高職程序設計課程中“大組互助，小組結對”計算思維培養模式探究

摘要：針對高職院校程序設計課程的教學現狀，文章從培養計算思維的視角出發，構建“大組互助，小組結對”教學模式，并且以九九乘法表案例說明教學實施過程。Java程序設計基礎課程教學實踐表明，此教學模式能夠提升教學效果，得到學生的高度認可。

關鍵詞：計算思維；結對編程；小組學習；協作學習；程序設計；教學模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）31-0164-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

計算思維是21世紀的人們應具備的關鍵技能。計算思維（Computational Thinking） 的概念，最初由麻省理工學院（MIT） 的Seymour Papert[1]教授在1980年提出，而后于2006年由美國卡內基梅隆大學的周以真[2]教授在Communications of the ACM 這一權威計算機期刊上進一步闡述并明確定義。她認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維是認識世界和改造世界的工具，有助于跨越“知識鴻溝”，促進計算機科學家與其他學科專家的溝通[2]，在科學研究、工程設計、經濟金融、教育等多個領域內都發揮著關鍵作用。

校園內實施的編程教育是提升學生計算思維能力的主要途徑。編程能力的提升非常依賴于學生的上機實踐。而高職的程序設計課程以灌輸傳授為主，過于注重培養學生語法知識基礎和低水平實操技能，并沒有把計算思維培養放在首位。學生僅僅是在模仿教師演示的編程范例，當同類問題以全新情境再現時，多數學生無法通過分析問題本質來解決問題。傳統程序設計課程主要采取獨立編程實踐與小組合作兩種教學模式，然而兩者均存在局限性：獨立編程實踐過程中，學生遇到困難常常傾向于求助教師；然而教師由于時間和精力有限，難以在課堂上關注所有學生。部分學生因為代碼錯誤頻發、編程學習枯燥乏味而產生了退縮和厭學心理，限制了計算思維的發展。至于小組合作學習，通常每組4人以上，組內只有少數成員實際參與了編程實踐，小組討論也常常被學優生所主導，學困生缺乏獨立思考及自主學習的機會，只能扮演旁觀者或傾聽者的角色，計算思維沒有得到有效提升，長此以往將加劇組內的兩極分化局面。

傳統教學模式已經難以適應信息科技的快速發展需求。相較于傳統課堂的編程教學方法，結對編程作為一種高效的計算思維培養手段，受到了廣泛關注。結對編程雙方均能充分參與編程過程，這在一定程度上減輕了學生在獨立編程時可能產生的焦慮與畏難情緒，不僅增強了學生的學習效率，還緩解了實踐指導教師的教學壓力，有助于營造全員參與和互動的教學環境。當前，結對編程教學策略，正處于研究與發展的初期階段，尚未得到廣泛應用。本文從培養計算思維的視角出發，根據國內外計算思維和結對編程的研究進展，創新“大組互助，小組結對”的教學模式，旨在為編程課程的教學改革引入新思路，為高職高專學生計算思維培養提供可行的方案，同時也為其他致力于結對編程研究的學者提供參考。

1 結對編程

結對編程（pair programming） 是敏捷軟件開發領域的一種實踐方式，屬于極限編程（XP，eXtreme Pro?gramming） 所倡導的12個最佳實踐之一[3]。在傳統的開發流程中，每位開發人員各司其職，分別負責軟件系統不同模塊的開發任務，彼此間工作獨立，互不干涉。結對（pair） 構成了最小的團隊單元。結對編程要求兩位開發者共同使用一臺電腦來完成指定任務。

在此模式下，兩人分別擔任駕駛員（Driver） 和領航員（Navigator） 的角色。駕駛員聚焦于當前的具體目標，負責操作鍵盤和鼠標來編寫代碼；而領航員則依據“地圖”（如模型或文檔）來規劃整體策略，并負責代碼審查。雙方需保持持續的溝通交流，一旦發現問題，就暫停編碼，共同商討解決方案。結對雙方會根據工作內容靈活、定期地交換角色，確保平等參與并共享工作成果。在軟件開發和改進過程中，合理地應用結對編程策略，有助于推動知識的共享，營造團隊協作的氛圍，進而提升產品質量和縮短開發周期。

