編程糾錯(cuò)教學(xué)策略助力學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的探究

【摘要】在編程教學(xué)中，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，教師要以此為契機(jī)，采用編程糾錯(cuò)教學(xué)策略促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。教師首先要充分意識(shí)到程序設(shè)計(jì)過(guò)程中糾錯(cuò)能力與學(xué)科核心素養(yǎng)之間密切的關(guān)系；其次要深究學(xué)生編程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的根源；最后要采用有效的糾錯(cuò)策略提高學(xué)生的糾錯(cuò)能力?！娟P(guān)鍵詞】編程糾錯(cuò)；教學(xué)策略；核心素養(yǎng)2017年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》促進(jìn)了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在中小學(xué)教育普及。圍繞編程教學(xué)，近年來(lái)衍生出很多卓有成效的研究成果，涵蓋教學(xué)模式、課堂改革、教學(xué)實(shí)踐、學(xué)生發(fā)展等領(lǐng)域，但是目前缺少完善、系統(tǒng)、創(chuàng)新的編程糾錯(cuò)教學(xué)策略研究。編程糾錯(cuò)教學(xué)策略是指在編程教育中采用特定的方法和技巧，幫助學(xué)生識(shí)別、理解和糾正在編程學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和問(wèn)題。程序糾錯(cuò)是編程教學(xué)中不可避免也不可缺少的環(huán)節(jié)，教師要充分發(fā)揮編程糾錯(cuò)教學(xué)策略的潛力，助力學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，需要從以下方面做起。相互促進(jìn)——厘清糾錯(cuò)能力與核心素養(yǎng)關(guān)系程序設(shè)計(jì)的本質(zhì)是將人類形象思維轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的抽象思維，在該過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤、非預(yù)期結(jié)果。糾錯(cuò)能力即為發(fā)現(xiàn)、解決、更正這些問(wèn)題的綜合能力。學(xué)生糾錯(cuò)能力的提高能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展又會(huì)反作用于學(xué)生糾錯(cuò)能力，兩者相互促進(jìn)，相輔相成（圖1）。糾錯(cuò)能力的提高能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。第一，促進(jìn)信息意識(shí)的發(fā)展。糾錯(cuò)需要學(xué)生對(duì)信息有強(qiáng)烈的靈敏性，學(xué)生要通過(guò)多途徑獲取信息、收集信息、篩選信息、分析信息、利用信息解決問(wèn)題，樹(shù)立信息意識(shí)。第二，促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展。計(jì)算思維可以簡(jiǎn)單表征為用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造性解決問(wèn)題的能力，解決錯(cuò)誤的過(guò)程也是提高計(jì)算思維的過(guò)程。第三，促進(jìn)數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的發(fā)展。糾錯(cuò)過(guò)程中需要充分利用各種數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，提高糾錯(cuò)的效率，如利用檢索工具、論壇、博客、調(diào)試工具、英語(yǔ)翻譯工具、思維導(dǎo)圖、表格等，通過(guò)豐富解決問(wèn)題的途徑和手段，促使學(xué)生多樣化的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)發(fā)生。第四，促進(jìn)信息社會(huì)責(zé)任感的生成。糾錯(cuò)主體多元化，從單一的個(gè)人、師生糾錯(cuò)到小組間、班級(jí)內(nèi)共同糾錯(cuò)，再到網(wǎng)絡(luò)求助或解答錯(cuò)誤，增強(qiáng)了學(xué)生在信息世界的主人翁意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的信息責(zé)任。學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展又會(huì)促進(jìn)糾錯(cuò)能力的提高。