任務驅動教學法對于培養工科大學生計算思維的應用研究

朱亞玲，徐瑾，王娟，張怡

（蘭州工業學院 計算機與人工智能學院，甘肅蘭州 730050）

培養計算思維的根本目的是提高人們解決問題的能力[1]。因此，計算思維是大學生應具備的基本素質和基本能力[2]。如何有效培養大學生的計算思維，是高等教育教學探索的核心課題之一。

1 計算思維

1.1 計算思維的教育內容

對于計算思維的內容，學者及有關機構有不同的理解：英國學者認為計算思維主要包含邏輯、抽象、算法、遞歸的能力；Brennan 和Resnick 將計算思維劃分為概念、實踐和觀念3 個方面[2,3]；Settle 與Perkovic 提出了計算思維的概念框架[2]；國內學者將計算思維劃分為意識、方法及能力3 個層次[4-5]；國際教育技術協會（ISTE）認為計算思維包含創造、算法、批判、問題解決和溝通合作5 個維度[6-7]。

本文認為，雖然學者及有關機構對計算思維的教育內容劃分不盡相同，但其核心內容都是抽象、算法及自動化。

1.2 計算思維的評價指標

課程組綜合多個評價指標，規劃設計了一個相對公平、合理的計算思維能力評價指標體系，如表1 所示。該評價標準主要包含了4 個一級指標，主要評估學生的邏輯思維、抽象思維、算法思維、批判思維。每個一級指標又細分了若干個二級指標[8-9]。

表1 計算思維能力評價指標

2 任務驅動式教學

任務驅動教學以任務為主線，創設教學情境，教師引導推動，學生分析思考，通過啟發學生討論、合作探究，從而解決問題并進行歸納總結，最終幫助學生實現知識獲取和能力提升，是一種開放互動式教學方法[10]。

任務驅動教學一般包含5 個環節[11]：任務設計、任務呈現、任務實施、任務評價、任務延伸。

任務設計：課前，以教學目標為指導，教師根據學生學情、教學內容設計具有實用性的教學任務。同時，設計開展任務的主要活動，如引入任務的情境、完成任務的線索或相關資料、任務的延伸設計等。

任務呈現：課中，教師創設良好的教學情境，引出需要解決的任務。

任務實施：課中，教師啟發引導學生分析任務、主動探究、討論交流、探索新知、協作學習、完成任務。

任務評價：課中，師生對任務完成結果及知識構建進行評估。同時，評價任務完成過程中學生的學習能力、協作能力。

任務延伸：課中/課后，教師設計隱含教學內容的其他任務，組織學生課堂練習或課后布置任務讓學生討論思考。

3 基于計算思維的任務驅動教學

基于計算思維的任務驅動式教學主要圍繞“任務”設計與實施“教”與“學”。教師提前設計教學任務和學習情境，啟發并引導學生梳理任務要求、明確任務目標，帶領學生推理、分化、抽象、剖析關鍵點，深入探究，構建模型，通過溝通交流，協作完成任務，然后進行總結歸納、反思評價，實現知識鞏固拓展與遷移[12-13]。整個教與學的過程通過多種計算思維方法開展，其流程如圖1 所示：

圖1 基于計算思維方法的任務驅動教學

4 基于計算思維的任務驅動教學實施

程序設計是蘭州工業學院非計算機專業的通識必修課程。以語言本身完整性和系統性為重點的傳統教學，缺乏對任務分析、算法設計的引導，忽視了抽象、分解、設計、模型等思維特征的融入[14]。本研究課題以程序設計課程為依托，精選案例，精心設計教學過程和教學思路，在講授專業知識的同時培養學生的計算思維，從專業的角度培養學生處理問題的思維能力，探索任務驅動式教學對于提高工科學生計算思維的作用。

4.1 教學案例設計

本課題中程序設計課程為64 學時，開課學期為2021—2022 學年秋季學期第1 至第16 周，教學對象為自動化20-1班38名學生。教學大綱包含概述、算法、三大結構、數組、函數、指針、結構體、文件等內容。教學前，課程組集中備課，選用案例，設計任務，做好教學準備。

4.2 教學實施過程

下面以函數的定義與調用（50min）為例介紹教學實施過程。

課前，教師依據教學目標及教學重難點，利用網絡平臺發布學習資源及基礎任務，引導學生通過線上平臺完成預習任務，自主學習任務如表2 所示：

表2 自主學習任務表

課中，教師根據網絡平臺學生的學習數據，總結學生預習中存在的問題：不會分解任務，不會設計參數。因此，本節內容設計了2 項任務：

任務1（25min）：電子屏信息的輪播。該任務從無參數到有參數，從1 個參數到2 個參數，讓學生抽象、封裝函數，理解參數設計。通過對函數的逐步改進，功能的逐層提升，讓學生體會結構化程序設計方法“自頂向下、逐步求精”的思想。

任務2（20min）：套路貸問題。教師對該任務采用啟發式講解，提出問題，學生分組討論、分析，尋找問題的關鍵因素，設計封裝函數，編碼實現。讓學生進一步理解函數的定義和調用，明白套路貸邏輯，增強防范意識。

課后，發布任務“簡易學習者成績/人事信息管理系統”。各小組討論、分析，協作完成任務。

4.3 教學效果檢驗分析

采用多元化、過程化的考核模式評估學生學習效果，主要包括三部分：（1）實驗任務的分析設計、編碼實現；（2）小組任務的分析設計、編碼實現、展示點評；（3）學生參與線上頭腦風暴、討論、答疑、測試等各項學習活動的產出數據。圖2 為10 個小組7 次小組任務的成績統計，圖3 為學生參與各項線上活動情況。

圖2 小組任務完成情況優良率

圖3 學生參與各項線上活動情況

5 結語

計算思維是現代教育中的一個重要概念，也是教育界學者研究的重點課題之一。為了提高學生的計算思維能力，培養學生自我建構知識的能力，課程組以程序設計課程為例，針對主要知識點完成了基于計算思維的任務驅動教學環節的設計與教學效果的分析，從而為學生后續課程的學習奠定了堅實的基礎。