基于信息技術和教育技術深度融合的高階思維能力培養(yǎng)教學改革研究

董彥軍 董卓寧 賈永亮 劉天真

摘? 要? 針對操作系統(tǒng)課程教學中存在的問題，對實驗組學生實施基于信息技術和教育技術深度融合的高階思維能力培養(yǎng)的教學改革，學生通過類比法、拆分法、建模法、小組協(xié)作法等實現(xiàn)對較復雜實際問題的求解，增強了問題意識，實現(xiàn)了深入思考，鍛煉了高階思維能力。與對照組教學效果對比顯示，實驗組成績的優(yōu)秀率和優(yōu)良率明顯提高，且實驗組學生在后續(xù)學期專業(yè)核心課學習中，在探究能力、發(fā)散思維能力和作品創(chuàng)新設計能力方面都有顯著提高。

關鍵詞? 信息技術；教育技術；操作系統(tǒng)；教學改革；高階思維能力

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0017-04

1? 教改背景

1.1? 時政背景

現(xiàn)在對創(chuàng)新科技人才的需求比以往任何時候都更加強烈，在當前國際形勢背景下，擁有自主知識產(chǎn)權對于一個國家非常重要。國內(nèi)高校承擔著為國家建設培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才的重任，如何提高人才培養(yǎng)的能力顯得至關重要。時任教育部部長陳寶生在2018年召開的全國高等學校本科教育工作會議上的講話，指出了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的思路，即充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，推動實現(xiàn)高等教育質(zhì)量的“變軌超車”，高校要將現(xiàn)代信息技術深度融入教育教學中，重塑教育教學形態(tài)，增強教學效果，培養(yǎng)學生智能時代核心競爭力。這是對高校課堂教學改革提出的非常明確的任務，也為本次教學改革設計提供了國家層面的教育理念指引。

1.2? 學情分析

本次教學改革在國家層面的教育理念的引導下，重點結合保定學院操作系統(tǒng)這門課程教學過程中的學情特點，從實際出發(fā)，進行針對性設計。

1.2.1? 學情特點? 學情特點包括操作系統(tǒng)課程的課程特點與學生特點。

1）課程特點。操作系統(tǒng)課程是保定學院數(shù)字媒體技術和物聯(lián)網(wǎng)工程兩本科專業(yè)開設的專業(yè)必修課。該課程全面系統(tǒng)地闡述計算機操作系統(tǒng)基本原理、主要功能及實現(xiàn)技術，重點論述多用戶、多任務操作系統(tǒng)的運行機制，系統(tǒng)資源管理策略和方法，拓展討論現(xiàn)代操作系統(tǒng)所采用的并行處理技術與虛擬化技術。課程一般開設在第四學期，授課對象為兩專業(yè)大二學生，已具備大學計算機、C語言程序設計、數(shù)據(jù)結構與算法等基礎理論知識和初步程序設計技能，正處于對專業(yè)理論知識深化學習階段。本課程作為純粹理論課，基礎理論多且晦澀難懂，抽象概念多，知識體系復雜，實際應用變化靈活，對學生理論功底有相當?shù)囊?，是軟件工程師考試及計算機類專業(yè)研考必考科目。

2）學生特點。作為“00”后大學生，所謂的Z世代群體，他們的生活習慣、學習習慣及社會交互習慣等，具有典型的時代特征，教師需要分析學生，做到因材施教。“00”后大學生善于接受多樣化的學習方式，不喜歡空洞的理論知識說教式授課，樂于接受有實踐價值的課程內(nèi)容。他們思維活躍，探究欲強，動手能力強。鑒于操作系統(tǒng)課程的特點，學生若要學好這一門課程，也存在不少挑戰(zhàn)，需要進一步提高自主學習能力、解決復雜問題的綜合能力和高階思維能力。

1.2.2? 教學現(xiàn)狀? 學校目前仍廣泛采用的傳統(tǒng)課堂教學模式已不適應時代要求，存在許多問題。

1）教師講學生聽的這種傳統(tǒng)教學模式無法對教學過程進行精準管理，無法及時發(fā)現(xiàn)學生懈怠與學習掉隊的發(fā)生，難以及時對學生進行督學。

