以問題為中心加強計算思維培養(yǎng)*

●劉昕

以問題為中心加強計算思維培養(yǎng)*

●劉昕

當(dāng)前大學(xué)計算機教育需要培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維能力，在計算機課程中貫穿以問題為中心的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生以發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思路培養(yǎng)問題意識，從課堂講授、課外自主學(xué)習(xí)以及實驗訓(xùn)練入手，多種方式滲透和激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造能力，以加強學(xué)生計算思維的形成與培養(yǎng)。

計算思維；教學(xué)模式；自主學(xué)習(xí)；問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)始于20世紀(jì)50年代美國的Case Western大學(xué)，問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（PBL）是以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，偏重通過小組討論的方式進行以個案問題為基礎(chǔ)的提出問題、分析問題、解決問題的能力培養(yǎng)。Barrows認(rèn)為問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)是針對問題分析與解決過程中所進行的學(xué)習(xí)[1]，通過特定問題進而整合相關(guān)知識的教學(xué)方法。許多學(xué)者對問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)模式的構(gòu)建、存在的問題進行了研究，并將該方法應(yīng)用到計算機、金融等多種學(xué)科的教學(xué)，以及在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的在線學(xué)習(xí)。

目前培養(yǎng)計算思維已經(jīng)成為國際和國內(nèi)大學(xué)教育的研究熱點。2010年《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》的核心要點也強調(diào)“需要把培養(yǎng)學(xué)生的‘計算思維’能力作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”。[2]

2006年3月，周以真在Communications of the ACM上發(fā)表了論文《Computational Thinking》，提出了“計算思維”的概念和詳細(xì)定義[3]。周以真認(rèn)為：計算思維就是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡述成一個我們知道怎樣解決的問題，提出了面向問題解決的系列觀點和方法。她認(rèn)為大學(xué)應(yīng)以學(xué)生“計算思維”的培養(yǎng)為核心，使“計算思維”成為每個學(xué)生應(yīng)該具備的基本科學(xué)思維能力。學(xué)生在接受這種思維指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練后，可以學(xué)習(xí)計算機科學(xué)知識，也可以學(xué)習(xí)其他專業(yè)的知識。

目前，計算思維已經(jīng)開始納入各門計算機課程改革中。李廉提出以循序漸進的方式推進增強計算思維這一計算機學(xué)科課程的重大改革[4]。大學(xué)計算機課程已經(jīng)以培養(yǎng)計算思維能力為核心進行課程改革[5]，不僅僅將計算機作為一個狹義的工具[6]，而是將思維訓(xùn)練融入教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，進一步提升大學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力[7][8]。

基于以上分析，我們提出在計算機各門課程中以問題為中心改革計算機課程內(nèi)容，在學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)、課外研討和實踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)、分析并解決實際問題，使學(xué)生的計算思維能力成為21世紀(jì)每個大學(xué)生的基本能力。

一、問題在形成計算思維中的作用

《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》提出培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的一個重要內(nèi)容就是要潛移默化地使他們形成一種新的思維方式：運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念對問題進行求解、系統(tǒng)設(shè)計和行為理解，即建立計算思維。計算思維的形成是一種創(chuàng)造性的探索活動，包括“嘗試—探索—改進”的動態(tài)過程，學(xué)生在自主探索與合作交流中真正理解和掌握計算機的基礎(chǔ)知識與技能、計算思想和方法，以獲得應(yīng)用計算機的學(xué)習(xí)經(jīng)驗。從心理學(xué)角度看，學(xué)生要構(gòu)建計算思維，需要主動地構(gòu)建內(nèi)部心理表征的過程，需要強調(diào)學(xué)習(xí)的主動性、社會性和場景性。即從場景中去發(fā)現(xiàn)能夠用計算機解決的問題，提出問題，又能自主分析問題，探索解決問題的途徑和方法，并在解決問題的同時發(fā)現(xiàn)新的問題。

