以能力發(fā)展為導(dǎo)向的青少年編程課程體系的構(gòu)建探析

王先龍，黃麗清，劉春紅

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

0 引言

當(dāng)今世界，大數(shù)據(jù)云計算人工智能等新興科技的重要性已經(jīng)形成社會的普遍共識。2017年國家頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，標(biāo)志著人工智能正式上升成為國家發(fā)展戰(zhàn)略，規(guī)劃中明確提出“實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”[1]。從而編程課程進(jìn)入中小學(xué)課堂；2021年國家“雙減”政策的出臺及后續(xù)教育部對信息技術(shù)教育按照非學(xué)科類進(jìn)行管理認(rèn)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(guān)注。2023年5月教育部聯(lián)合多個部門發(fā)布了《關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》（以下簡稱《意見》)，旨在為適應(yīng)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革需要，整合各方資源全面提高中小學(xué)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，建設(shè)教育強國；同時，《意見》回答了如何把青少年培養(yǎng)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(zhàn)略的問題。至此，青少年編程教育成為極其重要的中小學(xué)科學(xué)教育的一環(huán)，青少年編程教育邁入了一個全新的發(fā)展階段。為落實人工智能人才發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實踐能力的創(chuàng)新型人才，實現(xiàn)青少年編程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)，本課題著眼于對構(gòu)建以能力發(fā)展為導(dǎo)向的青少年編程課程體系進(jìn)行分析探討。

1 青少年編程課程體系框架構(gòu)建

青少年人才培養(yǎng)要與黨和國家事業(yè)發(fā)展要求相適應(yīng)，國家“十四五”規(guī)劃明確提出人工智能是優(yōu)先發(fā)展的前沿科技領(lǐng)域之一，為中國未來5年培養(yǎng)人工智能人才指明了方向，堅持人才強國戰(zhàn)略，實施人工智能人才發(fā)展理念，確保經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，意義重大。青少年編程教育是落實國家人工智能人才戰(zhàn)略一條可行的路徑[2-4]。編程教育目的是在實踐應(yīng)用中培養(yǎng)編程思維，進(jìn)而培養(yǎng)解決實際問題的能力。青少年在編程教育過程中學(xué)習(xí)程序設(shè)計的基本語法規(guī)則，掌握解決問題的思路和方法，以實際應(yīng)用為切入點，通過對語法規(guī)則和解決問題的思路和方法的合理應(yīng)用，以解決生活中遇到的實際問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力和實踐能力。

編程教育課程體系的建設(shè)是人工智能人才戰(zhàn)略落地的一個抓手，科學(xué)的課程體系是編程教育質(zhì)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(xué)統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)，課程設(shè)置定位還不清晰，編程教育的良性發(fā)展受到了嚴(yán)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(guī)律和皮亞杰少兒認(rèn)知理論等教育學(xué)的相關(guān)理論知識構(gòu)建了青少年編程教育課程體系開發(fā)框架圖。該框架圖根據(jù)青少年編程教育學(xué)習(xí)特點，以能力發(fā)展為導(dǎo)向，以應(yīng)用和實踐為路徑，進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，真正做到學(xué)以致用，解決實際問題[5]。青少年編程教育課程體系開發(fā)框架如圖1所示。

圖1課程體系開發(fā)框架構(gòu)造遵循OBE教育理念，以成果為導(dǎo)向，以學(xué)員需要獲得的能力發(fā)展為依據(jù)反向構(gòu)建模塊化課程體系，可有效將需求傳導(dǎo)至課程體系中。通過逐級分解，落實到課程模塊建設(shè)上，以學(xué)員作為主體，構(gòu)建以學(xué)員能力發(fā)展為導(dǎo)向的課程模塊具有適用性、實用性、科學(xué)性。課程模塊的構(gòu)建明確地指向能力結(jié)構(gòu)模塊。青少年應(yīng)擁有的編程能力應(yīng)該包括通用能力、專業(yè)能力和綜合能力；其中，通用能力分解為溝通協(xié)作能力、邏輯思維能力、語言表達(dá)能力、動手能力、觀察能力及想象能力；專業(yè)能力分解為分解問題能力、模式認(rèn)知能力、抽象思維能力及算法設(shè)計能力；綜合能力分解為創(chuàng)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(yīng)的知識結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，其包括編程貓和Scratch 圖形化編程工具應(yīng)用、C++和Python應(yīng)用及競賽機器人和工業(yè)機器人；而其中編程貓和Scratch圖形化編程工具應(yīng)用是屬于基礎(chǔ)課程模塊的學(xué)習(xí)，而C++和Python 應(yīng)用及競賽機器人和工業(yè)機器人等是屬于專業(yè)編程模塊的學(xué)習(xí)，同時學(xué)員要進(jìn)行課程實訓(xùn)模塊的訓(xùn)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(lán)橋杯全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)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(xué)習(xí)階段作階段檢測，課程實訓(xùn)模塊是有效提高學(xué)員的創(chuàng)新能力和實踐能力的可靠路徑，保障了實現(xiàn)高素質(zhì)人工智能人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2 青少年編程課程體系框架構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

