初中生编程教育实践

付东升 朱新飞 高松

备注：本文系福建省电化教育馆“中小学生人工智能计算思维与编程教学实践研究”（闽教电馆KT2010）研究成果

摘要：随着社会进步，国家对创新人才的需求与日俱增。编程教育作为创新人才培养的一项有效途径，其地位也在国内逐渐受到重视。在初中阶段如何有效的开展编程教育，本文将就编程教育在开展中，软硬件相结合的教学模式进行介绍，以期对广大一线编程教育的教师队伍起到参考作用。

关键词：初中 编程教育 软硬件结合 实践研究

中图分类号：G633.67

一、引言

一些发达国家在2014年就将编程教育纳入到了他们的课程标准或教学大纲之中，编程教育已经纳入其中，并且要求编程教育从一年级就开始。[1]对于我国的编程教育而言，现在也在逐步得到重视，在2017年我国就印发了《新一代人工智能发展规划》，我国也提出了在中小学阶段需要设置相关课程。现今对编程教育的研究已经在逐年增加，但使用软硬件相结合的编程教育方式还较少，这种方式让学生在动手中学习，在学习中实践，对编程学习起到了促进作用，本文就将通过软硬件结合的教学方式进行编程教学探究进行介绍。

二、中小学编程教育现状

随着发达国家对编程教育的愈发重视，我国对编程教育的重视也达到了一个新的高度。编程课堂在各省市的部分学校也逐步得到了重视，不过当下课堂的编程教学，根据一项针对初中编程课程的调查数据显示，有18%的学生提到自己的学校是有开设编程课程的，有四分之一的同学提到有听过相关的讲座，40%的学生提到还未接触过此类课程。[2]在学习过编程的同学中，调查显示大部分孩子在学习之初对编程教育感兴趣，但随着难度的增加，对编程的喜欢程度便逐步下降。

我校在开展编程教育的初期也是遇到这样的问题，学生在学习初期，对人工智能时代的充满向往，对编程有着较高的学习热情。但是在随着编程语言难度的加大，学生的学习热情便逐渐的退却。在编程教育的初期，我校教师的授课方式使用的是较为传统的知识讲授式，这也不禁让我校教师在教学过程中去探索新教学模式，从而重新激发起学生们的学习热情。

三、软硬件相结合的编程教育模式

软硬件的教学模式，在当下在教育领域较多以创客的形式存在。在学习学科知识的同时培养创新思维;图形化编程、开源硬件等编程课程可以开展相关创客活动，实现创意代码搭建;3D打印等原型化动手课程、由软件搭建代码控制配件的物理交互式课程也可以按照创客学习活动形式开展动手实操类课程。

（一）软硬件相结合的常态化课堂应用

就目前来说，这类创客类的课程在学校内并不是主流课程，它们大都出现在科技馆、创客培训机构等。我校在编程教育的探索中，在硬件融入编程的过程中，选用了采用图形化编程的硬件开发板。在不断的教学探索过程中，逐渐形成了较为完善的课程，来提升学生对编程的学习兴趣。

以我校开展的采用图形化编程的硬件开发板课程《火箭发射》为例，介绍在课堂中如何将编程教育与软硬件相结合。

首先《火箭发射》这节课，需要学生能够熟练运用for循环和set_pixel（）的使用。对于for循环的教学，对有接触过编程教育的老师来说都再非常熟悉，这是编程学习不可或缺的部分。在实际的编程教育中，到学习for循环开始，学生的就逐渐对编程教育开始产生的畏难情绪，对循环的概念与运用的理解出现了困难。我校在编程教学初期，大多也是采用例题讲解的形式，对于一半左右的学生在知识接受反馈中，都不同程度的产生了理解不够充分的现象。基于此现象，我们运用软硬件结合的方式进行了教学形式的重构，下面我们就将对本节课的教学设计做一个介绍，以期对编程教育工作者能够带来参考。

1、结合实际的情境导入

为本节课创设一个好的情境，对课程各环节的贯穿起到了很好的引导作用。在本节课中，教师通过PPT呈现火箭发射的图片，介绍国家时事;然后通过视频播放一个一分钟的关于我国火箭发射的视频，引出本节课的学习内容为采用图形化编程的硬件开发板制作火箭发射，并对火箭的用途进行简单介绍。这样的情境导入，既能让后续的教学围绕火箭发射来进行程序设计变得合情合理，又能切合当下的科技发展，激发学生的民族自豪感，起到爱国教育，体现核心主义价值观。

