計算思維導向下的計算機教學方法創新

摘要：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解和系統設計的一種思維方式，它對于培養學生的創新能力、問題解決能力和綜合性思考能力具有重要意義。然而，在傳統計算機教學中，往往過于注重工具操作而忽視了計算思維的培養。以計算思維為切入點，分析了其特點、優勢和處理問題時的流程，同時討論了傳統計算機教學中存在的問題，并提出了計算思維導向下的創新方法來提高教學效果，促進學生在問題解決和系統設計方面的能力發展。

關鍵詞：計算思維；計算機教學；創新方法

一、前言

計算思維是一種運用計算機科學的基礎概念進行問題求解和系統設計的思考方式。它強調抽象能力、分解能力、遞歸思考和并行處理等特點，幫助人們更好地理解和應用計算機科學的原理和方法。在計算機教育領域中，培養學生的計算思維具有重要意義。

二、計算思維的特點和優勢

（一）抽象能力

計算思維強調抽象能力，即將復雜問題抽象成更一般化的形式。這就可以從具體情境中解脫出來，關注問題本質，并應用相應的算法或方法。例如，在編程中，可以使用變量、函數和對象等抽象概念來表示現實世界中的事物，并對其進行操作和處理。

（二）分解能力

計算思維具備分解能力，即將大型龐雜任務或系統分解為更小、更可管理的部分。通過逐步解決每個子問題，最終達到整體問題的求解或系統設計。這種分解能力使得復雜任務變得可行，并建立清晰而有效的工作流程。

（三）遞歸思考

遞歸是計算思維中常見且重要的概念之一。它允許將一個問題分解為更小規模的相似子問題，并通過對子問題進行求解來推導出原始問題的答案[1]。遞歸思考能夠幫助處理復雜的數據結構和算法，例如樹、圖和排序等。

（四）并行處理

計算思維具備并行處理能力，即同時處理多個相關任務或操作。這樣可以利用并行性提高效率，并在需要時進行任務間協作和通信。例如，在分布式系統中，多個計算節點可以同時執行不同的任務，從而加快整體計算速度。

（五）數據驅動

計算思維強調以數據為基礎進行決策和推理。它鼓勵利用數據來加快計算、進行分析和預測，并在時間和空間之間進行權衡。通過大數據分析、機器學習和人工智能等技術，可以從海量數據中發現模式、趨勢和關聯性，并作出相應的決策。

三、計算思維解決問題的流程

（一）理解問題

在計算思維中，理解問題是解決任何問題的第一步。這意味著我們需要深入了解待解決的問題，并梳理出其背景、目標和限制條件[2]。通過與相關人員交流或研究領域知識，可以獲得更全面的了解，并確保對問題有清晰而準確的認識。無論是編程中遇到的技術難題，還是現實生活中面臨的復雜挑戰，理解問題都是成功求解的關鍵。

（二）抽象問題

通過抽象，可以從具體情境中提取出通用模式和規律。例如，在編程中，可以將實際需求抽象為函數、類或數據結構等概念，并定義它們之間的關系。這種抽象能力能夠擺脫特定情況的限制，關注問題本質，并應用相應的算法或方法。無論是解決復雜技術難題還是處理現實生活中的挑戰，通過抽象問題，能夠發現問題的共性和普遍性，并以更高層次的視角來思考和解決問題。

（三）設計算法

在設計算法時，需要考慮多個因素，如時間復雜度、空間復雜度、可行性和效率等。根據已有知識和經驗，可以選擇適當的數據結構、確定需要使用哪些操作和函數。通過良好的算法設計，能夠提高問題求解的效率，并確保結果的準確性和可靠性。

（四）實現代碼

實現代碼是將設計好的算法轉化為可執行的程序的重要步驟。通過選擇合適的編程語言、工具和庫，并根據算法規范進行編寫，可以將抽象的解決方案轉化為具體可操作的代碼。在實現代碼過程中，需要注意代碼的正確性、效率和可讀性。確保所編寫的代碼能夠按照預期工作，并滿足問題求解或系統設計的要求。