2）大班制教學（50人左右），若采用傳統(tǒng)教學方式，學生只是被動式聽課，即使教師講課非常精彩，學生也認真聽講，仍然無法完成主動學習、自我建構知識的過程，教師教學效果有限，學生學習效果也不理想[1]。

3）教師無法了解每個學生的學習狀態(tài)、學習需求，也無法針對每個學生開展個性化教育[2]，及時作出教學策略調(diào)整。

4）傳統(tǒng)教學方式仍是以知識傳授為主，而對于操作系統(tǒng)這樣一門對學生能力有一定要求的課程，課堂教學不僅僅要傳授知識，更應著眼于提升學生的學習能力，特別是培養(yǎng)學生的應變能力、創(chuàng)新能力[3]，這就對學生高級思維能力的培養(yǎng)提出迫切的要求。

2? 思路與舉措

2.1? 思路

著名學習專家埃德加·戴爾1946年提出的學習金字塔（圖1）顯示了采用不同的學習方式的學生在兩周以后的學習內(nèi)容平均留存率，該圖很好地解釋了學習效果與學習方式之間的關系。從圖1可明顯獲知，不同的學習方式的學習效果區(qū)別很大，位于塔尖的是學生單憑閱讀或聽教師講授，效果最差，而

這正是傳統(tǒng)課堂中學生的學習方式；位于塔基的是學生動手參與和給別人講授，這種學習方式取得的學習效果最好。由此可以得出結論：閱讀和聽講是效率最為低下的學習方式；主動學習比被動學習效率高很多；積極參與和實踐才是最有效的學習方式。

因此，在一個高質(zhì)量的學習方案設計中，主動式學習占據(jù)的時間應該是絕大多數(shù)，而主動式學習所屬的各種學習方式，基本上也屬于高階思維能力培養(yǎng)的范疇。而對學生思維能力的培養(yǎng)，根據(jù)教育學家布魯姆的認知領域教育目標分類（圖2），可分成低階思維和高階思維[4]。所謂低階思維，指的是記憶、理解、應用，而高階思維包括分析、評價、創(chuàng)造。要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，一定要對學生進行高階思維的訓練和培養(yǎng)。

2.2? 舉措

貫徹黨和國家教育理念，結合埃德加·戴爾的學習金字塔理論和布魯姆的教育學理論，立足課堂主戰(zhàn)場，開展有效教學，引導學生主動學習，提高學生認知力和學習力，解決操作系統(tǒng)授課中存在的問題，進行高階思維能力培養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，需要完成六個轉(zhuǎn)變：將以前以教為主的教學模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W為主的教學模式；將學生從以前以教為主模式下的集中學習，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜃灾鞯亻_展個性化學習，讓學習過程從被動學習過程轉(zhuǎn)變成主動學習以構建知識的過程；從以教師講授為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑W生研討學習為主；教學目標由原來的傳授知識轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘芰?；教學評價由以前只看期末考試，一考定終身，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W習過程為主的評價；教學效果由原來關注教師的教學水平轉(zhuǎn)變?yōu)殛P注學生高階思維能力的提升，即提升學生的自學能力、研究能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高課堂教學效率。

3? 實施策略

3.1? 平臺搭建

要實現(xiàn)上述六個過程的轉(zhuǎn)變，關鍵在于高階思維能力的培養(yǎng)，為了達到高階思維能力的培養(yǎng)要求，需要在具備兩種條件的環(huán)境中才能有效實現(xiàn)：首先是具備豐富的教學資源；其次是有挑戰(zhàn)性的學習、深層次的思考、積極的交流。只有在這樣的環(huán)境中才能培養(yǎng)學生的高階思維能力[5]，而傳統(tǒng)課堂無法滿足高階思維培養(yǎng)的要求。為實現(xiàn)學生高階思維能力的培養(yǎng)，要搭建具備所需條件的教學環(huán)境，實現(xiàn)以教為主的教學模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W為主的教學模式等六個轉(zhuǎn)變。本項教學設計嘗試通過現(xiàn)代信息技術與教育技術深度融合，借助學習通這一應用現(xiàn)代信息技術的教學平臺，通過對該課程第2章第4小節(jié)“進程同步”中重點、難點部分進行教學設計，結合實際問題求解，融入思政元素，實現(xiàn)所設定知識目標、能力目標及素質(zhì)目標，達到培養(yǎng)學生自主學習能力與高階思維能力的教學目標。

