程序設計課程跨學科融合教學研究

摘?要：在程序設計類專業技能課程的學習中，職校學生普遍存在著目標不清、認識不明、理解不易和畏難情緒嚴重等問題。基于新時代教育對提升學生核心素養的要求展開理論研究，發現培養學生的計算思維是程序設計課程實施的關鍵點，而跨學科融合教學是實現這一目標的突破口。因此，借助豐富的信息技術手段制訂教學方案，提高了學習效果，增強了學生的參與度、滿意度及愉悅度。

關鍵詞：跨學科教學；計算思維；程序設計課程

Abstract：In the study of program design professional skills，there are many problems in vocational school students，such as unclear goals，unclear understanding，difficult understanding and serious fear of difficulties.Based on the requirements of the new era education to improve students' core literacy，theoretical research is carried out，and it is found that cultivating students' computational thinking is the key point of the implementation of programming curriculum，and interdisciplinary integrated teaching is the breakthrough to achieve this goal.Therefore，with the help of rich information technology means to develop teaching programs，improve the learning effect，enhance students' participation，satisfaction and pleasure.

Keywords：Interdisciplinary teaching；Computational thinking；Program Design course

1 新時代人才培養的要求與價值取向

教育部確定了發展學生的核心素養是落實立德樹人根本任務的一項重要舉措。我國在新一輪信息技術課程標準中，也將計算思維列為信息技術課程的核心學科素養，“引導學生親歷計算思維過程”在課堂教學的變革中占有突出位置。計算思維教育已是當前國際計算機領域廣為關注的一個重要概念，也是當前信息技術教育研究的一個重要課題。程序設計作為信息技術學習中的一大難點，應依據新理念及時改進教學，助力學生的高質量學習與全面發展。

2 職校學生程序設計課程學習存在著諸多問題

2.1 學習目標不清晰

“C語言程序設計”屬于專業技能核心課程，根據專業人才培養方案和課程標準的要求，學生需具備從事本專業職業崗位所必需的程序設計基本知識、理論和技能，并具有程序設計和簡單的開發能力，進而通過學業水平測試獲取全國計算機等級考試二級C語言合格證。由此一來，學生會片面地認為“學習=考證”，目標功利化導致學生接受知識的方式方法過于死板。但是，考證是學業要求，職業發展、素養提高與終身學習能力才是教育的深層價值所在。尤其是在計算機基礎尚且薄弱時，程序設計課程的學習還需要逐步建立學生的高階思維，過于追求結果，會導致學生遇難而退，止步不前。

2.2 專業認識不明確

課程教材《C語言程序設計》按照江蘇省《學業水平測試考試大綱》的要求編寫，該教材中項目的設置雖然接近學生的學習生活，但是不能激發他們的興趣，與學生的職業定位相關性弱，知識點向本專業工作內容的遷移程度不高。中職階段的學生仍未脫離小學、初中階段學科學習的慣性思維，專業認識與職業定位尚不明晰，這使得學生只是被動地、機械地接受學校和老師所做的一切學習安排，主觀能動性受到極大的限制，學習興趣相應地有所抑制，這與職業教育提倡學生多實踐，有創新的教育目標存在矛盾。

2.3 知識理解不容易

中職生學習能力相對較弱，主要體現在對知識的理解以及理論向實踐的遷移上。學生對專業課內容幾乎都是第一次接觸，在程序設計課程的學習過程中兩極分化現象嚴重。例如，通過教學內容編排和活動的組織，個別同學能迅速獲取知識要點，達到“頓悟”的狀態，而相應地，一部分同學通過反復探索仍無法在知識間建立關聯，如何使兩者互“利”共贏，并在計算思維的觸發下，漸漸主動、共同生成科學有效的學習機制，進而專業課間的學習和知識應用上形成聯動，是本研究關注的焦點。

2.4 畏難情緒很嚴重

中考后進入職校的學生自我效能感較弱，畏難情緒是普遍存在的，故而要從學生易消化、接受快的方面入手，潛移默化，攻其不備，逐步增強他們的自我效能感，提升其學習獲得感與專業素養，將工匠精神的塑造融入日常。

3 國內外研究現狀

3.1 面向計算思維培養的教學

計算思維是以計算機領域的學科方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結利用計算機解決問題的過程與方法，并可遷移到與之相關的其他問題解決中的一種學科思維。面對世界各國遭遇的各種環境、生態、能源、安全、經濟、政治等諸多復雜問題，培養跨領域思考、具有高度理性與客觀、以問題解決為導向的復合型人才已經是大勢所趨［1］。國外計算思維的應用研究也聚焦于計算思維的教育過程，應用層次涵蓋了K-12到高等教育的所有學段，但主要集中在K-12階段［2］。目前國外在探討如何促進與評估計算思維發展的實際問題時，更加關注K-12階段。國內自核心素養正式提出以來，計算思維培養的研究層次逐步從高等教育聚焦到基礎教育上來。從內容上看，高等教育針對如何培養學生的計算思維，不僅探索了以培養學生計算思維為導向的大學計算機基礎課程教學有效改革的相關模式、策略、方法與實踐等，而且還從宏觀層面探討了在高等教育階段開展計算思維教育的相關對策與實施的有效路徑。而初中等教育主要通過教學實踐探究，促進計算思維的生成，提升核心素養，落實立德樹人根本任務。

