探究式教学模式下计算思维教学的应用与实践研究

李　辉，唐培和，唐新来，徐奕奕，陈集炎

（广西科技大学计算机科学与通信工程学院，广西柳州　545006）



探究式教学模式下计算思维教学的应用与实践研究

李辉，唐培和，唐新来，徐奕奕，陈集炎

（广西科技大学计算机科学与通信工程学院，广西柳州545006）

摘要：实施有效的计算思维教学是当前计算思维的研究重点之一。文章提出将探究式教学模式与计算思维的思想方法结合起来，构建一种融入计算思维理念的探究式教学模型。同时，结合课程案例分析计算思维在教和学过程中的作用。

关键词：探究式教学模式；计算思维；教学案例

0　引言

计算思维的研究和推广给高校教师带来了很多思考，推进计算思维教学改革首先需要弄清楚三个基本问题。一是计算思维教学的目标。国内外专家提出，计算思维教学目标是在计算机课程教学中突出对计算思维能力的培养，培养学生运用计算学科知识与原理求解实际问题，使学生掌握技能，把技能转化为能力，把能力转变为思维。二是计算思维教学的内容。大学计算机基础的课程内容范畴很广，如何选取教学内容对培养学生计算思维能力非常重要。三是计算思维教学的方法。传统的讲授式方法只能满足知识的灌输，不能实现思维的启发和方法的归纳。唐培和教授等人提出教师应该以“故事化、实例化、生活化”的方法深入浅出地引导学生理解计算思维［1］。

新的教学方法要契合教学目标的要求和教材内容的特点，同时要结合学生的思维习惯和学习习惯。探究式教学模式主要从问题提出、问题探究、问题解决方法三个环节进行。它的基本思路是在教师的指导下，学生通过一系列探究活动，认识研究对象的关键要素、要素间的关联关系，将实践的感性材料升华为抽象的理性认知，从而掌握学科的概念和原理［2］。

1　计算思维教学存在的问题

1.1对计算思维教学目标的认识存在偏差

传统的大学计算机基础教学重心放在培养学生掌握计算机基础知识和计算机操作应用能力两方面，忽视了大学生对计算思维能力的培养。在教学改革的过程中，部分高校存在过度讲究思维方法训练，弱化计算机基础操作的现象，计算机教学改革矫枉过正。高校教师对计算思维教学的目标认识的偏差，造成计算机的理论课程与实际操作课程的脱节。计算思维教学的提出是要达到传统与改革的融合而不是割裂。基于计算思维的大学计算机基础课程的培养目标是在课程教学中突出对计算思维能力的培养环节，使学生能够运用计算机的相关概念、思想、方法去学习知识，把技能转化为能力，把能力转变为思维［3］。

1.2计算机教材内容陈旧

目前计算机思维教学大部分直接采用传统计算机基础课教材，教材陈旧表现在两个方面，一是计算机教材的知识点陈旧。计算机技术日新月异地发展，教材的改革更新严重滞后，有些地方高校一套教学计划和教学方案多年不变，技术和技能方面的教学内容跟不上时代的发展。二是计算思维教学提出来以后，部分高校教学改革滞后，教学中不采用新的教材，教学模式也没有更新，计算思维培养就没有了载体。陈旧的教材不适应大学生的学习需要，无法激发学生的学习兴趣和学习主动性。

1.3计算机教师教学方法不更新

目前大部分计算机基础课程教师都采用教师讲，学生听，采取“满堂灌”，学生在整个学习过程中参与度不高，学习完全处于被动。教学过程一般是先讲理论与知识点，介绍学生软件的操作使用，后面让学生上机实验，学生就按部就班完成上机实验，学生动手能力和解决问题的思考能力不强，没有注重学生的计算思维能力培养。

1.4计算机教育者的计算思维素养不高

计算机教师的师资水平参差不齐。任课老师来自不同的专业，年龄层次和职称结构都有较大差异，教学队伍的教学理念、教学方法不统一。在“计算思维”教学的改革中，老师们没有主动成长，适应教学改革发展的需要，学习新的理论知识，提升计算思维的科学素养，教学单位也没有给相关老师提供学习培训的机会。目前，大部分地方高校计算机老师的专业素养仍然停留在过去的水平，很难适应教学改革的要求。

2　计算思维教学探究模式的构建

2.1问题提出

探究式教学总是围绕课程中的知识点来展开的，其出发点是设定需要解答的问题，这是进一步探究的起点。但是，与基于问题式学习不同，其知识点必须由教师根据教学目标的要求和教学的进度来确定，而不可以由学生自由选择。问题的设定，一般要求教师根据课程教学目的和当前教学内容，精心设计，提出既紧扣知识点又合乎逻辑且有一定难度的开放性问题。结合“算法设计”课程教学实践，笔者结合“汉诺塔”问题给“递归”方法提供了一个解决问题的学习情境，这个学习情境生动有趣，可以摒弃抽象难懂的理论问题给学生带来的厌倦和压抑感，并把大学生的学习兴趣聚合起来。根据计算思维的教学目标要求，老师首先针对计算机的操作中需要讲解的问题进行设问。递归算法的问题是如何从未知推出已知，再从已知项推出未知项，递归算法的关键问题是如何直接或者间接调用自身进行推导。汉诺塔问题是递归算法的一种具体应用，教学者要通过教学设计，提供线索，引导启发帮助学生建立两者之间的关系。“探究教学模式”就是要在教学者指导下，学习者通过“自主、探究、合作”为特点的学习方式对目前教学内容的知识点进行自主探究的学习，并进行同学之间的相互交流协作，从而达到掌握课程标准的对认知目标和情感目标要求的一种教学模式［4］。

