計算機編程教育中的計算思維與教學策略研究

尹鴻峰 周子程 毛國興

摘要：計算機編程教育的重要性日益凸顯，要求我們必須致力于培養學生的計算思維能力。然而，計算機編程教育面臨著諸多挑戰，為應對這些挑戰，教育者需積極采用創新的教學方法，同時，政策制定者須制訂相關政策等。在計算思維教育的未來發展中，我們應著重關注終身學習和跨學科整合，以確保教育能夠不斷適應和滿足社會的變化需求。

關鍵詞：計算機；編程教育；計算思維；教學策略

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0172-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

計算思維在現代社會中變得至關重要。它不僅是計算機科學領域的核心，還在各個學科和行業中具有廣泛的應用[1]。因此，計算機編程教育的重要性愈發凸顯。本文將深入探討計算思維的概念，分析計算機編程教育所面臨的挑戰，以及針對這些挑戰提出有效的教學策略。我們將探討基于問題解決的教學方法、游戲化教學和跨學科教育的應用，并闡述政策制定者在推動計算思維教育方面的作用。計算思維教育的目標不僅在于培養未來的程序員，更在于培養創新者、問題解決者和終身學習者，以應對日益復雜和多樣化的挑戰。

1 計算思維的概念

計算思維是一種關鍵的認知能力，它涉及運用計算機科學的思維方式來解決問題、分析信息和應對復雜任務。這種思維方式的應用范圍廣泛，不僅限于計算機領域，在多個領域中都展現出其重要性。計算思維是一種系統性的思考方式，其核心特征包括問題分解、模式識別、算法設計、抽象思維和計算機工具的使用。它能夠有效培養學生的邏輯思維、創造性思維和解決問題的能力，使他們更好地適應現代社會中的各種挑戰。

2 計算機編程教育的挑戰

2.1 學生在計算機編程中的常見困難

計算機編程教育是一個引發廣泛研究和關注的領域，因為許多學生在這一過程中面臨著各種挑戰和常見困難。這些困難可能會阻礙學生的學習進展和動力。首先，學生可能會面臨抽象思維的挑戰。計算機編程經常涉及處理抽象概念，如變量、函數、循環等，這些對初學者來說可能不太直觀。其次，語法錯誤也是常見問題。計算機編程語言通常具有嚴格的語法規則，一個小小的語法錯誤就足以導致程序無法正常運行。學生常因拼寫錯誤、括號未配對等簡單的語法錯誤而感到挫敗。邏輯錯誤也是一個難題，因為它們會導致程序雖然能夠運行，但結果并不符合預期。解決邏輯錯誤通常需要深入的思考和細致的調試。問題解決能力在計算機編程中至關重要，但學生可能會在問題分析、算法設計和調試方面遇到瓶頸。某些編程概念，如遞歸、數據結構和算法，對初學者來說可能較為復雜。學生需要時間來逐步理解這些概念，并將它們應用于實際的編程任務中。此外，一些學生可能會因為連續的錯誤或難以理解的概念而喪失自信，這可能會削弱他們的學習動力。配置編程環境也可能是一個額外的挑戰，因為學生可能需要安裝開發工具并設置編程語言。時間管理也是一大問題，因為編程項目往往需要大量的時間和精力，學生在應對多個任務和期限時可能會感到難以抉擇。最后，缺乏實踐經驗也是一個普遍存在的問題，因為計算機編程是一項技能，需要不斷的練習和實踐。

這些困難和挑戰凸顯了計算機編程教育的重要性。教育者需要提供必要的支持，鼓勵學生積極解決問題，提供充足的練習和項目機會，并注重培養學生的持久力和自信心。解決這些困難需要耐心、堅持和靈活多樣的教學方法，以確保學生能夠克服挑戰，掌握編程技能，并享受編程帶來的樂趣和成就感[2]。

