融入計算思維的程序設(shè)計類課程教學方案研究

于莉莉　張磊　李晶

摘要：計算思維融入程序設(shè)計類課程設(shè)計中，是計算思維落地最好的踐行方式。基于此，提出一種以微信為平臺的“翻轉(zhuǎn)課堂+任務驅(qū)動小組討論”等教學模式相結(jié)合的教學方案設(shè)計，利用線上人們生活使用頻率高的微信平臺進行課前預習和課后討論，是課堂教學的有效補充；線下在任務情景設(shè)計上采取“有趣”與“有用”相結(jié)合的方式，以學生為主體、教師為主導的教學理念，提高學生的課堂參與度，通過調(diào)查評估教學效果顯著提高。

關(guān)鍵詞：計算思維；翻轉(zhuǎn)課堂；微信公眾號；任務驅(qū)動；小組討論

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1001-7836（2018）08-0064-03

引言

新工科時代的到來，計算機基礎(chǔ)課程作為通識課程也面臨著新的挑戰(zhàn)，適應時代發(fā)展的變化，工科專業(yè)培養(yǎng)卓越的復合型人才對大學計算機基礎(chǔ)教學提出了更高的要求，同時也受到了足夠的重視。計算機教學改革由原來的重知識輕能力轉(zhuǎn)變?yōu)橹啬芰p知識，現(xiàn)在更加提倡思維能力培養(yǎng)，隨著慕課微課的蓬勃興起，改變課程教學方案，為計算思維能力培養(yǎng)落地提供了更加行之有效的手段。

1計算思維概念

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真（Jean-nette M.Wing）教授在美國計算機權(quán)威雜志“Communication of the ACM”上首次提出了計算思維的概念。周以真教授認為：計算思維即是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)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。

計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把看來困難的問題重新闡釋成我們知道怎樣解決的思維方法。計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務或進行巨大復雜系統(tǒng)設(shè)計的方法，是一種基于關(guān)注點分離的方法。關(guān)注點分離側(cè)重抽象表達問題的清晰程度，同時能根據(jù)關(guān)注度的不同，把相對復雜的問題分離成為若干個簡單的問題從而得到解決。

計算思維作為一種思維方法，能夠?qū)栴}解析、處理提供有效的方法，計算思維能力的培養(yǎng)能夠提高學生解決問題的能力從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力。計算思維理論及方法的本質(zhì)是問題解決，問題解決能力是計算思維能力的重點培養(yǎng)目標，也為創(chuàng)新能力提供了堅實的保障。由此可見，計算思維對培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有指導和實踐作用，這與新工科人才培養(yǎng)目標有著較高的契合度。

2基于計算思維的教學改革方案

計算機教學內(nèi)容中很多知識點和經(jīng)典案例都蘊含著計算思維，其實早在計算思維概念提出之前計算機的很多教學活動就體現(xiàn)了計算思維，計算思維概念的提出，把問題及方法科學合理地顯化，更有目的性地側(cè)重此能力的培養(yǎng)。在教學內(nèi)容設(shè)計中，先歸納知識點，再從知識單元中提煉出所蘊含的可實現(xiàn)、可見的計算思維，引導學生思考，教學重點培養(yǎng)計算思維，知識傳授模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R的思維傳授模式，幫助學生建構(gòu)起基于計算思維的知識體系。

C語言程序設(shè)計課程是大學計算機通識課程，本課程的教學目標是通過探究求解問題的算法和思想，滲透計算思維能力培養(yǎng)，從而提高學生的計算機解決實際問題的能力、綜合創(chuàng)新能力。C語言中函數(shù)的遞歸、函數(shù)的嵌套、循環(huán)的嵌套與計算思維的遞歸思想、嵌入思想相吻合，利用計算思維來設(shè)計任務知識點是提高學生計算思維能力的有效辦法。

傳統(tǒng)的程序設(shè)計類課程往往是以書本為核心，以教師為主體，課堂教學側(cè)重語法知識的講解，實踐課程主要是課堂的例題的驗證性實驗。這樣的教學方式能系統(tǒng)完整地學習c語言的語法概念及簡單的應用，但是真正遇到實際問題時學生往往無從下手。如何提高學生解決問題的能力？能力的培養(yǎng)需要以思維為導向，所以要從思維方式著手，在課程設(shè)計上注重學生的思維能力的培養(yǎng)，建立思維體系結(jié)構(gòu)。在學時有限的情況下，既要讓學生有語法基礎(chǔ)又要培養(yǎng)學生勤于思考的習慣，這就要線上線下相結(jié)合，有針對性、有目的地針對學生安排線上自主學習方式作為課堂教學的有益補充。在實際教學中通常需要采取多種教學手段、教學模式相結(jié)合，循序漸進地培養(yǎng)學生的計算思維。

