基于翻转课堂教学模式的大学生计算思维能力的培养研究

曹 菡，裴 艳，王长缨

1 陕西师范大学计算机科学学院， 西安 710062；2 福建农林大学计算机与信息学院， 福州 350002

基于翻转课堂教学模式的大学生计算思维能力的培养研究

曹 菡1，裴 艳1，王长缨2

1陕西师范大学计算机科学学院， 西安 710062；2福建农林大学计算机与信息学院， 福州 350002

计算思维能力的培养已成为计算机基础教学的核心任务，并引起了计算机基础教育界的广泛关注和讨论。文章对非计算机专业大学生计算机基础教学中计算思维的培养进行了探索，并提出在多元智能理论指导下，构建“学习知识在课外，内化知识在课堂”的教学模式，采用翻转课堂教学模式营造多元智能和计算思维发展的课堂环境，以便在实践中培养和训练计算思维。

计算思维；翻转课堂；多元智能

移动通讯、普适计算、物联网、云计算、大数据这些新概念和新技术的出现，在社会经济、人文科学和自然科学的许多领域引发了一系列深刻的变化，极大地改变了人们对计算和计算机的认识。庞大的数据资源使得各个领域进入了量化进程，随着这一进程的深入，无处不在、无事不用的计算思维成为人们认识和解决问题的基本能力之一。随着各种事务都被数字化而成为计算机处理的对象时，人们已经越来越多地把计算机作为分析和解决问题的工具。因此，对大学生来说最重要的不是掌握解决问题的具体技巧，而是学会如何把问题转化成能够用计算解决的形式，即计算思维的能力。在信息化社会，计算思维必然与实证思维和逻辑思维一样，成为一个现代公民必须掌握的基本思维模式。不仅是计算机专业的学生应该具备这种思维能力，所有专业的大学生都应具备这种能力[1]。因此，大学计算机基础课程不应局限于教会学生使用计算机，而应把培养计算思维作为核心任务。

加德纳的多元智力理论认为，人的智力是多元的，多种智力在个体身上以不同的方式和不同程度进行组合，从而使个体的智力各具特色[2]。计算思维能力是当代大学生必备的多元智能之一。翻转课堂所倡导的“学习知识在课外，内化知识在课堂”的新型教学模式有助于学生多元智能的培养。因此，可以以多元智能理论为指导，以翻转课堂营造培养大学生计算思维能力的良好环境。

1 计算思维培养与多元智能开发

加德纳的多元智力理论认为，人的智力是多元的，即它不是一种能力，而是一组能力，各组能力不是以整合的方式存在，而是以组合的方式存在的[2]。多种智力在个体身上以不同的方式和不同程度进行组合，从而使个体的智力各具特色。随着计算机日益广泛而深入地运用，计算这个原本专门的数学概念已经泛化到了人类的整个知识领域，并上升为一种极为普适的科学概念和哲学概念，成为人们认识事物、研究问题的一种新视角、新观念和新方法。计算不但已经成为人们认识自然、生命、思维和社会的一种普遍方法，而且正在试图成为一种全新的世界观。除阅读、写作和算术之外，计算思维也应成为每个人的基本技能；除逻辑思维、实证思维、形象思维、抽象思维之外，大学生计算思维能力也成为多元智能之一。大学计算机基础教育应注重大学生的多种智能和思维能力的开发，促进计算思维与其他思维能力和智力要素的组合，使计算机课程和计算思维能力与各专业结合起来，有效地发挥计算思维的作用[3]。

2 翻转课堂教学模式下的计算思维能力培养

翻转课堂是一种新型教学模式，它起源于美国科罗拉多州落基山的“林地公园”高中。2007年春，该校化学教师乔纳森·伯尔曼(Jonathan Bergmann)和亚伦·萨姆斯(Aaron Sams)开始使用录屏软件录制他们讲课的课件和声音，并将视频上传到网络来帮助缺席的学生补课。后来，这两位教师让学生在家看教学视频，在课堂上完成作业，并帮助学习中遇到困难的学生。这种教学模式受到了学生的广泛欢迎。因此，乔纳森和亚伦认为，如果把课堂传授知识和课外内化知识的结构翻转过来，形成“学习知识在课外，内化知识在课堂”的新型教学模式，学生学习的有效性将有所提高[4]。

