李　輝，唐培和，唐新來，徐奕奕，陳集炎

（廣西科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，廣西柳州　545006）

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探究式教學(xué)模式下計(jì)算思維教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)踐研究

李輝，唐培和，唐新來，徐奕奕，陳集炎

（廣西科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，廣西柳州545006）

摘要：實(shí)施有效的計(jì)算思維教學(xué)是當(dāng)前計(jì)算思維的研究重點(diǎn)之一。文章提出將探究式教學(xué)模式與計(jì)算思維的思想方法結(jié)合起來，構(gòu)建一種融入計(jì)算思維理念的探究式教學(xué)模型。同時(shí)，結(jié)合課程案例分析計(jì)算思維在教和學(xué)過程中的作用。

關(guān)鍵詞：探究式教學(xué)模式；計(jì)算思維；教學(xué)案例

0　引言

計(jì)算思維的研究和推廣給高校教師帶來了很多思考，推進(jìn)計(jì)算思維教學(xué)改革首先需要弄清楚三個基本問題。一是計(jì)算思維教學(xué)的目標(biāo)。國內(nèi)外專家提出，計(jì)算思維教學(xué)目標(biāo)是在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中突出對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算學(xué)科知識與原理求解實(shí)際問題，使學(xué)生掌握技能，把技能轉(zhuǎn)化為能力，把能力轉(zhuǎn)變?yōu)樗季S。二是計(jì)算思維教學(xué)的內(nèi)容。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的課程內(nèi)容范疇很廣，如何選取教學(xué)內(nèi)容對培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力非常重要。三是計(jì)算思維教學(xué)的方法。傳統(tǒng)的講授式方法只能滿足知識的灌輸，不能實(shí)現(xiàn)思維的啟發(fā)和方法的歸納。唐培和教授等人提出教師應(yīng)該以“故事化、實(shí)例化、生活化”的方法深入淺出地引導(dǎo)學(xué)生理解計(jì)算思維［1］。

新的教學(xué)方法要契合教學(xué)目標(biāo)的要求和教材內(nèi)容的特點(diǎn)，同時(shí)要結(jié)合學(xué)生的思維習(xí)慣和學(xué)習(xí)習(xí)慣。探究式教學(xué)模式主要從問題提出、問題探究、問題解決方法三個環(huán)節(jié)進(jìn)行。它的基本思路是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過一系列探究活動，認(rèn)識研究對象的關(guān)鍵要素、要素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將實(shí)踐的感性材料升華為抽象的理性認(rèn)知，從而掌握學(xué)科的概念和原理［2］。

1　計(jì)算思維教學(xué)存在的問題

1.1對計(jì)算思維教學(xué)目標(biāo)的認(rèn)識存在偏差

傳統(tǒng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)重心放在培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識和計(jì)算機(jī)操作應(yīng)用能力兩方面，忽視了大學(xué)生對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。在教學(xué)改革的過程中，部分高校存在過度講究思維方法訓(xùn)練，弱化計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)操作的現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)教學(xué)改革矯枉過正。高校教師對計(jì)算思維教學(xué)的目標(biāo)認(rèn)識的偏差，造成計(jì)算機(jī)的理論課程與實(shí)際操作課程的脫節(jié)。計(jì)算思維教學(xué)的提出是要達(dá)到傳統(tǒng)與改革的融合而不是割裂。基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是在課程教學(xué)中突出對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)的相關(guān)概念、思想、方法去學(xué)習(xí)知識，把技能轉(zhuǎn)化為能力，把能力轉(zhuǎn)變?yōu)樗季S［3］。

1.2計(jì)算機(jī)教材內(nèi)容陳舊

目前計(jì)算機(jī)思維教學(xué)大部分直接采用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教材，教材陳舊表現(xiàn)在兩個方面，一是計(jì)算機(jī)教材的知識點(diǎn)陳舊。計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異地發(fā)展，教材的改革更新嚴(yán)重滯后，有些地方高校一套教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)方案多年不變，技術(shù)和技能方面的教學(xué)內(nèi)容跟不上時(shí)代的發(fā)展。二是計(jì)算思維教學(xué)提出來以后，部分高校教學(xué)改革滯后，教學(xué)中不采用新的教材，教學(xué)模式也沒有更新，計(jì)算思維培養(yǎng)就沒有了載體。陳舊的教材不適應(yīng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

1.3計(jì)算機(jī)教師教學(xué)方法不更新

目前大部分計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教師都采用教師講，學(xué)生聽，采取“滿堂灌”，學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中參與度不高，學(xué)習(xí)完全處于被動。教學(xué)過程一般是先講理論與知識點(diǎn)，介紹學(xué)生軟件的操作使用，后面讓學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就按部就班完成上機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生動手能力和解決問題的思考能力不強(qiáng)，沒有注重學(xué)生的計(jì)算思維能力培養(yǎng)。

