融入計算思維的公安院校計算機實驗微課教學探索

宋華 胡芳 李鵬超 賈志卿

融入計算思維的公安院校計算機實驗微課教學探索

宋華 胡芳 李鵬超 賈志卿

（重慶警察學院，重慶 401331）

本研究從當前公安院校信息化教育的要求出發，將計算思維融入到大學計算機實驗教學中，以微課這種形式來改革傳統實驗教學模式。首先從理論層面對計算機實驗教學現狀進行分析，并就計算思維與微課的結合進行討論，然后對計算機實驗微課教學體系建設、微課教學過程設計以及微課制作策略等方面進行了探索。實踐表明，該教學方式對公安院校學生的計算思維能力培養具有較好效果，也為其他行業院校的計算機實驗教學提供了借鑒。

計算思維； 微課；大學計算機實驗；公安院校；教學效果

當前，警務信息化已朝著“警務云、智慧公安”的方向不斷發展，這要求未來的警務人員應該是同時具備警務實戰和計算機應用能力的復合型人才。公安院校作為行業性極強的應用型高校，在大學計算機課程的教學內容、教學模式上通過不斷改革和創新，目前已經形成了“教、學、練、戰”具有公安特色的培養模式。對于近年在計算機教學中興起的計算思維概念，公安院校也應該重新審視和創新公安計算機教學，特別是計算機實驗教學，探索借助新的環境與手段將計算思維與公安計算機實驗教學相結合，開設適合廣大學員學習的課程，提升未來警察的能力素質。

微課具有教學時間短、內容少、主題突出和傳播多樣化等特點，主要運用信息技術以碎片化形式呈現學習內容[1]。微課的應用，實現了以學生為中心的教學模式，學生可以根據自己的興趣、時間來自由選擇學習內容，提升了學習的自主性。

本文立足公安院校計算機實驗教學的基本要求，結合計算思維的特點，介紹了融入計算思維的公安院校計算機實驗微課教學的開展過程，以期為后來研究者和實踐者提供借鑒和參考。

一、計算機實驗教學現狀分析

（一）“一刀切”式的實驗項目和難度設置

近十年來，隨著計算機及網絡的普及，過去需要在大學課堂講授的計算機操作基礎知識，現在很多學生在中學階段已經學過，一些學生可以較熟練地使用Office軟件，或進行基本的網絡配置和編程。而來自偏遠地區的同學，他們對計算機了解較少，很多基礎的內容需要更多、更細致的練習。學生能力的差異化，為大學計算機實驗教學內容的安排帶來了挑戰，過去沿用的“一刀切”式項目設置和難度設置無法照顧這“兩端”的學生，最終導致實驗課效果不理想。

（二）實驗教學以單純的實驗教材為主導

不同基礎、不同專業學生對計算機操作練習的需求不盡相同，純粹地以計算機實驗指導書為中心，造成實驗內容單一，無法方便學生獲得大量的實驗素材和資料，束縛了學生知識面的拓寬和技能提升。

（三）傳統實驗教學環節學生參與度低

目前的計算機實驗課教學模式，很多依然停留在教師在臺上講授演示，學生在下面跟著模仿，遇到困難再舉手請教的現狀。這屬于典型的教師手把手帶行為，但一旦學生較多時，教師在實驗課上分身乏術，不能兼顧各種層面的學生，更缺少與學生的互動交流，學生的學習熱情就會大幅度降低。

（四）學生被動學習，成績考核方法單一

由于現行的計算機實驗項目大多相對獨立，其內容的延續性、綜合性和創新性都較弱，在大班上課、學時較分散的情況下，教師不能充分調動學生的實驗積極性，學生大多是被動來完成實驗內容[2]。而現在普遍的實驗考核方式也是停留在對學生實驗報告的評定上，并沒有過多關注學生真實的實驗操作能力，這無法體現出教師對學生整個實驗過程進行全面考核。

二、基于計算思維的微課設計

以抽象、自動化為特點的計算思維在2006年首次被美國卡內基?梅隆大學的周以真教授提出后，隨即在世界各國計算機教育界引發廣泛討論。計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，是一種全新的思維活動和能力素質[3]。在國內，經李國杰院士、王飛躍教授的引入和探索，目前計算思維融入到了計算機課程的教學內容、教學手段和實踐應用等多個方面。