青少年編程課程體系開發(fā)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(rèn)知理論進(jìn)行構(gòu)建。

2.1 STEAM教育理念

有別于傳統(tǒng)的單學(xué)科教育方式，STEAM教育理念是綜合教育，包含數(shù)學(xué)、工程、藝術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域，多方面培養(yǎng)學(xué)員工程實踐、藝術(shù)審美、機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)科性和前瞻性，涉及數(shù)學(xué)，工程，機械設(shè)計及藝術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域。通過動手操作、趣味體驗、情景教學(xué)等方式，結(jié)合貼近生活的小實驗項目，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)實踐動手能力，邏輯思維能力及創(chuàng)新能力，進(jìn)而激發(fā)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提升學(xué)員科學(xué)素養(yǎng)。

2.2 OBE教育理念

OBE教育理念關(guān)注學(xué)員的培養(yǎng)結(jié)果，以學(xué)員為中心，以產(chǎn)出為目標(biāo)導(dǎo)向，反向構(gòu)建課程體系。學(xué)員的學(xué)習(xí)成果體現(xiàn)為一組能力目標(biāo)預(yù)期，這一組預(yù)期能力具有明確、具體、可衡量及可達(dá)成特點，這種能力主要通過課程教學(xué)來實現(xiàn)[8]。學(xué)員所獲得的能力結(jié)構(gòu)和知識結(jié)構(gòu)存在映射關(guān)系，課程模塊支撐預(yù)期的目標(biāo)能力是否合理，是能力目標(biāo)定位可實現(xiàn)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(xué)新知識的遺忘的規(guī)律，通過觀察這條遺忘曲線不難發(fā)現(xiàn)，保持與遺忘是時間的函數(shù)，知識的遺忘在學(xué)習(xí)后立即開始。在最初的幾天人們對學(xué)習(xí)后所獲得新知識的遺忘速度非?？?，往后遺忘速度逐漸變緩，隨著時間的推移延續(xù)，幾乎不再遺忘。記憶遺忘規(guī)律遵循“先快后慢”的原則。學(xué)習(xí)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(fù)習(xí)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(guī)律，指導(dǎo)青少年編程教育實踐。

溫故而知新，遺忘曲線說明復(fù)習(xí)遠(yuǎn)比新知識的學(xué)習(xí)重要。根據(jù)遺忘曲線規(guī)律，制定復(fù)習(xí)計劃表，按照計劃不斷復(fù)習(xí)前面所學(xué)，不斷創(chuàng)造新的記憶遺忘曲線，努力將短期記憶變?yōu)殚L期記憶，提升學(xué)習(xí)效果。

2.4 皮亞杰少兒認(rèn)知理論

基于人的生理和心理的發(fā)展規(guī)律，普遍認(rèn)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(xué)階段，18~25 歲為大學(xué)階段。皮亞杰少兒認(rèn)知理論認(rèn)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(fā)展到抽象邏輯推理水平，能進(jìn)行假設(shè)-演繹推理，抽象思維和系統(tǒng)思維具有靈活性[9]。掌握少兒認(rèn)知發(fā)展客觀規(guī)律，在青少年編程教育實踐過程中利用規(guī)律辦事。

3 青少年編程課程體系框架優(yōu)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(fā)展的要求不斷地調(diào)整和優(yōu)化。課程設(shè)置和課程設(shè)計優(yōu)化原則如下：

3.1 課程設(shè)置的優(yōu)化原則

課程設(shè)置持續(xù)優(yōu)化原則應(yīng)保持課程的適用性、實用性、科學(xué)性。適用性即課程所涉及的多學(xué)科知識點的難度和廣度與青少年認(rèn)識發(fā)展規(guī)律相匹配，是現(xiàn)有知識的拓展。實用性即課程與學(xué)員的生活相關(guān)聯(lián)，來源于生活，貼近生活實際，能學(xué)以致用，具有實踐性。科學(xué)性即確保課程在科學(xué)上的正確性，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)員在能掌握正確的思維技能同時掌握正確的科學(xué)概念。課程應(yīng)融入AI最新前沿進(jìn)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(guī)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(yǎng)和通用能力的發(fā)展，便于向?qū)I(yè)課程作學(xué)習(xí)遷移[10-11]。C++、Python、競賽機器人及工業(yè)機器人課程歸屬于編程專業(yè)課程，編程專業(yè)課程設(shè)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(xué)科課程，應(yīng)具備一定的數(shù)學(xué)知識、英語知識、邏輯知識及計算機基礎(chǔ)知識。課程設(shè)置應(yīng)遵循STEAM教育理念和少兒認(rèn)知理論，將專業(yè)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(xué)的知識解決生活中的實際問題。實訓(xùn)課程應(yīng)促進(jìn)專業(yè)能力的發(fā)展，提升創(chuàng)新能力和實踐能力。