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)的理論基礎(chǔ)起源于認(rèn)知心理學(xué)，認(rèn)知心理學(xué)強調(diào)學(xué)生的主動性，學(xué)生必須了解自己要學(xué)些什么，如何去學(xué)習(xí)，以及學(xué)生已經(jīng)掌握的知識與新知識發(fā)生關(guān)聯(lián)，才能成功地內(nèi)化新知識。問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)以問題為學(xué)習(xí)的起點，偏重小組學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程以對話為主，注重學(xué)生的主動性。

以知識為中心的教學(xué)模式通常由教師控制教學(xué)知識點講解，沒有充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，從以“知識為中心”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢栴}導(dǎo)向”的教學(xué)模式，將問題貫穿于整個教學(xué)過程，使學(xué)生運用所學(xué)知識和已有經(jīng)驗尋找問題、分析問題、解決問題，能夠讓學(xué)生積極主動思考，建構(gòu)知識體系，提高計算思維能力[9]。計算機課程具有很強的實踐性，更適合采用發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思路進行教學(xué)，因此以問題為中心的教學(xué)模式能夠培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，是培養(yǎng)學(xué)生形成計算思維的重要手段。

二、在課堂講授中以問題為中心滲透計算思維方式

以問題為中心組織課程內(nèi)容，應(yīng)采用分治的思想，把每門課程需要講授的知識體系分解為多個知識單元和知識點，明確每一堂課的講解內(nèi)容和授課方式，對于每一個知識點設(shè)計合理的問題，繼續(xù)細(xì)化將問題分解，將與問題相關(guān)的知識點，滲透進教學(xué)的每個環(huán)節(jié)，并明確講明針對一個具體問題計算思維的形成過程，根據(jù)增強抽象思維能力的需要，增設(shè)課程中沒有的教學(xué)內(nèi)容，以計算思維能力培養(yǎng)為核心改進計算機課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究。通過課堂講授發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并逐步解決問題，循序漸進，構(gòu)建一個基于計算思維的教學(xué)體系。

課堂中大量采用問題實例進行講解，講解過程中啟發(fā)學(xué)生基于分治的思想思考給出的問題。首先從一個實際問題如何被發(fā)現(xiàn)，進而分析問題，抽象出問題的模型，將一個大的問題分成多個小的問題，應(yīng)用掌握的知識逐一解決每個小的問題，最終串聯(lián)小的問題形成對整個實例的解決方案。例如讓學(xué)生思考在一個具體實例中需要解決的問題是什么，對于一個問題能夠采用的多種解決方案進行比較，根據(jù)一個實例的應(yīng)用場景選擇最優(yōu)的一種或幾種方案。一題多解方法非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，它能融匯其所學(xué)的多個知識點，提高其運用掌握的知識解決實際問題的能力。

（一）發(fā)現(xiàn)問題

傳統(tǒng)的知識傳授方式下，學(xué)生掌握了知識點，但是不會分析實際的應(yīng)用場景，不能將所學(xué)知識關(guān)聯(lián)進具體的場景，即缺乏發(fā)現(xiàn)問題的能力。

而問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)是在學(xué)生學(xué)習(xí)新知識之前提出問題，通過問題驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)。問題的提出便于學(xué)生在識別知識的應(yīng)用場景后自由提取相關(guān)知識，并發(fā)現(xiàn)解決問題所需要的新知識，進而產(chǎn)生獲取新知識的積極主動性。分析知識的應(yīng)用場景能使學(xué)生將已經(jīng)掌握的知識與將要學(xué)習(xí)的知識在解決問題的過程中進行關(guān)聯(lián)，建立起自己的知識結(jié)構(gòu)，有利于分析其他相關(guān)應(yīng)用場景，發(fā)現(xiàn)并提出與知識相關(guān)的問題。發(fā)現(xiàn)問題能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，增強發(fā)散性思維和創(chuàng)新能力，拓寬了解決問題的途徑，有助于形成計算思維。

