基于计算思维的面向问题求解模式教学改革的探索与实践

付文霞+张学辉+李昕+郑立垠

摘要：分析了以往程序设计教学中存在的问题，提出了“基于计算思维面向问题求解”的教学模式，优化构建了“基于问题求解的多层次递进式”教学内容和协同考核评价体系。围绕实际问题求解来组织教学内容，使学生运用所学知识和已有经验寻找、分析和解决问题，将抽象、分解和构造性思维等计算思维能力的培养贯穿于问题求解的全过程，科学合理地评估学生进行问题求解的计算思维能力。

关键词：问题求解；计算思维；教学改革；程序设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）41-0279-02

2006年3月，美国卡内基·梅隆大学的周以真（Jeannette M.Wing）教授在美国计算机权威期刊上正式提出了“计算思维”的概念[1]。2010年《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》的核心要点强调“需要把培养学生的‘计算思维能力作为计算机基础教学的核心任务”[2]。中国科学研究院陈国良院士进一步指出：计算思维是一种有关于问题描述、问题建模和问题求解的科学思维能力[3]。随着信息化技术的不断发展与深入应用，当代大学生应具备分析和解决问题的计算思维能力，从而进一步提升大学生的综合素质，强化他们的创新实践能力。

一、教学中存在的主要问题

计算思维的重要体现是问题求解的思维规律和方法，而程序设计过程正反映了问题求解过程，程序设计是计算思维的重要载体[4]。因此，推进程序设计课程的教学改革对于培养大学生的计算思维能力尤为重要，而总结和分析近年来教学中存在的问题将会成为深化教改的一个突破口。

1.“面向语法为中心”的教学模式亟待改善。目前，程序设计教学以语法点的讲解为起点，围绕语法点，设计和讲解算法，教学模式就像按照从树叶（语法）→树枝（算法）→子躯干（问题求解）→主躯干（计算思维）的逆生长规律种树一样，教师是课堂的主体，学生被动接受课程中的语法和算法等知识，最终由学生自己内化出问题求解的思想或思维，这是有悖于学生的学习和认知规律的，最终导致学生出现严重的入门难、厌学、抄袭和掉队现象，极大地阻碍了学生的学习积极性和兴趣，无形中造成了“知识传递重，能力培养轻”的效果。

2.课程考核与协同评价机制有待改进。考评机制作为指挥棒，是对教学过程的宏观调控。目前，课程的考评方式过于单一，最终成绩仅限于平时成绩（作业+考勤）和期末笔试成绩，这不利于及时跟踪了解学生的平时学习情况，对于评估学生的问题求解能力也存在一定的主观性和片面性。

二、探讨“基于计算思维的面向问题求解”的教学模式

以问题求解为导向的学习始于20世纪50年代美国的CaseWestern大学，它是以学生为中心的教学模式，对学生进行提出问题、分析问题、解决问题的能力培养。在教学中将问题求解贯穿于整个教学过程，使学生运用所学知识和已有经验寻找问题、分析问题、解决问题，能够让学生积极主动思考，建构知识体系，提高计算思维能力。

“基于计算思维的面向问题求解”的教学模式具体实施步骤如下：第一步，通过问题提出引例，引导学生分解简化复杂问题，抽象出问题模型，讨论解决方法，设计出解决方案，锻炼了学生抽象与分解的计算思维能力；第二步，巧妙设问，要求学生自己构造出问题求解的一般步骤，接着引导学生学习实现算法所必需的最少语法知识、编程实现，锻炼了学生的构造性思维；第三步，启发学生充分利用问题中所给出的启发式信息，对算法进行优化，锻炼了学生的启发式推理能力；第四步，鼓励学生动手实践，对比算法效率，帮助学生认识整体与细节的关系。最后，教师设计一个新的问题求解，学生自己动手实践，实现对前面问题求解过程的巩固练习。

新的教学模式将计算思维能力的培养贯穿到了问题求解的全过程。它强调围绕问题情境完成知识的建构，加深学生对抽象、分解和构造性思维等程序设计过程中常用的计算思维方法的深刻认识，有利于学生从日常思维方法向计算思维方法的转变，在潜移默化中实现了对学生计算思维能力的培养。

三、构建“基于问题求解的多层次递进式”的教学内容体系

配合新的教学模式，将课程内容的组织从结构主义转变为解构主义，围绕“实际问题求解”来组织教学内容。将教学内容从系统性、完整性向个性化、碎片化过渡，将枯燥繁多的语法点设计到每个具体的问题中，以解决问题为目的，讲解语法以“必需、够用”为度。既有利于加强学生在解决实际问题时对知识点的融会贯通，又解决了由于一次课中“知识点过于集中”而给学生造成的学习困难。

构建四个层次的“基于问题求解的多层次递进式”教学内容体系。第一层是开篇导教阶段，主要任务是引导学生理解什么是计算思维，解决“为什么学习本课程”的疑问；第二层是分类问题求解的基础篇阶段，通过一些趣味性高的简单问题求解，分散讲解基础语法和三种控制结构，帮助学生初步构建问题求解的思维过程；第三层是专题问题求解的提高篇阶段，围绕核心算法设计问题求解，穿插一些小型综合项目的开发，进一步提高学生的问题求解能力；第四层是综合问题求解的强化篇阶段，以游戏为主题，设计一些规模较大的综合项目开发，激发学习兴趣，引导学生将前面所学知识进行融会贯通，进一步强化学生应用计算机解决问题的计算思维能力。

四、构建科学合理的考核评价体系

遵循对学习进行全程跟踪化和考试的公开透明化的原则，构建了形成性和终结性评价相结合的评价体系。在形成性评价中，借鉴了游戏关卡的激励机制，采取积分关卡策略，激励学生以小组模式，积极参与课程的每个学習环节。以此来及时地了解学生的学习情况，实现对教学过程的宏观调控。在终结性评价方面，改革之前的笔试为全面机考，真正考核学生应用计算机解决实际问题的能力，机考在OJ平台上能够实现在线评测和实时排名，实现了对学生过程考评的公平、合理性，有效地保护和提高了学生学习的积极性，为新的教学模式的实施提供了有利保障，同时能够比较客观、合理地评估学生应用计算机进行问题求解的计算思维能力。

五、总结

基于计算思维的面向问题求解的教学模式采取的是以“计算思维为核心，问题求解为主线，教师为主导，学生为主体”的改革策略，将教学由原来的面向语法为中心转变为面向问题求解，改变了传统教学中沉闷的学习氛围，激发了学生的学习兴趣。近年来，学生编程求解问题的总量有较大提升，程序的规模也有大幅增长，尤其在综合类项目开发阶段，学生的单个程序的最大代码行数SLOC（source lines ofcode，Stanford和UIUC等国际知名大学用作教学效果的量化指标）能达到527行，相较于之前的109行有大幅上升。教学实践表明，新的教学模式有效地提高了大学生问题求解的计算思维能力。

参考文献：

[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010，（9）.

[3]陈国良.计算思维[J].中国计算机学会通讯，2011，8（1）：31-34.

[4]童键.基于问题求解思维能力培养的程序设计教学实践[J].软件导刊，2014，13（4）：84-86.endprint