軟件行業中結對編程的成功案例，迅速吸引了計算機教育工作者的高度關注。國內外研究人員從多維度深入探究了結對編程在實際應用中的成效。結對編程蘊含出聲思維、合作學習等促進深度學習的核心要素，結對雙方的對話交流促使編程思維得以顯性化，提高了即時反饋的速度與效率，有助于學生更好地學習和掌握計算思維的邏輯[4]。這種教學策略在促進學生深入理解編程概念、提升編程信心、改善編程態度，以及促進同伴間的知識共享等方面，均展現出了積極作用。

在結對編程教學實踐中，結對策略發揮著極其關鍵的作用。教師出于互助合作的考量，傾向于讓學優生與學困生組成結對。以學習者性別或者能力水平作為結對依據的研究表明，男-女異性結對方式和高能力水平-低能力水平異質結對方式更能顯著提高學生的計算思維[5]。然而，也有研究表明，異性或者異質結對策略更容易導致權威角色出現，弱勢學生可能因為難以跟上進度而轉變為旁觀者[4]，進而加劇個體間的成績差異。相比之下，性別相同或編程能力相近的學生進行同質結對，更傾向于采用平等協商的方式[4]，這對于激發女生和學困生的編程學習興趣具有積極作用。此外，將結對編程用作培養學生計算思維的教學策略，必須兼顧考慮同伴之間的學習風格匹配程度以及結對伙伴的合作意愿。學生自由結對，可以帶來更積極的同伴關系和學習動機，從而提高互動合作效果[6]。

結對編程過程中，雙方需要在同一計算機上輪流承擔不同角色，可能會出現合作不愉快，比如說意見不統一、能力水平差距等造成的分歧與抵觸情緒。此外，部分學優生可能會長時間占用計算機，從而使得學困生參與度不足，雙方缺乏有效的互動與交流。為了彌補常規結對編程策略（即教學全程運用結對編程）的潛在缺陷，研究人員提出了諸如混合結對編程[7]、部分結對編程[8]、協作結對編程[9]等變體形式。這些結對編程變體的共同特征，在于它們巧妙融合了獨立編程與結對編程兩種模式。獨立編程鼓勵學生自主構建并反思新知識，而常規結對編程則有助于學生之間的知識共享與遷移。結對編程的變體形式既保留了獨立編程的優勢，又吸收了常規結對編程的長處，展現出獨特的價值。

2“ 大組互助，小組結對”教學模式的構建

本文根據結對編程原理，按照“大組套小組，小組結對子”的形式，提出“大組互助，小組結對”教學模式，如圖1所示。

2.1 教學準備階段

1） 敏捷開發文化建設，創建結對編程情境（第一次上課時）。

在編程實踐正式開始之前，教師向學生簡要講解敏捷開發與極限編程的基本概念，闡述結對編程的準則與要求，并指導學生們依據性別、學習風格、能力水平等因素進行合理的分組結對。同時，教師還介紹結對編程的優勢及其對個人發展的積極影響，讓學優生了解費曼學習法的原理，意識到解答同伴疑問的過程能增強自身的學習成效；而對于中等生和學困生，則強調“集思廣益”的道理。即使是普通的程序員團隊，通過極限編程也能創造出優秀的產品；同理，普通學生通過結對編程也能實現互幫互助、共同進步。此外，結對編程還為學生提供了模擬IT企業職場環境的機會，有助于培養學生的職業素養和團隊合作能力。

