編程正式成為了高中必學(xué)科目。江蘇省印發(fā)了《江蘇省STEM教育項(xiàng)目學(xué)校建設(shè)指導(dǎo)意見（試行）》，并公布了243所STEM教育項(xiàng)目試點(diǎn)學(xué)校。同時(shí)各大高校也在進(jìn)行“編程教育”的研究工作，筆者通過對(duì)中國知網(wǎng)（CNKI）以“編程教育”為關(guān)鍵詞搜索，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)自2017年國務(wù)院發(fā)布人工智能發(fā)展規(guī)劃下，編程教育在國家的推廣下越來越受到重視。

2.2? 編程教育現(xiàn)有的培養(yǎng)方式

我國的編程教育的培養(yǎng)方式，如圖3所示，主要是依靠校企合作的方式，國家引導(dǎo)，高校與企業(yè)合作，在發(fā)達(dá)地區(qū)學(xué)校進(jìn)行試點(diǎn)推行，各省市進(jìn)行試點(diǎn)工作。目前，各國都在為促進(jìn)編程教育發(fā)展做各種努力，而我國的編程教育主要以校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)為主的，例如現(xiàn)在的編程貓，童程童美等。

2.3? 中小學(xué)編程教育的主要學(xué)習(xí)軟件

現(xiàn)在中小學(xué)中的編程教育中大多是以Scratch和Python為主。

2.3.1? 少兒編程軟件Scratch

1968年美國麻省理工學(xué)院的Papert教授發(fā)明了第一套專為兒童設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)編程語言——LOGO語言。隨著研究的發(fā)展，分別研發(fā)了針對(duì)8歲以上少兒設(shè)計(jì)的Scratch語言以及研發(fā)了針對(duì)5～7歲兒童的ScratchJr。Scratch作為少兒編程軟件使用最多，因?yàn)镾cratch是不需要兒童去編寫代碼的，兒童像“搭積木”一樣按照規(guī)范把需要的功能模塊拖曳出來組裝在一起，這種編程方式降低了學(xué)習(xí)編程的門檻還增加了學(xué)習(xí)的樂趣，體現(xiàn)了皮亞杰所倡導(dǎo)的“建構(gòu)主義”即在制作和建造中學(xué)習(xí)。兒童可以利用Scratch創(chuàng)設(shè)情境或者角色扮演，體驗(yàn)到游戲性和教育性，符合了兒童愛玩的天性，順應(yīng)了其心理特點(diǎn)。

ScratchJr是針對(duì)學(xué)齡前兒童特點(diǎn)開發(fā)的，還增添了錄制聲音，拍攝自己的照片功能，讓幼兒將各個(gè)編程的積木組合起來，就可以自由操作舞臺(tái)上的角色移動(dòng)、跳躍和唱歌，讓自己心目中的角色動(dòng)起來。

2.3.2? Python

Python是由荷蘭人Guido van Rossum在20世紀(jì)90年代初期開發(fā)的開源、跨平臺(tái)移植的編程語言。目前，Python已經(jīng)成為最受歡迎的程序設(shè)計(jì)語言之一，由于該編程語言的簡(jiǎn)潔性、易讀性，以及可擴(kuò)展性，受到各大學(xué)校和企業(yè)的重視。Python還配備了內(nèi)容豐富、實(shí)用性強(qiáng)的第三方標(biāo)準(zhǔn)庫，與C，C++和Java相比，Python降低了編程的復(fù)雜程度，更適合中小學(xué)生學(xué)習(xí)，進(jìn)入中學(xué)課堂。

2.4? 編程教育現(xiàn)有的等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)

