計算機編程教育中的計算思維與教學(xué)策略研究

尹鴻峰 周子程 毛國興

摘要：計算機編程教育的重要性日益凸顯，要求我們必須致力于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。然而，計算機編程教育面臨著諸多挑戰(zhàn)，為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，教育者需積極采用創(chuàng)新的教學(xué)方法，同時，政策制定者須制訂相關(guān)政策等。在計算思維教育的未來發(fā)展中，我們應(yīng)著重關(guān)注終身學(xué)習(xí)和跨學(xué)科整合，以確保教育能夠不斷適應(yīng)和滿足社會的變化需求。

關(guān)鍵詞：計算機；編程教育；計算思維；教學(xué)策略

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0172-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

0 引言

計算思維在現(xiàn)代社會中變得至關(guān)重要。它不僅是計算機科學(xué)領(lǐng)域的核心，還在各個學(xué)科和行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。因此，計算機編程教育的重要性愈發(fā)凸顯。本文將深入探討計算思維的概念，分析計算機編程教育所面臨的挑戰(zhàn)，以及針對這些挑戰(zhàn)提出有效的教學(xué)策略。我們將探討基于問題解決的教學(xué)方法、游戲化教學(xué)和跨學(xué)科教育的應(yīng)用，并闡述政策制定者在推動計算思維教育方面的作用。計算思維教育的目標不僅在于培養(yǎng)未來的程序員，更在于培養(yǎng)創(chuàng)新者、問題解決者和終身學(xué)習(xí)者，以應(yīng)對日益復(fù)雜和多樣化的挑戰(zhàn)。

1 計算思維的概念

計算思維是一種關(guān)鍵的認知能力，它涉及運用計算機科學(xué)的思維方式來解決問題、分析信息和應(yīng)對復(fù)雜任務(wù)。這種思維方式的應(yīng)用范圍廣泛，不僅限于計算機領(lǐng)域，在多個領(lǐng)域中都展現(xiàn)出其重要性。計算思維是一種系統(tǒng)性的思考方式，其核心特征包括問題分解、模式識別、算法設(shè)計、抽象思維和計算機工具的使用。它能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)造性思維和解決問題的能力，使他們更好地適應(yīng)現(xiàn)代社會中的各種挑戰(zhàn)。

2 計算機編程教育的挑戰(zhàn)

2.1 學(xué)生在計算機編程中的常見困難

計算機編程教育是一個引發(fā)廣泛研究和關(guān)注的領(lǐng)域，因為許多學(xué)生在這一過程中面臨著各種挑戰(zhàn)和常見困難。這些困難可能會阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí)進展和動力。首先，學(xué)生可能會面臨抽象思維的挑戰(zhàn)。計算機編程經(jīng)常涉及處理抽象概念，如變量、函數(shù)、循環(huán)等，這些對初學(xué)者來說可能不太直觀。其次，語法錯誤也是常見問題。計算機編程語言通常具有嚴格的語法規(guī)則，一個小小的語法錯誤就足以導(dǎo)致程序無法正常運行。學(xué)生常因拼寫錯誤、括號未配對等簡單的語法錯誤而感到挫敗。邏輯錯誤也是一個難題，因為它們會導(dǎo)致程序雖然能夠運行，但結(jié)果并不符合預(yù)期。解決邏輯錯誤通常需要深入的思考和細致的調(diào)試。問題解決能力在計算機編程中至關(guān)重要，但學(xué)生可能會在問題分析、算法設(shè)計和調(diào)試方面遇到瓶頸。某些編程概念，如遞歸、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，對初學(xué)者來說可能較為復(fù)雜。學(xué)生需要時間來逐步理解這些概念，并將它們應(yīng)用于實際的編程任務(wù)中。此外，一些學(xué)生可能會因為連續(xù)的錯誤或難以理解的概念而喪失自信，這可能會削弱他們的學(xué)習(xí)動力。配置編程環(huán)境也可能是一個額外的挑戰(zhàn)，因為學(xué)生可能需要安裝開發(fā)工具并設(shè)置編程語言。時間管理也是一大問題，因為編程項目往往需要大量的時間和精力，學(xué)生在應(yīng)對多個任務(wù)和期限時可能會感到難以抉擇。最后，缺乏實踐經(jīng)驗也是一個普遍存在的問題，因為計算機編程是一項技能，需要不斷的練習(xí)和實踐。