2） 引導學生結對，均衡大組實力（3天內）。

教師對全體學生進行摸底調查，依據學生的前置課程成績或者入學考試成績水平，將他們分為高、中、低三個層次。首先，允許學生自由選擇結對伙伴，隨后教師根據優勢互補的原則進行適當調整，并將結對小組均衡地分配到各個大組中，每個大組包含2～3個結對小組，確保學業水平在大組內異質、大組間同質。根據實際班級人數和具體情況，結對小組可以包含2 ～3名學生，遵循“高高聯合，高中互補，中低互助，高低互動，中中互學，共同進步”的原則。通過高高聯合，讓學優生得到更好的發展；采用高低互動和中低互助的方式，確保學困生有人指導。在結對小組的基礎上，搭建以高能力結對小組帶動中低能力結對小組的大組結構。這種模式旨在改善傳統小組合作學習中存在的分組不均衡、學困生參與不足等問題，從而避免學困生狀況進一步惡化。

3） 團隊建設，制定規則（2天內）。

教師為每個大組設立一名組長，并指導學生共同制定大組與小組的目標與規范，旨在強化團隊凝聚力，并激發組內成員的責任感與主人翁精神，促使每位學生都充分認識到自身對于團隊的重要性，進而強化他們的自我管理意識以及組內互相監督、共同進步的觀念。每次上課，教師及時公布各大組的得分情況，注重激發大組之間的競爭意識，以此來調動每位學生的學習積極性。

2.2 教學實施階段

1） 提出問題（15 分鐘）。

教師首先依據教學目標，構建教學情境，提出待解決的問題，以此激發學生的求知熱情和學習動力。隨后，各結對小組展開交流討論，以明確學習任務，將實際情境問題轉化為編程問題。教師指導學生創造性地探尋最優的問題解決策略。

2） 分析問題（20分鐘）。

教師講解語法基礎知識，并為學生展示具體的操作步驟。同時，教師引導結對小組對問題進行剖析，將解決問題的關鍵步驟從自然語言描述轉換為算法流程圖。結對組員間進行互動討論與交流，駕駛員承擔算法設計職責，導航員負責算法的審查工作，雙方協同合作，共同完成算法流程圖的繪制任務。在此過程中，學生逐步培養算法思維能力，并思考如何將算法設計轉化為代碼實現。大組內的各小組相互監督，共同維護課堂紀律。

3） 實踐探究（40分鐘）。

實踐探究環節采用混合結對編程策略[7]，該策略在常規結對編程的基礎上融入單獨編程元素。基礎任務采用“獨立編程+代碼互查+實時討論”模式，每位學生均配備一臺電腦，雙方在編寫個人程序時都扮演“駕駛員”角色。每隔5～10分鐘，教師提醒結對小組互相審查同伴的流程圖和代碼，討論各自的想法。雙方則需轉換為“導航員”角色，審查對方的作品思路及代碼質量。此策略一方面為學生提供了獨立創作個人作品的機會，有助于提升個人編程技能，減少濫竽充數的現象；另一方面，它也潛移默化地促進了學生合作學習習慣的養成。

綜合任務采用結對編程方式，結對雙方共用一臺電腦完成同一任務。“駕駛員”承擔流程圖繪制與代碼編寫的任務，而“導航員”則負責監督與審查工作。為了避免“駕駛員”長時間占用電腦，教師每5～10分鐘提醒結對小組實施“駕駛員”與“導航員”的角色輪換。

結對雙方交替執行編程任務，確保高效完成協同任務。

課程大作業由大組內各結對小組合作完成。如果遇到困難，結對小組可以隨時向大組內其他小組求助，大組無法解決的問題可以求助教師。教師負責巡查學生的實操情況，解答學生問題。

4） 分享交流（15分鐘）。

在分享交流環節，教師應鼓勵學生主動表達觀點，對作品的思路、創意、問題等進行交流分享；同時，也激勵聽眾積極思考，勇于提出自己的看法，培養其批判性思維能力。借助展示與交流，幫助學生認識到其作品的優點與待改進之處。

