利用項目式學習開展圖形化編程教學的研究

王永華

摘 ? 要：項目式學習是一種以學生為中心的教學方式，學生通過規劃完成一系列任務，以最終實現某個目標或者解決某個問題。基礎教育階段的圖形化編程課程是信息技術學科的重要內容，能夠培養學生的創新思維和計算思維，是信息技術學科教學內容改革的方向。圖形化編程課程的學習非常適合采用項目式學習的方式，項目開發模型可采用簡單易操作的瀑布模型，但只采用項目式學習難以單獨完成目標，所以還需要依靠團隊合作，如此能夠培養學生的協作精神。除此之外在項目式學習過程中還需要查閱、借鑒、整合各種信息資源，如此才能夠全面提升學生的信息素養。

關鍵詞：信息技術學科;項目式學習;圖形化編程;瀑布模型

中圖分類號：G633.73 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1009-010X（2021）26-0043-04

2017年7月，國務院下發的《新一代人工智能發展規劃》明確提出了“在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣。”此文件的出臺，為中小學開展編程教育奠定了基礎。2018年4月，教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》提出了“充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容”。《青少年編程能力等級標準》將圖形化編程能力分為三個等級，包括基本圖形化編程能力、初步程序設計能力、算法設計與應用能力。浙江、河北等多個省份的高中信息技術課程已經摒棄了軟件應用學習，改為學習程序設計。

項目式學習是一種以學生為中心的教學方式，學生通過規劃完成一系列任務，以最終實現某個目標或者解決某個問題。圖形化編程課程的學習非常適合采用項目式學習的方式，通過項目式學習，可以整合編程技能并初步了解軟件開發的流程，同時在此過程中還能培養學生的協作精神，并全面提升學生的信息素養。

一、項目式學習下的圖形化編程環境

圖形化編程對環境的要求不高，學校微機室的條件就可基本滿足所需硬件的要求，完成絕大部分教材內容的學習。以筆者的經驗來看，配備耳麥、攝像頭的臺式機或筆記本電腦就可以提供所需的完整的硬件環境。除此之外項目學習過程中學生進行資料查詢、作品分享和人工智能模塊的學習還需要教師開放互聯網資源。視頻偵測模塊、聲音模塊則需要攝像頭和耳麥等硬件的支持。

關于圖形化編程軟件的選擇，谷歌公司開發的圖形化編程軟件大眾接受度較好，提供了運動、外觀、控制、事件、偵測、畫筆、聲音等基本模塊，缺點是目前無法調用翻譯、文字朗讀等網絡模塊，但其離線版就可以滿足基本的教學需求。除此之外還有一些國產圖形化編程軟件如編程貓（Kitten）和Kittenblock， 編程貓（Kitten）是具有完全自主知識產權的國產化軟件，功能強大且更符合國人的使用習慣，注重移動端程序的開發，并提供了簡單易用的作品分享功能。Kittenblock是在谷歌圖形化軟件基礎上進行二次開發的軟件，兼容性好，并支持多種硬件連接。編程貓（Kitten）和Kittenblock中的人工智能類模塊各有特色，均支持人臉識別、神經網絡學習等內容，為學生探索人工智能的工作原理、工作方法提供了很好的技術支持，但有待教育工作者對其進行更多的探索。

二、項目式學習下的瀑布開發模型

在圖形化編程的初始教學階段，由于很多學生沒有相關基礎，所以筆者依然建議采用傳統的教學方法。待學生具備一定的編程基礎后，再開展項目式學習。圖形化編程的項目式學習可采用簡單易理解的瀑布模型進行教學。瀑布模型是一種軟件開發模式，其核心思想是按工序將問題簡化，將功能的實現與設計分開，以便于分工協作。瀑布模型為項目式學習提供了按階段劃分的檢查點，當前這一階段完成后，再關注下一階段。因此，瀑布模型更適合學生小組分工合作，以完成較為復雜的任務，如圖1所示：

三、項目式學習的流程

（一）學生分組

學生分組可以采用自由結組的方式，也可以在教師的指導下進行分組。教師指導分組可以依據學生的能力層次、興趣愛好、性別等因素，也可以在項目進行過程中依據具體情況進行微調。歸根結底，教師還是需要判定學生的水平，以選擇適宜的分組方式，并從技術層面、人員層面預測項目式學習的目標能否實現。

可由本組學生推舉組長，總體負責本組項目的開展。為保證全體小組成員都能參與到項目中，小組人數不宜過多，建議控制在2～5人左右。

（二）可行性分析和項目計劃

可由小組成員提出項目目標，然后由小組成員討論項目目標的可行性，并綜合考慮在技術上能否實現、工作量有多大、約定時間內能否完成、小組成員的能力水平是否具備等。在進行可行性分析時，小組可以征求教師的意見。而教師要從技術層面、能力層面給出適用的分析方法或參考意見以協助小組進行可行性分析。除此之外教師還可以展示已有的項目案例，為學生提供參考。另外，學生小組還可根據已有的知識水平、能力水平、興趣愛好、時間等因素，對項目學習的目標進行分析、修改、增補，以最終確定本小組的項目目標（如圖2所示）。