美国富兰克林学院数学与计算机科学专业的Rob- elt Talbert经过多年的教学积累，总结出翻转课堂的实施结构模型[5](如图1所示),该模型简要描述了翻转课堂实施过程中的主要环节。该研究根据翻转课堂的内涵和自身的教学条件，在Robelt Talbert教授的翻转课堂实施结构模型的基础上，构建了符合自身教学的翻转课堂教学模型(如图2所示)。针对翻转课堂的三个环节，每个环节以多元智能为指导，围绕大学计算机基础和计算思维的各个知识点开展学习活动，促进学生计算思维的培养和各项智能的发展。教学设计上可以采用生成问题、探究问题、解决问题的方式，从解决问题的角度出发，强调解决问题的方法、思路。在教学方法上，突出实践能力和思维能力的培养，学科融合，引入跨学科元素。

图1 Robelt Talbert的翻转课堂实施结构模型

图2 翻转课堂教学模型

2.1 课前

教师在课前针对某个知识点或案例准备学习资源，可以提供一些微视频、文本内容、参考书籍、相关的专题学习网站等类型的素材。把这些资源呈现在该校的Blackboard教学平台中，学生可以在该平台上进行课前学习。其中，微视频的制作是资源准备中的核心内容。根据每节课的课堂目标，可以为学习者准备一个微视频，该微视频只介绍一个知识点或者呈现一个案例。视频要短小精悍并以教学关键内容呈现为主体。目前，网易公开课、可汗学院课程、中国国家精品课程、大学公开课等优质课程资源正如雨后春笋般涌现。教师也可以在这些优质开放的教育资源中，把与自己教学内容相符的视频资源作为课前供学生学习的内容，这样既提高了资源的利用率，节省了人力和物力，也使学生能接触到国内外优秀教师的最新教学内容。然而，网络上的这些资源可能会与课程目标或课程内容不完全相符，教师要根据自己的教学目标和学生的学情慎重选择[4]。

学习资源准备好之后，教师要根据计算思维的培养目标围绕资源内容布置课前任务，可以借鉴多元智能的思想，设置基于多种智能的问题，促进学生计算思维和各项智能的发展，学生也可以选择通过自己的强项智能来加快学习的速度，获得学习的成就感。

布置课前任务要注意的几个原则是：

2.1.1 课前任务要注重开放性 课前任务应该是开放性的问题，可以多学科融合，引入跨学科元素。北京大学李晓明教授认为，在教学中有机地引入跨学科元素是培养计算思维能力的一种措施。根据学生的专业，将计算思维与专业应用进行融合，有利于让学生感受到利用计算思维求解问题过程中的魅力[6]。教师要精心设计一些隐含计算思维思想的综合性、开放性课前任务，通过实践活动增强学生对计算思维的理解，达到训练计算思维的目的。可以选择设置一些大学生感兴趣的若干热点社会话题作为课前任务。如：大学生人际关系定量分析，大学生网络购买行为分析，社会网络与大学生身心健康，大学生咨询、信任与友谊关系定量分析，等。比如可以让学生收集咨询、信任与友谊3个方面的关系数据，然后将数据输入Excel表中，再用Ucinet6软件中的QAP方法进行相关性检验，用阶层回归分析及MRQAP方法进行回归检验，最后得出结论。学生通过数据分析，探讨大学生友谊形成过程中咨询与信任的作用，在完成任务的过程中体会、掌握如何运用计算科学的基础概念进行问题求解，同时培养和训练了学生的计算思维。

