運用ARCS教育理論改進高中算法與程序設(shè)計教學(xué)

☆楊曉峰

（上海松江二中現(xiàn)代教育技術(shù)組，上海 201600）

算法與程序設(shè)計是上海市高中信息科技教學(xué)的三個選修模塊之一。筆者在多年的高中算法與程序設(shè)計教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性不足，部分學(xué)生反映“算法與程序設(shè)計的學(xué)習(xí)枯燥乏味”。

筆者以為產(chǎn)生這種情況的根本原因是學(xué)生的學(xué)習(xí)動機不足。很多教師專注于教學(xué)方法的優(yōu)化和教學(xué)設(shè)計的推陳出新，卻忽略了對學(xué)生學(xué)習(xí)動機的研究。高中的算法與程序設(shè)計教學(xué)需要學(xué)生積極主動的思考，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維，進行知識的建構(gòu)。學(xué)生在沒有明確為什么學(xué)習(xí)算法與程序設(shè)計，沒有切身體驗到學(xué)習(xí)內(nèi)容對自己的學(xué)習(xí)和生活有什么幫助的情況下，他們的學(xué)習(xí)只能是被動地學(xué)習(xí)。而缺乏了學(xué)生積極主動的參與，無論教師如何改進教學(xué)方法，教學(xué)的效果必然大打折扣。

ARCS動機設(shè)計模式是由美國南佛羅里達大學(xué)的心理學(xué)教授J.M.Keller提出的。這一模式認為，影響學(xué)生學(xué)習(xí)動機的因素有四類：注意（attention）、切身性（relevance）、自信心（confidence）、滿足感（satisfaction）。因此，教師在進行教學(xué)設(shè)計的同時，還應(yīng)該進行適當?shù)膭訖C設(shè)計，即針對學(xué)生群體的動機狀況和教學(xué)內(nèi)容的特點設(shè)計相應(yīng)的動機策略，設(shè)法使教學(xué)過程能夠引起并維持學(xué)生的注意、建立起教學(xué)與學(xué)生之間的切身性、使學(xué)生產(chǎn)生并維持對學(xué)習(xí)的自信心、并提供一種滿意感，那么教學(xué)就能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。

筆者運用ARCS教育理論，在高中算法與程序設(shè)計教學(xué)中進行了實踐研究。以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)為目標，在研究過程中不斷改進和優(yōu)化我校的算法與程序設(shè)計課程。

一、注意策略

注意是學(xué)習(xí)者進行學(xué)習(xí)活動的前提條件。教學(xué)應(yīng)該有效地激發(fā)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的好奇心。在學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣的前提下有效維持學(xué)生的注意力，才能使學(xué)生主動地投入到高效率的學(xué)習(xí)中。

1.喚起感知，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣

對于高中學(xué)生而言，算法和程序設(shè)計不僅是一門全新的課程，更是一個全新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。學(xué)生必然會產(chǎn)生“我為什么要學(xué)，學(xué)了有什么用”之類的疑問。這樣的疑問，并非開展教學(xué)活動的絆腳石。相反，如果很好解決這樣的疑問，幫助學(xué)生看到學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計的美好前景，反而會有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成為學(xué)生主動學(xué)習(xí)的助推器。

以“驗證歌德巴赫猜想”作為課題引入，開始算法和程序設(shè)計課程第一節(jié)課的教學(xué)。方案如下：

（1）連續(xù)設(shè)問：“大家了解數(shù)學(xué)皇冠上璀璨的明珠——歌德巴赫猜想嗎？”、“根據(jù)歌德巴赫猜想，偶數(shù)8可以是哪兩個質(zhì)數(shù)的和呢？”。大多數(shù)學(xué)生對于歌德巴赫猜想是耳熟能詳?shù)模?，很容易就回答了以上兩個問題。