2.2 教育者面臨的教學策略挑戰

在計算機編程教育中，教育者面臨著多方面的教學策略挑戰，這些挑戰需要得到認真應對，以確保學生能夠有效地掌握編程知識和技能，同時激發他們的學習興趣。首先，學生之間存在個體差異，包括背景知識、學習風格和能力水平的不同。因此，教育者需要設計靈活多樣的教學策略，以滿足不同學生的需求，并提供個性化的支持。其次，如何激發學生的興趣是一個挑戰，因為計算機編程可能對一些學生來說新奇有趣，但對其他學生可能缺乏吸引力。教育者需要探索多種方法來激發學生的興趣，使他們愿意投入時間和精力來學習。選擇適當的教材和學習資源同樣至關重要，因為它們直接影響教學的成功與否。教育者需要根據學生的實際水平和教學目標，精心挑選合適的編程語言、工具和教材。項目設計也是編程教育中的一大挑戰，教育者需要設計既具挑戰性又不至于過于復雜的項目，以促進學生的學習和實踐。此外，提供及時有效的反饋對于學生的學習至關重要。因此，教育者需要制定科學的評估方法，以了解學生的學習進展，并幫助他們改進編程技能。適宜的教學環境也是不可或缺的，包括配備完善的計算機實驗室或虛擬學習環境。教育者需要確保學生能夠方便地訪問到必要的工具和資源。值得注意的是，計算機編程不僅局限于計算機科學領域，它在許多其他學科中也具有廣泛的應用。因此，教育者需要思考如何將編程教育與其他學科整合，以提供跨學科的教育體驗。鑒于技術和編程語言的發展速度日新月異，教育者需要不斷更新課程內容，以保持教育的現實性和前瞻性，并適應新的教學工具和方法。培養問題解決能力是計算機編程的關鍵所在，教育者需要積極引導學生培養這種能力，包括教授調試技巧和解決復雜問題的方法。最后，編程領域需要更多的多樣性和包容性。教育者應采取有效措施，確保編程教育能夠吸引和支持來自不同背景的學生。

面對這些挑戰，教育者可以采用創新的教學方法，如個性化教育、項目驅動的教學和互動學習，以提高學生的學習成果和滿意度。同時，積極參與教育技術和教育研究也是不可或缺的，以便不斷改進教學策略和教育環境，滿足學生不斷變化的需求。

3 教學策略研究

3.1 基于問題解決的教學方法

基于問題解決的教學方法在計算機編程教育中扮演著至關重要的角色，旨在培養學生的計算思維和問題解決能力。該方法的核心在于，讓學生通過面對實際問題來學習編程，而不僅僅是學習語法和理論知識。首先，該教學方法的主要目標是教導學生如何運用計算思維和編程技能來解決復雜問題。它注重培養學生的創造性思維、邏輯思維和團隊合作能力。其關鍵特征在于，它以學生為中心，以實際問題或項目為核心，鼓勵學生編寫程序來解決這些問題。這些問題可能源自現實生活、工程領域、科學研究或其他學科領域。在教學過程中，學生被鼓勵自主探究問題，提出解決方案，并在實踐中不斷優化和完善。項目設計通常包括多層次的項目，從簡單到復雜，逐步引導學生提升編程技能。學生編寫的程序往往用于解決實際問題或執行具體任務，并會得到及時的反饋，以幫助他們改進解決方案。此外，在一些項目中，學生被鼓勵進行合作，共同解決問題，這有助于培養他們的團隊合作和溝通技能。這種教學方法將學習與實際問題解決緊密結合，使學生能夠更好地理解和應用編程概念。學生在解決問題的過程中，不僅能夠提升創造性思維、邏輯思維和決策制定能力，還能增強學習動力，因為他們能夠看到自己的工作對解決現實問題具有實際價值[3]。然而，基于問題解決的教學方法也面臨一些挑戰。一些學生在開始時可能會感到困惑，特別是在需要自主解決問題時。因此，教育者需要提供適當的指導和支持，確保項目設計難度適中，既不讓學生感到沮喪，也不讓他們覺得過于輕松。同時，教育者需要耐心對待學生的錯誤和挫折，鼓勵他們從失敗中學習，不斷進步。

3.2 游戲化教學在計算思維培養中的應用

游戲化教學是一種教學策略，它將游戲設計和元素融入教育過程中，尤其在計算思維培養方面發揮著重要作用。通過將學習與游戲的趣味性和挑戰性相結合，游戲化教學旨在激發學生的學習興趣、提升他們的參與度，并有效促進計算思維的培養。首先，游戲化教學的主要目標是通過游戲元素和互動性來培養學生的計算思維能力，涵蓋問題解決、算法設計、模式識別和抽象思維等關鍵方面。其關鍵特征包括引入游戲化元素，如競爭、獎勵、成就和排名，這些元素能夠激發學生的競爭意識和積極性。學生需要完成一系列的任務和挑戰，這些任務要求他們運用計算思維來解決問題，難度逐漸遞增。同時，游戲化教學通常提供實時反饋，幫助學生了解自身表現及改進方向。此外，角色扮演也是游戲化教學的一大特點，學生可以在虛擬環境中扮演不同的角色，與故事情節相結合，增加學習的趣味性和沉浸感。合作和社交互動也是游戲化教學的組成部分，它鼓勵學生們在團隊中共同解決問題，提升溝通和合作技能。游戲化教學具有多重優勢，如能夠激發學生的學習興趣和動力，積累實際問題解決的經驗，強調反饋與改進，培養自主學習能力，以及實現學習與娛樂的完美結合。然而，也需要注意到一些挑戰和注意事項，如游戲化元素的精心設計、與課程內容的一致性、評估方式的明確等，以確保游戲化教學的有效實施。

