面向賦能教育的程序設(shè)計類教學(xué)模式研究

汪紅霞,賀愛香

(安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院,安徽 合肥230088)

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,國家未來需要的是創(chuàng)新能力強、實踐能力強、具備國際競爭力的高層次、高素質(zhì)復(fù)合型人才。要求當代大學(xué)生不僅能運用所掌握的知識去解決現(xiàn)有的問題,還要求學(xué)生具備學(xué)習(xí)新知識、掌握新技術(shù)、解決社會發(fā)展中出現(xiàn)的新問題的能力。能夠運用計算機結(jié)合所學(xué)專業(yè)創(chuàng)新完成某些應(yīng)用開發(fā),解決一些實際問題。把實際問題轉(zhuǎn)化為計算機所能解決問題的能力稱之為計算思維能力,如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力、怎樣給予學(xué)生賦能是目前高等教育較為關(guān)注的問題之一。程序設(shè)計就是計算思維能力的實踐,包括分析問題、設(shè)計算法、編寫程序、解決問題等系列活動。程序設(shè)計的突出重點是采用什么思路,運用什么思維,采納什么方法,最終解決一類問題,這是提高學(xué)生分析和解決問題的能力的重要途徑,對培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維和信息素養(yǎng)具有重要的作用。然而,老舊的程序設(shè)計教學(xué)模式已不能適應(yīng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。課程大部分時間是傳授知識,缺少思維講解和訓(xùn)練,導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣、不主動思考等現(xiàn)象產(chǎn)生。本文就程序設(shè)計教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力及怎樣給予學(xué)生賦能,提出了實施方案。

1．1 賦能教育在程序設(shè)計課程中的意義

賦能被稱之為“掌握自己命運的過程”,它被廣泛應(yīng)用于教育、管理、醫(yī)學(xué)和心理學(xué)等各個領(lǐng)域[1]。其中賦能教育可以促進個體發(fā)現(xiàn)自我潛能,主動參與學(xué)習(xí)的管理,是提升教師和學(xué)生能力為核心的教育[2]。對學(xué)生賦能是指教師為學(xué)生提供教學(xué)資源、技術(shù)支持和幫助,由學(xué)生承擔(dān)自我管理的責(zé)任,做出選擇和行動以致自主學(xué)習(xí)行為改變。最早文獻Conger[3]等人開展動機路徑來分析授權(quán),賦能授權(quán)的過程就是通過激發(fā)內(nèi)源動力主動調(diào)動自我管理水平的過程。賦能就是調(diào)節(jié)自我管理,使個體提升自身效能而主動改變行為的過程。

因此,在達成培養(yǎng)學(xué)生賦能、培養(yǎng)其成為富有激情的終身學(xué)習(xí)者為目標的過程中,教師需要成為一名引導(dǎo)者,授人以漁。學(xué)生個體的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)進度、成效評估都由自己把控。一旦學(xué)生掌握了這項能力,賦能教育就賦予了學(xué)生強大的力量。他們會變得相當投入,學(xué)習(xí)的積極性極大地被激發(fā),達到深度學(xué)習(xí)的效果,并能成為問題解決者,促進了成長思維的養(yǎng)成。

1．2 計算思維和程序設(shè)計關(guān)系

程序設(shè)計就是計算思維能力的實踐,主要流程為分析問題、設(shè)計算法、編寫程序、解決問題。程序設(shè)計的重點在解決問題的思路或思維,運用什么方法解決一類問題。解決問題步驟從問題抽象和分析、理論、方法論、具體解決、可能出現(xiàn)新的問題,再循環(huán)此過程直到問題解決。比如在講到貪心算法、分治法的時候,先提出一個具體問題,然后分析、抽象,去掉無關(guān)緊要的元素,抓住實質(zhì)性的要點,概括出一類問題,尋找一個現(xiàn)有的理論,或者對現(xiàn)有理論進行創(chuàng)新改造,試圖去解決,如果出現(xiàn)問題,再回頭重來。文獻[4－6]論述了融入計算思維的程序設(shè)計類課程對學(xué)生的培養(yǎng),收到良好的教學(xué)效果。

