強(qiáng)化計(jì)算思維培養(yǎng)的課程教學(xué)改革研究
——以計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程為例

安 曉 瑞

(隴南師范高等?？茖W(xué)校 信息中心，甘肅 隴南 742500)

思維是創(chuàng)新的源頭，技術(shù)和知識(shí)是創(chuàng)新的支撐.計(jì)算思維和閱讀寫作一樣已成為人類內(nèi)在的普適的、通用的思維模式和基本能力.計(jì)算思維成為人類應(yīng)具備的除實(shí)驗(yàn)思維和理論思維外的第三種思維.計(jì)算思維關(guān)注的是人類思維中有關(guān)可行性、可構(gòu)造性和可評(píng)價(jià)性的部分，當(dāng)前環(huán)境下，理論與實(shí)驗(yàn)手段在面臨大量數(shù)據(jù)的情況下，不可避免地要用計(jì)算手段來(lái)輔助進(jìn)行[1].美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)周以真教授提出了計(jì)算思維的含義：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基本概念求解問題，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的方式，涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域廣度的一系列思維工具”[2].計(jì)算思維的本質(zhì)是對(duì)問題進(jìn)行抽象表示，以及通過(guò)形式化表達(dá)，使得問題的求解達(dá)到精確、可行的目的[3].2013年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布了《計(jì)算思維教學(xué)改革宣言》，明確了計(jì)算思維能力培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的中心地位，同時(shí)把計(jì)算機(jī)思維能力培養(yǎng)上升到創(chuàng)新人才培養(yǎng)和國(guó)家發(fā)展的高度[4].本文從分析當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程的共性問題入手，分析強(qiáng)化計(jì)算思維培養(yǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)改革的原因和目的，同時(shí)緊緊圍繞培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力這個(gè)核心，探討計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)改革的途徑及方法.

1 計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)問題分析

(1)學(xué)生缺乏“動(dòng)腦想”的機(jī)會(huì)

計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程的教學(xué)過(guò)程通常是教師在課堂上演示軟件命令的使用和操作，學(xué)生結(jié)合項(xiàng)目案例進(jìn)行操作練習(xí).學(xué)生通過(guò)觀看教師演示，記憶操作過(guò)程并驗(yàn)證性地進(jìn)行實(shí)際操作.在此過(guò)程中缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，缺乏計(jì)算思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)教師事先設(shè)計(jì)好的項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行練習(xí)，在項(xiàng)目實(shí)施中，無(wú)需過(guò)多思考需要哪些技能和用什么軟件實(shí)施.

(2)學(xué)生缺乏融會(huì)貫通、舉一反三的能力

學(xué)生雖然在課堂上掌握了每個(gè)命令的基本操作技能，但缺乏實(shí)際項(xiàng)目操作中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)間的融會(huì)貫通能力和綜合應(yīng)用能力.計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)的主要內(nèi)容是軟件功能的使用，對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的缺乏導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的處理缺乏設(shè)計(jì)和思路，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中很難建立知識(shí)圖譜，串聯(lián)知識(shí)點(diǎn)和形成思維導(dǎo)圖.計(jì)算機(jī)軟件的更新升級(jí)很快，課程教學(xué)過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化計(jì)算思維培養(yǎng)，讓學(xué)生理解軟件設(shè)計(jì)的背景，掌握軟件功能，從而讓學(xué)生掌握利用軟件解決問題的能力.

(3)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用有些脫節(jié)

有些課程教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)置與專業(yè)所屬行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中不能有效利用計(jì)算思維來(lái)解決專業(yè)問題.忽視對(duì)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，容易使學(xué)生的思維僵化.學(xué)生在遇到問題時(shí)，無(wú)法發(fā)揮計(jì)算思維的作用，不能很好地解決實(shí)際問題.在教學(xué)過(guò)程中，只有有效促進(jìn)理論與實(shí)踐深度融合，才能進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力.

