翻轉(zhuǎn)課堂模式下計算思維能力的培養(yǎng)

李斌

[摘要]文章闡述翻轉(zhuǎn)課堂出現(xiàn)的背景，針對目前計算機基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀描述的問題，提出借助優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，將翻轉(zhuǎn)課堂有效應(yīng)用到傳統(tǒng)教學(xué)中，合理安排課前課中課后的教學(xué)任務(wù)，組織討論，跟蹤學(xué)習(xí)進度，培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，從而改革計算機基礎(chǔ)教學(xué)方法及內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]翻轉(zhuǎn)課堂；計算思維；教學(xué)模式；信息技術(shù)；程序設(shè)計

一、為什么會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

在翻轉(zhuǎn)課堂概念還未出現(xiàn)前，我們接觸更多的是傳統(tǒng)的教學(xué)模式。從小學(xué)、初中、高中到大學(xué)，學(xué)生們往往是被動接受老師的大容量知識灌輸，鮮有主動學(xué)習(xí)。由于個體差異，每個學(xué)生對知識的理解力不一樣。理解力差一點的學(xué)生，因為沒有聽懂上一次課所授內(nèi)容，以及知識點的連貫性，這些學(xué)生可能會陷入“想聽卻聽不懂，聽不懂則不想聽”的惡性循環(huán)，從而產(chǎn)生厭學(xué)心理。大學(xué)課堂更特殊，對于某一門課程，學(xué)生一周可能只能見到老師一兩次，老師下課后也很少再與學(xué)生見面。學(xué)生有什么學(xué)習(xí)上的問題，不太方便與老師面對面交流，那么這些問題也不會得到及時的解決。

2007年，美國高中兩名教化學(xué)的老師喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯，因為有學(xué)生未來上課，他們將錄制好的講課視頻（包括PPT演示文稿和音頻）上傳至YouTube，希望這些學(xué)生在家里也能學(xué)習(xí)。他們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率反而明顯提高了，學(xué)生也更加積極學(xué)習(xí)，學(xué)生成績居然大大提高。無獨有偶，美國麻省理工學(xué)院學(xué)生薩爾曼·可汗，有個小侄女叫納迪亞，她遇到數(shù)學(xué)難題向可汗求助?？珊雇ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)來解答侄女的問題，并且講得非常生動有趣。后來可汗的一些親朋好友知道后，相繼向他請教一些學(xué)習(xí)問題?？珊褂X得忙不過來，干脆把數(shù)學(xué)輔導(dǎo)內(nèi)容錄制成視頻放到Y(jié)ouTube網(wǎng)站。這種學(xué)習(xí)模式與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式正好相反，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式分為兩個環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)教師在課堂內(nèi)講解、討論知識，第二環(huán)節(jié)課堂外通過練習(xí)復(fù)習(xí)鞏固知識。翻轉(zhuǎn)課堂模式學(xué)生課前預(yù)習(xí)相關(guān)知識并思考、準(zhǔn)備若干問題；課中對于學(xué)生不懂的知識和問題教師組織師生之間、生生之間進行討論，倡導(dǎo)學(xué)生自主解決問題，這樣既培養(yǎng)了學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，同時也培養(yǎng)了團隊協(xié)作解決問題的能力。因此，翻轉(zhuǎn)課堂實際上是將以前課堂內(nèi)的部分教學(xué)搬到課堂外，教師課前錄制好視頻（10到20分鐘），學(xué)生在家或者課外空閑時間觀看視頻中教師的講解，回到課堂上再與師生交流，甚至在課堂內(nèi)就完成了作業(yè)。這樣一種教學(xué)模式，可以認(rèn)為是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種徹底創(chuàng)新。

之后薩爾曼·可汗成立了Khan Academy網(wǎng)站，主要是通過視頻的方式講解不同學(xué)科內(nèi)容，并在線解答網(wǎng)友的提問。網(wǎng)站同時可以進行在線練習(xí)、自我測評、學(xué)校進度跟蹤。截至2012年6月底，Khan Academy網(wǎng)站視頻觀看人次已超過2.1億。其視頻資源涵蓋了物理、生物、數(shù)學(xué)、金融、化學(xué)、天文、計算機、經(jīng)濟和歷史等十多個學(xué)科。翻轉(zhuǎn)課堂作為一種新型的教學(xué)形式迅速風(fēng)靡全球，在美國就有2萬多所學(xué)校的數(shù)學(xué)課已經(jīng)不安排老師講課，全部讓學(xué)生觀看網(wǎng)站視頻，老師只負(fù)責(zé)答疑?？珊贡蛔u為“一個顛覆美國傳統(tǒng)教育的人”。

二、計算思維

計算思維（Computational Thinking）一詞由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出，周教授認(rèn)為：“計算思維不僅僅屬于計算機科學(xué)家，它將和閱讀、寫作和算術(shù)一樣，是21世紀(jì)每個人必須具備的基本技能?！庇嬎闼季S的本質(zhì)就是抽象和自動化，它是一種新的思維方法，即如何按照計算機求解問題的基本方法去考慮問題的求解、進行系統(tǒng)設(shè)計并理解人類行為，從而構(gòu)建出相應(yīng)的算法和基本程序。按照周教授的觀點，計算思維主要包含以下內(nèi)容：