在以計算思維能力培養為目的的大學計算機教學探索中，教學工作者逐漸認識到，計算思維的培養不是培養學生的計算機思維，而是培養學生像計算機科學家那樣思考問題，采用模型構造、遞歸、啟發等方法解決實際問題[4]。同時，各界學者通過結合我國高等教育的實際不斷拓展計算思維的內涵，具體針對“大學計算機”實驗環節的教學，就是要樹立計算思維能力的核心培養目標。

微課能在一個較短的時間內，把課程分割出的一個知識點較完整地呈現給學生，這是微課設計的基本要求，也是微課的優勢，但卻存在著一定的不足。由于微課知識碎片化呈現，導致學生對課程知識點間內在聯系及隸屬關系的認識比較模糊，同時由于微課本身時間較短，所以不少實驗類微課只是簡單呈現實驗過程或者結果，很少啟發學生自己去思考、構造實驗。另外，部分實驗類微課存在要素缺失的問題，將微課的“微”理解為“省”，不能正確處理“短小”與“俱全”的關系[5]。要把計算思維引入計算機實驗微課教學，教師應在實驗微課設計前，首先明確教學目的、教學內容、技能演練、思考分析、總結反饋等多個要素的實現過程和手段，這才有助于鍛煉學習者的創造能力和知識遷移能力，提高教學效果。具體實現過程如圖1所示。

圖1 學生計算思維在實驗教學中的培養過程

三、基于微課和計算思維的計算機實驗教學改革

根據教育部高等教育司提出的以計算思維為切入點的大學計算機課程教學改革精神[6]，同時結合《公安高等教育發展規劃綱要（2015—2020年）》中對應用型警務人才在信息技術方面的需求，我院提出“2+1+X”的課程體系，即“大學計算機”和“公安信息技術應用”兩門公共基礎課，一門“網絡犯罪偵查”專業基礎課，再從“網絡輿情監察”“信息安全技術體系”“電子數據取證”中任選一門作為專業選修課，著力培養學生的信息意識、數據分析能力、工具操作能力和協同破案能力。

上述課程的實驗并不都適合制作成微課，在充分考慮能吸引學生自學、具有單獨演練可能的特性后，最后決定將“大學計算機”實驗課程制作成微課。

（一）計算機實驗微課項目體系建設

根據我院大學計算機實驗教學大綱的總體安排，首先將實驗分為六大板塊，再將每一板塊的實驗總目標拆分成若干個小目標，每一個小目標就是一段微課。同時又將每一板塊的實驗微課細分為四個層次：前導型實驗微課（明確知識點，發現問題）、驗證型實驗微課（講解知識點，培養操作技能）、提升型實驗微課（知識遷移，解決問題）、綜合型實驗微課（各模塊知識點綜合應用），整個大學計算機實驗微課項目體系如表1所示。

表1 計算機實驗微課項目體系

學生在使用這些微課時，可以根據自己的基礎，在實驗前選擇相應的前導型微課來明確知識點、彌補自身基礎的不足；在實驗過程中，可以通過驗證型微課練習基本實驗項目，而對能力較強的學生，可以選擇提升型微課獲得更大的收獲。這兩部分實驗微課數目都較多，涉及實驗大類的各個知識點，且在難度上設置有梯度，解決了過去實驗課內容有限、“一刀切”的問題，做到了因材施教。在每一章節結束后，學生可以通過綜合型實驗微課，將前邊所學的知識綜合應用，提升分析問題、綜合應用能力。

（二）融入計算思維的實驗微課教學過程設計

將計算思維融入到大學計算機實驗課程中，并通過微課的形式展示給學生，是本實驗微課教學創新的目標。在實驗微課教學設計中為突出計算思維能力的培養，實驗案例的選擇至關重要，既要與知識點緊密結合[7]，又不離開公安領域，這才能讓學生有興趣去思考，提出問題并解決。同時每一個實驗微課中的案例應具有多種解決辦法，便于引導學生利用計算思維從多角度尋找不同解決方案，并歸納總結出最優解決方案。

