基于翻转型对分课堂的计算思维能力培养教学模式探究——以数据库原理及应用课程为例*

陈蕾蕾 黄河笑 陈海建

（上海开放大学 理工学院，上海 200433）

一、引言

计算思维的概念由美国卡耐基梅隆大学周以真教授于2006年首次提出，她指出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之广度的一系列思维活动[1]。基于21世纪以来信息技术蓬勃发展的现状，教育界业已形成共识：计算思维不再是计算机领域从业人员的特有技能，而应作为一种普适性能力，加大其培养的力度与广度。近年来，围绕培养计算思维能力的教学模式、教学方案、教学技术、评估方法等方面的研究逐渐成为计算机教育领域的关注焦点。

国外的计算思维教学实践研究大部分聚焦于中小学教育，例如Scratch可视化编程工具的应用、游戏化教学模式探讨等。针对大学教育，陈国良院士分析了大学计算机基础课程的重要性以及教学中存在的问题，提出应该以提高学生计算思维能力为目标进行课程设置与课程结构设计[2]。诸多学者针对本科、高职等普通高校的计算机课程进行了计算思维能力培养的探讨[3][4]，而关于开放教育学习者这一群体的教学研究仍然较为匮乏。开放大学致力于在职成人教育，与普通高校相比，成人学生基础薄弱、工学矛盾及家学矛盾突出、思维模式相对固化等特点为教与学的过程带来了更大的挑战。

计算思维教育应该在一个大前提下设计教学工具与教学模式，即教学内容应该具有足够的计算思维内涵，基于学生的认知水平，顺应计算思维的发展规律，符合思维教育原则[5]。针对开放教育在职成人学习者的特点，本文提出了一种基于翻转型对分课堂的计算思维能力培养教学模式，并以数据库原理及应用课程为例进行了教学实践经验分享，以期为计算思维教学研究提供参考。

二、开放教育学习者特征分析

开放教育学习者由在职成人学生构成，年龄分布跨度大（主要分布于20岁到40岁），其中，一部分学生出于职业发展的目的修读第二学历，另一部分学生出于转行转岗的需求进行跨专业学习，还有少数学生是兴趣驱动型学习者。无论基于何种学习目的，这一学生群体普遍承担着较为繁重的工作压力与家庭压力，不能像全日制学生一样全身心投入学习。

在既往的计算机类课程教学过程中，笔者发现开放教育学习者受限于跨专业、零基础、精力有限等客观条件，在进行理论学习时易于陷入识记型的思维定式，对于上机实操环节通常兴趣浓厚，然而对于支撑实践的理论内涵的理解能力相对较弱。为了提高学生的学习效率，切实做到理论联系实际，促使学习的内化及融会贯通，必须对课堂教学进行精心设计，力争实现事半功倍的成效。

三、计算思维范式

美国国际教育协会和计算机科学教师协会提出计算思维应包括数据收集、数据分析、数据表征、问题分解、抽象、算法、自动化、模拟、并行化等九项核心概念。巴尔在此基础上增加了分析和验证模型、测试与验证、控制结构三项内容[6]。安吉拉则从过程的维度出发，将计算思维分解为抽象、泛化、分解、算法思维与调试[7]。此外，学者们还总结出了冗余、保护、规划等思维范式。上述观点或者关注方法、或者关注过程，目标均在于培养发现问题、分析问题和解决问题的能力。

计算思维能力在不同课程中，乃至同一课程的不同知识点中都有着不同的体现。教师应该针对授课的内容，提取蕴含在其中的计算思维范式，有针对性地进行教学设计。

四、翻转型对分课堂教学法

（一）翻转课堂与对分课堂简介

翻转课堂教学理念由来已久，并且在不同层次的教学中得到了较为广泛的应用。其要点是学生在课前通过观看视频等方式进行自学，教师则在课堂上通过解答问题、启发讨论、概括要点等方式进一步帮助学生巩固所学知识。翻转课堂践行以学生为中心的教学理念，能够有效激发学生的主观能动性。

对分课堂是复旦大学心理学教授张学新于2014年提出的一种课堂教学新模式[8]。它的核心理念在于将一半时间分配给教师讲授，另一半时间分配给学生以讨论的形式进行交互式学习。其中，在讲授与交互式讨论之间留出足够间隔，供学生根据自己的节奏进行个性化的内化吸收。从而形成了由讲授（Presentation）、内化吸收（Assimilation）和讨论（Discussion）构成的PAD三段式教学法。

翻转课堂与对分课堂的相似之处在于二者都在学习时间线的末端通过讨论式学习法促进所学知识的巩固与内化。笔者所在的教学团队曾经尝试过翻转课堂教学模式，然而收效不佳。翻转课堂得以成功实施的前提条件是学生在面授课前已经认真自学了相关知识点，开放教育学习者常常由于工学、家学矛盾而无法在面授课之外抽出自学时间，他们更希望在面授课的有限课时中系统性地获取知识，而不仅仅是要点总结与启发讨论。因此，本教学团队采用了一种结合翻转课堂与对分课堂优势的教学模式，从开放教育学习者的特征与学习需求出发，以提高计算思维能力为目标，进行了尝试与探索。

（二）翻转型对分课堂实施要素

结合开放大学的教学实际状况，翻转型对分课堂以一次4学时的面授课为教学单元，学生首先针对教师提供的学习资源实施自学，教师再通过讲解、实践、分组讨论等形式对学生的自学成果进行检验与校正。

