基于混合教學(xué)模式的大學(xué)計(jì)算思維教學(xué)改革初探

李立春

摘要：如今多學(xué)科融合、跨學(xué)科培養(yǎng)是本科教育的必然趨勢，在工程應(yīng)用的過程中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的能力，促進(jìn)學(xué)生積極聯(lián)想與探索，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與專業(yè)相融合，充分利用線上線下混合教學(xué)模式拓展學(xué)生的思維，讓學(xué)生感受到大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的魅力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;線上線下;大學(xué)計(jì)算機(jī)

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0207-02

1 背景

2020年秋季學(xué)期，因居家隔離的原因在線上進(jìn)行了一個(gè)學(xué)期的線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。其間在家里和學(xué)生一起學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)了使用多種直播軟件，錄制教學(xué)小視頻，剪輯編輯小視頻。突然打開另一扇思維空間的大門，逐漸理解了線上教學(xué)的特點(diǎn)。目前在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程學(xué)時(shí)不斷壓縮的情況下，同時(shí)還存在理論知識和實(shí)用技能哪一個(gè)是我們的教學(xué)重點(diǎn)的爭論，在海量的信息中教學(xué)內(nèi)容如何進(jìn)行選擇?；纠碚撝R的堆砌沒有形成理論框架，需要圍繞計(jì)算思維主線確定主要內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，因此大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革勢在必行。

2 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的內(nèi)容

大學(xué)計(jì)算機(jī)是普通本科大學(xué)教育中不可缺少的獨(dú)立課程。各個(gè)高校大學(xué)計(jì)算機(jī)主要講解的內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不盡相同，分以下三種情況。

1）講授計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容，主要講解計(jì)算機(jī)的基本概念以及流行軟件產(chǎn)品的使用介紹。我校在計(jì)算機(jī)剛剛興起的初期采用此種培養(yǎng)模式。

2）講授計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容，主要是從多門課程多種軟件中提煉出共性知識，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用素質(zhì)的培養(yǎng)。教學(xué)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，例如講文章排版的素養(yǎng)而非Office，講程序的基本要素與程序設(shè)計(jì)而非流行程序設(shè)計(jì)語言等。整個(gè)教學(xué)分為課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩大部分，課堂教學(xué)主要是任務(wù)驅(qū)動(dòng)的共性知識講授，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是流行軟件產(chǎn)品應(yīng)用技能訓(xùn)練。我校在中期采用此種培養(yǎng)模式進(jìn)行計(jì)算機(jī)教學(xué)。

3）講授大學(xué)計(jì)算機(jī)計(jì)算思維相關(guān)內(nèi)容，計(jì)算思維是大學(xué)生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的重要組成部分，知識傳授與素養(yǎng)培養(yǎng)貫穿于思維教學(xué)當(dāng)中，要求教師從知識的灌輸轉(zhuǎn)變成計(jì)算思維的傳授[1]。目前我校主要是采用此種計(jì)算思維的培養(yǎng)模式。

3 計(jì)算思維

2006年3月，周以真教授定義了計(jì)算思維。周教授認(rèn)為：計(jì)算思維（Computational Thinking）是運(yùn)用計(jì)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(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。

由于計(jì)算機(jī)沒有思想，控制計(jì)算機(jī)的人借助已經(jīng)掌握的思維來操作計(jì)算機(jī)[3]。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言及程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫等課程時(shí)，可以通過不斷的訓(xùn)練掌握相關(guān)的計(jì)算機(jī)知識和技能;學(xué)習(xí)云計(jì)算與云服務(wù)、企業(yè)資源規(guī)劃與供應(yīng)鏈管理等課程時(shí)，是對學(xué)生知識與視野的拓展，對所學(xué)知識寬度和深度的擴(kuò)展，講述一些前沿性和貫通性的內(nèi)容是對能力的培養(yǎng)。而大學(xué)計(jì)算機(jī)課程（計(jì)算思維導(dǎo)論）是啟發(fā)理解性的知識，指出了大學(xué)計(jì)算機(jī)面向計(jì)算思維的課程內(nèi)容最小集合以及擴(kuò)展集合，試圖破解在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系方面的困惑[4]。良好的計(jì)算思維需要好奇、思考、聯(lián)想和貫通。

關(guān)于計(jì)算機(jī)思維的幾個(gè)誤區(qū)：

1）計(jì)算思維是人的思維不是計(jì)算機(jī)的思維，是站在計(jì)算機(jī)的角度尋找問題的求解，同時(shí)激發(fā)人的想象力，把計(jì)算機(jī)當(dāng)作解決問題的工具。

2）計(jì)算思維不止應(yīng)用在計(jì)算機(jī)上，還可應(yīng)用于生活中。我們應(yīng)該培養(yǎng)每個(gè)學(xué)生的計(jì)算思維能力。比如學(xué)生上課前要把課本以及相關(guān)資料放到書包中，就是緩存和預(yù)置的思想。

