巧用OnlineJudge，培養(yǎng)計算思維

摘要：計算思維作為信息技術學科核心素養(yǎng)之一，是信息化社會中數(shù)字公民所應具備的重要素養(yǎng)，但在傳統(tǒng)班級的統(tǒng)一授課制中，由于學習能力差異大，學生難以發(fā)展?jié)撃苄纬烧嬲挠嬎闼季S。鑒于此，文章提出利用Online Judge（在線評測平臺OJ）進行計算思維教學的模式，利用OJ實現(xiàn)尋找不同層次學生的最近發(fā)展區(qū)，同時采用小組形式合作學習，實現(xiàn)因材施教、培養(yǎng)計算思維，并結合教學實際情況說明效果。

關鍵詞：Online Judge;計算思維;最近發(fā)展區(qū);小組合作

計算思維內涵及培養(yǎng)存在的問題

2006年美國卡耐基梅隆大學周以真教授將計算思維定義為：一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的方式，并強調是每個人的基本技能。[1]2011年，美國國際教育技術協(xié)會將計算思維界定為具有以下特征的問題解決過程：界定問題、分析數(shù)據、抽象表示、設計算法、形成解決方案并能夠遷移到其他問題的解決中。[2]在我國《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中，計算思維成為信息技術學科核心素養(yǎng)，強調運用計算機科學領域的思想方法，形成解決方案的一系列思維活動。[3]加強以計算思維為核心的計算機科學教育，提升全民數(shù)字素養(yǎng)，提升國家未來信息技術實力，已經成為世界共識。

2016年，美國實施“為了全體的計算機科學”（Computer Science for All，簡稱CS for All）計劃，開展K-12的計算機科學教育。2013年英國政府頒布國家計算課程的目標及框架，強調在K-12教育階段要發(fā)展學生分析、解決問題能力，培養(yǎng)設計和計算思維。新西蘭從2011年開始實施“編程與計算機科學”等五項數(shù)字技術核心學習。我國在K-12階段計算思維培養(yǎng)主要通過信息技術課程實現(xiàn)，以算法為主。[4]

如何讓學生擁有計算思維，是一線信息技術教師非常關注的問題。有學者給出具體的課堂教學案例[5]，有學者提出用項目方式研究真實問題，提升計算思維。[6]這些策略及實踐都是面向所有學生進行統(tǒng)一的教學活動，而在現(xiàn)實的班級授課制教學中，學生的能力千差萬別，課堂上教師往往缺乏足夠的精力和時間去解答所有學生的問題，無法顧及學生的個性化學習需求，忽視學生“最近發(fā)展區(qū)”的問題，并最終體現(xiàn)在計算思維形成的缺失中。

OJ如何促進基于“最近發(fā)展區(qū)”的計算思維培養(yǎng)

“最近發(fā)展區(qū)”理論由維果斯基提出，指兒童獨立解決問題的實際發(fā)展水平與在成人指導下或在有能力的同伴合作中解決問題的潛在發(fā)展水平之間的差距。好的教學應該處于“教學最佳期”（兒童現(xiàn)有水平與成人指導后可以達到的水平之間）。[7]

2012年，張浩斌從應用角度出發(fā)，設計并開發(fā)了基于開放云平臺的開源在線評測系統(tǒng)HOSTOJ[8]（簡稱OJ），并開放了源代碼。隨后OJ被廣泛應用于大學生程序設計競賽中。2015年后，中學生算法教學開始引入OJ，2018年新課標頒發(fā)后，不少地區(qū)開始鉆研基于OJ的Python算法教學。

采用OJ進行算法學習的好處是教師可以提前將不同難度的項目問題放在OJ上并設置在同一節(jié)課的教學內容中，學生根據自己的水平挑戰(zhàn)合適難度的題目。OJ的算法題采用實時大數(shù)據評測，學生在OJ上自主提交自己的算法答案后就能立即知道對錯，便于訂正。整個學習過程都是學生自主進行問題分析、算法設計、程序編寫并選擇感興趣的問題進行舉一反三的練習。學生根據自己的水平選擇合適難度的算法問題進行探究解決，實現(xiàn)了基于最近發(fā)展區(qū)的個性化學習，有助于計算思維的培養(yǎng)。

計算思維培養(yǎng)實踐及效果

1.每節(jié)課提前準備不同難度的算法題

教師根據教學內容，準備不同難度的算法題，高一Python教學，分為順序、選擇、循環(huán)、函數(shù)等幾個核心章節(jié)，針對每個章節(jié)，分別選擇不同難度的題目。例如，在選擇算法模塊里，教師可以根據核心素養(yǎng)準備不同難度的項目問題（如右表）。

