基于PBL教学模式的计算思维培养模式研究

马玉慧，生诗蕊

渤海大学，辽宁锦州121000



基于PBL教学模式的计算思维培养模式研究

马玉慧，生诗蕊

渤海大学，辽宁锦州121000

摘要目前，计算思维能力的培养虽然受到了广泛关注，但是，采用何种模式才能更为有效地培养计算思维仍是一个值得关注的问题。结合PBL教学模式的特点，构建在网络环境下培养计算思维的模型，并将计算思维的一系列方法运用到具体的教学步骤中去。基于PBL教学模式的计算思维培养不仅可以提高教学者的教学效率，而且可以提升学习者的学习效果和计算思维能力。

关键词PBL教学模式；计算思维；网络环境

计算思维中的“计算”是广义的计算。随着信息化的全面推进，“计算机”变得无处不在、无事不用，网络延伸到各个角落，加上数据积累的简单化、容易化，使计算思维成为人们认识和解决问题的重要思维方式之一。[1]一个人若不具备计算思维能力，将在从业竞争中处于劣势；一个国家若不使广大受教育者得到计算思维能力的培养，在激烈竞争的国际环境中将不可能引领而处于落后地位。[2]随着当代科学技术的快速发展，计算机技术在各个领域的广泛应用，计算机已经在人类日常生活中有越来越重要的作用。因此，计算思维的培养引起了越来越多人的重视。

一、PBL与计算思维特点

（一）PBL教学模式特点

PBL（Problem-Based Learning，基于问题的学习，也称作问题式学习）以学生为中心的教育方式，它强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过教师的指导和学习者的合作来解决真正的问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。[3]在当今课程改革和创新教育的大背景下，问题是课程的起点，只有在不断地发现和解决问题的循环往复过程中，学生的高级思维能力才能得以发展，目前几乎所有的教学活动都与各式各样的问题密切联系。

（二）计算思维特点

周以真教授指出：计算思维就是运用计算机科学的基本概念去求解问题，设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维包含一系列方法如：启发式推理，关注点分离，分解任务，递归思维回推，仿真解决抽象问题，并行处理，折衷思维处理等方法。[4]如应用关注点分离的方法将问题进行准确定位，在生活中买衣服不仅注重美观，还要注重实用的特性，这就是并行处理。

在PBL模式的教学过程中培养学习者的计算思维能力，要将教学者、学习者与问题紧密地结合起来，这样，学习者作为获取知识的主体不仅要掌握基础知识，更要提高分析解决问题的能力。

二、基于PBL教学模式的计算思维培养构建

（一）构建依据

在计算机广泛应用的信息时代，计算思维的教育不是为了让受教育者成为计算机科学家，而是让受教育者学会像科学家一样去思考问题。而采用PBL教学模式培养学生的计算思维是以学生为中心，计算思维内容和问题为基本点，课程为主线设计学习活动，通过学生的自主学习和合作交流解决问题，内化知识，学到学科背后的知识。

（二）基于PBL教学模式的理论基础

在网络环境下的自主学习中，尽管强调以学习者自学为主，但这其中并不意味着没有教学者的参与，只是教学者的角色发生了变化，从讲坛上的“讲者”变成了学习资源的设计与组织者、学习辅导者和学习过程的评估者，其过程仍然是一个教学过程。[5]在网络环境下，基于PBL教学模式的学习颠覆了传统的灌输式教学模式，而且这种学习模式不仅仅是计算思维的培养方法，更是为教学者与学习者提供了更好的教学方法，让学习者可以运用网络进行高效的学习。通常情况下，网络环境下的PBL教学模式培养计算思维的过程包括四个因素：教学者、学习者、问题、网络环境。为了更好地表述这四个因素的关系，可以用如下模型表示：

P=F（Pt，Ps，Q，W）

其中P表示网络环境下的PBL教学模式，F（）是一个过程函数，Pt是教师活动，Ps是学生活动，Q表示与教学内容相关的能够引起学生兴趣的真实性问题，W表示师生同处的网络的环境。

在网络环境下的PBL教学模式，要求学习者能够准确地发现问题，并且通过网络环境快速地查找资料解决问题。在这种教学模式中Q和W尤为主要，W所提供的教学情境越真实，教学资料越多，Pt的教学活动进行的越顺利，则Ps的学习效果越好。

