基于計算思維的網絡自主學習在教學中的應用研究

李　敏, 盧建成，牛紅惠

(1.安陽師范學院 軟件學院，河南 安陽 455000；2.安陽縣洪河屯鄉第二中學，河南 安陽 455000)

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基于計算思維的網絡自主學習在教學中的應用研究

李敏1, 盧建成2，牛紅惠1

(1.安陽師范學院 軟件學院，河南 安陽 455000；2.安陽縣洪河屯鄉第二中學，河南 安陽 455000)

[摘要]計算思維是計算機教育領域備受關注的重要課題，計算思維理論的研究和發展深刻地影響計算機教育的發展。本文基于計算思維和網絡環境下自主學習的理論，構建了以計算思維為核心的網絡環境下自主學習的模型，并將此模型應用到了大學計算機基礎課程的教學中，取得了理想的教學效果，同時也培養了學生的計算思維能力。

[關鍵詞]計算思維；自主學習；網絡；模型；計算機基礎教學

1引言

計算思維(Computational Thinking)是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，計算思維的研究和發展對計算機教育的發展有重要的意義。計算機基礎課程教學是高等學校通識教育的重要組成部分，在培養學生的綜合素質、提高創新能力、提升社會活動能力等方面發揮了重要作用。中國科技大學陳國良院士曾指出[1]：“大學通識教育是大學人才培養的重要任務，大學教育不能局限于基本知識傳授，還要從學生的理性思維中去培養對科學的追求，使學生具備高尚的人格。而作為計算機課程中核心思想的計算思維是為不同專業的學生提供一種獨特的思維方式以及更好的解決專業問題的有效手段和方法，同時計算機基礎課程作為與數學、英語同等地位的大學基礎課程，是培養計算思維能力最好的課程載體。”

將計算思維滲透到大學計算機基礎課程教學中是提高教學效果最有效的教學方式之一，它不僅可以高效地完成教學目標，還可以潛移默化地影響學生，使學生能夠運用計算思維方法解決學習上的問題，將來工作中遇到的問題，實際生活中遇到的問題等，最終將這種計算思維能力內化提升，成為適應當代社會的綜合型的創新人才。本文基于計算思維和網絡環境下自主學習的理論基礎，構建了以計算思維為核心的網絡環境下自主學習的模型，并將此模型應用到了大學計算機基礎課程的教學，通過具體實施，取得了較好的學習效果，也進一步證明了該模型的可行性。與傳統的教學模式相比，基于計算思維的網絡自主學習模式可以有效地提高學生創新思維能力，幫助學生更好地進行自我知識建構，提升學生的計算思維能力。

2計算思維的內涵

美國卡內基·梅隆大學計算機系主任Jeannette M. Wing教授在ACM 上發表的《Computational Thinking》中提出: “計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[2]”她認為，計算思維和普通思維一樣，是人的一種基本技能，我們應該在培養孩子的各種能力的同時，還要注重培養孩子的計算思維能力。Jeannette M. Wing教授指出：“①計算思維是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題；②計算思維是一種遞歸思維；③計算思維釆用了抽象和分解來迎接龐雜的任務或者設計巨大復雜的系統；④計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式從最壞情形恢復的一種思維；⑤計算思維就是學習在同步相互會合時如何避免“競爭條件”的情形；⑥計算思維利用啟發式推理來尋求解答，就是在不確定情況下的規劃、學習和調度；⑦計算思維利用海量數據來加快計算，在時間和空間之，在處理能力和存儲容量之間進行權衡[3]；抽象和自動化是計算思維的本質和標志，它是以可行和構造為特征的構造思維，是以程序化、層次化、機械化為根本的思維。計算思維將如閱讀、寫作和算術一樣，不僅屬于計算機科學家們，而會成為人們所掌握的基本技能之一。

3基于計算思維的網絡自主學習模型的建構

3.1　基于計算機網絡環境的自主學習的理論基礎

網絡環境下的自主學習，就是指學生在教師的指引下，借助于網絡環境提供的學習支持服務系統，探究地、主動地進行學習，從而達到掌握知識與能力的目的。其實質是充分調動學生的主觀能動性和創造性，在主體認知不斷形成的過程中滲入學生自己的見解。建構主義學習理論主張在教學過程中以學生為中心，強調學生是學習的主體，是信息處理的主體，是知識的建構者；認為知識不是由教師一方灌輸的，而是由學生在一定的學習情境下通過合作、交流、討論、互相協助，并借助必要的資源主動建構的。建構主義理論為網絡環境下的自主學習模式提供了有力的理論支撐。

在網絡環境下的自主學習中，不能一味地強調學生而忽視教師，和普通教學相比，教師所承擔的任務發生了變化，教師從負責傳授知識變成了設計學習資源、組織學習過程、評估學習效果等一系列的內容。教學過程中的各個因素相互作用形成教學模式。基于網絡的自主學習模式是一個系統化和理論化的教學模型，是由多個因素互相制約的。一般情況下，網絡環境下的自主學習過程中包含四個要素：學生、教師、教學資源、學習環境。為了更好地定量表達這四個因素之間的關系，可用下面的數學模型來表示[4]：

