高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐＊

劉 海，潘 明，于心怡

(華南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

0 引言

AI 技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言如C++，Python[1]作為通識(shí)課程或者專業(yè)基礎(chǔ)課程正逐漸走進(jìn)大學(xué)課堂。如何在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課堂教學(xué)過(guò)程中，體現(xiàn)一流專業(yè)建設(shè)與一流課程建設(shè)對(duì)程序思維與計(jì)算思維的要求，教師需要面向未來(lái)，對(duì)教學(xué)模式與教學(xué)評(píng)價(jià)進(jìn)行一系列調(diào)整和變革，實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)由傳統(tǒng)計(jì)算思維階段向能力、向素養(yǎng)階段推進(jìn)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生問(wèn)題解決能力，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1 高階思維與學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)

新版布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類中表現(xiàn)為分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的認(rèn)知能力，強(qiáng)調(diào)高階思維是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智能力或認(rèn)知活動(dòng)[2]。批判性思維、問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新與創(chuàng)造能力等是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)能力的關(guān)鍵技能與關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。2018 年，教育部首次提出創(chuàng)建具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的金課標(biāo)準(zhǔn)。高階性是指知識(shí)、能力與素質(zhì)的有機(jī)融合。得到了廣泛的關(guān)注與持續(xù)研究，鐘志賢[3]通過(guò)學(xué)習(xí)維度、元認(rèn)知和高水平的理解，為深度思維和理解而教三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了融合學(xué)習(xí)者的高階思維能力的教學(xué)設(shè)計(jì)框架。李海峰[4]等提出面向高階思維能力培養(yǎng)的數(shù)字孿生智慧教學(xué)模型，將數(shù)字孿生智慧教學(xué)模型與翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)模式進(jìn)行整合，開(kāi)發(fā)問(wèn)題解決支架、動(dòng)態(tài)概念圖譜和多元批判評(píng)價(jià)教學(xué)策略，聚焦復(fù)雜問(wèn)題解決以及適切的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)。宋宇[5]等在學(xué)習(xí)分析視角下，從高階思維的課堂互動(dòng)的理論模型、研究場(chǎng)景、技術(shù)手段、評(píng)測(cè)角度四個(gè)方面尋求突破,以增強(qiáng)課堂教學(xué)的有效性,促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。李美林[6]通過(guò)智慧課堂的應(yīng)用，充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合線下課堂與線上課堂，形成混合式教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)多元化等，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。范群林[7]等結(jié)合賦能理論，解釋課程思政學(xué)習(xí)與育人價(jià)值實(shí)現(xiàn)的關(guān)系與作用；劉合兵等[8]從程序設(shè)計(jì)課程群的特點(diǎn)與教學(xué)課程存在的問(wèn)題出發(fā)，以賦能教育理仿探索基于能力培養(yǎng)的賦能教育生態(tài)體系，對(duì)程序設(shè)計(jì)課程群的建設(shè)具有指導(dǎo)參考與借鑒意義。

2 高階思維導(dǎo)向的程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)框架設(shè)計(jì)原則

2.1 以學(xué)生為中心原則

程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心，通過(guò)個(gè)性化學(xué)習(xí)，基于不同學(xué)生現(xiàn)實(shí)能力和興趣目標(biāo)，可以允許學(xué)生在不同時(shí)間，以不同方式完成針對(duì)性探究性學(xué)習(xí)任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)程序思維與計(jì)算思維提升。鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題，尋求答案以提升學(xué)生的比較能力與創(chuàng)新能力，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，教師作為資源與指導(dǎo)存在于學(xué)習(xí)過(guò)程。

2.2 產(chǎn)出目標(biāo)導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)的原則

程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用程序賦能從事專業(yè)服務(wù)能力與品格，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)模式設(shè)計(jì)、教學(xué)評(píng)價(jià)分析、教學(xué)平臺(tái)運(yùn)用上使用分析、比較和綜合等高階思維導(dǎo)向，支持程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)的持續(xù)改進(jìn)過(guò)程。

2.3 應(yīng)用性與價(jià)值性原則

程序設(shè)計(jì)應(yīng)用性是語(yǔ)言類課程的基本特征。課程以4R 理念為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)真實(shí)問(wèn)題(Real Problem)、真實(shí)數(shù)據(jù)（Real Data）、真正解決(Real Solution)、真正價(jià)值(Real Value)的原則，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)更新、迭代優(yōu)化的教學(xué)模式，課內(nèi)課外貫通，學(xué)習(xí)與研究融合，知識(shí)與能力并重；強(qiáng)調(diào)語(yǔ)言工具的實(shí)際應(yīng)用，程序方法的綜合實(shí)現(xiàn)，以此突出程序設(shè)計(jì)課程的價(jià)值。

