基于協作結對編程的計算思維培養方法探究

蔡榮華 樊蒙蒙

摘 要 以計算思維的三個維度和培養層次為基點，提出以協作結對編程新方式來培養計算思維。通過對基于協作結對編程的計算思維培養案例進行分析，總結出協作結對編程是一種新的培養計算思維的方式，這種方式增強了計算思維的計算概念、計算實踐和計算觀念三個不同維度的能力，也提升了計算思維的培養層次。

關鍵詞 計算思維；計算概念；協作結對編程；計算實踐；計算觀念

中圖分類號：G652 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0075-03

Research on Training Method of Computational Thinking based

on Collaborative Pair Programming//CAI Ronghua， FAN Meng-meng

Abstract Based on the three dimensions and cultivation level of com-

putational thinking， this paper proposes a new way of collaboration pair programming to develop computational thinking. Through ana-

lyzing the training cases of computational thinking based on colla-boration pair programming， it is concluded that collaboration pair

programming is a new way of cultivating computational thinking. This way strengthens the ability of the computational concepts， com-

putational practices and computational perspectives of Computa-

tional Thinking， and improved the cultivation level of Computa-tional Thinking.

Key words computational thinking； computational concepts； colla-borative pair programming； computational practices； computational perspectives

1 前言

計算思維體現了一種普遍適用的態度和技能，不僅僅是計算機科學家，更是每個人都應學習和使用的態度和技能。正如2006年卡內基·梅隆大學的周以真教授提到的：計算思維是運用計算機科學中的基本概念來解決問題、設計系統和理解人類行為等涵蓋計算機科學領域的一系列思維活動。發展學生計算思維就是要像計算機科學家那樣去思考信息化問題，這些問題絕不只是局限于計算機科學領域，它也包含信息技術所滲透的每一個角落[1]。

即使對于非計算機專業，計算思維在他們的日常生活中也是適用和有用的。近年來，研究工作者和教育者對教學模式和學習方式的創新有了空前高漲的熱情，此時探究協作結對編程的新方式，對培養計算機思維的影響就顯得尤為重要。

2 計算思維

計算思維的三個維度 計算思維的三個維度是計算概念，計算實踐，計算觀念。

1）計算概念是指程序使用的概念，如順序、循環、并行等。

2）計算實踐是指發生在編程過程中的問題解決實踐，如增量和迭代、測試和調試、再利用和再創造、抽象和模塊化。

3）計算觀念是指學生對自己、與別人的關系以及他們身邊的技術世界的理解，如關于技術世界的表達、聯系和質疑。

計算思維的三個培養層次 計算思維就是解決問題的一種能力，以問題為基點，利用問題引導學生思考，通過不斷修煉方案和反思，理解并加強思維方式，最終提升自己的計算思維能力。計算思維培養引導過程可分為三個層次：第一個層次是學會解決同類問題；第二個層次是運用思維能力來解決已知問題；第三層次是能夠利用思維能力發現并加以解決問題，這是創新的基礎能力。培養計算思維運用能力至第三層次是培養的目標[2]。

對計算思維三個層次的培養，可以選擇以問題為導向的教學方式方法，在教學內容的設計中要體現循序漸進、螺旋上升的原則，以逐步培養學生更高層次的能力。根據個體差異性，要培養學生不同階段和不同層次的計算思維能力，漸漸養成利用計算思維解決問題的習慣，然后遷移到更多不同的學習情境中。

3 協作結對編程方式

協作結對編程（Collaborative Pair Programming，簡稱CPP）是指兩個程序員并行工作，在相同的算法中進行設計和編碼，將個體活動轉變為協作合作。在編程過程中通常有兩個角色，分別是駕駛員（driver）和領航員（navi-

gator）。其中，前者控制計算機鍵盤和鼠標，編寫代碼；后者檢查程序工作，為設計和代碼提供建議和更正，協助駕駛員設計規劃。協作結對編程是基于Dillenbourg的四個條件提出的，引領了一種新穎的培養計算思維方法的潮流，彌補了普通結對編程的不足，在過去幾年的研究中也已經證實：協作結對編程減少了學生的認知負荷；通過共享開發環境，合作者之間的持續沉浸與參與、不斷的反饋與評論，提高了彼此整體的意識和代碼的集成。

根據Dillenbourg的觀點，為了最大限度提升學生的互動性和學習興趣，提出協作模式應該具備的四個條件：

1）設置初始條件；

2）在基于角色的場景中制定協作契約；

3）通過在媒介中的相互作用來構建支架的創造性協作；

4）對協作合作的監測和管理。

表1顯示了四個條件與教學實施的對應關系。

4 協作結對編程在實踐教學中的實驗探究及分析

實驗探究 本實驗是基于計算機編程導論課程，共有178名學生，他們分為三個批次的實驗班。學生一共分為兩組：第一組包括66名在K-12教育期間具有預先編程經驗的學生，他們被要求在整個學期獨立工作；第二組由112名沒有編程經驗的學生組成，他們被要求結對工作。在這學期，學生可以選擇自己的永久合作伙伴。