Q=F(AT，AS,E,R)

式中Q表示基于網絡環境的自主學習模式，F是一個過程函數，AT是教師的動作集，AS是學生的動作集，E表示網絡環境，R表示教師所提供的海量的網絡資源。在該自主學習模式中，E和R關系著學生的學習效果以及教師對學生學習情況的掌控。一般情況下，所提供的E越完善，教師的教學就會顯得越簡單和輕松，AS就能利用資源和的輔助高效地自主學習。

3.2　基于計算思維的網絡自主學習模型的建構

將教師的教學指導和學生的自主學習行為結合起來是基于計算思維的網絡自主學習模式的前提，然后綜合運用適當的教學策略和學習策略，使學生自主地學習、建構、內化，進而提高學習效率，同時提高計算思維能力。該學習模式可用下面的數學模型來表示：

4基于計算思維的網絡自主學習模式教學實踐

基于計算思維的網絡自主學習可以很大程度的激發學生學習的主動性，使學生在豐富的網絡資源中完成知識的自我建構，同時有助于學生計算思維的培養。《多媒體基礎與課件創作》課程作為師范院校一門針對師范類非計算機專業學生開設的一門操作性極強的計算機基礎課程，該課程以信息素養教育為核心，突出素質教育，強調學生的實踐操作能力，使學生在學習課件創作的過程中提高自身的信息素養，培養自身的計算思維。以該課程為例，依據上文得出的網絡自主學習模型，主要探討該學習模型在提高教學效果和培養學生計算思維能力兩方面的作用。為了將效果表達定量化，本文用I表示教師的教學效果，用S表示學生的計算思維能力。

4.1　搜集優質網絡資源，提出問題

對于《多媒體基礎與課件創作》課程的學習，第一步非常重要，通過優質網絡資源的搜集，學生能夠準備好制作課件所需要的原始素材，主要包括制作課件所需要的文字、聲音、圖形圖像、動畫、視頻等多媒體素材；也可以學習其他優秀課件，通過對優秀課件的學習，學生可以了解到制作一個優秀的課件需要從哪些方面努力，同時，學生會提出問題，例如，課件中美麗的場景如何繪制，音頻如何重組，豐富的動畫如何實現等，與此同時，教師也應設置基于計算思維的探究性問題，在潛移默化中培養學生的計算思維，進而激發學習的熱情。我們可以用如下的關系描述教師和學生在此階段教和學的情況：

I1=F1(m)

S1=G1(p)

式中，m表示教師搜集的優質學習資源，并在此基礎之上，學生提出的有助于學習的問題，F運用計算思維方法指導學生學習的第一步學習效果。p是指學生基于計算思維提出的問題，G1是計算思維能力質量函數，S1表示第一步的計算思維能力培養效果。

在實施過程中，教師應保證網絡資源豐富，網絡運行環境正常，并熟悉計算思維，學生預習相關內容，并了解計算思維的一系列方法，并具有一定的自學能力和知識建構能力。《多媒體基礎與課件創作》課程中，主要是學習用Flash制作課件，在學習優秀課件的過程中，教師可指導學生發現問題。以遮罩動畫的制作為例，由于遮罩動畫制作方法靈活，并且有多種變形，結合這個特點，在問題的設置里可滲透計算思維的啟發式推理，例如我們要想了解遮罩動畫的制作方法，要先區別出來遮罩層和被遮罩層，然后得出哪個圖層有動畫，是形狀補間動畫還是運動補間動畫，形狀補間動畫如何制作，運動補間動畫如何制作，這樣反復地啟發推進，一步步得到問題的關鍵。

4.2　探究問題，找出答案

第二步是整個學習過程中的關鍵階段，在這個階段，教師應在計算思維的方法指導下幫助學生解決問題，包括具體指導學生如何學習，提供相關的學習資料和學習方法，找出問題的答案。學生可以運用計算思維的方法遵循計算思維方法的高效特點在教師的輔導下去思考如何解決問題。我們可以用如下的關系描述教師和學生在此階段教和學的情況：

I2=F2(k)

S2=G2(h)

表示教師指導學生在浩瀚的網絡資源中優化網絡資源，在計算思維的方法的指導下，教師輔助學生對問題的解決思路作深入的探討，F2學生學習的學習函數，表示第二步的學習效果，表示學生用計算思維的方法分解問題，找尋問題的解決方法。G2是計算思維能力質量函數，S2表示第二步的計算思維能力培養效果。

4.3　討論交流，得出結論

第三步主要是教師鼓勵學生通過網絡學習平臺積極參與討論，進而在計算思維方法的指導下，幫助學生在討論中學習，通過討論總結知識。在這個過程中，學生學會了如何在在教師的指導下應用計算思維的方法去解決問題，獲得問題的答案。

