以培养计算思维为导向的案例教学实践研究

摘 要： 本文的教学研究是基于计算思维导向下的案例教学，强调知识与能力的教学统一性。设计一个系统性、适用性相对恰当的教学案例，挖掘案例计算思维，进行教学性质、目标的先行认知，在知识应用中去感知计算思维的特征，体会并运用计算思维方法去完成问题的设计与求解。即在知识的应用中提高知识学习的效率，提升计算思维能力。对于语言类计算机相关课程有着较为实际的可行性参考价值。

关键词： 计算思维教学设计案例教学

【中图分类号】 G623.58

【文献标识码】 B

【文章编号】 2236-1879（2017）15-0291-03

引言

计算思维[1]是问题求解、系统设计应用于科学的计算机思想、方法下的思维活动。其本质是对应于不同层面及计算环境下的问题求解。应用系统的构思、抽象、设计及实现属于系统层面的，问题的程序求解即属于语言层面的。因而程序设计语言类课程是有利于培养学生计算思维能力的好载体。

本文的教学研究是以培养计算思维为导向的案例教学实践。给出一个较为系统的案例，在案例的实施过程充分调度学生的思维，充分挖掘案例蕴含的计算思维，领会并体现计算思维，用计算思维相应的方法指导完成案例的实现，并在逐步完成案例的过程中达到学习知识技能的目标，提升计算思维能力。

一、教学理念的转变与强化

（一）知识教育、能力教育的统一。

教学具备相应的层次性，即知识层面的教学和方法、潜在能力的教学。大学的教育与课程的学习不同于中学的教育与学习，在强调知识的教学之外，更应强调方法、能力的教学，课程的学习不应过多地停留在知识层面。一门课程的学习除了获取对应的知识外，还应有方法、潜在能力方面的提高，即所谓是能够获取“鱼”，也能获得“渔”。

（二）教、学的方式转变。

改变传统的先理论后实验知识教育模式，直接先行感知学科知识的性质，在综合知识应用案例当中进行知识的学习，有利于提高知识、能力的学习效率。正如，在实用当中去认识斧头比直接的理论告知更为直观、有效。知识应用、学科性质的先行认知可以有效地夯实学习兴趣与动力基础。在解析案例的过程中分析其中涵盖的问题解决的计算思维，引出相应的知识及知识应用，并在逐步实现案例的过程中领会知识的理论与实用，转变了教学理念。

这种在应用实践中的学习、领会、探索对于学生的兴趣，学习能动性都有相当的促进作用，通过学、用相互促进，提高学习效率，提升独立探索、自学能力。力以达到以培养计算思维素养为导向的新的教学层次，提高学生知识应用及解决问题的能力。面向未来服务，为学生后续的学习、工作奠定应有的良好可持续发展基础。在达到学习知识技能的同时，提升计算思维能力。

二、计算思维导向的教学原则

以计算思维为导向，则应基于三点，一是挖掘案例中的计算思维，理会什么是计算思维，有何特点、特征；二是如何体现教学中的思维导向；三是如何具体体现计算思维对于问题解决的作用。

（一）案例的制作与计算思维的挖掘。

1.系统案例设计。

经过调研、分析本语言类课程在实用中的性质与特点，选定、设计系统案例。在围绕教学大纲的同时给予以下几点因素的考虑：（1）案例要包含全部教学内容并尽可能自然、有机地结合多项知识点；（2）案例的难易度要针对学生的实际水平来确定；（3）案例要被大多数学生喜爱或是认知；（4）案例要体现计算思维的内容与相应知识的侧重点，包含哪些计算机科学思想和计算思维的方法。

2.系统案例的计算思维挖掘、解析与知識点及知识应用的引出、归纳。

计算思维作为问题设计、解决的导向、标杆，则应清楚问题本身所蕴含的计算思维。计算思维的挖掘要从系统设计层面及问题求解层面加以考量，系统层面体现在问题的整体性，即关于问题的需求分析与构思，挖掘计算思维在系统设计中如何规划、优化、抽象、建模中的体现与应用；而具体问题的求解层面则应挖掘具体问题的实现之中运用的计算思维方法，所涉及的数据与数据结构，设计思维及内部功能结构；分析其中可能出现的异常。

系统案例是教学依据与实施载体，也是教学的目标成品、依据及手段。在教学实施之前须系统的分析与设计，并进行功能模块化，即案例功能拆分，由大到小模块细化，模块是教学实施中的基本单位。案例教学的关键在于挖掘、剖析系统和模块功能实现的过程中所涵盖的解决问题的计算思维，并引出相应的知识点及知识应用，强化计算思维与知识应用的逻辑联系并进行归纳。这是计算思维导向实施的前提，是引导、体现计算思维的基础与保证。