（1）通過簡約、轉(zhuǎn)化、嵌入和仿真等方法，將一個看似困難的問題重新闡述成一個我們知道問題怎樣解決的思維方法；

（2）是一種并行處理、代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼、遞歸思維、基于多維推廣的類型檢查方法；

（3）是一種基于關(guān)注點分解的方法，是一種采用抽象、分解來控制龐雜的任務(wù)或進行巨大的任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的方法；

（4）是一種選擇合適的方法陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；

（5）是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間、空間之間，在處理能力、存儲容量之間進行折衷的思維方法；

（6）是一種按照預(yù)防、保護，并通過冗余、容錯、糾錯的方式，從最壞情況進行系統(tǒng)恢復(fù)的思維方法；

（7）是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。

2010年7月西安交通大學(xué)主辦了“九校聯(lián)盟（c9）計算機基礎(chǔ)課程研討會”，會議第一次明確提出將“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，這也進一步確立了計算機基礎(chǔ)教學(xué)在大學(xué)教育中的重要地位。

三、信息技術(shù)基礎(chǔ)課程中計算思維能力培養(yǎng)的一些現(xiàn)狀

我校信息技術(shù)基礎(chǔ)課程包含計算機信息技術(shù)概述、計算機組成原理、計算機軟件、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字媒體及數(shù)據(jù)庫等知識點。從2015年開始，我校已經(jīng)逐漸取消了這門課程。但是，盡管現(xiàn)在計算機已經(jīng)得到了普及，然而由于地區(qū)的差異性，相當(dāng)一部分學(xué)生在高中階段依然沒有學(xué)過一些基礎(chǔ)的信息技術(shù)知識。他們會用計算機，可并不了解計算機的基本常識，知其然而不知其所以然，這會影響到學(xué)生對后續(xù)計算機程序設(shè)計課程以及需要用到計算機編程技術(shù)的專業(yè)課的理解。比如，什么是二進制？為什么計算機要使用二進制？如果我們從計算機的角度思考，運用計算思維，我們發(fā)現(xiàn)計算機中的大多元器件只需要兩種狀態(tài)，這也決定了現(xiàn)代計算機必須使用二進制。比如，為什么我們看電子文檔時有時會出現(xiàn)亂碼？有沒有想過計算機是如何識別中文、英文、日文、韓文等多國家語言文字？這也是計算思維的范疇。因為計算機只識別機器語言即01代碼，所有的文字不管哪個國家，進入計算機前都需要編碼，這個編碼規(guī)則就是站在計算機的角度上要考慮的問題。再比如，現(xiàn)在學(xué)生的成績通常都會以電子檔或數(shù)據(jù)庫的形式存儲在專門的服務(wù)器中，如何知道某個班某門課程的平均成績？我們當(dāng)然不會采用手工方式人為計算，按照計算思維，應(yīng)該讓計算機使用某種算法進行快速計算，那么這個算法怎么設(shè)計？如何組織算法中用到的數(shù)據(jù)？沒有計算思維的能力，前述看是很平常的問題，實際上很難解決。但是學(xué)生沒有了信息技術(shù)這么課程，怎么樣才能培養(yǎng)他們在信息技術(shù)上的計算思維能力呢？endprint

四、程序設(shè)計基礎(chǔ)課程中計算思維能力培養(yǎng)的一些現(xiàn)狀

我校計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)課程涉及的語種包括VBA、c語言、c++語言、VB語言、Java語言和Python語言，學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好自由選擇。我校近幾年大大縮減了程序設(shè)計類課程的課時，這就導(dǎo)致了教師在教授這些課程時，尤其是c語言、c++語言，為了完成教學(xué)任務(wù)，加快了教學(xué)進度，學(xué)生們普遍反映課程講得太快，還沒有完全理解就進入了下一個知識點。同時也難免降低了對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)力度，比如設(shè)計算法時如何確定數(shù)據(jù)類型？如何設(shè)計類中的屬性？如何結(jié)合計算思維中的“關(guān)注點分離”設(shè)計出相互獨立又相互關(guān)聯(lián)的函數(shù)？如何使用遞歸思維解決生活中的實際問題等等？計算思維能力的培養(yǎng)本身是一個循序漸進的過程，需要教師的反復(fù)講解和學(xué)生不斷地編程實踐。但是因為課時不夠的原因，教師在講課時不可能面面俱到，學(xué)生也沒有更多的上機實踐機會。況且下課后教師與學(xué)生面對面交流的機會就少，雖然可以借助網(wǎng)絡(luò)進行答疑，卻也只是支離破碎“快餐模式”的解答，不能深層次的探討。久而久之，學(xué)生之間的討論以及計算思維能力都處在一個低水平的狀態(tài)。