（2）繼續(xù)提問：“大家有沒有辦法算出2388是哪兩個質(zhì)數(shù)的和呢？”學(xué)生開始拿出草稿紙進行計算。由于缺少正確的算法，他們的計算更多的是在碰運氣地湊兩個質(zhì)數(shù)。題目的復(fù)雜讓大多數(shù)學(xué)生在一段徒勞無功地嘗試后選擇了放棄。

（3）程序演示：教師運行設(shè)計好的程序，在瞬間算出了正確的解答：1187＋1201＝2388。學(xué)生中一下子炸開了鍋。有的學(xué)生在贊嘆：“太給力了！”有的學(xué)生迫不及待地問：“老師，快告訴我們怎么編這個程序吧！”。

（4）教師引導(dǎo)：現(xiàn)在講解這個程序，大家理解上會有一些難度。但是，在大家學(xué)習(xí)了程序設(shè)計的知識和算法的思想后，我確信每個同學(xué)都能編寫這樣的程序。

2.喚起探究，啟發(fā)積極的思考

教學(xué)中提出一些在學(xué)生認知最近發(fā)展區(qū)內(nèi)的難題，雖然學(xué)生現(xiàn)階段無法獨立解決，卻能夠有效喚起學(xué)生的探究活動，啟發(fā)積極的思考。而對這些問題的求解，可以是我們進行下一階段教學(xué)的“潤滑劑”。

在學(xué)生掌握分支結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出分支結(jié)構(gòu)無法解決的難題，然后提出循環(huán)結(jié)構(gòu)并有效解決難題。這不僅使新教學(xué)內(nèi)容的引入自然順暢，也讓學(xué)生充分了解了循環(huán)結(jié)構(gòu)的用途和適用范圍。

3.多變的教學(xué)，維持學(xué)生的注意力

隨著教學(xué)過程的開展，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情會逐漸地消退，注意力也會開始分散。教師可以通過教育形式和教學(xué)媒體的改變，或是教師本人的肢體語言，或是表達風(fēng)格的切換（幽默－嚴肅、大聲－輕聲等）以保持學(xué)生的注意力。

從教育心理學(xué)的角度看，有意義、有變化的教學(xué)內(nèi)容更容易保持學(xué)生的注意力。

在講解符號“＋”在字符中的連接作用時，筆者按照常規(guī)舉了個例子。A＝“a”；B＝“b”；C＝A＋B，所以，C的值是“ab”；D＝B＋A，所以，D的值是“ba”。學(xué)生的反應(yīng)冷淡，自己也覺得索然無味。

于是在下一節(jié)課的教學(xué)中，筆者更換了舉例的內(nèi)容。A＝“開”；B＝“放”；C＝A＋B，所以，C 的值是“開放”；D＝B＋A，所以，D的值是什么呢？教學(xué)到這步，學(xué)生已經(jīng)搶著回答了“放開”。很多學(xué)生在這個時刻發(fā)出了會心的笑聲。

二、切身性策略

通過解決與學(xué)生切身相關(guān)的問題，使學(xué)生認識到算法與程序設(shè)計的學(xué)習(xí)與自己的學(xué)習(xí)和生活密切相關(guān)，與過去的經(jīng)驗和以前學(xué)習(xí)的知識相互關(guān)聯(lián)。

1.明確學(xué)習(xí)目的

明確學(xué)習(xí)的目的并取得學(xué)生的認同，對提高學(xué)習(xí)的主動性和保持學(xué)生的注意力至關(guān)重要。通過設(shè)計評委打分程序，并實際應(yīng)用于社團評比活動中，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)算法與程序設(shè)計有助于解決生活中的實際問題。通過一題多解，使學(xué)生感受到學(xué)習(xí)促進了自己創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，思維的廣度和深度獲得了提升。類似的教學(xué)既突顯了算法與程序設(shè)計教學(xué)的特點，也讓學(xué)生切身感受到自身能力的提升。

