小学生编程训练系统的设计与开发

一、本论题国内外研究动态及研究意义

1.研究背景

随着我国科技技术的不断发展，网络信息技术已经渗透到各行各业中，尤其是在教育领域应用十分广泛。2017年国务院发布《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》（国发 〔2017〕35 号）文件提出：“实施全民智能教育项目，在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。”^[1]人工智能上升为国家发展战略。部分省市现阶段的小学教育课程里已经开设了信息技术这门课程，为的就是从小学阶段起就紧抓培养学生的信息技术素养^[2]。少儿编程和人工智能教育已成为基础教育的必要组成部分^[3]。

2.国内动态

在政策加持下，国内小学生编程教育的重要性逐渐受到教育界的重视，社会融资与各类专项资金不断流入编程教育领域。据2018年6月亿欧智库发布的《2018 中国少儿编程教育行业研究报告》显示，国内小学生编程教育正在向快速发展阶段过渡^[4]。“优必选”通过创意搭建、逻辑编程学习以及亲子、伙伴间的分享，来培养小学生的创造力和跨学科综合运用知识解决问题的能力；“乐博乐博”于2008年自韩国引入我国少儿编程教育领域，它采用项目管理中的“P-D-C-A”（情境导入、探索体验、反思学习、总结重构）模式开展教学；“编程猫”以游戏、动画、图形化为主要特色，采用PBL项目式教学，利用AI定制学习规划，目前已有超过200万中小学用户^[5]。从适用年龄来看，各大平台都涵盖从学前至中学段的小学生编程教育内容。但这些第三方平台都是以培训为主，缺少学校系统知识的教育，而且价格较贵，在校学生也不可能人人都有经济能力负担这种第三方培训。这些问题导致学校编程训练属于一种不均衡状态。

3.国外动态

国外很多发达国家很早就在积极推动少儿编程教育，美国少儿编程普及率已达40%以上。美国的很多孩子在六七岁时就开始接触编程课程，前总统奥巴马曾发起“编程一小时”的运动，旨在让全美小学生开始学习编程^[6]。2017年10月，美国著名的新闻网站 Huff Post发布了“教授儿童如何编码的炫酷产品”（Cool Products for Teaching Kids How to Code），并介绍了适合不同年龄段学生使用的编程教育产品^[7]；2018年1月，Apex Striving数据公司发布了“25 个教会孩子如何编码的教学资源”（Top 25 Resources forTeaching Kids How to Code）^[8]，此外，可汗学院（KhanAcademy）等在线教育平台，纷纷推出小学生编程课程，爱尔兰的Shaw Academy也推出了Coding forKids 1:Scratch for Beginners 系列课程^[9]。国外虽然有很多优秀的编程教育课程，产品和系统，但由于文化和语言的差异，这些系统并不能直接引进使用，我们还得自己开发一套适合国内小学生的编程训练系统。

由此可见，为解决小学生编程训练难，学生实战经验少等问题，急需开发一套小学生编程训练系统来帮助更多小学生在有网络有电脑时候学习编程，进行实战训练，培养逻辑思维，解决入门第一步，加快推进编程教育的普及，推动全民智能教育发展。

二、.毕业论文（设计)研究内容、拟解决的主要问题

本毕业设计（论文）将围绕以小学生编程训练系统设计与开发展开，研究设计一个贴合实际、功能完善、安全可靠、易维护、在线使用方便的编程培训系统。本系统将帮助小学生学习基础语言、技能，解决小学生入门第一步。并配以大量题目，训练小学生逻辑思维。系统还包括组队等功能，培养小学生团队合作意识。最后本系统还将对接各教育学校，帮助因教育资源落后，师资力量不足导致无法开展编程教育活动的部分学校，让这部分学校的学生可以在本系统上完成编程训练。

本系统通过对现有编程教育平台的调查研究，分析各教育平台的优点与弊端，再结合各教育学校的实际教学过程，设计一个符合小学生的编程培训系统。此系统主要实现的功能具体如下：

（一）学生端：

1.训练功能:

1.1学生普通的日常训练:训练题目由管理员导入系统，题目划分等级，如：容易，简单，普通，困难，非常困难等，让不同阶段的学生自主选择要训练的等级难度；题目还将分类，如：语言基础题，数学编程题，思维编程题等。学生可以通过题目提示选择Python或C等语言来完成题目要求并提交检验。

