多種教學(xué)方式混合的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革與實(shí)踐

黃旭 林加論

摘 ?要： 根據(jù)教育部制定的培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力教學(xué)要求，結(jié)合課程現(xiàn)狀分析，提出基于不同教學(xué)平臺(tái)、線上/線下混合教學(xué)的改革策略，并從虛擬實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)教學(xué)、自主學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)踐。通過實(shí)施效果分析，證明采用多種方式混合的教學(xué)模式，可以提高課程教學(xué)效率、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，同時(shí)達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及計(jì)算思維意識(shí)的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué); 計(jì)算思維; 混合教學(xué)模式; 虛擬實(shí)驗(yàn); 移動(dòng)教學(xué); 自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2020）06-95-04

Abstract： According to the teaching requirements of cultivating students' computational thinking ability formulated by the Ministry of Education， combined with the analysis of the current situation of the course， this paper puts forward the reform strategies based on different teaching platforms and online/offline blended teaching， and carries out the teaching practice of computer basic course from the aspects of virtual experiment， mobile teaching， autonomous learning， etc. Through the implementation effect analysis， it is proved that the blended teaching mode can improve the teaching efficiency， stimulate students' interest and initiative in learning， and achieve the teaching goal of cultivating students' autonomous learning ability and computational thinking consciousness.

Key words： basic computer teaching; computational thinking; blended teaching mode; virtual experiment; mobile teaching; autonomous learning

0 引言

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在我國(guó)高等教育中已有30多年歷史，已經(jīng)歷過兩次重要的改革。如今的第三次教學(xué)改革始于2010年，九校聯(lián)盟提出計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，國(guó)內(nèi)一些知名教授也開始通過各種形式探索計(jì)算思維概念的落地問題[1-3]，為大學(xué)計(jì)算機(jī)教育發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

2016年，教育部高教司編制了《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》，提出“寬、專、融”三個(gè)層次的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，同時(shí)明確計(jì)算思維能力的培養(yǎng)將成為今后大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新常態(tài)[4]。

為了適應(yīng)不斷變化的形勢(shì)，我校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程也相應(yīng)進(jìn)行了多次教學(xué)改革，從最早的“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”到“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用”，再到目前的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”，教學(xué)目標(biāo)由原來的掌握工具軟件操作調(diào)整為培養(yǎng)計(jì)算思維能力。

1 課程現(xiàn)狀分析

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是我校面向所有專業(yè)開設(shè)的一門通識(shí)教育課程，近年來，在課程教學(xué)條件方面，一直存在機(jī)房使用緊張、教師教學(xué)任務(wù)繁重等突出問題。在學(xué)生層面，通過課前問卷調(diào)查，分析匯總?cè)缦隆?/p>

⑴ 學(xué)生課前計(jì)算機(jī)水平參差不齊。雖然國(guó)內(nèi)中小學(xué)校已普遍開設(shè)了信息技術(shù)課程，但依然存在2%“零起點(diǎn)”的學(xué)生，其余有69%的學(xué)生能進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽、聊天等簡(jiǎn)單應(yīng)用，而29%的學(xué)生已掌握Office基本操作技能。

⑵ 學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)一般。學(xué)生的學(xué)習(xí)依賴性較大，有將近一半的學(xué)生偏向于中小階段傳統(tǒng)的授課方式，需要在教學(xué)中加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)引導(dǎo)。

⑶ 學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)期望較高。幾乎所有的學(xué)生希望通過課程學(xué)習(xí)來提高自己的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，88% 的學(xué)生有考取計(jì)算機(jī)等級(jí)證書的打算，還有不少學(xué)生建議學(xué)校另外開設(shè)其他一些與醫(yī)學(xué)專業(yè)相關(guān)的計(jì)算機(jī)課程，學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的熱情較高。

⑷ 學(xué)生移動(dòng)設(shè)備使用情況良好。學(xué)生基本都擁有個(gè)人智能手機(jī)，且對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用操作比較熟悉，這將有利于線上教學(xué)模式的開展。