3）計(jì)算思維不是純粹的數(shù)學(xué)性的思考，它來自工程思維，需要與其他學(xué)科的知識進(jìn)行融合。

4 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的實(shí)施方案

1）線上課堂

近兩年人們對開放式的大規(guī)模線上教學(xué)（MOOC）狂熱的態(tài)度已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇缘姆此?，針對學(xué)生特點(diǎn)可控可微調(diào)的小規(guī)模線上課堂受到了師生們的青睞。利用超星集團(tuán)的學(xué)習(xí)通平臺(tái)按照課程的目標(biāo)要求建立本課程本班級的私有學(xué)習(xí)空間。一些課堂上沒有講授或講授不完整的內(nèi)容在學(xué)習(xí)通中有完整的體現(xiàn)，學(xué)生要完成學(xué)習(xí)通中的視頻、文檔、測試、作業(yè)和考試，并參與學(xué)習(xí)通中的討論，按要求取得相應(yīng)的成績。線上課堂拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的空間，把學(xué)生的零散時(shí)間利用起來，可以對重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行重新多次學(xué)習(xí)。在線上課堂還針對感興趣且學(xué)有余力的學(xué)生設(shè)置了一部分“有深度”內(nèi)容，以供有選擇性地學(xué)習(xí)。無論何時(shí)何地利用手機(jī)App的學(xué)習(xí)可以馬上開始，移動(dòng)生態(tài)下的線上課堂使教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)、課內(nèi)外練習(xí)、考試等教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了環(huán)環(huán)相扣，充分利用空間優(yōu)勢和時(shí)間優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)與線下傳統(tǒng)教學(xué)的有機(jī)融合。

2）線下傳統(tǒng)課堂

以學(xué)生為本、以教師為主導(dǎo)的線下傳統(tǒng)課堂的授課方式還是不能丟棄的。線上課堂中的教學(xué)內(nèi)容往往都是微視頻和微練習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間多數(shù)情況下也是分散的，學(xué)生學(xué)習(xí)過程有碎片化的傾向。為了避免這種情況，教師利用學(xué)校課表安排的線下傳統(tǒng)課堂，圍繞計(jì)算思維完成主線內(nèi)容和重點(diǎn)內(nèi)容的講解，在學(xué)生充分預(yù)習(xí)線上課堂內(nèi)容的前提下組織討論，學(xué)生均應(yīng)參加課堂學(xué)習(xí)，參加聽課與討論。這樣使線上課堂和線下課堂互為補(bǔ)充，并且能面對面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和共性問題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度。

3）線下翻轉(zhuǎn)課堂

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展使學(xué)生線上課堂自主學(xué)習(xí)成為可能，進(jìn)一步催化了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式。線下翻轉(zhuǎn)課堂提高了學(xué)生課余時(shí)間的利用率，改變了學(xué)生聽課的精神面貌，增強(qiáng)了學(xué)生課堂上的參與意識，堅(jiān)持以學(xué)生為中心發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性[5]。學(xué)生站上講臺(tái)講課，老師聽課點(diǎn)評，學(xué)生再討論，具體方案實(shí)施如下：

首先根據(jù)本班人數(shù)，分5組或6組進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂，每小組6人左右，分組原則可按學(xué)號組合或自由分組。根據(jù)計(jì)劃，兩次理論課后，一次翻轉(zhuǎn)課堂，每小組主講時(shí)間為5～8分鐘。每次翻轉(zhuǎn)課堂由老師確定翻轉(zhuǎn)課堂題目，各個(gè)小組進(jìn)行選擇，老師隨機(jī)指派每小組的一名學(xué)生進(jìn)行主講。老師以及其他小組學(xué)生提問，翻轉(zhuǎn)組組員進(jìn)行回答討論。組內(nèi)評分，每組按組員所做工作，給出排名。老師和學(xué)生評委（每組推選1人）根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂效果和回答問題情況打分，翻轉(zhuǎn)課堂評分表如圖1所示。

教師在整個(gè)翻轉(zhuǎn)課堂中要提前了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，并進(jìn)行有效的引導(dǎo)，如果只布置任務(wù)不進(jìn)行輔導(dǎo)答疑，學(xué)生會(huì)沒有方向感，達(dá)不到預(yù)期的效果。翻轉(zhuǎn)課堂再建了學(xué)生的學(xué)習(xí)流程，促使學(xué)生提前積極自主完成線上線下課堂的相關(guān)內(nèi)容，并且進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)查找相關(guān)資料來重新組織授課內(nèi)容。同時(shí)同學(xué)之間進(jìn)行了有目標(biāo)的更高效的交流討論，在不知不覺中知識就得到了快速的內(nèi)化吸收，最后以自己的風(fēng)格和講課節(jié)奏來呈現(xiàn)知識的表達(dá)。翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)化了學(xué)生的參與度，以小組為單位增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識和集體榮譽(yù)感。