教师首先对课程知识点进行梳理，挑选适合采用翻转型对分课堂教学模式的知识点，开发学习资源。学习资源的设计应以培养计算思维能力为目标，遵循思维能力由浅入深、分层进阶的原则。依据此原则，教师将学习任务进行分解，每一个子任务均要求学生在完成自学后回答相应问题，通过启发式提问的方式使学生自行总结出知识点的相关结论，达到学习内化的目的。学习资源可以通过讲义、视频、实验指导书等多种形式呈现。以实验指导书为例，学生可以根据实验步骤自行完成实验，观察实验结果，并回答问题得出相关结论。通过这种在引导下进行的探究性学习方式，提升学生的学习兴趣并且促进其对知识的理解与吸收。学生完成自主学习之后，由教师进行讲授与总结，并组织交互讨论。如图1所示。

图1 翻转型对分课堂教学模式

考虑到成人学生的心理特点，开放大学的翻转型对分课堂的实施有如下特色：（1）在实验室组织教学活动，方便学生随时上机操作；（2）鼓励学生在课堂学习过程中使用互联网查询资料；（3）鼓励学生在教师进行总结讲授之前自发组织小组讨论；（4）在学习资源设计时着意设置若干“陷阱”，加深学生对知识点的记忆。课堂形式松散而学习目的聚焦，加上纠错型学习体验，更加有益于学生思维能力的培养。

五、教学实践：以数据库原理及应用课程为例

本节将简要介绍翻转型对分课堂在数据库原理及应用课程教学中实施的若干案例。

（一） 主键与外键

主键与外键是最基本的两种数据约束，体现了预防、保护等计算思维范式。表1描述了教学实践的内容与步骤。

表1 教学实践-主键与外键

在教学实施过程中，学生在自主学习阶段亲自实施违反主键与外键约束的数据插入操作，实际观察到不设置主键与外键的弊端，从而更为深刻理解了主键与外键约束的作用。在讲授与讨论阶段，进一步思考“为保证数据完整性，还可以定义哪些约束”这一问题，为后续唯一约束、check约束等的教学做好铺垫。

（二）基本查询语句

基本查询语句教学组织如表2所示。

查询语句体现了问题分解这一计算思维范式。面对查询需求，首先判断数据的来源，再对数据进行横向筛选，最后进行纵向筛选。分步骤循序渐进的实验设计，有助于学生建立正确的思维方法。

（三）索引

在数据量较大时建立索引以提高查找效率，是一种非常基础的思维范式。本知识点的教学不仅体现了索引这一范式，同时注重培养学生的抽象思维与算法思维能力。教学实施如表3所示。

在教学过程中，结合B+树的查找，引导学生建立起对索引的直观认识，做到“知其然且知其所以然”，从多个维度培养学生的计算思维能力。

（四）事务的概念

作为数据库课程极其重要的章节，在学习事务时需要首先使学生建立起原子性这一基本概念。本知识点教学采用模拟故障实验的方式进行，具体实施如表4所示。

表2 教学实践-基本查询语句

表3 教学实践-索引

表4 教学实践-事务的原子性

在事务教学中，针对丢失更新、不可重复读等知识点均可相应设计模拟实验，使学生在自主实践的过程中加深对问题的理解，在思维的层面上切实得到锻炼。

六、实施效果分析

（一）教学模式倾向性对比

图2 教学模式倾向性对比

本研究采用问卷方式调研了学生对教师全面授、翻转课堂、对分课堂以及翻转型对分课堂等四种教学模式的倾向性。问卷针对软件工程、计算机信息管理、计算机应用技术三个专业的学生随机发布，回收有效问卷43份。分析结果如图2所示。

可以看出，开放教育学生对于翻转课堂教学模式的认可程度低于传统全面授教学方式，其主要原因在于学生对课前安排的自主学习环节中个人自主学习能力及自学时间安排缺乏自信，影响到翻转课堂的实施效果。对分课堂模式由于教师讲授在先，且留出了供学生内化吸收以及交互讨论的环节，受认可程度显著高于翻转课堂，比全面授教学也获得了更大的支持度。而融合了二者特点的翻转型对分课堂教学模式支持率达到57%，反映出该模式更加适应开放教育成人学习者的学习需求。

（二）计算思维能力培养分析

本研究选取了上海开放大学两个不同的分校班级，分别采用翻转型对分课堂教学模式以及传统的教师为主导的全面授教学模式进行教学实施，并对学生的学习状况以及考核成绩进行跟踪对比。其中，考核试题以百分计，基础知识、应用实践以及思维导向的综合性试题的比例分布为4:4:2。

两个分校的卷面考核合格率非常接近，翻转型对分课堂教学班级的合格率仅高出传统教学班级0.08%，表明两种教学模式对于学生基础知识以及基本应用实践技能的培养并不存在明显差异。而班级平均分高出8.1分，优良率显著高于传统教学班级。

教学实践显示，翻转型对分课堂教学模式的优势并非在于基础知识与基本技能的掌握，更大程度上体现于计算思维能力的培养与促进。

七、结束语

本文提出了一种基于翻转型对分课堂的计算思维能力培养教学模式，并且以面向开放大学成人学习者开设的数据库原理及应用课程为例进行了教学经验分享。实践证明，该教学模式受到了成人学习者的广泛好评，对学生的计算思维能力起到了有效促进作用，教学效果不仅仅体现于该门课程的考试成绩，而且对于后续课程的学习，乃至自主完成毕业设计等环节均收获了良好的长期成效。