程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的賦能教育改革探索

侯薇 劉文洋 趙峻穎 楊宇姝

摘要：計(jì)算思維是程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程最核心的賦能目標(biāo)，因此，本文從培養(yǎng)計(jì)算思維的需求入手，基于五星教學(xué)原理來重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)從多元化教學(xué)方法和多元化過程性評(píng)價(jià)等方面，探索提高大學(xué)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程賦能教育改革的新思路。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課；賦能教育；計(jì)算思維；五星教學(xué)原理

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2023）10-0110-03

程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程是非計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)現(xiàn)融合創(chuàng)新應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，應(yīng)滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)。以計(jì)算思維為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革面臨的最大挑戰(zhàn)是：如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)合理安排教學(xué)內(nèi)容，以什么樣的教學(xué)方法及教學(xué)案例呈現(xiàn)計(jì)算思維的思想。[1]為了實(shí)現(xiàn)賦能目標(biāo)，需要解決一系列程序設(shè)計(jì)課程在“雙一流”建設(shè)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)在工程教育認(rèn)證背景下存在的賦能不足的問題。對(duì)于程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程而言，首先需要從全新的角度整理教學(xué)內(nèi)容，提煉出相關(guān)知識(shí)模塊中的計(jì)算思維核心概念，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的改革；其次需要構(gòu)建優(yōu)化的教學(xué)模式及評(píng)價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)行線上線下混合式一體化設(shè)計(jì)，發(fā)揮線上線下各自的優(yōu)勢(shì)，相互融合，推動(dòng)賦能教育改革。

重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)情分析表明，初學(xué)者對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中涉及的很多概念或語(yǔ)法結(jié)構(gòu)很難理解，加之在教學(xué)過程中，教師在講解例子時(shí)更注重信息呈現(xiàn)，導(dǎo)致很多學(xué)生沒有真正學(xué)習(xí)到程序設(shè)計(jì)的思想和方法。計(jì)算思維能力培養(yǎng)不足，當(dāng)然也很難將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，以致會(huì)發(fā)出“編程究竟有什么用”的疑問。

賦能教育要求教師轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，將以傳授“程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言知識(shí)點(diǎn)”為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)橐再x予學(xué)生“程序設(shè)計(jì)的思想和方法”為核心的教學(xué)目標(biāo)，通過計(jì)算思維的引入來剖析每個(gè)知識(shí)點(diǎn)背后的思維和邏輯，讓學(xué)生“知其所以然”，理解利用程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的基本過程和思維規(guī)律，通過編程來實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)思想，感受計(jì)算思維的魅力，使知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)有機(jī)融合，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，適應(yīng)各專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的發(fā)展趨勢(shì)。

1.漸進(jìn)式的新知識(shí)的基礎(chǔ)性認(rèn)知設(shè)計(jì)與實(shí)施

對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，初次接觸程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程，會(huì)感覺學(xué)習(xí)困難，因此遵循抽絲剝繭、由淺入深、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程對(duì)初學(xué)者是適合的。同時(shí)，筆者改革了傳統(tǒng)的注重“教師教”的教學(xué)過程，重建“教學(xué)并重”的教學(xué)設(shè)計(jì)，首先就是根據(jù)具體的章節(jié)教學(xué)目標(biāo)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，并且在知識(shí)點(diǎn)講解中，尤其在講解艱澀難懂的概念時(shí)，將講解內(nèi)容分割為學(xué)生可以掌握的若干小段進(jìn)行切塊呈現(xiàn)，并在循序漸進(jìn)式的講解中啟發(fā)學(xué)生思考，力求將教學(xué)過程設(shè)計(jì)得更加符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律。

學(xué)生對(duì)新知識(shí)形成基礎(chǔ)性認(rèn)知應(yīng)遵循漸進(jìn)的原則。例如，在講解“數(shù)據(jù)類型”時(shí)，不是簡(jiǎn)單地直接列出所有數(shù)據(jù)類型，而是首先介紹什么是數(shù)據(jù)類型、為什么要給數(shù)據(jù)劃分類型、劃分?jǐn)?shù)據(jù)類型的意義、學(xué)習(xí)每種數(shù)據(jù)類型需要掌握哪些要點(diǎn)，接下來才介紹每種具體的數(shù)據(jù)類型。又如，在講解“變量”的概念時(shí)，先從內(nèi)存的角度去講解變量的本質(zhì)，講清楚內(nèi)存與變量之間的內(nèi)在聯(lián)系，繼而引出變量名、變量值、變量類型等屬性，進(jìn)一步介紹變量的定義、初始化、賦值等內(nèi)容。