（三）基于PBL教学模式的计算思维模型构建

基于PBL教学模式的计算思维培养是以学生在“真实世界”可能遭遇的非结构化的跨学科的问题为学习的起点，引起学生的学习兴趣，而学生的一切学习内容都是以问题为中心点，注重因材施教，在小组合作学习和自主学习过程中教师起主导作用，通过问题的解决使学生发现学科背后的知识，培养学生的计算思维、自主学习能力和创新能力。在每一个问题完成和每个课程单元结束时，进行自我评价和小组评价，深入学习探究，通过学习者的巩固和交流掌握解决问题的方法，拓展思维空间。因此，可以用如下模型表示：

Pct=F（Ptct，Psct，Q，W）

Pct表示在网络环境下运用PBL教学模式进行计算思维能力的培养，F（）是运用PBL培养计算思维的过程函数，Ptct表示教学者运用计算思维方法指导教学活动，Psct表示学习者运用计算思维方法进行学习，Q表示问题，W表示网络环境。

一般情况下，在这个过程中，Ptct，Psct还包含如下因素：

Ptct={w，p，z，f}

Psct={w'，p'，z'，f'}

w表示为学习者提供良好的网络环境和相关的学习资料，p表示在真实或者接近真实的情境中引出的问题，z表示在教学活动中教学者对教学活动的指导与把握，f表示教学活动中的反思与评价。

w'表示在Ptct创设的环境下进行更有效的学习，p'表示在Ptct的帮助下发现与课程内容相关的问题，z'表示在Ptct的指导下进行自主学习、交流讨论与合作学习，f'表示在Ptct的帮助下对知识进行巩固、拓展和迁移。

在通常情况下，Ptct要运用仿真、简约转化等计算思维方法指导学习者进行高效率的学习。Psct要运用递归，折衷、关键点分离的计算思维方法进行知识的内化。

在网络环境下的PBL教学模型是建构主义教学理论与教育技术理论的整合，这种教学模式对计算思维的培养更加有效。

（四）基于PBL教学模式的计算思维实践模型构建

PBL教学模式是课堂教学过程中的主要环节和步骤，指导整个教学活动的组织和内容的设计，是培养计算思维的命脉。因此，以师生共同发展为目的，通过对教学过程的分析对学习者的计算思维培养进行研究，在这里用Asct表示学习者的计算思维能力。

1.课前准备，包括教学环境设计和教学准备。学生知识的获取与内化，离不开学习环境的支撑。利用计算思维方法与特性搭建个性化和协作化学习的网络平台，一方面可以让学生查找相关资料自主学习，另一方面也可以合作交流。课堂活动开始之前，教师根据教学内容、教学目标编写教学案例，案例的编写要与学生日常生活中所遇到的现实问题联系。因此有A1=G1（Xw'），A1表示在课前准备活动中计算思维的培养效果，G1（）表示计算思维培养的效果函数，X w'表示在教学者创设的相关问题情境中学习者可以更有效地进行学习。

2.课中活动设计，包括异质分组、问题识别、开展探究、策略选择与应用及成果展示等几个环节。

教师在分组方面，不仅要尊重学生的意愿，还要考虑学生擅长的方面，以保证学生的兴趣与异质的共同存在。因为不同的学生发现问题、解决问题的角度不一样，从而缩小各小组之间的差距，有利于开展教学活动。根据教师的案例分析，运用计算思维的方法特点进行问题的识别。因此有A2=G2 （Xp'），A2表示在问题识别活动中，计算思维的培养效果，G2（）表示计算思维培养的效果函数，X p'表示在教学者的指导下，运用计算思维方法引导学习者提出与教学内容相关的问题，可以引发学习者的兴趣，激发学习者的求知欲。

在运用计算思维开展探究的过程中，学生要查阅相关资料，思考已经掌握的相关问题的信息进行自主学习，之后进行合作学习；教师在学生的交流讨论过程中要提供必要的指导，将集体的智慧凝结在一起，指导学生发现学科背后的知识，并与其他学科知识结合。因此有A3=G3（Xz'），A3表示在探究活动中，计算思维的培养效果，G3（）表示计算思维培养的效果函数，X z'表示学习者在教学者的指导下，利用已有资源和计算思维方法进行自主学习，构建知识体系之后与其他学习者进行交流讨论，完善问题答案，有助于培养学习者终身学习的能力。

