基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模式研究

馬玉慧，生詩蕊

渤海大學(xué)，遼寧錦州121000

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基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)模式研究

馬玉慧，生詩蕊

渤海大學(xué)，遼寧錦州121000

摘要目前，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)雖然受到了廣泛關(guān)注，但是，采用何種模式才能更為有效地培養(yǎng)計(jì)算思維仍是一個(gè)值得關(guān)注的問題。結(jié)合PBL教學(xué)模式的特點(diǎn)，構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下培養(yǎng)計(jì)算思維的模型，并將計(jì)算思維的一系列方法運(yùn)用到具體的教學(xué)步驟中去?；赑BL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)不僅可以提高教學(xué)者的教學(xué)效率，而且可以提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果和計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞PBL教學(xué)模式；計(jì)算思維；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

計(jì)算思維中的“計(jì)算”是廣義的計(jì)算。隨著信息化的全面推進(jìn)，“計(jì)算機(jī)”變得無處不在、無事不用，網(wǎng)絡(luò)延伸到各個(gè)角落，加上數(shù)據(jù)積累的簡單化、容易化，使計(jì)算思維成為人們認(rèn)識(shí)和解決問題的重要思維方式之一。[1]一個(gè)人若不具備計(jì)算思維能力，將在從業(yè)競爭中處于劣勢；一個(gè)國家若不使廣大受教育者得到計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，在激烈競爭的國際環(huán)境中將不可能引領(lǐng)而處于落后地位。[2]隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)已經(jīng)在人類日常生活中有越來越重要的作用。因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)引起了越來越多人的重視。

一、PBL與計(jì)算思維特點(diǎn)

（一）PBL教學(xué)模式特點(diǎn)

PBL（Problem-Based Learning，基于問題的學(xué)習(xí)，也稱作問題式學(xué)習(xí)）以學(xué)生為中心的教育方式，它強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情景中，通過教師的指導(dǎo)和學(xué)習(xí)者的合作來解決真正的問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。[3]在當(dāng)今課程改革和創(chuàng)新教育的大背景下，問題是課程的起點(diǎn)，只有在不斷地發(fā)現(xiàn)和解決問題的循環(huán)往復(fù)過程中，學(xué)生的高級(jí)思維能力才能得以發(fā)展，目前幾乎所有的教學(xué)活動(dòng)都與各式各樣的問題密切聯(lián)系。

（二）計(jì)算思維特點(diǎn)

周以真教授指出：計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維包含一系列方法如：啟發(fā)式推理，關(guān)注點(diǎn)分離，分解任務(wù)，遞歸思維回推，仿真解決抽象問題，并行處理，折衷思維處理等方法。[4]如應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)分離的方法將問題進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在生活中買衣服不僅注重美觀，還要注重實(shí)用的特性，這就是并行處理。

在PBL模式的教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力，要將教學(xué)者、學(xué)習(xí)者與問題緊密地結(jié)合起來，這樣，學(xué)習(xí)者作為獲取知識(shí)的主體不僅要掌握基礎(chǔ)知識(shí)，更要提高分析解決問題的能力。

二、基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)構(gòu)建

（一）構(gòu)建依據(jù)

在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的信息時(shí)代，計(jì)算思維的教育不是為了讓受教育者成為計(jì)算機(jī)科學(xué)家，而是讓受教育者學(xué)會(huì)像科學(xué)家一樣去思考問題。而采用PBL教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是以學(xué)生為中心，計(jì)算思維內(nèi)容和問題為基本點(diǎn)，課程為主線設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和合作交流解決問題，內(nèi)化知識(shí)，學(xué)到學(xué)科背后的知識(shí)。