2. for循环在硬件中的应用

以往学生在學习for循环的学习过程中，产生了畏难的情绪，在本节课的教学中就应用软硬件教学，尝试运用此方法来解决这一痛点。

首先在教学设计中，先通过图形化的for循环运用，在图形化编程软件的程序界面实现火箭升空的效果。图形化编程软件可以直观的让学生看到通过编程设计，随后图形化编程的硬件开发板块将会模拟呈现其效果，这个步骤就直接给了学生一种直观的感受，对学生的学习兴趣提升是有极大的帮助。

基于效果的实现，我们就将平时枯燥的代码，通过图形化编程的硬件开发板这一教学硬件，通过开发板上的亮灯效果，实现火箭升空的简单模拟动画效果。可以说此时for循环的效果得到了最直接的体现，学生手中的图形化编程的硬件开发板就能看到运用循环结构后的亮灯效果。通过观察，学生为了实现这一效果，主动学习语言的能动性得到了提升，原先那些在班级学习较为困难的学生，也纷纷与小组同学互动，实现自己手中硬件的效果。

（二）软硬件相结合的兴趣特长课程开展

程序能够控制机器工作，这是编程教育的一个实现价值的一个重要途径。让一个程序变得有意义，变得直观，硬件的结合就发挥了重要作用。在开展编程教育教学中，我校还开展了一系列的软硬件结合的编程兴趣特长课程。

该课程有无人机编程、机甲大师编程、鲸鱼机器人编程等，这类课程都很好的将编程与硬件相结合。学生在学习过程中，都充分发挥出了自主性。这与硬件带来的良好、实时互动性密不可分。学生的编程后的程序，能够快速直观的在硬件中得到反馈，这种任务驱动式的反馈效果，对学生的产生了正向效果，从而提升了自主性。

如在我校在鲸鱼机器人编程教育的过程中，学生需要通过编程驱动机器小车自主巡线，到达任务地点后，小车还需要通过设定的程序驱动舵机进行机械臂的操作。往往一个程序的长度达到近百行，这在平时的纯粹只有代码学习的课堂中，学生要掌握这种量级的代码是及其困难的，一个班级中只有少数优生才能实现。但是通过小车的编程教育，普通程度的学生便能掌握这样的代码量。而且在这个过程，发现学生不仅是能运用该程序，同时还掌握了如何修正代码的能力。学生通过代码的不断调试，从而最终完成任务。在鲸鱼机器人的编程教学中，学生仅仅利用了两个的月课余时间学习，便能够熟练的进行该编程代码的操作，在参加世界机器人大赛的赛事，还获得了不俗的成绩。可见软硬件相结合的编程教学方式，对促进学生的学习促进是明显的。

四、结语

通过我校一年的软硬件结合的编程教育的探究，可以发现软硬件结合的编程教育的优势明显。学生在动手操作中实现了程序学习，原来晦涩难懂的编程题目转变成了直观的硬件呈现，学生的学习兴趣得到了很好的调动。整体的学习效率和学习效果都得到了提升。

但是软硬件教学的在提升教学效果的同时，也是有其不足之处。首选这种教学方式需要学校投入一定的资金购买相应的教学设备，其次是设备存在损坏的情况，我校在教学过程中就发现硬件的损坏率在一年后达到了30%，需要不断补充教学设备;最后便是设备的管理，这里涉及到课堂中的教学设备管理和课后的设备整理，都需要教师额外付出精力。

虽然软硬件相结合的编程教育还存在着不足，但是其给孩子带来的教育成长是可见的，对于有条件的学校，开展软硬件相结合的编程教育是一项不错的教学方式，值得编程教育工作者进行教学实践应用。

[1] 康建朝.芬兰中小学编程教育的缘起、实践路径与特征〔J〕.电化教育研究，2021，（08）∶101-107

[2]张洁 金毛玉 刘凯.我国中小学编程教育的发展路径及策略研究〔J〕.科技风，2021，（15）∶61-62