1.4計(jì)算機(jī)教育者的計(jì)算思維素養(yǎng)不高

計(jì)算機(jī)教師的師資水平參差不齊。任課老師來自不同的專業(yè)，年齡層次和職稱結(jié)構(gòu)都有較大差異，教學(xué)隊(duì)伍的教學(xué)理念、教學(xué)方法不統(tǒng)一。在“計(jì)算思維”教學(xué)的改革中，老師們沒有主動成長，適應(yīng)教學(xué)改革發(fā)展的需要，學(xué)習(xí)新的理論知識，提升計(jì)算思維的科學(xué)素養(yǎng)，教學(xué)單位也沒有給相關(guān)老師提供學(xué)習(xí)培訓(xùn)的機(jī)會。目前，大部分地方高校計(jì)算機(jī)老師的專業(yè)素養(yǎng)仍然停留在過去的水平，很難適應(yīng)教學(xué)改革的要求。

2　計(jì)算思維教學(xué)探究模式的構(gòu)建

2.1問題提出

探究式教學(xué)總是圍繞課程中的知識點(diǎn)來展開的，其出發(fā)點(diǎn)是設(shè)定需要解答的問題，這是進(jìn)一步探究的起點(diǎn)。但是，與基于問題式學(xué)習(xí)不同，其知識點(diǎn)必須由教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的要求和教學(xué)的進(jìn)度來確定，而不可以由學(xué)生自由選擇。問題的設(shè)定，一般要求教師根據(jù)課程教學(xué)目的和當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)，提出既緊扣知識點(diǎn)又合乎邏輯且有一定難度的開放性問題。結(jié)合“算法設(shè)計(jì)”課程教學(xué)實(shí)踐，筆者結(jié)合“漢諾塔”問題給“遞歸”方法提供了一個解決問題的學(xué)習(xí)情境，這個學(xué)習(xí)情境生動有趣，可以摒棄抽象難懂的理論問題給學(xué)生帶來的厭倦和壓抑感，并把大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣聚合起來。根據(jù)計(jì)算思維的教學(xué)目標(biāo)要求，老師首先針對計(jì)算機(jī)的操作中需要講解的問題進(jìn)行設(shè)問。遞歸算法的問題是如何從未知推出已知，再從已知項(xiàng)推出未知項(xiàng)，遞歸算法的關(guān)鍵問題是如何直接或者間接調(diào)用自身進(jìn)行推導(dǎo)。漢諾塔問題是遞歸算法的一種具體應(yīng)用，教學(xué)者要通過教學(xué)設(shè)計(jì)，提供線索，引導(dǎo)啟發(fā)幫助學(xué)生建立兩者之間的關(guān)系。“探究教學(xué)模式”就是要在教學(xué)者指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)者通過“自主、探究、合作”為特點(diǎn)的學(xué)習(xí)方式對目前教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)進(jìn)行自主探究的學(xué)習(xí)，并進(jìn)行同學(xué)之間的相互交流協(xié)作，從而達(dá)到掌握課程標(biāo)準(zhǔn)的對認(rèn)知目標(biāo)和情感目標(biāo)要求的一種教學(xué)模式［4］。

2.2 問題探究

探究式教學(xué)問題探究環(huán)節(jié)其實(shí)質(zhì)是對問題進(jìn)行分步解決的過程設(shè)計(jì)［5］。教學(xué)者分步驟引導(dǎo)，與學(xué)生共同尋找問題的解決方法。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個好的問題或一個相關(guān)聯(lián)的“問題鏈”。學(xué)習(xí)者自行尋找問題的解決辦法，與其他學(xué)習(xí)者互動討論，通過學(xué)習(xí)者之間的溝通交流，加深對問題本身的理解，補(bǔ)充新的知識和技能。漢諾塔的移動規(guī)則很簡單，要把N個盤子從1柱移到2柱，我們必須先把N-1個盤子移到3柱，那么第N個盤就可以從1柱移到2柱。同樣的做法，最終是可以把N個盤子全部移動到3柱，只是花費(fèi)的時(shí)間比較多。學(xué)生在解決漢諾塔問題的過程中體會盤子在三根柱子之間的移動過程，三根柱子的作用充分被調(diào)動起來，整個過程沒有借助外物。

2.3解決方法

根據(jù)漢諾塔的特點(diǎn)可以建立模擬移動數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。按照數(shù)學(xué)模型，學(xué)習(xí)者可以遵照規(guī)則，按照步驟移動源柱上的盤子。盤子的數(shù)量即使不斷增多，使用遞歸的算法也可以計(jì)算出搬完源柱上的盤子所需要的時(shí)間。漢諾塔問題可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者在解決問題的過程中使用抽象、分解、約簡、遞歸、仿真等計(jì)算思維方法。學(xué)習(xí)者通過主動理清相關(guān)事物間的因果關(guān)系，提高了學(xué)習(xí)者本人的計(jì)算思維能力。