2.2 问题探究

探究式教学问题探究环节其实质是对问题进行分步解决的过程设计［5］。教学者分步骤引导，与学生共同寻找问题的解决方法。根据教学内容设计一个好的问题或一个相关联的“问题链”。学习者自行寻找问题的解决办法，与其他学习者互动讨论，通过学习者之间的沟通交流，加深对问题本身的理解，补充新的知识和技能。汉诺塔的移动规则很简单，要把N个盘子从1柱移到2柱，我们必须先把N-1个盘子移到3柱，那么第N个盘就可以从1柱移到2柱。同样的做法，最终是可以把N个盘子全部移动到3柱，只是花费的时间比较多。学生在解决汉诺塔问题的过程中体会盘子在三根柱子之间的移动过程，三根柱子的作用充分被调动起来，整个过程没有借助外物。

2.3解决方法

根据汉诺塔的特点可以建立模拟移动数学模型，如图1所示。按照数学模型，学习者可以遵照规则，按照步骤移动源柱上的盘子。盘子的数量即使不断增多，使用递归的算法也可以计算出搬完源柱上的盘子所需要的时间。汉诺塔问题可以培养学习者在解决问题的过程中使用抽象、分解、约简、递归、仿真等计算思维方法。学习者通过主动理清相关事物间的因果关系，提高了学习者本人的计算思维能力。

图1　汉诺塔移动数学模型

作为教学者，应培养学习者主动建立认知结构，形成科学思维习惯，提高学习者解决实际问题的能力，同时考核学习者在探索过程中的实际表现，并检查他们的学习结果和求解思维方法。

3　计算思维教学探究模式的应用效果

3.1明确的学习目标使学生的学习更加主动积极

探究式教学将计算机基础课程中专业性很强、很抽象的内容交给学生思考和探讨，通过问题驱动模式启发学生的思维。在教师的引导下，学生从枯燥的如数制转换、数据编码、IP地址、子网掩码等知识中寻找到解决问题的一般方法，完成计算思维教学的目标。大学生在应试教育中成长，思维能力的发展受到一定限制，但是90后大学生头脑活跃，有很强的思维训练需求，计算思维教学给大学生提供了一个思维成长的空间。2015年，广西科技大学计算机基础课全面采用本校编著的《计算思维导论》，新教材的使用在学生中产生良好的反响，增强了学生学习的积极性和主动性。

3.2增强了学生的专业技能和多项能力

探究式教学为培养学生的能力提供了可操作的空间。学生在这种研究式的教学中形成了严谨务实的科学态度，吃苦耐劳的工作作风，团队精神和创新能力，这些能力和素质的养成对于大学生成才有非常重要的意义。每一个教学任务的完成都训练了学生获取信息的能力和分析能力，掌握进行研究和探讨的方法，全面提升了学生发现问题、分析问题的能力。对于非计算机专业的学生来说，计算思维教学让学生既掌握了基础的计算机知识，又全面提升了自身的计算思维能力。

3.3注重对学习过程的考核

计算思维教学的课程考核体系将学习能力的考核放在首位，重视对学生的表现力、表达能力、组织能力等方面能力的考察。在动态的学习过程中考核学生的表现，也可以考核学生在学习中的认知历程、科学的探究精神，激发学生的学习动力，避免单一的考核方式造成的考试临时抱佛脚等弊端。

4　结论

探究式的教学方法突出了计算思维的思想方法，有意识地培养学习者的计算思维能力，不但能提高教学效果，而且能深入激发学习者的潜能，使学习者的信息素养与创新实践能力都有所提高。运用计算思维的方法解决实际生活中的问题，这种教学模式符合大学计算机基础课程的教学目标，并为其他学科的课程提供借鉴。

［参考文献］

［1］唐培和，徐奕奕，李威龙，朱亚超.关于计算思维教学改革面临的思考［J］.工业和信息化教育，2013（6）：82-86.

［2］肖华.探究式教学模式在专业实践课程中的应用与思考——以《动漫与数字产业经营管理》为例［J］.林区教学，2016（1）：7-8.

［3］汪瑾.基于项目驱动的《大学计算机基础》课程的计算思维培养［J］.科技视界，2016（1）：76.

［4］吴瑾，王朝晖.基于计算思维的大学计算机基础实验教学模式探索［J］.工业和信息化教育，2016（1）：15-17.

［5］牟琴.基于计算思维的计算机基础课程教学与学习的模式研究与实践［D］.成都：四川师范大学，2012：60-65.

（责任编辑：刘婧）

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：2096-2126（2016）03-0121-03

［收稿日期］2016-04-26

［基金项目］广西高等教育教学改革工程重点项目（2015JGZ137、2014JGZ133）阶段成果。

［作者简介］李辉（1981—），男，广西灌阳人，硕士，高级工程师，研究方向：软件工程，模式识别；唐培和（1964—），男，广西全州人，教授；唐新来（1969—），男，湖南邵阳人，博士，教授。

Adopting Inquiry-based Teaching Model Research the Application of Computational Thinking Teaching and Practice

LI Hui，TANG Peihe，TANG Xinlai，XU Yiyi，CHEN Jiyan

（Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou，Guangxi，545006 China）

Abstract:Implementing effective computational thinking teaching is one of the key points of the current research in computational thinking.The paper puts forward a research-style teaching mode which builds a model of integrated into the calculation of the inquisitive teaching concept of thinking by combining the exploratory teaching patterns and calculate the thinking way of thinking.At the same time，it analyses the role of computational thinking in the process of thinking in teaching and learning by using course case.

Key words:research-style teaching mode；computational thinking；teaching case