基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的高中編程教學(xué)實(shí)踐

陳英

［摘 要］高中開(kāi)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(duì)高中編程教學(xué)的問(wèn)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(xiàng)目研究為例，闡述了高中編程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的具體實(shí)踐。

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

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

一、高中開(kāi)展編程教學(xué)的客觀需要

2017年對(duì)編程教學(xué)來(lái)說(shuō)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(tái)，國(guó)家在教育層面吹響了在中小學(xué)開(kāi)展編程教學(xué)的號(hào)角。

（一）高中開(kāi)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(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新以及信息社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)作為教學(xué)要點(diǎn)，特別是對(duì)學(xué)生計(jì)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(guò)編程教學(xué)，可培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題分解的意識(shí)和能力， 提升學(xué)生的計(jì)算思維水平，幫助學(xué)生適應(yīng)信息社會(huì)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(kāi)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(shí)明確了在中小學(xué)階段開(kāi)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(shí)現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)要素，在中小學(xué)階段開(kāi)展編程教學(xué)，是實(shí)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(wèn)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(diǎn)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(guò)教學(xué)聽(tīng)評(píng)課等活動(dòng)，筆者發(fā)現(xiàn)編程教學(xué)在實(shí)施中存在一些問(wèn)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(duì)編程課程的教學(xué)理解不夠深入，對(duì)編程教學(xué)目標(biāo)的定位不夠明確。編程是教學(xué)活動(dòng)的載體，通過(guò)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(jì)算思維，同時(shí)讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何分析與解決生活中遇到的實(shí)際問(wèn)題。在某些課例的授課環(huán)節(jié)，教師將教學(xué)重點(diǎn)放在編程基礎(chǔ)知識(shí)、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”：?jiǎn)栴}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(wèn)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(jiǎn)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(shí)會(huì)感覺(jué)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(shí)的限制，豐富有效的教學(xué)也難以開(kāi)展，如探究學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)等新型模式在編程教學(xué)中的運(yùn)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(jì)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(shí)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(xiàng)目問(wèn)題的設(shè)計(jì)，也應(yīng)側(cè)重算法思想和方法的綜合應(yīng)用，并突出計(jì)算思維和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

（三）教學(xué)過(guò)程未實(shí)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(shí)儲(chǔ)備，不具備獨(dú)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(guò)程中會(huì)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(diǎn)，講細(xì)一點(diǎn)”，留給學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考的時(shí)間和空間不夠，也就很難實(shí)現(xiàn)分層學(xué)習(xí)，最終，能力較差的學(xué)生沒(méi)學(xué)懂，能力強(qiáng)的學(xué)生沒(méi)學(xué)好，因?yàn)樽罱K的“作品”都一樣，沒(méi)有差異性和創(chuàng)造性，也不利于學(xué)生計(jì)算思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。高中編程教學(xué)必須堅(jiān)持以學(xué)生為主體，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生自主探索算法和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，掌握解決編程問(wèn)題的方法和步驟，進(jìn)而解構(gòu)知識(shí)，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(shí)施

隨著編程教學(xué)的日益普及，計(jì)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(diǎn)。要有效實(shí)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(shuō)：“生活即教育?！苯逃乃夭膽?yīng)該源自社會(huì)生活，以社會(huì)生活以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題，都是從生活中來(lái)，從生活中來(lái)的困難和疑問(wèn)，才是實(shí)際的問(wèn)題；用這種實(shí)際的問(wèn)題來(lái)求解決才是實(shí)際的學(xué)問(wèn)。

信息技術(shù)是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，技術(shù)的根本目的是解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，所以筆者會(huì)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(xiàng)目式教學(xué)不謀而合。教學(xué)的素材源自社會(huì)生活，對(duì)照我們的課堂教學(xué)，要關(guān)注以下幾點(diǎn)：首先，學(xué)習(xí)的問(wèn)題應(yīng)該是學(xué)生身邊的，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，是有生活經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題。這樣的問(wèn)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(huì)到技術(shù)的價(jià)值。其次，我們的課堂教學(xué)要緊緊圍繞這類生活問(wèn)題，圍繞認(rèn)知沖突，將生活問(wèn)題分解、解構(gòu)，用技術(shù)手段逐一擊破問(wèn)題中的困難和疑問(wèn)，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(wèn)題，圍繞問(wèn)題，解決生活中的真疑問(wèn)，回歸生活，尋找技術(shù)服務(wù)于生活的真價(jià)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(lái)，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(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這部分內(nèi)容高度抽象，也相對(duì)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(qiáng)的分析問(wèn)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(jì)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(duì)于大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)也絕非易事，因此在高一進(jìn)行編程教學(xué)時(shí)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(diǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)。教師應(yīng)在有趣、有用、有價(jià)值的基礎(chǔ)上兼顧程序設(shè)計(jì)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，將教學(xué)重點(diǎn)從編寫(xiě)代碼轉(zhuǎn)移到分析建模上，讓學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)生活中的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析、解構(gòu)、建模，以及將問(wèn)題抽象成數(shù)學(xué)模型。從編程解決問(wèn)題的一般過(guò)程來(lái)看，首先是分析問(wèn)題，其次是抽象建模，最后是編寫(xiě)代碼。由此可見(jiàn)，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(lái)說(shuō)，主要包括以下內(nèi)容：1.分析問(wèn)題（要解決什么問(wèn)題？這個(gè)問(wèn)題可以分解為哪些子問(wèn)題？用什么工具來(lái)解決問(wèn)題？）；2.抽象建模（每個(gè)子問(wèn)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(xiě)代碼（在厘清算法的基礎(chǔ)上使用合適的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的需求，解決實(shí)際問(wèn)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(shí)世界到數(shù)學(xué)抽象的過(guò)程。編程則是在模型的基礎(chǔ)上用具體的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果說(shuō)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(jiǎn)潔、高效，同理，離開(kāi)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(wèn)題的解構(gòu)和分解，教會(huì)學(xué)生如何分析建模，這樣學(xué)生才能掌握打開(kāi)編程之門(mén)的鑰匙。在日常教學(xué)中，教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展抽象建模的實(shí)踐，提供給學(xué)生抽象建模的時(shí)間和平臺(tái)，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(jiān)持“小步子”的教學(xué)策略?！靶〔阶印本褪瞧瘘c(diǎn)不要太高，從基本需求問(wèn)題解決開(kāi)始，讓學(xué)生初步體會(huì)到解決問(wèn)題的樂(lè)趣，接著，再逐步迭代優(yōu)化，這也是程序設(shè)計(jì)的基本思想：自頂向下，逐步求精。解決了基本問(wèn)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(dòng)化及批處理等。學(xué)生在實(shí)現(xiàn)新需求的過(guò)程中，知識(shí)和技能得到了拓展和提升；在解決問(wèn)題的過(guò)程中，問(wèn)題解決策略和編程思想方法得到了驗(yàn)證，計(jì)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(huì)選擇融合各個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(shí)，會(huì)選擇BMI例題；在講解循環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)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(shí)問(wèn)題，單元和單元之間彼此獨(dú)立，關(guān)聯(lián)度較差，不能形成案例聯(lián)結(jié)，前后知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)度差，案例不能體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)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(shí)迭代，對(duì)人類社會(huì)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(shí)碎片問(wèn)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(jì)結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單算法、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)融合在一個(gè)小項(xiàng)目中，項(xiàng)目從最簡(jiǎn)單、最基本的功能開(kāi)始，逐步求精，不斷提出新問(wèn)題，不斷考慮新思路，不斷實(shí)現(xiàn)新功能。這樣就能將零散知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)，使項(xiàng)目功能豐富起來(lái)，計(jì)算思維提升起來(lái)，學(xué)科思維拓展起來(lái)。這樣學(xué)生才能體會(huì)到技術(shù)在解決生活中的實(shí)際問(wèn)題上的價(jià)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例解析

