賈積有 芮靜姝

（1.北京大學 教育學院教育技術系，北京 100871； 2.北京大學 信息科學技術學院，北京 100871）

引言

人工智能教育是關于人工智能知識的教育。人工智能知識包括概念、領域、實現技術與方法、應用和影響等多方面。其中，人工智能概念、領域、應用和影響可以在學校相關課程中介紹、普及，比如語文、外語、自然、信息技術和通用技術等。學習人工智能的實現技術與方法則需要學生具有一定的邏輯思維和形象思維能力、數學知識和英語知識。人工智能教育需要與學生的不同發(fā)展階段相適應，主要在信息技術類課程中實施。例如，學前階段和小學階段的編程教育可以采用可視化編程方法（如Scratch），以各種形式的機器人為載體，硬件和軟件緊密結合，學生需要既動手又動腦，在培養(yǎng)感性認識的基礎上培養(yǎng)學生的學習興趣，普及編程基本知識；在中學階段的編程教育則可以教授學生高級編程語言,如Python等。

國內關于中學生編程教育的研究大多聚焦于編程教育的歷史和現狀分析、課程模式設計、理論探討等；關于編程教育實踐的實證研究較少，基本都是碩士論文，其研究對象也基本上都是城市的學校和學生。關于農村中小學信息技術課程或者編程教育的期刊論文為數不多，大多是理論層面的探討，缺乏較為深入的實地調查和嚴格的實證研究。[1][2][3]

2019年2月，中共中央、國務院印發(fā)的《中國教育現代化2035》提出了推進教育現代化的八大基本理念，其中之一便是“更加注重面向人人”。這種“面向人人”的理念就是要保障每個學生都接受同樣優(yōu)質、全面的教育，當然也應該包括作為人工智能教育基礎的編程教育。為此，本文將以一所農村中學為例，調查農村中學生的編程能力，以大學生在該校的實踐活動為例，考查農村中學生編程能力的提升路徑和效果。

一、研究內容和方法

本文研究主要包括兩個方面的內容：(1)農村學生編程知識和計算思維基礎調查；(2)以暑期實踐方式教授農村學生編程知識和計算思維的方法和效果。

研究方法主要采用調查法、準實驗研究法和數據統(tǒng)計法。調查法通過發(fā)放調查問卷的方式，收集被調查者的態(tài)度、意見和建議。準實驗研究法是一種常用的教育科學研究方法，用來衡量某種教學手段或者技術對受試者的影響效果及其大小。數據統(tǒng)計法采用SPSS等統(tǒng)計分析軟件對收集到的數據進行相關分析，發(fā)現其中的規(guī)律。

二、研究過程

（一）編程教師

在北京大學2019年暑期實踐活動中，某學生社團組織了10名本科生到河南省一所農村初中進行教學實踐，包括計算機、心理學、性教育、手工課等非中考考試科目課程，為期一周。該實踐團的一位大二學生來自北京大學信息科學技術學院，編程能力較強，熱愛編程教育事業(yè),曾在北京某編程教育公司做過一個月的編程課程設計實習生，了解該公司的編程教育課程內容和設計理念。下面簡稱該生為編程教師。

（二）教材內容和輔助教學系統(tǒng)

編程教師采用北京某編程教育公司面向小學高年段（四年級到六年級）的零基礎學生的編程教育課程，對初中生進行編程教學，主要講授“Scratch入門”(共七節(jié)課)的第一節(jié)和第二節(jié)內容，包括以下知識點：順序執(zhí)行、移動、左轉右轉（代碼塊的用法）、循環(huán)結構、下一個造型（代碼塊）、事件的概念、坐標的概念。

為配合課程教學，該公司設計了在線輔助教學系統(tǒng)。每節(jié)課有兩個視頻和一個練習：第一個視頻根據劇情告訴學生遇到了什么問題和需要完成什么任務；第二個視頻具體梳理完成任務需要用到哪些代碼塊，給出一些小提示；練習環(huán)節(jié)是讓學生做選擇題，學生提交答案后，如果正確，系統(tǒng)會提示“過關”，然后就可以進入下一個頁面，如果錯誤，系統(tǒng)會彈出“再試試”，并根據錯誤給出提示，學生需要再次做題，直到正確為止。練習環(huán)節(jié)中有一個答疑窗口，學生提問后，線上教師做出解答。