當(dāng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)得到較好的發(fā)展時(shí)，學(xué)生能夠更好地利用核心素養(yǎng)解決編程中的問(wèn)題。在編程教學(xué)中，有些教師往往忽略了程序糾錯(cuò)的專項(xiàng)訓(xùn)練和能力培訓(xùn)，因?yàn)榻處煕](méi)有意識(shí)到糾錯(cuò)能力與學(xué)科核心素養(yǎng)之間密切的關(guān)系。因此，教師要在基于正確認(rèn)識(shí)兩者關(guān)系前提下，在編程糾錯(cuò)教學(xué)中抓住機(jī)會(huì)，恰當(dāng)引導(dǎo)，精選策略，以促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。探明癥狀——?dú)w納學(xué)生編程錯(cuò)誤類型及成因根據(jù)學(xué)生能否自行解決問(wèn)題，筆者將編程錯(cuò)誤分為“無(wú)阻錯(cuò)誤”和“有阻錯(cuò)誤”?！盁o(wú)阻錯(cuò)誤”是指學(xué)生能夠理解的錯(cuò)誤，主要由粗心、疏忽等原因造成，通過(guò)錯(cuò)誤提醒，學(xué)生能夠自行解決。此類錯(cuò)誤不會(huì)對(duì)學(xué)生程序編寫(xiě)形成阻力，學(xué)生已經(jīng)習(xí)得相關(guān)問(wèn)題的解決方案并內(nèi)化了相關(guān)知識(shí)技能。“有阻錯(cuò)誤”是指超出學(xué)生認(rèn)知范圍的錯(cuò)誤，即使程序給出了錯(cuò)誤提示，學(xué)生依然不能理解，無(wú)法獨(dú)立解決問(wèn)題。此時(shí)若沒(méi)有良好的糾錯(cuò)策略，學(xué)生將無(wú)能為力，這是阻礙學(xué)生正確編程的重要因素。針對(duì)“有阻錯(cuò)誤”，教師需要結(jié)合學(xué)生無(wú)法解決錯(cuò)誤的根本原因，為學(xué)生探索解決策略，將“有阻錯(cuò)誤”轉(zhuǎn)化為“無(wú)阻錯(cuò)誤”，其具體策略如下（圖2）。第一類編程錯(cuò)誤原因可歸結(jié)為語(yǔ)法等基本知識(shí)掌握不牢固?！盁o(wú)阻錯(cuò)誤”發(fā)生的前提是學(xué)生已經(jīng)掌握了基本的語(yǔ)法，能夠讀懂相關(guān)錯(cuò)誤提醒，針對(duì)提示修改程序。教學(xué)實(shí)踐表明，編程初學(xué)者很難從容應(yīng)對(duì)由于粗心而造成的錯(cuò)誤，如使用了中文輸入法輸入字符、括號(hào)不匹配、關(guān)鍵字拼寫(xiě)錯(cuò)誤等。這些本應(yīng)劃分到“無(wú)阻錯(cuò)誤”的范疇，但由于初學(xué)者剛剛接觸編程，基礎(chǔ)知識(shí)和語(yǔ)法掌握不牢，對(duì)于程序的認(rèn)識(shí)還處于“不知所以”的階段，因此這些錯(cuò)誤被動(dòng)成為“有阻錯(cuò)誤”。但此階段持續(xù)時(shí)間較短，一般發(fā)生在程序設(shè)計(jì)課程的初期，經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生能夠自動(dòng)將此類錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為“無(wú)阻錯(cuò)誤”。第二類錯(cuò)誤原因是雖然語(yǔ)法已掌握，但是不能學(xué)以致用。學(xué)生掌握了基礎(chǔ)編程語(yǔ)法后，并不意味著能夠靈活應(yīng)用。在實(shí)際編程中，常常出現(xiàn)以下現(xiàn)象：語(yǔ)法能夠記住，但使用起來(lái)卻錯(cuò)誤百出。學(xué)生在語(yǔ)法的理解與應(yīng)用之間存在較大偏差，究其根源，學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在表象，沒(méi)有深入本質(zhì)。布魯姆將認(rèn)知領(lǐng)域的教學(xué)目標(biāo)分為六個(gè)層次：識(shí)記、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)。此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)處于前兩階段，因此造成學(xué)用割裂，當(dāng)由淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)后，自然而然能達(dá)到后四層學(xué)習(xí)目標(biāo)。第三類錯(cuò)誤是邏輯錯(cuò)誤，產(chǎn)生原因是解決問(wèn)題的思路出現(xiàn)偏差。邏輯錯(cuò)誤沒(méi)有提示，因此程序順利運(yùn)行后，還需要對(duì)運(yùn)行結(jié)果的全面性和正確性進(jìn)行檢查。修改邏輯錯(cuò)誤對(duì)學(xué)生能力提出了更高的要求，不僅要求學(xué)生能夠改正錯(cuò)誤，更要能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。