在编程中培养问题解决能力的...构建——以《跨栏比赛》为例_张孟婷.pdf

本期推荐本栏目责任编辑：朱宝贵Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.6,February2023在编程中培养问题解决能力的PBL教学模式构建以 跨栏比赛 为例张孟婷，袁柳（陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安 710119）摘要：中小学信息技术学科中图形化编程教学备受欢迎，针对编程教学过程中重知识轻能力的问题，首先分析了PBL教学模式在编程中培养学生问题解决能力的契合点，随后从学生问题解决能力培养、师生活动及教学环节三个层面出发，构建了信息技术教学中PBL教学模式的应用框架；最后，基于编程猫平台，通过 跨栏比赛 教学案例的实践，为教师提供了可参考的编程教学设计一般流程，证明了PBL教学模式对提升问题解决能力有一定促进作用。关键词：PBL教学模式；问题解决能力；图形化编程；编程猫；编程教学设计中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)06-0001-04开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0 引言信息时代需要培养创新型人才，问题解决能力是创新型人才的必备技能，也是信息技术学科核心素养培养的关键能力1-2，是有机整合各种能力的基础3。图形化编程在中小学备受欢迎，编程猫是国内研发的功能强大的图形化编程平台，学生只需要拖动封装好的语法命令积木模块,便可以实现各类算法操作,不必过度关注语法，并且提供了教师教学专用平台。但在实际编程教学过程中仍存在以下几方面问题:教师通常采用传统的讲授法开展编程教学,学生自主探究的时间较少；部分学生缺乏编程信心，很难自主解决所遇到的编程困难；实践操作多以模仿为主，不清楚积木逻辑；教师往往更关注学生的编程学习结果,容易忽略形成性评价与编程学习体验4。相比于传统讲授式编程教学，基于问题的学习PBL（Problem-Based Learning）模式对长期知识保留、以技能为导向的表现以及学生和教师的满意度效果更佳5。通过构建基于问题学习的PBL模式在编程教学中的应用框架，丰富信息技术课程教学模式，为教师提升学生的问题解决能力提供理论与实践参考。1 在编程中利用PBL教学模式培养问题解决能力的契合点1.1 PBL教学模式PBL 是以问题为导向的学习，也称为问题式学习。在建构主义的理论基础上，主张让学生解决真实世界中的问题,或完成源自真实世界经验且需要深度思考的任务6，具有联系实际、体现学生自主性、问题解决方法开放性，即对于一个问题而言有多种解决方法的三个明显特征7。PBL教学模式实施的一般步骤为创设情境、提出问题、解决问题、评价问题；包括六个教学要素8，如图1所示。六个核心要素指出PBL教学应基于真实情境引导学生探究问题、发现问题、展示分享成果、评价反思。针对编程教学的特点，在传统PBL教学模式的基础上，补充强调分析问题的过程，并给出教师在编程课程前期准备的教学设计方法，可操作性强，便于借鉴实施。图1 PBL教学法的六个核心要素1.2 问题解决能力当现有状态和待实现的目标状态间存在差距和困难时就出现了问题，而问题解决能力就是克服和消除困难和差距的能力9。培养学生问题解决能力要求学生能结合已有知识和经验，分析发现问题到问题解收稿日期：2022-11-28基金项目：本文系国家自然科学基金（61907029）和陕西省自然科学基金（2020JM-307）资助作者简介：张孟婷（2000），女，陕西大荔人，硕士研究生，主要研究方向为现代教育技术；袁柳（1979），女，陕西西安人，副教授，博士，主要研究方向为数据与知识管理。1DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0312本栏目责任编辑：朱宝贵本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)决得多种方法，并能积极寻找脚手架，最终解决问题。在信息时代，脚手架还包括创造性使用数字化工具解决问题。