人工智能时代下基于计算思维的阶梯式编程教育的校本实践近日,第二届安徽省青少年 AI 编程普及活动合肥-六安城市选拔活动获奖结果公布,赛事紧扣当下人工智能与编程领域的热门趋势,精心设置GoC、Scratch图形化编程、Python、AIGC、C++等多元竞赛项目,按小学低年级组、小学高年级组、初中组分级竞技。合肥一六八玫瑰园学校积极组织同学参赛,取得骄人成绩,其中特等奖1人,一等奖12人,二等奖13人,三等奖14人,总计40人获奖。
一.课程内容
学校青少年编程社团以“兴趣引领、分层培养”为理念,构建“科普型—提升型—实践型—展示型”四级课程体系,依托“探索—发现—创造”的教学模式,系统培养学生的计算思维与综合能力,形成“以赛促学、以赛促教、以赛育人”的良性循环。
图1 课程内容、班型及层面对应图示
二.实践案例
建立探索-发现-创造的教学模式,将计算思维的四要素(分解、模式识别、抽象、算法设计)融入到课堂计算思维实践中,按照“问题聚焦-算法描述-创造-修正优化-再创造”的策略阶梯式的进行计算思维培养。
表1 编程社团课例:计算两个数的和
教学流程 | 具体阐释 |
问题聚焦 | 教师提出问题:如何计算两个数的和?教师引导学生分析问题并分解任务。在此过程中,学生发现:先说出一个数a,接着说出一个数b,最后计算a+b的值,就可以完成任务。学生通过思考和实践,能够用自然语言描述解决问题的步骤,奠定了计算思维的基础,这就是a阶计算思维实现的过程。 |
算法描述 | 流程图作为一种可视化工具,是连接具体操作和抽象编程思维的桥梁。对于简单问题,教师引导学生独立绘制流程图。对于较复杂、学生难以理解的问题,教师通过展示流程图帮助学生形成解决问题的思维框架,逐步提升计算思维能力。学生需要学会根据问题需求,判断选择合适的程序结构来解决问题。本例中计算两个数的和,显然应采用顺序结构来实现。 |
创造 | 将计算的方法逐步迁移到编程环境中,这一过程可以分为两个阶段,因为有Scratch学习的基础,学生先从流程图过渡到Scratch语言,再由Scratch过渡到C++,从已知到未知,实现知识的迁移,加深理解。 |
修正优化 | 学生运行程序后,需要判断运行结果是否和预设一致。如果不一致,需要回到“创造”阶段,深入剖析解决方案中的潜在问题,并精准定位到症结所在,进行有针对性的修改和完善。 |
再创造 | 教师引导学生对程序进行反思,概括总结此类问题的解决方法,将此类问题的解决方法迁移到类似其他问题中,通过实践使学生的计算思维能力进一步提高。 |
三.课程实施
1.实施方法
我校一直倡导一切活动即课程,全员参与,主动发展。编程课程针对不同梯队的学生设计不同类型的课程内容,呈现阶梯式螺旋上升,培养计算思维能力。
启蒙班,主要面对三年级学生,开展语言过渡学习期,主要以图形化编程Scratch为主。Scratch软件是针对儿童设计的图形化简易式编程工具,相比于传统编程软件,它的使用方法是以搭积木的方式对程序进行“编写”,操作简单且编程语言通俗易懂,内容多种多样,适合编程起步阶段的学习。
基础班,主要针对四、五年级学生,同学们对Scratch有了基本的掌握后,对基本的程序结构有了初步的了解,然后以C++社团为依托,开设C++基础语言课程(基础语言篇)。对比 Scratch 图形化编程,C++更加强调学生思维的严谨性。
提高班,主要针对六年级学生,开设C++基础算法课程(基础算法篇)。算法内容难度较大,这就要求学生进一步融会贯通,在学习中做到学以致用。
进阶班,主要针对初中学生,以校队课和集训课形式开展,参加各级各类符合青少年身心健康的科技活动,提升学生的综合素养。
2.实施中遇到的挑战和解决策略
Scratch语言实施阶段:
遇到挑战:部分同学不能基于自然语言的解决方法抽象出Scratch语言能够识别的模型,导致作品完成度不高;而个别完成任务的同学,教师在课堂上也没有预留时间进行展示分享。
解决策略:小学生计算思维的培养不能一蹴而就,Scratch编程教学中应根据计算思维的结构特点和三年级学生的年龄、认知特点阶梯式的进行计算思维实践。另一方面计算思维的能力是复合的,而不是单一的,学生的语言表达能力也支撑着计算思维的实施与发展,课堂上应预留学生分享、修正作品的时间。
C++语言实施阶段:
遇到挑战:对于简单的顺序结构,学生尚可以完成,但涉及到需要使用分支结构、循环结构解决问题时,学生作品完成率不高;对于较复杂的问题,学生不能清晰完整地描述解决过程,更难以将这些思路抽象为C++编程语言的模型。
解决策略:不同年龄段的学生具备的抽象能力不同,对于四、五年级的小学生来说,教师还需要通过恰当的形式化表达,架起自然语言和编程语言之间沟通的桥梁。通过计算思维实践,发现流程图可以较好的构筑起这条关键“桥梁”,算法描述越准确,学生越容易抽象C++语言能够识别的模型,最终实现使用C++语言自动化的解决问题。
四.赛事成效与未来展望
作为全国中小学科学教育实验校与安徽省信息学金牌学校,合肥一六八玫瑰园学校始终以教育强国战略为指引,深入贯彻《中小学科学教育工作指南》精神,构建“课程—活动—文化”三位一体的科学教育生态。学校通过国家课程奠基、地方课程拓展、校本课程创变,开发贯通小初高的科技课程群;打造人工智能实验室、跨学科创新工作坊等前沿实践空间;与中科大、合工大、安大等高校共建“未来科学家”培养基地,形成“小学—中学—大学—科研院所”协同育人链条。学校在青少年编程教育中取得的成就是科技蓝点缀玫瑰红校园文化的缩影。我们坚持“把每一位学生都放在心上,让科学精神融入学生成长血脉。”学校将继续深化科学教育改革,推进课程创新与资源整合,培育更多具有家国情怀、创新能力和国际视野的未来栋梁,为加快建设教育强国、科技强国贡献玫瑰园力量!