2 教學(xué)改革策略

課程教學(xué)改革首先需考慮如何緩解或解決教學(xué)中存在的各種問題，整體思路為：①針對(duì)機(jī)房使用緊張、教師教學(xué)任務(wù)繁重的問題，通過理論大班授課方式來緩解，同時(shí)采用虛擬實(shí)驗(yàn)方法，幫助學(xué)生適時(shí)消化理論知識(shí);②針對(duì)學(xué)生水平參差不齊的問題，通過增加學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)來彌補(bǔ)，同時(shí)為學(xué)生配套提供適合的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境及相應(yīng)的學(xué)習(xí)引導(dǎo);③針對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的問題，得從“基于計(jì)算機(jī)求解問題”的主線重新梳理教學(xué)內(nèi)容，將計(jì)算思維的理念滲透其中，以期學(xué)生在課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中逐步建立起計(jì)算思維意識(shí);④充分結(jié)合學(xué)生移動(dòng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)使用情況良好等有利條件，通過現(xiàn)代教育技術(shù)，采用多種方式混合的教學(xué)模式，來提高課程教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量。

根據(jù)教學(xué)改革整體思路，將課程教學(xué)設(shè)置為自主學(xué)習(xí)、理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三大板塊，分別安排在課前、課中和課后三個(gè)時(shí)間段來實(shí)施，同時(shí)明確過程中教師和學(xué)生的角色任務(wù)。此外，將網(wǎng)絡(luò)課程與傳統(tǒng)課堂做整合設(shè)計(jì)，基于不同教學(xué)平臺(tái)、通過線上/線下的方式開展教學(xué)，混合教學(xué)模式實(shí)施流程如圖1所示。

3 混合模式教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)教學(xué)改革策略，采用不同教學(xué)方式，開展以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的混合教學(xué)模式實(shí)踐。

3.1 以虛擬實(shí)驗(yàn)方法輔助教與學(xué)

虛擬實(shí)驗(yàn)方法[5-6]具有抽象問題具體化、復(fù)雜問題直觀化的特點(diǎn)，運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)方法對(duì)理論內(nèi)容中涉及到的基本原理、重要概念等進(jìn)行形象表達(dá)及深刻詮釋，可以幫助學(xué)生更好、更快地理解并掌握理論知識(shí)點(diǎn)。本課程自2017年開始實(shí)施由北京理工大學(xué)提出的“理論+概念+方法”教學(xué)方案，方案包括一套面向計(jì)算思維培養(yǎng)的教材和一款配套了29個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)、可實(shí)現(xiàn)無紙化實(shí)驗(yàn)管理的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。結(jié)合醫(yī)學(xué)院校特色和課程教學(xué)要求，理論環(huán)節(jié)只選取涉及重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的虛擬實(shí)驗(yàn)用于輔助教學(xué);而實(shí)踐環(huán)節(jié)則融入更多的虛擬實(shí)驗(yàn)，用于輔助學(xué)生加深概念理解及應(yīng)用延展。在理論教學(xué)中加入虛擬實(shí)驗(yàn)演示，課堂講授效果顯著提升，特別是在介紹計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示與編碼、圖靈機(jī)模型、計(jì)算機(jī)的工作原理等難點(diǎn)內(nèi)容時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)演示，將抽象的概念變成具體的畫面、將文字描述變成可視化的動(dòng)態(tài)過程，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，繼而更加主動(dòng)參于到學(xué)習(xí)中來，然后在接下來的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，通過自己動(dòng)手操作驗(yàn)證，進(jìn)一步加深概念的理解，最終達(dá)到教與學(xué)的雙重目標(biāo)。

以“一條指令的執(zhí)行過程”虛擬實(shí)驗(yàn)為例（界面如圖2所示），實(shí)驗(yàn)形象設(shè)計(jì)了RAM（存儲(chǔ)器）、CPU（中央處理單元）及地址、控制、數(shù)據(jù)三種邏輯總線，通過取指令、指令譯碼、取數(shù)據(jù)及加法計(jì)算幾個(gè)過程，虛擬展示三種信息（地址、控制、數(shù)據(jù)）在各主要部件間的流動(dòng)及變化過程。通過“一條指令的執(zhí)行過程”虛擬實(shí)驗(yàn)的操作演示，再加上一些簡(jiǎn)要的語言描述，學(xué)生就能以最直觀的方式觀察計(jì)算機(jī)中幾大主要部件協(xié)調(diào)工作的過程，加深對(duì)指令、微指令以及指令系統(tǒng)的理解，了解指令執(zhí)行的三個(gè)重要階段：取指令、分析指令、執(zhí)行指令，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的工作原理。

