利用项目式学习开展图形化编程教学的研究
王永华
摘 要：项目式学习是一种以学生为中心的教学方式，学生通过规划完成一系列任务，以最终实现某个目标或者解决某个问题。基礎教育阶段的图形化编程课程是信息技术学科的重要内容，能够培养学生的创新思维和计算思维，是信息技术学科教学内容改革的方向。图形化编程课程的学习非常适合采用项目式学习的方式，项目开发模型可采用简单易操作的瀑布模型，但只采用项目式学习难以单独完成目标，所以还需要依靠团队合作，如此能够培养学生的协作精神。除此之外在项目式学习过程中还需要查阅、借鉴、整合各种信息资源，如此才能够全面提升学生的信息素养。
关键词：信息技术学科;项目式学习;图形化编程;瀑布模型
中图分类号：G633.73 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2021）26-0043-04
2017年7月，国务院下发的《新一代人工智能发展规划》明确提出了“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。”此文件的出台，为中小学开展编程教育奠定了基础。2018年4月，教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》提出了“充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”。《青少年编程能力等级标准》将图形化编程能力分为三个等级，包括基本图形化编程能力、初步程序设计能力、算法设计与应用能力。浙江、河北等多个省份的高中信息技术课程已经摒弃了软件应用学习，改为学习程序设计。
项目式学习是一种以学生为中心的教学方式，学生通过规划完成一系列任务，以最终实现某个目标或者解决某个问题。图形化编程课程的学习非常适合采用项目式学习的方式，通过项目式学习，可以整合编程技能并初步了解软件开发的流程，同时在此过程中还能培养学生的协作精神，并全面提升学生的信息素养。
一、项目式学习下的图形化编程环境
图形化编程对环境的要求不高，学校微机室的条件就可基本满足所需硬件的要求，完成绝大部分教材内容的学习。以笔者的经验来看，配备耳麦、摄像头的台式机或笔记本电脑就可以提供所需的完整的硬件环境。除此之外项目学习过程中学生进行资料查询、作品分享和人工智能模块的学习还需要教师开放互联网资源。视频侦测模块、声音模块则需要摄像头和耳麦等硬件的支持。
关于图形化编程软件的选择，谷歌公司开发的图形化编程软件大众接受度较好，提供了运动、外观、控制、事件、侦测、画笔、声音等基本模块，缺点是目前无法调用翻译、文字朗读等网络模块，但其离线版就可以满足基本的教学需求。除此之外还有一些国产图形化编程软件如编程猫（Kitten）和Kittenblock， 编程猫（Kitten）是具有完全自主知识产权的国产化软件，功能强大且更符合国人的使用习惯，注重移动端程序的开发，并提供了简单易用的作品分享功能。Kittenblock是在谷歌图形化软件基础上进行二次开发的软件，兼容性好，并支持多种硬件连接。编程猫（Kitten）和Kittenblock中的人工智能类模块各有特色，均支持人脸识别、神经网络学习等内容，为学生探索人工智能的工作原理、工作方法提供了很好的技术支持，但有待教育工作者对其进行更多的探索。
二、项目式学习下的瀑布开发模型
在图形化编程的初始教学阶段，由于很多学生没有相关基础，所以笔者依然建议采用传统的教学方法。待学生具备一定的编程基础后，再开展项目式学习。图形化编程的项目式学习可采用简单易理解的瀑布模型进行教学。瀑布模型是一种软件开发模式，其核心思想是按工序将问题简化，将功能的实现与设计分开，以便于分工协作。瀑布模型为项目式学习提供了按阶段划分的检查点，当前这一阶段完成后，再关注下一阶段。因此，瀑布模型更适合学生小组分工合作，以完成较为复杂的任务，如图1所示：
三、项目式学习的流程
（一）学生分组
学生分组可以采用自由结组的方式，也可以在教师的指导下进行分组。教师指导分组可以依据学生的能力层次、兴趣爱好、性别等因素，也可以在项目进行过程中依据具体情况进行微调。归根结底，教师还是需要判定学生的水平，以选择适宜的分组方式，并从技术层面、人员层面预测项目式学习的目标能否实现。
可由本组学生推举组长，总体负责本组项目的开展。为保证全体小组成员都能参与到项目中，小组人数不宜过多，建议控制在2～5人左右。
（二）可行性分析和项目计划
可由小组成员提出项目目标，然后由小组成员讨论项目目标的可行性，并综合考虑在技术上能否实现、工作量有多大、约定时间内能否完成、小组成员的能力水平是否具备等。在进行可行性分析时，小组可以征求教师的意见。而教师要从技术层面、能力层面给出适用的分析方法或参考意见以协助小组进行可行性分析。除此之外教师还可以展示已有的项目案例，为学生提供参考。另外，学生小组还可根据已有的知识水平、能力水平、兴趣爱好、时间等因素，对项目学习的目标进行分析、修改、增补，以最终确定本小组的项目目标（如图2所示）。