(4)課程考核內(nèi)容單一

計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程考核內(nèi)容側(cè)重于基本概念、基本操作技能，缺乏對(duì)實(shí)際應(yīng)用問題處理方式的考核.考核方式應(yīng)傾向于對(duì)學(xué)生求解問題的思維模式與基本方法的考核.考核形式應(yīng)該多元化，重視實(shí)踐工程考核和過(guò)程性考核[5]，綜合運(yùn)用閉卷、開卷、項(xiàng)目分析、問題解決與課堂問答等多種考核形式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2 強(qiáng)化計(jì)算思維培養(yǎng)分析

2.1 可行性

圖靈獎(jiǎng)獲得者Karp 認(rèn)為，自然問題和社會(huì)問題內(nèi)部蘊(yùn)含豐富的屬于計(jì)算的演化規(guī)律，通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆绞奖磉_(dá)出來(lái)，使之成為能夠用計(jì)算機(jī)處理的形式，這就是基于計(jì)算思維概念的解決自然問題和社會(huì)問題的基本原理和方法論[6].中國(guó)科學(xué)院李國(guó)杰院士提出：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題，并用最有效的辦法實(shí)現(xiàn)問題求解.”[7]計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件是為了解決某個(gè)特定應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際問題而編寫的程序[8].計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件是某個(gè)領(lǐng)域具有特定功能的計(jì)算工具，是用來(lái)幫助人們快捷、方便、高效地解決問題的輔助工具.計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程具有實(shí)踐性和實(shí)用性，要求學(xué)生學(xué)習(xí)的思維從技術(shù)操作的方法論和工具論中跳出來(lái)，轉(zhuǎn)向利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)意制作的思想上[9].計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是問題解決的思維，而計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件是輔助方式，因此使用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件解決問題的思維過(guò)程中蘊(yùn)含計(jì)算思維.教師在課程教學(xué)中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的意識(shí)和能力，以及解決問題的計(jì)算思維.

2.2 目的性

強(qiáng)化計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)過(guò)程結(jié)合教學(xué)項(xiàng)目和翻轉(zhuǎn)課堂，學(xué)生不僅能快速掌握軟件基本操作技能，建立問題處理思維導(dǎo)圖和知識(shí)思維導(dǎo)圖，而且有助于學(xué)生深入理解問題解決過(guò)程中的計(jì)算思維，促進(jìn)學(xué)生解決問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).教師要重視應(yīng)用軟件教學(xué)中的計(jì)算思維，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中機(jī)械應(yīng)用和重復(fù)記憶.計(jì)算思維能力是利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件解決問題的基本能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的新思維模式.對(duì)于應(yīng)用軟件課程教學(xué)而言，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，既沒有脫離理論層面，也沒有停留于工具層面，擺脫了軟件操作的局限，增強(qiáng)了學(xué)生解決問題的基本能力.

2.3 培養(yǎng)作用

通過(guò)計(jì)算思維的培養(yǎng)，學(xué)生不僅能掌握軟件的使用方法，同時(shí)能快速、有效地找到解決問題的方法和途徑.在計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程的教學(xué)中，只注重強(qiáng)調(diào)軟件的基本操作和培養(yǎng)學(xué)生處理簡(jiǎn)單問題的能力是不夠的，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用、解決復(fù)雜問題能力、以軟件為基礎(chǔ)的創(chuàng)新應(yīng)用能力.計(jì)算思維的培養(yǎng)就是引導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)，把握整體設(shè)計(jì)思路，善于探索、思考、動(dòng)手和領(lǐng)悟.

2.4 培養(yǎng)途徑

在教學(xué)過(guò)程中，注重展示和培養(yǎng)計(jì)算思維的基本內(nèi)涵和方法，把整個(gè)計(jì)算思維的培養(yǎng)分解為若干個(gè)基于計(jì)算思維的課程內(nèi)容，通過(guò)在課堂上的講授，讓學(xué)生理解該思維過(guò)程，并逐漸轉(zhuǎn)化為解決問題的思維方法.

2.4.1 教學(xué)設(shè)計(jì)

以學(xué)生為主體，計(jì)算思維培養(yǎng)是核心，進(jìn)行線上線下混合式教學(xué).教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是以學(xué)生為中心，整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和提高學(xué)生解決問題的能力.課程目標(biāo)和教學(xué)要求，不僅要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用軟件的實(shí)際操作能力，更要將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入到實(shí)際教學(xué)中，要讓學(xué)生真正掌握分析問題、解決問題的能力，著重于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工具軟件解決實(shí)際問題的能力.

