基于翻轉課堂的計算思維能力培養方法

孫歧峰，段友祥，崔學榮，王 勃

（中國石油大學 計算機與通信工程學院，山東 青島266580）

0 引 言

隨著互聯網和計算機技術的迅猛普及和發展，計算機應用已經滲透到社會發展的各個領域，掌握必要的計算機基本知識和技能已經成為現代社會所需人才的基本素質要求。“計算思維能力的培養”是計算機基礎教學的核心任務，應當加強以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內容的研究[1]。2013年發布的《計算思維教學改革宣言》[2]，明確了計算思維能力培養在計算機基礎課程教學中的中心地位，使進行以計算思維為導向的大學計算機課程改革的基本思路已經深入人心[3]。然而，計算思維的培養是一個系統工程，而且培養對象個體差異大，因此如何有效地進行計算思維能力培養是一個值得深入研究的問題[4]。

1 對計算思維能力培養的認識

2006年，美國卡內基·梅隆大學周以真教授指出計算思維的本質是抽象和自動化[5]。國內計算機教育專家對計算思維進行研究，陳國良、唐培和等專家對計算思維本質和內涵進行了深入的解讀[6-7]。筆者所在課題組在多年計算機教育教學中也形成了幾點認識：①計算思維能力的核心是抽象和建模能力，計算思維是從解決問題的角度出發，強調解決問題的方法、思路，是一種思維模式的養成和訓練；②計算思維培養的實現途徑是教學改革，計算思維培養有著與以往教學不同的要求和目標，按照計算思維的思想對知識體系進行重新梳理和組織很重要，有些形成的傳統和定式必須要打破，目前很多與計算機相關的課程的內容和組織根本不適合計算思維能力培養的要求；③計算思維培養落腳點是工程實踐，必須把抽象的數學思維與具體的工程思維有機地結合并落實到工程實踐，才能將“抽象”變成“具體”，才可能有效幫助非計算機專業人才跨越從通用計算技術的學習到未來專業計算應用與研究之間的鴻溝。總之，計算思維培養本質上是創新和素質教育。

2 翻轉課堂下的計算思維培養探索

知識學習的過程可以分為知識傳授和知識內化兩步。傳統的教學模式中重“教”而輕“學”，即過多的時間用在“傳道、授業”，而“解惑”的時間被大大壓縮。翻轉課堂作為新興的教育理念和教學模式，學生通過課外教學視頻、微課、網絡信息等教學資源自主學習完成知識傳授的過程，以課內討論交流、協作互動完成知識內化的過程。這種教學模式下，學生有更多獨立學習和思考的時間，課堂上教師和學生交流機會的增加，不僅有利用于學生創新思維的培養，還可以有效解決由學生背景差異引起的一系列教學問題，進而提高課堂效率。

2.1 知識點分類

任何一種教學模式都有其適用性，翻轉課堂教學模式也不例外。針對不同的教學內容選擇不同的教學模式是翻轉課堂成功的前提。為了更好地進行計算思維能力培養，課題組首先對知識點進行了分類，標準就是哪些知識點適合翻轉課堂、哪些適合傳統教學模式。通過課題組討論和實踐，教師認為適合翻轉課堂的內容主要有背景知識、基本的事實、概念和定律、已成定論的觀點、基本的方法和規律、需要重復講解的內容、基本的演示和操作步驟、應用場景等。采用傳統教學模式的知識點包括成果展示、復雜的定理證明、邏輯推理過程、生成性很強的內容、有賴于靈感激發和展示教師風采的內容等。例如，在“實用數據結構”教學中，對樹、二叉樹的基本定義、性質、遍歷、分類二叉樹的定義等內容，可以通過視頻教學在課前由學生自主完成，而二叉樹性質證明、最小堆的調整、哈夫曼樹等內容則適合通過課堂講授完成；在“面向對象程序設計”中類和對象特性的章節里，面向對象程序設計方法概述、類和對象的作用、面向對象軟件開發、類和對象的關系、類的成員函數等基本內容可以采用翻轉課堂的教學模式，類的成員函數、對象成員的引用、封裝和信息隱藏等知識點內容有一定的學習難度應采取傳統的課堂教學模式。

2.2 翻轉課堂教學模型

翻轉課堂是將網絡教學與傳統課堂結合起來的混合教學模式，將知識傳授與內化過程在時間和空間上的逆轉，翻轉課堂教學模型如圖1所示。

圖1 翻轉課堂教學模型

2.2.1 課 前

教師在課前針對每節課堂的知識點進行問題分解并準備相關學習資源。教學資源以微視頻為主要內容，每個微視頻只介紹一個知識點或者呈現一個案例，內容應當短小精悍。把這些資源分類上傳至學校的計算思維培養教學網絡平臺上，教師圍繞資源內容布置課前任務與在線測試題，來督促學生學習并掌握學習情況。學生在該平臺上進行課前學習并完成在線測試，遇到問題可以通過網絡教學平臺及時與教師進行交流。

