基于《大學計算機基礎》課程的計算思維教學設計

□寧礦鳳 彭 浩

一、引言

2011年，周以真[1]教授提出“計算思維”是一種能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理所能有效執(zhí)行的方式描述從而解決問題的思維過程。2017年，我國教育部指出“計算思維”是發(fā)展學生信息素養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。國內外研究者普遍認為，計算思維本質上是人類如何解決問題的思維和能力體現(xiàn)的一種過程，也是一股推動學生信息素養(yǎng)發(fā)展的創(chuàng)新動力，主要包括六個方面的子能力[2]：形式化問題、抽象問題，建立模型、組織和分析數(shù)據、建立問題解決方案并優(yōu)化、解決方案系統(tǒng)化和問題遷移。隨著科學技術的發(fā)展，K-12階段計算思維的教育價值將越來越突出，以適應新世紀對人才技能的新要求?？偟膩碚f，計算思維是一種規(guī)范化、系統(tǒng)化的問題解決過程，也是人的一種內在思維品質。

本文將PBL問題引導模式和計算思維培養(yǎng)相結合組織課堂教學，分階段有目標地逐步完成學習任務，實現(xiàn)教學目標。以“問題”為出發(fā)點，注重小組自主探究學習，任務分配，問題解決設計與實施，可以提高學生解析問題能力和創(chuàng)新能力，幫助學生形成計算思維并應用在實際生活中。

二、PBL問題引導模式和計算思維培養(yǎng)相結合組織課堂教學

計算思維的概念對于大一新生來說是比較抽象的?；凇坝嬎闼季S”的大學計算機基礎課程改革成敗的關鍵在于如何以恰當?shù)姆绞絺魇诮o學生，且計算思維不僅需要培養(yǎng)學生編寫程序的思維，更重要的是培養(yǎng)學生分析解決綜合問題的能力，而這種綜合問題解決能力的培養(yǎng)，需要真實的問題情境、多元的學科知識儲備以及必要的工具方法支持。PBL教學法，是一套設計學習情境的教學方法，筆者結合多年教學經驗將PBL問題引導模式和計算思維相結合的組織形式引入“大學計算機基礎課程教學”中，設計貼近真實生活的問題，用簡單的案例講授復雜、高深的學生難以理解的原理。教學過程一般是圍繞問題求解的基本過程，即通過問題的引入，探尋解決問題的方法，故設計的教學案例盡可能地將計算思維的核心教學目標“埋在”教學中，這種做法開拓了計算思維的課程設計思路。

三、基于計算思維培養(yǎng)的算法教學改革及實踐

在計算機實際應用中，經常會對數(shù)據序列排序，如按字母，日期，數(shù)字進行有序的順序排列，即便在高速的計算機上運行，如果使用排序方法不恰當，也可能需要很長的時間來完成排序。一個優(yōu)秀的算法尤其是在大量數(shù)據的處理方面可以節(jié)省大量的資源。排序算法在日常生活中應用非常廣泛，生活中幾乎處處用到。在《大學計算機基礎》課程教學改革中，排序算法是一個很好的培養(yǎng)學生計算思維的案例，學生會遇到不同的排序方法，如何引導學生創(chuàng)造或學會一個有效的排序方法并運用在生活中解決問題是筆者實踐的要點，算法學習也是一種學習和提高思維能力的過程。

(一)選取通俗易懂的案例。在現(xiàn)實生活中廣泛存在著排序問題，現(xiàn)在假設要給考試的試卷按照學號排序，幾百份的試卷！用什么排序算法？生活中很多類似的問題：班級名冊、電話簿中的姓名、字典、圖書索引、圖書館或書架上的書、計算機中的文件列表等。簡單地說，我們希望在排序時花費的時間要短，占用的資源要盡量少，因此要解決以下問題：一是從序列的初始狀態(tài)到經過排序算法的變換移位等操作變到最終排序好的結果狀態(tài)的過程所花費的時間要盡量短。二是從序列的初始狀態(tài)經過排序移位變換的過程一直到最終的狀態(tài)所花費的空間開銷要盡量小。三是穩(wěn)定性：要保證排序前和排序后，2個相等的數(shù)其在序列的前后位置順序相同。

(二)以問題為驅動引導學生主動思考，加強計算思維培養(yǎng)。項目組在多年的《大學計算機基礎》教學中，結合學生專業(yè)特點設計一系列具有層次漸進關系的問題，在教學設計中引導學生結合生活場景深入思考，進而找出并描述解決問題的步驟。