以計算思維為導(dǎo)向的程序設(shè)計更注重突出思想方法、知識的融會貫通,甚至是跨領(lǐng)域的運用[7]。它區(qū)別于單純地學(xué)習(xí)語法規(guī)則,來探索分析和理解規(guī)則形成的原因,在理解運用這些規(guī)則可以解決什么問題的基礎(chǔ)上,學(xué)會基于現(xiàn)有規(guī)則、重組規(guī)則解決復(fù)雜的問題。

綜上所述,本文將賦能教育與計算思維相結(jié)合對目前的“程序設(shè)計”課程教學(xué)模式進行改革和實踐,針對程序設(shè)計課程的特點、程序設(shè)計過程與方法學(xué),設(shè)計一個解決此數(shù)學(xué)模型的算法,再以一種程序設(shè)計實現(xiàn)語言編程。通過研究建立起一套適合應(yīng)用型高校的“程序設(shè)計”課程的知識體系。

2 研究方向與改革思路

以學(xué)生為中心,以計算思維培養(yǎng)為核心導(dǎo)向,以賦能教育為目標,激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的潛能為動機,實現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng),促使學(xué)生提高運用計算思維的方式發(fā)現(xiàn)問題、理解問題和解決問題的能力,優(yōu)化“程序設(shè)計”課程教學(xué)內(nèi)容,探索新形勢下賦能教育的新模式,具體改革思路如圖1所示。

圖1 程序設(shè)計類賦能教育改革新模式

2．1 重構(gòu)多維度課程體系

探索基于當代物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)和專業(yè)工程認證(OBE,Outcomes－Based Education)要求下的新教學(xué)模式,構(gòu)建基于三個維度改革的程序課程體系(如圖2所示),并運用智慧教學(xué)工具開展教學(xué)數(shù)據(jù)化全過程檢測、精準的學(xué)情分析及學(xué)業(yè)水平診斷,建立多維度評價機制,進行程序設(shè)計課程“人工智能＋教育”模式的探索與實踐。

圖2 三個維度改革程序課程體系

2．2 整合教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計

傳統(tǒng)的教學(xué)模式,教師一般都是按照教材的章節(jié)順序講解知識點,往往耗費大量課時和精力在語法等基礎(chǔ)內(nèi)容講解上,忽視了訓(xùn)練學(xué)生計算思維的環(huán)節(jié)。由于缺乏計算思維的訓(xùn)練,學(xué)生往往意識不到它的重要性,而通過死記硬背概念和程序設(shè)計規(guī)則,是無法真正掌握和領(lǐng)悟計算機求解問題所用的思維方法的。我們的做法是：依據(jù)新的教學(xué)目標,對課程內(nèi)容按照記憶、理解、應(yīng)用三個層次分類重新梳理劃分知識要點,對教學(xué)設(shè)計進行重新構(gòu)建。具體措施如下：

(1)課前——學(xué)生帶著任務(wù)去學(xué)。課前推送預(yù)習(xí)內(nèi)容主要涉及記憶、理解部分的知識點。課前主要是學(xué)生自主學(xué)習(xí),即通過個人查閱資料或小組討論的方式進行自主學(xué)習(xí)。學(xué)生可以通過對知識點的梳理,繪制出思維導(dǎo)圖加以理解,并填寫預(yù)習(xí)任務(wù)單。任務(wù)單包括主要內(nèi)容、疑難點、易錯點三部分內(nèi)容的描述。對于疑難點,學(xué)生自行查閱資料,在查閱資料的過程中,發(fā)現(xiàn)自己的知識結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié),小組討論在相互交流中拓展思維,有助于學(xué)生加深對問題的理解,從而豐富知識。

(2)課中——學(xué)生帶著問題來聽。課堂是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的載體。為充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高課堂效率,教師應(yīng)構(gòu)建一個“教師導(dǎo)學(xué)、學(xué)生自學(xué)、同伴互學(xué)”的授課模式。教師利用智慧教學(xué)工具,采用啟迪式教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生提出各種發(fā)散和聯(lián)想的問題,由獨白式轉(zhuǎn)變?yōu)閷υ捠降恼n堂教學(xué)更能讓學(xué)生把問題看得深、看得透,進一步發(fā)現(xiàn)蘊藏在知識背后的思維方式。例如,教師課前需要對任務(wù)單進行分析,統(tǒng)計個性問題和共性問題,以便于掌握學(xué)生的接受程度；在課堂以任務(wù)為驅(qū)動,帶著學(xué)生的困惑和“坎兒”對問題進行深度講解；為打破學(xué)生被動灌輸知識的現(xiàn)象,教師授課可以運用“逆向思維”“發(fā)散思維”等多種思維方式。通過教師的不斷啟迪和引導(dǎo),將學(xué)生思維深入知識的發(fā)現(xiàn)或再發(fā)現(xiàn)的過程中,變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí),從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和創(chuàng)新意識,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和邏輯思維能力。

