核心素養(yǎng)視域下程序設(shè)計教學模式的探索與實踐

張遠平

摘? ?要：針對程序設(shè)計課程的特點和教學過程中存在的問題，在教學實踐中，文章圍繞發(fā)展學生核心素養(yǎng)這個目標，從培養(yǎng)學生的學習意識出發(fā)，通過激發(fā)學習需求、提高代碼閱讀能力、培養(yǎng)分享成果意識和提升編程素養(yǎng)等方法，探索有效提高程序設(shè)計教學質(zhì)量的新模式。從實踐效果來看，通過優(yōu)化案例開發(fā)、場景模擬、方法對比、代碼跟蹤和實例拓展等教學環(huán)節(jié)，對傳統(tǒng)教學模式進行創(chuàng)新變革，符合信息技術(shù)學科的教學規(guī)律，能啟發(fā)學生的思維，提升學生的專業(yè)核心素養(yǎng)和提高程序設(shè)計教學的效果。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);程序設(shè)計;教學模式;探索與實踐

中圖分類號：G424 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）12-0080-05

一、引言

程序設(shè)計課程是計算機專業(yè)的核心課程之一。近年來， 隨著信息技術(shù)和計算機語言的不斷發(fā)展，程序設(shè)計的相關(guān)課程也越來越受到學校和程序設(shè)計愛好者的重視。傳統(tǒng)的C++、Java、PHP等語言方興未艾，新興的編程語言也受到了追捧，如Phython語言以其簡潔、高效、易學的優(yōu)點贏得了大量編程愛好者的青睞。但是從實際情況來看，程序設(shè)計課程的教學效果并不盡如人意。程序設(shè)計是一門邏輯性相對較強、難度相對較大的課程，對學習者的興趣和自律性要求較高，能潛下心來堅持深度學習的學生并不多。[1]同時，教學思想固化、教學模式落后也是造成當前程序設(shè)計教學沒有達到預(yù)期效果的主要原因之一。多數(shù)教師在程序設(shè)計教學的過程中只重視知識的單向傳遞，而沒有解決提升教學效果的核心問題，即提升學生信息技術(shù)的核心素養(yǎng)，驅(qū)動學生求知與深度學習的源動力，從而使教學良性互動發(fā)展。2018年1月，教育部頒布了《信息技術(shù)學科標準（2017版）》，提出以項目整合教學內(nèi)容，落實核心素養(yǎng)在教學中的滲透。[2]這說明核心素養(yǎng)的研究也逐漸由理論探討轉(zhuǎn)向課堂教學研究。[3]因此，如何在實際教學中，從培養(yǎng)學生的專業(yè)核心素養(yǎng)入手，緊扣課程的特點、深化和創(chuàng)新教學模式、因勢利導(dǎo)地提升教學效能，是程序設(shè)計教師必須思考和解決的問題。

二、當前程序設(shè)計教學在核心素養(yǎng)層面上存在的問題

1.教材編寫理念落后，課程規(guī)劃沒有兼顧學生的核心素養(yǎng)

受早期計算機教材編寫風格的影響，計算機程序設(shè)計教材的編寫風格大多偏向嚴謹，注重理論性，文字表達專業(yè)性強，但同質(zhì)化情況嚴重，表述抽象晦澀，教學內(nèi)容跟時代脫節(jié)，缺乏吸引力，很難使學生對教材產(chǎn)生閱讀的興趣。[4]此外，計算機語言類教材的配套電子資源較少，教師備課的時間成本相對較高，同時也不利于教師和學生通過電子教學資源的應(yīng)用提高信息技術(shù)素養(yǎng)。由于核心素養(yǎng)理念經(jīng)歷了演變和不斷完善的階段，因此在課程的具體規(guī)劃方面也存在不足之處。《新課程方案和課程標準》基于學科核心素養(yǎng)制定了新的質(zhì)量標準內(nèi)容，并明確學生學習該學科課程后應(yīng)達成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。[5]但目前的程序設(shè)計課程的整體規(guī)劃相對滯后，往往只重視教學表層的知識傳遞，而沒有兼顧學生核心素養(yǎng)的提高。在學科思維上，還沒有從學生的身心發(fā)展和所處的生活環(huán)境出發(fā)，不能體現(xiàn)對學生整體性培養(yǎng)的具體要求和內(nèi)容。例如，現(xiàn)行的課程規(guī)劃多數(shù)沒有重視程序設(shè)計知識的連貫性和關(guān)聯(lián)性，各種計算機語言相關(guān)的課程缺乏有機的銜接，不利于學生對編程思想融會貫通，反而產(chǎn)生相互干擾的情形，使學生學習程序設(shè)計時無所適從，導(dǎo)致編程基礎(chǔ)不扎實的后果。