這些困難和挑戰(zhàn)凸顯了計算機編程教育的重要性。教育者需要提供必要的支持，鼓勵學(xué)生積極解決問題，提供充足的練習(xí)和項目機會，并注重培養(yǎng)學(xué)生的持久力和自信心。解決這些困難需要耐心、堅持和靈活多樣的教學(xué)方法，以確保學(xué)生能夠克服挑戰(zhàn)，掌握編程技能，并享受編程帶來的樂趣和成就感[2]。

2.2 教育者面臨的教學(xué)策略挑戰(zhàn)

在計算機編程教育中，教育者面臨著多方面的教學(xué)策略挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)需要得到認真應(yīng)對，以確保學(xué)生能夠有效地掌握編程知識和技能，同時激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。首先，學(xué)生之間存在個體差異，包括背景知識、學(xué)習(xí)風(fēng)格和能力水平的不同。因此，教育者需要設(shè)計靈活多樣的教學(xué)策略，以滿足不同學(xué)生的需求，并提供個性化的支持。其次，如何激發(fā)學(xué)生的興趣是一個挑戰(zhàn)，因為計算機編程可能對一些學(xué)生來說新奇有趣，但對其他學(xué)生可能缺乏吸引力。教育者需要探索多種方法來激發(fā)學(xué)生的興趣，使他們愿意投入時間和精力來學(xué)習(xí)。選擇適當(dāng)?shù)慕滩暮蛯W(xué)習(xí)資源同樣至關(guān)重要，因為它們直接影響教學(xué)的成功與否。教育者需要根據(jù)學(xué)生的實際水平和教學(xué)目標，精心挑選合適的編程語言、工具和教材。項目設(shè)計也是編程教育中的一大挑戰(zhàn)，教育者需要設(shè)計既具挑戰(zhàn)性又不至于過于復(fù)雜的項目，以促進學(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐。此外，提供及時有效的反饋對于學(xué)生的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。因此，教育者需要制定科學(xué)的評估方法，以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進展，并幫助他們改進編程技能。適宜的教學(xué)環(huán)境也是不可或缺的，包括配備完善的計算機實驗室或虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。教育者需要確保學(xué)生能夠方便地訪問到必要的工具和資源。值得注意的是，計算機編程不僅局限于計算機科學(xué)領(lǐng)域，它在許多其他學(xué)科中也具有廣泛的應(yīng)用。因此，教育者需要思考如何將編程教育與其他學(xué)科整合，以提供跨學(xué)科的教育體驗。鑒于技術(shù)和編程語言的發(fā)展速度日新月異，教育者需要不斷更新課程內(nèi)容，以保持教育的現(xiàn)實性和前瞻性，并適應(yīng)新的教學(xué)工具和方法。培養(yǎng)問題解決能力是計算機編程的關(guān)鍵所在，教育者需要積極引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)這種能力，包括教授調(diào)試技巧和解決復(fù)雜問題的方法。最后，編程領(lǐng)域需要更多的多樣性和包容性。教育者應(yīng)采取有效措施，確保編程教育能夠吸引和支持來自不同背景的學(xué)生。

面對這些挑戰(zhàn)，教育者可以采用創(chuàng)新的教學(xué)方法，如個性化教育、項目驅(qū)動的教學(xué)和互動學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和滿意度。同時，積極參與教育技術(shù)和教育研究也是不可或缺的，以便不斷改進教學(xué)策略和教育環(huán)境，滿足學(xué)生不斷變化的需求。

3 教學(xué)策略研究

3.1 基于問題解決的教學(xué)方法

基于問題解決的教學(xué)方法在計算機編程教育中扮演著至關(guān)重要的角色，旨在培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和問題解決能力。該方法的核心在于，讓學(xué)生通過面對實際問題來學(xué)習(xí)編程，而不僅僅是學(xué)習(xí)語法和理論知識。首先，該教學(xué)方法的主要目標是教導(dǎo)學(xué)生如何運用計算思維和編程技能來解決復(fù)雜問題。它注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、邏輯思維和團隊合作能力。其關(guān)鍵特征在于，它以學(xué)生為中心，以實際問題或項目為核心，鼓勵學(xué)生編寫程序來解決這些問題。這些問題可能源自現(xiàn)實生活、工程領(lǐng)域、科學(xué)研究或其他學(xué)科領(lǐng)域。在教學(xué)過程中，學(xué)生被鼓勵自主探究問題，提出解決方案，并在實踐中不斷優(yōu)化和完善。項目設(shè)計通常包括多層次的項目，從簡單到復(fù)雜，逐步引導(dǎo)學(xué)生提升編程技能。學(xué)生編寫的程序往往用于解決實際問題或執(zhí)行具體任務(wù)，并會得到及時的反饋，以幫助他們改進解決方案。此外，在一些項目中，學(xué)生被鼓勵進行合作，共同解決問題，這有助于培養(yǎng)他們的團隊合作和溝通技能。這種教學(xué)方法將學(xué)習(xí)與實際問題解決緊密結(jié)合，使學(xué)生能夠更好地理解和應(yīng)用編程概念。學(xué)生在解決問題的過程中，不僅能夠提升創(chuàng)造性思維、邏輯思維和決策制定能力，還能增強學(xué)習(xí)動力，因為他們能夠看到自己的工作對解決現(xiàn)實問題具有實際價值[3]。然而，基于問題解決的教學(xué)方法也面臨一些挑戰(zhàn)。一些學(xué)生在開始時可能會感到困惑，特別是在需要自主解決問題時。因此，教育者需要提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和支持，確保項目設(shè)計難度適中，既不讓學(xué)生感到沮喪，也不讓他們覺得過于輕松。同時，教育者需要耐心對待學(xué)生的錯誤和挫折，鼓勵他們從失敗中學(xué)習(xí)，不斷進步。

