计算思维导向的大学计算机基础PBL教学模式研究

邹 帆

（四川师范大学基础教学学院，四川成都610068）

0 引言

教育部在《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见》中指出，在大学教育教学过程中，要对计算机基础教育给予高度重视，并明确提出要求培养学生的信息素养及计算思维能力[1]。同时，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会提出了大学计算机基础教学4个方面的能力培养目标：①对计算机的认知能力；②应用计算机解决问题的能力；③基于网络的学习能力；④依托信息技术的共处能力[2-3]。2010年，九校联盟在首届计算机基础课程研讨会上发表联合声明，确定将“计算思维”能力作为大学计算机基础教学的核心任务[4]。

作为大学通识教育的重要组成部分，大学计算机基础教学在高校学生的计算思维、信息素养等能力素养的教育方面承担了重要职责。在计算机技术蓬勃发展、相关应用水平不断提高的今天，高等院校计算机基础教学迎来了新的挑战和机遇，对教学内容、方法、模式等有了新的需求，因此，以提高学生计算思维能力为目的，构建更好的教学理论、教学模式、教学设计、实施教学过程成为计算机基础课程改革的重要任务。笔者结合长期在一线的计算机基础教学实践工作，探讨程序设计课程中培养学生计算思维的以项目为导向的教学方法——项目式学习（projectbasedlearning，PBL）教学模式，提出教学改革的实践方略，以期为广大教学同行探讨新的计算机基础课程的教学改革思路。

1 “计算思维”解析

“计算思维（computationalthinking）是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”[5]。因此，在培养学生的计算思维能力时，除了要求阅读、写作和算术技能之外，还要求学生能运用计算机科学的基础概念去分析解决问题、设计系统和理解人类的行为[3]。这将对学生的科学思维、逻辑思维、算法思维、效率思维、创新思维、伦理思维等思维能力产生很好的促进作用。

实质上，计算思维的核心是一种思维过程，有助于真实情况下的问题的有效解决。计算思维作为一种角度切入问题的解决，能够清晰、抽象地描述问题，并将问题的解决方案表达为信息处理的流程[3]。培养具有计算思维的学生，即培养其学习如何将问题抽象，并更新为新的计算性表达，继而发挥学生的工程思维，综合处理、考虑问题解决的效率高低，判断表达的准确性等。

表1 常见教学模式对比

2 教学模式探讨

2.1 基于构建主义的PBL学习模式

构建主义理论的核心思想认为学习的过程是学习者主动建构知识的过程[6]，知识不再是常规意义上的教材、影音素材、文字资料及教师的板书和演示等对现实的准确表征，而只是一种理解和假设[7]。因此，不同个体对知识理解的标准不再唯一，学生通过自己的个人经验和知识背景，利用不同的个体方式建构对知识的理解，从而对知识体系和世界产生自身的认知。项目式学习是近年来在欧美国家新兴的并被广泛应用的基于构建主义理论的教学模式。学生们通过PBL这一动态的学习方法主动探索现实世界的问题和挑战，从中领会到更深刻的知识和技能，探索的问题范围跨越小学教育到成人教育。

研究表明，PBL是一种以学生为中心设计执行项目的教学和学习方法，可以有效提高学生的学习效果[8]。在一定时间内，学生通过设计构建项目、解决问题并成功实现项目的过程来解决实际问题获取知识。需要注意的是，项目式学习过程并不关注学生们可以通过一个既定的方法来解决这个问题，而更强调学生们在试图解决问题的过程中发展出来的技巧和能力，包括获取知识、计划项目以及控制项目的实施、加强小组沟通和合作等。

2.2 常见教学模式对比

基于构建主义的项目式学习教学模式与传统的教学模式相比，区别主要体现在改变了3个传统教学的中心：①以课堂“灌输式”教学为中心转变为以实践经验为中心；②以教材为中心转变为以项目为中心；③以教师为中心转变为以学生为中心[8]。PBL教学模式与传统课堂教学模式对比见表1。

2.3 教学思路

PBL将学习过程划分为4个关键的环节:问题的提出（propose）、方案的规划（plan）、问题的解决（execute）以及评价和反思（judge），如图1所示。每个环节中，老师都参与其中进行有效引导，根据项目主题的不同、学生表现的不同，有效调整自己的教学计划和项目规划。整个学习过程中，教师不再以主导身份存在，而是作为“隐形”的参与者，仅在某些关键时刻起到点拨、支架与教练的作用，不再是学生知识的唯一来源，而是帮助学生进行自我知识建构的促进者、学科专家、信息的咨询者等，从而促进学生不断思考，自发查阅相关资料，有效归纳、总结所学的知识与技能，培养学生的自主学习能力，进一步促进学生“计算思维”能力的构建，突出“学生为学习中心，教师为学习辅助”的核心教育理念。