2.教學模式落后，教學觀念固化，教學過程缺少提升核心素養(yǎng)的設(shè)計

發(fā)展學生的核心素養(yǎng)需要通過教學實踐使其思想和行為發(fā)生變化。但是在程序設(shè)計教學中，很多教師還沒找到轉(zhuǎn)變教學模式的立足點，或者說教學觀念已經(jīng)固化，缺乏創(chuàng)新思維，核心素養(yǎng)在程序設(shè)計的課堂教學中沒有得到轉(zhuǎn)化與落實。例如，教學活動中的案例設(shè)計陳舊，不注重實用性和趣味性，使學習程序設(shè)計變成一件乏味的事情，因而大大打擊了學生的主觀能動性。核心素養(yǎng)理念強調(diào)發(fā)展學生適應(yīng)社會的必備品格和關(guān)鍵能力。但是很多程序設(shè)計教師在教學過程中只重視語法教學，不重視學習態(tài)度、思維方式和價值觀的指導(dǎo)，以致學用分離，缺乏進階學習，學生的知識建構(gòu)能力只能停留在核心素養(yǎng)內(nèi)涵的“雙基”層。[6]顯然，凡此種種的教學過程沒有體現(xiàn)出計算機程序設(shè)計的學科價值，教學質(zhì)量很難達到如期的效果，更談不上全面提升學生的核心素養(yǎng)。

3.程序設(shè)計教師對核心素養(yǎng)的理解和實施能力仍有待提高

程序設(shè)計作為解決綜合問題的專業(yè)技術(shù)類課程，是計算思維素養(yǎng)和創(chuàng)新思維素養(yǎng)培養(yǎng)的高層次需求。在學生的編程學習從入門到形成核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化過程中，教師發(fā)揮著關(guān)鍵作用。[7]遺憾的是，當前很多教師對核心素養(yǎng)的理解還存在偏差，課堂上實施核心素養(yǎng)教學的效果很有限。主要表現(xiàn)在：①缺乏把培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)作為教學導(dǎo)向的意識。②不注重繼續(xù)學習，忽視對計算機前沿技術(shù)和理念的追趕，知識結(jié)構(gòu)已經(jīng)落后于時代。③對核心素養(yǎng)背景下的課程改革準備不足，教學中仍然采用老一套的辦法。這樣的教師教出來的學生最多只是行業(yè)內(nèi)的“軟件藍領(lǐng)”，而不是“能力+創(chuàng)新”型的技術(shù)人才。