3.2 游戲化教學(xué)在計算思維培養(yǎng)中的應(yīng)用

游戲化教學(xué)是一種教學(xué)策略，它將游戲設(shè)計和元素融入教育過程中，尤其在計算思維培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用。通過將學(xué)習(xí)與游戲的趣味性和挑戰(zhàn)性相結(jié)合，游戲化教學(xué)旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升他們的參與度，并有效促進計算思維的培養(yǎng)。首先，游戲化教學(xué)的主要目標是通過游戲元素和互動性來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，涵蓋問題解決、算法設(shè)計、模式識別和抽象思維等關(guān)鍵方面。其關(guān)鍵特征包括引入游戲化元素，如競爭、獎勵、成就和排名，這些元素能夠激發(fā)學(xué)生的競爭意識和積極性。學(xué)生需要完成一系列的任務(wù)和挑戰(zhàn)，這些任務(wù)要求他們運用計算思維來解決問題，難度逐漸遞增。同時，游戲化教學(xué)通常提供實時反饋，幫助學(xué)生了解自身表現(xiàn)及改進方向。此外，角色扮演也是游戲化教學(xué)的一大特點，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中扮演不同的角色，與故事情節(jié)相結(jié)合，增加學(xué)習(xí)的趣味性和沉浸感。合作和社交互動也是游戲化教學(xué)的組成部分，它鼓勵學(xué)生們在團隊中共同解決問題，提升溝通和合作技能。游戲化教學(xué)具有多重優(yōu)勢，如能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，積累實際問題解決的經(jīng)驗，強調(diào)反饋與改進，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，以及實現(xiàn)學(xué)習(xí)與娛樂的完美結(jié)合。然而，也需要注意到一些挑戰(zhàn)和注意事項，如游戲化元素的精心設(shè)計、與課程內(nèi)容的一致性、評估方式的明確等，以確保游戲化教學(xué)的有效實施。

3.3 跨學(xué)科教育與計算思維的整合

跨學(xué)科教育與計算思維的整合是一種教學(xué)策略，旨在將計算思維的原則和技能與其他學(xué)科領(lǐng)域相結(jié)合，以促進學(xué)生在不同學(xué)科中的應(yīng)用與創(chuàng)新。該教學(xué)方法的教學(xué)目標包括將計算思維應(yīng)用于多學(xué)科領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決和創(chuàng)新能力，以及促進綜合性思考。首先，這一整合方法旨在將計算思維原則和編程技能應(yīng)用于不同學(xué)科領(lǐng)域，如科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)和社會科學(xué)。同時，它還著重于培養(yǎng)學(xué)生的問題解決、創(chuàng)新和協(xié)作能力，以應(yīng)對跨學(xué)科問題，并促進學(xué)生進行綜合性思考，幫助他們理解不同領(lǐng)域間的相互關(guān)系。其關(guān)鍵特征在于跨學(xué)科項目的設(shè)計，要求學(xué)生運用計算思維解決涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜問題。學(xué)生將計算思維應(yīng)用于實際問題解決，如模擬科學(xué)實驗、設(shè)計工程系統(tǒng)、分析醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)或創(chuàng)作數(shù)字藝術(shù)[4]。此外，合作學(xué)習(xí)也常被采用，以促進跨學(xué)科合作與交流，提高學(xué)生的團隊合作能力。教育者和導(dǎo)師來自不同學(xué)科領(lǐng)域，為學(xué)生提供指導(dǎo)和支持。學(xué)生被鼓勵反思他們的跨學(xué)科學(xué)習(xí)經(jīng)驗，并評估項目成果，以了解自身成長和改進點。跨學(xué)科教育與計算思維整合的優(yōu)勢在于打破學(xué)科壁壘，促進綜合性思考和學(xué)科交叉，培養(yǎng)實際應(yīng)用能力，提高溝通和協(xié)作技能，以及激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造性思維。然而，也需注意協(xié)調(diào)不同學(xué)科領(lǐng)域的知識和教學(xué)方法，以及應(yīng)對學(xué)生適應(yīng)復(fù)雜性和資源支持等方面的挑戰(zhàn)。

