基于項目式學習的高中編程教學實踐

陳英

［摘 要］高中開展編程教學是發展學生信息素養的客觀需要，也是人工智能發展的客觀需要。文章針對高中編程教學的問題，提出了植根生活、分析建模、迭代優化等有效教學措施，并以身份證項目研究為例，闡述了高中編程項目式學習的具體實踐。

［關鍵詞］項目式學習；身份證；編程教學

［中圖分類號］ G633.67 ［文獻標識碼］? A ［文章編號］ 1674-6058（2023）26-0088-04

一、高中開展編程教學的客觀需要

2017年對編程教學來說很有意義。隨著《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》和《新一代人工智能發展規劃》的出臺，國家在教育層面吹響了在中小學開展編程教學的號角。

（一）高中開展編程教學是發展學生信息素養的客觀需要

高中編程教學，圍繞信息素養，將信息意識、計算思維、數字化學習與創新以及信息社會責任的培養作為教學要點，特別是對學生計算思維、數字化學習與創新素養的培養有關鍵作用。通過編程教學，可培養學生問題分解的意識和能力， 提升學生的計算思維水平，幫助學生適應信息社會的學習和生活，提升學生的數字化學習與創新能力。

（二）高中開展編程教學是人工智能發展的客觀需要

2017 年頒布的《新一代人工智能發展規劃》中提出了“全民智能教育”，同時明確了在中小學階段開設人工智能相關教學內容，進一步推廣編程教育。 編程是實現人工智能的基礎要素，在中小學階段開展編程教學，是實現人工智能教育培養目標的根本需要。

二、高中編程教學中存在的一些問題

編程教學，特別是算法教學是近幾年信息技術一線教師談論的熱點話題，如何讓編程教學深入淺出，值得信息技術一線教師持續探索。通過教學聽評課等活動，筆者發現編程教學在實施中存在一些問題。

（一）教學目標未通達信息素養

高中信息技術教師對編程課程的教學理解不夠深入，對編程教學目標的定位不夠明確。編程是教學活動的載體，通過編程教學，我們要讓學生獲得什么？普通高中信息技術課程標準告訴我們，高中編程課程教學的核心是培養學生的計算思維，同時讓學生學會如何分析與解決生活中遇到的實際問題。在某些課例的授課環節，教師將教學重點放在編程基礎知識、代碼、算法的傳授上，而忽略了學生信息素養的培養，這樣的教學是不完整、不全面的。編程教學不僅僅是代碼，而是代碼背后的“能力組合”：問題界定、特征抽象、建模組織，以此為基礎判斷、分析信息資源，科學合理地選擇算法進行編程，最終解決問題。

（二）教學內容不易激發學生的學習興趣

高中編程教學的主要內容為算法和簡單數據結構，這部分內容比較抽象復雜，學生初學時會感覺比較困難。由于內容枯燥，與生活聯系不夠緊密，學生的有意義學習乃至深度學習不易發生。又由于課時的限制，豐富有效的教學也難以開展，如探究學習、項目學習等新型模式在編程教學中的運用也受到限制，教學內容與模式不易激發學生學習興趣。因此，教師在教學設計中應避免復雜枯燥的教學內容，將復雜抽象的算法進行推演、解構和建構，并與實際生活相結合，這樣才能激發學生的學習興趣。項目問題的設計，也應側重算法思想和方法的綜合應用，并突出計算思維和創新意識的培養。

（三）教學過程未實現分層教學

高中編程教學較多的還是采用“講—學—練”模式。一方面，是由于學生缺少編程學習的知識儲備，不具備獨立進行編程學習的能力；另一方面，編程學習，特別是算法學習難度大、要求高，學生在完成任務的過程中會遇到各種各樣的困難，學習任務達成度較低。鑒于以上考慮，較多的教師傾向于“講多一點，講細一點”，留給學生自主學習和思考的時間和空間不夠，也就很難實現分層學習，最終，能力較差的學生沒學懂，能力強的學生沒學好，因為最終的“作品”都一樣，沒有差異性和創造性，也不利于學生計算思維和創新能力的培養。高中編程教學必須堅持以學生為主體，發揮學生的主觀能動性，讓學生自主探索算法和簡單數據結構等內容，掌握解決編程問題的方法和步驟，進而解構知識，形成概念，建立認知模型，架構學習方法，提升學習效率。

三、高中編程教學的有效實施

隨著編程教學的日益普及，計算思維成為數字公民必備的核心素養，編程教學作為其主要培養載體引起廣泛關注。算法是編程的靈魂，也是信息科技教學的核心，更是編程教學的重難點。要有效實施編程教學可從以下方面入手。

（一）植根生活，尋找編程教學的切入口

陶行知先生說：“生活即教育。”教育的素材應該源自社會生活，以社會生活以及在此基礎上產生的經驗為中心。教學做合一，以生活為中心，怎樣做就怎樣學，怎樣學就怎樣教。所有的問題，都是從生活中來，從生活中來的困難和疑問，才是實際的問題；用這種實際的問題來求解決才是實際的學問。

