鄧蕙茹 王文龍

一、引言

隨著信息社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的思維方式、生活方式以及行為方式受到了不斷地影響和改變，技術(shù)的飛速發(fā)展正引領(lǐng)著時(shí)代的思維脈絡(luò)。為了使人們更好地應(yīng)對不斷變化的信息社會(huì)，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真教授（Jeannette M. Wing. ）明確提出了計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）并認(rèn)為計(jì)算思維不是計(jì)算機(jī)科學(xué)家獨(dú)有的思維，而是現(xiàn)代信息社會(huì)每個(gè)人都應(yīng)該掌握的一種基本技能，就像閱讀、寫作和算術(shù)一樣。2010 年10 月，在“第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇”上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳國良院士提出將計(jì)算思維引入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，此后國內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育界開始重視計(jì)算思維的培養(yǎng)與發(fā)展。

目前，計(jì)算思維在教學(xué)和培訓(xùn)中的應(yīng)用和推廣正逐步開展。國外學(xué)者M(jìn)otyl提出的工業(yè)4.0所需的三組技能：硬技能、軟技能、數(shù)字化技能，其中分析思考、解決問題的能力與計(jì)算機(jī)專業(yè)能力等內(nèi)涵與計(jì)算思維的內(nèi)涵不謀而合，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維在工業(yè)4.0時(shí)期的重要性。學(xué)者Hecklau認(rèn)為提升計(jì)算思維能力很大程度上能促進(jìn)其構(gòu)建的技術(shù)、元認(rèn)知以及社交和個(gè)人能力四項(xiàng)能力的提升。國內(nèi)學(xué)者對計(jì)算思維的培養(yǎng)，提出了基于計(jì)算思維的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、探究式等教學(xué)模式。筆者閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)PBL教學(xué)模式獨(dú)特的教學(xué)方法，與信息時(shí)代不斷發(fā)展的對人才計(jì)算思維培養(yǎng)的需求具有高度一致性，有助于有效培養(yǎng)和發(fā)展計(jì)算思維能力。因此，本文依據(jù)計(jì)算思維的方法和PBL教學(xué)模式的特點(diǎn)，試圖提出基于計(jì)算思維的PBL教學(xué)模式，為計(jì)算思維的培養(yǎng)提供一種新的教學(xué)模式。

二、計(jì)算思維

計(jì)算思維是當(dāng)前一個(gè)頗受關(guān)注的涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)問題和未來走向的基礎(chǔ)性概念。周以真認(rèn)為計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)，通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問題。2009年，董榮勝教授為了讓人們更好地理解計(jì)算思維，將其定義為“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)?！痹诟呖萍及l(fā)展和信息爆炸的環(huán)境下，我們面臨的問題越來越復(fù)雜，計(jì)算思維可以幫助我們理清關(guān)系、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提煉本質(zhì)，從而更好地解決問題。為便于理解，Wing在給出計(jì)算思維的定義之外對計(jì)算思維進(jìn)行了更詳細(xì)的描述，如表1所述。

三、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的PBL教學(xué)模式

隨著人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)已不再是科研人員專用的計(jì)算工具，而是人們工作、生活、學(xué)習(xí)和娛樂不可或缺的組成部分。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的地位愈發(fā)重要，《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程是高等院校的一門公共基礎(chǔ)課，旨在為非計(jì)算機(jī)類大學(xué)生提供其在面對信息社會(huì)迭代發(fā)展的趨勢中所需的基礎(chǔ)性計(jì)算機(jī)知識。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生普遍存在對軟件記憶性地操作情況，缺乏以問題解決為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)。"問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)"（Problem-Based Learning，PBL） （以下簡稱PBL）是一種以學(xué)生為主體且專注于解決問題的教學(xué)模式，是建立在建構(gòu)主義教育理論基礎(chǔ)上的一種新型教學(xué)模式，是在教師的整體把握和指導(dǎo)下，把學(xué)習(xí)設(shè)置到有意義的"問題"情景中，通過分析真實(shí)問題來學(xué)習(xí)背后的科學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生解決問題技能和自主學(xué)習(xí)能力。

