基于計算思維的問題探究式教學(xué)模式研究

薛佳楣 蘇曉光 馬丹丹 孟凡波

摘要：高校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的主要目標(biāo)之一就是學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中融入問題探究式教學(xué)有助于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和計算思維的形成。該文介紹了基于計算思維的探究式教學(xué)模式的概念，研究了基于計算思維的問題探究式教學(xué)模式的實(shí)施方法和效果。

關(guān)鍵詞：問題探究式教學(xué);計算思維;大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ);課程改革

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0095-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類社會完全進(jìn)入信息時代，計算機(jī)在人們?nèi)粘５墓ぷ?、學(xué)習(xí)和生活中起到了越來越重要的作用。計算機(jī)基礎(chǔ)教育是高等院校通識教育課程的重要組成部分，包括程序設(shè)計語言、辦公軟件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等非計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程?！洞髮W(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》是一門培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)基礎(chǔ)能力的計算機(jī)基礎(chǔ)教育實(shí)踐課程，課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)解決實(shí)際問題的能力，教學(xué)內(nèi)容包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、office軟件、多媒體技術(shù)等。在開展課程教學(xué)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)解決實(shí)際問題的能力是目前的教學(xué)改革主要研究方向。

1 計算思維與問題探究式教學(xué)

計算思維（Computational Thinking，后簡稱CT）是由卡梅隆大學(xué)的計算機(jī)系主任周以真教授在2006年提出的。周以真定義計算思維是“運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動?！庇嬎闼季S建立在計算和建模之上，能夠幫助人們利用計算機(jī)處理無法由單人完成的系統(tǒng)設(shè)計、問題求解等工作。

問題探究式教學(xué)顧名思義就是將問題探究作為教學(xué)活動的主題，讓學(xué)生模擬科學(xué)研究的過程來掌握基本概念、尋找客觀規(guī)律和總結(jié)解題方法，其優(yōu)勢在于變被動接受知識為主動探究知識，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。問題探究式教學(xué)非常適合自然科學(xué)類的課程教學(xué)，比如在計算機(jī)類課程中可以要求學(xué)生利用計算機(jī)去探索解決問題的方法，然后總結(jié)解決問題的思路。

計算思維的培養(yǎng)是大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過10多年的探索和實(shí)踐，計算思維也和聽、說、讀、寫等基本技能一樣成為學(xué)生必備的核心素養(yǎng)之一。近年來，圍繞計算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式也有了一定成果，其中比較有效的一種就是基于計算思維的探究式教學(xué)模式，簡稱ITMCT（Inquiry Teach-ing Model based on Computational Thinking），在ITMCT中，CT理念和探究式教學(xué)完美結(jié)合，教師以提問的方式展開教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生主動去思考和學(xué)習(xí)，最終解決問題并進(jìn)行總結(jié)反思。在ITMCT中，學(xué)生是教學(xué)主體，教師是教學(xué)引導(dǎo)者，學(xué)生的思維過程就是計算思維培養(yǎng)的過程。

為了體現(xiàn)CT的培養(yǎng)過程，教師要引導(dǎo)學(xué)生利用計算機(jī)提供的方法去解決問題，然后反思和探究計算機(jī)解決問題的過程，學(xué)習(xí)并掌握用計算機(jī)解決今后工作和學(xué)習(xí)中遇到問題的方法。由此可見，ITMCT教學(xué)模式的開展應(yīng)結(jié)合計算機(jī)來設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程是非常適合的。

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程開展ITMCT教學(xué)可以分為教學(xué)過程、教師活動和學(xué)生活動3個方面。教師活動包括教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、作業(yè)設(shè)計、考評設(shè)計等。教師必須在教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)CT和探究式的內(nèi)容，選擇合適的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生問題來引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)習(xí)活動。教學(xué)過程中，教師拋出探究性問題來激發(fā)學(xué)生的主動求知欲，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地解決問題，學(xué)生要通過一系列的分析、建模、計算、實(shí)踐和反思的過程來完成問題的求解。在學(xué)生完成教學(xué)問題的求解后，教師要布置課程作業(yè)來引導(dǎo)學(xué)生向更深層次的問題進(jìn)發(fā)，課下獨(dú)立完成并預(yù)習(xí)下一節(jié)課的內(nèi)容。

2 基于計算思維的問題探究式教學(xué)模式設(shè)計

基于計算思維的問題探究式教學(xué)模式圍繞科學(xué)性的問題展開，教師引導(dǎo)學(xué)生通過獨(dú)立完成、小組完成、集體討論等形式進(jìn)行問題的分析和研究，尋求利用計算機(jī)解決問題的方法，最后總結(jié)所學(xué)知識并反思利用計算建模解決問題的方法?；谟嬎闼季S的問題探究式教學(xué)模式可以分為問題啟發(fā)、自主探究、小組合作和總結(jié)提升4個環(huán)節(jié)。

