面向计算思维能力培养的SPOC混合学习模式设计与实践

李 曲，程宏兵，韩姗姗

（浙江工业大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

计算思维是一种能够把问题及其解决方案表述成为通过计算工具进行信息处理的形式化思维过程。周以真教授认为：计算思维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领域的一系列思维活动[1]。因而，计算思维成为今后学生学习和发展中应该掌握的关键能力。培养学生的计算思维能力成为计算机相关课程的重要任务和根本目标[2]。

计算思维教育既需要基于某一学科学习基本概念与原理，也需要在真实活动中进行综合性的实践与应用。随着各个领域数据搜集需求的不断提高，计算思维能力不仅成为计算机专业学生需要具备的基本能力，对于其他专业的学生也同样必不可少。许多非计算机专业在计算机基础课之外，也开设了Visual Basic、Visio FoxPro或C语言之类的程序设计课程，但程序设计课程并不等于计算思维的培养。对于非计算机专业的学生，培养他们的计算机问题求解能力对其成长和发展也具有重要的意义，同时也是十分紧迫和艰巨的任务[3]。

近几年来，MOOC的迅猛发展给高等教育领域带来了巨大冲击，逐渐成为一种教育现象并引起全球范围的广泛关注[4]。SPOC[5]作为“后MOOC时代”的一种典型课程范式，在融合MOOC教育思想的同时，也把微课、小众教学、集约化教育等融合在一起，形成了SPOC 特有的教育模式。SPOC是高校应用教育技术完成其使命的现实路径，也是在线教育在高校校园教育中的真正价值所在[6]。

通过改变教师和学生在教学过程中的关系，激发教师和学生的能动性，通过学习模式和学习方法的改变来强化和落实全方位的计算思维能力培养。为此，笔者设计了面向计算思维能力培养的SPOC混合学习模式，并在教学中进行了实践，取得了较好的效果。

1 计算思维能力培养的目标和要点

计算思维是一种在实践中解决具体问题的思维方式，因而计算思维教育应该在解决问题的过程中开展[7]。笔者认为计算思维包括问题分析能力、知识迁移能力、程序设计能力、协同创新能力和工程实践能力等5个方面。课程安排与能力培养目标的对应关系可以用表1来描述。

表1 课程设置与能力培养目标的对应关系

课程安排对应了计算思维能力培养的5个方面，通过这5个方面的课程安排，学生的计算思维能力能够得到全面深入的训练。然而，由于这些能力的侧重点不同，在实施基于SPOC混合学习模式教学方法时需要采用不同的具体方式来实施。

具体而言，在问题分析能力培养方面，笔者认为翻转课堂和混合学习的方式更加适合，即学生在课前阅读教材和视频学习基础知识的基础上，提出自己对于相关学科应用问题的求解思路，教师适当给予导引，学生充分讨论。例如，由于授课班级是绿色制药相关专业学生，学生的知识背景更多是基于制药相关背景的，因此，学生学习课程的目的是将数值计算的概念和方法运用在药学相关的数据分析当中。在程序设计能力培养方面，学生也是通过视频和练习在课外学习基本的程序设计基本概念和方法，在课上，教师会根据学生的学习情况和错误，进行进一步的现场程序演示和解答，从而实现实训式的教学法；在知识迁移方面，更是混合学习的重点，在课程中互相合作，进行以小组为单位的协同学习，为培养学生的协同创新能力提供了很好的条件，并取得了良好的效果。另外，计算思维的根本目的是将所学的知识应用于工程实践中，而该课程的最终结果是通过系统设计和实现来达到最终的实际应用，因此通过课程的学习，可以达到工程实践能力培养的目的。

2 SPOC混合学习模式对计算思维能力的支持

由于数值计算和计算机设计课程的目的是让学生通过掌握数值计算方法求解制药专业中实际的数据分析问题，同时采用计算机实现相关模型，因此更强调学生利用数学方法和计算机语言来解决制药专业中涉及的具体问题。实践证明，与传统教学模式相比，基于SPOC混合学习模式能更好地支持计算思维能力的培养（见表2）。

表2 SPOC混合学习模式对计算思维能力培养目标的对应关系

在SPOC混合学习教学过程中，教师应将具有结构良好问题特征的基本概念和基本方法学习放在课前，让学生在课前首先完成初级学习。在课堂导学中，教师更多地以案例讨论的方式，引导和启发学生针对制药专业中的数据分析问题进行讨论。学生通过课前的调查研究、合作探究，对问题形成了基本的认识。在课堂研讨的环节中，每个小组的学生发表各自的意见，每个学生能通过讨论获得更多分析问题的角度，从而能更加容易地实现知识的迁移，形成自身对知识的深刻理解。客观上讲，这种课前和课堂上的低级学习和高级学习的清晰划分，既是对计算思维能力中问题分析能力的培养，也满足了知识迁移能力培养的要求。