2.4.2 教學(xué)手段

構(gòu)建新的教與學(xué)的環(huán)境，將傳統(tǒng)的物理教學(xué)空間與數(shù)字資源空間相結(jié)合，建立慕課、微課、數(shù)字圖書館等數(shù)字資源，構(gòu)建社交空間APP等.未來(lái)的教學(xué)空間將由物理空間加上豐富的數(shù)字資源空間、網(wǎng)絡(luò)的社交空間等構(gòu)成.要充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，對(duì)于一些較基礎(chǔ)、較理論的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生在課前通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的資源進(jìn)行自學(xué)；課堂上教師主要進(jìn)行問題解答、思維能力培養(yǎng)和知識(shí)拓展等環(huán)節(jié)的教學(xué).

2.4.3 教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容的選擇要注重情景化，貼近實(shí)際應(yīng)用，與專業(yè)背景結(jié)合，與未來(lái)可能從事的職業(yè)的日常事務(wù)結(jié)合.應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的綜合性問題，具有實(shí)際工作過(guò)程和處理的系統(tǒng)性，有較大的應(yīng)用價(jià)值；設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目要求涵蓋整個(gè)課程的知識(shí)體系，以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心，以實(shí)際項(xiàng)目為載體，將計(jì)算思維的訓(xùn)練融入到相關(guān)的項(xiàng)目中，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考并完成訓(xùn)練項(xiàng)目.在項(xiàng)目的訓(xùn)練過(guò)程中同時(shí)兼顧學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、歸納和用計(jì)算思維去理解和解決問題的實(shí)際應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高學(xué)生的綜合職業(yè)能力.

2.4.4 考核方式

建立教學(xué)全過(guò)程評(píng)價(jià)機(jī)制，改變傳統(tǒng)的以知識(shí)和技能為主的考核方式，每節(jié)課都需要對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握情況進(jìn)行考核，督促學(xué)生反思和總結(jié).

3 實(shí)踐應(yīng)用——以Word軟件為例

構(gòu)建以培養(yǎng)計(jì)算思維為導(dǎo)向的課程內(nèi)容，基于“項(xiàng)目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方式重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)“教、學(xué)、思、做”一體化的教學(xué)理念.以Word軟件教學(xué)為例，通過(guò)“提出問題、分析問題、解決問題、拓展提高”展開.在宏觀上突破以知識(shí)點(diǎn)的層次遞進(jìn)為主的教學(xué)設(shè)計(jì)，將職業(yè)工作過(guò)程系統(tǒng)化，以工作過(guò)程為參考，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng).

3.1 教學(xué)內(nèi)容

Word軟件教學(xué)內(nèi)容共設(shè)計(jì)14個(gè)項(xiàng)目，每一個(gè)項(xiàng)目包含若干任務(wù)，由易到難、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，層次推進(jìn)、循序漸進(jìn).具體項(xiàng)目見表1.學(xué)生能夠通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，完成相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和技能的訓(xùn)練.每個(gè)項(xiàng)目均具有典型性和實(shí)用性.

表1 Word軟件教學(xué)項(xiàng)目

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

(1)項(xiàng)目描述.告知學(xué)生項(xiàng)目的具體情況，包括項(xiàng)目的主要內(nèi)容、應(yīng)用范圍等.(2)項(xiàng)目分析.需要學(xué)生思考和設(shè)計(jì)項(xiàng)目，分析項(xiàng)目實(shí)施的預(yù)期效果及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中需要的知識(shí)和技能點(diǎn)，是開展計(jì)算思維培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié).(3)知識(shí)準(zhǔn)備.實(shí)施該項(xiàng)目需要學(xué)生具備的知識(shí)點(diǎn).(4)項(xiàng)目實(shí)施.項(xiàng)目實(shí)施是開展計(jì)算思維培養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)，需要學(xué)生利用知識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目.(5)項(xiàng)目考核.檢驗(yàn)學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施預(yù)期效果是否達(dá)到，還存在哪些問題.(6)總結(jié)思考.引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的項(xiàng)目情況進(jìn)行反思，反思哪些知識(shí)點(diǎn)沒有掌握，預(yù)期效果中哪些程序沒有實(shí)現(xiàn)以及原因.(7)能力提升.布置提升學(xué)生能力的項(xiàng)目，用于課后加強(qiáng)能力訓(xùn)練.

3.3 教學(xué)過(guò)程

圍繞課前、課中、課末、課后進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以“四課”環(huán)節(jié)構(gòu)建教學(xué)過(guò)程.

