以培養(yǎng)計算思維為導向的案例教學實踐研究

以培養(yǎng)計算思維為導向的案例教學實踐研究摘要：本文的教學研究是基于計算思維導向下的案例教學，強調知識與能力的教學統(tǒng)一性。設計一個系統(tǒng)性、適用性相對恰當的教學案例，挖掘案例計算思維，進行教學性質、目標的先行認知，在知識應用中去感知計算思維的特征，體會并運用計算思維方法去完成問題的設計與求解。即在知識的應用中提高知識學習的效率，提升計算思維能力。對于語言類計算機相關課程有著較為實際的可行性參考價值。計算思維教學設計案例教學G623.58B2236-1879（2022）15-0291-03引言計算思維［1］是問題求解、系統(tǒng)設計應用于科學的計算機思想、方法下的思維活動。其本質是對應于不同層面及計算環(huán)境下的問題求解。應用系統(tǒng)的構思、抽象、設計及實現屬于系統(tǒng)層面的，問題的程序求解即屬于語言層面的。因而程序設計語言類課程是有利于培養(yǎng)學生計算思維能力的好載體。本文的教學研究是以培養(yǎng)計算思維為導向的案例教學實踐。給出一個較為系統(tǒng)的案例，在案例的實施過程充分調度學生的思維，充分挖掘案例蘊含的計算思維，領會并體現計算思維，用計算思維相應的方法指導完成案例的實現，并在逐步完成案例的過程中達到學習知識技能的目標，提升計算思維能力。一、教學理念的轉變與強化（一）知識教育、能力教育的統(tǒng)一。教學具備相應的層次性，即知識層面的教學和方法、潛在能力的教學。大學的教育與課程的學習不同于中學的教育與學習，在強調知識的教學之外，更應強調方法、能力的教學，課程的學習不應過多地停留在知識層面。一門課程的學習除了獲取對應的知識外，還應有方法、潛在能力方面的提高，即所謂是能夠獲取“魚”，也能獲得“漁”。（二）教、學的方式轉變。改變傳統(tǒng)的先理論后實驗知識教育模式，直接先行感知學科知識的性質，在綜合知識應用案例當中進行知識的學習，有利于提高知識、能力的學習效率。正如，在實用當中去認識斧頭比直接的理論告知更為直觀、有效。知識應用、學科性質的先行認知可以有效地夯實學習興趣與動力基礎。在解析案例的過程中分析^p其中涵蓋的問題解決的計算思維，引出相應的知識及知識應用，并在逐步實現案例的過程中領會知識的理論與實用，轉變了教學理念。這種在應用實踐中的學習、領會、探索對于學生的興趣，學習能動性都有相當的促進作用，通過學、用相互促進，提高學習效率，提升獨立探索、自學能力。力以達到以培養(yǎng)計算思維素養(yǎng)為導向的新的教學層次，提高學生知識應用及解決問題的能力。面向未來服務，為學生后續(xù)的學習、工作奠定應有的良好可持續(xù)發(fā)展基礎。在達到學習知識技能的同時，提升計算思維能力。二、計算思維導向的教學原則以計算思維為導向，則應基于三點，一是挖掘案例中的計算思維，理會什么是計算思維，有何特點、特征；二是如何體現教學中的思維導向；三是如何具體體現計算思維對于問題解決的作用。（一）案例的制作與計算思維的挖掘。.系統(tǒng)案例設計。經過調研、分析^p 本語言類課程在實用中的性質與特點，選定、設計系統(tǒng)案例。在圍繞教學大綱的同時給予以下幾點因素的考慮：（1）案例要包含全部教學內容并盡可能自然、有機地結合多項知識點；（2）案例的難易度要針對學生的實際水平來確定；（3）案例要被大多數學生喜愛或是認知；（4）案例要體現計算思維的內容與相應知識的側重點，包含哪些計算機科學思想和計算思維的方法。.系統(tǒng)案例的計算思維挖掘、解析與知^點及知識應用的引出、歸納。計算思維作為問題設計、解決的導向、標桿，則應清楚問題本身所蘊含的計算思維。計算思維的挖掘要從系統(tǒng)設計層面及問題求解層面加以考量，系統(tǒng)層面體現在問題的整體性，即關于問題的需求分析^p 與構思，挖掘計算思維在系統(tǒng)設計中如何規(guī)劃、優(yōu)化、抽象、建模中的體現與應用；而具體問題的求解層面則應挖掘具體問題的實現之中運用的計算思維方法，所涉及的數據與數據結構，設計思維及內部功能結構；分析^p其中可能出現的異常。系統(tǒng)案例是教學依據與實施載體，也是教學的目標成品、依據及手段。在教學實施之前須系統(tǒng)的分析^p 與設計，并進行功能模塊化，即案例功能拆分，由大到小模塊細化，模塊是教學實施中的基本單位。案例教學的關鍵在于挖掘、剖析系統(tǒng)和模塊功能實現的過程中所涵蓋的解決問題的計算思維，并引出相應的知識點及知識應用，強化計算思維與知識應用的邏輯聯系并進行歸納。