鄒 帆

（四川師范大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)學(xué)院，四川成都610068）

0 引言

教育部在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的意見》中指出，在大學(xué)教育教學(xué)過程中，要對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育給予高度重視，并明確提出要求培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)及計(jì)算思維能力[1]。同時，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會提出了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)4個方面的能力培養(yǎng)目標(biāo)：①對計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力；②應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力；③基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力；④依托信息技術(shù)的共處能力[2-3]。2010年，九校聯(lián)盟在首屆計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會上發(fā)表聯(lián)合聲明，確定將“計(jì)算思維”能力作為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[4]。

作為大學(xué)通識教育的重要組成部分，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在高校學(xué)生的計(jì)算思維、信息素養(yǎng)等能力素養(yǎng)的教育方面承擔(dān)了重要職責(zé)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展、相關(guān)應(yīng)用水平不斷提高的今天，高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)迎來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，對教學(xué)內(nèi)容、方法、模式等有了新的需求，因此，以提高學(xué)生計(jì)算思維能力為目的，構(gòu)建更好的教學(xué)理論、教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施教學(xué)過程成為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革的重要任務(wù)。筆者結(jié)合長期在一線的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐工作，探討程序設(shè)計(jì)課程中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)方法——項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（projectbasedlearning，PBL）教學(xué)模式，提出教學(xué)改革的實(shí)踐方略，以期為廣大教學(xué)同行探討新的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革思路。

1 “計(jì)算思維”解析

“計(jì)算思維（computationalthinking）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[5]。因此，在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力時，除了要求閱讀、寫作和算術(shù)技能之外，還要求學(xué)生能運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去分析解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為[3]。這將對學(xué)生的科學(xué)思維、邏輯思維、算法思維、效率思維、創(chuàng)新思維、倫理思維等思維能力產(chǎn)生很好的促進(jìn)作用。

實(shí)質(zhì)上，計(jì)算思維的核心是一種思維過程，有助于真實(shí)情況下的問題的有效解決。計(jì)算思維作為一種角度切入問題的解決，能夠清晰、抽象地描述問題，并將問題的解決方案表達(dá)為信息處理的流程[3]。培養(yǎng)具有計(jì)算思維的學(xué)生，即培養(yǎng)其學(xué)習(xí)如何將問題抽象，并更新為新的計(jì)算性表達(dá)，繼而發(fā)揮學(xué)生的工程思維，綜合處理、考慮問題解決的效率高低，判斷表達(dá)的準(zhǔn)確性等。

表1 常見教學(xué)模式對比

2 教學(xué)模式探討

2.1 基于構(gòu)建主義的PBL學(xué)習(xí)模式

構(gòu)建主義理論的核心思想認(rèn)為學(xué)習(xí)的過程是學(xué)習(xí)者主動建構(gòu)知識的過程[6]，知識不再是常規(guī)意義上的教材、影音素材、文字資料及教師的板書和演示等對現(xiàn)實(shí)的準(zhǔn)確表征，而只是一種理解和假設(shè)[7]。因此，不同個體對知識理解的標(biāo)準(zhǔn)不再唯一，學(xué)生通過自己的個人經(jīng)驗(yàn)和知識背景，利用不同的個體方式建構(gòu)對知識的理解，從而對知識體系和世界產(chǎn)生自身的認(rèn)知。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是近年來在歐美國家新興的并被廣泛應(yīng)用的基于構(gòu)建主義理論的教學(xué)模式。學(xué)生們通過PBL這一動態(tài)的學(xué)習(xí)方法主動探索現(xiàn)實(shí)世界的問題和挑戰(zhàn)，從中領(lǐng)會到更深刻的知識和技能，探索的問題范圍跨越小學(xué)教育到成人教育。

研究表明，PBL是一種以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)執(zhí)行項(xiàng)目的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[8]。在一定時間內(nèi)，學(xué)生通過設(shè)計(jì)構(gòu)建項(xiàng)目、解決問題并成功實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的過程來解決實(shí)際問題獲取知識。需要注意的是，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程并不關(guān)注學(xué)生們可以通過一個既定的方法來解決這個問題，而更強(qiáng)調(diào)學(xué)生們在試圖解決問題的過程中發(fā)展出來的技巧和能力，包括獲取知識、計(jì)劃項(xiàng)目以及控制項(xiàng)目的實(shí)施、加強(qiáng)小組溝通和合作等。