信息技術是一門技術學科，技術的根本目的是解決生活中的實際問題，所以筆者會將“技術服務于生活”的思想植根于課堂教學中。這與《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》倡導的項目式教學不謀而合。教學的素材源自社會生活，對照我們的課堂教學，要關注以下幾點：首先，學習的問題應該是學生身邊的，對于他們來說，是有生活經驗的問題。這樣的問題才能更好地激發學生的學習興趣，才能讓他們體會到技術的價值。其次，我們的課堂教學要緊緊圍繞這類生活問題，圍繞認知沖突，將生活問題分解、解構，用技術手段逐一擊破問題中的困難和疑問，讓課堂具有生命力。我們應植根生活，發現生活中的真問題，圍繞問題，解決生活中的真疑問，回歸生活，尋找技術服務于生活的真價值。高中編程教學也必須遵循教育教學的基本規律，從生活中來，到生活中去。只有植根生活，從生活中汲取教育的靈感與養分，才能找到編程教學的切入口。

（二）分析建模，打通編程教學

高中編程教學的主要內容為算法和簡單數據結構，這部分內容高度抽象，也相對枯燥。一方面，需要學生具備一定的數學功底，也需要具備較強的分析問題、抽象建模的能力。特別是算法模塊，高一編程教學中涉及非數值計算：分治思想，其中包括二分查找、遞歸法等，數據結構中也涉及線性結構中的列表、字典和元組。這些內容，對于大學計算機專業的學生來說也絕非易事，因此在高一進行編程教學時教師不能照搬照抄大學模式，不能將其視為大學先修課，必須在教學內容的質和量上進行適度改造和創新，使其符合高一學生的認知規律、心理特點和生活經驗。教師應在有趣、有用、有價值的基礎上兼顧程序設計的科學性和嚴謹性，將教學重點從編寫代碼轉移到分析建模上，讓學生學會對生活中的實際問題進行分析、解構、建模，以及將問題抽象成數學模型。從編程解決問題的一般過程來看，首先是分析問題，其次是抽象建模，最后是編寫代碼。由此可見，抽象建模是編程學習的核心環節，起到承上啟下的作用。具體來說，主要包括以下內容：1.分析問題（要解決什么問題？這個問題可以分解為哪些子問題？用什么工具來解決問題？）；2.抽象建模（每個子問題如何解決？需要用到哪些算法和數據結構？）；3.編寫代碼（在厘清算法的基礎上使用合適的編程語言來實現項目的需求，解決實際問題）。

建模和編程的關系不可分割，互為表里。建模是從現實世界到數學抽象的過程。編程則是在模型的基礎上用具體的編程語言來實現。如果說建模是藝術，那么編程就是技術，兩者相互依托，不可分割。優秀的模型能夠讓編程簡潔、高效，同理，離開了編程，建模也只能是空中樓閣，紙上談兵。在高一編程教學中，教師要重視問題的解構和分解，教會學生如何分析建模，這樣學生才能掌握打開編程之門的鑰匙。在日常教學中，教師要有意識地引導學生開展抽象建模的實踐，提供給學生抽象建模的時間和平臺，這樣才能打通編程教學。

（三）迭代優化，精進編程教學

高一編程教學受內容難度和學生基礎參差不齊兩方面因素的影響，必須堅持“小步子”的教學策略。“小步子”就是起點不要太高，從基本需求問題解決開始，讓學生初步體會到解決問題的樂趣，接著，再逐步迭代優化，這也是程序設計的基本思想：自頂向下，逐步求精。解決了基本問題后，在此基礎上，再提出新的需求，如界面優化、功能拓展、自動化及批處理等。學生在實現新需求的過程中，知識和技能得到了拓展和提升；在解決問題的過程中，問題解決策略和編程思想方法得到了驗證，計算思維、創新能力也得到了升華。

在高中編程教學中，為了達到較好的教學效果，教師通常會選擇融合各個知識點的經典例題進行教學。比如，在教學分支結構時，會選擇BMI例題；在講解循環結構時，會選用1加到100的案例，等等。雖然這些案例在單元教學中非常具有代表性，但是也存在現實問題，單元和單元之間彼此獨立，關聯度較差，不能形成案例聯結，前后知識點之間的關聯度差，案例不能體現知識點的綜合應用，因此，高階思維能力不能得到培養和提升。

AI的知識迭代，對人類社會產生了廣泛而深遠的影響，編程教學也是如此。為了解決上面的知識碎片問題，在編程教學中教師需引入優化迭代思想。將Python中的三種程序設計結構、簡單算法、簡單數據結構融合在一個小項目中，項目從最簡單、最基本的功能開始，逐步求精，不斷提出新問題，不斷考慮新思路，不斷實現新功能。這樣就能將零散知識關聯起來，使項目功能豐富起來，計算思維提升起來，學科思維拓展起來。這樣學生才能體會到技術在解決生活中的實際問題上的價值，才能領悟技術服務于生活的學科思想。

