基于翻轉(zhuǎn)型對分課堂的計算思維能力培養(yǎng)教學(xué)模式探究
——以數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用課程為例*

陳蕾蕾 黃河笑 陳海建

（上海開放大學(xué) 理工學(xué)院，上海 200433）

一、引言

計算思維的概念由美國卡耐基梅隆大學(xué)周以真教授于2006年首次提出，她指出計算思維是運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。基于21世紀(jì)以來信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀，教育界業(yè)已形成共識：計算思維不再是計算機(jī)領(lǐng)域從業(yè)人員的特有技能，而應(yīng)作為一種普適性能力，加大其培養(yǎng)的力度與廣度。近年來，圍繞培養(yǎng)計算思維能力的教學(xué)模式、教學(xué)方案、教學(xué)技術(shù)、評估方法等方面的研究逐漸成為計算機(jī)教育領(lǐng)域的關(guān)注焦點。

國外的計算思維教學(xué)實踐研究大部分聚焦于中小學(xué)教育，例如Scratch可視化編程工具的應(yīng)用、游戲化教學(xué)模式探討等。針對大學(xué)教育，陳國良院士分析了大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性以及教學(xué)中存在的問題，提出應(yīng)該以提高學(xué)生計算思維能力為目標(biāo)進(jìn)行課程設(shè)置與課程結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。諸多學(xué)者針對本科、高職等普通高校的計算機(jī)課程進(jìn)行了計算思維能力培養(yǎng)的探討[3][4]，而關(guān)于開放教育學(xué)習(xí)者這一群體的教學(xué)研究仍然較為匱乏。開放大學(xué)致力于在職成人教育，與普通高校相比，成人學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、工學(xué)矛盾及家學(xué)矛盾突出、思維模式相對固化等特點為教與學(xué)的過程帶來了更大的挑戰(zhàn)。

計算思維教育應(yīng)該在一個大前提下設(shè)計教學(xué)工具與教學(xué)模式，即教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該具有足夠的計算思維內(nèi)涵，基于學(xué)生的認(rèn)知水平，順應(yīng)計算思維的發(fā)展規(guī)律，符合思維教育原則[5]。針對開放教育在職成人學(xué)習(xí)者的特點，本文提出了一種基于翻轉(zhuǎn)型對分課堂的計算思維能力培養(yǎng)教學(xué)模式，并以數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用課程為例進(jìn)行了教學(xué)實踐經(jīng)驗分享，以期為計算思維教學(xué)研究提供參考。

二、開放教育學(xué)習(xí)者特征分析

開放教育學(xué)習(xí)者由在職成人學(xué)生構(gòu)成，年齡分布跨度大（主要分布于20歲到40歲），其中，一部分學(xué)生出于職業(yè)發(fā)展的目的修讀第二學(xué)歷，另一部分學(xué)生出于轉(zhuǎn)行轉(zhuǎn)崗的需求進(jìn)行跨專業(yè)學(xué)習(xí)，還有少數(shù)學(xué)生是興趣驅(qū)動型學(xué)習(xí)者。無論基于何種學(xué)習(xí)目的，這一學(xué)生群體普遍承擔(dān)著較為繁重的工作壓力與家庭壓力，不能像全日制學(xué)生一樣全身心投入學(xué)習(xí)。

在既往的計算機(jī)類課程教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)開放教育學(xué)習(xí)者受限于跨專業(yè)、零基礎(chǔ)、精力有限等客觀條件，在進(jìn)行理論學(xué)習(xí)時易于陷入識記型的思維定式，對于上機(jī)實操環(huán)節(jié)通常興趣濃厚，然而對于支撐實踐的理論內(nèi)涵的理解能力相對較弱。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，切實做到理論聯(lián)系實際，促使學(xué)習(xí)的內(nèi)化及融會貫通，必須對課堂教學(xué)進(jìn)行精心設(shè)計，力爭實現(xiàn)事半功倍的成效。

三、計算思維范式

美國國際教育協(xié)會和計算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會提出計算思維應(yīng)包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表征、問題分解、抽象、算法、自動化、模擬、并行化等九項核心概念。巴爾在此基礎(chǔ)上增加了分析和驗證模型、測試與驗證、控制結(jié)構(gòu)三項內(nèi)容[6]。安吉拉則從過程的維度出發(fā)，將計算思維分解為抽象、泛化、分解、算法思維與調(diào)試[7]。此外，學(xué)者們還總結(jié)出了冗余、保護(hù)、規(guī)劃等思維范式。上述觀點或者關(guān)注方法、或者關(guān)注過程，目標(biāo)均在于培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

計算思維能力在不同課程中，乃至同一課程的不同知識點中都有著不同的體現(xiàn)。教師應(yīng)該針對授課的內(nèi)容，提取蘊含在其中的計算思維范式，有針對性地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