2.“熟悉性”的利用

利用學(xué)生經(jīng)驗中熟悉的東西進行教學(xué)，從學(xué)生已有的生活經(jīng)驗和知識體系出發(fā)開展教學(xué)，能有效降低學(xué)生參與新的教學(xué)活動的陌生感，提升學(xué)習(xí)的熱情。

在講解邏輯表達式的運算規(guī)則中，采用學(xué)生比較熟悉的單科獎學(xué)金和綜合獎學(xué)金進行舉例。

條件1：語文成績超過90分。條件2：數(shù)學(xué)成績超過90分。

P1（單科獎學(xué)金）的規(guī)則：只要有一門課超過90分。

P2（綜合獎學(xué)金）的規(guī)則：必須兩門課都超過90分。

由于以上規(guī)則是建立在學(xué)生熟知的基礎(chǔ)上，在下面學(xué)習(xí)邏輯運算符“AND”和“OR”的運算規(guī)則時，學(xué)生的學(xué)習(xí)顯得非常的順利。

條件1 條件2 P1（條件1 AND條件2） P2（條件1或 條件2）否否 否 否否是 否 是是否 否 是是是 是 是

在教師進行了必要的引導(dǎo)后，大部分的答案學(xué)生都可以自己推導(dǎo)出來了。

3.構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體，豐富學(xué)習(xí)體驗

算法與程序設(shè)計要消除學(xué)生個人封閉學(xué)習(xí)的“偏見”，要挖掘共同學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，形成濃烈的學(xué)習(xí)氛圍。

在模塊化程序設(shè)計教學(xué)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計評委打分程序的問題分解成四個模塊，并由四個小組各自完成一個模塊的求解。

第1小組：輸入8個評委的分數(shù)，并保存在數(shù)組a。

第2小組：根據(jù)數(shù)組中的分數(shù)，計算最高分，保存在max變量中。

第3小組：根據(jù)數(shù)組中的分數(shù)，計算最低分，保存在min變量中。

第4小組：根據(jù)數(shù)組中的分數(shù)，計算總分，保存在sum變量中。

當四個小組分別完成各自的任務(wù)后，計算平均分的工作就顯而易見了。學(xué)生利用(sum－max－min)/6就求出了平均分。

以上教學(xué)讓學(xué)生依靠集體的力量完成了工作量相對較大的任務(wù)，體驗了分工與合作的過程，也加深了對模塊化程序設(shè)計思想的認識。

4.符合思維習(xí)慣，幫助學(xué)生進行知識建構(gòu)

算法與程序設(shè)計的很多思想對學(xué)生而言是全新的，是對常規(guī)的順序式的思維方式的突破。在教學(xué)中需要從學(xué)生已有的思維習(xí)慣入手，強調(diào)教學(xué)過程的循序漸進，幫助學(xué)生進行知識的建構(gòu)。

在引入循環(huán)結(jié)構(gòu)教學(xué)時，筆者采用了計算6個班級的捐款總額的例子。

學(xué)生固有的思維方式是順序式的依次累加。特別是學(xué)生習(xí)慣于將6個數(shù)字在草稿紙上全部記下來以后，然后計算總額。為此，筆者故意設(shè)置障礙，要求不得使用草稿紙。這樣學(xué)生不得不采用記住一個數(shù)值，和已有的總額累加，再獲取一個數(shù)值，再和已有的總額累加的方法。這樣，學(xué)生的計算方法就符合了計算機利用循環(huán)結(jié)構(gòu)進行累加求和的方法，體驗到了循環(huán)體“輸入一個值，累加求和”反復(fù)執(zhí)行的過程。

在此基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)循環(huán)體“輸入一個值，累加求和”，分析循環(huán)次數(shù)，得出循環(huán)的結(jié)束條件，并確定循環(huán)變量的初值。與此同步，筆者在黑板上將上述的引導(dǎo)過程通過流程圖逐步勾勒出循環(huán)結(jié)構(gòu)解決上述問題的過程，實現(xiàn)對知識的逐步建構(gòu)。