布置課前任務或問題的設計應遵循開放性、實用性和趣味性的原則，避免過于復雜繁瑣、枯燥的任務，使學生在學習過程中保持較輕松愉悅的感覺，以便使任務在較短的時間內能夠被順利完成。

2.2.2 課 中

傳統教學課堂與翻轉課堂時間分配對比見表1。與傳統教學課堂相比，翻轉課堂有較充分的時間進行師生互動、交流，組織形式更加靈活，其課堂教學過程可由4部分組成：①關于教學視頻內容的回顧，翻轉課堂開始需要進行課前學習內容的回顧，并針對在線作業中集中存在的錯誤進行反饋和解疑，教師也可以讓學生進行回顧和講解；②重點、難點系統分析與講解，針對本節課堂中的難點或重點內容進行系統地講授或嚴格的推理證明；③分組討論和個性化指導，對于課前布置的學習任務或部分課后拓展作業進行分組討論，教師應當參與部分小組的討論并完成個性化指導工作；④課堂討論與總結，各個小組選派代表對小組內討論的結果進行增量式發言在課堂內部進行交流，對出現的問題逐步形成統一的認識；教師對討論過程中集中存在的問題進行總結，并對課堂的翻轉效果進行評價。

2.2.3 課 后

為了更有效地利用課余時間并降低學生負擔，課后學習按教學章節進行安排。每個教學單元完成后，通過課后視頻對本章教學內容的總結，并對本章進行理論聯系實際的應用舉例與拓展。教師還可以布置一些拓展性的合作探究任務，學生可以根據自己的能力和興趣選擇性地完成。

3 翻轉課堂關鍵因素

近年來，中國石油大學信息化基礎設施日趨完善，課題組在計算思維能力培養中不斷探索和實踐積累了豐富的教學資料，高素質的教師和學生，都為翻轉課堂的實施提供了有利的條件。在此背景下，實現教學課堂的有效翻轉仍然需要解決好以下幾個方面問題。

表1 計算思維培養中傳統教學課堂與翻轉課堂時間分配

3.1 教師角色的轉變與教學方法改革

翻轉課堂仍然離不開課堂，離不開師生面對面的交流，教師仍是教學過程的關鍵要素。在這種教學模式下，教師由科學知識的講授者轉變為教學活動的組織者、引導者和推動者。角色的轉變對教師專業知識和綜合能力都提出了更高的要求：在專業能力方面，要求教師不斷完善自身知識體系并有足夠的學術視野引導學生進行專業知識探索，能夠靈活應對學生的各種專業問題；在課堂組織方面，有足夠的能力掌控教學進度和調節課堂氣氛，同時充分調動學生的學習興趣和參與課堂互動，并協調學生之間的關系，對學生的表現進行評價，從而保障交互學習過程的順利進行。

為了充分調動學生的積極性并達到更好的翻轉效果，教學方法改革是必要的。在翻轉課堂教學中，教師可以采用角色翻轉策略，讓學生承擔部分知識點的講解任務。問題化教學是一種有效的教學形式，即通過問題系統的設計引導學生進行深度反思，促進和幫助學生發展出自主學習、解決實際問題的計算思維能力。

總之，為了適應翻轉課堂教學模式下的計算思維能力培養，“滿堂灌”的傳統課堂教學模式已經不再適用，只有在實踐中不斷探索新的教學方法才能使翻轉/混合式課堂教學模式達到最佳效果。

3.2 學習方法改革與學習興趣的激發

學生專業技能和創新能力的提升是教學效果評價的終極標準。在翻轉課堂教學模式下，學生首先利用網絡上教學資源進行自主學習完成基礎知識的傳授過程，然后通過翻轉課堂參與教學討論和教師答疑完成知識內化的過程。由此可以看出，學生不再是被動地接收知識，而是主動參與到教學過程中。然而，我國從基礎教育階段開始，學生適應大班化授課法的教學模式，傳統的學習模式和觀念使一部分學生很難適應翻轉課堂的教學形式，教學實踐中存在自學積極性不高和課堂討論參與度低的情況。因此，如何激發學生的積極性和主動性，使其參與到教學活動中來，是翻轉課程成敗的關鍵因素。

