陳英

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

［關(guān)鍵詞］項目式學(xué)習(xí)；身份證；編程教學(xué)

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

一、高中開展編程教學(xué)的客觀需要

2017年對編程教學(xué)來說很有意義。隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》和《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的出臺，國家在教育層面吹響了在中小學(xué)開展編程教學(xué)的號角。

（一）高中開展編程教學(xué)是發(fā)展學(xué)生信息素養(yǎng)的客觀需要

高中編程教學(xué)，圍繞信息素養(yǎng)，將信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新以及信息社會責(zé)任的培養(yǎng)作為教學(xué)要點，特別是對學(xué)生計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)有關(guān)鍵作用。通過編程教學(xué)，可培養(yǎng)學(xué)生問題分解的意識和能力， 提升學(xué)生的計算思維水平，幫助學(xué)生適應(yīng)信息社會的學(xué)習(xí)和生活，提升學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

（二）高中開展編程教學(xué)是人工智能發(fā)展的客觀需要

2017 年頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出了“全民智能教育”，同時明確了在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步推廣編程教育。 編程是實現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)要素，在中小學(xué)階段開展編程教學(xué)，是實現(xiàn)人工智能教育培養(yǎng)目標(biāo)的根本需要。

二、高中編程教學(xué)中存在的一些問題

編程教學(xué)，特別是算法教學(xué)是近幾年信息技術(shù)一線教師談?wù)摰臒狳c話題，如何讓編程教學(xué)深入淺出，值得信息技術(shù)一線教師持續(xù)探索。通過教學(xué)聽評課等活動，筆者發(fā)現(xiàn)編程教學(xué)在實施中存在一些問題。

（一）教學(xué)目標(biāo)未通達(dá)信息素養(yǎng)

高中信息技術(shù)教師對編程課程的教學(xué)理解不夠深入，對編程教學(xué)目標(biāo)的定位不夠明確。編程是教學(xué)活動的載體，通過編程教學(xué)，我們要讓學(xué)生獲得什么？普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)告訴我們，高中編程課程教學(xué)的核心是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，同時讓學(xué)生學(xué)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(huán)節(jié)，教師將教學(xué)重點放在編程基礎(chǔ)知識、代碼、算法的傳授上，而忽略了學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，這樣的教學(xué)是不完整、不全面的。編程教學(xué)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(chǔ)判斷、分析信息資源，科學(xué)合理地選擇算法進(jìn)行編程，最終解決問題。

（二）教學(xué)內(nèi)容不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

高中編程教學(xué)的主要內(nèi)容為算法和簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這部分內(nèi)容比較抽象復(fù)雜，學(xué)生初學(xué)時會感覺比較困難。由于內(nèi)容枯燥，與生活聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)乃至深度學(xué)習(xí)不易發(fā)生。又由于課時的限制，豐富有效的教學(xué)也難以開展，如探究學(xué)習(xí)、項目學(xué)習(xí)等新型模式在編程教學(xué)中的運用也受到限制，教學(xué)內(nèi)容與模式不易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。因此，教師在教學(xué)設(shè)計中應(yīng)避免復(fù)雜枯燥的教學(xué)內(nèi)容，將復(fù)雜抽象的算法進(jìn)行推演、解構(gòu)和建構(gòu)，并與實際生活相結(jié)合，這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。項目問題的設(shè)計，也應(yīng)側(cè)重算法思想和方法的綜合應(yīng)用，并突出計算思維和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

（三）教學(xué)過程未實現(xiàn)分層教學(xué)

高中編程教學(xué)較多的還是采用“講—學(xué)—練”模式。一方面，是由于學(xué)生缺少編程學(xué)習(xí)的知識儲備，不具備獨立進(jìn)行編程學(xué)習(xí)的能力；另一方面，編程學(xué)習(xí)，特別是算法學(xué)習(xí)難度大、要求高，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中會遇到各種各樣的困難，學(xué)習(xí)任務(wù)達(dá)成度較低。鑒于以上考慮，較多的教師傾向于“講多一點，講細(xì)一點”，留給學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考的時間和空間不夠，也就很難實現(xiàn)分層學(xué)習(xí)，最終，能力較差的學(xué)生沒學(xué)懂，能力強的學(xué)生沒學(xué)好，因為最終的“作品”都一樣，沒有差異性和創(chuàng)造性，也不利于學(xué)生計算思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。高中編程教學(xué)必須堅持以學(xué)生為主體，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生自主探索算法和簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，掌握解決編程問題的方法和步驟，進(jìn)而解構(gòu)知識，形成概念，建立認(rèn)知模型，架構(gòu)學(xué)習(xí)方法，提升學(xué)習(xí)效率。

