基于計算思維的問題探究式教學模式研究

薛佳楣 蘇曉光 馬丹丹 孟凡波

摘要：高校計算機基礎教學的主要目標之一就是學生計算思維的培養，在大學計算機基礎課程中融入問題探究式教學有助于學生實踐能力的培養和計算思維的形成。該文介紹了基于計算思維的探究式教學模式的概念，研究了基于計算思維的問題探究式教學模式的實施方法和效果。

關鍵詞：問題探究式教學;計算思維;大學計算機基礎;課程改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0095-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

進入21世紀以來，人類社會完全進入信息時代，計算機在人們日常的工作、學習和生活中起到了越來越重要的作用。計算機基礎教育是高等院校通識教育課程的重要組成部分，包括程序設計語言、辦公軟件、數據結構等非計算機基礎教學課程。《大學計算機基礎》是一門培養學生計算機基礎能力的計算機基礎教育實踐課程，課程目標是培養學生使用計算機解決實際問題的能力，教學內容包括操作系統、網絡、office軟件、多媒體技術等。在開展課程教學的過程中，培養學生利用計算機解決實際問題的能力是目前的教學改革主要研究方向。

1 計算思維與問題探究式教學

計算思維（Computational Thinking，后簡稱CT）是由卡梅隆大學的計算機系主任周以真教授在2006年提出的。周以真定義計算思維是“運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。”計算思維建立在計算和建模之上，能夠幫助人們利用計算機處理無法由單人完成的系統設計、問題求解等工作。

問題探究式教學顧名思義就是將問題探究作為教學活動的主題，讓學生模擬科學研究的過程來掌握基本概念、尋找客觀規律和總結解題方法，其優勢在于變被動接受知識為主動探究知識，培養學生獨立思考和解決問題的能力。問題探究式教學非常適合自然科學類的課程教學，比如在計算機類課程中可以要求學生利用計算機去探索解決問題的方法，然后總結解決問題的思路。

計算思維的培養是大學計算機基礎教學的重要教學內容，經過10多年的探索和實踐，計算思維也和聽、說、讀、寫等基本技能一樣成為學生必備的核心素養之一。近年來，圍繞計算思維培養的教學模式也有了一定成果，其中比較有效的一種就是基于計算思維的探究式教學模式，簡稱ITMCT（Inquiry Teach-ing Model based on Computational Thinking），在ITMCT中，CT理念和探究式教學完美結合，教師以提問的方式展開教學活動，引導學生主動去思考和學習，最終解決問題并進行總結反思。在ITMCT中，學生是教學主體，教師是教學引導者，學生的思維過程就是計算思維培養的過程。

為了體現CT的培養過程，教師要引導學生利用計算機提供的方法去解決問題，然后反思和探究計算機解決問題的過程，學習并掌握用計算機解決今后工作和學習中遇到問題的方法。由此可見，ITMCT教學模式的開展應結合計算機來設計教學內容，大學計算機基礎課程是非常適合的。

大學計算機基礎課程開展ITMCT教學可以分為教學過程、教師活動和學生活動3個方面。教師活動包括教學內容設計、作業設計、考評設計等。教師必須在教學內容中體現CT和探究式的內容，選擇合適的教學目標和學生問題來引導學生開展學習活動。教學過程中，教師拋出探究性問題來激發學生的主動求知欲，引導學生循序漸進地解決問題，學生要通過一系列的分析、建模、計算、實踐和反思的過程來完成問題的求解。在學生完成教學問題的求解后，教師要布置課程作業來引導學生向更深層次的問題進發，課下獨立完成并預習下一節課的內容。

2 基于計算思維的問題探究式教學模式設計

基于計算思維的問題探究式教學模式圍繞科學性的問題展開，教師引導學生通過獨立完成、小組完成、集體討論等形式進行問題的分析和研究，尋求利用計算機解決問題的方法，最后總結所學知識并反思利用計算建模解決問題的方法。基于計算思維的問題探究式教學模式可以分為問題啟發、自主探究、小組合作和總結提升4個環節。