3.2 課程設(shè)計的優(yōu)化原則

基于青少年編程教育游戲化的特別的學(xué)習(xí)方式，課程設(shè)計應(yīng)遵循記憶遺忘曲線的規(guī)律，采用螺旋式漸進(jìn)式互動教學(xué)方法，安排了6個課程設(shè)計環(huán)節(jié)，課程設(shè)計環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 課程設(shè)計環(huán)節(jié)

復(fù)習(xí)鞏固環(huán)節(jié)以圓桌會議的形式開展，以學(xué)員作為主體，教師作為引導(dǎo)者。會議的主要發(fā)言由學(xué)員完成，遵循遺忘曲線規(guī)律，復(fù)習(xí)鞏固的同時鍛煉學(xué)員的語言表達(dá)能力和溝通能力。導(dǎo)入新課和學(xué)習(xí)新課環(huán)節(jié)由老師介紹新課程相關(guān)知識并完成對應(yīng)的編程案例教學(xué)。獨立實踐環(huán)節(jié)由學(xué)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(xué)員的編程能力。結(jié)合項目驅(qū)動教學(xué)[12]，在完成新課程的學(xué)習(xí)后，學(xué)員在獨立實踐環(huán)節(jié)對所新學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行獨立調(diào)試，獨立解決問題，學(xué)員能在最短的時間看到自己的學(xué)習(xí)成果，驗證所得。集思廣益環(huán)節(jié)還是以圓桌會議的形式開展，由學(xué)員共同討論剛才的編程案例，運用頭腦風(fēng)暴的方法，在老師的啟發(fā)開導(dǎo)下完成集思廣益，提升學(xué)員的創(chuàng)新能力。在集思廣益環(huán)節(jié)學(xué)員都能充分地闡述自己的想法，該環(huán)節(jié)拓寬了學(xué)員編程思路，鍛煉了學(xué)員的語言表達(dá)能力和溝通互助能力，整個的學(xué)習(xí)過程充滿趣味，使得學(xué)員學(xué)習(xí)變得高效。最后一個環(huán)節(jié)為梳理總結(jié)，梳理新課程的收獲，為下一個新課程做好鋪墊。

對課程設(shè)置和課程設(shè)計優(yōu)化的同時，為確保對人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)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(yīng)教育場景的變化。由于國家對青少年編程教育還沒有統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)，這就要求教師對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有序和諧重構(gòu)，實現(xiàn)學(xué)科整合，知識交叉。教師需要做教學(xué)改革及教學(xué)研究，課程組定期組織開展學(xué)術(shù)活動，打造學(xué)習(xí)型教師隊伍，及時推出新的課程，加強自身技能的學(xué)習(xí)，緊跟時代前沿。

4 建立教學(xué)評價機制

建立健全科學(xué)的教學(xué)評價機制，確保課程體系順利平穩(wěn)運行。教學(xué)評價機制的目標(biāo)是保障教學(xué)質(zhì)量，具有診斷，調(diào)控和激勵的作用。青少年編程教育課程體系建設(shè)引入教學(xué)評價機制，能及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)存在的不足，并予以反饋。同時，教學(xué)評價對教學(xué)全過程具有監(jiān)督控制作用，能促進(jìn)建立編程課程學(xué)習(xí)型教研室，形成交流研討氛圍，能很好地促進(jìn)教師能力提升；能優(yōu)化課程設(shè)置，優(yōu)化課程設(shè)計，進(jìn)而完善課程體系，實現(xiàn)教學(xué)閉環(huán)，保障人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

5 結(jié)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(yǎng)的是學(xué)員的編程思維，訓(xùn)練的是基于編程思維下學(xué)員的動手解決實際問題的能力，編程思維的本質(zhì)是解決問題的一種方法。遵循OBE 教育理念和STEAM 教育理念，結(jié)合青少年認(rèn)知規(guī)律和遺忘曲線規(guī)律，構(gòu)建科學(xué)高效的青少年編程教育課程體系。將程序設(shè)計中的模塊化編程思想融入其中，著力培養(yǎng)學(xué)員的分解問題能力、模式認(rèn)知能力、抽象思維能力及算法設(shè)計能力，提高理論聯(lián)系實際的能力，促進(jìn)學(xué)員的全面發(fā)展。確保在人工智能時代培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實踐能力的創(chuàng)新型人才，實現(xiàn)青少年編程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)。