3.2 程序設計課程教學中計算思維的培養

當前，國外計算思維研究的重心已轉向如何促進與評估計算思維發展的實際問題上。關于如何促進計算思維的落地，雖然學者們一致認為應在具體的教學中推進，但對于在教學中是把計算思維視為一般學科、學科專業還是多學科專題的問題尚未達成共識。此外，需要在教學中培養的思維并不僅有計算思維，還有正在形成的其他思維。對此，計算思維的倡導者指出，雖然計算思維與數學、工程和設計思想共享元素，并且利用了其他思維方式的相關框架，但計算思維以其獨特的方式對其他思維技能進行了擴展［3］。關于課程的選擇，國外相關的研究主要聚焦于計算機編程或計算機科學相關的課程，但也有少量的研究涉及英語、數學、語言藝術等課程。

近年來，隨著關注中小學計算思維教育學者的增多，研究層次在中小學教育的文獻數量也有所增加。這些研究也聚焦于如何培養學生的計算思維，不同的是它們更側重于在信息技術課程中探索培養學生計算思維的有效教學模式、方法與策略。

3.3 基于跨學科融合教學的計算思維培養

國外之所以聚集在K-12階段，是因為許多學者與教育界人士認為，計算思維這種“多元抽象的思維”可從計算機科學領域擴展到所有學科，為分析和開發能夠通過計算方法解決的問題提供一種獨特的方法，理應成為K-12學生的基本要求［4］。更為重要的是，計算思維與培養學生21世紀核心競爭力在許多方面是一致的，譬如創造力、批判性思維與問題解決等。隨著計算思維被視為科學、技術、工程與數學（STEM）學科的核心，許多教育工作者都深刻認識到，培養K-12階段學生的計算思維有助于學生能夠盡早地使用計算思維，更好地解決現實世界中遇到的各種問題。

國內研究中最早實施跨學科計算思維教學的學者是北京大學的李曉明教授，他以社會學與經濟學的若干經典問題為背景，以應用數學和計算機科學的基本概念為語言，向學生展示了一種交叉學科尤其是計算思維在社會科學中運用的廣闊圖景［5］。復旦大學的徐迎曉博士探討了在跨學科課堂中開展統一的、結合學生各自學科的計算思維練習形式，結合跨學科的通識教育課程，通過設計統一的練習，使不同學科的學生都能夠結合自己的專業知識進行計算思維特定方面的訓練，并實現跨學科的相互啟發［6］。近年來，從基礎教育領域越來越多的教學實踐中發現，跨學科融合教學能夠通過促進學生建立計算思維，從而提高其問題解決能力。

4 教學設計與實踐

4.1 教學分析

授課對象為計算機網絡技術（無人機）專業的五年制高職一年級學生，基于調查和訪談發現，其在入校前計算機學習的基礎較差，編程經驗全部為零。經過一個學期的學習，能夠讀懂基本結構的程序代碼，95%以上的同學能夠使用基本的C語言元素和結構編寫簡單的程序。在日常教學與管理中發現，學生對無人機專業課有著極大的興趣，并且在職業規劃上有所偏向，因此與該門課程的任課老師展開協同備課，實施跨學科融合。此外，傳統課堂中講練結合的方法難以促進學生計算思維的培養，故而借助豐富的信息技術手段，使得學生思維可視化，感知理解的發生。

4.2 教學實施

“數組”是C語言學習中的一大難點，“一維數組”屬于教材《數組與字符串》中的一個教學單元，旨在使學生理解C語言中數組的概念，掌握其使用方法，進而建立批量化處理思想，為計算機專業學生深造大數據的數據結構提供底層認知。計算思維解決問題一般有四個基本步驟：分解、抽象、模擬和算法。本文以一維數組的學習展開論述，以計算思維建立的主要環節為線索，切實探究跨學科融合教學中生成計算思維的具體實施策略，針對性地化解學生的學習難題。

4.2.1 情境導入，分解問題

在計算思維建立過程中，“分解”是指將一個問題拆分成幾個可執行的操作步驟。通過觀看“無人機點亮夜空 向建黨百年獻上真摯祝?！钡恼鸷骋曨l，在融入課程思政的同時，創設無人機編隊形的跨學科專業情境，與學生當前所學的無人機模擬操作聯系起來。思考問題，已有矩陣列隊有什么樣的局限性？以問題為橋梁，將條件語句和數組這兩個前后知識巧妙關聯。學生能夠在理解的基礎上，順利地將大項目分解為小步驟，在問題界定中融入知識點，同時自然過渡，銜接學習內容，并體現出程序設計的優化理念。