基于已有研究的问题解决模式，总结归纳问题解决步骤为：发现并提出问题、分析描述问题、提出方案、验证方案、反思评价，以此引申出学生问题解决的子能力：理解问题、表征问题、解决问题、反思交流。在科学理论的指导下，根据此步骤开展编程课堂中培养问题解决能力的实践，并通过形成性评价和终结性评价相结合的方式，验证基于PBL教学模式培养学生问题解决能力的效果。1.3 编程中两者的契合点1.3.1 编程过程中不断试错纠错能培养学生面对问题的态度学习编程会让儿童体会到：很少有人第一次编程就能成功10。学生在刚开始接触编程时，如果编写的程序未能达到预期效果，一般会选择放弃自主探索求助他人，或删掉整段程序重新编写，这种不找错误根源的学习方法是非常低效的。编程教学能让他们改变面对错误的态度，如调试程序的过程就是分析程序运行结果、找到错误所在并修改程序的过程，少儿编程先驱西蒙佩珀特认为这个过程是最有意义的学习。PBL教学围绕问题展开，将PBL模式引入编程教学中能逐渐引导学生在面对问题时形成新的思维模式，纠正对“错误”的认识，而不是遇到问题就放弃，觉得自己不可能再成功了，这种转变会让学生受益终身。1.3.2 编程中结构化的思想有助于从系统到局部分析解决问题PBL模式强调创建贴近学生生活的真实问题情境，赋予学生角色感和使命感自主参与探究学习。教师呈现目标状态，即程序成功运行后的完整效果，学生对作品整体框架进行分析、拆解，再针对程序中每个具体的角色进行编程，分解、描述角色行为，在具体的编程过程中又包括针对角色的各个功能、行为进行函数封装。这样从系统到局部层层深入，最终实现目标状态的过程能帮助学生提高问题解决效率，形成将大问题逐渐拆解为小问题逐一攻破的问题解决习惯。2 PBL教学模式构建2.1 模式构建在创设情境、提出问题、解决问题、评价问题的PBL模式基础上，结合PBL教学六要素和问题解决步骤，搭建了编程教学中PBL教学模式的应用框架，如图2所示。该框架以编程猫平台图形化编程课程为应用载体，以培养学生问题解决能力为主线，根据教师主导、学生主体的原则设计，包括教师前期准备、课中实施、课后反思三部分。在课中实施环节，结合问题解决过程，在传统PBL模式基础上补充强调分析描述问题在编程教学中的重要性，并结合编程教学环节特点对传统PBL教学模式改进为：发现问题、分析问题、确定方案、实施方案、评价反思五个环节。在该应用框架的指导下，教师可以更得心应手地在编程课程中运用PBL教学模式，设计契合学生身心发展和认知特点的教学活动，结合图形化编程的特点，引导学生完成小组合作编程探究活动，提升学习效果，培养学生的问题解决能力。图2 PBL模式在编程教学中的应用框架2.2 环节分析2.2.1 教师前期准备教师根据学生学情自主设计难度适中的编程作品，或参考编程猫官网的示范课进行改编设计。与传统教学设计不同的是，在编程作品设计完成后，教师模拟学生编程状态，从空白的素材作品着手，每一步“自然而然”地操作都要多问几个为什么，在不参考完整作品积木代码的情况下，逐步实现作品效果，记录过程中遇到的问题，预设学生可能遇到的问题及解决方案，并以此为根据，在多次体验、实践之后得出教学重难点。2.2.2 发现问题发现问题是培养学生问题解决能力的关键环节。创设真实情景是学习者解决问题的首要因素，教师在教学的导入环节应创设贴近学生生活的真实情境，赋予学生使命感，引导学生积极参与问题探究，这也是学生积累经验，及时发现问题的关键。同时教师还应培养学生在探究过程中多思考、多问“为什么”“不这样行不行”的习惯，明白每一步操作的原因及必要性，总结知识的适用场景，提高学习效率，真正掌握知识并灵活迁移应用。2.2.3分析问题分析问题是问题解决的第二个环节，也是决定后续探究能否顺利进行的关键环节，包括拆解程序和描述角色行为两个子能力。教师呈现完整编程作品的效果，也可以根据实际情况邀请学生体验，之后学生在教师引导下拆解作品，描述每个角色的行为，描述越细致，后续的探究实践就越高效。随着编程学习进行，学生会逐渐形成遇到大问题拆解成小问题逐一突破的思2本期推荐本栏目责任编辑：朱宝贵Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)教学环节发现问题分析问题确定方案实施方案评价反思教师活动播放跨栏比赛视频；播放十四运宣传片片段并提问：如果你要设计一个跨栏比赛的作品宣传这个项目，你都需要哪些素材呢？