本環節實施了多維度、多主體、多元數據的綜合評價，運用線上數據分析、課堂觀察、隨堂測驗、作品評價、學生個體的自我評價、大組內和小組內的同伴互評、大組間的交叉評價，以及教師評價等多種手段，全面考查學生的行為、態度與知識技能掌握程度等各項指標，重點觀測并記錄結對成員的合作互動狀況。最后，教師進行點評總結，并對本節課的程序設計知識進行概括與梳理，旨在加深學生對所學內容的理解與掌握。

2.3 評價反思階段（課后1周內）

學生依據所獲得的反饋信息，對作品進行修正與完善，并且完成課后拓展任務。與此同時，教師進行教學反思，不斷優化教學設計、改進教學方法、提升教學質量。學生進行學習反思，以便更好地發現問題、總結經驗，認識自身優缺點，從而改進學習方法。教師積極關注學生動態，給予及時的幫助，指導學生形成良性的互動模式，營造良好的合作環境，提高結對編程的有效性，確保每位學生都能積極參與學習任務。

3 教學案例

通過“九九乘法表”雙重循環的教學實例，深入探討教學實施過程。在“提出問題”環節，教師以“九九乘法表”作為綜合任務，引導學生觀察與思考乘法表的結構特點。在“分析問題”和“實踐探究”環節，教師布置獨立編程任務，要求結對小組展開算法思路的討論，結對雙方均扮演“駕駛員”角色，分別寫出偽代碼和流程圖，并且分別編程輸出乘法表的第6列與第8 行。每隔5～10分鐘，教師提醒結對小組成員轉換為“導航員”角色，互相審查同伴的代碼。通過編程實踐，加深學生對編程邏輯的理解，并鍛煉其將抽象思維轉化為具體代碼的能力。

基礎編程任務完成后，教師進一步引導學生通過調整循環結束條件，探索并輸出九九乘法表的其他行和其他列。然后，教師引導學生思考九九乘法表需要使用雙重循環，外層循環負責輸出乘法表的每一行，內層循環負責輸出當前行的每一個算式。教師在九九乘法表效果圖中標注行號和列號，引導學生分析行號、列號、乘法算式與內外層循環變量i、j 的關系。學生得以更直觀地把握循環邏輯與問題結構的內在聯系。在此基礎上，結對小組共同繪制九九乘法表綜合任務的流程圖，并且結對編寫完整的程序代碼。為了避免“駕駛員”長時間占用計算機，教師每隔5～10分鐘提醒結對小組成員進行“駕駛員”與“導航員”角色交換。這一過程不僅強化了學生對編程流程的整體把握，還促進了團隊成員間的溝通與協作能力。作為課后延伸，教師布置了“楊輝三角”拓展任務，以此鞏固課堂所學，同時挑戰更高難度的編程問題，進一步培養學生的計算思維與創新能力。

如表1所示，各項綜合任務均被劃分為兩個部分。第一部分要求學生完成獨立編程任務，第二部分要求結對小組在獨立任務基礎上共同攻克綜合任務。綜合任務的解決方案整合了獨立任務所采用的概念元素、邏輯流程及編碼實現。通過分階段的任務設置、從簡單到復雜的編程實踐，以及結對編程學習方法，有效提升了高職學生的計算思維能力，包括問題分解、算法設計以及團隊協作能力等多個方面。

4 實踐效果

在廣東食品藥品職業學院2023級大數據技術專業的93名學生Java程序設計基礎課程中進行“大組互助，小組結對”教學實踐。教學周期結束后，通過問卷調查收集反饋，大部分學生認為自己計算思維各項技能均取得了一定水平的提升，如表2所示。67.74%的學生對這種教學模式表示高度認可，他們認為該模式能有效提升其計算思維與問題解決能力。13.98%的學生持一般支持態度，9.68%的學生同意采用此模式，而5.38%的學生持中立態度，僅有4.30%的學生表示反對，這類同學編程能力比較強，他們認為結對編程會降低自己的學習效率。