1.2学生比赛前的强化训练：由指导老师来提供训练题目或从系统选择题目，学生按规定时间内完成题目并查看成绩，该训练必须参加队伍后才能进行。

1.3学生趣味阶段训练：学生选择一个难度等级，然后进行编程通关，通过一关后会自动开启下一关卡，每通过一关卡后会获得一定积分。

2.比赛功能:学生可以查看比赛项目、加入比赛、比赛答题、比赛结束后查看比赛成绩等。

3.组队功能：学生可以通过邀请码(由教师提供)参加队伍，完成队内训练，队内比赛等。

（二）管理员端：

1.比赛管理功能：管理员可以创建比赛，设置比赛模式，导入比赛题目，管理比赛信息，管理组队信息，查看比赛结果等。

2.题目管理：管理员可以导入系统题目并进行编辑，设置难度等级，设置分类，还可以删除题目等。

3.学生信息管理功能：管理员可以对学生信息进行添加，删除，查询，修改等。

4.教师信息管理：管理员可以对教师信息进行添加，删除，查询，修改等。

5.系统信息设置：管理员可以设置系统详情，设置公告，开启系统相关功能。

（三）教师端：

1.组队功能：教师可以组建比赛队伍并设置相关信息（如：队名、要求、所需的学生人数等信息），发布邀请码要求学生加入。且可以创建队内比赛，设置比赛模式，导入比赛题目，编辑比赛时间，统计比赛成绩，编辑队内队员信息，踢出队内队员等。

2.教师用户还拥有学生用户的所有功能。

通过本系统，可以解决小学生进行编程训练难问题，可帮助更多小学生完成编程训练，通过训练让其有丰富的编程实战经验。并培养小学生团队合作意识,互促互学。推进编程教育的普及，推动全民智能教育发展。

三、毕业论文（设计)研究的方法、步骤、措施和研究进度

（一）研究方法

1.文献研究法：搜集整理相关研究资料，为研究做准备。

2.调查研究法：通过访谈、问卷、统计分析等，分析小学生编程现状、需求和存在问题。

3.比较分析法：比较国内外已有小学生编程训练系统，对比分析系统的现状，借鉴好的经验和方法，是课题的内容更加完善丰富。

（二）研究步骤

1.选题：根据所阅读文献选出研究的具体题目。

2.调研和查阅资料：根据所要研究内容进行相关的调研，阅读大量相关文献。

3.需求分析：根据所选系统进行需求分析。

4.系统设计：根据需求分析进行系统的功能设计和数据库设计。

5.系统实现：根据系统设计按模块完成编码。

6.测试修改：编辑测试用例，进行前端、后台测试。

7.撰写论文：根据系统内容，系统功能，撰写论文。

（三）研究手段

系统将采用B/S架构，使用Java语言实现后台逻辑业务设计。Web前端使用优秀开源框架Vue，使用Hbuilder作为开发工具。后端采用Java及企业级后端开发框架Spring,Mybatis，SpringBoot，Shiro等，使用IDEA作为开发工具。数据存储使用MySQL8.0。

（四）进度安排

2020年7月1日-2020年7月3日：与毕业论文指导老师商讨、交流拟定题目，进行需求的调研。

2020年7月4日-2020年7月8日：指导教师下达任务书，根据任务书检索查阅文献资料，熟悉课题，准备考题报告的撰写。

2020年7月5日-2020年7月15日：完成开题报告的撰写，并根据指导教师意见进行修改，并完成开题答辩。

2020年7月16日-2020年10月15日：收集整理与课题有关的资料和数据，开展调查研究工作，完成需求分析。

2020年10月16日-2020年11月30日：并在此基础上进行系统功能分析、设计并拟定论文详细大纲交给指导老师评阅。

2020年12月1日-2021年2月15日：完成系统的设计与开发，撰写论文初稿并提交指导教师审核评阅。

2021年2月15日-2021年3月1日：修改完成论文二稿并提交指导老师查阅，完成系统的测试。

2021年3月1日-2021年3月12日：修改完成论文三稿并提交指导老师查阅。

2021年3月13日-2021年5月：反复修改论文直至定稿，打印装订成册。准备答辩。

四、主要参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.关于印发《义务教育小学科学课程标准》的通知（教基二〔2017〕2号）[Z].2017- 01- 19.

[2] 解颖.基于Scratch2.0小学信息技术编程教学模块的设计与实践[D].牡丹江师范学院,2019.

[3] 张阳.小学生编程教育体系研究与实践[J].技术与教育,2019,33(02):24-29.

[4]亿欧智库.2018中国少儿编程教育行业研究报告[EB/OL].[2018-11-01].https://www.iyiou.c om/Intelligence/report565.html.

[5]编程猫.在线少儿编程课[EB/OL]. [2018-10-20]. https://hi.codesailing.cn/?utm_source=b aidu&utm_term=pinzhuan&utm_content=PC_zbt01.

[6] 李琳,毛嘉诚,胡立志,张翰廷,李聪,徐攀.人工智能时代小学生编程教育体系设计[J].现代计算机(专业版),2018(29):49-52.

[7] Huff Post.Cool Products for Teaching Kids How to Code [EB/OL].[2018-12-10]. https: //www.huffingtonpost.com/jeana-lee-tahnk/neat-products-for-teachin_b_7138030.html.

[8] Apex Striving. Top 25 Resources for Teaching Kids How to Code[EB/OL].[2018 -12 -15] http://www.apexstri-ving.com/2016/11/25-re -sources-for-teaching-kids-how-to-code/.

[9] 孙丹,李艳.国内外小学生编程教育的发展现状、研究热点及启示——兼论智能时代我国编程教育的实施策略[J].远程教育杂志,2019,37(03):47-60.