图1 PBL学习过程

3 PBL教学模式的构建

面向对象的程序设计是计算机基础课程中关于计算思维方法的典型课程，涉及程序设计结构基础和枚举、递归、回溯等大量的算法，这些都是典型的计算思维案例。从这个角度出发，笔者经过长期的一线教学发现，目前的大学计算机基础教学中存在如下问题：

（1）大部分计算机教学者都在无意识地实现计算思维教学，而自己本身并不清楚。很显然，未来需要大量地、系统性地开展目的明确的计算思维教学。

（2）不少计算机教学者并未认识到计算思维是人才培养的重要目标，只是将其作为一种基本技术应用技能而非人的基本素质。

（3）大部分计算机基础教学最终产出的成果为一些软件或小项目，并未帮助学生形成计算思维能力，未对其未来面向社会解决实际问题的能力的提升产生影响。

PBL教学模式最本质的特点是教师首先了解并掌握学生的兴趣和需求，从教学的整体目标出发，寻找或设计匹配的项目，根据项目的不同进行相应的有针对性的指导。总之，在每一个PBL教学项目中，都需形成以学生为中心、以教师为辅助引导的学习闭环，如图2所示。

图2 PBL学习过程中的教学闭环

在学习过程中，将大学计算机基础课程按类别划分为若干个相对独立的知识单元，每个小单元作为一个学习项目，进行理论、实践互相融合的单元式教学，每个单元的教学都以应用相关知识点完成一个项目任务作为结束，并迭代至下一个项目单元的教学。每个相对独立的项目都由学生自行管控处理。信息的搜集、方案的设计、项目的实施及最终的评估等环节也都由学生自己负责。最后，学生通过对项目的把控和推动，完成知识的构建过程。

基于上述的教学思路和教学实践，建立基于项目式学习的有效教学模式具有5个关键要点：①与现实的联结。知识的构建更贴近学生的生活，使学生在学习过程中感受到知识和他们的相关性，能够更好地深入学习，激发学习动力。②严谨的项目。构建的项目式学习不能与课程标准背离，教师为学生设计的项目目标应与学习目标一致。③合作学习。让学生在项目过程中开展批判型思考，提高学生和学生之间的合作、交流能力，并有效促发他们的创造力。④辅助开展学生主导的项目。让学生能够直接参与到项目的规划和执行，以便学生更好地投入到学习中。⑤随时评估。让评估与项目式学习自然融合到一起，在上机实验课中，学生的项目进展可以随时反馈并且教师可随时以辅助参与者的身份介入帮助并随时退出，完成帮助学生完成自我评估和自我修正的学习螺旋过程。

在设计执行具体项目计划的时候应该注意的几点是：①PBL是以服务学生的学习为目标建立的，因此，学生在完成每一个目标的时候，需要自主学习并运用标准化的计算机基础知识，培养自己的计算思维，锻炼合作和自我管理等能力。②在项目执行过程中，需要引导学生自主思维，提出有意义、有挑战的新问题。③在项目执行过程中，需要为学生提供适合提问、寻找相关解决问题的资源信息以及进一步思考提问的学习环境。④在具体项目中需要将知识点与现实应用和现实问题相结合，引导学生对真实世界的思考和观察，从而以计算思维方式对现实世界中的问题进行合理分析和解决。⑤允许学生在项目完成过程中具有较大的自主选择，包括计划的制订、修改、设计、反思、重构和评估等。⑥教师需要引导学生对所学的知识点、项目的完成进行有效地评价和反思，从而产生改进的需求，促发新的学习动机。⑦让学生通过不断地反思产生不同的反馈，从而不断对项目执行进行把控和修改项目内容，完成项目产品的迭代，从而螺旋式提升学生的知识构建水平。⑧给学生提供以不同的形式展示其研究成果的机会，在展示过程中让学生整理其知识体系，完善其知识构建。