每個組合的任務是基于單個任務設計的，并且需要以前的工作的協作。每個練習或問題都分為兩部分，第一部分要求一對學生獨立工作。每個人都有一個問題，需要應用相同的概念來解決難度等級一樣的問題；在解決各自的任務后，他們一起解決組合任務。組合任務的難度高于單個任務，并且組合任務的解決方案中應包含學生單個任務解決方案的概念、邏輯和代碼。表2顯示了實驗室練習中的個人任務和組合任務。

有編程經驗的學生需要直接單獨執行組合任務。如果發現組合任務困難時，他們可以首先解決第一部分中的兩個個人任務，然后解決組合的任務。結對中的沒有經驗的學生必須單獨解決個人任務。每個學生都必須為自己的問題提供解決方案，然后通過結合獨立工作中應用的概念來協作解決第二部分中的組合任務。在每個實驗室中都有相應的指導員對教學過程進行監測和指導。

教學案例分析 在上述實驗探究中，整個教學過程包含與計算思維相關的概念和技能，也通過計算實踐讓學生潛移默化地形成計算觀念和態度。通過實驗探究和案例分析，可以總結出協作結對編程對計算思維三個維度培養的優勢與特點。

1）概念鞏固。像計算機科學家一樣思考，意味著不僅僅有能編程計算機程序的能力，更需要在多個抽象層次上進行思考。協作結對編程引導學生審視自己的思考和路徑，與同伴一起審查和討論彼此的想法，計算概念更加鞏固，因此，協作結對的學生可以很容易地在更短的時間內完成邏輯并評價他人的解決方案。每個學生都是自己解決方案的制定者，也是結對伙伴解決方案的評議者，在適應解決新的組合任務時，使得計算概念得到加深理解和應用。

2）實踐反思。反思能夠促進計算實踐和計算觀念，因為協作結對編程會督促雙方學生檢討并思考自己的編程過程。這樣的反思可以對學生的編程性能進行指導，也有益于將思考轉化為實踐行為。不斷地自我反思會促進學生的增量和迭代的發展，并且自我反思和同行代碼審查可以幫助學生測試和調試。

3）觀念加固。協作結對編程也是一種策略。在協作結對編程過程中，結對學生相互觀察、表達、爭論、聯系和質疑，潛移默化地學習如何更好地處理問題，如何更好地編程，以及如何更好地使用開發工具，使得學生的邏輯能力、算法能力、遞歸能力和抽象能力等得到提升，最后形成自己的計算觀念，對自己、他人或世界都具有自己的計算風格和多重抽象的思考。這種思維觀念才是最根本的，也是創造性思維、批判性思維和解決問題能力的綜合體現。

在整個教學案例中也體現了計算思維培養層次的逐步提升。

1）解決同類問題。通過學習和練習，學生能夠利用解決個人任務后掌握的知識來解決同類問題。利用個人任務和組合任務的回環，培養學生解決同類問題的能力。

2）解決已知問題。學生在解決每個任務時，涉及使用有關計算機科學的相關概念（如條件、順序等），利用可視化的編程工具或其他技術，然后通過設計解決方案等行為來解決已知問題。編程的過程也會將學生的計算思維呈現出來。協作結對編程的方式正是憑借計算機科學中的概念來解決問題，當遇到一個很復雜的問題或任務時，計算思維會促使學生通過還原、嵌入、轉化或模擬，將看起來困難的問題轉化為他們知道如何解決的問題，選擇合適的解決方法，最后提升他們解決問題的能力。

3）主動發現并解決問題。通過協作結對編程方式來培養學生的計算思維，將該問題的求解過程進行推廣并遷移到更廣泛的問題情境中去，協作結對編程過程中能發現問題、提出解決方案并解決問題。完成任務的過程中體現計算思維三個培養層次能力的螺旋上升。

協作結對編程的方式采用“計算支架”（學習同伴）的策略，使得學生的計算概念更加鞏固，不斷反思和審查計算實踐，最后計算觀念也得到提升。用問題引導學生用計算思維來思考并解決問題，逐步形成良好的計算思維能力，達到計算思維培養層次的提升，并滲透到生活和學習的方方面面。

5 結語

編程不僅僅是編碼，它反映了學生的計算思維，協作結對編程模型是基于Dillenbourg的四個條件的集合，通過建立積極的協作環境和采用“計算支架”的策略，來培養學生的計算思維能力。協作結對編程通過對計算思維的計算概念、計算實踐和計算觀念三個維度中的不同能力培養，來提升計算思維的整體綜合能力。以上研究為進一步培養計算思維的研究與實踐提供了重要基礎。然而這些研究可能還有一些不足，在未來的研究中也將比較不同的結對方式對計算思維的培養會產生什么樣的影響，從而使計算思維的培養真正“落地”。

參考文獻

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