PBL教學(xué)模式將學(xué)生置身于一個(gè)復(fù)雜“問題”網(wǎng)絡(luò)中，通過不斷解決問題來培養(yǎng)他們解決問題的能力和技能，與計(jì)算思維的培養(yǎng)有著高度一致性。在PBL教學(xué)模式中，通過模擬實(shí)際問題，學(xué)生從中獨(dú)立思考、合作解決問題，發(fā)揮“問題"對其學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，調(diào)動(dòng)其主動(dòng)性和積極性。具體來說，將課程內(nèi)容和真實(shí)世界中的問題結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一系列與該課程內(nèi)容相關(guān)的問題，并讓學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作和自主探究來解決這些問題。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從問題中尋找規(guī)律、分析數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)算法等，以此培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力。舉個(gè)例子，可以設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全的問題，如“如何保護(hù)公司的信息不被黑客攻擊？”讓學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作，研究現(xiàn)有的安全技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，然后提出一個(gè)方案并撰寫報(bào)告。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要了解網(wǎng)絡(luò)安全的基本原理、常見的攻擊手段和防范措施，同時(shí)也要運(yùn)用編程和算法設(shè)計(jì)的知識來構(gòu)建安全系統(tǒng)。

鑒于此構(gòu)建基于計(jì)算思維培養(yǎng)的P B L教學(xué)模式（Computational Thinking Problem-Based Learning，CTPBL），CTPBL通過采用高效率的學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)習(xí)者能夠有效地篩選信息和建構(gòu)學(xué)科知識，以解決問題為主線，培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決問題能力，在此過程中注重發(fā)展他們的計(jì)算思維。以下為CTPBL的整體設(shè)計(jì)：

（一）基于真實(shí)情境，提出問題

《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容跨度大，知識點(diǎn)分布廣泛，學(xué)生容易因其內(nèi)容繁雜枯燥而沒有學(xué)習(xí)興趣。在此階段，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和界定問題的能力至關(guān)重要，因?yàn)閱栴}意識是解決問題的前提條件。如果學(xué)生無法清晰地表達(dá)問題或者沒有問題意識，那么后續(xù)的學(xué)習(xí)和探究就變得毫無意義，培養(yǎng)計(jì)算思維更無從談起。為了激發(fā)其求知欲望與學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生建立起對知識的好奇心，教師需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)與學(xué)生日常生活緊密相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問題情境，并引入一個(gè)可以引起學(xué)生的注意力和好奇心的問題。在這種情境中，學(xué)生可以進(jìn)行感知與信息搜索。通過PBL教學(xué)模式，學(xué)生在解決問題的過程中不僅能夠掌握所學(xué)知識，還能夠培養(yǎng)創(chuàng)新、合作、溝通等綜合能力，從而更好地適應(yīng)未來的職業(yè)需求。例如在“word2010字節(jié)處理軟件”的教學(xué)中，教師提供情境：假定學(xué)生是一個(gè)學(xué)校學(xué)生會(huì)的成員，校慶將至，學(xué)校將于某個(gè)時(shí)間在學(xué)校體育館舉行校慶活動(dòng)，學(xué)生會(huì)需要邀請學(xué)校的部分老師參加。教師提供名單及相關(guān)信息，讓學(xué)生將教師信息以表格形式輸入并保存至“校慶教師名單. docx”Word文檔，學(xué)生會(huì)聯(lián)系電話為123456789。教師接著引導(dǎo)學(xué)生提出問題，讓學(xué)生在這個(gè)情境下，自主地發(fā)現(xiàn)問題并界定完成這項(xiàng)任務(wù)哪些問題是必須要解決的。

（二）團(tuán)隊(duì)合作，分析和轉(zhuǎn)化問題

在提出問題之后，首先要注重問題的選擇?！洞髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程是針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生而設(shè)置，學(xué)生的計(jì)算機(jī)水平參差不齊，有的問題對某些同學(xué)來說或許過于簡單，而對另外一些同學(xué)來說可能比較困難。教師應(yīng)該整理不同水平的問題，引導(dǎo)學(xué)生選擇有價(jià)值有意義的問題。比如上述文檔制作中問題中提出的涉及如何編輯文檔和文檔如何排版等問題才是促進(jìn)教學(xué)的問題，也即“正確的” 問題?！罢_的”的問題才是需要被選擇的問題，Wing認(rèn)為計(jì)算思維最重要的內(nèi)容之一是要定義“正確的”抽象，也就是強(qiáng)調(diào)正確的“細(xì)節(jié)”是計(jì)算思維的基礎(chǔ)，也是提升計(jì)算思維能力的重要過程。教師根據(jù)不同的問題選擇將學(xué)生進(jìn)行分組，讓他們通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作來分析解決問題，避免學(xué)生只是通過簡單處理現(xiàn)成信息來解決問題。而是讓學(xué)生在真實(shí)的情境下、復(fù)雜的問題中，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作快速把控問題的細(xì)節(jié)，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生計(jì)算思維能力中關(guān)注點(diǎn)分離的方法運(yùn)用。