2.2 常見教學(xué)模式對比

基于構(gòu)建主義的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，區(qū)別主要體現(xiàn)在改變了3個傳統(tǒng)教學(xué)的中心：①以課堂“灌輸式”教學(xué)為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)踐經(jīng)驗(yàn)為中心；②以教材為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為中心；③以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心[8]。PBL教學(xué)模式與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式對比見表1。

2.3 教學(xué)思路

PBL將學(xué)習(xí)過程劃分為4個關(guān)鍵的環(huán)節(jié):問題的提出（propose）、方案的規(guī)劃（plan）、問題的解決（execute）以及評價和反思（judge），如圖1所示。每個環(huán)節(jié)中，老師都參與其中進(jìn)行有效引導(dǎo)，根據(jù)項(xiàng)目主題的不同、學(xué)生表現(xiàn)的不同，有效調(diào)整自己的教學(xué)計(jì)劃和項(xiàng)目規(guī)劃。整個學(xué)習(xí)過程中，教師不再以主導(dǎo)身份存在，而是作為“隱形”的參與者，僅在某些關(guān)鍵時刻起到點(diǎn)撥、支架與教練的作用，不再是學(xué)生知識的唯一來源，而是幫助學(xué)生進(jìn)行自我知識建構(gòu)的促進(jìn)者、學(xué)科專家、信息的咨詢者等，從而促進(jìn)學(xué)生不斷思考，自發(fā)查閱相關(guān)資料，有效歸納、總結(jié)所學(xué)的知識與技能，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生“計(jì)算思維”能力的構(gòu)建，突出“學(xué)生為學(xué)習(xí)中心，教師為學(xué)習(xí)輔助”的核心教育理念。

圖1 PBL學(xué)習(xí)過程

3 PBL教學(xué)模式的構(gòu)建

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中關(guān)于計(jì)算思維方法的典型課程，涉及程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和枚舉、遞歸、回溯等大量的算法，這些都是典型的計(jì)算思維案例。從這個角度出發(fā)，筆者經(jīng)過長期的一線教學(xué)發(fā)現(xiàn)，目前的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中存在如下問題：

（1）大部分計(jì)算機(jī)教學(xué)者都在無意識地實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維教學(xué)，而自己本身并不清楚。很顯然，未來需要大量地、系統(tǒng)性地開展目的明確的計(jì)算思維教學(xué)。

（2）不少計(jì)算機(jī)教學(xué)者并未認(rèn)識到計(jì)算思維是人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)，只是將其作為一種基本技術(shù)應(yīng)用技能而非人的基本素質(zhì)。

（3）大部分計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)最終產(chǎn)出的成果為一些軟件或小項(xiàng)目，并未幫助學(xué)生形成計(jì)算思維能力，未對其未來面向社會解決實(shí)際問題的能力的提升產(chǎn)生影響。

PBL教學(xué)模式最本質(zhì)的特點(diǎn)是教師首先了解并掌握學(xué)生的興趣和需求，從教學(xué)的整體目標(biāo)出發(fā)，尋找或設(shè)計(jì)匹配的項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目的不同進(jìn)行相應(yīng)的有針對性的指導(dǎo)?？傊诿恳粋€PBL教學(xué)項(xiàng)目中，都需形成以學(xué)生為中心、以教師為輔助引導(dǎo)的學(xué)習(xí)閉環(huán)，如圖2所示。

圖2 PBL學(xué)習(xí)過程中的教學(xué)閉環(huán)

在學(xué)習(xí)過程中，將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程按類別劃分為若干個相對獨(dú)立的知識單元，每個小單元作為一個學(xué)習(xí)項(xiàng)目，進(jìn)行理論、實(shí)踐互相融合的單元式教學(xué)，每個單元的教學(xué)都以應(yīng)用相關(guān)知識點(diǎn)完成一個項(xiàng)目任務(wù)作為結(jié)束，并迭代至下一個項(xiàng)目單元的教學(xué)。每個相對獨(dú)立的項(xiàng)目都由學(xué)生自行管控處理。信息的搜集、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目的實(shí)施及最終的評估等環(huán)節(jié)也都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)。最后，學(xué)生通過對項(xiàng)目的把控和推動，完成知識的構(gòu)建過程。

