基于计算思维的网络自主学习在教学中的应用研究

李　敏, 卢建成，牛红惠

(1.安阳师范学院 软件学院，河南 安阳 455000；2.安阳县洪河屯乡第二中学，河南 安阳 455000)



基于计算思维的网络自主学习在教学中的应用研究

李敏1, 卢建成2，牛红惠1

(1.安阳师范学院 软件学院，河南 安阳 455000；2.安阳县洪河屯乡第二中学，河南 安阳 455000)

[摘要]计算思维是计算机教育领域备受关注的重要课题，计算思维理论的研究和发展深刻地影响计算机教育的发展。本文基于计算思维和网络环境下自主学习的理论，构建了以计算思维为核心的网络环境下自主学习的模型，并将此模型应用到了大学计算机基础课程的教学中，取得了理想的教学效果，同时也培养了学生的计算思维能力。

[关键词]计算思维；自主学习；网络；模型；计算机基础教学

1引言

计算思维(Computational Thinking)是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动，计算思维的研究和发展对计算机教育的发展有重要的意义。计算机基础课程教学是高等学校通识教育的重要组成部分，在培养学生的综合素质、提高创新能力、提升社会活动能力等方面发挥了重要作用。中国科技大学陈国良院士曾指出[1]：“大学通识教育是大学人才培养的重要任务，大学教育不能局限于基本知识传授，还要从学生的理性思维中去培养对科学的追求，使学生具备高尚的人格。而作为计算机课程中核心思想的计算思维是为不同专业的学生提供一种独特的思维方式以及更好的解决专业问题的有效手段和方法，同时计算机基础课程作为与数学、英语同等地位的大学基础课程，是培养计算思维能力最好的课程载体。”

将计算思维渗透到大学计算机基础课程教学中是提高教学效果最有效的教学方式之一，它不仅可以高效地完成教学目标，还可以潜移默化地影响学生，使学生能够运用计算思维方法解决学习上的问题，将来工作中遇到的问题，实际生活中遇到的问题等，最终将这种计算思维能力内化提升，成为适应当代社会的综合型的创新人才。本文基于计算思维和网络环境下自主学习的理论基础，构建了以计算思维为核心的网络环境下自主学习的模型，并将此模型应用到了大学计算机基础课程的教学，通过具体实施，取得了较好的学习效果，也进一步证明了该模型的可行性。与传统的教学模式相比，基于计算思维的网络自主学习模式可以有效地提高学生创新思维能力，帮助学生更好地进行自我知识建构，提升学生的计算思维能力。

2计算思维的内涵

美国卡内基·梅隆大学计算机系主任Jeannette M. Wing教授在ACM 上发表的《Computational Thinking》中提出: “计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。[2]”她认为，计算思维和普通思维一样，是人的一种基本技能，我们应该在培养孩子的各种能力的同时，还要注重培养孩子的计算思维能力。Jeannette M. Wing教授指出：“①计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题；②计算思维是一种递归思维；③计算思维釆用了抽象和分解来迎接庞杂的任务或者设计巨大复杂的系统；④计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情形恢复的一种思维；⑤计算思维就是学习在同步相互会合时如何避免“竞争条件”的情形；⑥计算思维利用启发式推理来寻求解答，就是在不确定情况下的规划、学习和调度；⑦计算思维利用海量数据来加快计算，在时间和空间之，在处理能力和存储容量之间进行权衡[3]；抽象和自动化是计算思维的本质和标志，它是以可行和构造为特征的构造思维，是以程序化、层次化、机械化为根本的思维。计算思维将如阅读、写作和算术一样，不仅属于计算机科学家们，而会成为人们所掌握的基本技能之一。

3基于计算思维的网络自主学习模型的建构

3.1　基于计算机网络环境的自主学习的理论基础

网络环境下的自主学习，就是指学生在教师的指引下，借助于网络环境提供的学习支持服务系统，探究地、主动地进行学习，从而达到掌握知识与能力的目的。其实质是充分调动学生的主观能动性和创造性，在主体认知不断形成的过程中渗入学生自己的见解。建构主义学习理论主张在教学过程中以学生为中心，强调学生是学习的主体，是信息处理的主体，是知识的建构者；认为知识不是由教师一方灌输的，而是由学生在一定的学习情境下通过合作、交流、讨论、互相协助，并借助必要的资源主动建构的。建构主义理论为网络环境下的自主学习模式提供了有力的理论支撑。

在网络环境下的自主学习中，不能一味地强调学生而忽视教师，和普通教学相比，教师所承担的任务发生了变化，教师从负责传授知识变成了设计学习资源、组织学习过程、评估学习效果等一系列的内容。教学过程中的各个因素相互作用形成教学模式。基于网络的自主学习模式是一个系统化和理论化的教学模型，是由多个因素互相制约的。一般情况下，网络环境下的自主学习过程中包含四个要素：学生、教师、教学资源、学习环境。为了更好地定量表达这四个因素之间的关系，可用下面的数学模型来表示[4]：