3.3 跨學科教育與計算思維的整合

跨學科教育與計算思維的整合是一種教學策略，旨在將計算思維的原則和技能與其他學科領域相結合，以促進學生在不同學科中的應用與創新。該教學方法的教學目標包括將計算思維應用于多學科領域，培養學生的問題解決和創新能力，以及促進綜合性思考。首先，這一整合方法旨在將計算思維原則和編程技能應用于不同學科領域，如科學、工程、醫學、藝術和社會科學。同時，它還著重于培養學生的問題解決、創新和協作能力，以應對跨學科問題，并促進學生進行綜合性思考，幫助他們理解不同領域間的相互關系。其關鍵特征在于跨學科項目的設計，要求學生運用計算思維解決涉及多個學科領域的復雜問題。學生將計算思維應用于實際問題解決，如模擬科學實驗、設計工程系統、分析醫學數據或創作數字藝術[4]。此外，合作學習也常被采用，以促進跨學科合作與交流，提高學生的團隊合作能力。教育者和導師來自不同學科領域，為學生提供指導和支持。學生被鼓勵反思他們的跨學科學習經驗，并評估項目成果，以了解自身成長和改進點。跨學科教育與計算思維整合的優勢在于打破學科壁壘，促進綜合性思考和學科交叉，培養實際應用能力，提高溝通和協作技能，以及激發學生的創新和創造性思維。然而，也需注意協調不同學科領域的知識和教學方法，以及應對學生適應復雜性和資源支持等方面的挑戰。

4 教育政策對計算思維教育的影響

政府和教育機構的政策和指導原則對于推動計算思維教育的普及和提升至關重要。首先，教育政策應制定與計算思維相關的課程要求和標準，確保計算思維教育全面融入學校教育體系，覆蓋從幼兒園到高中的各個學段。此外，政策制定者需提供資金和資源，以支持教育機構開發和采用計算思維教材，包括教材、軟件工具、培訓資源和硬件設備。同時，政策應推動計算思維教育的師資培訓計劃，確保教育者具備傳授計算思維概念和編程技能的必要知識和技能。政策制定者還應設計評估工具和標準化測試，以準確測量學生的計算思維水平，進而監測計算思維教育的效果，并提供反饋以改進教學。同時，政策應強調計算思維教育的公平和包容性，確保不論學生背景如何，都能平等獲得教育機會。政府應鼓勵與科技行業和其他組織的合作，以促進計算思維教育的發展，包括提供實習機會、導師支持和行業合作項目[5]。此外，政策應提供資金和支持，以鼓勵研究和創新，不斷改進計算思維教育的方法和資源。未來的教育政策可能更加強調終身學習，鼓勵人們在不同生活階段持續發展計算思維和技能，以適應不斷變化的技術和職業需求。政策制定者還可能推動計算思維與其他學科的整合，使其成為跨學科教育的重要組成部分，以更好地滿足現實世界的多領域需求。同時，政策支持創新教育模型，如在線學習、混合式學習和個性化學習，以提供更靈活、個性化的計算思維教育。隨著技術的全球化，未來的政策應鼓勵國際合作，共同推進計算思維教育的國際標準和最佳實踐。

5 結束語

計算思維的培養是現代教育的重要任務之一。隨著技術的不斷進步，計算機編程教育不僅旨在滿足科技行業的需求，更在于培養學生的創造性思維、邏輯思維和問題解決能力。然而，教育者面臨著諸多挑戰，包括學生遇到的困難以及教學策略的選擇。創新的教學方法，如基于問題解決的教學和游戲化教學，為激發學生的學習興趣和提升學習成果提供了新途徑。同時，政策制定者在制定教育政策時也應重點關注計算思維的培養，以確保學生能夠適應未來的挑戰。計算思維教育的未來需要更多合作與創新，以培育具備綜合性思考和解決問題能力的學生，為構建更加智慧和創新的社會做出貢獻。

參考文獻：

[1] 李澤龍，于瀚翔，張鑫鵬，等.淺談線上教學背景下針對計算機編程入門學習者的教育[J].中國新通信，2022，24（12）：99-101.

[2] 莫健櫻，馮泰民.國內計算思維研究的現狀與熱點——基于CNKI的知識圖譜分析[J].廣州廣播電視大學學報，2021，21（6）：7-11，30，107.

[3] 張會慶，陳華，馬璿.數據驅動的編程教育腳手架教學模式探究[J].教學研究，2021，44（5）：66-74，80.

[4] 王佑鎂，宛平，南希烜，等.實體編程促進計算思維發展：工具與策略[J].中國電化教育，2021（8）：92-98.

[5] 張進寶.計算思維教育：概念演變與面臨的挑戰[J].現代遠程教育研究，2019，31（6）：89-101.

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