四、翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)法

（一）翻轉(zhuǎn)課堂與對分課堂簡介

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念由來已久，并且在不同層次的教學(xué)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。其要點是學(xué)生在課前通過觀看視頻等方式進(jìn)行自學(xué)，教師則在課堂上通過解答問題、啟發(fā)討論、概括要點等方式進(jìn)一步幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識。翻轉(zhuǎn)課堂踐行以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，能夠有效激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。

對分課堂是復(fù)旦大學(xué)心理學(xué)教授張學(xué)新于2014年提出的一種課堂教學(xué)新模式[8]。它的核心理念在于將一半時間分配給教師講授，另一半時間分配給學(xué)生以討論的形式進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。其中，在講授與交互式討論之間留出足夠間隔，供學(xué)生根據(jù)自己的節(jié)奏進(jìn)行個性化的內(nèi)化吸收。從而形成了由講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）構(gòu)成的PAD三段式教學(xué)法。

翻轉(zhuǎn)課堂與對分課堂的相似之處在于二者都在學(xué)習(xí)時間線的末端通過討論式學(xué)習(xí)法促進(jìn)所學(xué)知識的鞏固與內(nèi)化。筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊曾經(jīng)嘗試過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，然而收效不佳。翻轉(zhuǎn)課堂得以成功實施的前提條件是學(xué)生在面授課前已經(jīng)認(rèn)真自學(xué)了相關(guān)知識點，開放教育學(xué)習(xí)者常常由于工學(xué)、家學(xué)矛盾而無法在面授課之外抽出自學(xué)時間，他們更希望在面授課的有限課時中系統(tǒng)性地獲取知識，而不僅僅是要點總結(jié)與啟發(fā)討論。因此，本教學(xué)團(tuán)隊采用了一種結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂與對分課堂優(yōu)勢的教學(xué)模式，從開放教育學(xué)習(xí)者的特征與學(xué)習(xí)需求出發(fā)，以提高計算思維能力為目標(biāo)，進(jìn)行了嘗試與探索。

（二）翻轉(zhuǎn)型對分課堂實施要素

結(jié)合開放大學(xué)的教學(xué)實際狀況，翻轉(zhuǎn)型對分課堂以一次4學(xué)時的面授課為教學(xué)單元，學(xué)生首先針對教師提供的學(xué)習(xí)資源實施自學(xué)，教師再通過講解、實踐、分組討論等形式對學(xué)生的自學(xué)成果進(jìn)行檢驗與校正。

教師首先對課程知識點進(jìn)行梳理，挑選適合采用翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)模式的知識點，開發(fā)學(xué)習(xí)資源。學(xué)習(xí)資源的設(shè)計應(yīng)以培養(yǎng)計算思維能力為目標(biāo)，遵循思維能力由淺入深、分層進(jìn)階的原則。依據(jù)此原則，教師將學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行分解，每一個子任務(wù)均要求學(xué)生在完成自學(xué)后回答相應(yīng)問題，通過啟發(fā)式提問的方式使學(xué)生自行總結(jié)出知識點的相關(guān)結(jié)論，達(dá)到學(xué)習(xí)內(nèi)化的目的。學(xué)習(xí)資源可以通過講義、視頻、實驗指導(dǎo)書等多種形式呈現(xiàn)。以實驗指導(dǎo)書為例，學(xué)生可以根據(jù)實驗步驟自行完成實驗，觀察實驗結(jié)果，并回答問題得出相關(guān)結(jié)論。通過這種在引導(dǎo)下進(jìn)行的探究性學(xué)習(xí)方式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并且促進(jìn)其對知識的理解與吸收。學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)之后，由教師進(jìn)行講授與總結(jié)，并組織交互討論。如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)模式

考慮到成人學(xué)生的心理特點，開放大學(xué)的翻轉(zhuǎn)型對分課堂的實施有如下特色：（1）在實驗室組織教學(xué)活動，方便學(xué)生隨時上機(jī)操作；（2）鼓勵學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中使用互聯(lián)網(wǎng)查詢資料；（3）鼓勵學(xué)生在教師進(jìn)行總結(jié)講授之前自發(fā)組織小組討論；（4）在學(xué)習(xí)資源設(shè)計時著意設(shè)置若干“陷阱”，加深學(xué)生對知識點的記憶。課堂形式松散而學(xué)習(xí)目的聚焦，加上糾錯型學(xué)習(xí)體驗，更加有益于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

五、教學(xué)實踐：以數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用課程為例

本節(jié)將簡要介紹翻轉(zhuǎn)型對分課堂在數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用課程教學(xué)中實施的若干案例。

（一） 主鍵與外鍵

主鍵與外鍵是最基本的兩種數(shù)據(jù)約束，體現(xiàn)了預(yù)防、保護(hù)等計算思維范式。表1描述了教學(xué)實踐的內(nèi)容與步驟。