Q=F(AT，AS,E,R)

式中Q表示基于网络环境的自主学习模式，F是一个过程函数，AT是教师的动作集，AS是学生的动作集，E表示网络环境，R表示教师所提供的海量的网络资源。在该自主学习模式中，E和R关系着学生的学习效果以及教师对学生学习情况的掌控。一般情况下，所提供的E越完善，教师的教学就会显得越简单和轻松，AS就能利用资源和的辅助高效地自主学习。

3.2　基于计算思维的网络自主学习模型的建构

将教师的教学指导和学生的自主学习行为结合起来是基于计算思维的网络自主学习模式的前提，然后综合运用适当的教学策略和学习策略，使学生自主地学习、建构、内化，进而提高学习效率，同时提高计算思维能力。该学习模式可用下面的数学模型来表示：

4基于计算思维的网络自主学习模式教学实践

基于计算思维的网络自主学习可以很大程度的激发学生学习的主动性，使学生在丰富的网络资源中完成知识的自我建构，同时有助于学生计算思维的培养。《多媒体基础与课件创作》课程作为师范院校一门针对师范类非计算机专业学生开设的一门操作性极强的计算机基础课程，该课程以信息素养教育为核心，突出素质教育，强调学生的实践操作能力，使学生在学习课件创作的过程中提高自身的信息素养，培养自身的计算思维。以该课程为例，依据上文得出的网络自主学习模型，主要探讨该学习模型在提高教学效果和培养学生计算思维能力两方面的作用。为了将效果表达定量化，本文用I表示教师的教学效果，用S表示学生的计算思维能力。

4.1　搜集优质网络资源，提出问题

对于《多媒体基础与课件创作》课程的学习，第一步非常重要，通过优质网络资源的搜集，学生能够准备好制作课件所需要的原始素材，主要包括制作课件所需要的文字、声音、图形图像、动画、视频等多媒体素材；也可以学习其他优秀课件，通过对优秀课件的学习，学生可以了解到制作一个优秀的课件需要从哪些方面努力，同时，学生会提出问题，例如，课件中美丽的场景如何绘制，音频如何重组，丰富的动画如何实现等，与此同时，教师也应设置基于计算思维的探究性问题，在潜移默化中培养学生的计算思维，进而激发学习的热情。我们可以用如下的关系描述教师和学生在此阶段教和学的情况：

I1=F1(m)

S1=G1(p)

式中，m表示教师搜集的优质学习资源，并在此基础之上，学生提出的有助于学习的问题，F运用计算思维方法指导学生学习的第一步学习效果。p是指学生基于计算思维提出的问题，G1是计算思维能力质量函数，S1表示第一步的计算思维能力培养效果。

在实施过程中，教师应保证网络资源丰富，网络运行环境正常，并熟悉计算思维，学生预习相关内容，并了解计算思维的一系列方法，并具有一定的自学能力和知识建构能力。《多媒体基础与课件创作》课程中，主要是学习用Flash制作课件，在学习优秀课件的过程中，教师可指导学生发现问题。以遮罩动画的制作为例，由于遮罩动画制作方法灵活，并且有多种变形，结合这个特点，在问题的设置里可渗透计算思维的启发式推理，例如我们要想了解遮罩动画的制作方法，要先区别出来遮罩层和被遮罩层，然后得出哪个图层有动画，是形状补间动画还是运动补间动画，形状补间动画如何制作，运动补间动画如何制作，这样反复地启发推进，一步步得到问题的关键。

4.2　探究问题，找出答案

第二步是整个学习过程中的关键阶段，在这个阶段，教师应在计算思维的方法指导下帮助学生解决问题，包括具体指导学生如何学习，提供相关的学习资料和学习方法，找出问题的答案。学生可以运用计算思维的方法遵循计算思维方法的高效特点在教师的辅导下去思考如何解决问题。我们可以用如下的关系描述教师和学生在此阶段教和学的情况：

I2=F2(k)

S2=G2(h)

表示教师指导学生在浩瀚的网络资源中优化网络资源，在计算思维的方法的指导下，教师辅助学生对问题的解决思路作深入的探讨，F2学生学习的学习函数，表示第二步的学习效果，表示学生用计算思维的方法分解问题，找寻问题的解决方法。G2是计算思维能力质量函数，S2表示第二步的计算思维能力培养效果。

4.3　讨论交流，得出结论

第三步主要是教师鼓励学生通过网络学习平台积极参与讨论，进而在计算思维方法的指导下，帮助学生在讨论中学习，通过讨论总结知识。在这个过程中，学生学会了如何在在教师的指导下应用计算思维的方法去解决问题，获得问题的答案。