這是計算思維導向實施的前提，是引導、體現計算思維的基礎與保證。（二）引導學生問題思維的形成。導向性培養(yǎng)學生計算思維，其本質是提升學生對于問題解決的一種思想、思維。在具體實施計算思維導向之前，有意識地調動學生能動性地參與并形成對于問題設計、解決的個體、個性思維，教師拋出問題，引導問題分析^p ，讓學生依據通過自身的各種途徑，自己討論、思考，形成對于問題的自我認知，找尋問題求解的方法。這也是教師在基于問題引入方式下學生思維活動，通過教師引導與師生討論，結合教師自身關于問題思維的展開，明白問題分析^p 、解決方案的過程，可有效提升學生問題的思維及對計算思維的認知，這不僅利于教、學互動，利于提高興趣，更有利于從學生個體問題思維到計算思維的過渡。（三）體現計算思維的教學設計。案例教學是以案例為實施目標及手段，學生在完成案例的制作過程中得以逐步達到學習的即定目標。思維導向教學的關鍵在于其中如何具體體現計算思維，應基于以下幾個角度進行考量。1.引導學生問題思維，師生思維互動與展示。；2.計算思維相應的認知度。雖然案例教學的主要目標并非計算思維的針對性教學，但在教學中應適度讓學生了解、領會計算思維的相關概念、特征及方法，這是思維導向的相應基礎。3.計算思維的具體運用。單純計算思維知識、理論的講解、傳授無益于學生正確思維的認知、形成、運用，因此案例教學中的主體、關鍵是有效地體現計算思維在具體問題求解中的運用，可以基于問題切入的方式下體現計算思維方法的具體應用。找出程序問題的解決與具體計算思維方法的對應，并展開其中對應的學科知識點。三、計算思維導向的教學實施計算思維導向教學應有三個階段，引導思維、形成思維、運用思維、思維求證。即針對問題切入通過引導而形成的學生針對問題的個性思維；通過教師對于問題思維的展開、分析^p、統(tǒng)一，形成問題求解思維，確定問題的解決方案；運用計算思維的方法完成問題的求解；問題的解決落實于具體案例的實現，在具體的計算環(huán)境下求證思維的過程。（一）基于問題下的任務驅動教學的實施。案例的整個實施過程是問題求解與設計的過程。所有的教學均是圍繞問題的思維展開。問題是產生思維的原因，是分析^p、討論的基礎，也是問題解決中的思維關鍵。案例當中關于問題的呈現表現為兩類，系統(tǒng)層面和模塊層面。案例教學是基于問題的方式為基礎，通過學生自主思考、團體合作，并逐步實現模塊任務，從中訓練學生針對問題的發(fā)現、思考、求解的問題意識及能力；整個過程體現思維的引導、促進學生問題思維的形成及計算思維方法的運用，把控任務的講解及學科知識的應用。（二）計算思維知識、方法的運用。計算思維的認知與形成應有粗放的兩個過程，一是對于計算思維概念、方法的初步認知。這一過程較為抽象，但卻是必須的一個初始、基礎過程；二是計算思維具體認知及形成。因此，在案例教學的實施過程中，為提升學生的計算思維，在問題的求解過程中應關聯計算思維的方法針對性應用，以定性傳授相應計算思維的概念、方法為前提，詳細講解具體計算思維方法在問題實現中的確切運用。（三）實驗驗證。實驗驗證是基于問題分析^p 、設計及實現下的測試和求證，屬于思維的求證過程。通過案例模塊的任務代碼的設計和講解，學生以分組的形式對模塊、案例進行程序代碼的編譯，調試，體驗并思考所出現問題、錯誤的原因，有利于訓練程序思維；學習并應用學科知識，如程序的知識、方法、結構；進一步領會計算思維基本的思想和方法，提升學生計算思維能力。四、計算思維導向的案例教學實踐根據相應情況，制定一項目案例，以此作為案例教學的平臺與依據。（一）案例的設計。通過對相當部分學生進行問卷式摸底，了解學生在系統(tǒng)案例選擇方面的大致范圍；教師以教學大綱為依據，以學生實際情況預估為參考，結合計算思維的內容，制作難易適度的教學案例。宜考慮以下評價體系：1.知識點的覆蓋廣度及深度；2.案例與學生生活的關聯度或可認知度；3.案例宜考慮學生的興趣；4.案例的可行性、可操控的萋隹度以及可簡化的程度；5.案例計算思維內容的體現。根據以上幾點思考，本文選取了“網絡考試系統(tǒng)”作為教學的案例。即模擬在線考試系統(tǒng)，其中有三塊功能劃分：1.工作管理人員模塊：管理學生、老師信息，設置考題，開設、結束考場以及工作人管理人員自身登錄信息的管理等；2.教師模塊：教師閱卷、統(tǒng)計成績、教師自身登錄信息的管理等；3.學生模塊：學生可進行考試，查詢考試成績及自身登錄信息的管理等。（二）案例計算思維挖掘、解析、引導。通過教學案例的剖析和思維的引導讓學生感覺、領會案例設計的計算思維。.