（三）研究對象和實驗條件

該農村中學的三位校長高度重視這次實踐活動。授課對象是自愿報名的本校學生和附近鄉(xiāng)村的學生。校長通過家長微信群等方式向家長和學生推薦這個實踐活動，學生和家長都非常踴躍地報名參加。初中三個年級共有143名學生報名參加學習，每個年級50名左右。

學?；A條件較差，不過每間教室均配備了電子白板和可以上網的多媒體電腦。學校有一間配備了20臺電腦的機房，可以訪問互聯網。雖然有機房，但是學校沒有能教計算機課程的老師，因此機房常年空置。

（四）前測

2019年8月1日，學生集體到校，按照學齡分為七、八、九共三個年級,參加了書面前測，以便了解其編程基礎和相關信息。前測內容來自北京某編程教育公司招聘實習生和員工的試題，含20道單項選擇題，主要考查基本的編程知識和計算思維，包括順序結構、循環(huán)結構、條件判斷、邏輯運算、變量和常量、廣播、計時等內容。

針對學生相關信息設計了三道開放式問題：

（1）你在小學上過計算機課嗎？如上過，學了什么內容？

（2）你對編程有過了解嗎？談一談你對編程的了解。（自由發(fā)揮，任何形式都可以，比如講述你聽到的消息，或者講述一個發(fā)生在你身上的與編程有關的小故事）

（3）答完上面的問題，你對初中編程課的期待是什么？希望有怎么樣的授課形式和授課內容？

前測總時間為60分鐘，大部分學生45分鐘就做完交卷。我們選擇的對照組為編程教學公司招聘的實習生，他們要參加同樣內容的考試。從平均成績上看，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.0001）；七年級和九年級、八年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）；但是七年級和八年級之間的成績差異不顯著（p=0.655＞0.05）。最低的七年級學生居然掌握了46.9%的編程知識，八年級掌握了49.9%的編程知識，而九年級已經掌握了58.5%的編程知識。作為對照組的公司實習人員的編程知識平均接近100%。該農村初中三個年級學生的編程測試成績并非想象中那么差，平均得分接近50%。從離散程度上看，三個年級的標準差也不是很大。

對三個開放問題的回答表明，絕大部分同學沒有學過計算機知識，也沒有編程經歷。

（五）教學過程

在7天的實踐過程中，七年級和八年級各安排了2個下午的班級教學課程，每個下午3節(jié)課，每節(jié)課40分鐘，共240分鐘（4小時）的計算機班級教學課程。九年級先安排了兩節(jié)課在機房上機，每次40分鐘，共80分鐘的上機教學時間，學生每人一臺計算機，進入編程輔助教學網站，跟著系統(tǒng)自學課程，然后安排4節(jié)班級教學，共160分鐘。三個年級總課時相同，都是240分鐘。

課堂班級教學過程中，教師先在電子白板上板書、講解、演示，然后使用網上輔助教學系統(tǒng)，播放錄屏文件，按照關卡依次打開練習頁面，請同學們搶答。為保障公平，使每個同學都有回答的機會，教師會在舉手的同學里挑選沒有上過臺的同學到講臺上操作，下面的同學一起觀看，如果做錯了會請第二個同學來改正，如果還錯就再請別的同學來做，直到做對為止。最后，教師根據做題情況進行總結和梳理。

（六）后測

在一周教學結束之后，各個年級輪流在機房參加了后測。后測除了包含和前測完全一樣的20道選擇題，還增加了30道新的選擇題，著重考查學生的計算思維，難度稍大，后測結果如表1所示。

從平均成績上看，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.0001）；七年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）；但是七年級和八年級之間、九年級和八年級之間的成績差異不顯著（p＞0.05）。

表1 參加后測學生的總分對比

七年級學生掌握了51.6%的編程知識，八年級學生掌握了59.2%的編程知識，九年級學生掌握了63.1%的編程知識。作為對照組的公司實習人員的編程知識平均接近100%。注意到七、八、九年級的最高分分均不低于對照組的最低分36分。從離散程度上看，三個年級的離散程度仍然不大。

因為前測和后測的前20道題目相同，將其單獨分離出來分析，統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 參加后測學生的前20道題目得分對比

