運用最優化理論化解編程入門難題

【摘 要】程序設計在中小學生眼里是比較難掌握的。本文應用教學過程最優化原理，從教學準備、教學實施、教學分析三個方面采用合理、有效的教學策略，化解學生編程入門時的各種疑難。在教學準備時要注重師生關系、教學環境和教學流程；在教學實施階段提供腳手架、解決聚類問題、注重調試指導；在教學分析時注重教學效益、效果和效率，從而達成編程教學過程的最優化。

【關鍵詞】最優化理論；信息科技；編程入門；教學策略

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）011-051-03

最優化理論與編程教學

教學過程最優化理論是蘇聯教育家巴班斯基在20世紀70年代提出的。該理論以“辯證的系統方法”全面考查了教學系統的三大要素：教學主體（教師、學生），教學條件（物質條件、衛生條件、精神心理條件）和教學過程（教學目的/任務、教學內容、教學方法與組織形式、教學結果及其評價），主張以教學各要素的系統優化來實現教學結果的最優化[1]。這與新課程提倡的有效教學、輕負高質的理念不謀而合，值得一線教師學習并實踐。巴班斯基的方法體系包括課前、課中、課后三個階段，即教學準備階段、教學實施階段、教學分析階段。這三個階段環環相扣、循環往復，共同支撐教學過程的最優化，促進教學效益、教學效果和教學效率的螺旋式提高[2]。

筆者從教20多年來，一直從事編程教學，培養了一大批信息學奧賽選手，同時也遇到了大量自認學不會編程的孩子。筆者分析主要原因有兩個：一是程序語言具有符號化、形式化特點，對于讀圖時代的學生而言就像一門外語，枯燥且難以理解；二是程序需要不斷調試才能正確運行，是手腦并用的活動，不僅對算法思維能力有要求，對學生的細心和耐心也是考驗。

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中都將計算思維列入信息科技學科核心素養，程序設計則是培養計算思維的重要途徑。筆者在高中信息技術必修一《數據與計算》的教學過程中，有意識地運用最優化理論開展Python編程入門教學，培養學生計算思維，取得了初步成效。

教學準備策略

1.以師生為雙主體，建立和諧的師生關系

教學主體是最優化理論的關鍵要素之一。教師和學生都是教學的主體，只有當師生共同承擔起教與學的責任，教學才有可能成功。筆者任教的班級處于年級中偏下水平，學生普遍缺乏自信，編程零基礎，學習興趣不大，自主性不夠，聽課習慣不佳。作為教師，必須調整心態，接受學生現狀并試圖改變現狀。筆者的策略是將學生看成朋友家的孩子，揚其長補其短。當教師以關心、愛護的眼光去看學生，就能發現孩子們的可愛與聰明，師生的交流順暢了。當教師以培養、教練的態度去指導學生，就能體會孩子們的親近與佩服，教師的威信樹立了。當教師點評和催繳學生作業時，也能看到孩子們的努力與羞愧，學習的動力增強了。當教師講述自家孩子的過往種種與大學現狀，就能看到孩子們臉上的希冀與夢想，努力的目標就有了。筆者將教學微課上傳到網絡平臺上，供學生課后復習，學生們立刻點贊關注，遇到問題還會跟教師互動。筆者也經常在課前播放一些新興技術視頻或者年輕設計師的作品，鼓勵他們學好信息技術，為自己的未來奠基。

2.全方位創設條件，提供完備的教學資源

教學條件是最優化理論的關鍵要素之二。學校計算機網絡教室于2021年重新裝修，計算機及網絡硬件配置都升級了，投影儀換成了智能交互大屏，柜式空調換成了吸頂式中央空調，照明系統也全新升級成LED護眼燈。講臺上有服務器和教師機，服務器使用雙系統，分別用于教學和考試，為教學和考試提供了完備的軟件及服務支持。服務器上還搭建了教學網站，為教師提供每節課的教學網頁、課件、視頻及各種資源，提供個人空間供學生提交作業、存放筆記等，教師批改作業的結果也呈現在個人空間列表中。該網站還提供座位表、作業管理系統、考試練習系統等功能，最大限度地方便了教師教學。學生機上安裝了各類編程及思維導圖、流程圖軟件，為學生學習程序設計、開源硬件、三維設計等課程提供了便利。