教師需要激發學生的好奇心和興趣，并引導學生逐步轉變學習觀念。學生也需要主動完成角色轉變，積極進行自主學習和參加小組討論，在課堂中逐步增加與教師討論的頻率和深度。任務驅動教學模式以構建主義學習理論為基礎，強調學習過程圍繞一個明確的任務展開，以探索問題來引導和維持學生的學習興趣和動機，任務完成的過程就是自主構建知識體系的過程。任務驅動教學過程分為創建情景、確定任務、自主學習和成果評價4個階段，是翻轉課堂教學過程中可以采用的一種有效的教學手段。

3.3 重組教學結構

計算思維培養過程是一個循序漸進的系統過程，涉及多門課程，知識點多、難度跨度大。翻轉課堂與傳統教學模式有著根本的區別，知識傳授和內化過程的顛倒必然帶來教學結構的調整。明確翻轉課堂的適用范圍，對知識點進行分類并重組教學結構是開展翻轉課堂教學實踐的前提。

對于翻轉的內容，不是哪門課程適合翻轉教學，而是課程中的哪些知識點更適合翻轉教學。翻轉的教學內容需要學生通過觀看視頻等方式自學完成，因此，教學視頻的內容應避免過于復雜、枯燥和冗長，應當有一定的趣味性并能夠不斷激發學生的學習興趣。適合翻轉教學的內容主要有需要重復講解的內容、基本的事實和定律、已成定論的觀點、基本的方法和規律、基本的演示和操作步驟等。適合采用傳統的課堂教學的內容包括思辨性很強的內容、情感性很強的內容、生成性很強的內容，以及必須立足于現場的、有賴于靈感激發、教師風采展示的內容等。

3.4 課程與教學資源建設

教學資源是知識傳授過程的載體，也是翻轉課堂的基礎。教學資源的制作或選擇應該能夠激發學生學習興趣和有利于創新思維，并考慮各層次學生的基礎和特點，從不同的難度、進度、時間和空間上來為學生的自主知識學習提供支持。教師可以針對教學內容中的各個知識點錄制短視頻，時間控制在10～15分鐘，這樣有利于學生明確學習目標并且集中精力學習，又可以利用碎片時間進行自主學習。教學資源也可以采用慕課、微課等形式的網絡優質資源，以豐富教學內容和形式。目前，中國國家精品課程、大學公開課、網易公開課等優質課程資源已經形成相當規模并免費開放，其中針對計算機教育教學的內容更加的豐富。教師可以從中選擇與教學內容相符的視頻資源作為教學視頻。教學資源的整理、收集和錄制需要時間的積累，要從學校計算機教學定位和行業背景出發，逐步完善形成行業和專業特色。

4 實踐教學與評價

通過近2年時間，課題組針對計算思維系列課程的程序設計、數據結構等中的部分教學內容進行了翻轉課堂/混合教學模式設計。每學期末進行的課堂問卷調查表明，進行翻轉課堂學習的學生滿意度較高，學生參與度逐步提高，同時有效緩解了課時不足的問題。由于對教學內容涉及的知識點進行了預先分類，對于理論性比較強的內容依然采用傳統的教學模式，而利用翻轉課堂模式的教學內容多為學科背景知識、基本概念定義和實踐性較強的內容，因此，教學過程中的大部分學生能夠積極主動完成課前學習任務并參與課堂討論。

教學過程存在2個主要問題：①課前自學階段學生積極性不高。通過對在線學習平臺的用戶登錄信息、停留時間、在線測試完成情況和訪問量等數據的分析可以發現，部分學生存在課前學習投入不足，存在突擊應付完成作業的情況；②課堂內化部分學生參與度低。通過課堂發言和討論情況分析，一個60名學生的教學班中，能夠“積極參與討論并提出人想法”的學生比例為15%，“被動參與、叫到才發言”的學生比例為50%，另有部分學生很少參與或根本就不想發言。

5 結 語

計算思維教育本質上是一種創新教育，符合科技進步和時代發展的需求。將計算思維培養作為大學通識教育的一部分已經形成共識，但仍然存在許多深層次的理論性、教學方法和內容優化的問題需要解決[8-9]。

翻轉課堂是對傳統課堂教學結構與流程的徹底顛覆，這不僅僅給教師帶了新的挑戰和要求，更給學生帶來了個性化發展機遇。結合我國計算機教育和信息化發展現狀，引入、豐富和發展翻轉課堂這一新的教學模式是提升大學計算思維培養教學質量的需要，也是教育轉型和素質教育的需要。翻轉課堂這一新興的教學模式符合我國當前創新型人才培養的目標和趨勢，是大學生計算思維能力培養的有效手段和方式。