(3)課后——學(xué)生強化練習(xí)補缺補漏。課后,利用智慧教學(xué)工具除了推送作業(yè)或小測試、開展生生之間、師生之間的答疑活動之外,教師還應(yīng)及時收集智慧教學(xué)平臺學(xué)情數(shù)據(jù),根據(jù)學(xué)習(xí)反饋掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài),持續(xù)改進教學(xué)活動,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。

(4)采用異質(zhì)分組合作化學(xué)習(xí)——資源最優(yōu)化配置。分組合作成員結(jié)構(gòu)采用異質(zhì)分組方式能夠最優(yōu)化配置,低能力水平的學(xué)生在異質(zhì)組能夠得到很大的受益,而高能力水平學(xué)生的表現(xiàn)不會因為被分配到異質(zhì)組而受到損害。異質(zhì)分組的同時要求擴大關(guān)注質(zhì)的類型,可以結(jié)合任務(wù)的設(shè)計來使得每個學(xué)生能夠發(fā)揮特長。

在課程教學(xué)中應(yīng)深度運用智慧教學(xué)工具,提高學(xué)習(xí)效果。智慧教學(xué)工具眾多,以雨課堂為例,開展智慧教學(xué)不僅要實現(xiàn)課前、課中和課后知識的傳遞,更需要利用教學(xué)數(shù)據(jù)分析做到學(xué)習(xí)反饋及知識的發(fā)現(xiàn)。開展多種類型的教學(xué)活動,如頭腦風(fēng)暴、彈幕、投稿、詞云等。利用匿名活動更能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性,利用“詞云”定位討論問題的核心或關(guān)鍵,利用簽到、討論等系列教學(xué)過程行為數(shù)據(jù)進行深度數(shù)據(jù)采集挖掘,以極大地提高學(xué)習(xí)效果。

2．3 以“賦能教育”為中心,建立階梯式實踐教學(xué)體系

實踐教學(xué)是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的重要途徑,是對理論知識的鞏固和對理論認識加深的重要環(huán)節(jié),是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的主要方法和手段。

事實證明,若只是籠統(tǒng)地利用智慧教學(xué)工具實現(xiàn)課前推送資料、課中討論、課后作業(yè)的教學(xué)模式并不能極大地提高所有學(xué)生的成效。為了滿足所有學(xué)生個性化需求,通過智慧教學(xué)工具精準的學(xué)情分析及學(xué)業(yè)水平診斷,構(gòu)建階梯式實踐教學(xué)環(huán)節(jié),實現(xiàn)層次化、個性化教學(xué)[8],如圖3所示。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括驗證型實踐、設(shè)計型實踐和研究型實踐。驗證型實踐主要是夯實理論基礎(chǔ),靈活運用知識；設(shè)計型實踐側(cè)重培養(yǎng)問題求解能力；研究型實踐使學(xué)生具備創(chuàng)新素質(zhì)。圍繞程序設(shè)計實踐教學(xué)體系的三個層次,以問題求解為主線索,突出求解問題所用的解析,建設(shè)側(cè)重問題數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)從單純的技術(shù)開發(fā)向程序設(shè)計層面上的算法設(shè)計轉(zhuǎn)變。

圖3 階梯式實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

2．4 以培養(yǎng)計算思維能力為核心,改變教學(xué)范式

學(xué)生經(jīng)常會出現(xiàn)“上課能聽懂,下課做題就懵”,獨立寫代碼往往遇到問題沒思路的現(xiàn)象。針對這一情況,教師需要改變教學(xué)范式,講方法而非結(jié)論,講思路而非答案,講編程而非語法,做到賦能教育。教師需要改變原來的授課方式,拋棄原先由局部出發(fā)轉(zhuǎn)向全局出發(fā)、自頂而下的方式去剖析問題。具體實施賦能教育的路徑與方法如下：

