高階思維導向的程序設計語言教學設計與實踐＊

劉 海，潘 明，于心怡

(華南師范大學計算機學院，廣東 廣州 510631)

0 引言

AI 技術和大數(shù)據(jù)技術應用，程序設計語言如C++，Python[1]作為通識課程或者專業(yè)基礎課程正逐漸走進大學課堂。如何在程序設計語言課堂教學過程中，體現(xiàn)一流專業(yè)建設與一流課程建設對程序思維與計算思維的要求，教師需要面向未來，對教學模式與教學評價進行一系列調(diào)整和變革，實現(xiàn)程序設計語言教學由傳統(tǒng)計算思維階段向能力、向素養(yǎng)階段推進，激發(fā)創(chuàng)新意識，提升學生問題解決能力，實現(xiàn)個性化的學習目標。

1 高階思維與學習能力培養(yǎng)

新版布魯姆教學目標分類中表現(xiàn)為分析、評價和創(chuàng)造的認知能力，強調(diào)高階思維是發(fā)生在較高認知水平層次上的心智能力或認知活動[2]。批判性思維、問題解決能力、創(chuàng)新與創(chuàng)造能力等是學習者學習能力的關鍵技能與關鍵評價指標。2018 年，教育部首次提出創(chuàng)建具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的金課標準。高階性是指知識、能力與素質(zhì)的有機融合。得到了廣泛的關注與持續(xù)研究，鐘志賢[3]通過學習維度、元認知和高水平的理解，為深度思維和理解而教三個關鍵環(huán)節(jié)設計了融合學習者的高階思維能力的教學設計框架。李海峰[4]等提出面向高階思維能力培養(yǎng)的數(shù)字孿生智慧教學模型，將數(shù)字孿生智慧教學模型與翻轉學習模式進行整合，開發(fā)問題解決支架、動態(tài)概念圖譜和多元批判評價教學策略，聚焦復雜問題解決以及適切的學習活動設計。宋宇[5]等在學習分析視角下，從高階思維的課堂互動的理論模型、研究場景、技術手段、評測角度四個方面尋求突破,以增強課堂教學的有效性,促進深度學習的發(fā)生。李美林[6]通過智慧課堂的應用，充分運用網(wǎng)絡技術融合線下課堂與線上課堂，形成混合式教學模式，促進學習評價多元化等，培養(yǎng)學生的高階思維能力。范群林[7]等結合賦能理論，解釋課程思政學習與育人價值實現(xiàn)的關系與作用；劉合兵等[8]從程序設計課程群的特點與教學課程存在的問題出發(fā)，以賦能教育理仿探索基于能力培養(yǎng)的賦能教育生態(tài)體系，對程序設計課程群的建設具有指導參考與借鑒意義。

2 高階思維導向的程序語言學習框架設計原則

2.1 以學生為中心原則

程序語言學習以學生為中心，通過個性化學習，基于不同學生現(xiàn)實能力和興趣目標，可以允許學生在不同時間，以不同方式完成針對性探究性學習任務，最終實現(xiàn)程序思維與計算思維提升。鼓勵學生提出問題，尋求答案以提升學生的比較能力與創(chuàng)新能力，使學生真正成為學習的主人，教師作為資源與指導存在于學習過程。

2.2 產(chǎn)出目標導向，持續(xù)改進的原則

程序設計課程目標是培養(yǎng)學生運用程序賦能從事專業(yè)服務能力與品格，在課程內(nèi)容設計、教學模式設計、教學評價分析、教學平臺運用上使用分析、比較和綜合等高階思維導向，支持程序語言學習的持續(xù)改進過程。

2.3 應用性與價值性原則

程序設計應用性是語言類課程的基本特征。課程以4R 理念為驅(qū)動，通過真實問題(Real Problem)、真實數(shù)據(jù)（Real Data）、真正解決(Real Solution)、真正價值(Real Value)的原則，實現(xiàn)可持續(xù)更新、迭代優(yōu)化的教學模式，課內(nèi)課外貫通，學習與研究融合，知識與能力并重；強調(diào)語言工具的實際應用，程序方法的綜合實現(xiàn)，以此突出程序設計課程的價值。