（二）發(fā)現(xiàn)錯誤

在課堂講授重要的知識點之后，為了檢驗學(xué)生對相關(guān)知識的掌握程度，在后續(xù)授課時，講解或課件中故意制造一些知識點的錯誤引起學(xué)生思考。在多次發(fā)現(xiàn)錯誤訓(xùn)練之后，學(xué)生通常會在下課后或者課堂上提出課件中的錯誤，然后師生共同討論解決方案。授課中錯誤的出現(xiàn)引發(fā)了學(xué)生的興趣，帶動學(xué)生進一步思考如何改正錯誤，他們能夠運用已經(jīng)掌握的知識提出解決方案。學(xué)生給出的解決方案有時候甚至比我們事先準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)解決方案更加簡單有效。

通過發(fā)現(xiàn)錯誤這種方式，在課堂上明顯能夠激發(fā)學(xué)生的批判性思維，他們有了老師講的內(nèi)容不一定正確的思考，就會帶著問題聽課，主動挑出錯誤，即使在正確的講解中，學(xué)生仍然能夠提出問題，思考是否還有更合適的解決方案。一個學(xué)生提出問題，另外的學(xué)生興趣也大增，會馬上思考該問題的原因和解決方案，形成大家共同參與討論的局面，群體智慧的優(yōu)勢很快顯現(xiàn)出來，在很短時間內(nèi)就能夠給出問題的合理解決方案，并且知識掌握較好的學(xué)生能夠糾正其他同學(xué)的錯誤。發(fā)現(xiàn)錯誤這種機制明顯調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，有助于培養(yǎng)其發(fā)散性思維，也有利于發(fā)現(xiàn)問題。在其后大家一起討論，調(diào)動全班同學(xué)掌握的知識來分析這個問題，一個人提出自己的看法，其他同學(xué)進行修正，吸引全體同學(xué)共同參與課堂知識的學(xué)習(xí)，在討論過程中求解思路逐漸清晰，這正是探索問題解決方法的過程，非常有利于計算思維的形成。

三、課外自主學(xué)習(xí)中基于問題引導(dǎo)計算思維形成

通過理論作業(yè)督促課外學(xué)習(xí)。為了復(fù)習(xí)和鞏固課堂講解的理論知識，在每一個獨立的課程教學(xué)內(nèi)容講解完成后設(shè)置合適的作業(yè)練習(xí)題，根據(jù)知識點中的重點內(nèi)容設(shè)置不同的題目類型。學(xué)生完成理論作業(yè)可以提高其對知識的掌握程度和推理分析能力，從抽象層面進行計算思維訓(xùn)練。

通過實際應(yīng)用作業(yè)加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)一個完整的知識塊（如一個章節(jié)）之前，布置幾個應(yīng)用該章節(jié)基礎(chǔ)知識的實際問題，由4-6個學(xué)生形成一個學(xué)習(xí)小組，選取其中一題或者自主選題，學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊嘗試解決這些問題。在學(xué)習(xí)過程中能夠了解自己需要學(xué)習(xí)什么內(nèi)容，怎樣去獲取相關(guān)知識，同組的同學(xué)能夠分工合作，共同完成一個選題的任務(wù)。在教師講授完完整的知識塊之后，留出一節(jié)課時間，由每組學(xué)生講解其選題、分析問題、形成解決方案的整個過程，并突出自己的亮點和創(chuàng)新。其他組同學(xué)可以對這個問題及解決方案提出質(zhì)疑，通過討論確定是否他們采用的方案是合理的。每組的報告將會影響其平時成績。這種方式能夠使得學(xué)生利用課外時間主動學(xué)習(xí)課程的知識點，參與小組討論，解決問題的過程使得學(xué)生自身獲得了成就感，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。在對話的過程中，每個同學(xué)獲得相關(guān)知識信息，改變其內(nèi)在的知識結(jié)構(gòu)。整個過程深化了學(xué)生對知識點和對該知識點應(yīng)用場景的理解，能夠?qū)⒅R融入到思維意識中。課外搜集信息形成問題的解答，課堂上同學(xué)們之間的討論有助于知識的吸收和計算思維的形成。