結果表明，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.0001）；七年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）,七年級和八年級的成績差異統(tǒng)計意義上顯著（p＜0.05）；但是九年級和八年級之間的成績差異不顯著（p＞0.05）。

從后測后30題的平均成績上看，七年級、八年級到九年級逐漸升高。獨立樣本T檢驗結果表明：三個年級和對照組的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）；七年級和九年級的成績差異統(tǒng)計意義上非常顯著（p＜0.01）,但是七年級和八年級、九年級和八年級的成績差異統(tǒng)計意義上不顯著（p＞0.05）。

因為前20道題目前測和后測內容完全相同，可以比較前測和后測的差異，統(tǒng)計結果如表3所示。

表3 后測和前測成對樣本T檢驗結果

所有年級的后測和前測相比，成績都有顯著性提高。其中八年級提高幅度最大，T檢驗p值＜0.01，均值提高了25.7%，效果量為0.71,說明效果非常明顯。七年級和九年級提高幅度接近,大于10%。全年級的整體提高幅度為14.5%，效果量為0.416，接近中等規(guī)模，效果顯著（p＜0.01）。這些統(tǒng)計結果表明，這種暑假支教方式的編程教育對于農村初中學生掌握編程知識而言，從成績的提升上看，有非常顯著的促進作用。

后測在計算機上進行，系統(tǒng)以秒為單位記錄了做題時間。統(tǒng)計結果表明：八年級用時最少（2139秒），七年級（2583秒）和九年級（2308秒）用時較多，但是都顯著小于對照組所用時間（4642秒）。成績無顯著性差異的八年級和九年級所使用時間也無顯著性差異（p=0.313＞0.05）；成績較差的七年級的使用時間顯著高于八年級（p=0.011），但是和九年級的差異無顯著性（p=0.129＞0.05）。

（七）學生感悟總結

在支教活動結束之前，編程教師請學生自愿提交書面感悟和總結。共收到120份，約占全部參加學習學生總數的83.9%。其中35份提到了編程課，占比29.2%。我們詳細分析了其文本內容，發(fā)現其可以大致概括為：編程學習非常新鮮，之前從未接觸過；編程課上，看動畫視頻、闖關的教學方式非常有趣，就像玩游戲一樣；老師手把手教學后學生自己克服了膽怯心理，勇敢嘗試編程。

三、研究結論和討論

概括以上研究過程和對所收集的數據分析的結果，可以得出以下結論。

編程教師采用北京高科技編程教育公司的入職面試書面題目測試學生的編程知識，以求職大學生的成績作為成績參照（對照組）。盡管農村中學生沒有系統(tǒng)地上過信息技術課程，但是他們的書面前測成績均分接近于滿分的50%，反映出農村中學生編程能力并非為零，甚至不是很差。年級越高，書面測試成績越好，所反映出來的編程能力越強。九年級學生的前測成績顯著高于八年級和七年級學生的前測成績。每個年級內的離散程度并不是很大。個別學生的成績?yōu)闈M分的85%，高于對照組的最低分。

經過一周共240分鐘的編程教學后，書面后測成績反映出來的農村中學生的編程能力都有了顯著提高。只看同樣內容的題目成績的話，全年級的整體提高幅度為14.5%，效果量為0.416,接近中等規(guī)模，效果顯著（p＜0.01）。其中八年級的提高幅度最大，均值提高了25.7%，效果量高達0.71?？梢?，這次大學生暑假實踐活動進行的編程教育有效地提高了農村初中學生的計算機編程知識。某些學生的成績?yōu)闈M分或者接近滿分。如果看后測全部內容成績的話，某些初中學生的成績也接近滿分，顯著高于對照組的最低分。

七年級和八年級學生都沒有上機操作，而是跟著編程教師在教室中集體學習；九年級學生在三分之一的時間中跟著網上教學系統(tǒng)單獨學習，三分之二的時間跟著編程教師在教室中集體學習；兩種學習方式的效果差別不大?？梢娫谌狈熧Y的條件下，網絡智能教學系統(tǒng)也可以起到與人類教師類似的教學效果。這與之前的研究發(fā)現相同[4]。這種混合式教學方式還充分發(fā)揮了廣大農村學校已經配備的計算機和網絡硬件資源的作用，避免了教育信息化建設資源的浪費。

