基于混合教學模式的大學計算思維教學改革初探

李立春

摘要：如今多學科融合、跨學科培養是本科教育的必然趨勢，在工程應用的過程中培養學生計算思維的能力，促進學生積極聯想與探索，實現計算思維與專業相融合，充分利用線上線下混合教學模式拓展學生的思維，讓學生感受到大學計算機課程的魅力。

關鍵詞：計算思維;線上線下;大學計算機

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0207-02

1 背景

2020年秋季學期，因居家隔離的原因在線上進行了一個學期的線上網絡教學。其間在家里和學生一起學習，學會了使用多種直播軟件，錄制教學小視頻，剪輯編輯小視頻。突然打開另一扇思維空間的大門，逐漸理解了線上教學的特點。目前在大學計算機課程學時不斷壓縮的情況下，同時還存在理論知識和實用技能哪一個是我們的教學重點的爭論，在海量的信息中教學內容如何進行選擇。基本理論知識的堆砌沒有形成理論框架，需要圍繞計算思維主線確定主要內容進行教學，因此大學計算機課程改革勢在必行。

2 大學計算機課程的內容

大學計算機是普通本科大學教育中不可缺少的獨立課程。各個高校大學計算機主要講解的內容側重點不盡相同，分以下三種情況。

1）講授計算機文化基礎相關內容，主要講解計算機的基本概念以及流行軟件產品的使用介紹。我校在計算機剛剛興起的初期采用此種培養模式。

2）講授計算機應用基礎相關內容，主要是從多門課程多種軟件中提煉出共性知識，強調應用素質的培養。教學以任務驅動，例如講文章排版的素養而非Office，講程序的基本要素與程序設計而非流行程序設計語言等。整個教學分為課堂教學和實驗教學兩大部分，課堂教學主要是任務驅動的共性知識講授，實驗教學是流行軟件產品應用技能訓練。我校在中期采用此種培養模式進行計算機教學。

3）講授大學計算機計算思維相關內容，計算思維是大學生創造性思維培養的重要組成部分，知識傳授與素養培養貫穿于思維教學當中，要求教師從知識的灌輸轉變成計算思維的傳授[1]。目前我校主要是采用此種計算思維的培養模式。

3 計算思維

2006年3月，周以真教授定義了計算思維。周教授認為：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[2]。

由于計算機沒有思想，控制計算機的人借助已經掌握的思維來操作計算機[3]。學習計算機語言及程序設計、數據庫等課程時，可以通過不斷的訓練掌握相關的計算機知識和技能;學習云計算與云服務、企業資源規劃與供應鏈管理等課程時，是對學生知識與視野的拓展，對所學知識寬度和深度的擴展，講述一些前沿性和貫通性的內容是對能力的培養。而大學計算機課程（計算思維導論）是啟發理解性的知識，指出了大學計算機面向計算思維的課程內容最小集合以及擴展集合，試圖破解在計算機課程教學內容體系方面的困惑[4]。良好的計算思維需要好奇、思考、聯想和貫通。

關于計算機思維的幾個誤區：

1）計算思維是人的思維不是計算機的思維，是站在計算機的角度尋找問題的求解，同時激發人的想象力，把計算機當作解決問題的工具。

2）計算思維不止應用在計算機上，還可應用于生活中。我們應該培養每個學生的計算思維能力。比如學生上課前要把課本以及相關資料放到書包中，就是緩存和預置的思想。

3）計算思維不是純粹的數學性的思考，它來自工程思維，需要與其他學科的知識進行融合。

4 大學計算機課程的實施方案

1）線上課堂

近兩年人們對開放式的大規模線上教學（MOOC）狂熱的態度已經轉變為理性的反思，針對學生特點可控可微調的小規模線上課堂受到了師生們的青睞。利用超星集團的學習通平臺按照課程的目標要求建立本課程本班級的私有學習空間。一些課堂上沒有講授或講授不完整的內容在學習通中有完整的體現，學生要完成學習通中的視頻、文檔、測試、作業和考試，并參與學習通中的討論，按要求取得相應的成績。線上課堂拓展了學生學習的空間，把學生的零散時間利用起來，可以對重點和難點內容進行重新多次學習。在線上課堂還針對感興趣且學有余力的學生設置了一部分“有深度”內容，以供有選擇性地學習。無論何時何地利用手機App的學習可以馬上開始，移動生態下的線上課堂使教師授課、學生學習、課內外練習、考試等教學環節實現了環環相扣，充分利用空間優勢和時間優勢實現與線下傳統教學的有機融合。

2）線下傳統課堂

以學生為本、以教師為主導的線下傳統課堂的授課方式還是不能丟棄的。線上課堂中的教學內容往往都是微視頻和微練習，學生的學習時間多數情況下也是分散的，學生學習過程有碎片化的傾向。為了避免這種情況，教師利用學校課表安排的線下傳統課堂，圍繞計算思維完成主線內容和重點內容的講解，在學生充分預習線上課堂內容的前提下組織討論，學生均應參加課堂學習，參加聽課與討論。這樣使線上課堂和線下課堂互為補充，并且能面對面地了解學生的學習狀態和共性問題，及時調整教學內容和教學進度。

3）線下翻轉課堂

移動互聯網的迅猛發展使學生線上課堂自主學習成為可能，進一步催化了翻轉課堂的教學模式。線下翻轉課堂提高了學生課余時間的利用率，改變了學生聽課的精神面貌，增強了學生課堂上的參與意識，堅持以學生為中心發揮了學生的主觀能動性[5]。學生站上講臺講課，老師聽課點評，學生再討論，具體方案實施如下：