下面，筆者以“身份證項(xiàng)目研究”為例，和大家一起探討高中編程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

【學(xué)情分析】在進(jìn)行本項(xiàng)目前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了Python編程的基礎(chǔ)知識(shí)（三種程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、函數(shù)、列表、字典），能夠利用編程解決簡(jiǎn)單問(wèn)題，但是這些問(wèn)題涉及的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)零散，很少觸及單元間知識(shí)的整合，知識(shí)點(diǎn)之間沒(méi)有形成從“點(diǎn)”到“面”的思考?？紤]到本項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生間編程素養(yǎng)存在較大差異，在項(xiàng)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(shí)，提供知識(shí)點(diǎn)微課（視頻），幫助學(xué)生達(dá)成項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)。

【課時(shí)安排】第1課時(shí)掌握自定義函數(shù)和字符串切片，第2、3課時(shí)涉及文件操作和字典運(yùn)用。學(xué)生有3節(jié)課的時(shí)間完成該項(xiàng)目，能力較弱的學(xué)生可僅完成普及版。

植根生活，尋找項(xiàng)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(yàn)的素材，而且，身份證在編碼過(guò)程中有明確的規(guī)則，如地區(qū)、生日、性別等，這些可以通過(guò)Python的字符串操作輕松獲得相關(guān)信息，對(duì)此可以身份證研究為項(xiàng)目主體，將 Python中的三種程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（順序、分支、循環(huán)）、模塊化編程（函數(shù)）、簡(jiǎn)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(gè)案例的同時(shí)，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)均得到了實(shí)際運(yùn)用，這才是有意義的深度學(xué)習(xí)。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了“總—分—總”的邏輯思維過(guò)程，首先鍛煉了分析、解構(gòu)問(wèn)題的能力，其次在完成子功能的過(guò)程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)得到了運(yùn)用，最后將子模塊整合在一起，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的完整功能。

（一）植根生活，需求分析

本項(xiàng)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(gè)18位身份證號(hào)，能夠顯示出生地、生日、性別。

【提高版】批量讀取某年級(jí)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(jì)全年級(jí)男女生人數(shù)、江蘇籍或非江蘇籍人數(shù)、高一年級(jí)十大姓氏。

（二）分析建模，解構(gòu)問(wèn)題

要實(shí)現(xiàn)以上功能，需先進(jìn)行問(wèn)題分解和知識(shí)點(diǎn)運(yùn)用梳理。

（三）迭代優(yōu)化，逐步求精

身份證研究項(xiàng)目從最簡(jiǎn)單的單個(gè)身份證號(hào)處理開(kāi)始，能夠顯示出生地、生日、性別，這是普及版的項(xiàng)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(gè)身份證號(hào)—批處理身份證號(hào)

處理單個(gè)身份證：s=input（"請(qǐng)輸入你的身份證（18位）"）

批處理身份證號(hào)：f=open（"nstu.txt"） #nstu.txt中存放單個(gè)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?；⑼谬埳唏R羊猴雞狗豬' #將12生肖存儲(chǔ)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(jì)全年級(jí)男女生人數(shù)、統(tǒng)計(jì)全年級(jí)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(jì)高一年級(jí)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(yùn)用了Python編程中的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，并將這些知識(shí)靈活整合到一個(gè)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(qiáng)的學(xué)生，真切體會(huì)到了編程解決生活問(wèn)題的樂(lè)趣。這個(gè)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(diǎn)，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(diǎn)，要有大單元視角，從知識(shí)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(wèn)題的過(guò)程中掌握編程技巧，提升信息素養(yǎng)。