在編程中培養問題解決能力的PBL教學模式構建

張孟婷 袁柳

（陜西師范大學 計算機科學學院，陜西 西安 710119）

摘要：中小學信息技術學科中圖形化編程教學備受歡迎，針對編程教學過程中重知識輕能力的問題，首先分析了PBL教學模式在編程中培養學生問題解決能力的契合點，隨后從學生問題解決能力培養、師生活動及教學環節三個層面出發，構建了信息技術教學中PBL教學模式的應用框架；最后，基于編程貓平臺，通過《跨欄比賽》教學案例的實踐，為教師提供了可參考的編程教學設計一般流程，證明了PBL教學模式對提升問題解決能力有一定促進作用。

關鍵詞：PBL教學模式；問題解決能力；圖形化編程；編程貓；編程教學設計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0001-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0 引言

信息時代需要培養創新型人才，問題解決能力是創新型人才的必備技能，也是信息技術學科核心素養培養的關鍵能力[1-2]，是有機整合各種能力的基礎[3]。圖形化編程在中小學備受歡迎，編程貓是國內研發的功能強大的圖形化編程平臺，學生只需要拖動封裝好的語法命令積木模塊，便可以實現各類算法操作，不必過度關注語法，并且提供了教師教學專用平臺。

但在實際編程教學過程中仍存在以下幾方面問題：教師通常采用傳統的講授法開展編程教學，學生自主探究的時間較少；部分學生缺乏編程信心，很難自主解決所遇到的編程困難；實踐操作多以模仿為主，不清楚積木邏輯；教師往往更關注學生的編程學習結果，容易忽略形成性評價與編程學習體驗[4]。相比于傳統講授式編程教學，基于問題的學習PBL（Problem-Based Learning）模式對長期知識保留、以技能為導向的表現以及學生和教師的滿意度效果更佳[5]。通過構建基于問題學習的PBL模式在編程教學中的應用框架，豐富信息技術課程教學模式，為教師提升學生的問題解決能力提供理論與實踐參考。

1? 在編程中利用PBL教學模式培養問題解決能力的契合點

1.1 PBL教學模式

PBL是以問題為導向的學習，也稱為問題式學習。在建構主義的理論基礎上，主張讓學生解決真實世界中的問題，或完成源自真實世界經驗且需要深度思考的任務[6]，具有聯系實際、體現學生自主性、問題解決方法開放性，即對于一個問題而言有多種解決方法的三個明顯特征[7]。PBL教學模式實施的一般步驟為創設情境、提出問題、解決問題、評價問題；包括六個教學要素[8]，如圖1所示。六個核心要素指出PBL教學應基于真實情境引導學生探究問題、發現問題、展示分享成果、評價反思。針對編程教學的特點，在傳統PBL教學模式的基礎上，補充強調分析問題的過程，并給出教師在編程課程前期準備的教學設計方法，可操作性強，便于借鑒實施。

1.2 問題解決能力

當現有狀態和待實現的目標狀態間存在差距和困難時就出現了問題，而問題解決能力就是克服和消除困難和差距的能力[9]。培養學生問題解決能力要求學生能結合已有知識和經驗，分析發現問題到問題解決得多種方法，并能積極尋找腳手架，最終解決問題。在信息時代，腳手架還包括創造性使用數字化工具解決問題?；谝延醒芯康膯栴}解決模式，總結歸納問題解決步驟為：發現并提出問題、分析描述問題、提出方案、驗證方案、反思評價，以此引申出學生問題解決的子能力：理解問題、表征問題、解決問題、反思交流。在科學理論的指導下，根據此步驟開展編程課堂中培養問題解決能力的實踐，并通過形成性評價和終結性評價相結合的方式，驗證基于PBL教學模式培養學生問題解決能力的效果。

1.3 編程中兩者的契合點

1.3.1 編程過程中不斷試錯糾錯能培養學生面對問題的態度

學習編程會讓兒童體會到：很少有人第一次編程就能成功[10]。學生在剛開始接觸編程時，如果編寫的程序未能達到預期效果，一般會選擇放棄自主探索求助他人，或刪掉整段程序重新編寫，這種不找錯誤根源的學習方法是非常低效的。編程教學能讓他們改變面對錯誤的態度，如調試程序的過程就是分析程序運行結果、找到錯誤所在并修改程序的過程，少兒編程先驅西蒙佩珀特認為這個過程是最有意義的學習。PBL教學圍繞問題展開，將PBL模式引入編程教學中能逐漸引導學生在面對問題時形成新的思維模式，糾正對“錯誤”的認識，而不是遇到問題就放棄，覺得自己不可能再成功了，這種轉變會讓學生受益終身。

1.3.2 編程中結構化的思想有助于從系統到局部分析解決問題

PBL模式強調創建貼近學生生活的真實問題情境，賦予學生角色感和使命感自主參與探究學習。教師呈現目標狀態，即程序成功運行后的完整效果，學生對作品整體框架進行分析、拆解，再針對程序中每個具體的角色進行編程，分解、描述角色行為，在具體的編程過程中又包括針對角色的各個功能、行為進行函數封裝。這樣從系統到局部層層深入，最終實現目標狀態的過程能幫助學生提高問題解決效率，形成將大問題逐漸拆解為小問題逐一攻破的問題解決習慣。