例如，在有關遮罩動畫的制作中，通過學生之間的討論，學生會發現由一個簡單的遮罩動畫加上一個背景圖層之后會有更加強的視覺沖擊效果；被遮罩層也不僅僅限于一個；除了制作運動補間動畫的遮罩效果之外，還可以制作形狀補間動畫的遮罩效果等等。通過這樣的學習，不僅可以提高學生的動畫制作能力，學生的自主學習能力，還可以提培養學生的計算思維能力。

4.4　練習鞏固，進一步拓展

第四步主要是教師帶領學生借助于豐富的網絡資源，鞏固所學知識，并且在所學知識的基礎上進行舉一反三、拓展知識的維度，提高知識的深度，達到掌握知識并靈活運用知識的目的。《多媒體基礎與課件創作》是一門操作性極強的課程，學生應利用網絡平臺，不斷地操作，在操作中鞏固新知，在操作中提升，同時學習優秀的網絡資源，發散思維加深對知識的理解[6]。在整個過程中，教師要在設計的問題中滲透計算思維的方法，幫助學生在潛移默化中培養計算思維的能力。

例如，在有關遮罩動畫這個內容的學習中，給學生設計一些這樣的拓展遷移的題目：引導路徑動畫能否實現遮罩效果，能否將遮罩動畫和引導路徑動畫融入到同一個作品的制作中，這樣可以讓學生帶著問題學習、鞏固、拓展、提高。

4.5　反思自評，內化提升

學生在通過系統的學習過程之后，回顧已學知識，總結整理知識是第五步的關鍵，通過對整個學習過程中的得與失的反思，總結學習方法和學習心得，達到內化知識，并將所學知識熟練應用于實踐中的學習效果。教師則是給予學生鼓勵，幫助學生進行提升。

在基于計算思維的網絡自主學習教學過程中，教師要運用計算思維方法給學生提供大量的網絡資源，指導學生發現問題；探究問題，解決問題，并給學生設置相關的問題，逐步引導學生提升計算思維的能力。而學生需要在教師的幫助下積極主動學習，自我建構知識，形成自己的學習模式，自主學習，自我評價，高效完成教學任務。通過這樣的學習，學生能夠更好的利用計算思維方法進行自主學習，同時在掌握相應的知識以后學生之間再進行相互的學習，拓展并內化所學的知識。

5小結

計算思維作為一種新的思維方式，對計算機教學產生了深遠的影響。本文將計算思維與計算機基礎教育相結合，將計算思維方法與教育教學相結合，選取《多媒體基礎與課件創作》課程作為案例，展示了計算機課程教學中可以用計算思維系列方法解決問題。計算思維的本質是抽象和自動化，本文以模型化方式展現了網絡自主學習模式實施的整個過程，主要是為了突出計算思維在教育教學中的作用。將計算思維滲透到大學計算機基礎課程教學中不僅可以有效地提高教學效果，還可以潛移默化的影響學生，培養學生的計算思維能力，使學生能夠運用計算思維方法解決技術問題、專業問題、和生活問題等，進而為終身學習提供了良好的信息資源和高效的學習方法。

[參考文獻]

[1]陳國良,董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學，2011，(1)：7-11.

[2]WingJ M. Computational Thinking[J]. Communication of the ACM, 2006, 49(3):33-35.

[3]周以真.計算思維[J].中國計算機學會通訊,2007,3(11).83-85.

[4]牟琴,譚良,吳長城.基于計算思維的網絡自主學習模式的研究[J].電化教育研究, 2011,(5):54-55.

[5]牟琴,譚良,周雄峻.基于計算思維的任務驅動式教學模式的研究[J].現代教育技術.2011,(6):44-49.

[6]李敏，郝夏斐.項目教學法在多媒體基礎與課件創作教學中的應用研究[J].遼寧教育行政學院學報,2010,27(5)：82-83.

[責任編輯：Z]

Research of Network Independent Learning Based Computational Thinking in Teaching

LI Min1,LU Jiancheng2,NIU Hong-hui1

(1.Sohool of Software Engineering, Anyang Normal University, Anyang 455000,China;

2.The Second Middle School of Houghetun oillage of Anyang County, Anyang 455007,China)

Abstract:Computational thinking is an important topic in the field of computer education, research and development of computational thinking has important implications for the development of computer education. Based on the theory of computational thinking and independent learning, this paper established the independent learning model under the network environment which computational thinking as the core respectively to apply them to the instruction of computer basis teaching. Through the teaching practice, better teaching effect has been achieved, and students' computational thinking ability has been improved.

Key words:computational Thinking; independent learning; network; model; computer basis teaching

[中圖分類號]G434

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-5330(2015)02-0126-04

[作者簡介]李敏 (1983-)，女，河南安陽人，講師，主要從事多媒體技術、計算機教育研究。

[收稿日期]2015-02-17