图3 鸡兔同笼1.0版

图4 鸡兔同笼2.0版

4 教学实践

在大学计算机基础的系列课程中，面向对象程序设计是其中一门非常重要的课程，该课程的教学应该以锻炼学生的程序设计能力，构造并提升学生的计算思维为重要目标导向。目前，国内的不同高校分别通过不同的计算机编程语言，如C语言、VisualBasic、C++、VisualFoxpro等，对面向对象程序设计进行教学，然而，不管采用何种程序设计语言，程序设计理念和计算思维方式本质相同。在大学计算机基础系列课程之一的VisualBasic程序设计中有个教学片段为介绍程序设计的基本结构，包括顺序结构、分支结构、循环结构。在大部分的传统教学中，教师采用不同的教学案例对这3种结构进行介绍，相关知识点较为分离，相关性不强，学生不能够很好地应用这些知识点解决实际的程序问题，现实应用和理论学习脱节。因此，笔者利用PBL教学模式，根据其教法思路和教学设计原则设计了“鸡兔同笼”项目，以软件工程的螺旋迭代式程序构建原则将项目分离成了基本功能实现（鸡兔同笼1.0版）、已有项目细节完善（鸡兔同笼2.0版）、符合用户习惯需求（鸡兔同笼3.0版），在一个项目逐渐完善的过程中对程序设计的顺序结构、分支结构、循环结构分别做了引导和介绍，让学生在项目完成过程中，实现知识的构建并对相关知识点的构建实现体系化的关联，如图3、图4、图5所示。

具体教学步骤包括：①情境创设。创设与知识点相关的情景环境，把学生引入到问题的思考中，自发寻求解决问题的途径，通过总脚数F和总头数H，得出鸡的个数X和兔的个数Y。②引导思考。让学生独立思考，用已有知识探索解决问题的可能性，并寻求解决办法，引导计算思维的产生。在本项目中，第一阶段需要思考：如何通过已有F、H获得X、Y，引入顺序结构的介绍；第二阶段需要思考：若用户输入不正确的H、F，是否报错或仍要继续计算，引导思考如何控制流程的走向，引入分支结构的介绍；第三阶段需要思考：若用户输入错误的H、F，是否退出程序，或进一步完善程序使其符合用户常规习惯，让用户有权选择是否重新输入，引入循环结构的介绍。③知识点引入。围绕相关知识点，引入新的知识点的介绍，帮助学生实现“知识迁移”，通过教师示范将知识点带入项目的解决过程。④提出新的项目需求。通过小组交流、讨论及教师干预，探索项目完善的新的可能性并重复迭代2～3步。⑤协作学习。开展小组交流、讨论，分工协作，共同思考并完成项目的完善。⑥学习评价。学习效果评价包括教师评价、自评和成员互评3个部分，通过项目完成情况和完善情况衡量。

图5 鸡兔同笼3.0版

5 总结

近年来，计算思维作为人的基本思维能力，受到了广泛关注，高校计算机基础教学目标由简单的技术技能的培养，开始逐渐转变为学生计算思维能力的培养。以培养学生计算思维能力为导向的PBL教学模式应用于具体的教学中，有助于将以教师为主导的“灌输式”讲授的课堂转变为以学生为主导的探究式主动学习、潜在吸收的知识构建的项目实践过程。在此模式下，教学活动中全程以计算思维为思维方式，在学习过程中可以有效地拓展学生的计算思维维度，有意识并系统地培养学生计算思维的相关能力。期望以培养学生计算思维能力为导向的PBL教学模式的提出，能够为高校计算机基础教学中对计算思维进行系统化培养的教学模式探索提供一定的参考。

[1]教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见（征求意见稿）[J].中国大学教学,2005(5):11-18.

[2]教育部.高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求[M].高等教育出版社,2009.

[3]朱世敏,孙桂芳,张重阳,等.C语言程序设计教学中计算思维的培养[J].Advancesin Education,2014,4(3):36-41.

[4]何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养:“九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明”解读[J].中国大学教学,2010(9):7-11.

[5]WingJM.Computational thinking[J].Communications of the ACM.2006,49(3):33-35.

[6]温彭年,贾国英.建构主义理论与教学改革—建构主义学习理论综述[J].教育理论与实践,2002(5):17-22.

[7]肖锋,辛大欣,耿朝阳.计算思维培养为核心的教学模式研究与实践:以“数据库原理与应用”课程为例[J].现代教育技术,2015,25(7):49-55.

[8]刘景福,钟志贤.基于项目的学习(PBL)模式研究[J].外国教育研究,2002(11):18-22.