呈现完整作品效果，如图3所示。引导学生拆解程序，分析每个角色的行为。梳理学生自主描述的内容，归纳总结。将程序划分为子任务。任务一：背景移动任务二：学生的跑动跳跃任务三：跨栏效果教师总结共性问题，回答个别提问。对程序中的重难点知识强调讲解。组织小组展示，强调评分标准。提问：学生创作过程中遇到的问题和本节课收获。组织多种形式的评价。学生活动认真观看视频；思考作品可能需要的素材及游戏设计方案。拆解程序，完整描述每个角色的所有行为。背景：不断向左移动。栏架：跟着背景一起向左移动，学生碰到栏架后栏架倒下，移出屏幕左边缘后又在右边缘重新出现。学生：按下空格跳跃，看起来一直在往右跑。游戏规则：跨过一个栏架得分加一，碰倒则生命值减一，生命值为0时游戏结束。明确子任务目标。小组合作分工（任务划分、角色划分）。依次完成子任务。认真听课记录重难点知识。记录小组遇到的问题及解决方法。每位小组成员按照小组角色分工分享展示作品。总结收获，反思编程中遇到的问题。设计意图吸引学生兴趣，赋予学生宣传大使的角色和游戏设计的使命。学生提出思考过程中的问题，教师引入课程主题。完整准确的描述问题是解决问题的关键。帮助学生建立程序的完整框架，明确目标。小组合作学习，互相讨论。组内互相监督，每个学生都有自己的角色和任务。学生动手探究实践后遇到问题、解决问题、教师再讲解巩固，这样学生对知识的印象会更深刻。反思学习过程，塑造解决问题的品质。多角度评价。维习惯，并能较为完整准确地描述角色行为。2.2.4 确定方案确定方案是问题解决的第三个环节，也是小组合作的重要环节。教师对学生拆解作品、角色行为描述进行梳理总结，划分任务并逐一发布。学生按小组分工合作，通过思维导图等工具确定成员分工、明确编程目标为编程实践做准备。2.2.5实施方案实施方案是问题解决的第四个环节，是学生实践的主要环节。教师观察各小组探究完成情况，根据实际情况辅助点播，引导学生通过查阅资料、小组讨论、求助老师等方法积极提出自己遇到的问题并解决。每完成一个任务后，教师对学生探究过程中出现的普遍问题进行讲解，总结归纳知识点。2.2.6评价反思评价反思是问题解决的最后一个环节，也是塑造学生问题解决品质的重要环节。学生在小组展示环节根据分工讲解自己的作品，总结探究过程中遇到的问题，解决的方法及收获。评价包括多种角度：教师评价、组间评价、组内评价、习题测评等。教师根据教学目标评价学生作品完成情况，同时也要根据学生探究过程及成果，及时修正完善自己的教学设计。2.2.7课后反思教师回顾课堂教学过程中的不足，优化教学设计，针对学生问题出现较多环节调整重难点，结合课上学生的创新点优化作品，针对课堂反馈效果调整问题难度，设计针对班级学习情况的习题，为下节课温故知新做准备。鼓励学生课后积极交流分享，在编程猫学习社区上发表自己的编程作品，互相学习。3 PBL教学模式实践 跨栏比赛3.1 教师前期准备以 跨栏比赛 为例，教师前期为教学设计所做的准备如表1所示。3.2 教师前期准备根据PBL模式的应用框架，在西安举办十四运前夕设计了 跨栏比赛 编程作品，程序效果如图3所示，具体的教学活动实施过程如表2所示。3.3 课后反思学生在分享作品环节表现突出，体现了学生丰富的想象力和创造力，原本的基础作品效果仅为学生角色在碰到栏架后，生命值减少一格，生命值为0时游戏失败。为了给玩家更好的游戏体验，学生针对点击开始按钮后玩家还来不及反应游戏就已经结束的问题，添加了游戏操作说明和开始按钮；还有学生完成了课程开始时自己设计的跨栏比赛游戏，更新了游戏规则，如100米跨栏用时最短者获胜等。课后教师根据收集的学生作品，在完善设计的示例作品后，将编程任务分为基础任务和拓展任务，并合理安排课时，给予学生充分创造的时间和展示表达的机会。4 PBL教学模式的实践总结及效果分析4.1 实践总结在前期准备环节，由于对作品中的角色拆解得不够细致，导致学生在具体的实践环节思路不清晰，难度较大。对于栏架角色可以再细化，明确为移动并再次出现，碰到学生后倒下两个步骤。因此总结对角色进行描述时，先梳理该角色的所有行为，再总结归纳为具体明确的动作。前期的教学设计还需结合实际表1 跨栏比赛 教学设计前期准备3本栏目责任编辑：朱宝贵本期推荐Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)教学再修正完善，除了自己反复拆解程序，直至对每个角色的所有积木拼接都了然于心之外，还可以无生试讲，录制讲解视频观看，尽力做好前期的准备工作。