基于計算思維的面向問題求解模式教學(xué)改革的探索與實踐

付文霞+張學(xué)輝+李昕+鄭立垠

摘要：分析了以往程序設(shè)計教學(xué)中存在的問題，提出了“基于計算思維面向問題求解”的教學(xué)模式，優(yōu)化構(gòu)建了“基于問題求解的多層次遞進式”教學(xué)內(nèi)容和協(xié)同考核評價體系。圍繞實際問題求解來組織教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生運用所學(xué)知識和已有經(jīng)驗尋找、分析和解決問題，將抽象、分解和構(gòu)造性思維等計算思維能力的培養(yǎng)貫穿于問題求解的全過程，科學(xué)合理地評估學(xué)生進行問題求解的計算思維能力。

關(guān)鍵詞：問題求解；計算思維；教學(xué)改革；程序設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）41-0279-02

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機權(quán)威期刊上正式提出了“計算思維”的概念[1]。2010年《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》的核心要點強調(diào)“需要把培養(yǎng)學(xué)生的‘計算思維能力作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”[2]。中國科學(xué)研究院陳國良院士進一步指出：計算思維是一種有關(guān)于問題描述、問題建模和問題求解的科學(xué)思維能力[3]。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展與深入應(yīng)用，當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)具備分析和解決問題的計算思維能力，從而進一步提升大學(xué)生的綜合素質(zhì)，強化他們的創(chuàng)新實踐能力。

一、教學(xué)中存在的主要問題

計算思維的重要體現(xiàn)是問題求解的思維規(guī)律和方法，而程序設(shè)計過程正反映了問題求解過程，程序設(shè)計是計算思維的重要載體[4]。因此，推進程序設(shè)計課程的教學(xué)改革對于培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維能力尤為重要，而總結(jié)和分析近年來教學(xué)中存在的問題將會成為深化教改的一個突破口。

1.“面向語法為中心”的教學(xué)模式亟待改善。目前，程序設(shè)計教學(xué)以語法點的講解為起點，圍繞語法點，設(shè)計和講解算法，教學(xué)模式就像按照從樹葉（語法）→樹枝（算法）→子軀干（問題求解）→主軀干（計算思維）的逆生長規(guī)律種樹一樣，教師是課堂的主體，學(xué)生被動接受課程中的語法和算法等知識，最終由學(xué)生自己內(nèi)化出問題求解的思想或思維，這是有悖于學(xué)生的學(xué)習(xí)和認知規(guī)律的，最終導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)嚴重的入門難、厭學(xué)、抄襲和掉隊現(xiàn)象，極大地阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣，無形中造成了“知識傳遞重，能力培養(yǎng)輕”的效果。

2.課程考核與協(xié)同評價機制有待改進。考評機制作為指揮棒，是對教學(xué)過程的宏觀調(diào)控。目前，課程的考評方式過于單一，最終成績僅限于平時成績（作業(yè)+考勤）和期末筆試成績，這不利于及時跟蹤了解學(xué)生的平時學(xué)習(xí)情況，對于評估學(xué)生的問題求解能力也存在一定的主觀性和片面性。

二、探討“基于計算思維的面向問題求解”的教學(xué)模式

以問題求解為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)始于20世紀50年代美國的CaseWestern大學(xué)，它是以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，對學(xué)生進行提出問題、分析問題、解決問題的能力培養(yǎng)。在教學(xué)中將問題求解貫穿于整個教學(xué)過程，使學(xué)生運用所學(xué)知識和已有經(jīng)驗尋找問題、分析問題、解決問題，能夠讓學(xué)生積極主動思考，建構(gòu)知識體系，提高計算思維能力。

“基于計算思維的面向問題求解”的教學(xué)模式具體實施步驟如下：第一步，通過問題提出引例，引導(dǎo)學(xué)生分解簡化復(fù)雜問題，抽象出問題模型，討論解決方法，設(shè)計出解決方案，鍛煉了學(xué)生抽象與分解的計算思維能力；第二步，巧妙設(shè)問，要求學(xué)生自己構(gòu)造出問題求解的一般步驟，接著引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實現(xiàn)算法所必需的最少語法知識、編程實現(xiàn)，鍛煉了學(xué)生的構(gòu)造性思維；第三步，啟發(fā)學(xué)生充分利用問題中所給出的啟發(fā)式信息，對算法進行優(yōu)化，鍛煉了學(xué)生的啟發(fā)式推理能力；第四步，鼓勵學(xué)生動手實踐，對比算法效率，幫助學(xué)生認識整體與細節(jié)的關(guān)系。最后，教師設(shè)計一個新的問題求解，學(xué)生自己動手實踐，實現(xiàn)對前面問題求解過程的鞏固練習(xí)。