解決此類問(wèn)題，首先調(diào)試是關(guān)鍵，如果發(fā)現(xiàn)不了錯(cuò)誤，何談改正錯(cuò)誤？其次，要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提高學(xué)生算法設(shè)計(jì)能力，使之正確界定問(wèn)題，全面考慮各種情況，建立健壯的算法模型。明晰路徑——優(yōu)化編程糾錯(cuò)教學(xué)的基本策略1.利用數(shù)字化工具，多渠道認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤筆者通過(guò)課堂觀察、師生交流和課下調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生面對(duì)錯(cuò)誤提示時(shí)有兩類阻礙：一是無(wú)法讀懂英文提示的含義；二是英語(yǔ)提示能夠讀懂，但提示過(guò)于籠統(tǒng)，不知道如何進(jìn)行改正。針對(duì)問(wèn)題一，可以借助英語(yǔ)翻譯工具將英語(yǔ)翻譯成漢語(yǔ)，當(dāng)查閱次數(shù)增多時(shí)，學(xué)生無(wú)意中就會(huì)記住關(guān)鍵單詞，從而讀懂表層含義。讀懂表意并不意味著就能解決問(wèn)題，還要能夠理解其深層含義，知道同一種錯(cuò)誤類型可能由哪些原因?qū)е?，即能解決問(wèn)題二。為了提高學(xué)生課上編程練習(xí)的效率，傳統(tǒng)教學(xué)中往往由教師直接告知學(xué)生錯(cuò)誤原因，并指導(dǎo)學(xué)生改正錯(cuò)誤。在該過(guò)程中，學(xué)生是知識(shí)的接受者，而非探究者，學(xué)生養(yǎng)成依賴外界解決問(wèn)題的習(xí)慣，形成思維惰性。因此，要讓學(xué)生通過(guò)查閱資料，自主解決問(wèn)題，讓學(xué)生在“發(fā)現(xiàn)—修正—調(diào)試”的迭代探索中糾錯(cuò)。同一錯(cuò)誤可能由多種原因?qū)е?，學(xué)生通過(guò)搜索引擎、網(wǎng)絡(luò)論壇、博客等路徑收集、辨別、篩選信息，獲取解決問(wèn)題的潛在方法，利用自行獲取的知識(shí)不斷調(diào)試，直到修正錯(cuò)誤、解決問(wèn)題。該過(guò)程不是直線式的探究，而是螺旋上升的，每一次修改、調(diào)試錯(cuò)誤都能夠給予學(xué)生啟發(fā)，無(wú)形中提高了學(xué)生的糾錯(cuò)能力。學(xué)生利用豐富的數(shù)字化工具和資源，能夠全方位、多角度、深層次認(rèn)識(shí)編程錯(cuò)誤，探究解決問(wèn)題的方法，促進(jìn)信息意識(shí)的形成，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。2.形成糾錯(cuò)記錄單，分類總結(jié)錯(cuò)誤糾錯(cuò)記錄單主要針對(duì)代碼中有提示的錯(cuò)誤，將程序編寫(xiě)中遇到的錯(cuò)誤按類型劃分、標(biāo)注出錯(cuò)誤提示和原因、記錄出錯(cuò)語(yǔ)句、統(tǒng)計(jì)出錯(cuò)頻次，形成學(xué)生糾錯(cuò)檔案。糾錯(cuò)記錄單的形式可以是表格、思維導(dǎo)圖等，只要能將關(guān)鍵要素清晰記錄下來(lái)即可。筆者給出了表格和思維導(dǎo)圖兩種記錄方式的示例（圖3）。糾錯(cuò)記錄單能促使深度學(xué)習(xí)發(fā)生。糾錯(cuò)記錄單是學(xué)生在編程實(shí)踐中根據(jù)實(shí)際情況，自主解決問(wèn)題后，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行的總結(jié)、提煉和反思。學(xué)生經(jīng)過(guò)一系列的主動(dòng)學(xué)習(xí)和程序調(diào)試，學(xué)習(xí)在不知不覺(jué)中內(nèi)化，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)發(fā)生。糾錯(cuò)記錄單是學(xué)生的查詢手冊(cè)：學(xué)生常常會(huì)多次遇到相同的問(wèn)題，但是信息技術(shù)課程間隔較長(zhǎng)，學(xué)生容易遺忘。因此通過(guò)查詢糾錯(cuò)記錄單，可以幫助學(xué)生快速解決類似錯(cuò)誤，提高編程效率。糾錯(cuò)記錄單助力學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)：不同錯(cuò)誤的出現(xiàn)頻率在一定程度上反映了學(xué)習(xí)過(guò)程中潛在的問(wèn)題和困難點(diǎn)，學(xué)生可以針對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)和練習(xí)。糾錯(cuò)記錄單幫助教師優(yōu)化教學(xué)過(guò)程：對(duì)教師來(lái)說(shuō)，糾錯(cuò)記錄單是反饋教學(xué)效果的一個(gè)重要依據(jù)，教師可以對(duì)班級(jí)所有學(xué)生的記錄單進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，據(jù)此來(lái)調(diào)整教學(xué)過(guò)程，突破重難點(diǎn)。