步驟1：總結(jié)循環(huán)體 步驟2：分析循環(huán)次數(shù)，得出循環(huán)的結(jié)束條件步驟 3：并確定循環(huán)變量的初值

三、自信策略

通過學(xué)習(xí)算法與程序設(shè)計，逐步解決從前無法解決的問題，掌握解決問題的方法，體驗到自身能力的提高，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)中樹立自信。提升學(xué)生的自信，是教學(xué)活動的目標。在教學(xué)過程中獲得的自信，也有助于學(xué)生在下一階段的學(xué)習(xí)中主動的投入。

1.強化學(xué)生成功源于努力的信念

在“驗證歌德巴赫猜想”的課題中，可以通過以下問題的設(shè)置?！叭绻鹡為偶數(shù)，a和b為所求的兩個質(zhì)數(shù)，在確定a的值以后，b的值如何確定？”、“確定了b＝n－a以后，分析 a的取值范圍？”、“當 a從 2到 n/2逐步取值時，b的值在如何變化？”、“如何驗證a是否為質(zhì)數(shù)？”、“如何驗證a和 b同為質(zhì)數(shù)？”，“當a和 b不同為質(zhì)數(shù)時，a和b如何取值，逐步縮小取值范圍？”、“循環(huán)的結(jié)束條件是什么？”。最終學(xué)生得出a從 2到 n/2逐步取值，b始終取值為 n－a，當 a和 b同為質(zhì)數(shù)時就得到了正確的答案。讓學(xué)生充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性，在不斷求解新問題的過程中獲取知識，在一步步的成功中看到自身能力的提升，從而增強學(xué)習(xí)的興趣和信心。教師對學(xué)生的每一份努力、每一次進步，應(yīng)給予及時而適當?shù)谋頁P，激發(fā)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)心態(tài)。

2.培養(yǎng)創(chuàng)新思維，強化自信

通過一題多解等方式，突破常規(guī)思維方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，強化學(xué)習(xí)的自信心。

在學(xué)習(xí)交換兩個變量的值時，教師先講解常規(guī)的解題方法。然后提出不用中間變量，引導(dǎo)學(xué)生思考更高效的解題方法。

常規(guī)方法 創(chuàng)新方法一 創(chuàng)新方法二a＝5 b＝3 t＝a a＝b b＝t a＝5 b＝3 a＝a＋b b＝a－b a＝a－b a＝5 b＝3 a＝a觹b b＝a/b a＝a/b

四、滿足感策略

在教學(xué)中教師應(yīng)組織強化，幫助學(xué)生達到自己的學(xué)習(xí)期望，使學(xué)生從學(xué)習(xí)中獲得滿足。而這份從學(xué)習(xí)中獲得的滿足感必將轉(zhuǎn)化為進一步主動學(xué)習(xí)的動力。

1.內(nèi)部強化

在評委打分程序的教學(xué)中，如果只是簡單地實現(xiàn)總分除以人數(shù)得出平均分是不能真正讓學(xué)生滿意的。經(jīng)驗告訴他們實際比賽中使用的評委打分程序并非如此。這里需要引入最值問題的求解。只有讓學(xué)生掌握了求解最大值和最小值的方法，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了“計算總分，去掉一個最高分，去掉一個最低分，最后得出平均分”這一符合實際應(yīng)用的方法后，他們才會略感滿足。

在和實際應(yīng)用的比較中，學(xué)生又會發(fā)現(xiàn)程序新的不足。剛才設(shè)計的程序只能實現(xiàn)多個評委對一個學(xué)生的打分。對該學(xué)生的打分完成后，程序就結(jié)束了。顯然現(xiàn)實中并非如此。這里又需要引入雙重循環(huán)的概念，使用外部循環(huán)處理多個學(xué)生，使用內(nèi)部循環(huán)實現(xiàn)多個評委對一個學(xué)生的打分。

