初中生編程教育實踐

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，國家對創新人才的需求與日俱增。編程教育作為創新人才培養的一項有效途徑，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，現在也在逐步得到重視，在2017年我國就印發了《新一代人工智能發展規劃》，我國也提出了在中小學階段需要設置相關課程。現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、中小學編程教育現狀

隨著發達國家對編程教育的愈發重視，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，根據一項針對初中編程課程的調查數據顯示，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客的形式存在。在學習學科知識的同時培養創新思維;圖形化編程、開源硬件等編程課程可以開展相關創客活動，實現創意代碼搭建;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化課堂應用

就目前來說，這類創客類的課程在學校內并不是主流課程，它們大都出現在科技館、創客培訓機構等。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板課程《火箭發射》為例，介紹在課堂中如何將編程教育與軟硬件相結合。

首先《火箭發射》這節課，需要學生能夠熟練運用for循環和set_pixel（）的使用。對于for循環的教學，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，對循環的概念與運用的理解出現了困難。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象。基于此現象，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

為本節課創設一個好的情境，對課程各環節的貫穿起到了很好的引導作用。在本節課中，教師通過PPT呈現火箭發射的圖片，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射的視頻，引出本節課的學習內容為采用圖形化編程的硬件開發板制作火箭發射，并對火箭的用途進行簡單介紹。這樣的情境導入，既能讓后續的教學圍繞火箭發射來進行程序設計變得合情合理，又能切合當下的科技發展，激發學生的民族自豪感，起到愛國教育，體現核心主義價值觀。

2. for循環在硬件中的應用

以往學生在學習for循環的學習過程中，產生了畏難的情緒，在本節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循環運用，在圖形化編程軟件的程序界面實現火箭升空的效果。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板塊將會模擬呈現其效果，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，我們就將平時枯燥的代碼，通過圖形化編程的硬件開發板這一教學硬件，通過開發板上的亮燈效果，實現火箭升空的簡單模擬動畫效果。可以說此時for循環的效果得到了最直接的體現，學生手中的圖形化編程的硬件開發板就能看到運用循環結構后的亮燈效果。通過觀察，學生為了實現這一效果，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優生才能實現。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，發現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，可以發現軟硬件結合的編程教育的優勢明顯。學生在動手操作中實現了程序學習，原來晦澀難懂的編程題目轉變成了直觀的硬件呈現，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現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展路徑及策略研究〔J〕.科技風，2021，（15）∶61-62