翻轉課堂模式下計算思維能力的培養

李斌

[摘要]文章闡述翻轉課堂出現的背景，針對目前計算機基礎教學現狀描述的問題，提出借助優秀的網絡教學平臺，將翻轉課堂有效應用到傳統教學中，合理安排課前課中課后的教學任務，組織討論，跟蹤學習進度，培養學生計算思維能力，從而改革計算機基礎教學方法及內容。

[關鍵詞]翻轉課堂；計算思維；教學模式；信息技術；程序設計

一、為什么會出現翻轉課堂教學模式

在翻轉課堂概念還未出現前，我們接觸更多的是傳統的教學模式。從小學、初中、高中到大學，學生們往往是被動接受老師的大容量知識灌輸，鮮有主動學習。由于個體差異，每個學生對知識的理解力不一樣。理解力差一點的學生，因為沒有聽懂上一次課所授內容，以及知識點的連貫性，這些學生可能會陷入“想聽卻聽不懂，聽不懂則不想聽”的惡性循環，從而產生厭學心理。大學課堂更特殊，對于某一門課程，學生一周可能只能見到老師一兩次，老師下課后也很少再與學生見面。學生有什么學習上的問題，不太方便與老師面對面交流，那么這些問題也不會得到及時的解決。

2007年，美國高中兩名教化學的老師喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯，因為有學生未來上課，他們將錄制好的講課視頻（包括PPT演示文稿和音頻）上傳至YouTube，希望這些學生在家里也能學習。他們發現學生的學習效率反而明顯提高了，學生也更加積極學習，學生成績居然大大提高。無獨有偶，美國麻省理工學院學生薩爾曼·可汗，有個小侄女叫納迪亞，她遇到數學難題向可汗求助。可汗通過互聯網來解答侄女的問題，并且講得非常生動有趣。后來可汗的一些親朋好友知道后，相繼向他請教一些學習問題。可汗覺得忙不過來，干脆把數學輔導內容錄制成視頻放到YouTube網站。這種學習模式與傳統學習模式正好相反，傳統學習模式分為兩個環節，第一環節教師在課堂內講解、討論知識，第二環節課堂外通過練習復習鞏固知識。翻轉課堂模式學生課前預習相關知識并思考、準備若干問題；課中對于學生不懂的知識和問題教師組織師生之間、生生之間進行討論，倡導學生自主解決問題，這樣既培養了學生的自我學習能力，同時也培養了團隊協作解決問題的能力。因此，翻轉課堂實際上是將以前課堂內的部分教學搬到課堂外，教師課前錄制好視頻（10到20分鐘），學生在家或者課外空閑時間觀看視頻中教師的講解，回到課堂上再與師生交流，甚至在課堂內就完成了作業。這樣一種教學模式，可以認為是對傳統教學模式的一種徹底創新。

之后薩爾曼·可汗成立了Khan Academy網站，主要是通過視頻的方式講解不同學科內容，并在線解答網友的提問。網站同時可以進行在線練習、自我測評、學校進度跟蹤。截至2012年6月底，Khan Academy網站視頻觀看人次已超過2.1億。其視頻資源涵蓋了物理、生物、數學、金融、化學、天文、計算機、經濟和歷史等十多個學科。翻轉課堂作為一種新型的教學形式迅速風靡全球，在美國就有2萬多所學校的數學課已經不安排老師講課，全部讓學生觀看網站視頻，老師只負責答疑。可汗被譽為“一個顛覆美國傳統教育的人”。

二、計算思維

計算思維（Computational Thinking）一詞由美國卡內基·梅隆大學周以真教授于2006年提出，周教授認為：“計算思維不僅僅屬于計算機科學家，它將和閱讀、寫作和算術一樣，是21世紀每個人必須具備的基本技能。”計算思維的本質就是抽象和自動化，它是一種新的思維方法，即如何按照計算機求解問題的基本方法去考慮問題的求解、進行系統設計并理解人類行為，從而構建出相應的算法和基本程序。按照周教授的觀點，計算思維主要包含以下內容：

