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        高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計語言教學(xué)設(shè)計與實踐*

        2023-03-21 02:22:14于心怡
        計算機時代 2023年3期
        關(guān)鍵詞:高階程序設(shè)計導(dǎo)學(xué)

        劉 海,潘 明,于心怡

        (華南師范大學(xué)計算機學(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)計語言如C++,Python[1]作為通識課程或者專業(yè)基礎(chǔ)課程正逐漸走進大學(xué)課堂。如何在程序設(shè)計語言課堂教學(xué)過程中,體現(xiàn)一流專業(yè)建設(shè)與一流課程建設(shè)對程序思維與計算思維的要求,教師需要面向未來,對教學(xué)模式與教學(xué)評價進行一系列調(diào)整和變革,實現(xiàn)程序設(shè)計語言教學(xué)由傳統(tǒng)計算思維階段向能力、向素養(yǎng)階段推進,激發(fā)創(chuàng)新意識,提升學(xué)生問題解決能力,實現(xiàn)個性化的學(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、評價和創(chuàng)造的認知能力,強調(diào)高階思維是發(fā)生在較高認知水平層次上的心智能力或認知活動[2]。批判性思維、問題解決能力、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)鍵評價指標(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、能力與素質(zhì)的有機融合。得到了廣泛的關(guān)注與持續(xù)研究,鐘志賢[3]通過學(xué)習(xí)維度、元認知和高水平的理解,為深度思維和理解而教三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計了融合學(xué)習(xí)者的高階思維能力的教學(xué)設(shè)計框架。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)模式進行整合,開發(fā)問題解決支架、動態(tài)概念圖譜和多元批判評價教學(xué)策略,聚焦復(fù)雜問題解決以及適切的學(xué)習(xí)活動設(shè)計。宋宇[5]等在學(xué)習(xí)分析視角下,從高階思維的課堂互動的理論模型、研究場景、技術(shù)手段、評測角度四個方面尋求突破,以增強課堂教學(xué)的有效性,促進深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。李美林[6]通過智慧課堂的應(yīng)用,充分運用網(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,促進學(xué)習(xí)評價多元化等,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)與育人價值實現(xiàn)的關(guān)系與作用;劉合兵等[8]從程序設(shè)計課程群的特點與教學(xué)課程存在的問題出發(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,對程序設(shè)計課程群的建設(shè)具有指導(dǎo)參考與借鑒意義。

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

        2.1 以學(xué)生為中心原則

        程序語言學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心,通過個性化學(xué)習(xí),基于不同學(xué)生現(xiàn)實能力和興趣目標(biāo),可以允許學(xué)生在不同時間,以不同方式完成針對性探究性學(xué)習(xí)任務(wù),最終實現(xiàn)程序思維與計算思維提升。鼓勵學(xué)生提出問題,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)過程。

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

        程序設(shè)計課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運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、教學(xué)模式設(shè)計、教學(xué)評價分析、教學(xué)平臺運用上使用分析、比較和綜合等高階思維導(dǎo)向,支持程序語言學(xué)習(xí)的持續(xù)改進過程。

        2.3 應(yīng)用性與價值性原則

        程序設(shè)計應(yīng)用性是語言類課程的基本特征。課程以4R 理念為驅(qū)動,通過真實問題(Real Problem)、真實數(shù)據(jù)(Real Data)、真正解決(Real Solution)、真正價值(Real Value)的原則,實現(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,知識與能力并重;強調(diào)語言工具的實際應(yīng)用,程序方法的綜合實現(xiàn),以此突出程序設(shè)計課程的價值。

        3 高階思維導(dǎo)向的程序語言學(xué)習(xí)路徑

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

        程序語言教學(xué)需要提升學(xué)生程序設(shè)計能力與程序開發(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,對標(biāo)一流課程建設(shè)要求,從知識層面需要掌握利用程序設(shè)計語言進行數(shù)據(jù)抽象與算法抽象的基本方法,使學(xué)生具備計算思維與程序思;從能力層面需要讓學(xué)生能夠針對中、小型問題,使用自頂向下、逐步求精、模塊化等程序設(shè)計方法進行分析與求解,具備程序賦能能力;能夠選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎銠C程序設(shè)計環(huán)境和工具,對特定專業(yè)方向業(yè)務(wù)處理問題進行模擬與實現(xiàn),并能夠迭代優(yōu)化與持續(xù)改進;從價值塑造層面需要能夠在計算思維與程序設(shè)計思維訓(xùn)練中既實現(xiàn)知識增長與能力提升,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,課程需要通過發(fā)現(xiàn)問題(計算思維)、解決問題(程序思維)、總結(jié)問題(價值思維)三個維度來構(gòu)建學(xué)習(xí)空間。發(fā)現(xiàn)問題是指,程序語言課程首先從個人、集體與社會三個維度抽象現(xiàn)實場境,如運動與健康、學(xué)習(xí)與生活、社會與人生、美麗中國等方面的具體案例,啟迪學(xué)生用高階思維激發(fā)抽象能力,將具體場境映射到計算空間,設(shè)計教學(xué)需要的微型案例、應(yīng)用任務(wù)與挑戰(zhàn)項目;解決問題是指,通過程序語言語法應(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)計語言將案例、任務(wù)與項目等組織成為程序空間的代碼、組件與模塊。總結(jié)問題是指,空間學(xué)習(xí)者在教師引導(dǎo)下運用高階思維發(fā)現(xiàn)程序空間中的現(xiàn)實價值意義,從職業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)賦能與熱愛生活、關(guān)心國家與全面發(fā)展等建立價值理念,以提升知識應(yīng)用價值,實現(xiàn)程序賦能未來(如圖1)。