3 高階思維導向的程序語言學習路徑

3.1 高階思維導向的程序設計語言學習框架設計

程序語言教學需要提升學生程序設計能力與程序開發(fā)需要的素養(yǎng)品格。結合新工科理念和產(chǎn)教融合課程建設思路，對標一流課程建設要求，從知識層面需要掌握利用程序設計語言進行數(shù)據(jù)抽象與算法抽象的基本方法，使學生具備計算思維與程序思；從能力層面需要讓學生能夠針對中、小型問題，使用自頂向下、逐步求精、模塊化等程序設計方法進行分析與求解，具備程序賦能能力；能夠選擇恰當?shù)挠嬎銠C程序設計環(huán)境和工具，對特定專業(yè)方向業(yè)務處理問題進行模擬與實現(xiàn)，并能夠迭代優(yōu)化與持續(xù)改進；從價值塑造層面需要能夠在計算思維與程序設計思維訓練中既實現(xiàn)知識增長與能力提升，又養(yǎng)成求真探索的精神品格與追求完美的精神力量。

應用高階思維能力培養(yǎng)導向，課程需要通過發(fā)現(xiàn)問題（計算思維）、解決問題（程序思維）、總結問題（價值思維）三個維度來構建學習空間。發(fā)現(xiàn)問題是指，程序語言課程首先從個人、集體與社會三個維度抽象現(xiàn)實場境，如運動與健康、學習與生活、社會與人生、美麗中國等方面的具體案例，啟迪學生用高階思維激發(fā)抽象能力，將具體場境映射到計算空間，設計教學需要的微型案例、應用任務與挑戰(zhàn)項目；解決問題是指，通過程序語言語法應用、組件分析比較、算法綜合與創(chuàng)新等方法，使用程序設計語言將案例、任務與項目等組織成為程序空間的代碼、組件與模塊。總結問題是指，空間學習者在教師引導下運用高階思維發(fā)現(xiàn)程序空間中的現(xiàn)實價值意義，從職業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)賦能與熱愛生活、關心國家與全面發(fā)展等建立價值理念，以提升知識應用價值，實現(xiàn)程序賦能未來（如圖1）。

圖1 高階思維導向的程序設計課程學習框架設計

3.2 高階思維導向的程序設計語言5E導學模式設計

5E 導學模式強調(diào)學習過程，突出知識應用與創(chuàng)新實踐，驅(qū)動學生主動學習和探究價值，因而得到廣泛關注和使用。5E 教學模式包括五個具體的導學環(huán)節(jié)，參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、拓展(Elaboration)、評價(Evaluation)；5E導學模式能夠在學習的每個階段激發(fā)學生使用高階思維進行深度學習，有利于程序設計語言知識體系建構以及利用程序設計語言進行問題解決與創(chuàng)新。高階思維導向的程序設計語言5E導學模式設計如表1所示。

表1 高階思維導向的程序設計導學模式

4 高階思維導向的Python程序語言教學設計

4.1 Python語言程序設計教學目標

Python語言程序設計課程目標是培養(yǎng)學生計算思維與程序思維，通過Python 語言建立現(xiàn)實世界與信息世界的聯(lián)系；基于OBE 理論，通過基礎應用、項目提升、創(chuàng)新拓展分層次引導學生利用程序設計技術解決復雜工程問題，從而掌握對開源工具與Python 生態(tài)環(huán)境的應用。通過個人、國家和社會場境案例，帶領學生進行思維錘煉與價值塑造；通過任務翻轉、小組活動，讓學生在程序設計過程中學會協(xié)作與創(chuàng)新，在任務迭代中感受程序世界與現(xiàn)實世界之美。