四、實驗操作訓(xùn)練思維形成

計算機課程具有很強的實踐操作性，課程學(xué)習(xí)除了課堂講授的內(nèi)容和課外自主學(xué)習(xí)，相應(yīng)的實驗訓(xùn)練也是非常重要的。每門課程的實驗內(nèi)容采用章節(jié)實驗作業(yè)加綜合大作業(yè)的方式，從發(fā)現(xiàn)問題、分析推理到實際動手實驗驗證，提高學(xué)生的實踐操作能力，在實踐中加深知識的理解與應(yīng)用。

對于每一種相對獨立的知識結(jié)構(gòu)，結(jié)合學(xué)生自身所學(xué)專業(yè)設(shè)置不同的實驗課題，或由學(xué)生自主選題，使得學(xué)生能夠自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題，完成課程中應(yīng)該掌握的知識點的相關(guān)實驗，深入理解其所應(yīng)用的具體場景，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和獨立實踐的能力。

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)偏重小組學(xué)習(xí)，課程進行到后半段時，擬定多個綜合內(nèi)容的大作業(yè)，每個學(xué)習(xí)小組可以任選一題或多題，或者由學(xué)生根據(jù)其自身所學(xué)專業(yè)的具體情況自己發(fā)現(xiàn)問題，自擬題目。學(xué)習(xí)小組的學(xué)生共同合作，將一個大問題應(yīng)用分治的思想分解為多個小問題，即將一個問題分成多個模塊，每個同學(xué)完成其中一個模塊，然后將多個模塊組合形成具備多種功能的綜合系統(tǒng)。每個同學(xué)總結(jié)在大作業(yè)完成過程中獲得的經(jīng)驗和知識，分析研發(fā)過程中出現(xiàn)的問題以及如何形成解決方案，這種模式使學(xué)生通過團隊合作提高分析問題、解決問題的能力，同時通過反思問題的解決過程訓(xùn)練思維方式，在綜合大作業(yè)的解決過程中學(xué)生逐漸將計算思維內(nèi)化。

總之，在計算機各門課程中貫穿以問題為中心的教學(xué)模式，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，非常有助于學(xué)生計算思維的形成。通過在課堂以問題為中心的知識講授，采用發(fā)現(xiàn)問題和發(fā)現(xiàn)錯誤的方法促進學(xué)生將掌握的知識應(yīng)用到實際問題；以小組為學(xué)習(xí)單位的課外自主學(xué)習(xí)和實驗訓(xùn)練提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，增強他們分析問題解決問題的能力。

[1]H.S.BARROWS.Ataxonomy of problem-based learning methods[J].Medical Education,1986（6）.

[2]九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010，（9）.

[3]Jeannette M Wing.Computational Thinking[J].Communicationsof the ACM,2006，49，（3）.

[4]李廉.計算思維：概念與挑戰(zhàn)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012，（1）.

[5]董榮勝.計算思維與計算機導(dǎo)論[J].計算機科學(xué)，2009，（4）.

[6]陳國良，董榮勝.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011，（1）.

[7]朱鳴華，趙銘偉，趙晶等.計算機基礎(chǔ)教學(xué)中計算思維能力培養(yǎng)的探討[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012，（3）.

[8]劉昕，石樂義，亓雪冬.以計算思維為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革[J].計算機教育，2013，（16）.

[9]楊芳.多問題中心建構(gòu)式案例教學(xué)探討[J].當(dāng)代教育教學(xué)，2013，（1）.

（責(zé)任編輯：何言）

劉昕/中國石油大學(xué)講師，博士，研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全

山東省教學(xué)改革項目（編號：2012148）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助（編號：13CX02027A）。