（五）調試測試

調試測試是將已實現的代碼運行并進行驗證和修復的重要步驟。通過檢查程序是否存在錯誤或異常情況，并使用測試樣例驗證程序是否按照預期工作，可以確保代碼的正確性和可靠性[3]。在調試過程中，需要定位并修復可能出現的問題，包括邏輯錯誤、語法錯誤或邊界條件處理等。

（六）優化改進

對代碼和解決方案進行分析，可以在提高程序性能、增加用戶體驗或擴展系統功能等方面進行優化。這可能涉及重新設計算法、調整數據結構、改善代碼邏輯或引入新的技術等。通過嘗試不同策略或技術來優化算法或改善解決方案，能夠提高問題求解的效率，并使其更符合預期目標。

（七）分析結果

分析結果是對算法的輸出進行評估和解釋的重要步驟。通過對計算結果進行分析，我們可以驗證是否滿足問題要求，并與預期目標進行比較。這涉及對數據、圖表或其他形式的輸出進行解讀和理解。

（八）反饋迭代

反饋迭代是根據分析結果和用戶反饋不斷優化和改進解決方案的重要步驟。通過收集用戶的意見、建議和需求，可以了解他們對解決方案的滿意度和改進點。同時，根據分析結果和實際應用情況，可以發現潛在問題、改進空間或新的需求。基于這些反饋信息，可以重新定義問題、調整算法或修改代碼等，并進行新一輪的測試和驗證。

四、計算機教學中存在的問題

（一）重視工具而忽視思維

傳統計算機教學往往過于注重軟件和編程語言的使用，而忽視了培養學生的計算思維能力。課程內容側重于具體技術操作，如語法規則、API調用等，而缺乏對問題求解和系統設計的深入理解。

（二）缺乏實踐經驗

傳統計算機教學通常以理論知識為主，缺乏實際應用和實踐經驗。這使得學生難以將所學知識與真實世界相連接，并無法真正理解其應用場景和意義。他們可能只停留在書本上或虛擬環境中進行編碼，而沒有接觸到真實項目開發或與行業合作的機會。

（三）缺乏創新性和合作性

傳統計算機教學往往強調個人獨立完成任務，缺少創新性思維和團隊合作能力的培養。學生被要求按照規定的步驟完成編程任務，而缺乏對問題的深入思考和創造性解決方案的探索。此外，缺少與同伴合作的機會也限制了學生在團隊協作和溝通能力方面的發展。

（四）缺乏學科融合

傳統計算機教學較為孤立地關注計算機科學本身，而忽略了與其他領域的交叉融合。這使得學生難以將計算思維應用于其他領域，并限制了他們的綜合性思考和創新能力[4]。實際上，計算機科學與數學、物理、藝術等多個領域有著緊密聯系，通過跨學科整合可以激發更廣泛的創意和應用。

五、計算思維導向下的計算機教學的創新方法

（一）項目驅動學習

項目驅動學習是一種以實際項目為核心的教學方法，旨在通過讓學生參與到真實的項目中來激發他們的興趣和動力。這種教學方法強調將理論知識與實踐應用相結合，幫助學生將所學知識與現實場景相連接，并培養他們解決問題和進行系統設計的能力。

在項目驅動學習中，教師可以選擇具有挑戰性和切實可行性的項目，并引導學生從問題定義、需求分析、解決方案設計到最終實施等全過程參與其中。例如，一個計算機科學班級可以組成小組，在指導下開展一個網站設計或應用程序開發項目。每個小組負責不同的任務，如前端設計、后端開發、數據庫管理等。通過這樣的團隊協作方式，學生可以互相合作、交流經驗，并共同完成整個項目[5]。

在項目驅動學習中，重點不僅僅是結果本身，更重要的是過程中所涉及的思考和決策過程。通過面對真實問題并尋找解決方案，在整個過程中培養了解決問題和系統設計所需要的技能和能力。

首先，在項目驅動學習中，學生需要進行問題定義和需求分析。他們需要了解項目的背景、目標和限制條件，并與團隊成員一起討論并確定項目的具體要求。在這個過程中，學生需要運用計算思維來理清問題的本質，并將其轉化為可行的解決方案。

接下來，學生開始設計解決方案。他們需要考慮系統架構、功能模塊劃分以及數據流程等方面。在這個階段，學生可以運用抽象能力和分解能力，將整個系統拆分為更小、更可管理的部分，并確定每個部分所需實現的功能。