三、基于核心素養(yǎng)的程序設(shè)計教學模式的創(chuàng)新策略

1.從培養(yǎng)學生的信息意識抓起，激發(fā)學生學習程序設(shè)計課程的內(nèi)在動力

程序設(shè)計教學要注重學生個體的內(nèi)在需求和發(fā)展規(guī)律。教育心理學研究表明，興趣來源于認識和需要。要喚醒學生的求知欲望，最根本的辦法是讓他們知道學習的知識是有用的。從當前社會教育的情況來看，重視培養(yǎng)孩子思維能力的現(xiàn)狀凸顯了程序設(shè)計知識的優(yōu)勢和潛力。例如，少兒編程的廣泛宣傳、機器人競賽的積極開展，都表明程序設(shè)計教學是信息技術(shù)教育的熱點之一。為什么要學習程序設(shè)計、學習程序設(shè)計有什么作用等等，這一系列問題都跟信息意識有關(guān)。教師首先要讓學生明白，程序設(shè)計是一門邏輯性較強的學科。學習編程技術(shù)，可以鍛煉學生的思維能力，促進大腦發(fā)育，提高智商，并能解決很多實際問題。通過計算機語言，我們可以與計算機對話，讓計算機更好地為人類服務(wù)。學習程序設(shè)計，可以讓我們更好地探索世界、認知世界。在引導(dǎo)學生產(chǎn)生學習興趣的過程中，教師也可以通過游戲設(shè)計、機器人與人類下棋等案例，幫助學生培養(yǎng)程序設(shè)計的興趣，激發(fā)他們學習的內(nèi)在動力，同時也為學生樹立正確的世界觀、科學觀打下基礎(chǔ)。

2.以優(yōu)質(zhì)教學案例的設(shè)計作為發(fā)展學科素養(yǎng)的突破口，打開程序設(shè)計學習之門

當前，程序教學中的案例多數(shù)以解決語法教學為主，很少案例能理論聯(lián)系實際，把學生的上機實操與具體的實踐結(jié)合起來，體現(xiàn)編程教育在生活中的應(yīng)用。[8]必須明確，程序設(shè)計的目的是以計算機語言為工具，使用一定的算法，用自己的理念和方法去解決實際問題。因此，要發(fā)展學生的程序設(shè)計素養(yǎng)，設(shè)計以解決問題為導(dǎo)向的案例就顯得尤為關(guān)鍵。結(jié)合傳統(tǒng)的案例教學法，優(yōu)質(zhì)的程序設(shè)計教學案例應(yīng)符合以下原則：①實用性。案例應(yīng)該是日常生活中我們可以接觸或了解到的場景，具備一定操作流程的體驗，學生能較快地理解問題的實質(zhì)，把握程序的需求。②趣味性。案例設(shè)計能體現(xiàn)一定的趣味性，活躍學生的思維，為學生的編程學習提供一定的創(chuàng)作空間。③可擴展性。案例既是獨立的，又可以延伸和拓展。學生能夠在編程解決一個問題的同時，掌握解決多個問題的方法。④可模擬性。案例是對日常事物的模擬，能調(diào)動學生的探索精神，發(fā)揮他們的模仿能力，同時這也是學習程序設(shè)計成就感的來源之一。根據(jù)以上原則，下面表1列舉了幾個可供參考的教學案例。

3.重視提高學生對計算機程序的閱讀能力，激活學生對程序設(shè)計學科的領(lǐng)悟能力

傳統(tǒng)的計算機程序教學較為重視培養(yǎng)學生“編寫”程序的能力，而往往忽視學生“閱讀”程序的能力。實際上，程序就是運用計算機語言解決問題的過程描述，具有一定的可讀性。和語文教學中重視閱讀的理念一樣，計算機程序的閱讀能力也是學生核心素養(yǎng)的有效反映。隨著學生對語法的逐步熟練和理解能力的增強，可以要求學生閱讀一些經(jīng)典的源代碼，理解別人解決問題的思路，這樣既可以借鑒到各種編程思想，又可以提高調(diào)試程序的糾錯能力，促進學生計算思維的形成和發(fā)展。華南師范大學的鐘柏昌教授認為，程序設(shè)計教育的重點不是教會學生編寫代碼，也不是學習未來成為程序員的專業(yè)性極強的知識，而是要理解與計算機進行交流的方式，并獲得利用計算機解決問題的基本思維。[9]因此，教師可以為學生提供一些經(jīng)典的算法作為閱讀素材，如洗牌算法（Fisher–Yates shuffle）、分治算法（divide and conquer）等，使學生體會到經(jīng)典代碼的精妙之處，激活他們學習的悟性。

