尹鴻峰 周子程 毛國興

摘要：計(jì)算機(jī)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(jì)算思維能力。然而，計(jì)算機(jī)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(shí)，政策制定者須制訂相關(guān)政策等。在計(jì)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(huì)的變化需求。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；編程教育；計(jì)算思維；教學(xué)策略

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0172-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

計(jì)算思維在現(xiàn)代社會(huì)中變得至關(guān)重要。它不僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的核心，還在各個(gè)學(xué)科和行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。因此，計(jì)算機(jī)編程教育的重要性愈發(fā)凸顯。本文將深入探討計(jì)算思維的概念，分析計(jì)算機(jī)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(dòng)計(jì)算思維教育方面的作用。計(jì)算思維教育的目標(biāo)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(jì)算思維的概念

計(jì)算思維是一種關(guān)鍵的認(rèn)知能力，它涉及運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域，在多個(gè)領(lǐng)域中都展現(xiàn)出其重要性。計(jì)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(jì)、抽象思維和計(jì)算機(jī)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(huì)中的各種挑戰(zhàn)。

2 計(jì)算機(jī)編程教育的挑戰(zhàn)

2.1 學(xué)生在計(jì)算機(jī)編程中的常見困難

計(jì)算機(jī)編程教育是一個(gè)引發(fā)廣泛研究和關(guān)注的領(lǐng)域，因?yàn)樵S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(huì)阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和動(dòng)力。首先，學(xué)生可能會(huì)面臨抽象思維的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)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(cuò)誤也是常見問題。計(jì)算機(jī)編程語言通常具有嚴(yán)格的語法規(guī)則，一個(gè)小小的語法錯(cuò)誤就足以導(dǎo)致程序無法正常運(yùn)行。學(xué)生常因拼寫錯(cuò)誤、括號未配對等簡單的語法錯(cuò)誤而感到挫敗。邏輯錯(cuò)誤也是一個(gè)難題，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致程序雖然能夠運(yùn)行，但結(jié)果并不符合預(yù)期。解決邏輯錯(cuò)誤通常需要深入的思考和細(xì)致的調(diào)試。問題解決能力在計(jì)算機(jī)編程中至關(guān)重要，但學(xué)生可能會(huì)在問題分析、算法設(shè)計(jì)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(shí)間來逐步理解這些概念，并將它們應(yīng)用于實(shí)際的編程任務(wù)中。此外，一些學(xué)生可能會(huì)因?yàn)檫B續(xù)的錯(cuò)誤或難以理解的概念而喪失自信，這可能會(huì)削弱他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力。配置編程環(huán)境也可能是一個(gè)額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷W(xué)生可能需要安裝開發(fā)工具并設(shè)置編程語言。時(shí)間管理也是一大問題，因?yàn)榫幊添?xiàng)目往往需要大量的時(shí)間和精力，學(xué)生在應(yīng)對多個(gè)任務(wù)和期限時(shí)可能會(huì)感到難以抉擇。最后，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也是一個(gè)普遍存在的問題，因?yàn)橛?jì)算機(jī)編程是一項(xiàng)技能，需要不斷的練習(xí)和實(shí)踐。

這些困難和挑戰(zhàn)凸顯了計(jì)算機(jī)編程教育的重要性。教育者需要提供必要的支持，鼓勵(lì)學(xué)生積極解決問題，提供充足的練習(xí)和項(xiàng)目機(jī)會(huì)，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(jiān)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(jì)算機(jī)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(rèn)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(shí)激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。首先，學(xué)生之間存在個(gè)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(jì)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(gè)性化的支持。其次，如何激發(fā)學(xué)生的興趣是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)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(shí)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?yàn)樗鼈冎苯佑绊懡虒W(xué)的成功與否。教育者需要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平和教學(xué)目標(biāo)，精心挑選合適的編程語言、工具和教材。項(xiàng)目設(shè)計(jì)也是編程教育中的一大挑戰(zhàn)，教育者需要設(shè)計(jì)既具挑戰(zhàn)性又不至于過于復(fù)雜的項(xiàng)目，以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。此外，提供及時(shí)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(jìn)展，并幫助他們改進(jìn)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(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)編程不僅局限于計(jì)算機(jī)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(yàn)。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(shí)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(jì)算機(jī)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(gè)性化教育、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)和互動(dòng)學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和滿意度。同時(shí)，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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)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(biāo)是教導(dǎo)學(xué)生如何運(yùn)用計(jì)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(tuán)隊(duì)合作能力。其關(guān)鍵特征在于，它以學(xué)生為中心，以實(shí)際問題或項(xiàng)目為核心，鼓勵(lì)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(shí)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(lì)自主探究問題，提出解決方案，并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化和完善。項(xiàng)目設(shè)計(jì)通常包括多層次的項(xiàng)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(shí)際問題或執(zhí)行具體任務(wù)，并會(huì)得到及時(shí)的反饋，以幫助他們改進(jìn)解決方案。此外，在一些項(xiàng)目中，學(xué)生被鼓勵(lì)進(jìn)行合作，共同解決問題，這有助于培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作和溝通技能。這種教學(xué)方法將學(xué)習(xí)與實(shí)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(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，因?yàn)樗麄兡軌蚩吹阶约旱墓ぷ鲗鉀Q現(xiàn)實(shí)問題具有實(shí)際價(jià)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(shí)可能會(huì)感到困惑，特別是在需要自主解決問題時(shí)。因此，教育者需要提供適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和支持，確保項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)，教育者需要耐心對待學(xué)生的錯(cuò)誤和挫折，鼓勵(lì)他們從失敗中學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。