（二）基于PBL教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的自主學(xué)習(xí)中，盡管強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者自學(xué)為主，但這其中并不意味著沒有教學(xué)者的參與，只是教學(xué)者的角色發(fā)生了變化，從講壇上的“講者”變成了學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)與組織者、學(xué)習(xí)輔導(dǎo)者和學(xué)習(xí)過程的評(píng)估者，其過程仍然是一個(gè)教學(xué)過程。[5]在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，基于PBL教學(xué)模式的學(xué)習(xí)顛覆了傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式，而且這種學(xué)習(xí)模式不僅僅是計(jì)算思維的培養(yǎng)方法，更是為教學(xué)者與學(xué)習(xí)者提供了更好的教學(xué)方法，讓學(xué)習(xí)者可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效的學(xué)習(xí)。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的PBL教學(xué)模式培養(yǎng)計(jì)算思維的過程包括四個(gè)因素：教學(xué)者、學(xué)習(xí)者、問題、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。為了更好地表述這四個(gè)因素的關(guān)系，可以用如下模型表示：

P=F（Pt，Ps，Q，W）

其中P表示網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的PBL教學(xué)模式，F(xiàn)（）是一個(gè)過程函數(shù)，Pt是教師活動(dòng)，Ps是學(xué)生活動(dòng)，Q表示與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的能夠引起學(xué)生興趣的真實(shí)性問題，W表示師生同處的網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的PBL教學(xué)模式，要求學(xué)習(xí)者能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，并且通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境快速地查找資料解決問題。在這種教學(xué)模式中Q和W尤為主要，W所提供的教學(xué)情境越真實(shí)，教學(xué)資料越多，Pt的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行的越順利，則Ps的學(xué)習(xí)效果越好。

（三）基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維模型構(gòu)建

基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維培養(yǎng)是以學(xué)生在“真實(shí)世界”可能遭遇的非結(jié)構(gòu)化的跨學(xué)科的問題為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而學(xué)生的一切學(xué)習(xí)內(nèi)容都是以問題為中心點(diǎn)，注重因材施教，在小組合作學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)過程中教師起主導(dǎo)作用，通過問題的解決使學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科背后的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。在每一個(gè)問題完成和每個(gè)課程單元結(jié)束時(shí)，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和小組評(píng)價(jià)，深入學(xué)習(xí)探究，通過學(xué)習(xí)者的鞏固和交流掌握解決問題的方法，拓展思維空間。因此，可以用如下模型表示：

Pct=F（Ptct，Psct，Q，W）

Pct表示在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)用PBL教學(xué)模式進(jìn)行計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，F(xiàn)（）是運(yùn)用PBL培養(yǎng)計(jì)算思維的過程函數(shù)，Ptct表示教學(xué)者運(yùn)用計(jì)算思維方法指導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)，Psct表示學(xué)習(xí)者運(yùn)用計(jì)算思維方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，Q表示問題，W表示網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

一般情況下，在這個(gè)過程中，Ptct，Psct還包含如下因素：

Ptct={w，p，z，f}

Psct={w'，p'，z'，f'}

w表示為學(xué)習(xí)者提供良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，p表示在真實(shí)或者接近真實(shí)的情境中引出的問題，z表示在教學(xué)活動(dòng)中教學(xué)者對(duì)教學(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)與把握，f表示教學(xué)活動(dòng)中的反思與評(píng)價(jià)。

w'表示在Ptct創(chuàng)設(shè)的環(huán)境下進(jìn)行更有效的學(xué)習(xí)，p'表示在Ptct的幫助下發(fā)現(xiàn)與課程內(nèi)容相關(guān)的問題，z'表示在Ptct的指導(dǎo)下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、交流討論與合作學(xué)習(xí)，f'表示在Ptct的幫助下對(duì)知識(shí)進(jìn)行鞏固、拓展和遷移。

在通常情況下，Ptct要運(yùn)用仿真、簡約轉(zhuǎn)化等計(jì)算思維方法指導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行高效率的學(xué)習(xí)。Psct要運(yùn)用遞歸，折衷、關(guān)鍵點(diǎn)分離的計(jì)算思維方法進(jìn)行知識(shí)的內(nèi)化。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的PBL教學(xué)模型是建構(gòu)主義教學(xué)理論與教育技術(shù)理論的整合，這種教學(xué)模式對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)更加有效。