4.鼓勵學生對創(chuàng)作成果進行分享和改進，促使學生持續(xù)深度學習

傳統(tǒng)的程序設(shè)計教學中，教師通常要求學生把完成的程序以作業(yè)的形式提交，從而作為完成任務(wù)的依據(jù)。其實，計算機程序可以說是一個“作品”或者“產(chǎn)品”，甚至可以說是一件“藝術(shù)品”，具備應(yīng)用和可推廣的屬性。美國教育家布魯納認為，學習就是認知結(jié)構(gòu)的重新組織。與之類比，計算機程序就是可以迭代式發(fā)展的軟件產(chǎn)品，它可以在產(chǎn)品的更新中不斷重構(gòu)，因而完成一個程序作品并不是學習過程的完結(jié)。信息技術(shù)核心素養(yǎng)中的創(chuàng)新學習理念倡導(dǎo)學生在完成學習任務(wù)的基礎(chǔ)上，通過自主學習、持續(xù)學習、協(xié)同工作實現(xiàn)知識分享與創(chuàng)新創(chuàng)造。學生在創(chuàng)造價值的過程中，必然會體會到樂趣和成就感，產(chǎn)生進一步加強學習的動力。[10]教師可以為學生建立程序作品庫，并提供下載、評價和推薦等功能，使每一位學生的程序作品都能體現(xiàn)其應(yīng)用的價值。支持和鼓勵學生為他們的程序劃分版本，引導(dǎo)他們通過應(yīng)用效果帶動深度探究的開展，這也是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的一個有效途徑。

四、發(fā)展核心素養(yǎng)的程序設(shè)計教學實踐——以循環(huán)結(jié)構(gòu)的教學為例

循環(huán)結(jié)構(gòu)語句是計算機程序設(shè)計教學的難點之一。通常，按課程的安排，在學習了順序結(jié)構(gòu)和分支結(jié)構(gòu)之后，就會進入循環(huán)結(jié)構(gòu)語句的內(nèi)容。對編程初學者來說，循環(huán)語句的掌握情況往往會成為學習興趣的分水嶺。一方面循環(huán)語句相對比較抽象，要求學生有一定的理解能力和知識遷移能力;另一方面使用循環(huán)語句解決的問題也相對復(fù)雜，通常既包含順序結(jié)構(gòu)，又涉及條件判斷，要求學生有解決問題的意識和良好的思維習慣。因此，循環(huán)結(jié)構(gòu)在計算機程序教學中最能體現(xiàn)學生信息技術(shù)素養(yǎng)的水平。根據(jù)以往的經(jīng)驗，很多學生從學習循環(huán)語句開始，就逐漸失去了學習編程的興趣。客觀地說，學生在學習循環(huán)語句時容易產(chǎn)生挫折感，同時也容易產(chǎn)生倦怠的情緒。對教師而言，如何把循環(huán)語句的知識點講述清楚、讓學生順利跨過循環(huán)語句這道坎并且提高他們學習的積極性是教學的難點。這就需要教師在教學過程中加強雕琢，把發(fā)展學生核心素養(yǎng)的理念滲透到每一個知識點的講解中，賦予循環(huán)語句教學新的活力。[11]具體來說，就是抓住循環(huán)結(jié)構(gòu)教與學的痛點，化解學生學習過程中的困惑、不解、無聊和放棄等情緒，使循環(huán)結(jié)構(gòu)的教學“活”起來。實踐證明，通過分析學生的特點，融合培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的理念，設(shè)計以“案例引入→對比教學→代碼跟蹤→成果分享和評價→知識拓展”為主線的流程，確定符合程序設(shè)計教學規(guī)律的學習主線，能有效提高循環(huán)結(jié)構(gòu)教學的效果。其具體設(shè)計如表2所示。