3.依據最近發展區，設計合理的教學流程

教學過程是最優化理論的關鍵要素之三，而教學開始之前，流程設計是重中之重。程序設計教學的關鍵就是入門階段。針對學生現狀及畏難情緒，筆者主要運用最近發展區原理，采用以下策略讓學生始終充滿自信。一是以游戲化軟件切入，從圖形化編程入手，建立一份自信。二是從交互模式和簡單問題入手，學習程序設計的基本概念和語句，指導學生體驗編程全過程，獲得三分自信。三是精心設計例題與習題的難度和梯度，縮小例題與習題之間的遷移跨度，讓學生逐步掌握遷移技巧，樹立五分自信。四是對于較復雜的問題，采用示意圖、流程圖等直觀方式幫助學生抽象問題，建立模型，設計算法并編程實現，獲得八分自信。五是開放在線程序評測系統，組織程序設計競賽，放手讓學生自由解題，成就十足自信。

教學實施策略

1.提供入門腳手架，突破教學重難點

首先是借助圖形化編程，教師幫助學生化解畏難情緒，理解基本結構，學會抽象與分解。教師借助圖形化編程工具Blockly，引導學生通過“迷宮”“鳥”和“烏龜”等通關游戲，逐步理解順序、分支和循環結構的含義。在一路過關斬將的過程中，學生必須使用三種基本控制結構去解決問題，抽象和分解問題的能力因此不斷提高。學生玩得不亦樂乎，也慢慢理解了程序不是一蹴而就的，犯錯不要緊，調試很重要！一旦問題解決，Blockly就會自動生成相應的Python偽代碼，讓學生自信滿滿。每種游戲的最后一關都是比較難的，對學生的計算思維要求很高，基本接近程序員水平了。因此，但凡玩到最后一關的孩子都對后期的編程學習充滿了信心。

其次是使用交互模式，教師講授核心概念，幫助學生掌握調試技能，夯實編碼能力。程序設計相關的核心概念包括常量、變量、數據類型、運算符、表達式、語句、函數等。Python的交互模式能讓學生即時體驗到人機對話的成功或失敗。如果遵循語法就交流順暢，如果粗枝大葉則雞同鴨講。因為在交互模式中，學生輸入一句，Python就執行一句，所以代碼不會很復雜，門檻很低，利于掌握。通過交互模式，學生逐步熟悉語法規則，規避很多編程時容易犯的錯誤。一旦學生掌握了這些基本的語法規則，有了足夠的細心和耐心，就能逐步應用它們編程解決簡單問題了。

2.聚類例題與習題，激發自主能動性

首先是圍繞大概念，聚類相關問題，強化數據意識，體驗算法思維。例如，在學習分支結構時，教師采用三個變量的最值問題和排序問題來訓練學生的算法思維。最值問題一般用打擂臺的思路來進行變量界定，用哪個變量表示擂臺，用哪些變量表示打擂臺的數據，打擂臺的過程用流程圖表示出來，學生的程序就呼之欲出了。如果涉及多個變量的最值及排序問題，就要用循環來解決。再進一步，如果打擂臺的數據不需要記錄或輸出，一個循環三個變量就能解決問題；如果打擂臺的數據都要記錄并輸出，那就涉及數據結構，可能要用列表來完成。排序問題稍微復雜一些，教師通過Flash動畫的演示，來解釋插入排序、選擇排序和冒泡排序的思路，效果相當好。在for循環的起始課，教師先回顧了海龜作圖的循環語句，用形象的圖形解釋循環的實質，使學生理解循環變量、循環初值和終值以及循環體各自的作用。然后教師給出其他圖形，讓學生用循環解決，由于圖形直觀形象，所以學生學得很順利。在解決累加問題時，教師把累加器比作容器（化學實驗中的燒杯），通過動畫演示其迭代過程，先給學生留下深刻印象。教師在程序調試時，教會學生采用單步執行的方式，觀察程序執行時變量、條件的變化，真正理解程序的“自動化”執行過程。

