基于项目式学习的高中编程教学实践

陈英

［摘 要］高中开展编程教学是发展学生信息素养的客观需要，也是人工智能发展的客观需要。文章针对高中编程教学的问题，提出了植根生活、分析建模、迭代优化等有效教学措施，并以身份证项目研究为例，阐述了高中编程项目式学习的具体实践。

［关键词］项目式学习；身份证；编程教学

［中图分类号］ G633.67 ［文献标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）26-0088-04

一、高中开展编程教学的客观需要

2017年对编程教学来说很有意义。随着《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》和《新一代人工智能发展规划》的出台，国家在教育层面吹响了在中小学开展编程教学的号角。

（一）高中开展编程教学是发展学生信息素养的客观需要

高中编程教学，围绕信息素养，将信息意识、计算思维、数字化学习与创新以及信息社会责任的培养作为教学要点，特别是对学生计算思维、数字化学习与创新素养的培养有关键作用。通过编程教学，可培养学生问题分解的意识和能力， 提升学生的计算思维水平，帮助学生适应信息社会的学习和生活，提升学生的数字化学习与创新能力。

（二）高中开展编程教学是人工智能发展的客观需要

2017 年颁布的《新一代人工智能发展规划》中提出了“全民智能教育”，同时明确了在中小学阶段开设人工智能相关教学内容，进一步推广编程教育。 编程是实现人工智能的基础要素，在中小学阶段开展编程教学，是实现人工智能教育培养目标的根本需要。

二、高中编程教学中存在的一些问题

编程教学，特别是算法教学是近几年信息技术一线教师谈论的热点话题，如何让编程教学深入浅出，值得信息技术一线教师持续探索。通过教学听评课等活动，笔者发现编程教学在实施中存在一些问题。

（一）教学目标未通达信息素养

高中信息技术教师对编程课程的教学理解不够深入，对编程教学目标的定位不够明确。编程是教学活动的载体，通过编程教学，我们要让学生获得什么？普通高中信息技术课程标准告诉我们，高中编程课程教学的核心是培养学生的计算思维，同时让学生学会如何分析与解决生活中遇到的实际问题。在某些课例的授课环节，教师将教学重点放在编程基础知识、代码、算法的传授上，而忽略了学生信息素养的培养，这样的教学是不完整、不全面的。编程教学不仅仅是代码，而是代码背后的“能力组合”：问题界定、特征抽象、建模组织，以此为基础判断、分析信息资源，科学合理地选择算法进行编程，最终解决问题。

（二）教学内容不易激发学生的学习兴趣

高中编程教学的主要内容为算法和简单数据结构，这部分内容比较抽象复杂，学生初学时会感觉比较困难。由于内容枯燥，与生活联系不够紧密，学生的有意义学习乃至深度学习不易发生。又由于课时的限制，丰富有效的教学也难以开展，如探究学习、项目学习等新型模式在编程教学中的运用也受到限制，教学内容与模式不易激发学生学习兴趣。因此，教师在教学设计中应避免复杂枯燥的教学内容，将复杂抽象的算法进行推演、解构和建构，并与实际生活相结合，这样才能激发学生的学习兴趣。项目问题的设计，也应侧重算法思想和方法的综合应用，并突出计算思维和创新意识的培养。

（三）教学过程未实现分层教学

高中编程教学较多的还是采用“讲—学—练”模式。一方面，是由于学生缺少编程学习的知识储备，不具备独立进行编程学习的能力；另一方面，编程学习，特别是算法学习难度大、要求高，学生在完成任务的过程中会遇到各种各样的困难，学习任务达成度较低。鉴于以上考虑，较多的教师倾向于“讲多一点，讲细一点”，留给学生自主学习和思考的时间和空间不够，也就很难实现分层学习，最终，能力较差的学生没学懂，能力强的学生没学好，因为最终的“作品”都一样，没有差异性和创造性，也不利于学生计算思维和创新能力的培养。高中编程教学必须坚持以学生为主体，发挥学生的主观能动性，让学生自主探索算法和简单数据结构等内容，掌握解决编程问题的方法和步骤，进而解构知识，形成概念，建立认知模型，架构学习方法，提升学习效率。

三、高中编程教学的有效实施

随着编程教学的日益普及，计算思维成为数字公民必备的核心素养，编程教学作为其主要培养载体引起广泛关注。算法是编程的灵魂，也是信息科技教学的核心，更是编程教学的重难点。要有效实施编程教学可从以下方面入手。