經由訪談得知，多數學生認為結對編程對學習具有積極影響，能夠體驗到共同學習、共同探究和共同分享的樂趣；此外，該模式亦在某種程度上增強了他們對編程學習的自我效能感，激勵學生勇于挑戰更高難度的學習任務。結對編程實踐過程主要存在以下幾個問題：1） 結對伙伴由于意見不合、溝通不暢而導致沖突，進而影響了學習狀態。此類現象多見于教師分配的結對小組，成員間缺乏友誼基礎，需經歷較長的磨合期，負面同伴關系可能削弱學生的學習動力。解決策略是充分尊重學生的分組意愿，并允許他們適時調整結對伙伴。教師在課堂上應該充分關注結對編程學習狀態，適時引導學生進行良好的溝通和互動。2） 編程技能差異過大的兩名學生間，易出現“搭便車”情況，也就是學困生難以跟上編程節奏，傾向于完全依賴學優生的指導和解答，兩人缺乏雙向的知識互動遷移。這是因為結對雙方在認知能力和學習能力上存在顯著差距，造成溝通障礙。解決策略是采用同質結對，或“高中互補，中低互助”的結對原則，雙方差距適度，更能激發學困生主動縮小差距的積極性。3） 結對雙方定時交換角色可能會打斷思維連續性，解決方案是在完成每個任務模塊后進行角色交換，或賦予學生自主決定角色交換時間的權利。4） 由于不同結對小組的能力水平和編程信心存在差異，低能力小組傾向于全程采用結對編程，而高能力小組則更偏好獨立編程。解決策略是設計分層任務，允許學生根據任務的難易程度，自主選擇采用獨立編程或結對編程的方式來完成任務。

5 結論

編程不僅僅是編寫代碼，它體現了學生的計算思維能力。“大組互助，小組結對”教學模式，融合了獨立編程、結對編程及小組合作等多種學習策略。在大組層面，通過互助合作與紀律管控，著重培養學生的自我管理能力與團隊協作精神。結對小組則借助出聲思維，共同發掘問題、匯聚集體智慧探討解決方案，有助于他們在思維碰撞中建構編程知識，樹立編程自信，掌握編程技能。此模式有效改變了傳統編程實踐中學生動手能力薄弱、遇到困難容易放棄的現象。在未來的研究工作中，可進一步擴延此教學策略的應用范疇，深入探究考察在不同年齡群體、不同學科范疇以及其他多樣化背景下，結對小組學習方式所產生的具體影響。

參考文獻：

[1] PAPERT S.Mindstorms：children，computers，and powerful ideas[M].2nd ed.New York：Basic Books，1993：285-286.

[2] WING J M.Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[3] BECK K.Embracing change with extreme programming[J].Com?puter，1999，32（10）：70-77.

[4] 劉敏，汪瓊.結對編程：中小學編程教育的首選教學組織形式[J].現代教育技術，2022，32（3）：102-109.

[5] 曾雨芊.面向初中生計算思維培養的結對編程策略研究[D].廣州：廣州大學，2022.

[6] 常安琪.基于同伴關系的結對編程分組設計對小學生計算思維培養的研究[D].煙臺：魯東大學，2022.

[7] 王旭卿，黃瓊梅.不同結對編程策略對小學生學習效果影響的比較研究[J].現代基礎教育研究，2024（1）：157-165.

[8] 王夢文.兩種不同結對編程策略對小學生計算思維培養的研究[D].煙臺：魯東大學，2021.

[9] 蔡榮華，樊蒙蒙.基于協作結對編程的計算思維培養方法探究[J].中國教育技術裝備，2018（14）：75-77.

【通聯編輯：王力】

基金項目：廣東省教育科學規劃課題高等教育專項（No. 2021GXJK564） ；廣東省高職教育教學改革研究與實踐項目（No.GDJG2021229） ；廣東省繼續教育質量提升工程項目優質繼續教育網絡課程建設項目（No. JXJYGC2021EY0301） ；廣東省計算機教指委教育教學改革項目（No. JSJJZW2021017）