（四）基于PBL教學(xué)模式的計(jì)算思維實(shí)踐模型構(gòu)建

PBL教學(xué)模式是課堂教學(xué)過程中的主要環(huán)節(jié)和步驟，指導(dǎo)整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的組織和內(nèi)容的設(shè)計(jì)，是培養(yǎng)計(jì)算思維的命脈。因此，以師生共同發(fā)展為目的，通過對(duì)教學(xué)過程的分析對(duì)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維培養(yǎng)進(jìn)行研究，在這里用Asct表示學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力。

1.課前準(zhǔn)備，包括教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)和教學(xué)準(zhǔn)備。學(xué)生知識(shí)的獲取與內(nèi)化，離不開學(xué)習(xí)環(huán)境的支撐。利用計(jì)算思維方法與特性搭建個(gè)性化和協(xié)作化學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，一方面可以讓學(xué)生查找相關(guān)資料自主學(xué)習(xí)，另一方面也可以合作交流。課堂活動(dòng)開始之前，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)編寫教學(xué)案例，案例的編寫要與學(xué)生日常生活中所遇到的現(xiàn)實(shí)問題聯(lián)系。因此有A1=G1（Xw'），A1表示在課前準(zhǔn)備活動(dòng)中計(jì)算思維的培養(yǎng)效果，G1（）表示計(jì)算思維培養(yǎng)的效果函數(shù)，X w'表示在教學(xué)者創(chuàng)設(shè)的相關(guān)問題情境中學(xué)習(xí)者可以更有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.課中活動(dòng)設(shè)計(jì)，包括異質(zhì)分組、問題識(shí)別、開展探究、策略選擇與應(yīng)用及成果展示等幾個(gè)環(huán)節(jié)。

教師在分組方面，不僅要尊重學(xué)生的意愿，還要考慮學(xué)生擅長的方面，以保證學(xué)生的興趣與異質(zhì)的共同存在。因?yàn)椴煌膶W(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的角度不一樣，從而縮小各小組之間的差距，有利于開展教學(xué)活動(dòng)。根據(jù)教師的案例分析，運(yùn)用計(jì)算思維的方法特點(diǎn)進(jìn)行問題的識(shí)別。因此有A2=G2 （Xp'），A2表示在問題識(shí)別活動(dòng)中，計(jì)算思維的培養(yǎng)效果，G2（）表示計(jì)算思維培養(yǎng)的效果函數(shù)，X p'表示在教學(xué)者的指導(dǎo)下，運(yùn)用計(jì)算思維方法引導(dǎo)學(xué)習(xí)者提出與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的問題，可以引發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲。

在運(yùn)用計(jì)算思維開展探究的過程中，學(xué)生要查閱相關(guān)資料，思考已經(jīng)掌握的相關(guān)問題的信息進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，之后進(jìn)行合作學(xué)習(xí)；教師在學(xué)生的交流討論過程中要提供必要的指導(dǎo)，將集體的智慧凝結(jié)在一起，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科背后的知識(shí)，并與其他學(xué)科知識(shí)結(jié)合。因此有A3=G3（Xz'），A3表示在探究活動(dòng)中，計(jì)算思維的培養(yǎng)效果，G3（）表示計(jì)算思維培養(yǎng)的效果函數(shù)，X z'表示學(xué)習(xí)者在教學(xué)者的指導(dǎo)下，利用已有資源和計(jì)算思維方法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，構(gòu)建知識(shí)體系之后與其他學(xué)習(xí)者進(jìn)行交流討論，完善問題答案，有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者終身學(xué)習(xí)的能力。

策略選擇與應(yīng)用，是指學(xué)生在交流討論的過程中，不斷發(fā)現(xiàn)問題解決問題，經(jīng)過一系列地研究探索，運(yùn)用遞歸思維回推，仿真解決抽象問題，并行處理等方法形成最終的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，不僅僅完成由計(jì)算機(jī)教育向信息教育轉(zhuǎn)化的過程，更是將信息素養(yǎng)和計(jì)算思維融合到信息技術(shù)過程中去。提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