2? PBL教學模式構建

2.1 模式構建

在創設情境、提出問題、解決問題、評價問題的PBL模式基礎上，結合PBL教學六要素和問題解決步驟，搭建了編程教學中PBL教學模式的應用框架，如圖2所示。

該框架以編程貓平臺圖形化編程課程為應用載體，以培養學生問題解決能力為主線，根據教師主導、學生主體的原則設計，包括教師前期準備、課中實施、課后反思三部分。在課中實施環節，結合問題解決過程，在傳統PBL模式基礎上補充強調分析描述問題在編程教學中的重要性，并結合編程教學環節特點對傳統PBL教學模式改進為：發現問題、分析問題、確定方案、實施方案、評價反思五個環節。在該應用框架的指導下，教師可以更得心應手地在編程課程中運用PBL教學模式，設計契合學生身心發展和認知特點的教學活動，結合圖形化編程的特點，引導學生完成小組合作編程探究活動，提升學習效果，培養學生的問題解決能力。

2.2 環節分析

2.2.1 教師前期準備

教師根據學生學情自主設計難度適中的編程作品，或參考編程貓官網的示范課進行改編設計。與傳統教學設計不同的是，在編程作品設計完成后，教師模擬學生編程狀態，從空白的素材作品著手，每一步“自然而然”地操作都要多問幾個為什么，在不參考完整作品積木代碼的情況下，逐步實現作品效果，記錄過程中遇到的問題，預設學生可能遇到的問題及解決方案，并以此為根據，在多次體驗、實踐之后得出教學重難點。

2.2.2 發現問題

發現問題是培養學生問題解決能力的關鍵環節。創設真實情景是學習者解決問題的首要因素，教師在教學的導入環節應創設貼近學生生活的真實情境，賦予學生使命感，引導學生積極參與問題探究，這也是學生積累經驗，及時發現問題的關鍵。同時教師還應培養學生在探究過程中多思考、多問“為什么”“不這樣行不行”的習慣，明白每一步操作的原因及必要性，總結知識的適用場景，提高學習效率，真正掌握知識并靈活遷移應用。

2.2.3分析問題

分析問題是問題解決的第二個環節，也是決定后續探究能否順利進行的關鍵環節，包括拆解程序和描述角色行為兩個子能力。教師呈現完整編程作品的效果，也可以根據實際情況邀請學生體驗，之后學生在教師引導下拆解作品，描述每個角色的行為，描述越細致，后續的探究實踐就越高效。隨著編程學習進行，學生會逐漸形成遇到大問題拆解成小問題逐一突破的思維習慣，并能較為完整準確地描述角色行為。

2.2.4 確定方案

確定方案是問題解決的第三個環節，也是小組合作的重要環節。教師對學生拆解作品、角色行為描述進行梳理總結，劃分任務并逐一發布。學生按小組分工合作，通過思維導圖等工具確定成員分工、明確編程目標為編程實踐做準備。

2.2.5實施方案

實施方案是問題解決的第四個環節，是學生實踐的主要環節。教師觀察各小組探究完成情況，根據實際情況輔助點播，引導學生通過查閱資料、小組討論、求助老師等方法積極提出自己遇到的問題并解決。每完成一個任務后，教師對學生探究過程中出現的普遍問題進行講解，總結歸納知識點。

2.2.6評價反思

評價反思是問題解決的最后一個環節，也是塑造學生問題解決品質的重要環節。學生在小組展示環節根據分工講解自己的作品，總結探究過程中遇到的問題，解決的方法及收獲。評價包括多種角度：教師評價、組間評價、組內評價、習題測評等。教師根據教學目標評價學生作品完成情況，同時也要根據學生探究過程及成果，及時修正完善自己的教學設計。

2.2.7課后反思

教師回顧課堂教學過程中的不足，優化教學設計，針對學生問題出現較多環節調整重難點，結合課上學生的創新點優化作品，針對課堂反饋效果調整問題難度，設計針對班級學習情況的習題，為下節課溫故知新做準備。鼓勵學生課后積極交流分享，在編程貓學習社區上發表自己的編程作品，互相學習。

3? PBL教學模式實踐——《跨欄比賽》

3.1 教師前期準備

以《跨欄比賽》為例，教師前期為教學設計所做的準備如表1所示。

3.2 教師前期準備

根據PBL模式的應用框架，在西安舉辦十四運前夕設計了《跨欄比賽》編程作品，程序效果如圖3所示，具體的教學活動實施過程如表2所示。

3.3 課后反思

學生在分享作品環節表現突出，體現了學生豐富的想象力和創造力，原本的基礎作品效果僅為學生角色在碰到欄架后，生命值減少一格，生命值為0時游戲失敗。為了給玩家更好的游戲體驗，學生針對點擊開始按鈕后玩家還來不及反應游戲就已經結束的問題，添加了游戲操作說明和開始按鈕；還有學生完成了課程開始時自己設計的跨欄比賽游戲，更新了游戲規則，如100米跨欄用時最短者獲勝等。課后教師根據收集的學生作品，在完善設計的示例作品后，將編程任務分為基礎任務和拓展任務，并合理安排課時，給予學生充分創造的時間和展示表達的機會。