三、高中編程教學(xué)的有效實施

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

（一）植根生活，尋找編程教學(xué)的切入口

陶行知先生說：“生活即教育。”教育的素材應(yīng)該源自社會生活，以社會生活以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的經(jīng)驗為中心。教學(xué)做合一，以生活為中心，怎樣做就怎樣學(xué)，怎樣學(xué)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(xué)問。

信息技術(shù)是一門技術(shù)學(xué)科，技術(shù)的根本目的是解決生活中的實際問題，所以筆者會將“技術(shù)服務(wù)于生活”的思想植根于課堂教學(xué)中。這與《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》倡導(dǎo)的項目式教學(xué)不謀而合。教學(xué)的素材源自社會生活，對照我們的課堂教學(xué)，要關(guān)注以下幾點：首先，學(xué)習(xí)的問題應(yīng)該是學(xué)生身邊的，對于他們來說，是有生活經(jīng)驗的問題。這樣的問題才能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能讓他們體會到技術(shù)的價值。其次，我們的課堂教學(xué)要緊緊圍繞這類生活問題，圍繞認(rèn)知沖突，將生活問題分解、解構(gòu)，用技術(shù)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(yīng)植根生活，發(fā)現(xiàn)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(shù)服務(wù)于生活的真價值。高中編程教學(xué)也必須遵循教育教學(xué)的基本規(guī)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(yǎng)分，才能找到編程教學(xué)的切入口。

（二）分析建模，打通編程教學(xué)

高中編程教學(xué)的主要內(nèi)容為算法和簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這部分內(nèi)容高度抽象，也相對枯燥。一方面，需要學(xué)生具備一定的數(shù)學(xué)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(xué)中涉及非數(shù)值計算：分治思想，其中包括二分查找、遞歸法等，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中也涉及線性結(jié)構(gòu)中的列表、字典和元組。這些內(nèi)容，對于大學(xué)計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說也絕非易事，因此在高一進(jìn)行編程教學(xué)時教師不能照搬照抄大學(xué)模式，不能將其視為大學(xué)先修課，必須在教學(xué)內(nèi)容的質(zhì)和量上進(jìn)行適度改造和創(chuàng)新，使其符合高一學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、心理特點和生活經(jīng)驗。教師應(yīng)在有趣、有用、有價值的基礎(chǔ)上兼顧程序設(shè)計的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，將教學(xué)重點從編寫代碼轉(zhuǎn)移到分析建模上，讓學(xué)生學(xué)會對生活中的實際問題進(jìn)行分析、解構(gòu)、建模，以及將問題抽象成數(shù)學(xué)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(xué)習(xí)的核心環(huán)節(jié)，起到承上啟下的作用。具體來說，主要包括以下內(nèi)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？）；3.編寫代碼（在厘清算法的基礎(chǔ)上使用合適的編程語言來實現(xiàn)項目的需求，解決實際問題）。

建模和編程的關(guān)系不可分割，互為表里。建模是從現(xiàn)實世界到數(shù)學(xué)抽象的過程。編程則是在模型的基礎(chǔ)上用具體的編程語言來實現(xiàn)。如果說建模是藝術(shù)，那么編程就是技術(shù)，兩者相互依托，不可分割。優(yōu)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(xué)中，教師要重視問題的解構(gòu)和分解，教會學(xué)生如何分析建模，這樣學(xué)生才能掌握打開編程之門的鑰匙。在日常教學(xué)中，教師要有意識地引導(dǎo)學(xué)生開展抽象建模的實踐，提供給學(xué)生抽象建模的時間和平臺，這樣才能打通編程教學(xué)。

（三）迭代優(yōu)化，精進(jìn)編程教學(xué)

高一編程教學(xué)受內(nèi)容難度和學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊兩方面因素的影響，必須堅持“小步子”的教學(xué)策略?！靶〔阶印本褪瞧瘘c不要太高，從基本需求問題解決開始，讓學(xué)生初步體會到解決問題的樂趣，接著，再逐步迭代優(yōu)化，這也是程序設(shè)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(chǔ)上，再提出新的需求，如界面優(yōu)化、功能拓展、自動化及批處理等。學(xué)生在實現(xiàn)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(chuàng)新能力也得到了升華。