2.建構新知，根據大數(shù)據確定最近發(fā)展區(qū)

4個項目問題對應不同的計算思維水平，在教師講授完if...else...格式特點后，學生嘗試解決問題1，問題1解決體現(xiàn)出基本的選擇型計算思維達成，50%的學生寫不出問題2的求余函數(shù)，問題3學生因為問題2卡住了，就不敢繼續(xù)探究，其實問題3非常簡單，這里鍛煉學生探究未知世界的勇氣。到了問題4，讀懂題目的含義非常重要，如果沒有計算思維中界定問題的能力，問題4就很難下手，而大數(shù)據的實際情況也表明，問題4大約有60%的學生都無法找到入手點。

根據課堂大數(shù)據實時評測可以找到每個學生的最近發(fā)展區(qū)，有助于針對性地解決學生存在的問題。

3.提供微視頻，根據學情自主或合作學習

教師將事先準備的微視頻放在OJ平臺上，學生解決第一個問題后，如果第二個問題遇到難處，可以自己查看微視頻學習mod運算如何寫。第二個問題順利解決的學生可以直接進入問題3，挑戰(zhàn)實際問題解決能力。同樣，個別計算思維能力強的學生會提前進入問題4的挑戰(zhàn)，也可以同伴互助討論，或自主學習指導的微視頻，成功后可以擔任教師的助手，幫助班級其他同學完成對問題的解答。

基于OJ進行自主學習，學生自己選擇合適的難度進行挑戰(zhàn)，當遇到問題的時候，選擇教師提供的支架微視頻進行輔助突破，精準地挑戰(zhàn)自己的思維難點，逐步培養(yǎng)計算思維。

4.針對課堂實時評價進行精準補償教學

在學生自主學習的過程中，教師根據OJ平臺上的大數(shù)據完成情況示意圖實時了解學生的完成情況，OJ還提供了代碼查看功能，教師可以實時將不同思路的算法代碼分享給學生，過程性評價和表現(xiàn)性評價同步進行并嵌入教學過程中，培養(yǎng)學生的計算思維。同時，針對問題4可以在學生自主學習的基礎上進行全班輔助講解，幫助學生更好地分析問題，理解選擇算法。本節(jié)課的反饋結果也可以作為下節(jié)課的學情基礎，利用OJ尋找到每個學生的最近發(fā)展區(qū)，實現(xiàn)教—學—評深度融合。

總結與啟示

因材施教不僅僅關注學生已有認知能力，更關注學生能夠到達的最近發(fā)展區(qū)，在大數(shù)據時代，利用OJ可以快速測試每個學生的最近發(fā)展區(qū)，并根據需要提供自主學習的微視頻，以促進學生計算思維的養(yǎng)成。實時的評價促進教學方式和教學進度發(fā)生巨大的變化，知識的建構從教師靜態(tài)統(tǒng)一的構建轉變?yōu)橐詫W生為中心的自主動態(tài)變化的構建。期待大數(shù)據時代，基于數(shù)據的教學能夠在每一個學科真正發(fā)生，減輕學生的學習負擔，提高學習效率。

參考文獻：

[1]Wing，J.M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（03）：33-35.

[2]ISTE & CSTA.Operational Definition of Computational Thinking for K-12 Education[EB/OL].2011，252（06）：28-30.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4]任友群，隋豐蔚，李鋒.數(shù)字土著何以可能？——也談計算思維進入中小學信息技術教育的必要性和可能性[J].中國電化教育，2016（01）：2-8.

[5]謝忠新，曹楊璐.中小學信息技術學科學生計算思維培養(yǎng)的策略與方法[J].中國電化教育，2015（11）：116-120.

[6]曹蓉.基于項目的信息技術學習——以《智能聲控燈》一課為例[J].教育研究與評論（中學教育教學），2020（11）：55-58.

[7]王文靜.維果茨基“最近發(fā)展區(qū)”理論對我國教學改革的啟示[J].心理學探新，2000（02）：17-20.

[8]張浩斌.基于開放式云平臺的開源在線評測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機科學，2012，39（S3）：339-343.

作者簡介：曹蓉，女，碩士，中學一級教師，江蘇省南京外國語學校教師。

本文是江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“信息學拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的校本探索”的階段性成果（編號：B-b/2020/02/70）。