目前主要的編程等級(jí)考試有NCT全國青少年編程能力等級(jí)測(cè)試和全國青少年軟件編程等級(jí)考試。

NCT分級(jí)考試分為圖形化分級(jí)考試和Python分級(jí)考試如表1和表2所示。

全國青少年軟件編程登記考試，如表3所示。

3? 基于程序教學(xué)法的編程教育

3.1? 基于程序教學(xué)法的教學(xué)基本原則

斯金納的程序法教學(xué)需要遵循以下四個(gè)基本原則：積極反應(yīng)原則，小步子原則，及時(shí)反饋原則和自定步調(diào)原則。將這四個(gè)原則與編程教育相結(jié)合，體現(xiàn)在編程教學(xué)的過程中。

3.1.1? 編程教育的積極反應(yīng)原則

學(xué)生學(xué)習(xí)編程后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，編寫正確，程序得到運(yùn)轉(zhuǎn);編程錯(cuò)誤，程序會(huì)報(bào)錯(cuò)。學(xué)生每次編寫正確后看到程序運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)增加學(xué)生對(duì)編程的積極性。編程教育的學(xué)習(xí)內(nèi)容和傳統(tǒng)的信息技術(shù)課堂的學(xué)習(xí)內(nèi)容是不同的，傳統(tǒng)的信息技術(shù)課堂多是理論知識(shí)，內(nèi)容枯燥無味。而增添了編程教育的信息技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容不僅是基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，還有計(jì)算思維和實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)?；诔绦蚪虒W(xué)法的編程教育能很好地培養(yǎng)學(xué)生編程語言使用和邏輯思維能力，使學(xué)生一直處于積極學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

3.1.2? 編程教育的小步子原則

把看起來很復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)語言分成一個(gè)個(gè)“一小步”，每完成一步再進(jìn)行下一步，克服了學(xué)生的心理負(fù)擔(dān)。幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語言的思路，層層遞進(jìn)，后一步的學(xué)習(xí)是建立在前一步的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的。讓學(xué)生更清晰的掌握編程的步驟，在整個(gè)學(xué)習(xí)中不斷建立自信。

3.1.3? 編程教育的及時(shí)反饋原則

學(xué)生能通過程序的運(yùn)行及時(shí)反饋得到編程程序的正確與錯(cuò)誤。教師能及時(shí)關(guān)注學(xué)生每一步學(xué)習(xí)的效果，詳細(xì)了解每一步的學(xué)習(xí)情況，同時(shí)給予及時(shí)的糾正和指導(dǎo)。

3.1.4? 編程教育的自定步調(diào)原則

每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是不同的，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力選擇每天的學(xué)習(xí)任務(wù)量。合理分配任務(wù)量，讓學(xué)生勞逸結(jié)合。

3.2? 基于程序教學(xué)法的編程教育教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)Python教育，下面提出將程序教學(xué)法與編程教育相結(jié)合，并以Python中的“列表”為例，把“列表”的學(xué)習(xí)步驟詳細(xì)分為了十一個(gè)小步子，教師演示操作，學(xué)生練習(xí)操作。

3.2.1? 第一步

首先要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)Python中的列表是什么（[]和list（）），教師演示“列表”表示的兩種方式，學(xué)生認(rèn)識(shí)后，自己動(dòng)手模仿輸入列表，復(fù)現(xiàn)代碼，正確進(jìn)行下一步學(xué)習(xí)，錯(cuò)誤返回認(rèn)識(shí)列表再重新模仿輸入列表。教師演示內(nèi)容為：

列表[]：

message=['hello'， 'world'， 'python']

print（message）

列表list[]：

message=list（['hello'， 'world'， 'python']）

print（message）

3.2.2? 第二步

學(xué)生認(rèn)識(shí)列表后，學(xué)習(xí)用索引方式，在列表中提取單個(gè)元素，教師演示操作過程，學(xué)生練習(xí)索引自己創(chuàng)建的列表。教師演示內(nèi)容為：

message=['hello'， 'world'， 'python']

print（message[0]）

print（message[-1]）

3.2.3? 第三步

學(xué)生學(xué)習(xí)用index函數(shù)索引列表，搜索元素在列表中的位置。教師演示內(nèi)容為：

message=['hello'， 'world'， 'python']