2.1.2 课前任务要注重实用性 学生经常会问一个问题：“我学这些有什么用呢？”这就要求我们的教学应该具有实用性，让学生体会到知识的实用价值才能真正激发其学习的内部动机，达到培养学生的目的。这里的实用性不仅指知识对生活的价值，也包括这些任务可以有效地促进学生多元智能的开发。例如：学习Word文字处理软件和Excel电子表格处理软件时，如果单纯地将其作为工具介绍，教学中过分注重操作细节，让学生单纯地练习基本操作就显得很枯燥，也难以达到培养学生独立分析和综合应用能力的目标。教师可以布置一些综合性、实用性任务，让学生结合自己专业和兴趣爱好搜集一些他们关注的新闻、专题、诗歌和图片，等，用Word制作微型电子书或电子板报；用Excel统计分析食物的营养成分和热量，分析诺贝尔奖、图灵奖得主的国籍、获奖年龄等数据，并在课堂上展示。教师向学生先提出问题，然后引导学生描述问题，把抽象的问题具体化，创设情景；然后，分析需要什么样的数据、数据如何输入、如何存储，再选择什么样的工具进行提炼，得出结果后验证结果，分析方法的优缺点。通过一个完整数据处理生命周期的过程，培养学生解决问题的能力。同时制作微型电子书、电子板报和电子表格的过程涉及到多种智能活动，学生搜集整理文档资料时促进了语言智能和数理逻辑智能的开发，文字排版时需要用到空间智能，Excel统计汇总开发学生的计算思维，Excel图表制作开发学生的表现、表达能力，等。

许多学生在中小学接触过Word文字处理软件和Excel电子表格处理软件，但缺乏计算思维引导。教师可以引入计算思维的核心—抽象和自动化，对现有教学内容按照抽象和自动化主线进行梳理。如可以介绍文字处理技术的自动化发展历程；以数据抽象和建模为主线讲解Excel电子表格处理软件，其中“收集数据、输入数据、提炼数据，分析数据和可视化数据”的数据处理过程充分体现了计算思维“从具体到抽象化”的思想。

2.1.3 课前任务要注重趣味性 完成课前任务需要学生花费一定的精力，而且大多是课下完成的，这样无形中增加了学生的负担，有些学生可能不愿意去做，这就要求课前任务要增加趣味性。教师通过设计形象、生动的问题，激发学生的兴趣和好奇心，鼓励学生主动利用开放式网络教学平台和互联网资源获得知识，还可以适当地引入游戏化教学的思想，通过游戏增加学生学习的兴趣和动机。

2.2 课中

在课堂上，学生对完成课前任务时产生的问题或教师根据课程内容和学生的生成性问题总结出的一些有探究价值的新问题进行合作探究。教师进行个性化指导，在课堂交流学习的整个过程中，教师都要适时地反馈和评价，引导和帮助学生逐步解决问题。

2.2.1 围绕问题讨论交流、合作探究 在学生合作交流之前要对其进行分组，分组前可以用多元智能测评系统来获得每个学生的多元智能情况。根据测评效果将强项智能不同的学生分到一组，以此促进学生各种智能的发展，也可以将强项智能相同的学生分到一组，促进强项智能的发展。同质或异质分组可以每隔一段时间交换一下。

学生讨论交流的主题主要是在完成课前任务时出现的问题，这些问题的最大特点是具有生成性而非预设。或者是教师根据课程内容和学生的生成性问题，总结出一些有探究价值的新问题，也就是说课前和课中是有关联的。

2.2.2 个性化指导 每个小组在合作探究的过程中都会遇到不同的问题，教师对学生进行个性化指导，为每个小组解答疑惑，从而实现因材施教[7]。

2.2.3 讨论交流的成果展示 讨论交流之后的展示形式可以是师生问答的形式，也可以组织一些辩论赛、排演小品，等。例如：可以组织办公自动化、网络技术对日常生活影响的辩论赛，辩论赛可以有效地促进学生的语言智能、数理逻辑智能、人际交往智能等的开发。此外，针对多媒体动画方面知识的学习，还可在课堂上引入游戏环节，比如排演小品剧，等[8]。

此外，讨论交流和合作探究不仅可以面对面方式进行，也可以基于网络进行。例如：利用BBS、教学平台、大规模开放网络课程、博客等进行交流，教师加入讨论可以拉近教师和学生的距离。