新的教學(xué)模式將計算思維能力的培養(yǎng)貫穿到了問題求解的全過程。它強調(diào)圍繞問題情境完成知識的建構(gòu)，加深學(xué)生對抽象、分解和構(gòu)造性思維等程序設(shè)計過程中常用的計算思維方法的深刻認識，有利于學(xué)生從日常思維方法向計算思維方法的轉(zhuǎn)變，在潛移默化中實現(xiàn)了對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。

三、構(gòu)建“基于問題求解的多層次遞進式”的教學(xué)內(nèi)容體系

配合新的教學(xué)模式，將課程內(nèi)容的組織從結(jié)構(gòu)主義轉(zhuǎn)變?yōu)榻鈽?gòu)主義，圍繞“實際問題求解”來組織教學(xué)內(nèi)容。將教學(xué)內(nèi)容從系統(tǒng)性、完整性向個性化、碎片化過渡，將枯燥繁多的語法點設(shè)計到每個具體的問題中，以解決問題為目的，講解語法以“必需、夠用”為度。既有利于加強學(xué)生在解決實際問題時對知識點的融會貫通，又解決了由于一次課中“知識點過于集中”而給學(xué)生造成的學(xué)習(xí)困難。

構(gòu)建四個層次的“基于問題求解的多層次遞進式”教學(xué)內(nèi)容體系。第一層是開篇導(dǎo)教階段，主要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生理解什么是計算思維，解決“為什么學(xué)習(xí)本課程”的疑問；第二層是分類問題求解的基礎(chǔ)篇階段，通過一些趣味性高的簡單問題求解，分散講解基礎(chǔ)語法和三種控制結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生初步構(gòu)建問題求解的思維過程；第三層是專題問題求解的提高篇階段，圍繞核心算法設(shè)計問題求解，穿插一些小型綜合項目的開發(fā)，進一步提高學(xué)生的問題求解能力；第四層是綜合問題求解的強化篇階段，以游戲為主題，設(shè)計一些規(guī)模較大的綜合項目開發(fā)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生將前面所學(xué)知識進行融會貫通，進一步強化學(xué)生應(yīng)用計算機解決問題的計算思維能力。

四、構(gòu)建科學(xué)合理的考核評價體系

遵循對學(xué)習(xí)進行全程跟蹤化和考試的公開透明化的原則，構(gòu)建了形成性和終結(jié)性評價相結(jié)合的評價體系。在形成性評價中，借鑒了游戲關(guān)卡的激勵機制，采取積分關(guān)卡策略，激勵學(xué)生以小組模式，積極參與課程的每個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。以此來及時地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，實現(xiàn)對教學(xué)過程的宏觀調(diào)控。在終結(jié)性評價方面，改革之前的筆試為全面機考，真正考核學(xué)生應(yīng)用計算機解決實際問題的能力，機考在OJ平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)在線評測和實時排名，實現(xiàn)了對學(xué)生過程考評的公平、合理性，有效地保護和提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為新的教學(xué)模式的實施提供了有利保障，同時能夠比較客觀、合理地評估學(xué)生應(yīng)用計算機進行問題求解的計算思維能力。

五、總結(jié)

基于計算思維的面向問題求解的教學(xué)模式采取的是以“計算思維為核心，問題求解為主線，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的改革策略，將教學(xué)由原來的面向語法為中心轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦騿栴}求解，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中沉悶的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。近年來，學(xué)生編程求解問題的總量有較大提升，程序的規(guī)模也有大幅增長，尤其在綜合類項目開發(fā)階段，學(xué)生的單個程序的最大代碼行數(shù)SLOC（source lines ofcode，Stanford和UIUC等國際知名大學(xué)用作教學(xué)效果的量化指標(biāo)）能達到527行，相較于之前的109行有大幅上升。教學(xué)實踐表明，新的教學(xué)模式有效地提高了大學(xué)生問題求解的計算思維能力。

參考文獻：

[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010，（9）.

[3]陳國良.計算思維[J].中國計算機學(xué)會通訊，2011，8（1）：31-34.

[4]童鍵.基于問題求解思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計教學(xué)實踐[J].軟件導(dǎo)刊，2014，13（4）：84-86.endprint