1.學生們聯(lián)系生活討論并說出哪些場合排序是非常重要的？同時思考如果沒有排序這些場合可能會出現(xiàn)哪些問題？(最常見的問題：無序時人們需要花費大量時間來查找目標，費時費力)。指出排序能夠使我們快速進行查找，提高工作效率！提出計算科學中排序的意義。

2.討論：1)先用“插入排序”，發(fā)現(xiàn)如果只有10份試卷，排的還挺快的，但是隨著已排序試卷數(shù)量的增多，想要把新的試卷插入到已排序試卷集合的合適位置則會越來越慢了。

2)插入排序看起來簡單易行，但是試卷多達至上千份時，該如何處理？那先把所有的試卷按照學號分成10堆，比如學號50以下的放在A堆上，學號50～100的放到B堆上，以此類推。每一堆用插入排序進行排序，因為試卷份數(shù)比較少，所以用插入比較快。然后按照A-E堆的順序進行合并，也就排好了。

3.學生分小組模擬以上場景，先在一個集合中排序，即每個人隨機從老師手上抽到一個數(shù)字，抽完后展示出來，是一個無序的狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 學生隨機在老師手中抽取的數(shù)字

4.學生開始分組討論如何快速有效地將小組的無序數(shù)字進行從小到大的有序排序，并整理方法和步驟。

5.幾分鐘后，讓小組學生演示排序過程，并總結排序方法；(學生有可能想到的是插入排序類似于撲克牌游戲摸牌時的方法，游戲人摸起一張牌時，要和手上現(xiàn)有的牌進行一個個比較，直到插入正確位置(按牌面大小)，以便手中的牌以一定的次序排列。)

6.小結一下：插入排序是一種較為簡單的排序算法，其算法思想是將一個待排序的數(shù)字按其關鍵字的大小插入到前面已經排好序的子序列中的適當位置，依次如此，直到全部記錄插入完為止。

7.播放網上下載的國外用真人跳舞表現(xiàn)的動態(tài)排序算法步驟視頻，如圖2所示，讓學生更深入體會計算機科學中排序的步驟。

圖2 動態(tài)插入排序算法視頻

8.讓學生分組討論還有沒有其它的方法，只要和前一種方法不同即可；或者讓學生嘗試用“冒泡排序”來演示排序的整個過程(冒泡排序是一種簡單直觀的“交換式”排序方法，基本思想就是從左至右讓相近的兩個數(shù)字作比較，小的往上冒，排到前面，大的往下沉，排在后面，按照這個規(guī)則從左向右比較，重復遍歷整個隊列，最大的數(shù)就被換到了數(shù)組尾。(這里指升序))

9.可根據課堂學生情況，是否重復第3步。

10.比較以上排序算法，整理步驟。哪一種方法更優(yōu)，引導學生計算出整個遍歷過程中排序需要比較的次數(shù)，并說明原因。

(對于冒泡排序：要找出n個數(shù)的最大值，需要比較n-1次。例如，要找出8個數(shù)中最大的那個數(shù)，第一趟需要比較7次，要找出剩下的7個中最大數(shù)，需要比較6次，依次類推……總共需要比較7+6+5+4+3+2+1=28次)。

11.在學生有一定的算法基礎上進行拓展，可根據學生專業(yè)特點盡可能嘗試其他的排序方法，引導學生去思考，如選擇排序、希爾排序等，并總結其算法思想。

12.總結：在這些排序算法中，冒泡排序和插入排序是最基礎的，各種排序方法中，沒有哪一種是絕對最優(yōu)的，因此，在實際應用中通常是根據不同的問題適當選用合適的算法，甚至可以多種算法結合起來使用。

四、結語

基于PBL問題情境的學習是一種有效促進“學習者”轉變?yōu)椤爸R建構者”的新型學習方式。在這種教學模式中，問題的設計是教學設計中的重要環(huán)節(jié)，教學中通過提出問題和解決問題來實現(xiàn)知識經驗的建構，本教學案例以PBL真實問題情境作為切入點為學生提供了較強的生活實景，有效地將學科知識和技能聯(lián)系起來。此外，教師根據實際問題，引導學生進行算法優(yōu)化，逐步產生計算機輔助下的問題解決方案，形成問題解決的仿真模型也是對學生能力的一種提高。

課程組在“大學計算機基礎”課程的改革中推行以計算思維與PBL為導向的《大學計算機基礎》教學實踐項目，通過多年的教學實踐，積累了一定的經驗和方法，并獲得省級教學改革項目一項，校級改革項目多項。