在實驗微課的使用策略上，我們借助微課彌補傳統實驗教學模式的不足，采用線上觀看與線下練習指導相結合的方式。教師在實驗課前，應先布置實驗題目和預習內容，學生則根據自身基礎，通過觀看前導型實驗微課，預先練習實驗基本操作。在課堂上，學生可按實驗目標和自身能力情況，選擇不同難度的驗證型、提升型實驗微課觀看，同時進行實驗操作，在此過程中如遇到困難，教師應適時參與到實驗中，和學生一起探討未解決的問題，并積極回應他們的提問，指引學生按照計算思維的方法進行思考。在實驗課后，學生還能對實驗微課內容進行觀看及練習。

由于實驗微課應用于實驗教學的課前、課中和課后，所以在實驗微課的教學設計過程中，不能因為時間短暫，就僅僅是把最后的答案或結果直接告訴學生，微課制作者更要像一個導演，通過環環相扣的情境設置，引領學生進行探索性思考[8]。

在實驗微課案例選擇上，要認真推敲，反復斟酌，盡量選擇有公安警務類背景的案例，這樣更能提升學生的學習熱情。下面用一個具體的循環選擇結構計算機破案的例子來介紹如何以微課的形式在大學計算機實驗中融入計算思維。

李某在家中遇害，公安機關在偵查中發現有A、B、C、D四名嫌疑人曾到過現場。

在詢問中，A嫌疑人說：“我沒有殺人。”B嫌疑人說：“C是兇手。”C嫌疑人說：“殺人者是D。”D嫌疑人說：“C在冤枉好人。”案件偵辦民警經過調查，發現四名嫌疑人中有三人說的是真話，兇手就是這四名嫌疑人中的一個，請找出兇手到底是誰。

對公安專業的學生來說，上面這個案例非常有探討價值，由于專業性和趣味性都比較強，在實驗微課設計的過程中可按照下面的幾個步驟來進行計算思維的融入。

（1）首先引導學生要把實際問題進行抽象轉化（轉化為相應的表達式）。

A說：我沒有殺人。對應（murderer!=‘A’）；

B說：C是兇手。對應（murderer==‘C’）；

C說：殺人者是D。對應（murderer==‘D’）；

D說：C在冤枉好人。對應（murderer!=‘D’）。

然后對上述抽象結果進行數據處理：判定每句話的真或假（用1或0表示），然后再求取4句話邏輯值之和sum（sum=(murderer!=‘A’)+(murderer==‘C’)+(murderer==‘D’)+(murderer!=‘D’)）。

（2）設置問題，比如：可以用什么算法結構來分析這個問題？這個問題的條件有幾個？

（3）通過自問自答的形式給出幾種解決方案，比如：多分支選擇結構、選擇嵌套結構、循環選擇結構的綜合。

（4）讓學生選擇不同的方案進行分析，并嘗試寫出程序流程圖，然后進行相應的討論分析，判斷哪種方法是最簡潔高效的。

（5）在課程的最后，讓學生通過實際編寫程序來實現算法，得出結果，并總結在解決問題過程中用到的計算思維方法。

本案例的算法設計如圖2所示。算法是先假設兇手是A，然后判斷這四個人說的話是否有三句是真實的（顯然，若A為兇手，A、B、C都說了假話，排除）；再假設兇手是B，再一次判斷這四名嫌疑人的話是否有三句是真實的，以此類推，直到假設兇手是D時結束。其中誰的假設條件滿足有三句話是真實的，那該人就是兇手，最后推出兇手是C（此時A、B、D都說的是真話，C說了假話）。

同樣的方式，我們在對實驗微課教學設計時，Word軟件的應用練習可選用“案卷制作”案例，對Excel軟件可選用“犯罪嫌疑人碰撞”“地區發案走勢圖”等案例進行設計，對Flash軟件則可選用“案發現場動畫模擬”案例進行設計。

圖2 循環選擇結構計算機破案案例算法流程圖

（三）計算機實驗微課的制作策略

大學計算機實驗微課在教學過程（劇本）設計好之后，要最終達到良好的效果，微課的制作過程很關鍵。微課制作要圍繞教學目標，突出重點，同時為了在融入計算機思維的計算機實驗微課中充分調動學生的手、眼、腦的參與，一個相對輕松且生動的學習環境很重要[9]，這對微課的設計制作提出了更高要求。因此，為了保證計算機實驗微課視頻的質量，我們全部在校音視頻實驗室錄制，并對錄完的微課采用Premiere CC2014軟件進行后期處理，完成字幕添加、視頻剪輯、聲音濾波等操作。同時，實驗微課的制作還需注意下面幾個問題。