1.案例引入

在程序設(shè)計教學中，案例引入是發(fā)展學生信息技術(shù)素養(yǎng)的起點。通過優(yōu)選案例，啟發(fā)學生的邏輯思維，引導(dǎo)學生將課程學習與實際應(yīng)用相結(jié)合，幫助學生創(chuàng)設(shè)案例場景。[12]循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單來說，就是重復(fù)執(zhí)行某種操作，這在日常生活和工作中并不鮮見。教師可以列舉學生認知范圍內(nèi)感興趣的案例，提高他們對循環(huán)結(jié)構(gòu)的感性認識，從而形成思維遷移，加快知識建構(gòu)的進程。例如：跳高比賽中，運動員在每個高度都有3次試跳的機會，若3次均不成功則被淘汰。或者以青蛙跳樓梯的游戲作為例子，描述青蛙一級一級地跳上樓梯的動作也是循環(huán)執(zhí)行的過程。這些案例，或緊扣生活，或容易想象，既淺顯，又有代入感，比起枯燥無味的語法陳述，更能引起學生的關(guān)注和聯(lián)想。

2.對比教學

從順序結(jié)構(gòu)進入循環(huán)結(jié)構(gòu)的學習，并不純粹是語法教學的進階，還包含著思維方式的提升。循環(huán)語句可以使代碼更加簡潔、精煉和高效，發(fā)揮計算機高速運算的強大優(yōu)勢。在循環(huán)語句的教學中，運用對比的教學策略，能促使學生對循環(huán)語句的作用有更深層次的理解。下面以使用Python語言編程求解“1+2+……+100”的和為例，對比順序結(jié)構(gòu)與循環(huán)結(jié)構(gòu)解決問題的語法。

（1）順序結(jié)構(gòu)語句：

顯然，順序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)加法求和的效率是低下的，這不應(yīng)該成為利用計算機解決問題的最優(yōu)方法。

（2）循環(huán)結(jié)構(gòu)語句：

對比（1）和（2），循環(huán)語句明顯比順序語句簡潔高效，最重要的是在解決復(fù)雜問題的時候，循環(huán)結(jié)構(gòu)往往更能發(fā)揮巨大的作用。最明顯的變化就是節(jié)省了時間和空間，凸顯循環(huán)結(jié)構(gòu)語法上的優(yōu)勢，而對比教學最直接的影響則是使學生在循環(huán)語句的認識上有更直觀的體會，推動他們進一步學習。以上用例雖然簡單，但細微之處顯真章，真正要讓核心素養(yǎng)滲透到教學之中，就要從細微處著手，使學生的探索性思維得到有效啟發(fā)。

3.代碼跟蹤

程序執(zhí)行的過程是對現(xiàn)實世界中解決問題過程的虛擬。在教學中，通過跟蹤程序執(zhí)行的過程，建立程序與實際問題的映射，是非常具有啟發(fā)性的一個教學環(huán)節(jié)，因為脫離了實際問題的代碼學習是沒有生命力的。事實證明，使用學習英語或語文的思維方式學習程序設(shè)計，最終的結(jié)果是學生什么都沒學到。因為學生在學習過程中并沒有建立邏輯思維，靠記憶來學習程序設(shè)計的遺忘率特別高，很多學生在學習程序設(shè)計多年后對學過的內(nèi)容沒有任何印象。因此，學習程序設(shè)計需要鉆研代碼，通過跟蹤程序的執(zhí)行過程進行深度學習，使自己對代碼執(zhí)行的次序、意義有深刻的理解。一種方式是，在教學過程中，可以通過情境模擬和變量監(jiān)控來實現(xiàn)代碼跟蹤。所謂情境模擬跟蹤，是指根據(jù)問題的內(nèi)涵，構(gòu)建場景式的環(huán)境，演示代碼執(zhí)行的過程。例如在上述連加求和的問題中，可以設(shè)計一個小游戲：選一位學生繞著講臺轉(zhuǎn)圈，每次轉(zhuǎn)圈對應(yīng)一次循環(huán)，當經(jīng)過講臺時拿取相應(yīng)數(shù)量的小物件（如小棍棒），同學提示應(yīng)拿取的數(shù)量，轉(zhuǎn)圈的學生說出已拿取物件的總數(shù)，這是現(xiàn)實世界中解決問題的思維過程，非常有直觀性。另一種方式，是在研究代碼的執(zhí)行過程時，通過跟蹤程序中變量的變化，加深學生對代碼的理解。如針對上例，可以用表3的方式跟蹤循環(huán)次數(shù)及變量的變化情況。