學(xué)生在成果展示過程中，要進(jìn)行多方面的思考。在這個(gè)過程中，學(xué)生要進(jìn)行自評(píng)和反思，想想自己哪些方面做得好，哪些方面做得不好，教師要對(duì)每個(gè)作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，指出優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。學(xué)生在反思與思維的碰撞中鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)體系內(nèi)化知識(shí)，拓展思維空間。

3.課后測評(píng)，傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)體系主要是面向低水平的認(rèn)知領(lǐng)域，忽視了對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度、過程發(fā)展以及高級(jí)思維技能的評(píng)價(jià)。過度地重視學(xué)生的分?jǐn)?shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果不能真實(shí)全面地反映學(xué)習(xí)者的能力水平。因此，對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)，不僅要考慮學(xué)生的知識(shí)掌握程度，更要考慮學(xué)生的思維能力是否提高。對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的評(píng)價(jià)，主要注重學(xué)生在解決問題時(shí)所表現(xiàn)出的準(zhǔn)確程度、時(shí)間效率以及尋求正確方法的能力，可以采用標(biāo)準(zhǔn)化測試。而過程評(píng)價(jià)要盡可能地在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，主要評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中是否有重要的觀點(diǎn)，是否有效地整合了相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)，是否有思維的轉(zhuǎn)變等。因此有A4=G4（Xf'），A4表示在課后評(píng)價(jià)中，計(jì)算思維的培養(yǎng)效果，G4（）表示計(jì)算思維培養(yǎng)的效果函數(shù)，X f'表示在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者在教學(xué)者的指導(dǎo)幫助下，進(jìn)行效果評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)，在這個(gè)過程中，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)進(jìn)行遷移，達(dá)到舉一反三的目的。

綜上所述，Asct=A1+ A2+ A3+ A4

因此，基于計(jì)算思維的PBL教學(xué)模式，是以學(xué)生在“真實(shí)世界”可能遭遇的非結(jié)構(gòu)化的問題為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而學(xué)生的一切學(xué)習(xí)內(nèi)容都是以問題為中心點(diǎn)，在小組合作學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)過程中，教師起主導(dǎo)作用，給學(xué)生提供解決問題的策略，但是不能直接告訴學(xué)生答案，通過問題的解決使學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)科背后的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。在每一個(gè)問題完成和每個(gè)課程單元結(jié)束時(shí)，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和小組評(píng)價(jià)，深入學(xué)習(xí)探究，通過學(xué)習(xí)者的鞏固和交流掌握解決問題的方法，拓展思維空間。PBL教學(xué)模式通過問題背景的設(shè)定，與學(xué)生的真實(shí)生活緊密聯(lián)系，讓學(xué)生在解決問題的過程中層層深入，更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

三、結(jié)束語

在學(xué)習(xí)生活中，當(dāng)學(xué)習(xí)者接觸到某種新奇的、不理解的事物時(shí)，好奇心就會(huì)主動(dòng)驅(qū)使其去了解它，從而達(dá)到解決問題的目的。所以說，計(jì)算思維過程主要體現(xiàn)在問題解決的過程中。當(dāng)一個(gè)人對(duì)別人問他的東西都很熟悉時(shí)，就毋需思考，只要運(yùn)用他記憶中的知識(shí)就可以了，這就體現(xiàn)了計(jì)算思維的抽象和自動(dòng)化特點(diǎn)。因此，探究采用何種教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，對(duì)學(xué)習(xí)者的發(fā)展有重要意義。本文將計(jì)算思維與PBL教學(xué)步驟相結(jié)合，可以更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和信息素養(yǎng)能力。

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（責(zé)任編輯：彭琳琳）

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

中圖分類號(hào)G434

收稿日期2016-01-27

作者簡介：馬玉慧（1974-），女，遼寧錦州人，渤海大學(xué)教育與體育學(xué)院副教授，博士，研究方向：教育技術(shù)學(xué)、人工智能在教育中的應(yīng)用研究、知識(shí)工程；生詩蕊（1992-），女，遼寧葫蘆島人，渤海大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向：計(jì)算思維的培養(yǎng)模式。