（二）引导学生问题思维的形成。

导向性培养学生计算思维，其本质是提升学生对于问题解决的一种思想、思维。在具体实施计算思维导向之前，有意识地调动学生能动性地参与并形成对于问题设计、解决的个体、个性思维，教师抛出问题，引导问题分析，让学生依据通过自身的各种途径，自己讨论、思考，形成对于问题的自我认知，找寻问题求解的方法。这也是教师在基于问题引入方式下学生思维活动，通过教师引导与师生讨论，结合教师自身关于问题思维的展开，明白问题分析、解决方案的过程，可有效提升学生问题的思维及对计算思维的认知，这不仅利于教、学互动，利于提高兴趣，更有利于从学生个体问题思维到计算思维的过渡。

（三）体现计算思维的教学设计。

案例教学是以案例为实施目标及手段，学生在完成案例的制作过程中得以逐步达到学习的即定目标。思维导向教学的关键在于其中如何具体体现计算思维，应基于以下几个角度进行考量。1.引导学生问题思维，师生思维互动与展示。；2.计算思维相应的认知度。虽然案例教学的主要目标并非计算思维的针对性教学，但在教学中应适度让学生了解、领会计算思维的相关概念、特征及方法，这是思维导向的相应基础。3.计算思维的具体运用。单纯计算思维知识、理论的讲解、传授无益于学生正确思维的认知、形成、运用，因此案例教学中的主体、关键是有效地体现计算思维在具体问题求解中的运用，可以基于问题切入的方式下体现计算思维方法的具体应用。找出程序问题的解决与具体计算思维方法的对应，并展开其中对应的学科知识点。

三、计算思维导向的教学实施

计算思维导向教学应有三个阶段，引导思维、形成思维、运用思维、思维求证。即针对问题切入通过引导而形成的学生针对问题的个性思维；通过教师对于问题思维的展开、分析、统一，形成问题求解思维，确定问题的解决方案；运用计算思维的方法完成问题的求解；问题的解决落实于具体案例的实现，在具体的计算环境下求证思维的过程。

（一）基于问题下的任务驱动教学的实施。

案例的整个实施过程是问题求解与设计的过程。所有的教学均是围绕问题的思维展开。问题是产生思维的原因，是分析、讨论的基础，也是问题解决中的思维关键。

案例当中关于问题的呈现表现为两类，系统层面和模块层面。案例教学是基于问题的方式为基础，通过学生自主思考、团体合作，并逐步实现模块任务，从中训练学生针对问题的发现、思考、求解的问题意识及能力；整个过程体现思维的引导、促进学生问题思维的形成及计算思维方法的运用，把控任务的讲解及学科知识的应用。

（二）计算思维知识、方法的运用。

计算思维的认知与形成应有粗放的两个过程，一是对于计算思维概念、方法的初步认知。这一过程较为抽象，但却是必须的一个初始、基础过程；二是计算思维具体认知及形成。因此，在案例教学的实施过程中，为提升学生的计算思维，在问题的求解过程中应关联计算思维的方法针对性应用，以定性传授相应计算思维的概念、方法为前提，详细讲解具体计算思维方法在问题实现中的确切运用。

（三）实验验证。

实验验证是基于问题分析、设计及实现下的测试和求证，属于思维的求证过程。通过案例模块的任务代码的设计和讲解，学生以分组的形式对模块、案例进行程序代码的编译，调试，体验并思考所出现问题、错误的原因，有利于训练程序思维；学习并应用学科知识，如程序的知识、方法、结构；进一步领会计算思维基本的思想和方法，提升学生计算思维能力。

四、计算思维导向的案例教学实践

根据相应情况，制定一项目案例，以此作为案例教学的平台与依据。

（一）案例的设计。

通过对相当部分学生进行问卷式摸底，了解学生在系统案例选择方面的大致范围；教师以教学大纲为依据，以学生实际情况预估为参考，结合计算思维的内容，制作难易适度的教学案例。宜考虑以下评价体系：1.知识点的覆盖广度及深度；2.案例与学生生活的关联度或可认知度；3.案例宜考虑学生的兴趣；4.案例的可行性、可操控的難度以及可简化的程度；5.案例计算思维内容的体现。

根据以上几点思考，本文选取了“网络考试系统”作为教学的案例。即模拟在线考试系统，其中有三块功能划分：1.工作管理人员模块：管理学生、老师信息，设置考题，开设、结束考场以及工作人管理人员自身登录信息的管理等；2.教师模块：教师阅卷、统计成绩、教师自身登录信息的管理等；3.学生模块：学生可进行考试，查询考试成绩及自身登录信息的管理等。

（二）案例计算思维挖掘、解析、引导。

通过教学案例的剖析和思维的引导让学生感觉、领会案例设计的计算思维。

1.系统设计的计算思维挖掘、解析。

目标明确，让学生体会案例在“系统设计”层面即系统级别的问题求解的计算思维理念。让学生进行以下活动与思考：（1）基于案例的实现预期，通过信息查询，让学生对于网络考试系统的进行自我的讨论。（2）让学生思考本案例的需求分析，应要完成什么功能；系统的规划及问题须做怎么的细化；教师提示并引导学生分析问题抽象性的思考。