4 教育政策對計算思維教育的影響

政府和教育機構(gòu)的政策和指導(dǎo)原則對于推動計算思維教育的普及和提升至關(guān)重要。首先，教育政策應(yīng)制定與計算思維相關(guān)的課程要求和標準，確保計算思維教育全面融入學(xué)校教育體系，覆蓋從幼兒園到高中的各個學(xué)段。此外，政策制定者需提供資金和資源，以支持教育機構(gòu)開發(fā)和采用計算思維教材，包括教材、軟件工具、培訓(xùn)資源和硬件設(shè)備。同時，政策應(yīng)推動計算思維教育的師資培訓(xùn)計劃，確保教育者具備傳授計算思維概念和編程技能的必要知識和技能。政策制定者還應(yīng)設(shè)計評估工具和標準化測試，以準確測量學(xué)生的計算思維水平，進而監(jiān)測計算思維教育的效果，并提供反饋以改進教學(xué)。同時，政策應(yīng)強調(diào)計算思維教育的公平和包容性，確保不論學(xué)生背景如何，都能平等獲得教育機會。政府應(yīng)鼓勵與科技行業(yè)和其他組織的合作，以促進計算思維教育的發(fā)展，包括提供實習(xí)機會、導(dǎo)師支持和行業(yè)合作項目[5]。此外，政策應(yīng)提供資金和支持，以鼓勵研究和創(chuàng)新，不斷改進計算思維教育的方法和資源。未來的教育政策可能更加強調(diào)終身學(xué)習(xí)，鼓勵人們在不同生活階段持續(xù)發(fā)展計算思維和技能，以適應(yīng)不斷變化的技術(shù)和職業(yè)需求。政策制定者還可能推動計算思維與其他學(xué)科的整合，使其成為跨學(xué)科教育的重要組成部分，以更好地滿足現(xiàn)實世界的多領(lǐng)域需求。同時，政策支持創(chuàng)新教育模型，如在線學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)，以提供更靈活、個性化的計算思維教育。隨著技術(shù)的全球化，未來的政策應(yīng)鼓勵國際合作，共同推進計算思維教育的國際標準和最佳實踐。

5 結(jié)束語

計算思維的培養(yǎng)是現(xiàn)代教育的重要任務(wù)之一。隨著技術(shù)的不斷進步，計算機編程教育不僅旨在滿足科技行業(yè)的需求，更在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、邏輯思維和問題解決能力。然而，教育者面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括學(xué)生遇到的困難以及教學(xué)策略的選擇。創(chuàng)新的教學(xué)方法，如基于問題解決的教學(xué)和游戲化教學(xué)，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)習(xí)成果提供了新途徑。同時，政策制定者在制定教育政策時也應(yīng)重點關(guān)注計算思維的培養(yǎng)，以確保學(xué)生能夠適應(yīng)未來的挑戰(zhàn)。計算思維教育的未來需要更多合作與創(chuàng)新，以培育具備綜合性思考和解決問題能力的學(xué)生，為構(gòu)建更加智慧和創(chuàng)新的社會做出貢獻。

參考文獻：

[1] 李澤龍，于瀚翔，張鑫鵬，等.淺談線上教學(xué)背景下針對計算機編程入門學(xué)習(xí)者的教育[J].中國新通信，2022，24（12）：99-101.

[2] 莫健櫻，馮泰民.國內(nèi)計算思維研究的現(xiàn)狀與熱點——基于CNKI的知識圖譜分析[J].廣州廣播電視大學(xué)學(xué)報，2021，21（6）：7-11，30，107.

[3] 張會慶，陳華，馬璿.數(shù)據(jù)驅(qū)動的編程教育腳手架教學(xué)模式探究[J].教學(xué)研究，2021，44（5）：66-74，80.

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[5] 張進寶.計算思維教育：概念演變與面臨的挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2019，31（6）：89-101.

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