通過漸進(jìn)式的問題分析，使新舊知識(shí)貫通，同時(shí)在講解相關(guān)實(shí)例時(shí)，從學(xué)生認(rèn)知的角度出發(fā)，盡可能使用學(xué)生能夠聽得懂的表達(dá)，細(xì)致分析問題的規(guī)律性，將分析問題的過程抽絲剝繭地展示給學(xué)生，將分析問題的方法慢慢滲透給學(xué)生，完成學(xué)生對(duì)新知識(shí)的基礎(chǔ)性認(rèn)知，進(jìn)而初步培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。這個(gè)階段還要設(shè)計(jì)若干基礎(chǔ)性題目，讓學(xué)生進(jìn)行迭代測(cè)試、討論和答疑，解決學(xué)生基礎(chǔ)差異問題。

2.基于五星教學(xué)原理的高階認(rèn)知設(shè)計(jì)與實(shí)施

課堂講授既要有針對(duì)性，又要有全局性，還要考慮如何將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的興趣、生活實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合起來，設(shè)計(jì)激發(fā)學(xué)生興趣的案例，放手讓學(xué)生主動(dòng)探索、創(chuàng)造，以促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)計(jì)算思維能力，將知識(shí)內(nèi)化。為了達(dá)成此高階教學(xué)目標(biāo)，筆者遵循五星教學(xué)原理進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了學(xué)生熟悉或感興趣的若干典型案例，所選取的案例體現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系和拓展，提煉計(jì)算思維的核心概念，讓學(xué)生體會(huì)學(xué)以致用的收獲。

五星教學(xué)原理是當(dāng)代國(guó)際著名教育技術(shù)理論家和教育心理學(xué)家梅瑞爾教授倡導(dǎo)的教學(xué)理論，用以改進(jìn)在線教學(xué)或者多媒體教學(xué)學(xué)習(xí)中只重視信息呈現(xiàn)、忽略有效教學(xué)特征的弊端。[2]五星教學(xué)原理的實(shí)質(zhì)是：具體的教學(xué)任務(wù)（教學(xué)事實(shí)、概念、程序或原理等）應(yīng)被置于循序漸進(jìn)的實(shí)際問題解決情境中來完成，即先向?qū)W習(xí)者呈現(xiàn)問題，然后針對(duì)各項(xiàng)具體任務(wù)展開教學(xué)，接著再展示如何將學(xué)到的具體知識(shí)運(yùn)用到解決問題或完成整體任務(wù)中去。五星教學(xué)原理的核心可以概括為：聚焦問題，激發(fā)興趣；激活舊知，引導(dǎo)入門；示證新知，教會(huì)理解；應(yīng)用新知，輔導(dǎo)練習(xí)；融會(huì)貫通，考察應(yīng)用。[3]

五星教學(xué)原理是基于問題驅(qū)動(dòng)的，對(duì)于課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)及解決問題所蘊(yùn)含的原理與方法，教師能夠找到或設(shè)計(jì)出適合的案例是非常重要的。然而，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的難點(diǎn)在于，如何在保證課程質(zhì)量的前提下，盡量照顧學(xué)生的興趣，在這個(gè)空間中串起教與學(xué)的互動(dòng)。此兩者的平衡與聯(lián)通并非易事，但這一點(diǎn)又特別重要，所以對(duì)案例的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)盡量做到既有趣味性，又要兼顧課程內(nèi)涵的提升，要具有一定的深度，使學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐過程中進(jìn)行思考，體會(huì)學(xué)以致用的成就感，從知識(shí)課堂進(jìn)階到思維能力培養(yǎng)型的課堂，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的賦能教育。