3.2 以移動(dòng)教學(xué)方式提高授課效率

傳統(tǒng)大班授課的難點(diǎn)主要在于：①師生難于得于充分互動(dòng);②教師難于實(shí)時(shí)獲知學(xué)生掌握情況。如果可以結(jié)合學(xué)生智能手機(jī)普及度高、網(wǎng)絡(luò)使用方便等有利條件，選用合適的教學(xué)軟件，將移動(dòng)教學(xué)方法融入到傳統(tǒng)教學(xué)中，就可以有效解決這一難題。

目前應(yīng)用較多的移動(dòng)教學(xué)軟件有藍(lán)墨云班課、課堂派、雨課堂等等，每款軟件都各具特色，適用于不同的教學(xué)場(chǎng)景。其中雨課堂是由MOOC平臺(tái)“學(xué)堂在線”與清華大學(xué)在線教育辦公室共同研發(fā)的一款線上混合式教學(xué)工具，它將復(fù)雜的信息技術(shù)融入到教師最熟悉的PPT和微信中，具有簡(jiǎn)單易操作、課堂互動(dòng)強(qiáng)、反饋實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，非常適合在課堂中實(shí)施[7]。下面以雨課堂應(yīng)用為例，說明移動(dòng)教學(xué)方法的實(shí)施過程。

⑴ 課前階段。教師通過PPT準(zhǔn)備教學(xué)材料（如果計(jì)劃在課堂中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，需要通過雨課堂插件在PPT中插入題目，如圖3所示）;向?qū)W生推送預(yù)習(xí)材料。

⑵ 課中階段。教師通過微信連接雨課堂并開啟授課，接下來選擇虛擬班級(jí)（如果是第一次授課，需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬班級(jí)）、開放二維碼，等待學(xué)生掃描加入課程學(xué)習(xí)。授課過程中教師可以開啟彈幕功能，鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)自己的觀點(diǎn)，增加師生互動(dòng);可以推送課堂測(cè)試，實(shí)時(shí)檢測(cè)學(xué)生對(duì)所講知識(shí)點(diǎn)的掌握情況并及時(shí)答疑;可以利用投屏功能，將答題結(jié)果及統(tǒng)計(jì)詳情顯示出來，活躍課堂氣氛;還可以利用隨機(jī)點(diǎn)名、課堂紅包等功能，吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

⑶ 課后階段。教師向?qū)W生推送課后作業(yè)或?qū)W習(xí)資源;查看學(xué)生課堂、課外的學(xué)習(xí)情況和各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有針對(duì)性的準(zhǔn)備下次課的教學(xué)內(nèi)容。

實(shí)踐證明，雨課堂除了可以實(shí)現(xiàn)課堂上教師和學(xué)生的實(shí)時(shí)互動(dòng)外，還會(huì)自動(dòng)采集課前、課中、課后三個(gè)教學(xué)階段中學(xué)生所有的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，幫助教師快速了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、及時(shí)調(diào)整授課進(jìn)度與側(cè)重點(diǎn)，極大提高了教師授課的效率。

3.3 以課外自主學(xué)習(xí)鞏固教學(xué)效果

自主學(xué)習(xí)的設(shè)置，一方面可以幫助學(xué)習(xí)進(jìn)度較慢的學(xué)生及時(shí)消化有限課堂時(shí)間中沒有理解的知識(shí)點(diǎn)或沒有掌握的操作技能;另一方面可以幫助基礎(chǔ)較好的學(xué)生學(xué)習(xí)更多課堂外的相關(guān)知識(shí)。自主學(xué)習(xí)一般安排在課前或課后兩個(gè)階段進(jìn)行，學(xué)生課前主要任務(wù)是依據(jù)教師給定的學(xué)習(xí)目標(biāo)及學(xué)習(xí)要求，觀看相應(yīng)教學(xué)視頻，或者根據(jù)個(gè)人需求制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃，自己查找視頻、瀏覽相關(guān)課程資源;課后的主要任務(wù)是完成教師布置的測(cè)試題，及時(shí)鞏固所學(xué)理論知識(shí)，同時(shí)根據(jù)個(gè)人操作掌握情況安排上機(jī)操作練習(xí)。教師的主要任務(wù)則是提供必要的學(xué)習(xí)資源及學(xué)習(xí)引導(dǎo)，并解答學(xué)生的疑問。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源較為豐富，因此，學(xué)生自主學(xué)習(xí)安排在線上進(jìn)行，其數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境主要由Blackboard網(wǎng)絡(luò)課程、智慧樹教學(xué)網(wǎng)站、E-learning教學(xué)系統(tǒng)等在線教學(xué)平臺(tái)搭建而成，其中：Blackboard網(wǎng)絡(luò)課程將作為主要的基礎(chǔ)平臺(tái)，起到連結(jié)各類課程教學(xué)資源的紐帶作用，并將全程記錄學(xué)生課前及課后的學(xué)習(xí)完成情況，便于教師實(shí)時(shí)獲知學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)向;智慧樹教學(xué)網(wǎng)站提供了更為詳細(xì)的課程教學(xué)視頻，學(xué)生可根據(jù)個(gè)人學(xué)習(xí)需求制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)計(jì)劃，隨時(shí)、隨地靈活學(xué)習(xí);E-learning教學(xué)系統(tǒng)是相關(guān)教材配套的教學(xué)軟件，其提供的大量的實(shí)驗(yàn)題目及操作視頻，可用于提高學(xué)生的Office操作技能。