系統(tǒng)設計的計算思維挖掘、解析。目標明確，讓學生體會案例在“系統(tǒng)設計”層面即系統(tǒng)級別的問題求解的計算思維理念。讓學生進行以下活動與思考：（1）基于案例的實現預期，通過信息查詢，讓學生對于網絡考試系統(tǒng)的進行自我的討論。（2）讓學生思考本案例的需求分析^p，應要完成什么功能；系統(tǒng)的規(guī)劃及問題須做怎么的細化；教師提示并引導學生分析^p問題抽象性的思考。教師進行案例的展示與思維引導：案例教學的伊始，明確教學的目標，闡述教學的實施依據與手段。以系統(tǒng)案例為手段，以計算思維為導向，實施學、教互動。在案例逐步實施的過程中學習知識及知識的應用。（1）通過案例目標的描述，引導學生對于問題需求分析^p ，清楚系統(tǒng)的功能，充分調度學生的思維；通過案例的功能展示，讓學生明確學生的目標；（2）計算思維的引導，并提示系統(tǒng)及模塊間可能存在的邏輯性錯誤，強化在將來的案例制作過程中應給予防范和解決，引導學生創(chuàng)新性思維。.模塊的計算思維的挖掘及知識點、知識應用的引出、歸納。案例的制作基于模塊化，模塊是教學的基本單位，因此模塊的教學制作是教學實踐的主體。模塊制作屬于軟件開發(fā)中的詳細設計的范疇，因此，對于模塊宜考慮以下幾點：（1）學生對于模塊功能及方法的思考；（2）模塊的設計思維及內部功能結構；從算法的角度首先引導學生思考本模塊應怎么去實現其功能。（3）模塊處理中所涉及的數據與數據結構：講述模塊處理中包括的數據，這里映射的問題是模塊處理數據的對像與數據的處理方式。（4）模塊功能算法的實現中所包含的知識點、知識點應用：（5）知識點應用與思維的互動展開；在教學實踐中，知識與方法的講解貫穿整個案例的實現過程。（6）模塊問題的描述，分析^p 其中可能出現的異常。培養(yǎng)學生的獨立的思維能力。（三）計算思維方法體現。在案例的實現過程中，解決具體問題之時引導學生去學習、體會計算思維的方法和特征。.工程方法——系統(tǒng)方法：本案例為考試系統(tǒng)，其中的人員有三類，教師，學生和管理人員，那么這些人在系統(tǒng)中的角色定位及功能定位界定，他們之間的關系是什么？采用實體抽象與建模，分析^p實體之間的功能及聯系，使得系統(tǒng)各模塊整體、協調、高效。.關注點分離方法：關注點分離是系統(tǒng)設計的一種重要方法和原則，對系統(tǒng)進行合理的分解，然后詳細研究不同部分的解決問題的側重面，教師，管理人員，學生三類人員在系統(tǒng)中的角色分析^p，這也是模塊化設計的有效原則。.工程方法——分治法：即指問題處理采用分而治之的方法，將大問題進行弱化、分離，形成若干無論是在結構還是在問題形式方面均與原問題相同的小問題，本案例對應的程序舉例：學生成績的查詢，以學號Xh進行查詢，在一個有序的學號序列中進行二分查找，調出其對應的成績。首先確定學號的查詢范圍，設下限low和上限high,查詢中界為Mid=int（（low+high）/2）,設其值為P（mid），如果Xh=P（mid）則成功，如果xh<P（mid），則新的查找范圍為［low，mid-1］，否則為［mid+1,high］，而新范圍的查詢做法與原范圍的查詢做法完全一致，只是規(guī)模，范圍縮小了，用遞歸過程實現。.數學方法——遞歸方法：遞歸求解問題是計算思維及科學中的一個重要方法，常與分治方法有效結合，遞歸是將問題進行層層分解成一系列的小問題，所有問題的形式一樣，形成承前啟后的問題關聯，這就是遞推，當到達最后一個小問題可以直接求解后停止，然后逐步返回求解上一級問題，這便是回朔。因此，問題能否以遞歸求解，須能滿足兩項條件，即遞推關系和遞推出口。如求和S（n），S（n）=S（n-1）+n，S（n-1）=s（n-2）+n-1 s（2）=S（1）+2，S（1）=1。其遞推關系和遞推出口如下：s（n）=s（n-1）+n，S（1）=1。對應的程序舉例：分治法中的成績二分查找用遞實現，也可以用漢諾塔問題培養(yǎng)學生計算思維。.工程方法——面向對象方法：面向對象是可視化編程序的重要理念，以類的形式對實體對像特征進行抽象，對于數據、方法、操作進行封裝，強調對象的實現功能及對象間的通信方式。本案例的程序用例體現：系統(tǒng)提供教師，學生，管理人員的登錄界面，可以通過消息的傳遞，實現同一接口下的三種人員登錄。體現面向對像化方法中類的共同抽象及對象實體操作多樣化的類接口的計算思維。.工程方法——結構化方法：結構化程序設計的主體思想、方法是，將大問題進行結構、