（1）通過簡約、轉化、嵌入和仿真等方法，將一個看似困難的問題重新闡述成一個我們知道問題怎樣解決的思維方法；

（2）是一種并行處理、代碼譯成數據又能把數據譯成代碼、遞歸思維、基于多維推廣的類型檢查方法；

（3）是一種基于關注點分解的方法，是一種采用抽象、分解來控制龐雜的任務或進行巨大的任務系統設計的方法；

（4）是一種選擇合適的方法陳述一個問題，或對一個問題的相關方面建模使其易于處理的思維方法；

（5）是利用海量數據來加快計算，在時間、空間之間，在處理能力、存儲容量之間進行折衷的思維方法；

（6）是一種按照預防、保護，并通過冗余、容錯、糾錯的方式，從最壞情況進行系統恢復的思維方法；

（7）是利用啟發式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規劃、學習和調度的思維方法。

2010年7月西安交通大學主辦了“九校聯盟（c9）計算機基礎課程研討會”，會議第一次明確提出將“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務，這也進一步確立了計算機基礎教學在大學教育中的重要地位。

三、信息技術基礎課程中計算思維能力培養的一些現狀

我校信息技術基礎課程包含計算機信息技術概述、計算機組成原理、計算機軟件、計算機網絡、數字媒體及數據庫等知識點。從2015年開始，我校已經逐漸取消了這門課程。但是，盡管現在計算機已經得到了普及，然而由于地區的差異性，相當一部分學生在高中階段依然沒有學過一些基礎的信息技術知識。他們會用計算機，可并不了解計算機的基本常識，知其然而不知其所以然，這會影響到學生對后續計算機程序設計課程以及需要用到計算機編程技術的專業課的理解。比如，什么是二進制？為什么計算機要使用二進制？如果我們從計算機的角度思考，運用計算思維，我們發現計算機中的大多元器件只需要兩種狀態，這也決定了現代計算機必須使用二進制。比如，為什么我們看電子文檔時有時會出現亂碼？有沒有想過計算機是如何識別中文、英文、日文、韓文等多國家語言文字？這也是計算思維的范疇。因為計算機只識別機器語言即01代碼，所有的文字不管哪個國家，進入計算機前都需要編碼，這個編碼規則就是站在計算機的角度上要考慮的問題。再比如，現在學生的成績通常都會以電子檔或數據庫的形式存儲在專門的服務器中，如何知道某個班某門課程的平均成績？我們當然不會采用手工方式人為計算，按照計算思維，應該讓計算機使用某種算法進行快速計算，那么這個算法怎么設計？如何組織算法中用到的數據？沒有計算思維的能力，前述看是很平常的問題，實際上很難解決。但是學生沒有了信息技術這么課程，怎么樣才能培養他們在信息技術上的計算思維能力呢？endprint

四、程序設計基礎課程中計算思維能力培養的一些現狀

我校計算機程序設計基礎課程涉及的語種包括VBA、c語言、c++語言、VB語言、Java語言和Python語言，學生可以根據自己的愛好自由選擇。我校近幾年大大縮減了程序設計類課程的課時，這就導致了教師在教授這些課程時，尤其是c語言、c++語言，為了完成教學任務，加快了教學進度，學生們普遍反映課程講得太快，還沒有完全理解就進入了下一個知識點。同時也難免降低了對學生計算思維能力的培養力度，比如設計算法時如何確定數據類型？如何設計類中的屬性？如何結合計算思維中的“關注點分離”設計出相互獨立又相互關聯的函數？如何使用遞歸思維解決生活中的實際問題等等？計算思維能力的培養本身是一個循序漸進的過程，需要教師的反復講解和學生不斷地編程實踐。但是因為課時不夠的原因，教師在講課時不可能面面俱到，學生也沒有更多的上機實踐機會。況且下課后教師與學生面對面交流的機會就少，雖然可以借助網絡進行答疑，卻也只是支離破碎“快餐模式”的解答，不能深層次的探討。久而久之，學生之間的討論以及計算思維能力都處在一個低水平的狀態。

