淺談圖形化編程中學(xué)生編程思維的培養(yǎng)

鄧堅(jiān)

[摘要]由于信息化技術(shù)的發(fā)展越發(fā)快速，信息技術(shù)教育越來(lái)越被重視，近幾年來(lái)，隨著以圖形化編程的興起，普及編程教育也成了一種必然的趨勢(shì)，日本、韓國(guó)以及歐美各國(guó)早已將編程教學(xué)納入小學(xué)的必修課。然而，編程教育的發(fā)展離不開(kāi)編程思維的培養(yǎng)，本文筆者根據(jù)自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，就如何培養(yǎng)學(xué)生的編程思維提出自己的建議。

2000年，教育部發(fā)布了《關(guān)于中小學(xué)普及信息技術(shù)教育的通知》和《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要》，此后，我國(guó)信息技術(shù)教育改革在基礎(chǔ)教育階段邁出了第一步。在接下來(lái)的十年中，中小學(xué)的信息技術(shù)教育必將繼續(xù)引起國(guó)內(nèi)學(xué)校和國(guó)際社會(huì)的大幅度范圍的關(guān)注，并將逐漸發(fā)展成為當(dāng)代我國(guó)基礎(chǔ)教育不可或缺的一部分。隨著圖形編程工具的出現(xiàn)，促進(jìn)編程教育的發(fā)展已成為我國(guó)中小學(xué)教育的重要選擇。 2017年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展計(jì)劃》，倡導(dǎo)在基礎(chǔ)教育階段發(fā)展兒童程序教育。2018年，教育部發(fā)布《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年新版）》，提出信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，以信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任的四個(gè)核心要素組合而成。由此可見(jiàn)，在學(xué)校教育中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力尤為重要，而編程能力的培養(yǎng)將成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的良好切入點(diǎn)。2019年3月，教育部公布《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》，明確提出在中小學(xué)教育中開(kāi)設(shè)人工智能相關(guān)課程，逐步擴(kuò)大程序化教育發(fā)展。由此可見(jiàn)，隨著時(shí)代的變遷，編程越來(lái)越受到重視。特別是圖形編程平臺(tái)的出現(xiàn)，給中小學(xué)編程教學(xué)帶來(lái)了新的機(jī)遇。目前，兒童編程教育課程已進(jìn)入教學(xué)階段。少兒編程教育課程能有效地提高學(xué)生的創(chuàng)造力，使他們?cè)趯?shí)踐活動(dòng)中愉快地學(xué)習(xí)。在這種學(xué)習(xí)氛圍中，學(xué)生的創(chuàng)新能力可以得到顯著提高。少兒編程教育對(duì)我國(guó)教育發(fā)展而言既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。

在國(guó)外，早在2012年，日本已正式開(kāi)始在中小學(xué)階段普及編程教育?！秾W(xué)習(xí)指導(dǎo)要領(lǐng)》報(bào)告指出，要在2020年之前實(shí)現(xiàn)對(duì)中小學(xué)義務(wù)教育的全面強(qiáng)化引導(dǎo)。2014年7月，編程教育被學(xué)校列為英國(guó)5-16歲階段學(xué)生的必修課。2016年初，美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬明確表示，每一個(gè)美國(guó)學(xué)生在小學(xué)都應(yīng)該擁有最簡(jiǎn)單的編程技能。此外，為全面推進(jìn)兒童編程教育，韓國(guó)、新加坡等國(guó)將編程納入中小學(xué)正式課程，并在中小學(xué)考試中增設(shè)編程測(cè)試。

一、圖形化編程

圖形編程是一種新的編程模式。它不像以往的編程軟件，學(xué)生不需要程序員來(lái)學(xué)習(xí)如何用C語(yǔ)言和python等高級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)文本代碼，他們也不需要通過(guò)敲打鍵盤(pán)來(lái)完成代碼的編寫(xiě)。相反，他們可以通過(guò)使用一些圖形模塊完成簡(jiǎn)單的文本編程。