3.逐步調(diào)試，定位邏輯錯(cuò)誤編程常見(jiàn)的邏輯錯(cuò)誤有：運(yùn)算符使用不正確、語(yǔ)句的先后順序不對(duì)、條件語(yǔ)句的邊界值不正確、循環(huán)語(yǔ)句的初始值與終值有誤等。發(fā)生邏輯錯(cuò)誤系統(tǒng)不會(huì)有提醒，因此需要程序設(shè)計(jì)者細(xì)心地閱讀程序、分析程序、調(diào)試程序。在進(jìn)行程序調(diào)試時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)的選取要有代表性、全面性，要特別注意特殊數(shù)據(jù)和邊界值。以Python為例，常用的調(diào)試方法有三種：一是通過(guò)輸出函數(shù)輸出變量值進(jìn)行驗(yàn)證，方法簡(jiǎn)單快捷，但是每次修改都需要重新運(yùn)行程序；二是利用Debug工具進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試，圖形界面功能強(qiáng)大，使用簡(jiǎn)單；三是通過(guò)pdb或ipdb等命令行進(jìn)行調(diào)試，方便快捷，但需要記住相應(yīng)指令及其功能，學(xué)生掌握起來(lái)有一定難度。綜合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和學(xué)生學(xué)情，筆者為學(xué)生介紹了前兩種方法。4.培養(yǎng)計(jì)算思維，減少邏輯錯(cuò)誤在定位好邏輯錯(cuò)誤后，還要能夠分析錯(cuò)誤原因，進(jìn)行錯(cuò)誤修改。邏輯錯(cuò)誤的本質(zhì)是算法設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題。算法設(shè)計(jì)與計(jì)算思維息息相關(guān)，要想從根本上解決問(wèn)題，必須從培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維做起。首先，在教學(xué)過(guò)程中，要以真實(shí)情境為背景，讓學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行界定、抽象特征、建立模型、設(shè)計(jì)算法，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。其次，借助畫(huà)筆等工具繪制流程圖，加深學(xué)生對(duì)問(wèn)題的整體理解和建構(gòu)。再次，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性和能動(dòng)性。算法應(yīng)該是在學(xué)生的交流探討中生成的，而不應(yīng)由教師生成。當(dāng)學(xué)生在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，教師要循序善誘，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析，獨(dú)立解決問(wèn)題。最后，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維，讓學(xué)生通過(guò)分享不同的算法設(shè)計(jì)思路，碰撞出思維的火花，提出多樣化的問(wèn)題解決方案。5.形成互助小組，創(chuàng)建良好氛圍一個(gè)人的能力是有限的。教師要善于利用集體的力量，發(fā)揮集體的智慧，促進(jìn)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果。在教學(xué)實(shí)踐中常常出現(xiàn)這種趣事：學(xué)生A的程序出現(xiàn)錯(cuò)誤，苦思冥想半天仍然無(wú)法定位錯(cuò)誤；學(xué)生B幫他檢查，找到錯(cuò)誤后提示學(xué)生A，學(xué)生A恍然大悟，學(xué)生B成就感滿滿。對(duì)于學(xué)生A來(lái)說(shuō)，這個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)常常不是因?yàn)樗粫?huì)而找不到，而是由知覺(jué)的理解性和整體性決定的。大腦為了節(jié)省注意資源，在重復(fù)某些操作時(shí)（如重復(fù)閱讀相同內(nèi)容），會(huì)從整體上去感知、理解，從而抑制了對(duì)個(gè)別成分（部分或細(xì)節(jié)）的知覺(jué)。對(duì)于學(xué)生B來(lái)說(shuō)，閱讀他人的程序本身就是一種學(xué)習(xí)，能夠幫助同學(xué)修正錯(cuò)誤，說(shuō)明其知識(shí)和技能得到了內(nèi)化，形成了自己的糾錯(cuò)策略。另外，學(xué)生B通過(guò)幫助同學(xué)獲得了較強(qiáng)的自我效能感，擁有較強(qiáng)自我效能感的學(xué)生在面對(duì)困難