2.1 問題啟發(fā)階段

問題探究式教學(xué)的核心內(nèi)容就是教學(xué)問題，問題的提出要圍繞課程內(nèi)容和計算機(jī)應(yīng)用展開。教師可以從教材或生活實(shí)際出發(fā)來設(shè)計教學(xué)問題，也可以從上一教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生反思階段提出的某個問題出發(fā)來設(shè)計。問題提出的原則是能夠啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和主動進(jìn)行實(shí)踐，難度不易過高否則會造成學(xué)生的厭學(xué)情緒，難度適中可以有效激發(fā)學(xué)生的求知欲和獨(dú)立完成任務(wù)的積極性。例如在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)時可以設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的工作原理這一問題，針對不同階段的學(xué)習(xí)分別設(shè)計數(shù)據(jù)的定義、通信原理、網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)等內(nèi)容來展開教學(xué)活動。讓學(xué)生從教材、網(wǎng)絡(luò)和其他資料中探究發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，掌握數(shù)據(jù)、通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)等知識點(diǎn)。

2.2 自主探究階段

自主探究階段體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在需要，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動探究解決問題的方法，要積極調(diào)動學(xué)生的積極性。自主探究階段教師要把握主動性、問題導(dǎo)向、開放性等原則，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。比如在學(xué)習(xí)哈夫曼樹結(jié)構(gòu)時，教師除了要安排學(xué)生去研究哈夫曼樹的基本知識外，還要引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析該結(jié)構(gòu)的特征，提出為何不存在度為1的節(jié)點(diǎn)這一問題，這可以為后續(xù)的教學(xué)活動開展提供新的探究式問題。

2.3 小組合作階段

自主探究培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，學(xué)生在掌握一定教學(xué)知識后就會有自己的理解，此時可以組織學(xué)生分組合作繼續(xù)進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。由于學(xué)生在進(jìn)入高校之前接觸計算機(jī)的程度不同，對于計算機(jī)基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識掌握程度也不同，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生進(jìn)行合作、對話、分享和互動。首先是根據(jù)自主探究階段的表現(xiàn)將不同層次的學(xué)生分為3-4個層次，然后交叉各層次的學(xué)生組成探究小組進(jìn)行后續(xù)學(xué)習(xí)。教師也要在分組完成之后提出適合小組探究的新問題，讓同學(xué)們在組內(nèi)進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，組長負(fù)責(zé)組織和記錄，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神。比如在學(xué)習(xí)二叉樹知識點(diǎn)時，教師可以要求學(xué)生小組討論樹、二叉樹、森林等結(jié)構(gòu)的概念和規(guī)律，以小組討論的方式來幫助低層次學(xué)生快速理解相關(guān)知識點(diǎn)，讓各層次小組成員分別理解之后再進(jìn)行集中討論，指出部分組員的錯誤并幫助其糾正學(xué)習(xí)方法。

2.4 總結(jié)提升

總結(jié)提升階段也是很重要的一個環(huán)節(jié)，學(xué)生通過自我反思，和教師一起進(jìn)一步梳理相關(guān)問題的解決策略，提升理論的理解水平。在總結(jié)提升環(huán)節(jié)，教師充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，做好學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者，可以先由學(xué)生自己或以小組匯報的形式總結(jié)，其他組或個人補(bǔ)充說明，然后教師針對不同層次的學(xué)生給予不同的指導(dǎo)和要求，也就是教師應(yīng)通過自己的外因作用，調(diào)動起學(xué)生的內(nèi)因的積極性。

3 結(jié)束語

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程是一門實(shí)踐性和綜合性較強(qiáng)的通識教育課程，通過引入問題探究式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生去主動分析問題、提出問題和解決問題，這對于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是非常有效的。學(xué)生在學(xué)習(xí)課程之后能夠掌握計算機(jī)的使用技巧、網(wǎng)絡(luò)信息檢索和分析的方法，這有助于他們在今后的學(xué)習(xí)和工作中能使用計算機(jī)解決實(shí)際問題。ITMCT以學(xué)生為課堂中心，以問題為主線，教師為主導(dǎo)，通過問題探究過程來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，幫助學(xué)生構(gòu)建計算機(jī)核心素養(yǎng)，這符合我國對高等院校計算機(jī)教學(xué)的基本要求。在今后的教學(xué)工作中，對大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)的ITMCT教學(xué)模式還要不斷研究和改進(jìn)，下一步的主要研究方向是構(gòu)建符合學(xué)生實(shí)際和學(xué)校辦學(xué)理念的考評機(jī)制，以及提高教師隊伍的計算機(jī)綜合素質(zhì)等。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度備案課題（項目編號：GJC1318107）;黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度重點(diǎn)課題（編號：GJB1319144）;佳木斯大學(xué)2018年教育教學(xué)研究項目（編號：2018JYXB-041）

作者簡介：薛佳楣（1974-），女，黑龍江佳木斯人，副教授，碩士，主要研究方向為數(shù)據(jù)庫、軟件工程;通訊作者：蘇曉光（1974-），女，黑龍江佳木斯人，實(shí)驗師，碩士，主要研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、恢復(fù)，數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化。