建构主义学习方式中情境性教学主张弱化学科界线，强调学科交叉。在传统的数值计算课程教学中，一般教师只讲授教材中涉及的抽象数学问题，笔者虽然在教材编写时尽可能考虑了医药相关专业的应用实例，但是现实的应用远比教材涉及的问题要复杂和丰富许多。在SPOC混合学习教学过程中，笔者在课前让学生进行调查研究，以小组为单位搜集与课程章节知识相关的制药领域实际问题。因为学生本身具有制药领域的背景知识，所以在本课程学习的过程中很自然地形成了一种以原有知识为背景的具体情境，学生所提出的实际问题既能丰富课堂的教学内容，又能启发其他学生获得更多的问题情境。这种弱化学科界线、重视学科交叉的情境性教学的实践对于学生协同创新能力的培养有很大的帮助。

3 基于SPOC的混合学习模式设计

为了更好地激发学生的学习热情，改变传统“以教为主”的课堂教学传统，基于SPOC的混合学习模式是传统面对面课堂教学模式和SPOC线上学习模式的融合创新[1-10]。

混合学习活动设计以问题解决式教学设计为主线，面向药学数据分析的数值分析课程正是以问题解决为目标的理论与实践相结合的课程，非常适合采用混合学习模式。混合学习包括课前导学、课中研学、课后练学3个环节（如图1所示）。在3个环节中，教师和学生都必须积极参与，相互合作，确保在各环节中各自发挥作用，共同完成好混合学习的全过程。

图1 混合学习的分工与构成

3.1 课前导学环节

在课前导学环节，教师需要根据课程准备教材，必要时可针对教材进行适当的内容补充和选择。由于缺少面向药学数据分析的数值分析教材，前期笔者采用的方式是采用以数学为基础的数值分析教材，在教材之外补充MATLAB相关基础知识和药学数据分析相关的案例。随着素材的积累越来越多，笔者在进一步搜集整理的基础上，编纂完成了一本面向药学数据分析的数值分析及实验教材。基于教材内容和案例的内容，笔者每次在课前录制的视频，除了讲解课程的基础知识，还讲解案例求解的数学模型，并结合MATLAB程序设计讲解程序实现和调试，让学生除了得到理性的概念之外，还对问题的求解过程有了感性的认识。

学生在课前导学环节，根据教师给定的教材、课外阅读资料进行课前的预习，并尝试回答教师在视频中提出的相关问题。学生在通过视频学习课内基本概念和方法之外，还需要结合自身的专业学习情况和兴趣特点，进行一系列的调查研究，将课程所学到的基本理论与其他课程相关的实例和问题联系起来。同时，学生还需要总结和整理自己在教材、课外资料、视频学习和调查研究中发现的问题。在后续的课堂学习前，学生需要将这些问题整理成书面的材料，作为预习完成的任务提交给教师。

在课前导学环节，教师通过提问，启发学生思考基本概念和基本方法中需要注意的关键点。同时，学生通过视频学习和查找资料，对教材、视频、文献中遇到的问题进行思考和整理，这促使学生学会提出问题，而提出问题是分析问题的前提和基础，也是计算思维能力培养的第一步。

3.2 课堂研学环节

在混合学习的学习过程中，教师不再是课堂唯一的讲授人，教师更多扮演的是一个讨论的主持人和协调人的角色。教师在课堂上，为了检验学生的学习效果，可以适当提问进行考查。但是，教师更多的时候应该提出问题供学生进行讨论。在学生探讨问题时需要一个协调人，教师对学生的讨论甚至在争议无法缓和时进行必要的引导，并适时对错误的问题进行解答；此外，教师应该根据学生对于问题参与度和贡献度来进行评价，引导和激励参与度和积极性不足的学生更多地参与到讨论中并从中受益。

学生通过课前的学习、思考和调查研究，掌握了基本的概念和知识，同时积累了一些问题。在课堂研学环节，学生通过合作探究，结合已经学到的专业知识和新学到的课程知识，提出相关问题的解决模型，教师可以根据问题的难易、问题的内容对其中某些问题进行选择，将适合课堂研讨的问题提供给学生进行课堂研讨，同时给予必要的引导、补充、说明和纠正。另外，为了让学生真正提高解决问题的能力，在课上采用了操作实训的方法，分组进行模型抽象、程序设计和调试。对于疑难问题，小组之间可以互相讨论，必要时可以向教师寻求帮助，教师对共性问题进行进一步的讲解。通过这种方式，学生能够将课前学习到的基本知识和程序设计的思想结合起来，充分发挥协同学习的优势，顺利实现知识的迁移。学生解决问题的能力通过这种合作探究和操作实训以知识迁移的方式得到提高。