（一）植根生活，寻找编程教学的切入口

陶行知先生说：“生活即教育。”教育的素材应该源自社会生活，以社会生活以及在此基础上产生的经验为中心。教学做合一，以生活为中心，怎样做就怎样学，怎样学就怎样教。所有的问题，都是从生活中来，从生活中来的困难和疑问，才是实际的问题；用这种实际的问题来求解决才是实际的学问。

信息技术是一门技术学科，技术的根本目的是解决生活中的实际问题，所以笔者会将“技术服务于生活”的思想植根于课堂教学中。这与《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》倡导的项目式教学不谋而合。教学的素材源自社会生活，对照我们的课堂教学，要关注以下几点：首先，学习的问题应该是学生身边的，对于他们来说，是有生活经验的问题。这样的问题才能更好地激发学生的学习兴趣，才能让他们体会到技术的价值。其次，我们的课堂教学要紧紧围绕这类生活问题，围绕认知冲突，将生活问题分解、解构，用技术手段逐一击破问题中的困难和疑问，让课堂具有生命力。我们应植根生活，发现生活中的真问题，围绕问题，解决生活中的真疑问，回归生活，寻找技术服务于生活的真价值。高中编程教学也必须遵循教育教学的基本规律，从生活中来，到生活中去。只有植根生活，从生活中汲取教育的灵感与养分，才能找到编程教学的切入口。

（二）分析建模，打通编程教学

高中编程教学的主要内容为算法和简单数据结构，这部分内容高度抽象，也相对枯燥。一方面，需要学生具备一定的数学功底，也需要具备较强的分析问题、抽象建模的能力。特别是算法模块，高一编程教学中涉及非数值计算：分治思想，其中包括二分查找、递归法等，数据结构中也涉及线性结构中的列表、字典和元组。这些内容，对于大学计算机专业的学生来说也绝非易事，因此在高一进行编程教学时教师不能照搬照抄大学模式，不能将其视为大学先修课，必须在教学内容的质和量上进行适度改造和创新，使其符合高一学生的认知规律、心理特点和生活经验。教师应在有趣、有用、有价值的基础上兼顾程序设计的科学性和严谨性，将教学重点从编写代码转移到分析建模上，让学生学会对生活中的实际问题进行分析、解构、建模，以及将问题抽象成数学模型。从编程解决问题的一般过程来看，首先是分析问题，其次是抽象建模，最后是编写代码。由此可见，抽象建模是编程学习的核心环节，起到承上启下的作用。具体来说，主要包括以下内容：1.分析问题（要解决什么问题？这个问题可以分解为哪些子问题？用什么工具来解决问题？）；2.抽象建模（每個子问题如何解决？需要用到哪些算法和数据结构？）；3.编写代码（在厘清算法的基础上使用合适的编程语言来实现项目的需求，解决实际问题）。

建模和编程的关系不可分割，互为表里。建模是从现实世界到数学抽象的过程。编程则是在模型的基础上用具体的编程语言来实现。如果说建模是艺术，那么编程就是技术，两者相互依托，不可分割。优秀的模型能够让编程简洁、高效，同理，离开了编程，建模也只能是空中楼阁，纸上谈兵。在高一编程教学中，教师要重视问题的解构和分解，教会学生如何分析建模，这样学生才能掌握打开编程之门的钥匙。在日常教学中，教师要有意识地引导学生开展抽象建模的实践，提供给学生抽象建模的时间和平台，这样才能打通编程教学。

（三）迭代优化，精进编程教学

高一编程教学受内容难度和学生基础参差不齐两方面因素的影响，必须坚持“小步子”的教学策略。“小步子”就是起点不要太高，从基本需求问题解决开始，让学生初步体会到解决问题的乐趣，接着，再逐步迭代优化，这也是程序设计的基本思想：自顶向下，逐步求精。解决了基本问题后，在此基础上，再提出新的需求，如界面优化、功能拓展、自动化及批处理等。学生在实现新需求的过程中，知识和技能得到了拓展和提升；在解决问题的过程中，问题解决策略和编程思想方法得到了验证，计算思维、创新能力也得到了升华。

在高中编程教学中，为了达到较好的教学效果，教师通常会选择融合各个知识点的经典例题进行教学。比如，在教学分支结构时，会选择BMI例题；在讲解循环结构时，会选用1加到100的案例，等等。虽然这些案例在单元教学中非常具有代表性，但是也存在现实问题，单元和单元之间彼此独立，关联度较差，不能形成案例联结，前后知识点之间的关联度差，案例不能体现知识点的综合应用，因此，高阶思维能力不能得到培养和提升。