在课堂导入环节，十四运的宣传片以及运动员的比赛视频激发了学生的创作动力，学生对设计游戏作品兴致很高，分享欲强烈。但后续应该把握好导入环节的时间，评价环节时间紧张，评价结果的有效性无法保证。在具体实践环节，部分学生一遇到问题就举手提问，大部分都是基础问题，如某块积木找不到在哪，某块积木位置拼接错了效果没能实现等。图形化编程的优势是能将学生的思维可视化，学生拼接的积木效果随时都可以点击运行按钮，在左侧的舞台区看到已经拼接积木的运行效果，但学生一遇到问题，没有达到自己的预期效果就立马求助教师，没有自己了解问题原因、尝试解决问题的过程。因此在教学过程中除了基础的编程知识讲解外，还要培养学生问题解决的习惯，营造宽松的课堂氛围，鼓励学生积极提问，但也要引导学生先自己尝试解决问题，在独立思考之后仍然无法解决再求助同学或老师。在作品展示环节，很多小组结合课程开始自己设想的跨栏比赛作品，对课上的基础作品进行了补充，如添加跳跃的音效，增加跑道上栏架的列数，学生角色可以上下移动跨越，设计自己的游戏规则，添加新的屏幕等等。因此可以将课时延长，规划好后续每个作品的课时，给每个小组分享展示的机会，互相学习创新点及不同的实现方法，拓展思维，评价反思环节也能进行得更充分。4.2 效果分析表3 学生作品成绩学生作品成绩A(90)B(75-90)C(60-75)D(60)人数321530占比情况64%30%6%0%教师和学生根据作品的科学性、完整性、艺术性、技术性、创新性五个角度评价，每个角度20分，按照（下转第11页）图3 作品完整代码及效果跨栏比赛提出问题问题1问题2问题3问题4问题5问题6问题7都有哪些角色？这些角色的行为分别是什么？分析完每个角色的动作后，编程从哪个角色先入手？背景向左移动有两种实现方式，应该如何讲解？学生角色跳跃效果没有实现。实现角色跳跃（教学重点）有两种方法，但两者有无区别？只有一个跨栏角色，如何让跨栏反复出现？(教学重点)栏架在碰到学生倒下之后，再次出现还是倒下的状态。（教学难点）解决方案运动员、跑道、栏架。背景最简单，只有移动的动作；学生角色拼接之后，在跑步的过程中会撞到栏架，栏架才会倒下；栏架要重复出现。所以编程顺序为：背景、学生角色、栏架。两种方式都能实现效果，等后续编程中两种方式冲突时再顺其自然讲解。积木执行速度快，y坐标先增加后立马减少效果抵消了。方法1：直接上，在空中等待，直接下。方法二：在指定时间内向上跳，在指定时间内向下跳。结合生活实际，对比一下效果，会发现方法2实现的跳跃效果更合理。学生前期已经学习过“克隆”，多数学生会使用“克隆”来实现此效果，教师要强调“克隆”的使用情境，避免简单问题复杂化。“面向度”和“旋转度”的区别和共通之处。表2跨栏比赛 中PBL模式的实施4本期推荐本栏目责任编辑：朱宝贵Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第6期(2023年2月)第19卷第6期(2023年2月)3 结束语科技不断发展，生活也日新月异。随着5G时代的来临。“元宇宙”等虚拟现实概念不断被提起与实践，人们不断认识到体感识别的广阔前景，而体感游戏则是体感识别应用方向中不可忽视的一大领域。本文旨在为体感识别在音乐游戏上的可行性进行试验与尝试，结果大体能让人满意。但美中不足的是，首先当前体感识别技术还有待提升，精确度并不像传统的鼠标键盘那样可以达到近100%的准确识别，且识别的范围也非常有限，一旦超出范围便完全不能识别；其次在对音乐的频谱、鼓点进行分析并运用于游戏的节奏时，由于并没有利用专业的频谱解析软件，所以准确率不够高，对于复杂的音乐难以得到令人满意的效果，这些都是后续开发中有望继续提升的部分。但总体而言，本课题对于体感音游的探索有一定价值，可以为其他类似项目提供经验，值得开发者借鉴，具有推广价值。参考文献:1 胡弘,晁建刚,林万洪,等.Leap Motion虚拟手构建方法及其在航天训练中的应用J.载人航天,2015,21(3):257-262.2 李杨韬,禹东川,靳来鹏,等.基于LeapMotion手势识别的认知训练系统的设计和实现J.电子设计工程,2016,24(9):12-14,18.3 林书坦,尹长青.