五、運用翻轉課堂培養計算思維能力

翻轉課堂教學模式已經越來越受到國內高校的重視，眾多學者、教師甚至學生都加入到了這個隊伍中。筆者這學期正在使用超星公司的網絡教學平臺——“超星學習通”教授c語言程序設計這門課程，發現它可以很好地將翻轉課堂與傳統課堂結合在一起，大大改進了我的教學效果。接下來筆者談一下具體的實施過程。

（一）課程資源

將課程用到的Power Point課件、每次課學生需要掌握的知識點、教材例題源代碼、編程軟件等文檔上傳至該平臺。該平臺支持手機端APP，學生隨時可以很方便地在手機上查看，尤其是課件，有助于學生預習和回顧以前的授課內容。

（二）教學視頻

這是該平臺最吸引教師和學生的地方。筆者將本人事先錄制好的視頻或者該平臺已經提供的教學視頻（時長通常為30分鐘左右）上傳，并且通知學生下次課上課前要求觀看的視頻和需要討論的話題。學生在空閑的時間通過手機APP學習視頻內容，可以是片段式的，就算中途被打斷，后面接著繼續學習就行。學生上課前已經大致了解了課程內容，簡單的知識點已經在課堂外掌握，那么這些知識點教師也就不需要在課堂上重點講解了。同時學生對課堂上要討論的話題多多少少做了些準備，往往這些話題是這次課的重點或難點，也是需要運用和鍛煉計算思維能力的地方，比如進制之間的轉換、數據的編碼、計算機如何用遞歸求階乘、計算機如何解方程組等等。其中進制之間的轉換和數據的編碼這兩個視頻，是本應在信息技術基礎課程教授的知識點，但該課程已取消，放在程序設計課程里是為了補充與編程相關的預備知識。這樣，教師上課時給知識點合理分配了時間，學生也發現他們可以在課堂上解決大部分問題了。如果課堂上還是沒有聽懂，那么課后學生可以繼續反復觀看教學視頻。學生更主動而不是被動接受和學習知識，正是翻轉課堂的一個宗旨。

（三）跟蹤學習

雖然超星學習通提供了一個很好的學習平臺，但是怎么監督和檢測學生的學習情況呢？筆者會為每章或重點章節準備一些測試題，題量不需要太多，目的是為了鞏固知識點。因為測試要記入平時成績，學生會主動進行線下復習。而且測試時不需要去固定的教室，空閑的時候或者學習狀態比較好的時候，學生在電腦上甚至手機上答題即可。每次課筆者也會布置編程題，以鍛煉學生的編程及計算思維能力。平臺可以監測到每個人的學習進度、是否完成測試、是否觀看教學視頻、是否提交作業，這些都可以作為平時成績的考核參考。教師同樣還可以通過電腦或手機隨時批改作業，不限時間不限地點，方便快捷。對于有問題的作業，教師寫一些批語，指出作業不對的地方，有嚴重錯誤的作業及時退回，學生在手機端能夠很快收到消息，方便學生及時修改作業。筆者在批改作業的過程中，發現學生們一些共性的問題，筆者會在平臺上發出與該問題相關的討論，所有的學生都積極參與到網絡討論，很多問題就在討論中得到了解決，從而加快了學生的學習效率。可以將課程設置為闖關模式，學生需一步一步完成任務才能進人下一環節，比如如果測試未及格則表示不通過，需重新測試直到通過為止。

六、結語

計算思維的培養是一個系統工程，而良好的教學方法會起到事半功倍的效果。筆者通過使用超星學習通網絡教學平臺，借助其功能豐富的Pc端和APP手機端，將翻轉課堂與傳統課堂有效結合起來，逐步形成了“課前網絡預習，課堂積極討論，課后網絡復習，隨時隨地學習”的教學模式，大大鍛煉和提高了學生的計算思維能力和編程開發能力，促進了師生、生生之間的交流。讓學生和教師都積極主動投入到教學中來，是每一個教育工作者都在探討的問題。endprint