例如，在有关遮罩动画的制作中，通过学生之间的讨论，学生会发现由一个简单的遮罩动画加上一个背景图层之后会有更加强的视觉冲击效果；被遮罩层也不仅仅限于一个；除了制作运动补间动画的遮罩效果之外，还可以制作形状补间动画的遮罩效果等等。通过这样的学习，不仅可以提高学生的动画制作能力，学生的自主学习能力，还可以提培养学生的计算思维能力。

4.4　练习巩固，进一步拓展

第四步主要是教师带领学生借助于丰富的网络资源，巩固所学知识，并且在所学知识的基础上进行举一反三、拓展知识的维度，提高知识的深度，达到掌握知识并灵活运用知识的目的。《多媒体基础与课件创作》是一门操作性极强的课程，学生应利用网络平台，不断地操作，在操作中巩固新知，在操作中提升，同时学习优秀的网络资源，发散思维加深对知识的理解[6]。在整个过程中，教师要在设计的问题中渗透计算思维的方法，帮助学生在潜移默化中培养计算思维的能力。

例如，在有关遮罩动画这个内容的学习中，给学生设计一些这样的拓展迁移的题目：引导路径动画能否实现遮罩效果，能否将遮罩动画和引导路径动画融入到同一个作品的制作中，这样可以让学生带着问题学习、巩固、拓展、提高。

4.5　反思自评，内化提升

学生在通过系统的学习过程之后，回顾已学知识，总结整理知识是第五步的关键，通过对整个学习过程中的得与失的反思，总结学习方法和学习心得，达到内化知识，并将所学知识熟练应用于实践中的学习效果。教师则是给予学生鼓励，帮助学生进行提升。

在基于计算思维的网络自主学习教学过程中，教师要运用计算思维方法给学生提供大量的网络资源，指导学生发现问题；探究问题，解决问题，并给学生设置相关的问题，逐步引导学生提升计算思维的能力。而学生需要在教师的帮助下积极主动学习，自我建构知识，形成自己的学习模式，自主学习，自我评价，高效完成教学任务。通过这样的学习，学生能够更好的利用计算思维方法进行自主学习，同时在掌握相应的知识以后学生之间再进行相互的学习，拓展并内化所学的知识。

5小结

计算思维作为一种新的思维方式，对计算机教学产生了深远的影响。本文将计算思维与计算机基础教育相结合，将计算思维方法与教育教学相结合，选取《多媒体基础与课件创作》课程作为案例，展示了计算机课程教学中可以用计算思维系列方法解决问题。计算思维的本质是抽象和自动化，本文以模型化方式展现了网络自主学习模式实施的整个过程，主要是为了突出计算思维在教育教学中的作用。将计算思维渗透到大学计算机基础课程教学中不仅可以有效地提高教学效果，还可以潜移默化的影响学生，培养学生的计算思维能力，使学生能够运用计算思维方法解决技术问题、专业问题、和生活问题等，进而为终身学习提供了良好的信息资源和高效的学习方法。

[参考文献]

[1]陈国良,董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011，(1)：7-11.

[2]WingJ M. Computational Thinking[J]. Communication of the ACM, 2006, 49(3):33-35.

[3]周以真.计算思维[J].中国计算机学会通讯,2007,3(11).83-85.

[4]牟琴,谭良,吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究[J].电化教育研究, 2011,(5):54-55.

[5]牟琴,谭良,周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术.2011,(6):44-49.

[6]李敏，郝夏斐.项目教学法在多媒体基础与课件创作教学中的应用研究[J].辽宁教育行政学院学报,2010,27(5)：82-83.

[责任编辑：Z]

Research of Network Independent Learning Based Computational Thinking in Teaching

LI Min1,LU Jiancheng2,NIU Hong-hui1

(1.Sohool of Software Engineering, Anyang Normal University, Anyang 455000,China;

2.The Second Middle School of Houghetun oillage of Anyang County, Anyang 455007,China)

Abstract:Computational thinking is an important topic in the field of computer education, research and development of computational thinking has important implications for the development of computer education. Based on the theory of computational thinking and independent learning, this paper established the independent learning model under the network environment which computational thinking as the core respectively to apply them to the instruction of computer basis teaching. Through the teaching practice, better teaching effect has been achieved, and students' computational thinking ability has been improved.

Key words:computational Thinking; independent learning; network; model; computer basis teaching

[中图分类号]G434

[文献标识码]A

[文章编号]1671-5330(2015)02-0126-04

[作者简介]李敏 (1983-)，女，河南安阳人，讲师，主要从事多媒体技术、计算机教育研究。

[收稿日期]2015-02-17