圖形編程的基本形式主要是圖元模塊。圖形編程就是將一些傳統(tǒng)的圖形文本應(yīng)用程序代碼直接封裝起來(lái)到一個(gè)圖元編程模塊中。每個(gè)模塊都有自己的邏輯，并以控件的形式出現(xiàn)在圖形編程區(qū)域中。每個(gè)圖元模塊根據(jù)各自的功能可分為數(shù)據(jù)、變量、函數(shù)等類(lèi)型。作為圖形程序的一部分，這些圖元模塊將執(zhí)行各自的功能。用戶僅僅需將一個(gè)圖元處理模塊與其他圖元模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單組合就可以輕松完成整個(gè)圖形處理程序的整體設(shè)計(jì)。它可以完成軟件游戲或硬件電路的設(shè)計(jì)，容易上手的入門(mén)、簡(jiǎn)單的操作以及生動(dòng)美觀的界面，不僅易于練習(xí)，而且適合各級(jí)用戶學(xué)習(xí)。

圖元模塊可以重復(fù)使用，即不同類(lèi)型的圖元模塊可以同時(shí)存在于圖形編程區(qū)域中，并且它們之間沒(méi)有沖突。圖形編程軟件中有一個(gè)軟硬件模塊庫(kù)，其中包含各種類(lèi)型的圖元模塊及其信息。信息結(jié)構(gòu)是一樣的，所以用戶可以一起讀取出來(lái)。不同編程模塊之間的連接決定了程序操作的順序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。用戶可以通過(guò)操作原語(yǔ)模塊來(lái)設(shè)計(jì)程序?；灸K的操作一般包括改變基本模塊的位置和設(shè)置參數(shù)。

圖形化編程具有門(mén)檻低、包容性強(qiáng)、易操作等優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的十年里，它在各個(gè)領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)展。特別是在兒童教育領(lǐng)域，簡(jiǎn)單快捷的圖形編程功能可以讓學(xué)生快速理解，新穎美觀的操作界面可以獲得學(xué)生的關(guān)注。這些都是傳統(tǒng)文本編程無(wú)法達(dá)到的效果。激發(fā)學(xué)生編程興趣后，學(xué)習(xí)復(fù)雜的編程知識(shí)就不會(huì)覺(jué)得難以應(yīng)付或無(wú)聊?？偠灾賰簣D形化編程不僅可以增加編程的樂(lè)趣，而且可以降低學(xué)習(xí)的門(mén)檻和難度，教會(huì)學(xué)生“編程思維”。

編程思維可以說(shuō)是兒童學(xué)習(xí)編程的一項(xiàng)核心技能。兒童學(xué)習(xí)編程的目的不是培養(yǎng)未來(lái)的“編程猿”和“攻城獅”，而是為了更好地培養(yǎng)少年兒童孩子的編程程序邏輯思維能力和解決實(shí)際問(wèn)題的邏輯思考能力，使得孩子在發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)可以更全面、清晰地進(jìn)行思考，提高他們的發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)。那么，要如何才能培養(yǎng)兒童的編程思維呢？

二、教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的編程思維

課堂教學(xué)是當(dāng)前基礎(chǔ)教育的主陣地。充分利用這一優(yōu)勢(shì)地位培養(yǎng)學(xué)生的程序性思維，具有參與面廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。在小學(xué)課堂中，大多數(shù)教師都是以課本為基礎(chǔ)進(jìn)行講授。教科書(shū)的質(zhì)量將直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果以及他們的思維方式。因此，在培養(yǎng)學(xué)生的程序思維能力的教學(xué)過(guò)程中，教師需要適當(dāng)優(yōu)化課堂內(nèi)容。