print（message.index（'world'））

3.2.4? 第四步

前三個(gè)步驟學(xué)習(xí)了單個(gè)元素的索引方法，在第四步中學(xué)習(xí)用切片的方式獲取多個(gè)元素（列表[start：stop：step]）。教師演示內(nèi)容為：

list= [10， 20， 30， 40， 50， 60]

print（list[1：6：1]）

默認(rèn)步長為1，將下面兩個(gè)就進(jìn)行對(duì)比

list= [10， 20， 30， 40， 50， 60]

print（list[1：6：1]）

list= [10， 20， 30， 40， 50， 60]

print（list[1：6]）

設(shè)置題目進(jìn)行測(cè)試，學(xué)生練習(xí)內(nèi)容為：

（1）當(dāng)step為2，start為2，stop為5;

（2）省略start，切片為[：6：];

（3）省略stop，切片為[0：：2]。

當(dāng)索引為負(fù)數(shù)時(shí)：

（1）當(dāng)step為1，start為-6，stop為5;

（2）省略start，切片為[：-1：];

（3）省略stop，切片為[0：：-2]。

3.2.5? 第五步

學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用關(guān)鍵詞in和not in判斷元素是否在列表中。教師演示內(nèi)容為：

list=[10， 20， 'hello world'， 'python']

print（10 in list ）

print（20 not in list）

3.2.6? 第六步

學(xué)生學(xué)習(xí)用for循環(huán)語句遍歷列表，并練習(xí)使用for in循環(huán)列表。教師演示內(nèi)容為：

list=[10， 20， 'hello world'， 'python']

for item in list：

print（item）

3.2.7? 第七步

學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用append（），extend（），insert（）函數(shù)和切片的方法在列表中添加元素，對(duì)比append，extend，insert三個(gè)增加函數(shù)以及切片增加元素的不同，并用自己創(chuàng)建的函數(shù)進(jìn)行不同增加函數(shù)的練習(xí)。教師演示內(nèi)容為：

（1）運(yùn)用append（）函數(shù)：

list1=[10，20，30]

list2=['hello'，'world']

list1.append（list2）

print（list1）

（2）運(yùn)用extend（）函數(shù)：

list1=[10，20，30]

list2=['hello'，'world']

list1.extend（list2）

print（list1）

（3）運(yùn)用insert（）函數(shù)：

list1=[10，20，30]

list2=['hello'，'world']

list1.insert（1，list2）

print（list1）

（4）利用切片的方法增加元素：

list=[10，20，30]

list2=['hello'，'world']

list[1：]=list2

print（list）

3.2.8? 第八步

學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用remove（），pop（），clear（），del（）和切片方法在列表中刪除元素，對(duì)比remove，pop，clear，del四個(gè)刪除函數(shù)以及切片刪除元素的不同，并用自己創(chuàng)建的函數(shù)進(jìn)行不同增加函數(shù)的練習(xí)。教師演示內(nèi)容為：

（1）運(yùn)用remove（）函數(shù)：

list=[10，20，30，40，50，60]

list.remove（20）

print（list）

（2）運(yùn)用pop（）函數(shù)：

list=[10，20，30，40，50，60]

list.pop（1）

print（list）

（3）運(yùn)用clear（）函數(shù)：

list=[10，20，30，40，50，60]

list.clear（）

print（list）

（4）運(yùn)用del（）函數(shù)：

list=[10，20，30，40，50，60]

del list

print（list）

（5）用切片刪除元素：

list=[10，20，30，40，50，60]

list_new=list[1：3]

print（list_new）

3.2.9? 第九步

學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用sort（）和reverse（）對(duì)列表進(jìn)行排序，練習(xí)sort和reverse函數(shù)以及切片刪除元素的不同，并用自己創(chuàng)建的函數(shù)進(jìn)行不同增加函數(shù)的練習(xí)。教師演示內(nèi)容為：