策略选择与应用，是指学生在交流讨论的过程中，不断发现问题解决问题，经过一系列地研究探索，运用递归思维回推，仿真解决抽象问题，并行处理等方法形成最终的设计。在这个过程中，不仅仅完成由计算机教育向信息教育转化的过程，更是将信息素养和计算思维融合到信息技术过程中去。提升学生分析问题、解决问题的能力。

学生在成果展示过程中，要进行多方面的思考。在这个过程中，学生要进行自评和反思，想想自己哪些方面做得好，哪些方面做得不好，教师要对每个作品进行评价，指出优点和缺点。学生在反思与思维的碰撞中巩固基础知识，构建知识体系内化知识，拓展思维空间。

3.课后测评，传统的教学评价体系主要是面向低水平的认知领域，忽视了对于学生学习能力、学习态度、过程发展以及高级思维技能的评价。过度地重视学生的分数，评价结果不能真实全面地反映学习者的能力水平。因此，对于学生的评价，不仅要考虑学生的知识掌握程度，更要考虑学生的思维能力是否提高。对于基础知识的评价，主要注重学生在解决问题时所表现出的准确程度、时间效率以及寻求正确方法的能力，可以采用标准化测试。而过程评价要尽可能地在真实环境中进行，主要评价学习者在学习过程中是否有重要的观点，是否有效地整合了相关领域内的知识，是否有思维的转变等。因此有A4=G4（Xf'），A4表示在课后评价中，计算思维的培养效果，G4（）表示计算思维培养的效果函数，X f'表示在网络环境中，学习者在教学者的指导帮助下，进行效果评价和综合评价，在这个过程中，加深对基础知识的认识，并能够将所学知识进行迁移，达到举一反三的目的。

综上所述，Asct=A1+ A2+ A3+ A4

因此，基于计算思维的PBL教学模式，是以学生在“真实世界”可能遭遇的非结构化的问题为学习的起点，引起学生的学习兴趣，而学生的一切学习内容都是以问题为中心点，在小组合作学习和自主学习过程中，教师起主导作用，给学生提供解决问题的策略，但是不能直接告诉学生答案，通过问题的解决使学生发现学科背后的知识，培养学生的计算思维、自主学习能力和创新能力。在每一个问题完成和每个课程单元结束时，进行自我评价和小组评价，深入学习探究，通过学习者的巩固和交流掌握解决问题的方法，拓展思维空间。PBL教学模式通过问题背景的设定，与学生的真实生活紧密联系，让学生在解决问题的过程中层层深入，更好地培养学生的计算思维能力。

三、结束语

在学习生活中，当学习者接触到某种新奇的、不理解的事物时，好奇心就会主动驱使其去了解它，从而达到解决问题的目的。所以说，计算思维过程主要体现在问题解决的过程中。当一个人对别人问他的东西都很熟悉时，就毋需思考，只要运用他记忆中的知识就可以了，这就体现了计算思维的抽象和自动化特点。因此，探究采用何种教学模式培养学生的计算思维，对学习者的发展有重要意义。本文将计算思维与PBL教学步骤相结合，可以更有效地培养学生的计算思维和信息素养能力。

[参考文献]

[1]李小明，蒋宗礼等.积极研究和推进计算思维能力的培养[J].计算机教育，2012（5）.

[2]蒋宗礼.计算思维之我见[J].中国大学教学，2013（9）.

[3]韩秋枫，孔波，李祁.大学计算机课程引入基于计算思维的问题探究式教学的思考[J].计算机工程与科学，2014（4）.

[4]张蕾.面向计算思维的WPBL教学模式研究[J].课程与教学，2014（3）.

[5]牟琴，谭良，吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究[J].网络教育与远程教育，2011 （5）.

（责任编辑：彭琳琳）

文献标识码A

中图分类号G434

收稿日期2016-01-27

作者简介：马玉慧（1974-），女，辽宁锦州人，渤海大学教育与体育学院副教授，博士，研究方向：教育技术学、人工智能在教育中的应用研究、知识工程；生诗蕊（1992-），女，辽宁葫芦岛人，渤海大学信息科学与技术学院硕士研究生，研究方向：计算思维的培养模式。