采用多元化教學(xué)方法推進(jìn)賦能教育

在混合式教學(xué)模式中，線上學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，能夠更好地適應(yīng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，充分開展線上線下程序設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和討論，打破有限的課堂時(shí)間限制，做到人人參與、引導(dǎo)學(xué)生深入思考，拓展課堂案例探討，但需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)加強(qiáng)對(duì)自主學(xué)習(xí)的有效組織和管理，以保證學(xué)習(xí)效果。同時(shí)對(duì)應(yīng)不同的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)該以多元化方式創(chuàng)新教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教與學(xué)，提升賦能教育的效果。[4]

在教學(xué)中，教師可以充分運(yùn)用信息化教學(xué)手段和工具，通過多種方式，如搶答獲積分、小游戲、小練習(xí)、點(diǎn)評(píng)作業(yè)、演示案例中的某個(gè)環(huán)節(jié)等組織和設(shè)計(jì)課堂互動(dòng)情境，還可以翻轉(zhuǎn)課堂的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行案例分析或小組討論，形成一種自然的課堂互動(dòng)，并以此互動(dòng)的結(jié)果歸納、復(fù)習(xí)、小結(jié)前面所講的內(nèi)容。這些互動(dòng)不僅活躍了課堂氣氛，還提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有助于改善課程的學(xué)習(xí)效果。另外，教師還要在課堂講授時(shí)根據(jù)與學(xué)生互動(dòng)的反饋結(jié)果補(bǔ)充或擴(kuò)展講授的內(nèi)容，并伴有重點(diǎn)方面的強(qiáng)調(diào)和時(shí)段內(nèi)容的小結(jié)，還應(yīng)建議學(xué)生養(yǎng)成實(shí)時(shí)筆記的習(xí)慣，有助于進(jìn)一步復(fù)習(xí)、回顧、掌握、消化和理解所講的內(nèi)容。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，構(gòu)建線上“PTA實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”和線下上機(jī)實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐方式。利用“PTA實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行程序編輯、調(diào)試、運(yùn)行、結(jié)果驗(yàn)證等基本程序?qū)嵺`操作，它是離開實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的有力輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[5]這樣，在線下上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以開展一些設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，主要進(jìn)行小組綜合編程討論練習(xí)，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用，以及對(duì)小組設(shè)計(jì)出的多種不同的解決方案進(jìn)行分享和討論，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，拓寬問題解決思路并加深對(duì)知識(shí)的理解。

采用帶有反饋的多元化過程性評(píng)價(jià)系統(tǒng)

線上線下多元化的教學(xué)方法伴隨著多元化的考核與評(píng)價(jià)，既有微課完成情況、在線測(cè)試、調(diào)查問卷、題庫(kù)抽題實(shí)操等直接量化性的考核，使教師對(duì)學(xué)生階段性的學(xué)習(xí)情況有所檢驗(yàn)，便于及時(shí)反饋存在的問題并調(diào)整教學(xué)方案，也有對(duì)互動(dòng)討論、匯報(bào)展示等環(huán)節(jié)的增值性評(píng)價(jià)，在師生討論、互評(píng)以及教師給予反饋的過程中，讓學(xué)生獲得對(duì)知識(shí)的整合、反思、鞏固與提升。

結(jié)語(yǔ)

賦能教育對(duì)教師提出了很大的挑戰(zhàn)，要求教師不僅要不斷加強(qiáng)教學(xué)基本功，還要隨著時(shí)代環(huán)境的變化，不斷學(xué)習(xí)新的教學(xué)理論、方法和手段，把控好教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不斷為自身賦能，但所選擇的教學(xué)原理和教學(xué)手段，要與具體的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)情境相適應(yīng)，還需要在嘗試中不斷進(jìn)行探索與優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介：侯薇（1973—），女，黑龍江望奎人，工學(xué)博士，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院副教授，主要從事智能優(yōu)化研究；劉文洋（1981—），男，黑龍江巴彥人，工學(xué)碩士，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院副教授，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究；趙峻穎（1973—），女，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)碩士，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院高級(jí)工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)、模式識(shí)別研究；楊宇姝（1973—），女，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院副教授，主要從事人工智能研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度重點(diǎn)課題“基于賦能的程序設(shè)計(jì)與算法基礎(chǔ)課程線上線下多元混合教學(xué)探索與實(shí)踐”（GJB1421219）；2021年度黑龍江省教育廳教育教學(xué)改革項(xiàng)目“信息技術(shù)與課程深度融合的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課混合式教學(xué)模式改革與實(shí)踐”（SJGY20210076）。