在高中編程教學(xué)中，為了達(dá)到較好的教學(xué)效果，教師通常會選擇融合各個知識點的經(jīng)典例題進(jìn)行教學(xué)。比如，在教學(xué)分支結(jié)構(gòu)時，會選擇BMI例題；在講解循環(huán)結(jié)構(gòu)時，會選用1加到100的案例，等等。雖然這些案例在單元教學(xué)中非常具有代表性，但是也存在現(xiàn)實問題，單元和單元之間彼此獨立，關(guān)聯(lián)度較差，不能形成案例聯(lián)結(jié)，前后知識點之間的關(guān)聯(lián)度差，案例不能體現(xiàn)知識點的綜合應(yīng)用，因此，高階思維能力不能得到培養(yǎng)和提升。

AI的知識迭代，對人類社會產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響，編程教學(xué)也是如此。為了解決上面的知識碎片問題，在編程教學(xué)中教師需引入優(yōu)化迭代思想。將Python中的三種程序設(shè)計結(jié)構(gòu)、簡單算法、簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(xiàn)新功能。這樣就能將零散知識關(guān)聯(lián)起來，使項目功能豐富起來，計算思維提升起來，學(xué)科思維拓展起來。這樣學(xué)生才能體會到技術(shù)在解決生活中的實際問題上的價值，才能領(lǐng)悟技術(shù)服務(wù)于生活的學(xué)科思想。

四、高中編程項目式學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)。

【學(xué)情分析】在進(jìn)行本項目前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了Python編程的基礎(chǔ)知識（三種程序設(shè)計結(jié)構(gòu)、函數(shù)、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(xué)生間編程素養(yǎng)存在較大差異，在項目要求層面分為普及版和提高版，學(xué)生可以根據(jù)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(xué)生達(dá)成項目學(xué)習(xí)目標(biāo)。

【課時安排】第1課時掌握自定義函數(shù)和字符串切片，第2、3課時涉及文件操作和字典運用。學(xué)生有3節(jié)課的時間完成該項目，能力較弱的學(xué)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(jīng)驗的素材，而且，身份證在編碼過程中有明確的規(guī)則，如地區(qū)、生日、性別等，這些可以通過Python的字符串操作輕松獲得相關(guān)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(shè)計結(jié)構(gòu)（順序、分支、循環(huán)）、模塊化編程（函數(shù)）、簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（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(guān)知識點均得到了實際運用，這才是有意義的深度學(xué)習(xí)。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生經(jīng)歷了“總—分—總”的邏輯思維過程，首先鍛煉了分析、解構(gòu)問題的能力，其次在完成子功能的過程中相關(guān)知識點得到了運用，最后將子模塊整合在一起，最終實現(xiàn)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(xué)生的身份證信息，批量顯示出生地、生日、性別、生肖、統(tǒng)計全年級男女生人數(shù)、江蘇籍或非江蘇籍人數(shù)、高一年級十大姓氏。

（二）分析建模，解構(gòu)問題

要實現(xiàn)以上功能，需先進(jìn)行問題分解和知識點運用梳理。

（三）迭代優(yōu)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(chǔ)上，逐步求精，拓展功能。

迭代優(yōu)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(xué)生信息01，114010101，王君鑫，物化生，32058520070517xx24

for s in f：

......

f.close（）

迭代優(yōu)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(yōu)化3：統(tǒng)計全年級男女生人數(shù)、統(tǒng)計全年級江蘇籍/非江蘇籍人數(shù)

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(yōu)化4：統(tǒng)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(chǔ)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(shù)性，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣高漲，特別是能力比較強的學(xué)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(xué)習(xí)內(nèi)容的深入，還能繼續(xù)迭代優(yōu)化，進(jìn)行功能拓展。

綜上，編程學(xué)習(xí)是高一信息技術(shù)教學(xué)的難點，如何讓編程教學(xué)優(yōu)質(zhì)高增效是一線教師一直探索的課題。在教學(xué)內(nèi)容方面，教師要在科學(xué)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(fā)，從生活中尋找主題和素材，讓學(xué)生在解決生活問題的過程中掌握編程技巧，提升信息素養(yǎng)。