表1 教學(xué)實踐-主鍵與外鍵

在教學(xué)實施過程中，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)階段親自實施違反主鍵與外鍵約束的數(shù)據(jù)插入操作，實際觀察到不設(shè)置主鍵與外鍵的弊端，從而更為深刻理解了主鍵與外鍵約束的作用。在講授與討論階段，進(jìn)一步思考“為保證數(shù)據(jù)完整性，還可以定義哪些約束”這一問題，為后續(xù)唯一約束、check約束等的教學(xué)做好鋪墊。

（二）基本查詢語句

基本查詢語句教學(xué)組織如表2所示。

查詢語句體現(xiàn)了問題分解這一計算思維范式。面對查詢需求，首先判斷數(shù)據(jù)的來源，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向篩選，最后進(jìn)行縱向篩選。分步驟循序漸進(jìn)的實驗設(shè)計，有助于學(xué)生建立正確的思維方法。

（三）索引

在數(shù)據(jù)量較大時建立索引以提高查找效率，是一種非常基礎(chǔ)的思維范式。本知識點的教學(xué)不僅體現(xiàn)了索引這一范式，同時注重培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維與算法思維能力。教學(xué)實施如表3所示。

在教學(xué)過程中，結(jié)合B+樹的查找，引導(dǎo)學(xué)生建立起對索引的直觀認(rèn)識，做到“知其然且知其所以然”，從多個維度培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

（四）事務(wù)的概念

作為數(shù)據(jù)庫課程極其重要的章節(jié)，在學(xué)習(xí)事務(wù)時需要首先使學(xué)生建立起原子性這一基本概念。本知識點教學(xué)采用模擬故障實驗的方式進(jìn)行，具體實施如表4所示。

表2 教學(xué)實踐-基本查詢語句

表3 教學(xué)實踐-索引

表4 教學(xué)實踐-事務(wù)的原子性

在事務(wù)教學(xué)中，針對丟失更新、不可重復(fù)讀等知識點均可相應(yīng)設(shè)計模擬實驗，使學(xué)生在自主實踐的過程中加深對問題的理解，在思維的層面上切實得到鍛煉。

六、實施效果分析

（一）教學(xué)模式傾向性對比

圖2 教學(xué)模式傾向性對比

本研究采用問卷方式調(diào)研了學(xué)生對教師全面授、翻轉(zhuǎn)課堂、對分課堂以及翻轉(zhuǎn)型對分課堂等四種教學(xué)模式的傾向性。問卷針對軟件工程、計算機(jī)信息管理、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)三個專業(yè)的學(xué)生隨機(jī)發(fā)布，回收有效問卷43份。分析結(jié)果如圖2所示。

可以看出，開放教育學(xué)生對于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的認(rèn)可程度低于傳統(tǒng)全面授教學(xué)方式，其主要原因在于學(xué)生對課前安排的自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中個人自主學(xué)習(xí)能力及自學(xué)時間安排缺乏自信，影響到翻轉(zhuǎn)課堂的實施效果。對分課堂模式由于教師講授在先，且留出了供學(xué)生內(nèi)化吸收以及交互討論的環(huán)節(jié)，受認(rèn)可程度顯著高于翻轉(zhuǎn)課堂，比全面授教學(xué)也獲得了更大的支持度。而融合了二者特點的翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)模式支持率達(dá)到57%，反映出該模式更加適應(yīng)開放教育成人學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求。

（二）計算思維能力培養(yǎng)分析

本研究選取了上海開放大學(xué)兩個不同的分校班級，分別采用翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)模式以及傳統(tǒng)的教師為主導(dǎo)的全面授教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)實施，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況以及考核成績進(jìn)行跟蹤對比。其中，考核試題以百分計，基礎(chǔ)知識、應(yīng)用實踐以及思維導(dǎo)向的綜合性試題的比例分布為4:4:2。

兩個分校的卷面考核合格率非常接近，翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)班級的合格率僅高出傳統(tǒng)教學(xué)班級0.08%，表明兩種教學(xué)模式對于學(xué)生基礎(chǔ)知識以及基本應(yīng)用實踐技能的培養(yǎng)并不存在明顯差異。而班級平均分高出8.1分，優(yōu)良率顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)班級。

教學(xué)實踐顯示，翻轉(zhuǎn)型對分課堂教學(xué)模式的優(yōu)勢并非在于基礎(chǔ)知識與基本技能的掌握，更大程度上體現(xiàn)于計算思維能力的培養(yǎng)與促進(jìn)。

七、結(jié)束語

本文提出了一種基于翻轉(zhuǎn)型對分課堂的計算思維能力培養(yǎng)教學(xué)模式，并且以面向開放大學(xué)成人學(xué)習(xí)者開設(shè)的數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用課程為例進(jìn)行了教學(xué)經(jīng)驗分享。實踐證明，該教學(xué)模式受到了成人學(xué)習(xí)者的廣泛好評，對學(xué)生的計算思維能力起到了有效促進(jìn)作用，教學(xué)效果不僅僅體現(xiàn)于該門課程的考試成績，而且對于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，乃至自主完成畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)均收獲了良好的長期成效。