跨學科的情境設置有利于學生進行問題分解，將虛擬抽象的程序代碼跟真實可觸的無人機操作建立了思維聯結。

4.2.2 概念提取，抽象要素

計算思維中“抽象”是指提取現實問題中的關鍵概念，并將其轉化為計算機科學中具體的可執行要素。這一過程主要實現問題的化繁為簡，在程序設計中用代碼元素來表示問題的關鍵概念。通過微課展示，無人機列隊與數組矩陣可以在視覺上進行直觀的對應、轉換。無人機點位可以抽象成數組中的元素，學生可利用課前自主學習的命令，將元素按照順序保存在數組中，完成“數組的定義、初始化”這一教學重點。

在新知識學習初期，“抽象”思維的水平取決于學生對概念的理解程度，利用更加具象化的內容來降低學生的認知負荷，將高度概括的計算機術語表征為學生易接受的事物。

4.2.3 規律對比，模擬方法

“模擬”是指預測問題發生的規律，并找出符合這個規律的模式來進行測試。使用動畫演示一維數組引用的原理，帶領學生發現在輸入輸出時，數組引用的規律——一般情況下，與for循環結合使用。根據學生在無人機實操課上的學習要點，vlog記錄無人機排列隊伍實況，引導學生發現在入場和出場時具有“結構固定”的規律。利用這兩個模式的相通點，在數組引用時采取for循環的方法模擬無人機的進場與出場。

4.2.4 分析結構，形成算法

計算思維生成中的“算法”這一環節是指創建一個機制，其中包含了能夠解決同一模式相似問題的可重復執行的具體步驟。算法的形成是C語言程序設計學習的難點、痛點、堵點。經過以上環節的鋪墊，完成向“算法”的轉化以及“算法思想”的遷移是發展學生信息技術核心素養的一大飛躍。無人機操控課程可見可操控，但較難激發學生思考，學習的深度不足。因此，利用無人機課程的“形”與“實”來攻克C語言程序設計的“道”與“虛”，通過實操及視頻記錄發現規律，使用在線協作工具Processon，通過小組合作的方式將規律用思維導圖（流程圖）的形式表示出來，并用程序語言描述，加以比對，進而形成算法。結合算法“反哺”無人機操控模擬，實現自動化處理。

在協作學習中，學生參與度提高明顯是由于對信息化手段的好奇心，并且使用工具可以認可每一位學生在學習過程中的點滴付出，而非以最終結果的正誤“一錘定音”，這樣學生能更容易感受到學習的發生。

4.3 教學效果

“空間展示”“動態變化”“現象模擬”……這些跨學科學習不僅有助于學生掌握多學科的知識和技能，更能提供豐富的知覺刺激來促進其發散思維、拓寬眼界，在“一技之長”的基礎上，逐漸邁向高素質提升。根據作品檔案袋分析法的結果顯示，從縱向（與往屆學生相比）與橫向（與同屆學生相比）兩方面來看，學生的學習效果均有顯著提高。同時，在課堂教學觀察中發現，學生的學習參與度、滿意度及愉悅度均有所增強，在練中思、做中學，實現了技能的有意義學習目標。

結語

在新時代高質量發展的背景下，職教人才所需的不僅是專業技能上的高度，更要具備多元化跨領域的廣度與深度?？鐚W科融合教學的方式通過更為現實且系統的問題解決，幫助學生在學習之初明確了符合自身認知水平的學習目標，激勵學生在學習過程中認識所學專業，用學生的興趣點降低其畏難情緒。同時，在建立計算思維的基礎上，有效提高學生對知識的理解水平，在教學引導下完成內容的意義建構，在潛移默化中實現學以致用。

參考文獻：

［1］陳鵬，黃榮懷，梁躍，等.如何培養計算思維——基于2006—2016年研究文獻及最新國際會議論文［J］.中國大學教學，2018（1）：98-112.

［2］FilizK，YaseminG，VolkanK.A Framework for Computational Thinking Based on a Systematic Research Review［J］.Baltic Journal of Modern Computing，2016（3）：583-596.

［3］LeeI，MartinF，DennerJ，etal.Computational Thinking for Youth in Practice［J］.AcmInroads，2011（1）：32-37.

［4］HeintzF，MannilaL，FarnqvistT.A Review of Models for Introducing Computational Thinking，Computer Scienceand Computing in K-12 Education［C］.Frontiersin Education Conference，2016：1-9.

［5］李曉明.跨學科計算思維教學的認識與實踐淺談［J］.中國大學教學，2011（11）：4-5.

［6］徐迎曉，李妍.跨學科課堂的計算思維練習［J］.中國大學教學，2014，36（A2）：46-48.

基金項目：南京市第十一期個人課題“程序設計課程跨學科融合教學研究——以C語言教學為例”（項目編號：Aq3175）

作者簡介：王云樓（1992—?），女，河南洛陽人，碩士，講師，研究方向：計算機教學、信息技術與教育應用。