在線上線下混合模式大學(xué)計(jì)算機(jī)授課過程中，教師要參與到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，需要組織線上課程視頻內(nèi)容、文字內(nèi)容、試題庫、傳統(tǒng)課堂主線重點(diǎn)內(nèi)容、圍繞計(jì)算思維的教學(xué)案例、作業(yè)、翻轉(zhuǎn)課堂討論主題、及時(shí)線上線下答疑等一系列內(nèi)容。教師的作用得到了充分的體現(xiàn)，這樣才能環(huán)環(huán)相扣達(dá)到理想的教學(xué)效果。

5 面向計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容的組織

該課程從計(jì)算思維的概念和本質(zhì)出發(fā)，詳細(xì)闡述了計(jì)算機(jī)課程中經(jīng)典計(jì)算思維的應(yīng)用，歸納總結(jié)了以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的教學(xué)內(nèi)容[6]。相關(guān)教師組織并探討了各個(gè)章節(jié)之間知識貫通的案例教學(xué)方法[4]，制定了切實(shí)可行的培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱。本課程講授信息的素養(yǎng)和計(jì)算的思維，而不是講解計(jì)算機(jī)與軟件的應(yīng)用（即所謂工具的使用），后者將通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)課來傳授。由于課時(shí)有限，在第一學(xué)期我們只講解了前六個(gè)內(nèi)容即計(jì)算思維課程內(nèi)容最小集合。算法思維部分在后續(xù)的程序設(shè)計(jì)課程中進(jìn)行講解，信息素養(yǎng)部分列為線上課堂自學(xué)內(nèi)容。

1）計(jì)算機(jī)、計(jì)算與計(jì)算思維

本部分首先介紹人類探索自動(dòng)計(jì)算的歷史以及計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的重大科學(xué)意義。其次重點(diǎn)介紹計(jì)算思維的本質(zhì)：計(jì)算機(jī)描述（信息表示，簡約）;遞歸思維（抽象與分解，轉(zhuǎn)化）;權(quán)衡利弊（容錯(cuò)與糾錯(cuò)，共生）;啟發(fā)性推理（忠誠的策略）。最后理解計(jì)算之樹——計(jì)算思維多維度框架。

2）符號化、計(jì)算化與自動(dòng)化

首先通過介紹小白鼠測試哪瓶水有毒的實(shí)驗(yàn)問題引入二進(jìn)制的思維，然后層層遞進(jìn)講解語義符號化、符號計(jì)算化、計(jì)算自動(dòng)化。具體如圖2所示。

3）程序與遞歸：組合、抽象與構(gòu)造

了解計(jì)算系統(tǒng);理解程序、計(jì)算學(xué)科中的“組合”和“抽象”的概念;掌握程序的構(gòu)造性;區(qū)分“遞歸”和“迭代”。具體如圖3所示。

4）馮?諾依曼計(jì)算機(jī)—機(jī)器級程序及其執(zhí)行

了解圖靈機(jī)的基本思想;理解馮?諾依曼計(jì)算機(jī)基本思想;理解存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器的基本工作原理;掌握計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行——節(jié)拍、時(shí)鐘和信號的區(qū)別;了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的硬件組成;重點(diǎn)理解機(jī)器級程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行。

5）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)—復(fù)雜環(huán)境下程序執(zhí)行

了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的構(gòu)成以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系;掌握操作系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)資源的分工-合作與協(xié)同管理思想;重點(diǎn)理解操作系統(tǒng)對磁盤的管理;了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程;熟悉通用計(jì)算環(huán)境的進(jìn)化思維。理解如何通過擴(kuò)充資源數(shù)量提高計(jì)算機(jī)性能、改善系統(tǒng)資源利用率，從而進(jìn)一步理解并行分布計(jì)算與云計(jì)算環(huán)境[4]。

6）程序設(shè)計(jì)思維

了解由機(jī)器語言到高級語言;掌握高級語言（程序）的基本構(gòu)成要素;理解計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展思維。詳細(xì)講解計(jì)算機(jī)語言和編譯器的發(fā)展，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)執(zhí)行越來越復(fù)雜程序的原因，以及不同抽象層次的計(jì)算系統(tǒng)[4]。

6 結(jié)束語

通過教學(xué)改革促進(jìn)了良好教風(fēng)的形成，教師認(rèn)真授課、積極準(zhǔn)備微視頻和相關(guān)討論課題、主動(dòng)相互聽課、交流教學(xué)體會(huì)、與學(xué)生積極交流、教學(xué)理念得到提升。良好的教風(fēng)的形成同時(shí)可以促進(jìn)學(xué)風(fēng)的改變，在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽等方面學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)得到了提高。通過超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)、QQ群、微信等多種方式，創(chuàng)新教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)線上與線下教學(xué)相融合的體系，拓展了學(xué)生的思維空間。采用大班授課，小班研討即翻轉(zhuǎn)課堂的方式進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生構(gòu)建知識體系自主學(xué)習(xí)的能力。結(jié)合理工類院校學(xué)生的思維及學(xué)習(xí)特點(diǎn)，積極進(jìn)行教學(xué)改革與探索，構(gòu)建了多元混合教學(xué)模式，提升學(xué)生綜合創(chuàng)新能力。

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