AI的知识迭代，对人类社会产生了广泛而深远的影响，编程教学也是如此。为了解决上面的知识碎片问题，在编程教学中教师需引入优化迭代思想。将Python中的三种程序设计结构、简单算法、简单数据结构融合在一个小项目中，项目从最简单、最基本的功能开始，逐步求精，不断提出新问题，不断考虑新思路，不断实现新功能。这样就能将零散知识关联起来，使项目功能丰富起来，计算思维提升起来，学科思维拓展起来。这样学生才能体会到技术在解决生活中的实际问题上的价值，才能领悟技术服务于生活的学科思想。

四、高中编程项目式学习案例解析

下面，笔者以“身份证项目研究”为例，和大家一起探讨高中编程项目式学习。

【学情分析】在进行本项目前，学生已经学习了Python编程的基础知识（三种程序设计结构、函数、列表、字典），能够利用编程解决简单问题，但是这些问题涉及的知识点相对零散，很少触及单元间知识的整合，知识点之间没有形成从“点”到“面”的思考。考虑到本项目涉及的知识点较多，学生间编程素养存在较大差异，在项目要求层面分为普及版和提高版，学生可以根据自身的能力情况自主选择。同时，提供知识点微课（视频），帮助学生达成项目学习目标。

【课时安排】第1课时掌握自定义函数和字符串切片，第2、3课时涉及文件操作和字典运用。学生有3节课的时间完成该项目，能力较弱的学生可仅完成普及版。

植根生活，寻找项目素材——解密身份证。身份证是大家非常熟悉的、有生活经验的素材，而且，身份证在编码过程中有明确的规则，如地区、生日、性别等，这些可以通过Python的字符串操作轻松获得相关信息，对此可以身份证研究为项目主体，将 Python中的三种程序设计结构（顺序、分支、循环）、模块化编程（函数）、简单数据结构（字符串、列表、字典）、文件操作等融合其中。在完成这个案例的同时，相关知识点均得到了实际运用，这才是有意义的深度学习。在整个学习过程中，学生经历了“总—分—总”的逻辑思维过程，首先锻炼了分析、解构问题的能力，其次在完成子功能的过程中相关知识点得到了运用，最后将子模块整合在一起，最终实现项目的完整功能。

（一）植根生活，需求分析

本项目分为普及版和提高版，分别具有以下功能。

【普及版】输入一个18位身份证号，能够显示出生地、生日、性别。

【提高版】批量读取某年级学生的身份证信息，批量显示出生地、生日、性别、生肖、统计全年级男女生人数、江苏籍或非江苏籍人数、高一年级十大姓氏。

（二）分析建模，解构问题

要实现以上功能，需先进行问题分解和知识点运用梳理。

（三）迭代优化，逐步求精

身份证研究项目从最简单的单个身份证号处理开始，能够显示出生地、生日、性别，这是普及版的项目需求，在此基础上，逐步求精，拓展功能。

迭代优化1：处理单个身份证号—批处理身份证号

处理单个身份证：s=input（"请输入你的身份证（18位）"）

批处理身份证号：f=open（"nstu.txt"） #nstu.txt中存放单个学生信息01，114010101，王君鑫，物化生，32058520070517xx24

for s in f：

......

f.close（）

迭代优化2：新增显示生肖功能

def sx（s）：

l='鼠牛虎兔龙蛇马羊猴鸡狗猪' #将12生肖存储在字符串l中，也可以用列表存放

x=int（s［-13：-9］）

r=（x-1900）%12

return（l［r］）

迭代优化3：统计全年级男女生人数、统计全年级江苏籍/非江苏籍人数

nl={"男"：0，"女"：0} #nl男女字典初始化

d={"江苏"：0，"非江苏"：0}   #d江蘇省非江苏省字典初始化

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］=="江苏省"：

d［"江苏"］=d［"江苏"］+1        # 江苏省加1

else：

d［"非江苏"］=d［"非江苏"］+1              # 非江苏省加1

return（l［7：10］）

break

f.close（）

迭代优化4：统计高一年级十大姓氏

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，綜合运用了Python编程中的基础知识点，并将这些知识灵活整合到一个案例中，既具有趣味性，又具有技术性，学生的学习兴趣高涨，特别是能力比较强的学生，真切体会到了编程解决生活问题的乐趣。这个案例，随着我们学习内容的深入，还能继续迭代优化，进行功能拓展。

综上，编程学习是高一信息技术教学的难点，如何让编程教学优质高增效是一线教师一直探索的课题。在教学内容方面，教师要在科学性和趣味性之间寻找平衡点，要有大单元视角，从知识体系的全局出发，从生活中寻找主题和素材，让学生在解决生活问题的过程中掌握编程技巧，提升信息素养。