圖1　漢諾塔移動數(shù)學(xué)模型

作為教學(xué)者，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者主動建立認(rèn)知結(jié)構(gòu)，形成科學(xué)思維習(xí)慣，提高學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)考核學(xué)習(xí)者在探索過程中的實(shí)際表現(xiàn)，并檢查他們的學(xué)習(xí)結(jié)果和求解思維方法。

3　計(jì)算思維教學(xué)探究模式的應(yīng)用效果

3.1明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加主動積極

探究式教學(xué)將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中專業(yè)性很強(qiáng)、很抽象的內(nèi)容交給學(xué)生思考和探討，通過問題驅(qū)動模式啟發(fā)學(xué)生的思維。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生從枯燥的如數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編碼、IP地址、子網(wǎng)掩碼等知識中尋找到解決問題的一般方法，完成計(jì)算思維教學(xué)的目標(biāo)。大學(xué)生在應(yīng)試教育中成長，思維能力的發(fā)展受到一定限制，但是90后大學(xué)生頭腦活躍，有很強(qiáng)的思維訓(xùn)練需求，計(jì)算思維教學(xué)給大學(xué)生提供了一個思維成長的空間。2015年，廣西科技大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課全面采用本校編著的《計(jì)算思維導(dǎo)論》，新教材的使用在學(xué)生中產(chǎn)生良好的反響，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

3.2增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)技能和多項(xiàng)能力

探究式教學(xué)為培養(yǎng)學(xué)生的能力提供了可操作的空間。學(xué)生在這種研究式的教學(xué)中形成了嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，吃苦耐勞的工作作風(fēng)，團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新能力，這些能力和素質(zhì)的養(yǎng)成對于大學(xué)生成才有非常重要的意義。每一個教學(xué)任務(wù)的完成都訓(xùn)練了學(xué)生獲取信息的能力和分析能力，掌握進(jìn)行研究和探討的方法，全面提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，計(jì)算思維教學(xué)讓學(xué)生既掌握了基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)知識，又全面提升了自身的計(jì)算思維能力。

3.3注重對學(xué)習(xí)過程的考核

計(jì)算思維教學(xué)的課程考核體系將學(xué)習(xí)能力的考核放在首位，重視對學(xué)生的表現(xiàn)力、表達(dá)能力、組織能力等方面能力的考察。在動態(tài)的學(xué)習(xí)過程中考核學(xué)生的表現(xiàn)，也可以考核學(xué)生在學(xué)習(xí)中的認(rèn)知?dú)v程、科學(xué)的探究精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，避免單一的考核方式造成的考試臨時(shí)抱佛腳等弊端。

4　結(jié)論

探究式的教學(xué)方法突出了計(jì)算思維的思想方法，有意識地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力，不但能提高教學(xué)效果，而且能深入激發(fā)學(xué)習(xí)者的潛能，使學(xué)習(xí)者的信息素養(yǎng)與創(chuàng)新實(shí)踐能力都有所提高。運(yùn)用計(jì)算思維的方法解決實(shí)際生活中的問題，這種教學(xué)模式符合大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)目標(biāo)，并為其他學(xué)科的課程提供借鑒。

［參考文獻(xiàn)］

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［5］牟琴.基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)與學(xué)習(xí)的模式研究與實(shí)踐［D］.成都：四川師范大學(xué)，2012：60-65.

（責(zé)任編輯：劉婧）

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2126（2016）03-0121-03

［收稿日期］2016-04-26

［基金項(xiàng)目］廣西高等教育教學(xué)改革工程重點(diǎn)項(xiàng)目（2015JGZ137、2014JGZ133）階段成果。

［作者簡介］李輝（1981—），男，廣西灌陽人，碩士，高級工程師，研究方向：軟件工程，模式識別；唐培和（1964—），男，廣西全州人，教授；唐新來（1969—），男，湖南邵陽人，博士，教授。

Adopting Inquiry-based Teaching Model Research the Application of Computational Thinking Teaching and Practice

LI Hui，TANG Peihe，TANG Xinlai，XU Yiyi，CHEN Jiyan

（Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou，Guangxi，545006 China）

Abstract:Implementing effective computational thinking teaching is one of the key points of the current research in computational thinking.The paper puts forward a research-style teaching mode which builds a model of integrated into the calculation of the inquisitive teaching concept of thinking by combining the exploratory teaching patterns and calculate the thinking way of thinking.At the same time，it analyses the role of computational thinking in the process of thinking in teaching and learning by using course case.

Key words:research-style teaching mode；computational thinking；teaching case