(1)匯編錯誤——授人以漁。初學(xué)程序設(shè)計,調(diào)試程序中出現(xiàn)的各種錯誤是阻礙學(xué)生前進的最大障礙,出現(xiàn)學(xué)生寫代碼不難,但寫出正確代碼難的問題。為了保障學(xué)生后期學(xué)習(xí)更順暢,教師要求學(xué)生在每次撰寫實驗報告時增加錯誤匯編部分。把調(diào)試程序過程中出現(xiàn)的錯誤,按照錯誤的類型分類,找出錯誤的原因,記錄解決辦法,形成錯誤匯編。學(xué)生在調(diào)試程序時出現(xiàn)的問題,可以采取獨自解決、小組協(xié)助解決、組間協(xié)助解決或教師解決等多種解決形式,增加學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時也提高了學(xué)生調(diào)試程序的能力。要讓學(xué)生知道編程不僅僅是一門技術(shù)更是一門藝術(shù),要教會學(xué)生糾錯,真正做到授人以漁。

(2)逆向思維設(shè)計貫穿教學(xué)過程。通常,教師在安排教學(xué)內(nèi)容時都是按照先給出理論知識,然后再列舉一些相應(yīng)的案例來幫助學(xué)生消化對應(yīng)的理論知識,這種教學(xué)方式效果往往收效甚微。把逆向思維引入教學(xué)設(shè)計,改變傳統(tǒng)的先理論后案例的方式,引入“任務(wù)驅(qū)動→理論知識”模式重新組織教學(xué)內(nèi)容,目的是讓學(xué)生帶著問題、帶著思考去學(xué)習(xí)理論部分,可以起到事半功倍的效果；在實踐環(huán)節(jié),采取“學(xué)生練習(xí)→發(fā)現(xiàn)錯誤→同學(xué)幫助調(diào)試錯誤→教師修正”的模式,從問題的引入、生－生講解、老師講解到最后的問題解決。這種逆向思維設(shè)計方法使學(xué)生的邏輯思維能力得到了很好的訓(xùn)練,既培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹?shù)乃季S方式又培養(yǎng)了良好的程序設(shè)計風(fēng)格,最終教學(xué)效果也顯著。

(3)開放式問題的運用。開放型問題能靈活運用發(fā)散思維和豐富想象力,可以培養(yǎng)學(xué)生自主地、創(chuàng)造性地解決問題的能力。利用智慧教學(xué)平臺,教師可以在討論區(qū)模塊多設(shè)計一些開放式討論題、一題多解、多路思考的活動。發(fā)散思維采用不同的思路,運用不同的知識解決同一問題。最后通過驗證、對比說明每種方式的優(yōu)劣,經(jīng)過獨立思考、討論,學(xué)生對問題越辯越明,解題思路也越來越清晰,促使他們加深對問題的理解,激發(fā)高能力學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。

(4)與專業(yè)相結(jié)合,豐富教學(xué)案例,喚醒學(xué)生內(nèi)驅(qū)力。程序設(shè)計與專業(yè)相結(jié)合更多地體現(xiàn)在解決本專業(yè)領(lǐng)域的實際問題上。如在土木專業(yè)講解背包問題時,引入裝土木建筑材料中用C 程序進行收益最大化控制案例；在講解排序算法時,引入為節(jié)約木料用C程序?qū)δ玖祥L短排序的案例等。讓學(xué)生感知學(xué)以致用,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機。在案例中添加學(xué)生喜聞樂見的元素及關(guān)注的傳遞正能量的新聞熱點或熱播劇,使教學(xué)內(nèi)容保鮮,極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,達到喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的目的。

2．5 建立“評價→反饋→改進”閉環(huán)反饋的持續(xù)改進機制

反饋信息是教師獲取學(xué)生掌握知識點程度的有效途徑。教師通過每次課前預(yù)習(xí)任務(wù)單及第一次上課、期中、期末問卷調(diào)查等方式不斷線的多渠道收集反饋信息,然后依據(jù)學(xué)生的反饋及評價意見及時調(diào)整和修改下一階段的教學(xué)內(nèi)容,以保障良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語

針對程序設(shè)計類教學(xué)中存在的問題,圍繞如何實施賦能教育,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和跨界綜合能力,提出賦能教育與計算思維相結(jié)合的程序設(shè)計類課程的改革方案。實踐證明,通過教學(xué)改革,學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、自我評估、編程思維分析和解決問題的能力等方面都有一定程度的提高。