项目目标确定后，需要制订相应的计划以确保目标的实现。要形成文字材料并进行组内展示，形成文字的过程也是梳理思路的过程，展示计划有助于形成小组合力，这些都有利于项目按计划实施。
教师可组织各小组开展项目计划展示活动。通过观摩学习其他小组的计划，使小组之间发生思维碰撞，相互激发，由此可能会产生更好的创意，进而修改、调整本组的计划。
（三）详细的设计和人员分工
项目计划制订完成后，组员清楚了本项目由哪几个模块组成，本阶段的任务是厘清每个模块之间的层次关系和调用关系，弄清楚先干什么，后干什么，然后就可以用流程图表示项目的次序和层次以及每个模块可能会用到哪些技术。图3是一个探险类多关卡游戏的设计流程。
根据项目流程和人员的能力水平，可由组长进行分工——合理分配资料查阅、美工、模块搭建、程序总成、调试等任务，同时还要考虑到小组间如何相互支持、协调。
（四）程序搭建
小组人员分工合作搭建程序模块，各模块可由不同的人员分别设计，只要合理设计各模块的连接方法就行。例如在使用谷歌图形化软件编程时，可以采用“角色导出”“造型导出”的方法让所有人员都参与到程序设计中来，如此可让小组成员都能够理解程序搭建的方法。在本阶段，学生会遇到很多具体问题，需要通过查阅资料、相互交流、请教教师才能解决。在解决问题的过程中，组员能力可以得到不断的提升。
教师要及时关注学生搭建的作品，并给予技术指导，同时提供相关参考文献供学生查阅、学习。除此之外还要注意检查程序结构能否实现设计要求，程序的关键节点是否有注释说明，程序是否清晰易读、便于理解等。
（五）程序调试
根据图形化编程的顺序，本阶段要对各模块进行功能测试。待各模块连接成功后，还要对其进行集成测试。本阶段需要耗费较多的精力，因此可由小组成员分工协作完成。在此过程中教师可以帮助学生理解“黑盒测试”（功能测试）“白盒测试”（极限测试）的理念，然后由学生针对具体程序，设计切合实际的测试方案对程序进行调试修改。
（六）分享交流
教师可约定时间，要求各小组分享、交流作品。通过展示交流，学生们可以相互学习、取长补短。通过分享小组成果，可激发学生的学习兴趣，培养其自信心。国产编程软件编程猫（kitten）提供了非常方便的网络分享功能，学生可将作品直接分享到互联网，以让更多的人体验、评价。关于项目评价，教师可参考CIPP评估模型，从背景评价、输入评价、过程评价及成果评价四个角度设计表格，组织小组自评和组间互评。通过分析评价，学生可以从多角度认识到自己项目的优点与不足，同时也可以更好地借鉴其他小组的思路与做法，从而进一步提升自己的思维品质和编程能力。
四、图形化编程项目学习过程中的注意事项
（一）选择合适的开发模型指导教学
在图形化编程教学中运用项目式学习方式，并选择合适的开发模型是十分必要的。本文介绍了比较经典的瀑布模型，其按所计划的顺序进行，简单易理解，对一线师生有一定的借鉴意义。也有部分师生在教学过程中，选用更灵活的敏捷开发模型，采用该模型学生可在开发过程中根据实际情况及时调整方向、增补内容。教师虽不必深究模型理论，但要清楚不同开发模型的优缺点。比如瀑布开发模型要注意全体学生的参与度，敏捷开发模型要注意控制规模，避免难度过高、工作量过大。
（二）弱化学生选题的游戏化倾向
由于学生的年龄特点，很多学生喜欢选择以游戏内容为主题开展项目式学习。对此，教师有必要拓展学生的视野，让学生清楚图形化编程并非只能用来搭建游戏，同时还要鼓励非游戏内容的项目学习计划，鼓励学生用程序去解决生活、学习中的问题。例如在使用图形化编程软件虚拟物理实验项目时，可以用其虚拟演示牛顿摆、光的折射、光的散射等物理实验内容;在数学测验项目中，可以利用变量和计算类积木设计不同的难度状态，并给出合理的建议;在趣味语文学习项目中，包含古诗接龙、名人名言、成语学习、猜谜等内容，对此教师可以鼓励学生利用人工智能模块，进行相关项目的学习。例如学生可利用翻译类积木开发“口语翻译机”项目、利用人脸识别类积木和天气类积木等开发“健康小助理”项目等。教师不必排斥游戏题材的项目，但要盡量避免所有项目都是娱乐游戏的情况。
项目式学习的优势是显而易见的，对于学生而言，项目式学习帮助其摆脱了传统的教学方式，从宏观设计、到局部的技术实现，学生都承担着最核心的任务。在设计方案、解决问题的过程中，学生的思维品质、动手能力、团队协作能力等均可以得到全方位的提升，项目的成功完成与成果分享给学生带来的成就感还可以激发学生的学习兴趣和探索热情。这种教学模式充分体现了以“学生为中心”的教育思想，符合教育潮流，值得更多的教育工作者去研究、实践。
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