4.2 Python語言程序設計教學內(nèi)容

Python語言程序設計以數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操作等語法為課程內(nèi)涵，以Python 生態(tài)構建為課程外延，主要包括Python 基礎應用語法、Python 應用生態(tài)模塊、Python高級應用三個模塊層次(如圖2)。

圖2 Python語言程序設計教學內(nèi)容組織

課程基于華南師范大學的礪儒云平臺SPOC 資源平臺[10]和PTA在線測試平臺[11]，通過基礎、應用與項目挑戰(zhàn)進行分級分類的課程內(nèi)容組織，通過自身平臺建設拓展針對于高階思維能力培養(yǎng)的應用場景、應用案例與挑戰(zhàn)任務，形成課程的高階內(nèi)容與課程特色，有利于深度學習與高階思維能力培養(yǎng)，增強學生解決問題的能力和職業(yè)素養(yǎng)。

4.3 Python語言程序設計教學資源

課程教學目前使用學校礪儒云和學者網(wǎng)構建SPOC 資源平臺，資源內(nèi)容包括單元導學、微課視頻、學習活動、自我評價、學習資源、項目式提升、拓展材料等主要版塊；實踐平臺引入新工科理念與華為智能基座課程結合，使用華為云devCloud(如圖3)構建應用實踐與創(chuàng)新實踐資源，讓學生盡早接觸企業(yè)新工具，并在工具使用中擴大視野，養(yǎng)成比較與選擇的高階思維能力。

圖3 基于devCloud課程項目實踐平臺

4.4 Python語言程序設計課程思政設計

根據(jù)立德樹人的課程目標與課程內(nèi)容，挖掘課程知識體系的著力點，教學案例思政的契合點，構建課程思政案例體系(圖4)，通過案例引導價值傳遞，利用5E 導學模式中的高階思維能力培養(yǎng)，培養(yǎng)學生職業(yè)態(tài)度、職業(yè)素養(yǎng)與品格，增強學生觀察世界，思考問題的角度與能力。

圖4 課程思政案例建構與目標

4.5 Python語言程序設計課程教學效果

4.5.1 學習過程數(shù)據(jù)分析

我們使用兩個班進行《Python語言程序設計》課程教學對照實驗，每班各50 人，A 班使用傳統(tǒng)線上線下混合教學模式，B 班基于高階思維導向的線上線下混合教學模式。學習過程數(shù)據(jù)包括微視頻點擊平均數(shù)、課后測完成度、課后測平均分、應用任務平均得分、挑戰(zhàn)任務平均得分，圖5 可以看出各班采用混合式教學模式在微視頻平均點擊數(shù)次、課后測完成程度、課后測平均得分方面表現(xiàn)良好，但在應用任務、挑戰(zhàn)任務上，使用高階思維導向教學模式比傳統(tǒng)混合式教學模式過程表現(xiàn)更加出色，原因在于使用高階思維導學激發(fā)了學生學習興趣，教學過程與教學模式也有利于學生知識建構與應用。

圖5 學習過程數(shù)據(jù)分析情況

4.5.2 學習結果評價數(shù)據(jù)

我們使用2020-2022 年度的教學數(shù)據(jù)，從課程目標達成上對比發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)線上線混合教學模式學生在基礎知識掌握程度上總體持平，但對問題解決的應用能力目標平均分提高近20分，對復雜問題的實踐創(chuàng)新能力平均提升近10分，體現(xiàn)采用高階思維導向的程序設計語言教學可以較好提升學生對復雜問題的挑戰(zhàn)能力。

圖6 Python語言程序設計學習目標達成情況

5 結束語

通過高階思維導向進行程序設計語言課程設計，采用線上線下混合教學模式，利用5E導學模式組織教學過程，從個人、國家、社會三個維度實施課堂思政。課程教學實踐表明高階思維導學的程序語言教學能夠促進教學目標達成，提升學生應用高階思維解決具體問題的能力。未來將使用課程學習數(shù)據(jù)，進行深層次知識追蹤，提供更加個性化的程序語言學習導學。