3.4 實(shí)施效果總結(jié)

以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革在我校已連續(xù)實(shí)施3年，通過日常教學(xué)檢查、與老師/學(xué)生的訪談交流、課程考核成績(jī)等方面，實(shí)施效果總結(jié)如下：

⑴ 教學(xué)壓力得到緩解。采用理論大班授課的教學(xué)方式，相較比小機(jī)房授課的教學(xué)方式，可以縮減70% 左右的理論學(xué)時(shí)，在一定程度上緩解了因機(jī)房緊缺、教師教學(xué)任務(wù)繁重等突出問題帶來的教學(xué)壓力。

⑵ 學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性/積極性有所提高。在教學(xué)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)方法，通過形象、直觀的操作演示，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，再加上靈活的移動(dòng)教學(xué)方式，讓課堂氣氛更加活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)也更加積極主動(dòng)。

⑶ 學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力得到增強(qiáng)。虛擬實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)施，改變了學(xué)生以往缺乏獨(dú)立思考、任何問題都依賴?yán)蠋熭o導(dǎo)的學(xué)習(xí)狀態(tài);加上豐富的教學(xué)資源、更便利的資源獲取方式，使得學(xué)生學(xué)習(xí)更加自主。

⑷ 學(xué)生計(jì)算思維意識(shí)有所提高。從學(xué)生上交的算法設(shè)計(jì)作業(yè)中可以看到，學(xué)生給出的答案不再局限于課堂中已經(jīng)講授過的經(jīng)典算法，而是出現(xiàn)了更多、更新穎的解題思路;此外，從學(xué)校的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，每年學(xué)生參與的“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽項(xiàng)目多達(dá)上百個(gè)，說明已經(jīng)有越來越多的學(xué)生具備了站在計(jì)算機(jī)的角度去解決現(xiàn)實(shí)問題的計(jì)算思維意識(shí)。

⑸ 學(xué)生課程成績(jī)達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。雖然課程教學(xué)中弱化了Office操作內(nèi)容的講解，考核題量及難度也較往年有所增加，而學(xué)生的考核平均分、及格率和優(yōu)秀率等仍然有所提高，已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

4 結(jié)束語

引入虛擬實(shí)驗(yàn)方法，采用多種方式混合的教學(xué)模式，是我校又一次新的課程教學(xué)嘗試，從實(shí)施的效果來看，已經(jīng)達(dá)到緩解教學(xué)壓力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和計(jì)算思維意識(shí)的教學(xué)目標(biāo)，接下來需要從計(jì)算機(jī)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面增加課程內(nèi)容的深度和廣度，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展以問題為驅(qū)動(dòng)的拓展學(xué)習(xí)，訓(xùn)練學(xué)生的思維，提高學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決本專業(yè)具體問題的實(shí)踐動(dòng)手能力。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2010.9：5-9

[2] 馮博琴.對(duì)于計(jì)算思維能力培養(yǎng)“落地”問題的探討[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012.9：6-9

[3] 李鳳霞，奚春雁，彭遠(yuǎn)紅.計(jì)算思維廣泛落地于大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的有效途徑[J].計(jì)算機(jī)教育，2014.11：1

[4] 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).大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].高等教育出版社，2016.

[5] 趙霞，李鳳霞，蔡強(qiáng)等.計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)改革探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2015.17：13-16

[6] 陳宇峰，李鳳霞.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)“兩課合一”教學(xué)探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2019.11：24-27

[7] 李祁，楊玫，韓秋楓.基于雨課堂的智慧教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2019.A1：139-143