學生在編程時，可以在腦海里想象變量的變化過程，或者使用草稿紙以列表方式對變量的值進行記錄，重點是監(jiān)控循環(huán)變量和結(jié)果的變化。實踐證明，通過代碼跟蹤學習程序設(shè)計，能使學生更容易理解算法的思想，提高他們對具體問題的分析能力和想象力。

4.知識擴展

拓展延伸是學科素養(yǎng)發(fā)展的升華。程序設(shè)計課程是一門應(yīng)用性學科。培養(yǎng)學生應(yīng)用計算機語言解決實際問題的能力，同時提升學生的編程素養(yǎng)是課程的核心目標。僅僅通過課堂上的基礎(chǔ)教學來提高學生計算機語言的運用能力、培養(yǎng)他們的學科素養(yǎng)是不夠的。必須注重知識的拓展延伸，以學生的認知水平、興趣愛好、生活實際為基點，充分挖掘豐富多彩的教學資源，把課堂教學拓展延伸到每個角落。可以從以下方面入手。

（1）鼓勵創(chuàng)新程序設(shè)計。通過改進課堂教學實例，在教學拓展環(huán)節(jié)催生新的實例，促使學生培養(yǎng)自主探索的思維方式，提高獨立分析和解決問題的能力。例如把上面連加求和的實例更改為實現(xiàn)“1+2+……+N”求和的問題，使程序的功能更加靈活，有利于拓展學生的應(yīng)變思維。

（2）通過知識遷移引入新的問題。教學中應(yīng)尊重學生的個性特點和認知規(guī)律，按“認識->實踐->遷移”的流程對循環(huán)結(jié)構(gòu)語句的應(yīng)用進行拓展，利用新學到的知識解決學習和生活中遇到的實際問題。[1]例如，有些學生在理解和掌握循環(huán)語句的用法后，通過編程解決數(shù)學上的雞兔同籠、數(shù)字排序等問題，加深了具體應(yīng)用與程序設(shè)計對接的體驗。

五、結(jié)語

通過教學實踐，可以明確程序設(shè)計教學的各個環(huán)節(jié)都與發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)密切相關(guān)，在核心素養(yǎng)視域下改革程序設(shè)計的教學模式有實際的意義。以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為目標的程序設(shè)計教學，其本質(zhì)是引導(dǎo)學生形成學科思維，使學生從學科特點的角度觀察世界，用學科的思維去思考問題，以持續(xù)學習的態(tài)度去提升個人能力，從而達到提高學生核心素養(yǎng)的育人目標。[3]教師作為課程的建構(gòu)者，要樹立正確的課程意識，注重案例化、場景化、情感化的教學策略運用，認真對待每一個教學環(huán)節(jié)，使學科核心素養(yǎng)真正成為核心素養(yǎng)落地的抓手，使學科核心素養(yǎng)成為核心素養(yǎng)的具體化。隨著計算機語言的不斷更新，程序設(shè)計的教學實踐需要與學科核心素養(yǎng)理念不斷融合。同時，教師也需要積極提高自身的職業(yè)核心素養(yǎng)，使核心素養(yǎng)視域下的程序設(shè)計教學能在平等、和諧、合作和發(fā)展的環(huán)境中實現(xiàn)師生共同發(fā)展，進一步提升教學的效果。

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（編輯：王天鵬）

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