3.2? 教學實施

通過使用學習通平臺，在課前建立課程資源，包括課件、視頻（微課）、章節(jié)習題與軟考、研考真題、科研論文、學科前沿動態(tài)等，方便學生自主學習；運用學習通提供的現(xiàn)代教育技術手段，設置課前預習任務，結合課程資源（微課），對本小節(jié)基礎性知識進行課前預習，將重難點部分一并發(fā)布，要求學生作初步思考。這樣一來，教師在課堂上就可略講基礎性、入門級概念，將課堂重點放在重難點內(nèi)容的講授上，做到有的放矢，提高課堂效率；學生的課前預習不僅使其提前準備本次課所需的前導內(nèi)容，還使其通過知識導圖了解本次課在本章中所處的地位和作用。通過對本次課內(nèi)容的預習，學生對基礎概念了解得比較深刻，對重難點也有了初步的理解，帶著問題到課堂聽課，學習更有針對性。

課程開始通過引入一個實際的問題（司機與售票員工作流程的配合問題），讓學生體會個人細致縝密的工作作風與團隊協(xié)作意識在工作任務完成中的重要性，同時在潛移默化中也認識到操作系統(tǒng)中成千上萬個進程之間相互配合的必要性，對后續(xù)的進程同步機制的設計充滿興趣。

課中使用學習通設置課前導學問題的搶答功能，提高學生學習參與度。利用學習通同伴匿名互評及教師點評功能，培養(yǎng)學生思辨能力，同時啟發(fā)大家思路。教師對課前八個導學問題的作答、學生互評情況進行檢查、點評，了解學生對知識點的掌握情況，以確定著重講授的教學重點與策略，為接下來采用彈性教學方式對規(guī)定課程內(nèi)容進行適當剪裁提供依據(jù)，使課程內(nèi)容講解更接近學生實際，對學生進行個性化教學，在保證教學目標實現(xiàn)的前提下，根據(jù)授課對象的實際情況對規(guī)定教學內(nèi)容作出相應的時間分配。同時利用學習通對學生導學問題的解答情況進行賦分，作為課堂平時成績構成的一部分。

在講解進程同步機制的主要任務時，引入二人合作養(yǎng)魚的例子，使用翻轉(zhuǎn)課堂方法，隨機點名兩位學生獨立評價本例代碼設計能否實現(xiàn)二人的合作及原因，通過兩位學生的講解，使其達到深入思考并能夠?qū)⑺冀Y果傳授給他人。借助學習通討論的功能，引導學生在討論區(qū)對上述兩位學生的回答作匿名點評，在保證學生積極參與的前提下，提高學生的思辨能力，教師也能根據(jù)討論結果了解學生整體認知的進步。

在講解信號量機制的類型、取值范圍、應用場合時，引入用lock語句實現(xiàn)二人合作養(yǎng)魚的例子，引導大家在學習通上分析討論程序設計中的可能缺陷。通過在討論區(qū)的發(fā)言、相互啟發(fā)，學生發(fā)現(xiàn)了程序設計中存在的缺陷。通過這次討論，整體上提升了學生設計思維中的縝密意識。

在最后的教學用例的設計中，遵循理論聯(lián)系實際的原則，用信號量機制來解決實際問題，選取的教學用例來自華中科技大學的研考真題（二人投球問題）。使用信號量對“投球問題”中存在的同步、互斥問題啟發(fā)學生進行靈活分析，找出解題的關鍵——其中隱含的臨界區(qū)、臨界資源（可借助分析法、建模法、大問題拆分法、前趨圖分析法），并將其作為核心代碼拆分出來，厘清其中圍繞臨界資源（臨界區(qū)）形成的制約關系，類比學過的（經(jīng)典）理論模型（養(yǎng)魚問題、生產(chǎn)者—消費者問題、哲學家就餐問題、讀者—寫者問題），結合實際問題中出現(xiàn)的變化，推演出可行的解題思路，能使用相應類型信號量加以解決，以達到訓練高階思維能力的目的。至此完成能力型目標的學習。