首先，大學計算機實驗微課的講解語言一定要嚴謹，用詞規范、有節奏感，所以制作前應該先寫好講解腳本，并反復修改，對重要的操作步驟要注重語言技巧，適當設置懸念，促使學生進行思索，突出計算思維能力的培養。

其次，實驗微課要能持續吸引學生的注意力，除了案例典型，最好采用二人對話的形式進行講解，也就是一方以老師身份負責設問、引導，另一方則按照學生的思維回答問題，模擬出現場實驗的指導過程，這既能提起學生的觀看興趣，也較好地解決了實驗微課現場交互性差的問題。

再次，對于技能操作型實驗微課，要事先設計好操作步驟，每一步之間跨度不能太大，操作既要相對獨立又要有邏輯順序，盡量讓基礎一般的學生看得明白，并能模仿演練。

最后，在微課的背景上，風格盡量清新和諧，畫面的變換不能過于頻繁[10]，實驗操作步驟不能有多余動作，在制作的后期，可以根據實驗微課的內容適當加入背景音樂，以期取得更好的視聽效果。

[1]WING J M.Computational thinking[J].Communications of the ACM(S0001-0782),2006,49(3)：33-35.

[2]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.

[3]周以真.計算思維[C]//新觀點新學說學術沙龍活動系列活動之七.北京：中國科學技術出版社，2007：122-127.

[4]徐麗華,李兵,張勇.基于微課和思維導圖的混合式實驗教學研究[J].實驗技術與管理,2016，(12)：180-182.

[5]蘆天亮,曹金璇,蔡滿春.慕課時代公安院校計算機基礎課程教學方法研究[J].計算機教育,2017，(2)：126-129.

[6]陳宇峰,劉琦,李鳳霞.面向計算思維的啟發式虛擬實驗教學探索[J].實驗技術與管理,2015，(9)：116-119.

[7]李志文.醫藥計算機應用基礎實驗教學中的計算思維能力培養[J].實驗室研究與探索,2012，(8)：349-351，380.

[8]余泰,李冰.微課在高校實驗教學中的應用探究[J].實驗室研究與探索,2015，(4)：199-201.

[9]顏文燕,陸汝華.微課在計算機基礎實驗教學中的應用研究[J].湖南城市學院學報(自然科學版),2016，(3)：351-352.

[10]范誼.以能力培養推動計算思維形成——基于工具軟件的信息技術教學[J].數字教育,2016，(3)：62-68.

（責任編輯 孫志莉）

Exploration of Computational Thinking Integrated Micro-lectures in the Teaching of Computer Experiment for Public Security Colleges

SONG Hua,HU Fang,LI Pengchao,JIA Zhiqing
(Chongqing Police College,Chongqing,China 401331)

Based on the requirements of information technology education in public security colleges and universities,computational thinking is integrated into college computer experiment teaching.This type of teaching takes the form of micro-lecture to reform the traditional experimental teaching mode.Firstly,this paper analyzes the current situation of computer experiment teaching from the theoretical perspective.Meanwhile,it discusses the integration of computational thinking and microlecture.Secondly,this paper comprehensively explores the computer experiment teaching in terms of constructing a micro-lecture teaching system,designing micro-lecture teaching process,and developing micro-lecture teaching strategies.The practice shows that this teaching method has a good effect on the cultivation of public security college students’ computational thinking ability.In addition,it also provides some references for the computer experiment teaching in other types of colleges and universities.

computational thinking;micro-lecture;college computer experiment;public security colleges;teaching effectiveness

G4

A

2096-0069（2017）03-0071-05

2017-03-23

重慶警察學院院級項目“精品資源共享課——計算機基礎”（20140105）；重慶高等教育教學改革研究項目“基于微課程的公安院校教學創新研究與實踐”（153168）

宋華（1977— ），男，重慶人，講師，碩士，CCF（中國計算機學會）會員，研究方向為計算機基礎教學、程序設計、智能信息處理；胡芳（1979— ），女，青海西寧人，博士，研究方向為計算機基礎教育研究；李鵬超（1983— ），男，內蒙古呼和浩特人，講師，碩士，研究方向為現代教育技術應用；賈志卿（1962— ），男，內蒙古呼和浩特人，教授，碩士，研究方向為公安信息化教學。