再者，學(xué)生通過對實(shí)際問題的抽象化、數(shù)字化，自主地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)相關(guān)方法，也能有效地強(qiáng)化學(xué)生的自主解決問題能力，進(jìn)而提升其計(jì)算思維。比如針對《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一些與圖論相關(guān)的問題，如“在某城市中，如何規(guī)劃最優(yōu)的公交路線？”讓學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作，研究城市地圖、公交線路等數(shù)據(jù)，并運(yùn)用圖論算法來尋找最優(yōu)解。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要了解圖論的基本概念、算法思想和實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)也要掌握常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如數(shù)組、鏈表、樹等。通過解決實(shí)際問題，學(xué)生可以深入理解所學(xué)知識，同時(shí)也能夠培養(yǎng)創(chuàng)新、分析、解決問題的能力，從而更好地應(yīng)對未來的職業(yè)挑戰(zhàn)。

（三）綜合評估，反思總結(jié)

CTPBL模式最后是評估反思階段，評估的內(nèi)容包括學(xué)生的計(jì)算思維能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力等。首先，判斷計(jì)算思維能力的提升，重要的指標(biāo)之一就是解決實(shí)際問題能力是否有所提高。因此，評估任務(wù)應(yīng)該面向?qū)嶋H問題，教師判斷學(xué)生能否將現(xiàn)實(shí)世界的問題抽象為計(jì)算機(jī)可處理的形式，他們是否能自主思考如何通過計(jì)算機(jī)解決問題。在進(jìn)行CTPBL教學(xué)模式之前學(xué)生能否將實(shí)際問題轉(zhuǎn)換為抽象問題并使用到計(jì)算機(jī)方法，在進(jìn)行CTPBL模式教學(xué)之后，例如如何通過城市地圖、公交線路等數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃問題，學(xué)生是否能提出問題并將問題抽象為圖形結(jié)構(gòu)并以計(jì)算機(jī)方法解決問題，以此判斷學(xué)生的計(jì)算思維是否得到提升。

其次，教師可以要求學(xué)生在敘述和解答問答環(huán)節(jié)中明確表達(dá)自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程和思路，了解學(xué)生是怎么發(fā)現(xiàn)問題并將問題抽象化的，從而判斷其計(jì)算思維是否得到培養(yǎng)與提升。

除此之外，教師讓學(xué)生互相評估，反思整個(gè)學(xué)習(xí)過程。學(xué)生可以在小組內(nèi)互相討論和給出建議，與同學(xué)進(jìn)行思想碰撞和學(xué)習(xí)利益共享。通過對解決問題的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反思，指出問題并提供解決方案，不斷改善自己的學(xué)習(xí)和解決問題的能力，促進(jìn)計(jì)算思維能力的提升。同時(shí)，計(jì)算思維的強(qiáng)化反過來可以加強(qiáng)學(xué)生解決更多更復(fù)雜問題的能力，不斷地提升與進(jìn)步，為學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

基于計(jì)算思維的PBL教學(xué)模式（CTPBL）是一種通過問題解決來訓(xùn)練計(jì)算思維的方法，它能夠幫助學(xué)生逐步掌握計(jì)算思維的基本概念和方法，具有很高的教育價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和促進(jìn)計(jì)算思維能力提升方面具有不容忽視的優(yōu)勢。此外，思維的培養(yǎng)是一個(gè)持續(xù)且長久的過程，需要在不斷的實(shí)踐中提高，在“基于問題學(xué)習(xí)”的過程中，通過解決在真實(shí)情境下各式各類復(fù)雜問題，可以有效地訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維?？傊?，把計(jì)算思維運(yùn)用于問題驅(qū)動(dòng)下的學(xué)習(xí)實(shí)踐，從思維方法的高度培養(yǎng)學(xué)習(xí)者，使得學(xué)習(xí)者能夠運(yùn)用計(jì)算思維這種科學(xué)思維方式去發(fā)現(xiàn)和解決問題。

在這里，我們探討了以培養(yǎng)計(jì)算思維的PBL教學(xué)模式是一種有助于培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)方法，但并不否定其他教學(xué)模式的作用，計(jì)算思維地位的提高需要我們探討更多有助于其提升的教學(xué)模式。PBL教學(xué)模式是一種非常有潛力的提升計(jì)算思維能力的教學(xué)模式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科技的不斷發(fā)展，這種教學(xué)模式有助于對培養(yǎng)未來的創(chuàng)新人才提供多種選擇。