基于编程思维的小学生Python课程内容体系研究

龙源期刊网课程内容体系研究作者：黄威荣曾云雪王军李顺美来源：《中国教育技术装备》2019年第07期摘;要随着信息技术的迅速发展，人与机器之间的交互由不可能变为可能，并在社会发展中变得越来越重要。编程是人工智能发展的基础，已成为人类与未来技术之间的桥梁。基于编程思维的培养，设计Python海龟绘图、Python游戏开发、Python网络爬虫、Python人工智能编程四个层次的编程课程。关键词编程思维;Python课程;人工智能;核心素养;STEM中图分类号：G711;;文献标识码：B文章编号：1671-489X（2019）07-0077-031编程思维与Python课程编程思维;计算机的运行受程序控制，编程最根本的目的是给计算机下达即将做什么的指令，即把问题的思路、方法和手段，编写成电子计算机可以理解的指令、语言并输入进计算机，让计算机根据指令一步一步去完成特定的工作任务。从儿童成长的规律看，让学生参加一系列有趣的编程活动，可以培养他们的观察能力、想象能力、创造能力、逻辑思维能力和空间想象能力等多种能力。因此，让学生学习编程不是为了将他们培养成为软件工程师，而是为了在学习活动中训练他们的编程思维。编程思维是一种思维过程，即发现问题—理解问题—解决问题;它分成四个步骤，即分解—模式识别—抽象—算法：龙源期刊网）分解是将一个复杂的大问题拆解成多个简单的流程或步骤，这些流程或步骤更便于执行和更容易理解;2）模式识别是找到类似的模式，有效地解决并分割问题;3）抽象关注最重要的信息，忽略无用的细节;4）算法旨在逐步解决问题并解决整个问题。这种编程思维结合了数学、逻辑和算法，教会学生以新的方式思考世界，让学生能够更清晰、更全面地思考和解决问题。Python课程;编程思维是小学生学习编程应该具备的核心技能。如今，编程思维能力已成为学生从小应具备的能力之一，它的必要性与阅读、写作、算术相同，成为学生日后在激烈的社会竞争中脱颖而出的重要才能。也就是说，希望找到一种能够轻松有效地表达算法的语言，并且能够轻松地入门，于是Python成为首选。2018年8月，IEEE发布第五届顶级编程语言交互排行榜，其中Python位居第一。2017年底，教育部考试中心发布通知，自2018年3月起在计算机二级考试中加入“Python语言程序设计”科目。不仅如此，浙江省用Python取代VB作为编程教学内容，并列入高考信息技术科目的内容范畴;北京市和山东省也将Python编程基础纳入信息技术课程和高考内容体系中[1]。随着人工智能时代的来临，Python编程语言凭借自身优势已成为人工智能编程的主流编程语言之一，是当代人了解并掌握人工智能的基础知识。Python是一门适合所有人学习的编程入门级语言，也是非常实用有效的学习工具。通过简单的Python代码，可以根据需要绘制各种可视化线条、形状和图案，制作各式各样的风靡小游戏，简单有趣;掌握Web网站开发，爬取学习资料、科技文献、网络信息等。因此，Python语言被广泛用于后端开发、爬虫、大数据处理、数据分析、云计算、人工智能等，功能强大、专业，简单易学，非常适合小学生作为学习计算机程序代码编写的入门语言。通過开设Python课程，可以让小学生快速了解大数据、人工智能等尖端技术的发展趋势，逐步了解其基本内容，成为一项可学习、可应用和可普及的基础技术，为今后在这些领域深入学习和研究打下必要的基础。2Python课程对小学生编程思维能力培养的积极影响Python语言是一门非常亲民的编程语言，普通人不但容易理解Python语言，同时能轻易编写。任何人都可以扩展它，无论之前有没有接触过编程的人，都可以轻松入门，编写出易读、易维护的程序代码。正因为如此，在学生6～12岁阶段开设Python课程是非常可行的。开设一门Python语言，对小学生的编程思维培养具有非常积极的影响和重要意义。