教师进行案例的展示与思维引导：案例教学的伊始，明确教学的目标，阐述教学的实施依据与手段。以系统案例为手段，以计算思维为导向，实施学、教互动。在案例逐步实施的过程中学习知识及知识的应用。（1）通过案例目标的描述，引导学生对于问题需求分析，清楚系统的功能，充分调度学生的思维；通过案例的功能展示，让学生明确学生的目标；（2）计算思维的引导，并提示系统及模块间可能存在的逻辑性错误，强化在将来的案例制作过程中应给予防范和解决，引导学生创新性思维。

2.模块的计算思维的挖掘及知识点、知识应用的引出、归纳。

案例的制作基于模块化，模块是教学的基本单位，因此模块的教学制作是教学实践的主体。模块制作属于软件开发中的详细设计的范畴，因此，对于模块宜考虑以下几点：（1）学生对于模块功能及方法的思考；（2）模块的设计思维及内部功能结构；从算法的角度首先引导学生思考本模块应怎么去实现其功能。（3）模块处理中所涉及的数据与数据结构：讲述模块处理中包括的数据，这里映射的问题是模块处理数据的对像与数据的处理方式。（4）模块功能算法的实现中所包含的知识点、知识点应用：（5）知识点应用与思维的互动展开；在教学实践中，知识与方法的讲解贯穿整个案例的实现过程。（6）模块问题的描述，分析其中可能出现的异常。培养学生的独立的思维能力。

（三）计算思维方法体现。

在案例的实现过程中，解决具体问题之时引导学生去学习、体会计算思维的方法和特征。

1.工程方法——系统方法：本案例为考试系统，其中的人员有三类，教师，学生和管理人员，那么这些人在系统中的角色定位及功能定位界定，他们之间的关系是什么？采用实体抽象与建模，分析实体之间的功能及联系，使得系统各模块整体、协调、高效。

2.关注点分离方法：关注点分离是系统设计的一种重要方法和原则，对系统进行合理的分解，然后详细研究不同部分的解决问题的侧重面，教师，管理人员，学生三类人员在系统中的角色分析，这也是模块化设计的有效原则。

3.工程方法——分治法：即指问题处理采用分而治之的方法，将大问题进行弱化、分离，形成若干无论是在结构还是在问题形式方面均与原问题相同的小问题，本案例对应的程序举例：学生成绩的查询，以学号xh进行查询，在一个有序的学号序列中进行二分查找，调出其对应的成绩。首先确定学号的查询范围，设下限low和上限high，查询中界为Mid=int（（low+high）/2），设其值为p（mid），如果xh=p（mid）则成功，如果xh

4.数学方法——递归方法：递归求解问题是计算思维及科学中的一个重要方法，常与分治方法有效结合，递归是将问题进行层层分解成一系列的小问题，所有问题的形式一样，形成承前启后的问题关联，这就是递推，当到达最后一个小问题可以直接求解后停止，然后逐步返回求解上一级问题，这便是回朔。因此，问题能否以递归求解，须能满足两项条件，即递推关系和递推出口。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。其递推关系和递推出口如下：s（n）=s（n-1）+n，s（1）=1。对应的程序举例：分治法中的成绩二分查找用递实现，也可以用汉诺塔问题培养学生计算思维。

5.工程方法——面向对象方法：面向对象是可视化编程序的重要理念，以类的形式对实体对像特征进行抽象，对于数据、方法、操作进行封装，强调对象的实现功能及对象间的通信方式。本案例的程序用例体现：系统提供教师，学生，管理人员的登录界面，可以通过消息的传递，实现同一接口下的三种人员登录。体现面向对像化方法中类的共同抽象及对象实体操作多样化的类接口的计算思维。

6.工程方法——结构化方法：结构化程序设计的主体思想、方法是，将大问题进行结构、功能的分解，从上至下逐步细化，进行模块化设计，利用结构化程序设计的三元结构顺序，分支，循环进行结构化程序编码。本案例的程序用例体现：学生问题的设计，其目标是解决学生在案例中的的功能体现，对于学生问题的解决则可以进行功能分析与细化，比如学生考试，成绩查询，登录及密码维护等。

五、结束语

以案例为基础，在知识应用中进行知识与方法的学习，转变了教学理念与教学方式；目标的明确化铸就学习的原动力；符合冶学致用，学用互动的教学理念与务实性，优化教学理念、回归教学本位；以基于问题的方式，体会和运用计算思维去求解問题，有利于提高学生能力与方法的学习，有利于培养和提高学生的计算思维。

参考文献

[1] 王荣良.计算思维教育上海科技教育出版 2014

[2] 李巧玲，项目教学法在Visual Basic程序设计教学中的实施[J]教学园地2012.27.100

[3] 殷士勇，基于任务驱动的《Visual Basic 程序设计》教学模式探讨铜仁学院学报 2012（14）

[4] 何明昕.关注点分离在计算思维和软件工程中的方法论意义[J].计算机科学，2009，36（4）.

[5] 基于案例分析_项目驱动的VisualBasic教学实践探究_史波现代计算机 2011.8

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