2.1 問題啟發階段

問題探究式教學的核心內容就是教學問題，問題的提出要圍繞課程內容和計算機應用展開。教師可以從教材或生活實際出發來設計教學問題，也可以從上一教學環節學生反思階段提出的某個問題出發來設計。問題提出的原則是能夠啟發學生獨立思考和主動進行實踐，難度不易過高否則會造成學生的厭學情緒，難度適中可以有效激發學生的求知欲和獨立完成任務的積極性。例如在大學計算機基礎課程中，學習網絡時可以設計網絡的工作原理這一問題，針對不同階段的學習分別設計數據的定義、通信原理、網絡分層結構等內容來展開教學活動。讓學生從教材、網絡和其他資料中探究發現網絡的工作原理，掌握數據、通信、網絡設備、網絡層次結構等知識點。

2.2 自主探究階段

自主探究階段體現了學生學習的內在需要，教師應引導學生主動探究解決問題的方法，要積極調動學生的積極性。自主探究階段教師要把握主動性、問題導向、開放性等原則，培養學生獨立分析問題和解決問題的能力。比如在學習哈夫曼樹結構時，教師除了要安排學生去研究哈夫曼樹的基本知識外，還要引導學生獨立分析該結構的特征，提出為何不存在度為1的節點這一問題，這可以為后續的教學活動開展提供新的探究式問題。

2.3 小組合作階段

自主探究培養學生獨立思考的能力，學生在掌握一定教學知識后就會有自己的理解，此時可以組織學生分組合作繼續進行探究式學習。由于學生在進入高校之前接觸計算機的程度不同，對于計算機基礎課程的相關知識掌握程度也不同，教師應鼓勵學生進行合作、對話、分享和互動。首先是根據自主探究階段的表現將不同層次的學生分為3-4個層次，然后交叉各層次的學生組成探究小組進行后續學習。教師也要在分組完成之后提出適合小組探究的新問題，讓同學們在組內進行探究式學習，組長負責組織和記錄，培養學生的團隊合作精神。比如在學習二叉樹知識點時，教師可以要求學生小組討論樹、二叉樹、森林等結構的概念和規律，以小組討論的方式來幫助低層次學生快速理解相關知識點，讓各層次小組成員分別理解之后再進行集中討論，指出部分組員的錯誤并幫助其糾正學習方法。

2.4 總結提升

總結提升階段也是很重要的一個環節，學生通過自我反思，和教師一起進一步梳理相關問題的解決策略，提升理論的理解水平。在總結提升環節，教師充分發揮主導作用，做好學生學習的促進者，可以先由學生自己或以小組匯報的形式總結，其他組或個人補充說明，然后教師針對不同層次的學生給予不同的指導和要求，也就是教師應通過自己的外因作用，調動起學生的內因的積極性。

3 結束語

大學計算機基礎課程是一門實踐性和綜合性較強的通識教育課程，通過引入問題探究式教學模式，引導學生去主動分析問題、提出問題和解決問題，這對于培養學生的計算思維是非常有效的。學生在學習課程之后能夠掌握計算機的使用技巧、網絡信息檢索和分析的方法，這有助于他們在今后的學習和工作中能使用計算機解決實際問題。ITMCT以學生為課堂中心，以問題為主線，教師為主導，通過問題探究過程來培養學生的計算思維，幫助學生構建計算機核心素養，這符合我國對高等院校計算機教學的基本要求。在今后的教學工作中，對大學計算機基礎的ITMCT教學模式還要不斷研究和改進，下一步的主要研究方向是構建符合學生實際和學校辦學理念的考評機制，以及提高教師隊伍的計算機綜合素質等。

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【通聯編輯：唐一東】

基金項目：黑龍江省教育科學“十三五”規劃2018年度備案課題（項目編號：GJC1318107）;黑龍江省教育科學“十三五”規劃2019年度重點課題（編號：GJB1319144）;佳木斯大學2018年教育教學研究項目（編號：2018JYXB-041）

作者簡介：薛佳楣（1974-），女，黑龍江佳木斯人，副教授，碩士，主要研究方向為數據庫、軟件工程;通訊作者：蘇曉光（1974-），女，黑龍江佳木斯人，實驗師，碩士，主要研究方向為數據挖掘、恢復，數據處理與優化。