龙源期刊网培养逻辑思维能力，构建能力体系;逻辑思维能力对人的发展无比重要，能让人迅速找到问题所在。通过学习Python编程语言的过程，搭建一个个复杂项目，潜移默化地培养小学生的逻辑思维能力以及思考的全局观。当编写的程序越来越复杂时，他们会变得越来越耐心专注，也在查找和解决bug的过程中变得更加细心坚韧，并在此过程中梳理思路，建立知识体系，有效提高逻辑推理能力和思维能力。激发抗挫潜能，形成良好性情;编程教育既是培养小学生思维能力的过程，也是让小学生树立良好性情的过程。有良好性情的学生，无论在生活还是学习中都更容易成功。如果学生在编程中时遇到挫折和障碍，能够学会用发散的思维方式来思考问题、解决问题，并在反复调试、不断改良、功能迭代中打磨出一个成功的程序，就能理解成功不是一蹴而就的，同时明白编程是一个反反复复调试的过程。因此，可以通过编程教育来培养小学生良好的学习习惯，并在教育活动中培养他们的耐性、定力、热情以及坚持不懈的精神。掌握编程技能，自信面对未来;未来是人工智能的时代，对职业人才的要求越来越高，掌握紧跟时代步伐的新兴技术，是当前对信息领域人才的基本要求。掌握作为AI语言的Python无疑将成为信息领域人才必备的核心技能之一，掌握Python的从业者才可能在未来的职业发展中拥有主动权。因此，让小学生学习编程，提升编程能力，面对未来的竞争和挑战将会更加从容和自信。3面向创客教育的小学Python课程体系设计根据小学生的认知规律、身心状况及能力水平，针对编程教育的特点与小学生编程思维能力培养的过程，将小学Python课程分为Python海龟绘图、Python游戏开发、Python网络爬虫、Python人工智能四个阶段，课程内容构成如图1所示。Python海龟绘图阶段主要学习程序的顺序、分支、循环三大结构，初步掌握Python基本语法，包括变量、字符串、列表、字典等，以及学习函数、类和对象、继承与多态等知识点。通过调用Python语言中的turtle海龟库，学生能够绘制出各种有趣的形状、图案，将Python语言知识点通俗化、可视化，帮助学生在课堂教学中玩中学、学中玩，潜移默化地提升学生基础的编程能力。在学习中初步锻炼学生编程、逻辑及空间思维能力，运用编程思想来理解世界，感受代码编程的乐趣。Python游戏开发阶段将使用更专业的编辑工具PyCharm编写代码，通过学习Pygame框架，制作简单的2D小游戏。学生通过完整的项目设计和实践，能发挥自己独特的想象力和别具一格的创造力，独立设计充满个性的2D小游戏，从而大幅提升逻辑思维能力、独立设计程序的能力及表达和沟通等各方面的综合能力、综合素质。Python网络爬虫阶段将学习网络传输的知识、网页的基本结构和常用爬虫技术，从网络上爬取所需要的数据，进行可视化展示并制作个性化的应用程序，进一步形成利用信息技术服务龙源期刊网生活的意识。使用Python处理和分析数据，从数据中挖掘价值，建立对数据分析和挖掘技术体系的认知，体验科研过程，逐渐形成利用编程解决实际问题的意识。Python人工智能阶段通过训练一些简单的人工智能分类模型，培养学生对算法的兴趣，并利用所学知识搭建自己的人工智能应用系统，充分整合学生的综合能力，以满足人工智能开发的基础要求。Python人工智能阶段将学习numpy和pandas数据处理，利用sklearn、OpenCV、keras等常用的人工智能库，通过训练一些简单的人工智能分类模型，培养学生对算法的兴趣，了解人工智能的应用场景和前沿技术方法，通过算法完成一些简单的人工智能分类模型，并利用所学知识设计简单的人工智能应用程序，培养利用编程去改变生活的思想。4促使编程思维形成的Python课程教学方法与评价Python课程教学方法1）以“可视化编程”降低语言类编程学习门槛。图画形状的使用可以让人们的现实生活更具多样性。