首先根據本班人數，分5組或6組進行翻轉課堂，每小組6人左右，分組原則可按學號組合或自由分組。根據計劃，兩次理論課后，一次翻轉課堂，每小組主講時間為5～8分鐘。每次翻轉課堂由老師確定翻轉課堂題目，各個小組進行選擇，老師隨機指派每小組的一名學生進行主講。老師以及其他小組學生提問，翻轉組組員進行回答討論。組內評分，每組按組員所做工作，給出排名。老師和學生評委（每組推選1人）根據翻轉課堂效果和回答問題情況打分，翻轉課堂評分表如圖1所示。

教師在整個翻轉課堂中要提前了解學生的學習困難，并進行有效的引導，如果只布置任務不進行輔導答疑，學生會沒有方向感，達不到預期的效果。翻轉課堂再建了學生的學習流程，促使學生提前積極自主完成線上線下課堂的相關內容，并且進行探索性學習查找相關資料來重新組織授課內容。同時同學之間進行了有目標的更高效的交流討論，在不知不覺中知識就得到了快速的內化吸收，最后以自己的風格和講課節奏來呈現知識的表達。翻轉課堂強化了學生的參與度，以小組為單位增強了學生的團隊合作意識和集體榮譽感。

在線上線下混合模式大學計算機授課過程中，教師要參與到各個教學環節中，需要組織線上課程視頻內容、文字內容、試題庫、傳統課堂主線重點內容、圍繞計算思維的教學案例、作業、翻轉課堂討論主題、及時線上線下答疑等一系列內容。教師的作用得到了充分的體現，這樣才能環環相扣達到理想的教學效果。

5 面向計算思維教學內容的組織

該課程從計算思維的概念和本質出發，詳細闡述了計算機課程中經典計算思維的應用，歸納總結了以計算思維培養為核心的教學內容[6]。相關教師組織并探討了各個章節之間知識貫通的案例教學方法[4]，制定了切實可行的培養方案和教學大綱。本課程講授信息的素養和計算的思維，而不是講解計算機與軟件的應用（即所謂工具的使用），后者將通過相應的實驗教材和實驗課來傳授。由于課時有限，在第一學期我們只講解了前六個內容即計算思維課程內容最小集合。算法思維部分在后續的程序設計課程中進行講解，信息素養部分列為線上課堂自學內容。

1）計算機、計算與計算思維

本部分首先介紹人類探索自動計算的歷史以及計算機出現的重大科學意義。其次重點介紹計算思維的本質：計算機描述（信息表示，簡約）;遞歸思維（抽象與分解，轉化）;權衡利弊（容錯與糾錯，共生）;啟發性推理（忠誠的策略）。最后理解計算之樹——計算思維多維度框架。

2）符號化、計算化與自動化

首先通過介紹小白鼠測試哪瓶水有毒的實驗問題引入二進制的思維，然后層層遞進講解語義符號化、符號計算化、計算自動化。具體如圖2所示。

3）程序與遞歸：組合、抽象與構造

了解計算系統;理解程序、計算學科中的“組合”和“抽象”的概念;掌握程序的構造性;區分“遞歸”和“迭代”。具體如圖3所示。

4）馮?諾依曼計算機—機器級程序及其執行

了解圖靈機的基本思想;理解馮?諾依曼計算機基本思想;理解存儲器、運算器和控制器的基本工作原理;掌握計算機指令的執行——節拍、時鐘和信號的區別;了解現代計算機的硬件組成;重點理解機器級程序的存儲與執行。

5）現代計算機—復雜環境下程序執行

了解現代計算機的構成以及現代計算機的存儲體系;掌握操作系統對計算機資源的分工-合作與協同管理思想;重點理解操作系統對磁盤的管理;了解計算機系統的工作過程;熟悉通用計算環境的進化思維。理解如何通過擴充資源數量提高計算機性能、改善系統資源利用率，從而進一步理解并行分布計算與云計算環境[4]。

6）程序設計思維

了解由機器語言到高級語言;掌握高級語言（程序）的基本構成要素;理解計算機語言的發展思維。詳細講解計算機語言和編譯器的發展，使學生理解計算機執行越來越復雜程序的原因，以及不同抽象層次的計算系統[4]。

6 結束語

通過教學改革促進了良好教風的形成，教師認真授課、積極準備微視頻和相關討論課題、主動相互聽課、交流教學體會、與學生積極交流、教學理念得到提升。良好的教風的形成同時可以促進學風的改變，在課程設計、畢業設計、學科競賽等方面學生計算思維素養得到了提高。通過超星學習通平臺、QQ群、微信等多種方式，創新教學方法，實現線上與線下教學相融合的體系，拓展了學生的思維空間。采用大班授課，小班研討即翻轉課堂的方式進行教學，提高學生構建知識體系自主學習的能力。結合理工類院校學生的思維及學習特點，積極進行教學改革與探索，構建了多元混合教學模式，提升學生綜合創新能力。

參考文獻：

[1] 馮月華，李文娟，文銀娟.面向計算思維的大學計算機課程的教學改革探析[J].中央民族大學學報（自然科學版），2018，27（2）：72-76.

[2] 百度百科.計算思維[EB/OL].[2021-06-16].https：//baike.baidu.com/item/計算思維.

[3] 諶文芳，高海波，諶興宇.面向計算思維的大學計算機基礎課程教學內容改革[J].課程教育研究，2017（51）：242-243.

[4] 戰德臣，王浩.面向計算思維的大學計算機課程教學內容體系[J].中國大學教學，2014（7）：59-66.

[5] 劉冬霞，張永波.面向計算思維的多向互動模式在大學計算機基礎課教學中的應用[J].電子世界，2018（24）：63，65.

[6] 張敏，賈強.基于計算思維的Python程序設計課程教學案例設計[J].微型電腦應用，2021，37（3）：48-50，62.

【通聯編輯：謝媛媛】