3 高階思維導(dǎo)向的程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)路徑

3.1 高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言學(xué)習(xí)框架設(shè)計(jì)

程序語(yǔ)言教學(xué)需要提升學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力與程序開(kāi)發(fā)需要的素養(yǎng)品格。結(jié)合新工科理念和產(chǎn)教融合課程建設(shè)思路，對(duì)標(biāo)一流課程建設(shè)要求，從知識(shí)層面需要掌握利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象與算法抽象的基本方法，使學(xué)生具備計(jì)算思維與程序思；從能力層面需要讓學(xué)生能夠針對(duì)中、小型問(wèn)題，使用自頂向下、逐步求精、模塊化等程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析與求解，具備程序賦能能力；能夠選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)環(huán)境和工具，對(duì)特定專業(yè)方向業(yè)務(wù)處理問(wèn)題進(jìn)行模擬與實(shí)現(xiàn)，并能夠迭代優(yōu)化與持續(xù)改進(jìn)；從價(jià)值塑造層面需要能夠在計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練中既實(shí)現(xiàn)知識(shí)增長(zhǎng)與能力提升，又養(yǎng)成求真探索的精神品格與追求完美的精神力量。

應(yīng)用高階思維能力培養(yǎng)導(dǎo)向，課程需要通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題（計(jì)算思維）、解決問(wèn)題（程序思維）、總結(jié)問(wèn)題（價(jià)值思維）三個(gè)維度來(lái)構(gòu)建學(xué)習(xí)空間。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是指，程序語(yǔ)言課程首先從個(gè)人、集體與社會(huì)三個(gè)維度抽象現(xiàn)實(shí)場(chǎng)境，如運(yùn)動(dòng)與健康、學(xué)習(xí)與生活、社會(huì)與人生、美麗中國(guó)等方面的具體案例，啟迪學(xué)生用高階思維激發(fā)抽象能力，將具體場(chǎng)境映射到計(jì)算空間，設(shè)計(jì)教學(xué)需要的微型案例、應(yīng)用任務(wù)與挑戰(zhàn)項(xiàng)目；解決問(wèn)題是指，通過(guò)程序語(yǔ)言語(yǔ)法應(yīng)用、組件分析比較、算法綜合與創(chuàng)新等方法，使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將案例、任務(wù)與項(xiàng)目等組織成為程序空間的代碼、組件與模塊?？偨Y(jié)問(wèn)題是指，空間學(xué)習(xí)者在教師引導(dǎo)下運(yùn)用高階思維發(fā)現(xiàn)程序空間中的現(xiàn)實(shí)價(jià)值意義，從職業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)賦能與熱愛(ài)生活、關(guān)心國(guó)家與全面發(fā)展等建立價(jià)值理念，以提升知識(shí)應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)程序賦能未來(lái)（如圖1）。

圖1 高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)框架設(shè)計(jì)

3.2 高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言5E導(dǎo)學(xué)模式設(shè)計(jì)

5E 導(dǎo)學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程，突出知識(shí)應(yīng)用與創(chuàng)新實(shí)踐，驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和探究?jī)r(jià)值，因而得到廣泛關(guān)注和使用。5E 教學(xué)模式包括五個(gè)具體的導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)，參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、拓展(Elaboration)、評(píng)價(jià)(Evaluation)；5E導(dǎo)學(xué)模式能夠在學(xué)習(xí)的每個(gè)階段激發(fā)學(xué)生使用高階思維進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，有利于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言知識(shí)體系建構(gòu)以及利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行問(wèn)題解決與創(chuàng)新。高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言5E導(dǎo)學(xué)模式設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)導(dǎo)學(xué)模式

4 高階思維導(dǎo)向的Python程序語(yǔ)言教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)

Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維與程序思維，通過(guò)Python 語(yǔ)言建立現(xiàn)實(shí)世界與信息世界的聯(lián)系；基于OBE 理論，通過(guò)基礎(chǔ)應(yīng)用、項(xiàng)目提升、創(chuàng)新拓展分層次引導(dǎo)學(xué)生利用程序設(shè)計(jì)技術(shù)解決復(fù)雜工程問(wèn)題，從而掌握對(duì)開(kāi)源工具與Python 生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用。通過(guò)個(gè)人、國(guó)家和社會(huì)場(chǎng)境案例，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行思維錘煉與價(jià)值塑造；通過(guò)任務(wù)翻轉(zhuǎn)、小組活動(dòng)，讓學(xué)生在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)會(huì)協(xié)作與創(chuàng)新，在任務(wù)迭代中感受程序世界與現(xiàn)實(shí)世界之美。