在與現(xiàn)實應(yīng)用的不斷比較中，學(xué)生不斷地發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有程序的不足。通過進一步深入地學(xué)習(xí)，他們不僅拓寬了自己的知識面，更對自己的程序更具實用價值感到滿意。

意識到自己的程序具有使用價值以后，學(xué)生總是希望盡可能地在實際生活中使用它。學(xué)校的社團評比提供了應(yīng)用評委打分程序的舞臺。教師幫助解決了電腦和投影設(shè)備等環(huán)境的布置。學(xué)生則對程序運行界面作了進一步的美化，在得出一個相對較高的得分時，程序還會發(fā)出驚嘆的擬人聲音。使用電腦程序進行評委打分的過程是令人滿意的。這不僅提高了評委打分的效率，也讓設(shè)計程序的學(xué)生獲得了成就感。

教學(xué)中提供給學(xué)生真實的問題解決環(huán)境，讓他們應(yīng)用已有知識解決實際問題。在此過程中，讓每一位學(xué)生充分發(fā)表自己的見解，積極鼓勵學(xué)生大膽嘗試并提供必要的引導(dǎo)和幫助。當這些大膽的嘗試取得積極的成果，并且符合學(xué)生的預(yù)期時，學(xué)生的學(xué)習(xí)動機就會被激發(fā)，維持在一個較高的水平上。

2.注重方法教學(xué)，提升學(xué)習(xí)效率

幫助學(xué)生提煉解題方法，讓學(xué)生感受到自己學(xué)習(xí)的不是解決某個問題的步驟，而是解決一類問題的方法。這不僅有助于學(xué)生知識遷移能力的培養(yǎng)，更能幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)的效率。

通過例題“求 65＋90＋10＋35＋75的和 s”學(xué)習(xí)了累加求和的方法后，給出相似的題目“求s＝1＋2＋3＋……＋n的值，其中n由鍵盤輸入”。學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個問題的求解仍然是累加求和的方法，只是循環(huán)的次數(shù)不是事先確定的，而是在程序執(zhí)行過程中由鍵盤輸入的。這時給出進一步的題目“求s＝2＋4＋6＋……＋n的值，其中n為偶數(shù)，由鍵盤輸入。”學(xué)生會發(fā)現(xiàn)這個題目的求解也是累加求和的方法，只是在上一題的解題基礎(chǔ)上增加了“循環(huán)變量的值每次增加2”的變化。通過相似題目的類比和思考的逐步深入，學(xué)習(xí)累加求和方法的適用范圍。

求 65＋90＋10＋35＋75的和s求 s＝1＋2＋3＋……＋n的值，其中n由鍵盤求 s＝2＋4＋6＋……＋n的值，其中n為偶例題教學(xué)，學(xué)習(xí)了累加求和的方法題目的變形1：循環(huán)的次數(shù)不是事先確定的，而是在程序執(zhí)行過程中由鍵盤輸入的題目的變形 2：增加了“循環(huán)變量的值每次增加2”的變化

筆者將ARCS動機設(shè)計模式運用于高中算法與程序設(shè)計教學(xué)，在高一年級的算法與程序設(shè)計教學(xué)中進行了5個月的實踐。實施策略前后，在實驗班和對照班的學(xué)生中分別進行了“高中算法與程序設(shè)計學(xué)習(xí)動機調(diào)查問卷”的調(diào)查。通過對5個月前后的調(diào)查結(jié)果和學(xué)業(yè)績效的分析、比較，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機、情感反應(yīng)和學(xué)業(yè)績效均有一定程度的提高。

運用ARCS教育理論，從注意、切身性、自信心、滿足感四個維度促進學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人。學(xué)生主動地學(xué)習(xí)，必將推動三維教學(xué)目標的有效實現(xiàn)。

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