基于上述的教學(xué)思路和教學(xué)實(shí)踐，建立基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的有效教學(xué)模式具有5個關(guān)鍵要點(diǎn)：①與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)結(jié)。知識的構(gòu)建更貼近學(xué)生的生活，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感受到知識和他們的相關(guān)性，能夠更好地深入學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)動力。②嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捻?xiàng)目。構(gòu)建的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)不能與課程標(biāo)準(zhǔn)背離，教師為學(xué)生設(shè)計(jì)的項(xiàng)目目標(biāo)應(yīng)與學(xué)習(xí)目標(biāo)一致。③合作學(xué)習(xí)。讓學(xué)生在項(xiàng)目過程中開展批判型思考，提高學(xué)生和學(xué)生之間的合作、交流能力，并有效促發(fā)他們的創(chuàng)造力。④輔助開展學(xué)生主導(dǎo)的項(xiàng)目。讓學(xué)生能夠直接參與到項(xiàng)目的規(guī)劃和執(zhí)行，以便學(xué)生更好地投入到學(xué)習(xí)中。⑤隨時評估。讓評估與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)自然融合到一起，在上機(jī)實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)展可以隨時反饋并且教師可隨時以輔助參與者的身份介入幫助并隨時退出，完成幫助學(xué)生完成自我評估和自我修正的學(xué)習(xí)螺旋過程。

在設(shè)計(jì)執(zhí)行具體項(xiàng)目計(jì)劃的時候應(yīng)該注意的幾點(diǎn)是：①PBL是以服務(wù)學(xué)生的學(xué)習(xí)為目標(biāo)建立的，因此，學(xué)生在完成每一個目標(biāo)的時候，需要自主學(xué)習(xí)并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)自己的計(jì)算思維，鍛煉合作和自我管理等能力。②在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，需要引導(dǎo)學(xué)生自主思維，提出有意義、有挑戰(zhàn)的新問題。③在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，需要為學(xué)生提供適合提問、尋找相關(guān)解決問題的資源信息以及進(jìn)一步思考提問的學(xué)習(xí)環(huán)境。④在具體項(xiàng)目中需要將知識點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和現(xiàn)實(shí)問題相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生對真實(shí)世界的思考和觀察，從而以計(jì)算思維方式對現(xiàn)實(shí)世界中的問題進(jìn)行合理分析和解決。⑤允許學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中具有較大的自主選擇，包括計(jì)劃的制訂、修改、設(shè)計(jì)、反思、重構(gòu)和評估等。⑥教師需要引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)的知識點(diǎn)、項(xiàng)目的完成進(jìn)行有效地評價和反思，從而產(chǎn)生改進(jìn)的需求，促發(fā)新的學(xué)習(xí)動機(jī)。⑦讓學(xué)生通過不斷地反思產(chǎn)生不同的反饋，從而不斷對項(xiàng)目執(zhí)行進(jìn)行把控和修改項(xiàng)目內(nèi)容，完成項(xiàng)目產(chǎn)品的迭代，從而螺旋式提升學(xué)生的知識構(gòu)建水平。⑧給學(xué)生提供以不同的形式展示其研究成果的機(jī)會，在展示過程中讓學(xué)生整理其知識體系，完善其知識構(gòu)建。

圖3 雞兔同籠1.0版

圖4 雞兔同籠2.0版

4 教學(xué)實(shí)踐

在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的系列課程中，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是其中一門非常重要的課程，該課程的教學(xué)應(yīng)該以鍛煉學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，構(gòu)造并提升學(xué)生的計(jì)算思維為重要目標(biāo)導(dǎo)向。目前，國內(nèi)的不同高校分別通過不同的計(jì)算機(jī)編程語言，如C語言、VisualBasic、C++、VisualFoxpro等，對面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，然而，不管采用何種程序設(shè)計(jì)語言，程序設(shè)計(jì)理念和計(jì)算思維方式本質(zhì)相同。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列課程之一的VisualBasic程序設(shè)計(jì)中有個教學(xué)片段為介紹程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，包括順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)。在大部分的傳統(tǒng)教學(xué)中，教師采用不同的教學(xué)案例對這3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，相關(guān)知識點(diǎn)較為分離，相關(guān)性不強(qiáng)，學(xué)生不能夠很好地應(yīng)用這些知識點(diǎn)解決實(shí)際的程序問題，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和理論學(xué)習(xí)脫節(jié)。因此，筆者利用PBL教學(xué)模式，根據(jù)其教法思路和教學(xué)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)了“雞兔同籠”項(xiàng)目，以軟件工程的螺旋迭代式程序構(gòu)建原則將項(xiàng)目分離成了基本功能實(shí)現(xiàn)（雞兔同籠1.0版）、已有項(xiàng)目細(xì)節(jié)完善（雞兔同籠2.0版）、符合用戶習(xí)慣需求（雞兔同籠3.0版），在一個項(xiàng)目逐漸完善的過程中對程序設(shè)計(jì)的順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)分別做了引導(dǎo)和介紹，讓學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中，實(shí)現(xiàn)知識的構(gòu)建并對相關(guān)知識點(diǎn)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)體系化的關(guān)聯(lián)，如圖3、圖4、圖5所示。