基于LeapMotion的数字手势识别J.电脑知识与技术,2015,11(35):108-109.4 ULTRALEAP PLUGIN FOR UNITYDB/OL.2022-01-20.https:/ Unity-Scripting APIDB/OL.https:/ 周家乐,贺元昭,章艺敏,等.基于Leapmotion的VR钢琴及手势识别的设计与实现J.电子测试,2020(21):5-9.7 杨曦中,万华根.一种基于LeapMotion的灵巧虚拟手抓取交互方法J.航空电子技术,2021,52(3):1-8.8 朱惠娟,王军,朱俊.基于Leap Motion的沉浸式体感交互系统研究J.微型电脑应用,2021,37(2):8-11.9杨森淼,朱俊亦,李佳芳.基于Leap Motion的VR交互系统J.中外交流,2021,28(5):436.10 胡弘,晁建刚,杨进,等.Leap Motion关键点模型手姿态估计方法J.计算机辅助设计与图形学学报,2015,27(7):1211-1216.【通联编辑：唐一东】（上接第4页）“学生作品总分=自评35%+互评30%+师评35%”的评分细则计算作品得分。该班学生的作品成绩如表3所示，在50名学生中获得A的学生达到了32人，占总人数的64%。由此可见，PBL教学模式的编程教学活动中产生了良好的学习效果。教师记录的课堂观察数据表从理解问题、描述问题、制定实施问题解决方案、评价反思四个方面记录，分析数据得出，多数学生配合小组分工，完成了探究任务，有明确的任务框架和编程目标，逻辑清晰。在描述角色行为时多数学生的描述不完整，在后续的编程课程中还需多加练习。很多学生在课堂上能积极主动地进行思考和探究，在教师的引导下主动根据相关学习资源进行探究学习，能主动反思在探究过程中遇到的问题及解决方案，遇到问题能先自主思考再求助同伴或教师。绝大部分学生能完成三个编程任务并能明确讲解编程逻辑、步骤。5 结束语PBL教学模式相对于传统教学模式而言，更强调基于真实问题的学习，实践证明学生学习兴趣和问题解决能力得到提高。同时，该模式应用于编程教学中进行框架构建，丰富了编程教学的理论。通过案例展示，提供了编程教学前期进行教学设计的一般思路，为中小学信息技术教师提供了可参考的框架应用范例，以期促进中小学编程教学发展。参考文献：1 中华人民共和国教育部.教育部关于印发义务教育课程方案和课程标准(2022 年版)的通知EB/OL.http:/ 中华人民共和国教育部.教育部关于印发 普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）的通知EB/OL.http:/ 季苹,顿继安.以人格为核心的能力结构:整体把握育人目标的学科教学理论探索J.中国教育学刊,2022(1):28-35.4 李彤彤,郝晴,文雨,等.基于学习风格和伙伴关系的配对编程对小学生计算思维的影响研究J.远程教育杂志,2022,40(3):105-112.5 Kwon K,Ottenbreit-Left which A T,Brush T A,et al.Integration of problem-based learning in elementary computer science education:effects on computational thinking and attitudesJ.Educational Technology Research and Development,2021,69(5):2761-2787.6 董艳,和静宇.PBL项目式学习在大学教学中的应用探究J.现代教育技术,2019,29(9):53-58.7 林荔超.高中信息技术课程中促进深度学习的PBL教学模式设计和应用D.哈尔滨:哈尔滨师范大学,2022.8 边庆敏.高中生基于情境解决生物学问题能力研究D.上海:华东师范大学,2021.9 汪琼.儿童为什么学编程?Mindstorms:Children,Computers,and Powerful Ideas一书的启示J.现代教育技术,2020,30(2):122-126.10 杨鑫,解月光,苟睿,等.智慧课堂模型构建的实证研究J.中国电化教育,2020(9):50-57.【通联编辑：王力】11