然后，學生開始實施所設計的解決方案。根據各自任務的不同，他們可能會使用編程語言、開發工具或其他技術來完成相應的工作。在實施過程中，學生會遇到各種挑戰和問題，需要靈活調整并尋找合適的解決方法。

最后，在項目驅動學習中，評估和反饋是一個重要環節。學生通過測試、演示或用戶反饋等方式對已實施功能進行評估，并根據結果進行改進和優化。這樣可以幫助他們理解如何從錯誤中吸取教訓，并不斷提高自己在問題解決和系統設計方面的能力。

通過項目驅動學習，學生不僅可以將所學知識應用于實際情境中，還能夠培養團隊合作、創造性思維和解決復雜問題的能力。此外，他們還可以在整個過程中體驗到真實項目開發的挑戰和樂趣，并為未來的職業發展做好準備。

（二）翻轉課堂

翻轉課堂（Flipped Classroom）是一種以學生為中心的教學模式，將傳統的課堂授課環節放到課外自主完成，課堂時間則被用于深入討論、互動和實踐。在翻轉課堂中，學生通過預先提供的資料或視頻講解，在課前自主學習，并在課堂上與教師和同學進行深入的討論和實踐活動。

翻轉課堂的核心理念是將傳統教室內外的角色顛倒過來。傳統上，教師在課堂上扮演著知識傳授者的角色，而學生則被動地接受知識。然而，在翻轉課堂中，學生成為主導者和積極參與者，他們通過預習材料來獲取基礎知識，并在面對面的交流中更好地理解和應用這些知識。

具體來說，在翻轉課堂中，教師會提供相關資料或視頻講解給學生，學生在家或其他場所自主進行預習。這樣可以使每個學生根據自己的進度和需求進行學習，并有更多時間思考問題、整理思路。同時，教師還可以利用在線平臺或工具收集并分析學生的預習情況，以便更好地了解學生的掌握程度和需求。

在課堂上，教師可以利用寶貴的面對面時間進行深入討論、互動和實踐活動。這包括小組討論、問題解答、案例分析、實驗或項目等。通過與同學和教師的交流，學生可以進一步加深對知識的理解，并將其應用于實際場景中。此外，教師還可以提供即時反饋和指導，幫助學生克服困難并提高學習效果。

翻轉課堂模式具有多重優勢。首先，它能夠激發學生主動學習的積極性和自主性。通過自主預習和參與課堂互動，學生更加投入并積極參與到知識建構過程中[6]。其次，翻轉課堂強調合作與交流，在小組討論或項目合作中培養了團隊合作精神和溝通能力。此外，由于每個人都有機會在自己的節奏下進行預習，并在課堂上得到及時指導，因此適應不同層次和需求的學生也變得更容易。

然而，翻轉課堂也面臨一些挑戰。首先，它需要教師在設計和準備課程時投入更多的時間和精力。教師需要選擇合適的預習材料、制作講解視頻，并設計富有互動性的課堂活動。其次，學生可能需要適應這種新的學習方式，并養成自主學習和時間管理的能力。

（三）游戲化教學

游戲化教學是一種將游戲元素和機制應用于教育活動中的創新方法。通過引入競爭性、獎勵機制以及即時反饋等游戲元素，可以增加學生的參與度和積極性。在計算思維導向下的計算機教學中，游戲化教學被廣泛應用，以激發學生對計算機科學的興趣，并提高他們解決問題和系統設計能力。

首先，游戲化教學為學生提供了一個有趣而具有挑戰性的環境。通過設計編程挑戰賽、開展虛擬現實實驗室或使用在線編程平臺等方式，可以讓學生在競爭中體驗到樂趣并感受到成就感。這樣的環境能夠吸引他們主動參與，并激發他們探索和嘗試新知識的欲望。

其次，游戲化教學強調獎勵機制和即時反饋。當學生完成任務或達到特定目標時，他們會獲得獎勵，如積分、徽章或升級等。這些獎勵不僅增加了參與者之間的競爭性，還鼓勵個人不斷進步和超越自我。同時，即時反饋也是游戲化教學的重要組成部分。通過即時給予學生關于他們表現的反饋，無論是正面還是負面的，可以幫助他們更好地理解自己的優點和不足，并調整策略以提高表現。