同時(shí)，我們也可以在學(xué)科教學(xué)中滲透編程理念。在學(xué)科教學(xué)中，特別是在數(shù)學(xué)教學(xué)中，編程的概念也能得到很好的滲透。數(shù)學(xué)與編程一樣，這也是一種典型的應(yīng)用邏輯思維和理性思維的課程。這兩門(mén)學(xué)科都可以在遇到問(wèn)題時(shí)分析出一些問(wèn)題因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后尋找解決這些問(wèn)題的途徑和方法。良好的邏輯性思維能夠減少心理因素對(duì)思考的影響，避免當(dāng)遇到問(wèn)題的時(shí)候因心理因素而無(wú)法克服的困境。同時(shí)，計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)學(xué)科的相容不僅僅表現(xiàn)在思維層面，在內(nèi)容方面也存在著諸多的相同，例如，在滲透變量概念時(shí)，教師可以用數(shù)學(xué)知識(shí)用字母來(lái)表示數(shù)字和方程;在理解坐標(biāo)數(shù)組時(shí)，教師可以用數(shù)字對(duì)來(lái)確定位置和比較;在培養(yǎng)辨別能力時(shí)，教師可以從找規(guī)律中進(jìn)行關(guān)聯(lián)。關(guān)于問(wèn)題解決和可能性（排列和組合）的知識(shí)是未來(lái)編程基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練的邏輯基礎(chǔ)，在語(yǔ)文教學(xué)中，連接詞教學(xué)與敘事之間的因果關(guān)系是邏輯的，這與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的邏輯操作也是一致的。

三、游戲活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的編程思維

游戲教學(xué)是指運(yùn)用游戲進(jìn)行教學(xué)的具體學(xué)習(xí)方法，也是教育游戲的理論支撐?？鞓?lè)學(xué)習(xí)是游戲?qū)W習(xí)的基本概念，類(lèi)似于古代的“寓教于樂(lè)”。

教學(xué)過(guò)程可以借助游戲開(kāi)發(fā)來(lái)進(jìn)行，教師從學(xué)生感興趣的游戲開(kāi)始著手，借助圖元模塊，讓學(xué)生利用圖形編程軟件分別或集體設(shè)計(jì)小游戲，激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的興趣。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的級(jí)別，讓學(xué)生在課程中對(duì)程序有更直觀的理解。豐富有趣的游戲教學(xué)方式能牢牢抓住課堂教室中每一位學(xué)生的注意力，使得學(xué)生在課堂實(shí)踐中能夠獲得更多的成就感。同時(shí)，運(yùn)用游戲?qū)W習(xí)的理論指導(dǎo)課程教學(xué)實(shí)踐，以游戲?yàn)橹饕浇楣膭?lì)學(xué)生進(jìn)行交流、發(fā)現(xiàn)和反復(fù)的嘗試，可以充分激發(fā)學(xué)生對(duì)代碼編程的興趣，幫助學(xué)習(xí)者在課堂上實(shí)現(xiàn)快樂(lè)的學(xué)習(xí)，進(jìn)而充分享受到自己學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，使枯燥的代碼編程學(xué)習(xí)豐富有趣。將游戲?qū)W習(xí)理論應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)的實(shí)質(zhì)是充分發(fā)揮游戲的教育作用，避免以往學(xué)生對(duì)教學(xué)活動(dòng)不感興趣的局面。學(xué)生在游戲中必須要積極地探索和正確理解游戲的規(guī)則，在這一過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生歸納和分析的能力;在轉(zhuǎn)變?yōu)橛螒蛑胁涣钊藵M意的部分過(guò)程中，提高了學(xué)生的處理和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，創(chuàng)造性的思維能力和邏輯思考的能力;有的游戲有時(shí)候需要一定的知識(shí)和技巧，為了更好地保證這個(gè)游戲的正常順利進(jìn)行和開(kāi)展，學(xué)生在研究游戲的過(guò)程中會(huì)花費(fèi)自己的時(shí)間和精力來(lái)共同發(fā)現(xiàn)和解決這些問(wèn)題，培養(yǎng)自己的小組合作意識(shí)和能力;有的游戲需要一定的技巧，為了保證游戲的順利開(kāi)展，學(xué)生在開(kāi)發(fā)和學(xué)習(xí)游戲的過(guò)程中會(huì)花費(fèi)自己的精力共同解決問(wèn)題，培養(yǎng)自己的團(tuán)隊(duì)合作能力。