（1）升序：

list=[11，68，79，63，22]

list.sort（）

print（list）

（2）降序：

list.sort（reverse=True）

print（list）

3.2.10? 第十步

學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用max（），min（），len（）和sum（）函數(shù)對(duì)列表進(jìn)行最大值，最小值，長度和求和的練習(xí)。教師演示內(nèi)容為：

list=[10，20，30，40，50，60]

print（max（list））

print（min（list））

print（len（list））

print（sum（list））

3.2.11? 課堂總結(jié)

設(shè)計(jì)一個(gè)綜合內(nèi)容，讓學(xué)生練習(xí)本堂課所學(xué)知識(shí)，為：

第一題：學(xué)生自己創(chuàng)建一個(gè)新的列表，列表名為favorite_food，在列表中添加6個(gè)以上的元素，元素內(nèi)容為你最愛吃的6樣菜。先遍歷列表，打印出你喜歡的6樣菜。然后用兩種索引方法，檢索出你最喜歡的菜。接著在favorite_food列表中添加2個(gè)你媽媽喜歡的菜，刪除掉1個(gè)你喜歡的菜。最后用in和not in看看你的列表里有沒有你爸爸喜歡的菜。

第二題：學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)新列表，favorite_number，在列表中添加7個(gè)自己喜歡的1 000以內(nèi)的數(shù)字。先對(duì)列表進(jìn)行升序和降序的排列。再用函數(shù)輸出列表的最大值，最小值，長度和數(shù)的和。最后利用切片的方法增加和刪除元素。

分析在“列表”這一課的學(xué)習(xí)中，如果只是按照往常的教學(xué)方式，教師直接講解，學(xué)生在聽完整堂課后再課下練習(xí)，這樣會(huì)無法掌握每個(gè)學(xué)生在課堂上對(duì)知識(shí)點(diǎn)的吸收情況。但是如果在課堂是已經(jīng)把一個(gè)大的知識(shí)點(diǎn)分解成了若干個(gè)小步，那么學(xué)生每完成一步我們能實(shí)時(shí)地知道，這樣更榮譽(yù)讓學(xué)習(xí)室知道自己的學(xué)習(xí)情況。

4? 結(jié)? 論

編程教育是隨時(shí)代的發(fā)展孕育出的新事物，國家會(huì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)思維的編程教育越來越重視，編程教育將會(huì)像外語一樣，是每個(gè)人未來必須掌握的學(xué)科，可能在未來會(huì)把編程教育納入中高考必考科目?，F(xiàn)在各國都在努力爭(zhēng)取走在人工智能的前端，而加快人工智能的教育，那么把人工智能納入義務(wù)教育是必不可少的。為了加快編程教育的發(fā)展，國家應(yīng)該給予政策性支持;高校應(yīng)該加大與中小學(xué)合作，加強(qiáng)試點(diǎn)工作;中小學(xué)加強(qiáng)對(duì)信息技術(shù)課程的重視，把信息技術(shù)納入學(xué)業(yè)水平測(cè)試中。同時(shí)，中小學(xué)還要加快促進(jìn)信息技術(shù)的課程教學(xué)改革。

筆者認(rèn)為程序教學(xué)法與編程教育結(jié)合很適合納入信息技術(shù)中的編程課程的教學(xué)，因?yàn)榫幊陶n程具有較強(qiáng)的邏輯性和實(shí)操性很適合劃分成一小步，一小步。但是由于程序設(shè)計(jì)課程的難度增加，課程按小步子原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的難度增大，需要老師具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)能力和計(jì)算思維，需要更多的信息技術(shù)教育研究者一起更進(jìn)一步的研究。

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作者簡(jiǎn)介：曹永存（1962—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，教授，學(xué)士學(xué)位，研究方向：大數(shù)據(jù)分析，軟件工程，智能教育。

收稿日期：2021-03-16