此外，游戲化教學還能夠培養學生的團隊合作精神和合作能力。許多游戲都鼓勵玩家之間進行協作與競爭，在團隊中共同解決問題或達到共同目標。在計算機教學中，可以設計多人編程挑戰賽或團隊項目來促進學生之間的合作與交流。這樣的活動不僅有助于培養學生良好的溝通和協作技巧，還能夠加強他們在實際工作環境中的團隊合作能力。

最后，游戲化教學為個性化學習提供了可能性。由于每個人對游戲元素和挑戰感受不同，因此可以根據每個學生的興趣、水平和需求來定制任務和難度級別。這種個性化設置使得每位學生都能夠在適合自己發展水平的環境中學習，并根據自己的進展進行調整和提升。

（四）跨學科整合

跨學科整合是計算思維導向下的計算機教學中一種重要的創新方法。它旨在將計算機科學與其他學科進行結合，以促進學生對計算思維的理解和應用，并培養他們的綜合性思考和創新能力。

首先，跨學科整合可以幫助學生更好地理解計算思維在不同領域中的應用。通過將計算機教學與數學、物理、生物、藝術等領域相結合，可以讓學生看到計算思維在各個領域中的實際運用。例如，在數學課程中引入編程思維，幫助學生更好地理解抽象概念和問題求解方法；在藝術課程中探索數字媒體設計，培養創造性表達能力。這樣的整合使得計算機教育不再孤立存在，而是與其他領域緊密聯系。

其次，跨學科整合提供了更豐富和全面的教學體驗。傳統上，各個學科往往被獨立地教授，缺乏交叉融合的視角。通過引入計算機科學的概念和方法，可以為其他學科注入新鮮血液，并激發出更多創造性思維和創新能力。例如，在物理課程中引入計算模擬，讓學生通過編寫程序來模擬物理現象；在社會科學課程中使用數據分析工具，幫助學生從大量數據中提取有意義的信息。這樣的整合不僅豐富了教育內容，還培養了學生的跨學科思維和解決問題的能力。

實施跨學科整合需要注意以下幾個方面：

首先，明確目標和內容。確定想要達到的目標，并明確計算機科學在其他學科中的應用領域。這可以通過與其他教師進行合作來實現，共同制定教學目標并設計相關課程。

其次，選擇合適的教材和資源。尋找與跨學科整合目標相符的教材、案例研究或實踐項目等資源。這些資源應該能夠將計算機科學與其他學科有機地結合起來，并提供具體的實踐經驗。

接下來，設計相關活動和任務。根據所選教材和資源，設計適當的活動和任務來促進學生對跨學科整合內容的理解和運用。這可能包括小組討論、實驗室實踐、項目制作等形式。

同時，鼓勵交叉合作與互動。通過組建多學科團隊或進行跨班級合作，讓不同背景的學生共同參與到跨學科整合活動中。這樣可以促進他們之間的交流與協作，并從彼此的專業知識中獲益。

最后，評估和反饋是不可忽視的一環。及時評估學生在跨學科整合活動中的表現，并提供具體的反饋和建議。這有助于學生了解自己的優勢和不足，并進一步改進和發展。

六、結語

綜上所述，計算思維導向下的計算機教學方法創新對于提升學生問題解決能力和系統設計能力非常重要。通過培養抽象能力、分解能力，結合遞歸思考等特點，可以幫助學生更好地應對復雜問題。項目驅動學習、翻轉課堂和游戲化教學等創新方法為學生提供了實踐經驗和合作機會。同時，將計算機科學與其他領域進行跨學科整合，豐富了教育內容并促進綜合性思考。未來的研究應該關注教師培訓和資源支持，并評估這些創新方法對于提高學生技能和興趣的效果。

參考文獻

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[5]黃靜，段濤.高校計算機應用型人才計算思維能力培養研究[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2021（11）：205-207.

[6]王燕紅，楊利華，葉君耀.大學計算機基礎課程之計算思維教學內容設計[J].辦公自動化，2021，26（18）：52-53.

作者單位：湖北文理學院理工學院

■ 責任編輯：周航