四、利用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生的編程思維

在我國(guó)大部分傳統(tǒng)中小學(xué)的信息技術(shù)課堂教學(xué)中，教師往往比較注重學(xué)生的操作技巧。這就使得教師和學(xué)生更加重視其結(jié)果，卻完全忽略了“為什么要達(dá)到這個(gè)效果“以及“是什么原理"這些重要的問(wèn)題，這常使知識(shí)與具體的邏輯思維相互脫節(jié)，成為“死知識(shí)”。在這種情況下，教師講些什么，學(xué)生就會(huì)做怎樣，學(xué)生則缺少自己的開(kāi)拓創(chuàng)新精神。因此，在進(jìn)行編程教學(xué)的過(guò)程中，教師甚至可以通過(guò)運(yùn)用思維導(dǎo)圖清晰明確顯示“隱性”的思維流程和方法。隨著探索性思維的深入，學(xué)生能夠逐步地形成在思維過(guò)程中直觀有序的地圖。

通過(guò)直觀的圖形和連接線的形式，學(xué)生不僅了解了編程問(wèn)題的思維過(guò)程和子程序之間的具體關(guān)系，簡(jiǎn)化了程序的算法和過(guò)程，而且更容易理解和接受。在實(shí)際的編程教學(xué)中，教師可以利用可視化學(xué)習(xí)工具幫助學(xué)生闡明編程思想，優(yōu)化解題思路和方法，對(duì)編程過(guò)程、數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而簡(jiǎn)化編程過(guò)程。在編程教育的課堂教學(xué)中，針對(duì)具體問(wèn)題，編程可能需要使用跨學(xué)科，跨章和跨年的知識(shí)。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)乃季S導(dǎo)圖，可以將這些分散且相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行清楚地關(guān)聯(lián)，從而幫助學(xué)生有效地提取各種信息，并使凌亂而豐富的知識(shí)內(nèi)容生動(dòng)易記。

五、日常生活中培養(yǎng)學(xué)生的編程思維

學(xué)習(xí)的最終目的絕不只是單單的掌握知識(shí)，而是為了運(yùn)用到生活當(dāng)中，學(xué)習(xí)與生活是相輔相成的，離開(kāi)了生活的學(xué)習(xí)就只是無(wú)源之水，無(wú)本之木，無(wú)法運(yùn)用到生活中的知識(shí)也就只是一堆“死”的文字。因此，真正的知識(shí)應(yīng)該是來(lái)源于生活而回歸生活的，同理，學(xué)生編程思維的培養(yǎng)與日常生活也有在不可分割的關(guān)系。例如，學(xué)生可以在家里學(xué)習(xí)組織一些常見(jiàn)的事情，在整理物品和材料的過(guò)程中，讓學(xué)生逐漸學(xué)會(huì)思考物品的分類(lèi)、組合、包裝和儲(chǔ)存。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生要思考事物的特點(diǎn)，比較不同的事物，它們是相關(guān)的還是相互排斥的，這對(duì)思維訓(xùn)練也有很大的幫助。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著編程教學(xué)越來(lái)越被重視，編程工具種類(lèi)繁多，知識(shí)更新速度非常快。教師不僅必須在有限的時(shí)間里傳授給學(xué)生一些知識(shí)，而且還需要傳授給學(xué)生一些掌握知識(shí)點(diǎn)的技巧，并且需要培養(yǎng)他們的思考能力和處理問(wèn)題的意識(shí)。圖形化編程可以有效地協(xié)調(diào)和幫助我們的學(xué)生分析思考問(wèn)題，說(shuō)出解決這個(gè)問(wèn)題的方法和思路，并在整體的邏輯規(guī)劃中訓(xùn)練和培養(yǎng)他們的思考能力。