3.2 游戲化教學(xué)在計(jì)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(jì)和元素融入教育過程中，尤其在計(jì)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(jìn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。首先，游戲化教學(xué)的主要目標(biāo)是通過游戲元素和互動(dòng)性來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，涵蓋問題解決、算法設(shè)計(jì)、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(jiǎng)勵(lì)、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(yùn)用計(jì)算思維來解決問題，難度逐漸遞增。同時(shí)，游戲化教學(xué)通常提供實(shí)時(shí)反饋，幫助學(xué)生了解自身表現(xiàn)及改進(jìn)方向。此外，角色扮演也是游戲化教學(xué)的一大特點(diǎn)，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(dòng)也是游戲化教學(xué)的組成部分，它鼓勵(lì)學(xué)生們在團(tuán)隊(duì)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(dòng)力，積累實(shí)際問題解決的經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)反饋與改進(jìn)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，以及實(shí)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(xiàng)，如游戲化元素的精心設(shè)計(jì)、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(shí)施。

3.3 跨學(xué)科教育與計(jì)算思維的整合

跨學(xué)科教育與計(jì)算思維的整合是一種教學(xué)策略，旨在將計(jì)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(jìn)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(biāo)包括將計(jì)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(jìn)綜合性思考。首先，這一整合方法旨在將計(jì)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(huì)科學(xué)。同時(shí)，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(jìn)學(xué)生進(jìn)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜問題。學(xué)生將計(jì)算思維應(yīng)用于實(shí)際問題解決，如模擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)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(jìn)跨學(xué)科合作與交流，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(lì)反思他們的跨學(xué)科學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，并評估項(xiàng)目成果，以了解自身成長和改進(jìn)點(diǎn)?？鐚W(xué)科教育與計(jì)算思維整合的優(yōu)勢在于打破學(xué)科壁壘，促進(jìn)綜合性思考和學(xué)科交叉，培養(yǎng)實(shí)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(jì)算思維教育的影響

政府和教育機(jī)構(gòu)的政策和指導(dǎo)原則對于推動(dòng)計(jì)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(jì)算思維相關(guān)的課程要求和標(biāo)準(zhǔn)，確保計(jì)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(gè)學(xué)段。此外，政策制定者需提供資金和資源，以支持教育機(jī)構(gòu)開發(fā)和采用計(jì)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(shí)，政策應(yīng)推動(dòng)計(jì)算思維教育的師資培訓(xùn)計(jì)劃，確保教育者具備傳授計(jì)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(jì)評估工具和標(biāo)準(zhǔn)化測試，以準(zhǔn)確測量學(xué)生的計(jì)算思維水平，進(jìn)而監(jiān)測計(jì)算思維教育的效果，并提供反饋以改進(jìn)教學(xué)。同時(shí)，政策應(yīng)強(qiáng)調(diào)計(jì)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(jī)會(huì)。政府應(yīng)鼓勵(lì)與科技行業(yè)和其他組織的合作，以促進(jìn)計(jì)算思維教育的發(fā)展，包括提供實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)、導(dǎo)師支持和行業(yè)合作項(xiàng)目[5]。此外，政策應(yīng)提供資金和支持，以鼓勵(lì)研究和創(chuàng)新，不斷改進(jìn)計(jì)算思維教育的方法和資源。未來的教育政策可能更加強(qiáng)調(diào)終身學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)人們在不同生活階段持續(xù)發(fā)展計(jì)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(dòng)計(jì)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(shí)世界的多領(lǐng)域需求。同時(shí)，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(gè)性化學(xué)習(xí)，以提供更靈活、個(gè)性化的計(jì)算思維教育。隨著技術(shù)的全球化，未來的政策應(yīng)鼓勵(lì)國際合作，共同推進(jìn)計(jì)算思維教育的國際標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐。

5 結(jié)束語

計(jì)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(jìn)步，計(jì)算機(jī)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(shí)，政策制定者在制定教育政策時(shí)也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注計(jì)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(jì)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(huì)做出貢獻(xiàn)。

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