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

        3.2 高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計語言5E導(dǎo)學(xué)模式設(shè)計

        5E 導(dǎo)學(xué)模式強調(diào)學(xué)習(xí)過程,突出知識應(yīng)用與創(chuàng)新實踐,驅(qū)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)和探究價值,因而得到廣泛關(guān)注和使用。5E 教學(xué)模式包括五個具體的導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié),參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、拓展(Elaboration)、評價(Evaluation);5E導(dǎo)學(xué)模式能夠在學(xué)習(xí)的每個階段激發(fā)學(xué)生使用高階思維進行深度學(xué)習(xí),有利于程序設(shè)計語言知識體系建構(gòu)以及利用程序設(shè)計語言進行問題解決與創(chuàng)新。高階思維導(dǎo)向的程序設(shè)計語言5E導(dǎo)學(xué)模式設(shè)計如表1所示。

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

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

        4.1 Python語言程序設(shè)計教學(xué)目標(biāo)

        Python語言程序設(shè)計課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生計算思維與程序思維,通過Python 語言建立現(xiàn)實世界與信息世界的聯(lián)系;基于OBE 理論,通過基礎(chǔ)應(yīng)用、項目提升、創(chuàng)新拓展分層次引導(dǎo)學(xué)生利用程序設(shè)計技術(shù)解決復(fù)雜工程問題,從而掌握對開源工具與Python 生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用。通過個人、國家和社會場境案例,帶領(lǐng)學(xué)生進行思維錘煉與價值塑造;通過任務(wù)翻轉(zhuǎn)、小組活動,讓學(xué)生在程序設(shè)計過程中學(xué)會協(xié)作與創(chuàng)新,在任務(wù)迭代中感受程序世界與現(xiàn)實世界之美。

        4.2 Python語言程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

        Python語言程序設(shè)計以數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操作等語法為課程內(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)用語法、Python 應(yīng)用生態(tài)模塊、Python高級應(yīng)用三個模塊層次(如圖2)。

        圖2 Python語言程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容組織

        課程基于華南師范大學(xué)的礪儒云平臺SPOC 資源平臺[10]和PTA在線測試平臺[11],通過基礎(chǔ)、應(yīng)用與項目挑戰(zhàn)進行分級分類的課程內(nèi)容組織,通過自身平臺建設(shè)拓展針對于高階思維能力培養(yǎng)的應(yīng)用場景、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),增強學(xué)生解決問題的能力和職業(yè)素養(yǎng)。

        4.3 Python語言程序設(shè)計教學(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,資源內(nèi)容包括單元導(dǎo)學(xué)、微課視頻、學(xué)習(xí)活動、自我評價、學(xué)習(xí)資源、項目式提升、拓展材料等主要版塊;實踐平臺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)用實踐與創(chuàng)新實踐資源,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課程項目實踐平臺

        4.4 Python語言程序設(shè)計課程思政設(shè)計

        根據(jù)立德樹人的課程目標(biāo)與課程內(nèi)容,挖掘課程知識體系的著力點,教學(xué)案例思政的契合點,構(gòu)建課程思政案例體系(圖4),通過案例引導(dǎo)價值傳遞,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,增強學(xué)生觀察世界,思考問題的角度與能力。

        圖4 課程思政案例建構(gòu)與目標(biāo)

        4.5 Python語言程序設(shè)計課程教學(xué)效果

        4.5.1 學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)分析

        我們使用兩個班進行《Python語言程序設(shè)計》課程教學(xué)對照實驗,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)過程數(shù)據(jù)包括微視頻點擊平均數(shù)、課后測完成度、課后測平均分、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擊數(shù)次、課后測完成程度、課后測平均得分方面表現(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)過程與教學(xué)模式也有利于學(xué)生知識建構(gòu)與應(yīng)用。

        圖5 學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)分析情況

        4.5.2 學(xué)習(xí)結(jié)果評價數(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)達成上對比發(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)知識掌握程度上總體持平,但對問題解決的應(yīng)用能力目標(biāo)平均分提高近20分,對復(fù)雜問題的實踐創(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)計語言教學(xué)可以較好提升學(xué)生對復(fù)雜問題的挑戰(zhàn)能力。

        圖6 Python語言程序設(shè)計學(xué)習(xí)目標(biāo)達成情況

        5 結(jié)束語

        通過高階思維導(dǎo)向進行程序設(shè)計語言課程設(shè)計,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)過程,從個人、國家、社會三個維度實施課堂思政。課程教學(xué)實踐表明高階思維導(dǎo)學(xué)的程序語言教學(xué)能夠促進教學(xué)目標(biāo)達成,提升學(xué)生應(yīng)用高階思維解決具體問題的能力。未來將使用課程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù),進行深層次知識追蹤,提供更加個性化的程序語言學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)。

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