2.1線上基于微信平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學

翻轉(zhuǎn)課堂是一種以學生為中心的教學模式。原來在課堂上教師講授的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課下學生自學來完成，為了檢驗學生是否自覺完成，可以安排一些相關(guān)的習題讓學生來完成。課堂上教師可以與學生交流更深層次的問題。簡單的記憶、理解、運用被放在課下，而高層次的綜合運用和創(chuàng)新則可以在課上發(fā)生。翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢主要體現(xiàn)兩點：第一，學生可以利用碎片時間反復深入學習；第二，課內(nèi)教學更有意義和深度，交流與討論能夠更加強化學生的認知。

翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學模式相比更有時間和空間的優(yōu)勢，教師將教學內(nèi)容有針對性地按知識點錄制成10分鐘左右的視頻同時配有PPT教學課件，學生可以不受時間地點約束，利用各種碎片時間進行反復學習，短小精悍、主題突出的微課程，為學生提供自主靈活的學習模式，可以更加突出學生的主體地位，學生學習興趣的保持度有所提高，是傳統(tǒng)教學模式的有益補充。教師課堂的重心可以由知識點講解轉(zhuǎn)移為問題討論、任務解決、答疑解惑等更深入的內(nèi)容。

《C程序設(shè)計》課程語法復雜，知識點眾多，但每個知識點相對獨立，易于分割成一個個獨立又相互聯(lián)系的小知識點，這與微課內(nèi)容短小且完整不謀而合，適合將分割的知識點制作成微課。

微信是目前市場占有率最高的社交軟件之一，手機微信APP較其他平臺更具有靈活性、即時性和交互性。微信公眾號注冊方便，教師可以利用微信公眾號發(fā)布微視頻，學生可以即時留言，學生和教師均可以回復，這種討論方式方便快捷，而且可以利用業(yè)余零散時問隨時關(guān)注學習，同時微信公眾號還具有關(guān)鍵字搜索功能，可以查找歷史記錄反復學習。教師也可以通過關(guān)鍵字自動回復功能，提前設(shè)置問題的答案來提高回復的即時性，消除了微課實時性差的弊端。微信公眾號后臺管理用戶方便，使教師能更好地了解學生學習進度和頻率，對學生自主學習起到監(jiān)督作用。同時，也能夠根據(jù)視頻的點擊頻率更快地發(fā)現(xiàn)學生學習的難點，為后續(xù)課程內(nèi)容的設(shè)置和調(diào)整提供了有效信息。

2.2線上基于微信平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學

程序設(shè)計類課程的靈魂是算法思想，思維方式的培養(yǎng)不是生搬硬套，而是潛移默化的過程培養(yǎng)。任務的設(shè)計是關(guān)鍵，如何培養(yǎng)算法思維？簡單有效的方式就是分析典型算法。算法的選擇顯得尤為重要，不僅要能合理地解決完整的教學內(nèi)容，更要與實際生活貼近，做到既有趣味性又有實用性，這樣才能激發(fā)學生的好奇心理。同時，難易程度要合理，學生不會有畏難情緒，才能保持興趣度。讓學生在解決問題的過程中獲得成就感，同時把難點進行分解，由淺入深、循序漸進地逐級突破重難點。

教育心理學理論中提出如果知識點和任務與學生生活場景一致或極為相似時，更有利于激發(fā)學生的學習動機。比如經(jīng)常在排序中用到的兩個變量交換問題，很多時候教師就直接把方法灌輸給學生，學生需要強化記憶。這是最便捷的教學方式，但是并不利于激發(fā)學生的學習積極性，不利用學生主動思考。為了讓學生主動生成知識，則需增強任務的情景性和趣味性，可以運用生活中常見的場景來設(shè)計方案，如用紅色杯子盛放咖啡、綠色杯子盛放果汁，如何實現(xiàn)紅色杯子盛放果汁、綠色杯子盛放咖啡呢？讓學生提出解決問題的方案。通過討論得出合理的解決方案是再找一個同樣規(guī)格的杯子做媒介，先把果汁倒入空杯子中，再把咖啡倒入原來盛果汁的紅色杯子中，這時原來盛咖啡的綠色杯子空出來就可以把果汁倒入即可完成任務。是否可以先把咖啡倒入空杯子中呢？學生紛紛嘗試，答案是肯定的。課堂氣氛活躍的同時，學生積極思考發(fā)言，提高了學生的課堂參與度，把學生牢牢鎖在課堂中。結(jié)合課前預習變量的基礎(chǔ)知識，進而讓學生把現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變?yōu)樽兞恐g的交換問題，空杯子即為中間變量，中間變量的設(shè)置必須與兩個變量一致。此情景設(shè)計步驟為：情景設(shè)計（任務→形象）—假設(shè)—檢驗—歸納與應用（形象→抽象），這種任務的抽象到形象再抽象的過程與學生的認知一致，而且步驟清晰，可操作性強。