2.2.4 反馈评价 如何有效地评价教学效果，如何从教学过程中获得有效的反馈？这一直是一个难点问题。反馈评价是一种检验学生学习成效的途径，更是一种有效的指导方式，帮助学生发现问题、解决问题，增强理解问题的能力。反馈评价应贯穿于课堂中的各个环节。在翻转课堂的教学模式中，评价可以来自教师也可以来自其他学生，还可以是学生的自我评价。翻转课堂不但要注重对学习结果的评价，还可通过建立学生的学习档案进行学习过程的评价。建立一个多维度的、情境化的、基于过程的、定性与定量相结合的评价指标体系，全面评价学生的计算思维和多元智能能力，真正做到定量评价和定性评价、形成性评价和总结性评价、对个人的评价和对小组的评价、自我评价和他人评价之间的良好结合。评价的

内容涉及独立学习过程中的表现、在小组学习中的表现、结果表达和成果展示等方面[4]。评价时一方面要看到学生在已有基础上的进步；另一方面，要尊重学生的个性和创造性，对同一任务的不同设计思路和不同设计风格、对同一问题的不同技术解决方案，等，都应该予以恰当的认可与鼓励。适当而准确的评价可以有效地促使强项智能更强，同时发现弱项智能，增强自我评价的能力。

2.3 课后

在一堂课结束后，教师要根据学生的课堂学习成果布置一些拓展性的合作探究任务，也就是说课堂学习对课后的拓展任务有指导作用，学生可以根据自己的能力和兴趣选择性地完成。

该文阐明了以翻转课堂的教学模式营造开发大学生多元智能、培养训练计算思维的良好课堂环境，发掘学生自身的潜能，同时以多元智能理论为翻转课堂的开展提供思想指导，“为多元智能而教”，学生可以更自由、充分的发挥，从而促进翻转课堂教学模式下学生多种智能的发展和计算思维能力的发展。

[1]教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.计算思维教学改革宣言[J].中国大学教学,2013(7):7-10

[2]钟志贤.多元智能理论与教育技术[J].电化教育研究,2004(3):7-11

[3]龚沛曾,杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教学,2012(5):51-54

[4]张金磊,王颖,张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志,2012(4):46-51

[5]Talbert R.Inverting the Linear Algebra Classroom[J].Prob,Res,and Issues in Math Undergraduate Studies,2014(5):361-374

[6]李晓明.跨学科计算思维教学的认识与实践浅谈[J].中国大学教学,2012(11):4-5

[7]陈怡,赵呈领.基于翻转课堂模式的教学设计及应用研究[J].现代教育技术,2014(2):49-54

[8]王红,赵蔚,孙立会,等.翻转课堂教学模型的设计—基于国内外典型案例分析[J].现代教育技术,2013(8):5-10

Cultivation of college students' computational thinking based on the flipped class teaching mode

CaoHan1,PeiYan1,WangChangying2

1SchoolofComputerScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi'an710062;2CollegeofComputerandInformationScience,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China

Cultivation of computational thinking ability has become the core task of computer basic teaching and has caused extensive concern and discussion in the field of computer basic education. This paper explores the development of computational thinking of non-computer major students in computer basic teaching. The authors propose constructing the teaching mode of "learning knowledge outside the classroom and internalizing knowledge in the classroom" under the guidance of the multiple intelligences theory and adopting the flipped class model to create a classroom environment of multiple intelligence and computational thinking development so as to foster and train computational thinking in practice.

computational thinking; flipped class; multiple intelligence

2013年陕西师范大学校级教育教学改革研究项目“培养计算思维能力为核心的计算机课程教学改革的研究与实现”(994085)；2012年陕西师范大学校级重点教学改革研究项目“大学计算机基础课堂教学与考核方式改革研究”(884407)

2015-03-04

曹菡(1963-)，女，四川荣县人，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向：云计算机应用、空间数据挖掘、远程教育。

裴艳(1989-)，女，山西介休人，硕士，主要研究方向：计算机教育。 电话：15991635382；E-mail:631923580@qq.com

G40-057

A

1004-5287(2015)05-0494-04

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201505005