混合式教學下學生計算思維能力培養

［摘 要］ 計算思維能力是軟件工程專業學生的核心能力。混合式教學以其線上線下協同運作、資源先進、優勢互補的特點，受到高校教師的關注。以“數據結構與算法”混合式教學改革為切入點，從線上MOOC資源、PTA上機實訓和自主學習平臺的構建、“任務/項目”為支架的授課形式、授課內容和作業設計、教師團隊優化和教學評價設計等方面，搭建計算思維能力培養框架，以提升學生的知識水平、問題解決能力和算法思維能力，激發學生的好奇心和求知欲，提升計算思維水平。

［關鍵詞］ 混合式教學；數據結構與算法；計算思維；MOOC；創新能力

［基金項目］ 2020年度燕山大學線上線下混合式課堂教學研究與改革項目“任務驅動式算法思維實踐能力混合培養模式研究”（2020HHJG15）；2021年度河北省教學改革項目“基于BOPPPS模式的有效課堂教學探索與實踐”（2021GJJG080）；河北省創新能力提升計劃項目（22567637H）

［作者簡介］ 尤殿龍（1981—），男（蒙古族），內蒙古赤峰人，碩士，燕山大學信息科學與工程學院教授，主要從事混合式教學、創新人才培養模式研究；竇 燕（1968—），女，陜西西安人，碩士，燕山大學信息科學與工程學院教授，主要從事機器視覺及模式識別、混合式教學研究；余 揚（1983—），女，安徽休寧人，碩士，燕山大學信息科學與工程學院實驗師，主要從事數字媒體資源開發研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）22-0141-04 ［收稿日期］ 2022-06-06

一、問題的提出

“數據結構與算法”作為軟件工程專業基礎課，是培養學生算法思維能力的核心課程。重點講述線性結構，樹、圖的邏輯結構，存儲結構及其基本算法，如貪婪算法、分而治之算法、動態規劃算法和回溯法等，知識內容比較抽象，學習難度大［1］。課程的理論教學、實驗學習和項目訓練，要求學生具備從實際問題中抽象數據、優化算法和分析性能的能力；運用計算思維將復雜問題表達為“線”“樹”和“圖”的邏輯結構。要求通過課程的學習，學生掌握數據結構中的基本概念和結構，合理設計算法，形成有效的計算思維，為軟件開發打下堅實的基礎［2］。所謂計算思維（Computational Thinking，CT），是在理解問題并制訂解決方案時所涉及的思維，旨在使解決方案能夠以信息處理的方式來表征與實現［3］。然而，在長期的“數據結構與算法”教學實踐中，存在如下問題。

（一）知識點缺乏深度和銜接性、過于表面化，難以拓展學生思維，調動探究欲望

知識點呈現比較陳舊、組織方式單一，與實際問題脫節且存在較大的差異，無法促進學生計算思維能力提升和適用發展需求，并且缺乏巧妙的、有吸引力的、有挑戰性的知識案例。學生從案例中無法找到關注點和挑戰點，認為所學知識枯燥且無用，失去學習的動力。學生只是例行公事性地完成作業，而不是經過巧妙構思，創作出能體現想象力和創造力的“作品”或“產品”。

（二）實驗過于程式化，缺乏高水平的實訓資源

編程實訓題目主要源于教材或網絡上的陳題。針對某特定知識點，學生已經不止在一門課上見過“求最大值最小值、斐波那契數列、水仙花數、乘法口訣表”等低水平、枯燥且乏味的實驗題目。實驗內容陳舊、單一，驗證性、描述性實驗多，高水平、綜合性實驗少。這導致學生抄襲和應付現象嚴重，實驗效果不好，起不到對學生計算思維能力的培養。在實驗教學指導方法上，通常是由教師準備好實驗環境，編寫好詳細的實驗指導書，制定好實驗要求，學生只須按照步驟完成即可。學生在實驗執行過程中存在對教師提供的實例“依葫蘆畫瓢”的現象，缺少算法抽象思維能力的培養，無法解決高水平的實際問題。