由于C語言語法復雜、細節(jié)繁多，教師在情景設(shè)計時需要以某一算法為主線，在算法中引出多個知識點，在任務呈現(xiàn)前需安排學生預習相關(guān)知識點。在任務的執(zhí)行時雖然以學生為主體，但是由于學生的知識結(jié)構(gòu)局限性及認知能力的狹隘性，不能忽視教師的引導作用，同時需要教師控制教學的節(jié)奏。

排序算法是程序設(shè)計類課程的重點教學內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學模式是利用多媒體和板書等方式實現(xiàn)多次比較、多次交換，枯燥乏味的教學方式很難提升學生的興奮度。

首先，設(shè)計場景任務呈現(xiàn)，介紹待解決的問題，將冒泡法排序（6個數(shù)由小到大排序）的過程演變?yōu)?名學生按身高進行由低到高排隊問題，把復雜枯燥的排序過程游戲化。制定與冒泡法排序一致的游戲規(guī)則，由學生參與游戲演示排序過程，動態(tài)的場景設(shè)計更加具有生活性和趣味性，讓學生帶著好奇心進入學習內(nèi)容中。

第二，分析問題并引出算法思想和所涉及的知識點，讓學生在熟悉新的算法基礎(chǔ)上查找所需解決問題的主要知識點，把知識點與生活場景對照明確目標，變被動學習為主動學習。學生發(fā)現(xiàn)每一輪比較都是重復相同的規(guī)則，這正是循環(huán)思想，循環(huán)的次數(shù)正好是比較的輪次。通過一輪比較后發(fā)現(xiàn)找出六名學生中身高最低的排在第一位，進入第二輪時，第一個學生不再參與比較排序過程，以此類推，6個學生5輪比較完成排序任務。每一輪比較時，比較規(guī)則相同，而比較次數(shù)遞減，這樣循環(huán)的終止變量如何設(shè)計，讓學生分析討論來得到答案，教師可以適時提醒并給予肯定。

第三，細化任務中涉及的各個知識點，對照游戲歸納總結(jié)循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)，攻破本章難點的同時也是計算思維的嵌入思維方法的具體體現(xiàn)與應用。此時需要趁熱打鐵，滲透新知識的概念，讓學生將游戲設(shè)計過程轉(zhuǎn)變?yōu)樗惴鞒虉D，分組討論按流程圖寫出對應的程序來鞏固相關(guān)知識點。

最后，通過舉一反三，促進學生知識的保持和遷移，提出不同的排序方案，此部分設(shè)計師生之間生生之問的討論，讓學生更深入的思考，提出不同解決問題的方案，通過小組討論對不同方案進行比較，有指導性地位的教師給予方案評價，學生通過反饋調(diào)整方案，最終選擇最優(yōu)方案，最優(yōu)方案的選擇也正是計算思維的主要內(nèi)容。

在此過程中，教師的指導由多變少，最后可以達到無指導，小組討論、團隊協(xié)作成為學習中的常態(tài)。游戲設(shè)計方案，研討方案，剖析算法化繁為簡，再結(jié)合循環(huán)結(jié)構(gòu)的前期基礎(chǔ)知識把算法思維轉(zhuǎn)化為程序?qū)崿F(xiàn)過程，學生在探究解決問題的過程中知識本身自然而然地滲透在整個過程中。整個課堂設(shè)計中案例的選取及設(shè)計是關(guān)鍵，教師根據(jù)任務分解為若干個子問題，這與計算思維基于關(guān)注點分離的方法不謀而合，有利于學生計算思維能力的培養(yǎng)。

2.3教學效果調(diào)查

為了對融入計算思維的程序設(shè)計課程教學新思維的教學效果進行評估，以佳木斯大學開展教學活動為例，對同一專業(yè)兩個自然班在相同理論和實驗學時（未額外增加任何輔導時間）的情況下，分別采用傳統(tǒng)授課方式和線上基于微信平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學、線上基于微信平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，經(jīng)過一個學期的對照教學，采用新思維的班級期末考試成績36名學生中不及格2人，平均分數(shù)79分，90分以上達15人；而傳統(tǒng)教學模式下的班級96人中不及格人數(shù)36人，平均分51分，90分以上不足10人。

同時通過問卷調(diào)查，對兩個班級評價結(jié)果統(tǒng)計分析得出，在同樣學員結(jié)構(gòu)，同樣的授課學時的情況下，使用線上基于微信平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學、學生在加深基礎(chǔ)知識理論學習的同時，對此課程的興趣度明顯提升，作業(yè)的抄襲率和錯誤率有所下降，學生自主編程來解決具體實際問題的意愿明顯增強，成就感和自信心得到很好的保持，計算思維能力得到了有效提升，課堂效果明顯好轉(zhuǎn)。

結(jié)束語

將計算思維引入到程序設(shè)計類課程方案中來，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂及任務驅(qū)動小組討論等多種教學模式相結(jié)合方式，拓展了課程的寬度和深度，學生的課堂參與度、自主學習能力、編程能力、團隊協(xié)作能力均有提高，課堂教學效果明顯提升，同時也為其他計算機課程提供了參考。

（責任編輯：侯秀梅）