具體教學(xué)步驟包括：①情境創(chuàng)設(shè)。創(chuàng)設(shè)與知識點(diǎn)相關(guān)的情景環(huán)境，把學(xué)生引入到問題的思考中，自發(fā)尋求解決問題的途徑，通過總腳數(shù)F和總頭數(shù)H，得出雞的個數(shù)X和兔的個數(shù)Y。②引導(dǎo)思考。讓學(xué)生獨(dú)立思考，用已有知識探索解決問題的可能性，并尋求解決辦法，引導(dǎo)計(jì)算思維的產(chǎn)生。在本項(xiàng)目中，第一階段需要思考：如何通過已有F、H獲得X、Y，引入順序結(jié)構(gòu)的介紹；第二階段需要思考：若用戶輸入不正確的H、F，是否報(bào)錯或仍要繼續(xù)計(jì)算，引導(dǎo)思考如何控制流程的走向，引入分支結(jié)構(gòu)的介紹；第三階段需要思考：若用戶輸入錯誤的H、F，是否退出程序，或進(jìn)一步完善程序使其符合用戶常規(guī)習(xí)慣，讓用戶有權(quán)選擇是否重新輸入，引入循環(huán)結(jié)構(gòu)的介紹。③知識點(diǎn)引入。圍繞相關(guān)知識點(diǎn)，引入新的知識點(diǎn)的介紹，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)“知識遷移”，通過教師示范將知識點(diǎn)帶入項(xiàng)目的解決過程。④提出新的項(xiàng)目需求。通過小組交流、討論及教師干預(yù)，探索項(xiàng)目完善的新的可能性并重復(fù)迭代2～3步。⑤協(xié)作學(xué)習(xí)。開展小組交流、討論，分工協(xié)作，共同思考并完成項(xiàng)目的完善。⑥學(xué)習(xí)評價。學(xué)習(xí)效果評價包括教師評價、自評和成員互評3個部分，通過項(xiàng)目完成情況和完善情況衡量。

圖5 雞兔同籠3.0版

5 總結(jié)

近年來，計(jì)算思維作為人的基本思維能力，受到了廣泛關(guān)注，高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)由簡單的技術(shù)技能的培養(yǎng)，開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為導(dǎo)向的PBL教學(xué)模式應(yīng)用于具體的教學(xué)中，有助于將以教師為主導(dǎo)的“灌輸式”講授的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主導(dǎo)的探究式主動學(xué)習(xí)、潛在吸收的知識構(gòu)建的項(xiàng)目實(shí)踐過程。在此模式下，教學(xué)活動中全程以計(jì)算思維為思維方式，在學(xué)習(xí)過程中可以有效地拓展學(xué)生的計(jì)算思維維度，有意識并系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的相關(guān)能力。期望以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為導(dǎo)向的PBL教學(xué)模式的提出，能夠?yàn)楦咝Ｓ?jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中對計(jì)算思維進(jìn)行系統(tǒng)化培養(yǎng)的教學(xué)模式探索提供一定的參考。

[1]教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會.關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的意見（征求意見稿）[J].中國大學(xué)教學(xué),2005(5):11-18.

[2]教育部.高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].高等教育出版社,2009.

[3]朱世敏,孫桂芳,張重陽,等.C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)[J].Advancesin Education,2014,4(3):36-41.

[4]何欽銘,陸漢權(quán),馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng):“九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明”解讀[J].中國大學(xué)教學(xué),2010(9):7-11.

[5]WingJM.Computational thinking[J].Communications of the ACM.2006,49(3):33-35.

[6]溫彭年,賈國英.建構(gòu)主義理論與教學(xué)改革—建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論綜述[J].教育理論與實(shí)踐,2002(5):17-22.

[7]肖鋒,辛大欣,耿朝陽.計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的教學(xué)模式研究與實(shí)踐:以“數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用”課程為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2015,25(7):49-55.

[8]劉景福,鐘志賢.基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(PBL)模式研究[J].外國教育研究,2002(11):18-22.