（三）評價過程重甄別、輕激勵，重結果、輕過程，重權威、輕創意

在教學過程中，教師主要關注理論知識的考查，客觀題比重大，綜合思考題和分析題比重小，評價體系單一。部分學生存在“老師教什么就學什么，老師寫什么就記什么，多一點兒都不學”的陋習，不是關注知識本身，不是因為“愛它，才學它”，而是只關注成績，為了分數而學習。片面追求評價的標準化，必然會忽視學生解決問題的創造性和計算思維的訓練。同時，題目本身缺乏開放性，屬于淺層的計算思維能力考查，學生往往體會不到算法背后的邏輯、靈感和精髓。

針對以上問題，課題組提出混合式教學下的學生創新能力培養模式，教學實現線上線下優勢互補，體現以學生為中心，培養學生的算法思維和創新能力［4］。在保持教師課堂教學親身參與、積極互動，充分發揮教師引導作用、人格影響和經驗滲透的基礎上，引入線上高水平的授課資源、豐富的實訓項目和自動化的測評系統，以提升學習深度和效率。

二、實施框架

課程改革從教學環境和資源、教學內容組織、教師角色定位和教學評價等環節展開。該混合式教學下學生計算思維能力的培養，從建設內容看，主要完成如下目標：（1）優選以浙江大學“數據結構”（國家精品課）MOOC平臺在線資源，并搭建以PTA程序設計實驗輔助平臺為基礎的自主學習和上機實訓支撐環境。（2）制作以“任務/項目”為支架的課堂授課課件，精選ACM/ICPC和天梯賽等算法訓練題目，作為項目作業和驅動任務。（3）建設適應自主學習模式的分工明確、優勢互補的教學團隊，并制定可以促進算法思維實踐能力培養的教學評價策略。

混合式教學改革體現了線上線下的協同運作、知識內容重構、教師角色調整和教學評價方法改變等方面［5］。其總體思路是在引進浙江大學的國家級精品課“數據結構”MOOC平臺作為線上學習資源的基礎上，將與MOOC平臺配套的PTA程序設計實驗輔助平臺作為上機實訓和自主學習的支撐環境。構建以“任務/項目”為支架的課堂授課形式，以連貫、有趣的專題吸引學生，提升教學效果以及學生參與度、積極性和作業水平。其實施框架如圖1所示。

（一）線上資源和實訓平臺建設

搭建以浙江大學“數據結構”（國家精品課）中國大學MOOC平臺為在線視頻學習資源，以與MOOC平臺配套的PTA程序設計實驗輔助平臺為上機實訓和自主學習的支撐環境；MOOC中包括八部分內容，分別是：基本概念（什么是數據結構、什么是算法、最大子列和問題）、箱子排序和基數排序、隊列、散列、霍夫曼樹和霍夫曼編碼、平衡二叉樹（AVL）、圖的應用（拯救007、六度空間、如何建立圖）、分治算法思想（快速排序、希爾排序、歸并排序）。各個部分包含視頻學習及題目討論等，由學生自主完成，配以教師或助教輔導和答疑。

搭建基于PTA程序設計實驗輔助平臺的上機實驗、單元測試和自主實訓平臺。該平臺提供了上機實驗、單元測驗和自主練習的資源與環境，實現了自動評分和算法的輔助調試。平臺對算法的時間性能和空間性能都有要求。通過PTA的測評方式，在測評系統中使用預先設置的多組數據對學生提交的程序進行測試，這樣可以避免誤判的發生，防止學生自行測試，也可以降低教師的工作強度。要求每名學生能在規定時間內以獨立解題方式，利用已學知識設計算法、編寫程序、調試運行、分析運行結果，根據提交成功的題目數量和代碼的性能來評定成績。將評價融入算法編程實踐、算法分析中。

（二）授課形式、授課內容和作業項目建設

構建以“任務/項目”為支架的課堂授課形式，以連貫、有趣的專題吸引學生，此形式教學效果良好，學生參與度、積極性及作業水平顯著提高；設計能滿足不同基礎學生學習需求的授課內容和作業項目，培養學生的問題解決和算法思維能力；同時，為加強學習深度，提高知識外化能力。課題組從ACM/ICPC的題庫中抽取相關題目，并將題目細化為“任務”，布置給學生，展開小組合作和討論。讓學生帶著“問題”展開相關知識點的學習，并有序地對問題開展構思、設計、實現和運行。學生根據問題的難度和規模確定是獨立完成還是小組完成，開展系統分析、設計和實現。同時，選取部分知識點開展課堂翻轉式教學，小組之間相互展示成果，開展師生交流，優秀的小組匯報成果、分享經驗，以此獲取對知識的深層理解。