五、運用翻轉(zhuǎn)課堂培養(yǎng)計算思維能力

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式已經(jīng)越來越受到國內(nèi)高校的重視，眾多學(xué)者、教師甚至學(xué)生都加入到了這個隊伍中。筆者這學(xué)期正在使用超星公司的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺——“超星學(xué)習(xí)通”教授c語言程序設(shè)計這門課程，發(fā)現(xiàn)它可以很好地將翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂結(jié)合在一起，大大改進了我的教學(xué)效果。接下來筆者談一下具體的實施過程。

（一）課程資源

將課程用到的Power Point課件、每次課學(xué)生需要掌握的知識點、教材例題源代碼、編程軟件等文檔上傳至該平臺。該平臺支持手機端APP，學(xué)生隨時可以很方便地在手機上查看，尤其是課件，有助于學(xué)生預(yù)習(xí)和回顧以前的授課內(nèi)容。

（二）教學(xué)視頻

這是該平臺最吸引教師和學(xué)生的地方。筆者將本人事先錄制好的視頻或者該平臺已經(jīng)提供的教學(xué)視頻（時長通常為30分鐘左右）上傳，并且通知學(xué)生下次課上課前要求觀看的視頻和需要討論的話題。學(xué)生在空閑的時間通過手機APP學(xué)習(xí)視頻內(nèi)容，可以是片段式的，就算中途被打斷，后面接著繼續(xù)學(xué)習(xí)就行。學(xué)生上課前已經(jīng)大致了解了課程內(nèi)容，簡單的知識點已經(jīng)在課堂外掌握，那么這些知識點教師也就不需要在課堂上重點講解了。同時學(xué)生對課堂上要討論的話題多多少少做了些準(zhǔn)備，往往這些話題是這次課的重點或難點，也是需要運用和鍛煉計算思維能力的地方，比如進制之間的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的編碼、計算機如何用遞歸求階乘、計算機如何解方程組等等。其中進制之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的編碼這兩個視頻，是本應(yīng)在信息技術(shù)基礎(chǔ)課程教授的知識點，但該課程已取消，放在程序設(shè)計課程里是為了補充與編程相關(guān)的預(yù)備知識。這樣，教師上課時給知識點合理分配了時間，學(xué)生也發(fā)現(xiàn)他們可以在課堂上解決大部分問題了。如果課堂上還是沒有聽懂，那么課后學(xué)生可以繼續(xù)反復(fù)觀看教學(xué)視頻。學(xué)生更主動而不是被動接受和學(xué)習(xí)知識，正是翻轉(zhuǎn)課堂的一個宗旨。

（三）跟蹤學(xué)習(xí)

雖然超星學(xué)習(xí)通提供了一個很好的學(xué)習(xí)平臺，但是怎么監(jiān)督和檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)情況呢？筆者會為每章或重點章節(jié)準(zhǔn)備一些測試題，題量不需要太多，目的是為了鞏固知識點。因為測試要記入平時成績，學(xué)生會主動進行線下復(fù)習(xí)。而且測試時不需要去固定的教室，空閑的時候或者學(xué)習(xí)狀態(tài)比較好的時候，學(xué)生在電腦上甚至手機上答題即可。每次課筆者也會布置編程題，以鍛煉學(xué)生的編程及計算思維能力。平臺可以監(jiān)測到每個人的學(xué)習(xí)進度、是否完成測試、是否觀看教學(xué)視頻、是否提交作業(yè)，這些都可以作為平時成績的考核參考。教師同樣還可以通過電腦或手機隨時批改作業(yè)，不限時間不限地點，方便快捷。對于有問題的作業(yè)，教師寫一些批語，指出作業(yè)不對的地方，有嚴(yán)重錯誤的作業(yè)及時退回，學(xué)生在手機端能夠很快收到消息，方便學(xué)生及時修改作業(yè)。筆者在批改作業(yè)的過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生們一些共性的問題，筆者會在平臺上發(fā)出與該問題相關(guān)的討論，所有的學(xué)生都積極參與到網(wǎng)絡(luò)討論，很多問題就在討論中得到了解決，從而加快了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率?？梢詫⒄n程設(shè)置為闖關(guān)模式，學(xué)生需一步一步完成任務(wù)才能進人下一環(huán)節(jié)，比如如果測試未及格則表示不通過，需重新測試直到通過為止。

六、結(jié)語

計算思維的培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程，而良好的教學(xué)方法會起到事半功倍的效果。筆者通過使用超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，借助其功能豐富的Pc端和APP手機端，將翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂有效結(jié)合起來，逐步形成了“課前網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)，課堂積極討論，課后網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)，隨時隨地學(xué)習(xí)”的教學(xué)模式，大大鍛煉和提高了學(xué)生的計算思維能力和編程開發(fā)能力，促進了師生、生生之間的交流。讓學(xué)生和教師都積極主動投入到教學(xué)中來，是每一個教育工作者都在探討的問題。endprint