3.3.1 課前

課前設(shè)計(jì)是整個(gè)教學(xué)過(guò)程中最核心的環(huán)節(jié).教師將教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)項(xiàng)目、教學(xué)問題等內(nèi)容制作成PPT文檔.將本節(jié)課中準(zhǔn)備知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容制作成微課，讓學(xué)生在課前完成教學(xué)內(nèi)容預(yù)習(xí)，通過(guò)平臺(tái)收集學(xué)生的問題表單，分析歸納學(xué)生遇到的疑難問題.學(xué)生查閱PPT，學(xué)習(xí)準(zhǔn)備知識(shí)內(nèi)容和回答教學(xué)問題，查閱項(xiàng)目概述并撰寫設(shè)計(jì)思路、預(yù)期效果設(shè)計(jì)思路，簡(jiǎn)述實(shí)施過(guò)程，下載項(xiàng)目資源進(jìn)行實(shí)踐操作，對(duì)重難點(diǎn)中不懂的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)平臺(tái)提交給教師.

3.3.2 課中

教師對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)分析并解決學(xué)生遇到的問題，講授重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容.教師也可設(shè)置小組討論的形式，讓學(xué)生自己討論、教師補(bǔ)充輔導(dǎo).學(xué)生根據(jù)教師的講授對(duì)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行完善.

3.3.3 課末

主要開展項(xiàng)目考核和總結(jié).課堂教學(xué)的末尾時(shí)間進(jìn)行作品展示評(píng)價(jià)、歸納反思和考核.以小組推薦或?qū)W生自薦方式選擇三四個(gè)優(yōu)秀作品進(jìn)行展示，教師對(duì)項(xiàng)目作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)；引導(dǎo)學(xué)生歸納本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，反思本節(jié)課中需要注意的知識(shí)點(diǎn)及自己對(duì)知識(shí)掌握的情況；教師對(duì)學(xué)生項(xiàng)目完成情況進(jìn)行考核評(píng)價(jià).

3.3.4 課后

教師再次部置提升本節(jié)課內(nèi)容的教學(xué)項(xiàng)目.將本節(jié)課的重難點(diǎn)組織成簡(jiǎn)述題或論述題形式.學(xué)生實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目并完成課后作業(yè)，通過(guò)平臺(tái)提交給教師.學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，隨時(shí)提問.

3.4 實(shí)施成效

筆者擔(dān)任計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的講授任務(wù)，對(duì)2018級(jí)化學(xué)教育專業(yè)進(jìn)行了基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)改革.課程教學(xué)結(jié)束后，對(duì)未進(jìn)行教學(xué)改革的2017級(jí)和進(jìn)行教學(xué)改革的2018級(jí)該專業(yè)學(xué)生考核成績(jī)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示.

表2 2017級(jí)和2018級(jí)學(xué)生考核成績(jī)表

針對(duì)教學(xué)改革情況，筆者在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程結(jié)束后，向2018級(jí)化學(xué)教育專業(yè)49名學(xué)生發(fā)放了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)調(diào)查表，回收有效率為100%.調(diào)查數(shù)據(jù)匯總情況見表3.

表3 《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)調(diào)查表》情況匯總表

續(xù)表3

調(diào)查問題選項(xiàng)占比/%當(dāng)前的教學(xué)模式是否更有利于理論知識(shí)的深入掌握非常有利比較有利一般不利16.2259.4621.622.70當(dāng)前的教學(xué)模式是否更有利于分析和解決問題能力的培養(yǎng)和提高非常有利比較有利一般不利18.9251.3529.730.00當(dāng)前的教學(xué)模式是否更有利于操作技能的培養(yǎng)和提高非常有利比較有利一般不利18.9267.5710.812.70通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),對(duì)教學(xué)的滿意度非常滿意比較滿意不太滿意不滿意11.8260.4818.629.08

通過(guò)表3的數(shù)據(jù)分析得出，超過(guò)一半的學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)效果感到比較滿意.在能力提高方面，超過(guò)一半以上的學(xué)生認(rèn)為問題解決能力和創(chuàng)新能力都得到了提高.由此可見，通過(guò)項(xiàng)目結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)化計(jì)算思維培養(yǎng)的課堂教學(xué)方式，對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維和能力培養(yǎng)是有幫助的，同時(shí)有助于提高教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量.

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行以培養(yǎng)計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件類課程教學(xué)，必須對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、方法及考核評(píng)價(jià)進(jìn)行改革.厘清課程的思維點(diǎn)及知識(shí)點(diǎn)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法，建立教學(xué)全過(guò)程的評(píng)價(jià)機(jī)制.教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性都得到了較大提高，教學(xué)效果顯著.