四、高中編程項目式學習案例解析

下面，筆者以“身份證項目研究”為例，和大家一起探討高中編程項目式學習。

【學情分析】在進行本項目前，學生已經學習了Python編程的基礎知識（三種程序設計結構、函數、列表、字典），能夠利用編程解決簡單問題，但是這些問題涉及的知識點相對零散，很少觸及單元間知識的整合，知識點之間沒有形成從“點”到“面”的思考。考慮到本項目涉及的知識點較多，學生間編程素養存在較大差異，在項目要求層面分為普及版和提高版，學生可以根據自身的能力情況自主選擇。同時，提供知識點微課（視頻），幫助學生達成項目學習目標。

【課時安排】第1課時掌握自定義函數和字符串切片，第2、3課時涉及文件操作和字典運用。學生有3節課的時間完成該項目，能力較弱的學生可僅完成普及版。

植根生活，尋找項目素材——解密身份證。身份證是大家非常熟悉的、有生活經驗的素材，而且，身份證在編碼過程中有明確的規則，如地區、生日、性別等，這些可以通過Python的字符串操作輕松獲得相關信息，對此可以身份證研究為項目主體，將 Python中的三種程序設計結構（順序、分支、循環）、模塊化編程（函數）、簡單數據結構（字符串、列表、字典）、文件操作等融合其中。在完成這個案例的同時，相關知識點均得到了實際運用，這才是有意義的深度學習。在整個學習過程中，學生經歷了“總—分—總”的邏輯思維過程，首先鍛煉了分析、解構問題的能力，其次在完成子功能的過程中相關知識點得到了運用，最后將子模塊整合在一起，最終實現項目的完整功能。

（一）植根生活，需求分析

本項目分為普及版和提高版，分別具有以下功能。

【普及版】輸入一個18位身份證號，能夠顯示出生地、生日、性別。

【提高版】批量讀取某年級學生的身份證信息，批量顯示出生地、生日、性別、生肖、統計全年級男女生人數、江蘇籍或非江蘇籍人數、高一年級十大姓氏。

（二）分析建模，解構問題

要實現以上功能，需先進行問題分解和知識點運用梳理。

（三）迭代優化，逐步求精

身份證研究項目從最簡單的單個身份證號處理開始，能夠顯示出生地、生日、性別，這是普及版的項目需求，在此基礎上，逐步求精，拓展功能。

迭代優化1：處理單個身份證號—批處理身份證號

處理單個身份證：s=input（"請輸入你的身份證（18位）"）

批處理身份證號：f=open（"nstu.txt"） #nstu.txt中存放單個學生信息01，114010101，王君鑫，物化生，32058520070517xx24

for s in f：

......

f.close（）

迭代優化2：新增顯示生肖功能

def sx（s）：

l='鼠牛虎兔龍蛇馬羊猴雞狗豬' #將12生肖存儲在字符串l中，也可以用列表存放

x=int（s［-13：-9］）

r=（x-1900）%12

return（l［r］）

迭代優化3：統計全年級男女生人數、統計全年級江蘇籍/非江蘇籍人數

nl={"男"：0，"女"：0} #nl男女字典初始化

d={"江蘇"：0，"非江蘇"：0}? ?#d江蘇省非江蘇省字典初始化

def xb（s）：

x=int（s［-3：-2］）

if x%2==0：

nl［"女"］=nl［"女"］+1 #女生加1

return "女"

else：

nl［"男"］=nl［"男"］+1 # 男生加1

return "男"

def dq（s）：

p=s.rfind（'，'）

x=s［p+1：p+7］

f=open（"shudi.txt"）? ?#出生地列表：110 000=北京市

for l in f：

if x in l：

if l［7：10］=="江蘇省"：

d［"江蘇"］=d［"江蘇"］+1? ? ? ? # 江蘇省加1

else：

d［"非江蘇"］=d［"非江蘇"］+1? ? ? ? ? ? ? # 非江蘇省加1

return（l［7：10］）

break

f.close（）

迭代優化4：統計高一年級十大姓氏

xs_reverse = sorted（xs.items（）， key=lambda x： x［1］， reverse=True）

print（"高一十大姓氏："）

for x in xs_reverse［：10］：

print（x）

在此案例中，綜合運用了Python編程中的基礎知識點，并將這些知識靈活整合到一個案例中，既具有趣味性，又具有技術性，學生的學習興趣高漲，特別是能力比較強的學生，真切體會到了編程解決生活問題的樂趣。這個案例，隨著我們學習內容的深入，還能繼續迭代優化，進行功能拓展。

綜上，編程學習是高一信息技術教學的難點，如何讓編程教學優質高增效是一線教師一直探索的課題。在教學內容方面，教師要在科學性和趣味性之間尋找平衡點，要有大單元視角，從知識體系的全局出發，從生活中尋找主題和素材，讓學生在解決生活問題的過程中掌握編程技巧，提升信息素養。