學生提交的書面感悟表明，他們喜歡這種編程教學，不僅僅是因為這是第一次學習這類課程，還因為編程教師采用了游戲化闖關的教學方法和系統(tǒng)。

我們對上述結論產生的原因作了詳細的討論分析。

農村初中學生盡管沒有系統(tǒng)地上過信息技術課程，但是在參加與北京高科技企業(yè)招聘考試同樣內容的書面測驗中的總體表現卻比我們想象得好，個別初中生的成績甚至好于大學生求職者的成績。這個發(fā)現和之前我國相關研究中對農村學生信息技術和編程知識及能力的描述差別很大。從編程筆試題目的內容中可以看出，這些題目表面上考查編程能力，實際上更考查學生的邏輯思維能力，而這種邏輯思維能力在初中的數學、物理、語文等課程中都已經得到了訓練。學生年級越高，這種邏輯思維能力越強。所以，盡管沒有系統(tǒng)學習過編程知識，只要具有一定的邏輯思維能力，農村初中生照樣可以在編程知識的筆試中取得一定的成績，這種成績隨著年級升高而升高。

我們進一步取得了這所學校上個學期末的全科成績之后，對參加前測的學生的語文、數學、英語成績及其總和與編程成績進行了相關分析，結果如下：

①三個年級的編程前測和后測成績與三門學科成績及其總和都是在0.01的水平上顯著正相關（p＜0.01），也就是說，初中生的語文、數學、英語單科或者總成績越好，編程基礎越好，學習編程的效果也越好。

②七年級和八年級的數學成績與編程前測成績的相關系數最大（分別為0.52和0.69），而九年級的英語成績與編程前測成績的相關系數最大（0.59），七年級和九年級的三科總分與編程前測成績的相關系數都高于各個單科成績與編程前測成績的相關系數。

③三個年級的數學成績與后測成績（包括總分、前20題和后30題）的相關系數都是最大的。七年級和八年級數學與后測成績的相關系數也都高于三科總分與編程后測成績的相關系數，九年級的后測總分和后30題的成績與三科總分的相關系數高于其與數學成績的相關系數。

三點分析結果表明初中生的語文、數學和英語成績及其總分構成了其學習編程知識的基礎，也都對編程知識的學習效果有正面影響；數學和英語兩門課程對編程知識影響最大。

本研究對農村中學生編程知識和能力的考查僅僅局限于通過單選題形式的書面或者計算機上的測驗來實現，而不是讓學生在計算機上實際編程來實現。盡管有這樣的局限性，我們也不能否認理論引導實踐，學生的邏輯思維和理論基礎將指導其上機操作實踐。我們將在以后的研究中，考查學生的上機操作能力，并分析其與學校課程的關系。

四、政策建議

基于對北大學生志愿者暑期實踐活動中編程教學的分析結果，我們提出以下政策建議，以期對我國的編程教育和人工智能教育的發(fā)展以及實現教育公平提供參考。

中小學生編程教育是人工智能教育的重要基礎和組成部分，需要引起教育管理部門的高度重視。城市學校如此，農村學校也不例外。這是“面向人人”的教育理念、教育公平和均衡發(fā)展的重要體現。

中小學生編程知識與數學、英語和語文等學校常規(guī)課程高度正相關。受過中小學邏輯思維訓練的學生都具有一定的編程知識基礎，都可以接受更加專業(yè)的編程和人工智能知識教育。城市學生如此，農村學生也不例外。教育管理者要高度重視人工智能教育，更需要將人工智能教育與常規(guī)教育有機結合。

在農村中小學校編程教育師資力量匱乏的實際狀況下，優(yōu)秀大學生組成的假期實踐活動是一種高效可行的開展農村學校編程教育的途徑。這種活動不僅可以有效地給農村學生傳授編程和人工智能知識，也有助于大學生了解我國基礎教育的現狀。教育管理部門和高校應當給予政策、資金等方面的支持。

關于編程教育的具體形式，如果教師數量足夠的話，可以是教師講授為主；如果教師數量不足、教學質量有待提高的話，也可以采用教師講授與學生跟著網上教學系統(tǒng)自學相結合的混合式教學方式?；旌鲜浇虒W方式不僅能彌補農村學校在師資數量和教學質量兩個方面的欠缺，更能充分發(fā)揮教育信息化建設中配備的計算機和網絡硬件的作用。