項目目標確定后，需要制訂相應的計劃以確保目標的實現。要形成文字材料并進行組內展示，形成文字的過程也是梳理思路的過程，展示計劃有助于形成小組合力，這些都有利于項目按計劃實施。

教師可組織各小組開展項目計劃展示活動。通過觀摩學習其他小組的計劃，使小組之間發生思維碰撞，相互激發，由此可能會產生更好的創意，進而修改、調整本組的計劃。

（三）詳細的設計和人員分工

項目計劃制訂完成后，組員清楚了本項目由哪幾個模塊組成，本階段的任務是厘清每個模塊之間的層次關系和調用關系，弄清楚先干什么，后干什么，然后就可以用流程圖表示項目的次序和層次以及每個模塊可能會用到哪些技術。圖3是一個探險類多關卡游戲的設計流程。

根據項目流程和人員的能力水平，可由組長進行分工——合理分配資料查閱、美工、模塊搭建、程序總成、調試等任務，同時還要考慮到小組間如何相互支持、協調。

（四）程序搭建

小組人員分工合作搭建程序模塊，各模塊可由不同的人員分別設計，只要合理設計各模塊的連接方法就行。例如在使用谷歌圖形化軟件編程時，可以采用“角色導出”“造型導出”的方法讓所有人員都參與到程序設計中來，如此可讓小組成員都能夠理解程序搭建的方法。在本階段，學生會遇到很多具體問題，需要通過查閱資料、相互交流、請教教師才能解決。在解決問題的過程中，組員能力可以得到不斷的提升。

教師要及時關注學生搭建的作品，并給予技術指導，同時提供相關參考文獻供學生查閱、學習。除此之外還要注意檢查程序結構能否實現設計要求，程序的關鍵節點是否有注釋說明，程序是否清晰易讀、便于理解等。

（五）程序調試

根據圖形化編程的順序，本階段要對各模塊進行功能測試。待各模塊連接成功后，還要對其進行集成測試。本階段需要耗費較多的精力，因此可由小組成員分工協作完成。在此過程中教師可以幫助學生理解“黑盒測試”（功能測試）“白盒測試”（極限測試）的理念，然后由學生針對具體程序，設計切合實際的測試方案對程序進行調試修改。

（六）分享交流

教師可約定時間，要求各小組分享、交流作品。通過展示交流，學生們可以相互學習、取長補短。通過分享小組成果，可激發學生的學習興趣，培養其自信心。國產編程軟件編程貓（kitten）提供了非常方便的網絡分享功能，學生可將作品直接分享到互聯網，以讓更多的人體驗、評價。關于項目評價，教師可參考CIPP評估模型，從背景評價、輸入評價、過程評價及成果評價四個角度設計表格，組織小組自評和組間互評。通過分析評價，學生可以從多角度認識到自己項目的優點與不足，同時也可以更好地借鑒其他小組的思路與做法，從而進一步提升自己的思維品質和編程能力。

四、圖形化編程項目學習過程中的注意事項

（一）選擇合適的開發模型指導教學

在圖形化編程教學中運用項目式學習方式，并選擇合適的開發模型是十分必要的。本文介紹了比較經典的瀑布模型，其按所計劃的順序進行，簡單易理解，對一線師生有一定的借鑒意義。也有部分師生在教學過程中，選用更靈活的敏捷開發模型，采用該模型學生可在開發過程中根據實際情況及時調整方向、增補內容。教師雖不必深究模型理論，但要清楚不同開發模型的優缺點。比如瀑布開發模型要注意全體學生的參與度，敏捷開發模型要注意控制規模，避免難度過高、工作量過大。

（二）弱化學生選題的游戲化傾向

由于學生的年齡特點，很多學生喜歡選擇以游戲內容為主題開展項目式學習。對此，教師有必要拓展學生的視野，讓學生清楚圖形化編程并非只能用來搭建游戲，同時還要鼓勵非游戲內容的項目學習計劃，鼓勵學生用程序去解決生活、學習中的問題。例如在使用圖形化編程軟件虛擬物理實驗項目時，可以用其虛擬演示牛頓擺、光的折射、光的散射等物理實驗內容;在數學測驗項目中，可以利用變量和計算類積木設計不同的難度狀態，并給出合理的建議;在趣味語文學習項目中，包含古詩接龍、名人名言、成語學習、猜謎等內容，對此教師可以鼓勵學生利用人工智能模塊，進行相關項目的學習。例如學生可利用翻譯類積木開發“口語翻譯機”項目、利用人臉識別類積木和天氣類積木等開發“健康小助理”項目等。教師不必排斥游戲題材的項目，但要盡量避免所有項目都是娛樂游戲的情況。

項目式學習的優勢是顯而易見的，對于學生而言，項目式學習幫助其擺脫了傳統的教學方式，從宏觀設計、到局部的技術實現，學生都承擔著最核心的任務。在設計方案、解決問題的過程中，學生的思維品質、動手能力、團隊協作能力等均可以得到全方位的提升，項目的成功完成與成果分享給學生帶來的成就感還可以激發學生的學習興趣和探索熱情。這種教學模式充分體現了以“學生為中心”的教育思想，符合教育潮流，值得更多的教育工作者去研究、實踐。