3.3 课后练学环节

在课后练学环节，教师除了常规的批改作业之外，还要对学生的课堂表现和作业完成情况进行评价。这种课后根据学生掌握情况来反思教学的方法显然不是基于SPOC的混合学习所特有的，却是后续总结优化和提升的重要基础。根据课后反思的情况，教师通过总结优化，自身得到了提高，同时对后续的教学也能有更加清晰的目标和完备的准备。

学生在经过课前导学和课堂研学之后，对于课程的内容和需要解决的问题都有了清晰的认识和思考。课后学生需要完成的是完整地解决一个跟课程内容相关、与专业背景紧密结合的实际问题，完成问题分析、模型建立、代码编写、结果分析和报告撰写的全过程，并以小组为单位展示问题求解的结果，其他组的学生可以进行质疑、建议和讨论。学生之间可以采用互相评分的方式对其他小组的模型、代码、结果和报告进行评分，与教师评分共同构成其他小组的最后评分。另外，更重要的是，学生通过这种质疑、比较和借鉴，对于课程知识的认识更加深刻和清晰，实现了知识的进一步巩固和提高。

4 基于SPOC的混合教学法的效果分析

经过4年的比较研究和教学实践，笔者认为采用基于SPOC的混合教学法对于学生计算思维能力的培养起到了明显的促进和提高作用。

4.1 教学效率的提升

采用基于SPOC的混合教学法，通过课前导学，学生在课前就能对书本基础内容进行学习；通过课前学生的反馈，教师能更清楚地掌握学生对于知识点的理解情况和重难点的掌握程度；通过课堂研学，教师对于学生共性的困惑和误解能及时进行解答，课后学生能更多地通过实践和反思，对课程的应用和扩展有更深刻的理解。这种课前课中课后的分工和合作能明显提高学习的效率和效果。教师不用在课堂上照本宣科地讲解学生本可自学的基础内容，教师有更多的时间与学生进行互动，学生有更多的时间进行思考、合作和探索。

4.2 教学效果的改善

如前所述，程序设计和计算思维能力培养并非等同的概念。为了进一步分析程序设计和计算思维能力培养的区别，也对基于SPOC的混合教学法对于学生计算思维能力培养的效果进行量化的分析，笔者对学生程序设计课程的成绩与数值计算课程的成绩进行了相关性分析。该专业学生自2013年开始学习Visual Basic，笔者对2013级到2015级学生Visual Basic课程成绩与数值计算课程成绩进行了分析（见表3）。

表3 程序设计课程与本课程的相关性分析

分析结果表明，程序设计课程成绩本身与计算思维培养课程的相关性并不十分显著，且随着计算思维能力培养的深入和SPOC的混合教学法的逐步实施，程序设计课程成绩本身与计算思维培养课程的相关性出现了明显的下降。这说明，随着SPOC的混合教学法的深入实施，学生是否学过程序设计课程对于学习本课程的影响已经不明显，并且学生包括程序设计在内的计算思维能力确实得到了显著提高。因而，笔者有理由相信，基于SPOC的混合教学法对真正提升学生的计算思维能力确实起到了良好的效果。

4.3 学生反馈积极

学生是否接受和适应基于SPOC的混合教学法，也是整个教改能否成功的关键所在。为了了解学生对于基于SPOC的混合教学法的接受程度，笔者在学期末对学生进行了问卷，共收回有效问卷108份，其中除了最后一题外，其他全部是二选一的选择（见表4）。

从上述结果可以看出，绝大部分学生对于基于SPOC的混合教学法是接受且能够适应的，而且绝大部分学生认为：基于SPOC的混合教学法对于上述5种能力的培养起到了更好的促进作用。在回答对基于SPOC的混合教学法有何意见和建议的问题时，很多同学提到希望更多地引入医药生物等学科的相关案例、加大课堂讨论和实训式教学方法的课时占比等。笔者在后续的教学中将进一步对医药生物等学科相关的案例搜集整理，并增加实训编程类型视频课程的录制。

表4 学生对于基于SPOC的混合教学法的反馈情况表

5 结 语

本研究在分析计算思维能力构成的基础上，结合基于SPOC的混合教学模式，设计和实践了面向计算思维能力培养的SPOC混合教学模式。实践证明，在采用学习阶段划分和案例教学、实训式教学和情境性教学的基础上，通过小组讨论、融合式测验，在教学过程中始终坚持以解决问题为目的，重视应用，能够实现学生知识的顺利迁移，达到计算思维能力全面培养的目的。