4.2 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操作等語(yǔ)法為課程內(nèi)涵，以Python 生態(tài)構(gòu)建為課程外延，主要包括Python 基礎(chǔ)應(yīng)用語(yǔ)法、Python 應(yīng)用生態(tài)模塊、Python高級(jí)應(yīng)用三個(gè)模塊層次(如圖2)。

圖2 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容組織

課程基于華南師范大學(xué)的礪儒云平臺(tái)SPOC 資源平臺(tái)[10]和PTA在線測(cè)試平臺(tái)[11]，通過(guò)基礎(chǔ)、應(yīng)用與項(xiàng)目挑戰(zhàn)進(jìn)行分級(jí)分類的課程內(nèi)容組織，通過(guò)自身平臺(tái)建設(shè)拓展針對(duì)于高階思維能力培養(yǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用案例與挑戰(zhàn)任務(wù)，形成課程的高階內(nèi)容與課程特色，有利于深度學(xué)習(xí)與高階思維能力培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和職業(yè)素養(yǎng)。

4.3 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)資源

課程教學(xué)目前使用學(xué)校礪儒云和學(xué)者網(wǎng)構(gòu)建SPOC 資源平臺(tái)，資源內(nèi)容包括單元導(dǎo)學(xué)、微課視頻、學(xué)習(xí)活動(dòng)、自我評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)資源、項(xiàng)目式提升、拓展材料等主要版塊；實(shí)踐平臺(tái)引入新工科理念與華為智能基座課程結(jié)合，使用華為云devCloud(如圖3)構(gòu)建應(yīng)用實(shí)踐與創(chuàng)新實(shí)踐資源，讓學(xué)生盡早接觸企業(yè)新工具，并在工具使用中擴(kuò)大視野，養(yǎng)成比較與選擇的高階思維能力。

圖3 基于devCloud課程項(xiàng)目實(shí)踐平臺(tái)

4.4 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程思政設(shè)計(jì)

根據(jù)立德樹(shù)人的課程目標(biāo)與課程內(nèi)容，挖掘課程知識(shí)體系的著力點(diǎn)，教學(xué)案例思政的契合點(diǎn)，構(gòu)建課程思政案例體系(圖4)，通過(guò)案例引導(dǎo)價(jià)值傳遞，利用5E 導(dǎo)學(xué)模式中的高階思維能力培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)態(tài)度、職業(yè)素養(yǎng)與品格，增強(qiáng)學(xué)生觀察世界，思考問(wèn)題的角度與能力。

圖4 課程思政案例建構(gòu)與目標(biāo)

4.5 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)效果

4.5.1 學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)分析

我們使用兩個(gè)班進(jìn)行《Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，每班各50 人，A 班使用傳統(tǒng)線上線下混合教學(xué)模式，B 班基于高階思維導(dǎo)向的線上線下混合教學(xué)模式。學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)包括微視頻點(diǎn)擊平均數(shù)、課后測(cè)完成度、課后測(cè)平均分、應(yīng)用任務(wù)平均得分、挑戰(zhàn)任務(wù)平均得分，圖5 可以看出各班采用混合式教學(xué)模式在微視頻平均點(diǎn)擊數(shù)次、課后測(cè)完成程度、課后測(cè)平均得分方面表現(xiàn)良好，但在應(yīng)用任務(wù)、挑戰(zhàn)任務(wù)上，使用高階思維導(dǎo)向教學(xué)模式比傳統(tǒng)混合式教學(xué)模式過(guò)程表現(xiàn)更加出色，原因在于使用高階思維導(dǎo)學(xué)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)過(guò)程與教學(xué)模式也有利于學(xué)生知識(shí)建構(gòu)與應(yīng)用。

圖5 學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)分析情況

4.5.2 學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

我們使用2020-2022 年度的教學(xué)數(shù)據(jù)，從課程目標(biāo)達(dá)成上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)線上線混合教學(xué)模式學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度上總體持平，但對(duì)問(wèn)題解決的應(yīng)用能力目標(biāo)平均分提高近20分，對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的實(shí)踐創(chuàng)新能力平均提升近10分，體現(xiàn)采用高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)可以較好提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的挑戰(zhàn)能力。

圖6 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成情況

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)高階思維導(dǎo)向進(jìn)行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程設(shè)計(jì)，采用線上線下混合教學(xué)模式，利用5E導(dǎo)學(xué)模式組織教學(xué)過(guò)程，從個(gè)人、國(guó)家、社會(huì)三個(gè)維度實(shí)施課堂思政。課程教學(xué)實(shí)踐表明高階思維導(dǎo)學(xué)的程序語(yǔ)言教學(xué)能夠促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成，提升學(xué)生應(yīng)用高階思維解決具體問(wèn)題的能力。未來(lái)將使用課程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行深層次知識(shí)追蹤，提供更加個(gè)性化的程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)。