其次是善用經典問題，練習一題多解，促進認知遷移，提升高階思維。例如，在求n以內的階乘和時，學生通常會使用嵌套的計數循環，但教師提示用一個不嵌套的循環也能解決該問題。在激起學生好奇心后，教師介紹階乘的遞推公式n！=（n-1）！*n，讓學生把累乘和累加的步驟統一到單個循環體中，通過5～6行語句即可解決問題。此時教師趁熱打鐵，提出棋盤上的麥粒問題。其實，這兩個問題的解題思路非常類似，如果學生理解了例題，自然會遷移應用，解決這個問題?；诮浀鋯栴}，變換解題思路和角度，使用不同的數據結構和算法來解決問題，就能逐步鍛煉學生抽象問題、分解問題、歸納問題的能力，同時也能訓練學生的編碼能力、算法思維和評估能力。

再次是創設真實情景，開展項目學習，解決復雜問題，培養核心素養。當學生掌握了基本的算法和數據結構之后，教師就開始聯系生活實際，提出較復雜的問題，引導學生開始項目學習。例如，在講完列表的基本操作之后，學生學到了棧和隊列這兩種數據結構。教師要求學生聯系生活實際，完成淘寶店的訂單處理程序（隊列應用）和單車道死胡同停車管理程序（棧的應用）。結合數據庫管理，教師提供了學生的食堂消費數據（事先刪除隱私信息），讓學生體驗了數據庫的創建、編輯、查詢、統計等操作，并使用Python設計數據庫應用系統，完成界面設計、數據統計、繪制圖表等。通過此次項目學習，學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任等核心素養都得到了有益的鍛煉和加強。

3.注重程序調試，即時反饋與點評

有些學生之所以放棄編程，是因為在起步階段遇到的困難沒有及時解決而喪失了學習信心。因此，在入門階段，教師一定要注重程序調試，及時點評常見的錯誤，教會學生“捉蟲”，及時修改調試。課堂上常見的情形是，學生差異很大，錯誤五花八門，教師疲于應付。在線程序評測系統能很好地解決這一問題，學生提交作業后，教師立即能看到班級整體的練習結果，發現錯誤程序，就指導其修改訂正。對于較難的習題，一旦有學生解決，也可以請他介紹解題思路，提升這些學生的自信心和成就感。

教學分析策略

1.從學生發展的多角度，評判教學是否有效益

最優化理論的教學效益關注教學目標是否適應社會發展需要，關注學生的全面和諧發展[1]。編程教學有利于培養計算思維。而計算思維是信息時代數字公民不可或缺的技術素養，學生不僅能掌握信息技術相關的核心概念，還培養了抽象、建模、迭代等計算思維能力，提升了獨立自主、合作創新、數字化學習、信息社會責任等非智力素養，有利于學生的全面發展。

2.從教學目標的達成度，分析教學是否有效果

最優化理論強調，教師必須在全面研究學生“實際可能性”的基礎上，使教學任務和目標具體化，讓學生學有所獲[1]。對學生學習狀態有全面的了解，在此基礎上制定可行的教學目標和任務，這也符合最近發展區原理。由于教學過程的動態性、教學事件的突發性、學生的差異性和創造性，教師所教班級的進度也經常有些出入，但只要大部分學生有進步有收獲，教師也就有信心微調教學進度，盡量提高教學目標達成度。

3.從人力物力的消耗度，測算教學是否有效率

最優化理論判斷教學效率的依據是師生花費在教學上的時間和精力[1]。學校信息技術課從不布置課外作業，課堂上教師講解小半節課，學生練習半課時以上。編程作業控制在2～3題，沒完成課堂作業的學生可以課后補。筆者本學期的總體教學進度跟同事相同，但教學節奏是由慢到快，所教班級在線評測系統上的習題完成比例和準確率都比較高，證明了較高的教學效率。

注：本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“基于計算思維的高中生設計與智造項目化實踐研究”（課題編號D/2020/02/283）、江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“江蘇省高中STEM教育基地實驗項目的設計與實踐研究”（課題編號：C-a/2018/02/19）、2019年度江蘇省基礎教育前瞻性教學改革實驗項目“設計與智造：統整理念下高中生學習方式的變革”的階段性研究成果

參考文獻

謝鑫．教學過程最優化理論的有效教學意蘊［J］．教學研究，2018（1） ： 49－54．

張雯，段志貴，崔穎．教學過程最優化視角下的數學課堂教學解構［J］．教育觀察，2021（10） ： 106－110．

作者單位：江蘇無錫市第一中學