在信息技术教学活动中，正确地使用图形可视化能帮助师生解决一系列计算问题，并在解决问题的过程中提高学生处理问题、应对问题的能力。与传统代码编程教学的输入设计相比，通过可视化输出的Python教学活动具有更好的理解性和直观性，在日常教学活动中也起到激发学生的学习兴趣、提高教学效率的积极作用。比如Python里面的turtle模块，可视化编程可以提供即时反馈，这样的程序编写大大降低了6～12岁计算机编程学习者的学习难度，使他们的知识获得、技能习得的过程变得更加顺畅。可视化编程可以持续激发学生的兴趣，为后面的学习提供动力基础，实现从具象到抽象思维的自然过渡，降低學习语言编程的门槛。2）以“游戏教学”提高学生的编程兴趣。Python编程教学可以借助游戏开发进行。教师通过学生感兴趣的游戏入手，让学生借助Pygame模块，个人单独或集体共同开发2D游戏，激发学生学习信息技术的兴趣。通过大量有趣的关卡，让学生在课程入门阶段对语言的应用有一个比较直观的认识。丰富而有趣的游戏教学，能够牢牢抓住每一位学生的课堂注意力，让学生在课堂实践中获得更大的成就感。与此同时，游戏是鼓励沟通、发现和反复试错的媒介，可以激发学生的编程兴趣，使比较枯燥的代码编程学习变得丰富有趣。3）以“项目活动”提升学生的综合实践能力。项目活动中要充分展现学生的主体性，教师应当为学生提供发展、创造的舞台。学生在项目活动中不仅可以借助Python语言，创造性地表达自己的观点，还可以通过合作解决学习中遇到的技术难题。学习Python就是掌握一门全新语言。在学习该语言的过程中，搭建一个个复杂的项目，学生的逻辑思维能力以及辩证思维能力将得到系统的训练。编写的程序越来越复杂，学生变得越来越耐心专注，也在查找和解决bug的过程中变得更加细心坚韧。通过拓展任务进行探究式学习，培养科学探究能力;通过自主创作体会创作的乐趣，培养自主思考能力、创造思维;通过与人分享、沟通，培养合作精神。4）以“学科融合”增强学生的核心素养。Python的教学可以充分与多学科进行融合，例如：与艺术创作结合，学生可以编写程序绘制创意艺术作品，意识到编程不仅仅是机械无聊的龙源期刊网数字和抽象的模型，而是通过逻辑控制，实现无限的创造力;与语文学科结合，学生在中文文本分析统计词频中，通过编程实现文本分析，从文本信息中提取有用的知识;与数学学科融合，学生通过编程验证数学问题，如求最大公约数，判断是否为闰年，概率和统计模拟等典型有趣的数学问题，理解数学概念;科学中有模拟自由落体等有趣的科学实验，与科学学科融合，学生可以通过编程模拟实现，通过编程学习科学。编程可以作为多学科融合教学的承载工具，并与各门学科实现深度融合，这对于STEM教育理念在实际教学过程中的应用起到充分的促进作用。Python课程评价;课程评价是Python课程体系设计的一个重要组成部分，应该以培养学生编程思维能力为基础，教师可以使用多种评价方法在教学中发挥有效作用。评价的内容应从最基础的开始，关注学生掌握基础的理论知识和技能，通过采取合适的教学方式和手段，到关注学生编程思维的培养，以及提高解决实际问题的能力和团队合作的能力等。小学Python课程应以实践为导向，并且需要摒弃单一的、固定的评价方法，使用多种评估方法，如书面评价、学习评价和口头评价等。书面评价是教师对学生参加课程的次数、参加课程时间的评价;学习评价是对学生的学习态度、状态以及作品的评价;口头评价则由教师评价、学生互评共同组成，是对学生课堂回答、课堂作业和课堂活动的评价。此外，教师在具体课程实施中需要根据Python课程不同阶段的课程内容特点，选取合适的评价方法，可以单独使用一种评估方法，或者使用多种评估方法的组合来更好地评价Python课程。5结语通过开展Python课程学习，学生的编程思维能力、解决问题能力和创新能力能得到有效培养，广大中小学教师在开展编程教育教学过程中探索到新途径。在理论方面