4 PBL教學模式的實踐總結及效果分析

4.1 實踐總結

在前期準備環節，由于對作品中的角色拆解得不夠細致，導致學生在具體的實踐環節思路不清晰，難度較大。對于欄架角色可以再細化，明確為移動并再次出現，碰到學生后倒下兩個步驟。因此總結對角色進行描述時，先梳理該角色的所有行為，再總結歸納為具體明確的動作。前期的教學設計還需結合實際教學再修正完善，除了自己反復拆解程序，直至對每個角色的所有積木拼接都了然于心之外，還可以無生試講，錄制講解視頻觀看，盡力做好前期的準備工作。

在課堂導入環節，十四運的宣傳片以及運動員的比賽視頻激發了學生的創作動力，學生對設計游戲作品興致很高，分享欲強烈。但后續應該把握好導入環節的時間，評價環節時間緊張，評價結果的有效性無法保證。

在具體實踐環節，部分學生一遇到問題就舉手提問，大部分都是基礎問題，如某塊積木找不到在哪，某塊積木位置拼接錯了效果沒能實現等。圖形化編程的優勢是能將學生的思維可視化，學生拼接的積木效果隨時都可以點擊運行按鈕，在左側的舞臺區看到已經拼接積木的運行效果，但學生一遇到問題，沒有達到自己的預期效果就立馬求助教師，沒有自己了解問題原因、嘗試解決問題的過程。因此在教學過程中除了基礎的編程知識講解外，還要培養學生問題解決的習慣，營造寬松的課堂氛圍，鼓勵學生積極提問，但也要引導學生先自己嘗試解決問題，在獨立思考之后仍然無法解決再求助同學或老師。

在作品展示環節，很多小組結合課程開始自己設想的跨欄比賽作品，對課上的基礎作品進行了補充，如添加跳躍的音效，增加跑道上欄架的列數，學生角色可以上下移動跨越，設計自己的游戲規則，添加新的屏幕等等。因此可以將課時延長，規劃好后續每個作品的課時，給每個小組分享展示的機會，互相學習創新點及不同的實現方法，拓展思維，評價反思環節也能進行得更充分。

4.2 效果分析

“學生作品總分=自評×35%+互評×30%+師評×35%”的評分細則計算作品得分。該班學生的作品成績如表3所示，在50名學生中獲得A的學生達到了32人，占總人數的64%。由此可見，PBL教學模式的編程教學活動中產生了良好的學習效果。

教師記錄的課堂觀察數據表從理解問題、描述問題、制定實施問題解決方案、評價反思四個方面記錄，分析數據得出，多數學生配合小組分工，完成了探究任務，有明確的任務框架和編程目標，邏輯清晰。在描述角色行為時多數學生的描述不完整，在后續的編程課程中還需多加練習。很多學生在課堂上能積極主動地進行思考和探究，在教師的引導下主動根據相關學習資源進行探究學習，能主動反思在探究過程中遇到的問題及解決方案，遇到問題能先自主思考再求助同伴或教師。絕大部分學生能完成三個編程任務并能明確講解編程邏輯、步驟。

5 結束語

PBL教學模式相對于傳統教學模式而言，更強調基于真實問題的學習，實踐證明學生學習興趣和問題解決能力得到提高。同時，該模式應用于編程教學中進行框架構建，豐富了編程教學的理論。通過案例展示，提供了編程教學前期進行教學設計的一般思路，為中小學信息技術教師提供了可參考的框架應用范例，以期促進中小學編程教學發展。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部. 教育部關于印發義務教育課程方案和課程標準（2022年版）的通知[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[2] 中華人民共和國教育部. 教育部關于印發《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》的通知[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201801/t20180115_3246 47.html.

[3] 季蘋，頓繼安.以人格為核心的能力結構：整體把握育人目標的學科教學理論探索[J].中國教育學刊，2022（1）：28-35.

[4] 李彤彤，郝晴，文雨，等.基于學習風格和伙伴關系的配對編程對小學生計算思維的影響研究[J].遠程教育雜志，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 attitudes[J].Educational Technology Research and Development，2021，69（5）：2761-2787.

[6] 董艷，和靜宇.PBL項目式學習在大學教學中的應用探究[J].現代教育技術，2019，29（9）：53-58.

[7] 林荔超.高中信息技術課程中促進深度學習的PBL教學模式設計和應用[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2022.

[8] 邊慶敏.高中生基于情境解決生物學問題能力研究[D].上海：華東師范大學，2021.

[9] 汪瓊.兒童為什么學編程？——Mindstorms：Children，Computers，and Powerful Ideas一書的啟示[J].現代教育技術，2020，30（2）：122-126.

[10] 楊鑫，解月光，茍睿，等.智慧課堂模型構建的實證研究[J].中國電化教育，2020（9）：50-57.

【通聯編輯：王力】