三個目標完成后，鼓勵學生使用學習通提出本次課程中不明白的環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生問題意識，增強其主動思考能力、自我反思意識。通過對學生問題解答的師生互動，加深學生對課程內(nèi)容的理解。

設置隨堂測試，了解課堂學習效果，根據(jù)測試結果及學生參與積極性反饋，對落后學生進行督學，做到對課堂教學過程的精準管理，并相應調(diào)整教學策略，對課程內(nèi)容的講解重點、講解時長進行相應調(diào)整[6]。最后通過設置綜合問題（重難點）小組討論，訓練學生高階思維能力，然后通過設置作業(yè)發(fā)放時間及截止時間，使學生能及時鞏固本次課的內(nèi)容。

3.3? 教學評價

課堂教學過程中使用學習通采集的數(shù)據(jù)作為平時成績的來源，課堂采集數(shù)據(jù)多反映出學生在學習中的過程性表現(xiàn)。隨堂測試環(huán)節(jié)能體現(xiàn)知識目標的達成情況，討論區(qū)的見解往往是學生發(fā)散性思維、深度思考與創(chuàng)造性思維的表現(xiàn)，是高階思維能力的較好表現(xiàn)形式。而期末試卷除考查知識性目標外，通過加入30%的開放性試題，考查學生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維，試題答案并不唯一，同時減少抄襲與死記硬背現(xiàn)象的發(fā)生。

4? 教學成效及推廣價值

通過采用學習通輔助教學，根據(jù)教學反饋，所設定的知識目標、能力目標、素質(zhì)目標基本達到，思政教育的效果融入實際問題的求解與小組合作、討論過程之中。學生通過類比法、拆分法、分析法、建模法、小組協(xié)作法等實現(xiàn)對較復雜實際問題的求解，增強了問題意識，實現(xiàn)了深入思考，鍛煉了高階思維能力。同時對表現(xiàn)懈怠、學習效果落后的學生進行督學，針對性地增強其學習效果，實現(xiàn)對教學過程的精準管理。

通過2019—2020年第二學期對對照組學生進行傳統(tǒng)課堂教學，與在2020—2021年第二學期對實驗組學生開展基于本教學設計的教學改革后的成績對比（見圖3、圖4），發(fā)現(xiàn)實驗組成績的優(yōu)秀率和優(yōu)良率明顯提高。

實驗組學生在第五學期次世代建模和VR制作課程學習中，在探究能力、發(fā)散思維能力和作品創(chuàng)新設計能力方面都有顯著提高。高階思維能力的訓練在他們進入四年級進行畢業(yè)作品設計、參加技能大賽所做產(chǎn)品級作品設計方面，都會發(fā)揮極大作用。

參考文獻

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[2] 劉銘，馬小強，徐永利.云教室學習績效的影響因素分析[J].現(xiàn)代教育技術，2016，26（9）：32-38.

[3] 鄒廣嚴.大學應重視非認知能力的培育[EB/OL].（2021-04-25）[2021-05-05].http：//www.scujcc.edu.cn/info/1067/1540.htm..

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[5] 鄒廣嚴.培養(yǎng)三大素養(yǎng) 提升三大能力 運用三大對策邁向成才成功：在2020級新生開學典禮上的講話.[EB/OL].（2020-09-28）[2021-05-05].https：//www.cdjcc.edu.cn/info/1007/6893.htm

[6] 甘健侯，楊宇.創(chuàng)新混合教學模式，推進高等教育在線教學改革[J].學術探索，2017（4）：140-144.

作者：董彥軍，保定學院，講師，主要研究方向為計算機教育；董卓寧，河北民族師范學院（067000）；賈永亮，保定學院，助理實驗師，主要研究方向為計算機教育；劉天真，保定學院，副教授，主要研究方向為計算機教育（071000）。