（三）教師角色和教學評價設計

建設適應自主學習模式的，能作為學生知識建構的幫助者、促進者、引導者的高素質和經驗豐富的教學團隊，以優秀的教師服務學生。制定既能激發學生的好奇心和求知欲、激勵學生學習、提升算法思維水平，又能客觀評價學生學習水平的教學評價方式。改變傳統教學中教師依據標準答案和自己對問題的理解來評判學生程序，給出分數的方式。算法方法千差萬別，教師不可能掌握所有的風格和方法，所以有可能造成誤判；改變傳統學習評價程式化、統一化的狀態，將評價融入問題構思、問題設計和解決效果中，讓評價診斷學生、激勵學生和指導學生；制定尊重個性化、層次性和差異性的考核標準，考評方法堅持多樣性；根據課程特點，提供自我測評、定性測評、長期測評、過程性評價、質性評價等多元評價體系，使考核結果能夠承認學生的算法思維和創新能力。

三、下一步措施

如何著眼教學實施現狀，聚焦困境和挑戰，結合教學實踐，從革新教學形式、創設教學情境、反思教學評價、完善教學保障等方面優化教學是混合式教學改革的重點［6］。課題組下一步工作包括如下方面：（1）以浙江“數據結構”（國家精品課）中國大學MOOC平臺和PTA程序設計實驗輔助平臺為基礎，進一步優化以“任務/項目”為支架的課堂授課形式，以連貫、有趣的內容吸引學生，提升學生的算法思維能力。（2）進一步豐富能滿足不同基礎學生學習需求的授課內容和作業項目，培養學生的問題解決和算法思維能力。（3）根據線上教學反饋，發現問題并調整和優化線上教學，建設適應自主學習模式的，能作為學生知識建構的幫助者、促進者、引導者的高素質和經驗豐富的教學團隊。（4）完善既能激發學生的好奇心和求知欲、激勵學生學習、提升算法思維水平，又能客觀評價學生學習水平的教學評價方式。

結語

MOOC、PTA等在線平臺的出現，在改變學生學習方式的同時，也給教師的教學方式帶來了新的挑戰［7］。“數據結構與算法”混合式教學改革意在通過線上線下混合教學模式培養學生的數據結構與算法思維能力。通過基于混合式教學以提升計算思維能力為目標的“數據結構與算法”課程建設，取得了如下成果：（1）搭建了以浙江大學“數據結構”（國家精品課）中國大學MOOC平臺為在線視頻學習資源，以與MOOC平臺配套的PTA程序設計實驗輔助平臺為上機實訓和自主學習的支撐環境。（2）構建了以“任務/項目”為支架的BOPPPS課堂授課形式，實現了教學的良性互動，學生作業水平顯著提高。（3）設計了能滿足不同基礎學生學習需求的授課內容和作業項目，以培養學生的問題解決和算法思維能力。（4）建設了適應自主學習模式的，能作為學生知識建構的幫助者、促進者、引導者的高素質和經驗豐富的教學團隊。（5）制定了既能激發學生的好奇心和求知欲、激勵學生學習、提升算法思維水平，又能客觀評價學生學習水平的教學評價方式。

參考文獻

［1］趙巍，駱吉洲，馮驍騁，等.面向拔尖生培養的程序設計與數據結構課程探索［J］.計算機教育，2023（2）：68-73.

［2］王佑鎂，南希烜，李寧宇，等.編程韌性：數字時代計算思維培養的新議題［J］.現代教育技術，2023，33（2）：14-23.

［3］李芒，楊宇軒.人非機器：對計算思維本質的認識［J］.開放教育研究，2023，29（4）：55-60.

［4］馮曉英，吳怡君，龐曉陽，等.混合式教學改革：教師準備好了嗎：教師混合式教學改革發展框架及準備度研究［J］.中國電化教育，2021（1）：110-117.

［5］譚偉，顧小清.面向開放教育的混合式教學模式及效果評估指標研究［J］.中國電化教育，2019（2）：126-130.

［6］金石，王璐露，宛敏.線上線下混合式教學的反思與策略優化［J］.中國大學教學，2022（11）：72-77.

［7］蘇小紅，王甜甜，張羽，等.基于大班翻轉課堂的混合教學模式探索與實踐［J］.中國大學教學，2017（7）：54-62.