翻转课堂模式下计算思维能力的培养

李斌

[摘要]文章阐述翻转课堂出现的背景，针对目前计算机基础教学现状描述的问题，提出借助优秀的网络教学平台，将翻转课堂有效应用到传统教学中，合理安排课前课中课后的教学任务，组织讨论，跟踪学习进度，培养学生计算思维能力，从而改革计算机基础教学方法及内容。

[关键词]翻转课堂；计算思维；教学模式；信息技术；程序设计

一、为什么会出现翻转课堂教学模式

在翻转课堂概念还未出现前，我们接触更多的是传统的教学模式。从小学、初中、高中到大学，学生们往往是被动接受老师的大容量知识灌输，鲜有主动学习。由于个体差异，每个学生对知识的理解力不一样。理解力差一点的学生，因为没有听懂上一次课所授内容，以及知识点的连贯性，这些学生可能会陷入“想听却听不懂，听不懂则不想听”的恶性循环，从而产生厌学心理。大学课堂更特殊，对于某一门课程，学生一周可能只能见到老师一两次，老师下课后也很少再与学生见面。学生有什么学习上的问题，不太方便与老师面对面交流，那么这些问题也不会得到及时的解决。

2007年，美国高中两名教化学的老师乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯，因为有學生未来上课，他们将录制好的讲课视频（包括PPT演示文稿和音频）上传至YouTube，希望这些学生在家里也能学习。他们发现学生的学习效率反而明显提高了，学生也更加积极学习，学生成绩居然大大提高。无独有偶，美国麻省理工学院学生萨尔曼·可汗，有个小侄女叫纳迪亚，她遇到数学难题向可汗求助。可汗通过互联网来解答侄女的问题，并且讲得非常生动有趣。后来可汗的一些亲朋好友知道后，相继向他请教一些学习问题。可汗觉得忙不过来，干脆把数学辅导内容录制成视频放到YouTube网站。这种学习模式与传统学习模式正好相反，传统学习模式分为两个环节，第一环节教师在课堂内讲解、讨论知识，第二环节课堂外通过练习复习巩固知识。翻转课堂模式学生课前预习相关知识并思考、准备若干问题；课中对于学生不懂的知识和问题教师组织师生之间、生生之间进行讨论，倡导学生自主解决问题，这样既培养了学生的自我学习能力，同时也培养了团队协作解决问题的能力。因此，翻转课堂实际上是将以前课堂内的部分教学搬到课堂外，教师课前录制好视频（10到20分钟），学生在家或者课外空闲时间观看视频中教师的讲解，回到课堂上再与师生交流，甚至在课堂内就完成了作业。这样一种教学模式，可以认为是对传统教学模式的一种彻底创新。

之后萨尔曼·可汗成立了Khan Academy网站，主要是通过视频的方式讲解不同学科内容，并在线解答网友的提问。网站同时可以进行在线练习、自我测评、学校进度跟踪。截至2012年6月底，Khan Academy网站视频观看人次已超过2.1亿。其视频资源涵盖了物理、生物、数学、金融、化学、天文、计算机、经济和历史等十多个学科。翻转课堂作为一种新型的教学形式迅速风靡全球，在美国就有2万多所学校的数学课已经不安排老师讲课，全部让学生观看网站视频，老师只负责答疑。可汗被誉为“一个颠覆美国传统教育的人”。

二、计算思维

计算思维（Computational Thinking）一词由美国卡内基·梅隆大学周以真教授于2006年提出，周教授认为：“计算思维不仅仅属于计算机科学家，它将和阅读、写作和算术一样，是21世纪每个人必须具备的基本技能。”计算思维的本质就是抽象和自动化，它是一种新的思维方法，即如何按照计算机求解问题的基本方法去考虑问题的求解、进行系统设计并理解人类行为，从而构建出相应的算法和基本程序。按照周教授的观点，计算思维主要包含以下内容：

（1）通过简约、转化、嵌入和仿真等方法，将一个看似困难的问题重新阐述成一个我们知道问题怎样解决的思维方法；

（2）是一种并行处理、代码译成数据又能把数据译成代码、递归思维、基于多维推广的类型检查方法；

（3）是一种基于关注点分解的方法，是一种采用抽象、分解来控制庞杂的任务或进行巨大的任务系统设计的方法；

（4）是一种选择合适的方法陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；

（5）是利用海量数据来加快计算，在时间、空间之间，在处理能力、存储容量之间进行折衷的思维方法；

（6）是一种按照预防、保护，并通过冗余、容错、纠错的方式，从最坏情况进行系统恢复的思维方法；

（7）是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。

2010年7月西安交通大学主办了“九校联盟（c9）计算机基础课程研讨会”，会议第一次明确提出将“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务，这也进一步确立了计算机基础教学在大学教育中的重要地位。

三、信息技术基础课程中计算思维能力培养的一些现状

我校信息技术基础课程包含计算机信息技术概述、计算机组成原理、计算机软件、计算机网络、数字媒体及数据库等知识点。从2015年开始，我校已经逐渐取消了这门课程。但是，尽管现在计算机已经得到了普及，然而由于地区的差异性，相当一部分学生在高中阶段依然没有学过一些基础的信息技术知识。他们会用计算机，可并不了解计算机的基本常识，知其然而不知其所以然，这会影响到学生对后续计算机程序设计课程以及需要用到计算机编程技术的专业课的理解。比如，什么是二进制？为什么计算机要使用二进制？如果我们从计算机的角度思考，运用计算思维，我们发现计算机中的大多元器件只需要两种状态，这也决定了现代计算机必须使用二进制。比如，为什么我们看电子文档时有时会出现乱码？有没有想过计算机是如何识别中文、英文、日文、韩文等多国家语言文字？这也是计算思维的范畴。因为计算机只识别机器语言即01代码，所有的文字不管哪个国家，进入计算机前都需要编码，这个编码规则就是站在计算机的角度上要考虑的问题。再比如，现在学生的成绩通常都会以电子档或数据库的形式存储在专门的服务器中，如何知道某个班某门课程的平均成绩？我们当然不会采用手工方式人为计算，按照计算思维，应该让计算机使用某种算法进行快速计算，那么这个算法怎么设计？如何组织算法中用到的数据？没有计算思维的能力，前述看是很平常的问题，实际上很难解决。但是学生没有了信息技术这么课程，怎么样才能培养他们在信息技术上的计算思维能力呢？endprint

四、程序设计基础课程中计算思维能力培养的一些现状

我校计算机程序设计基础课程涉及的语种包括VBA、c语言、c++语言、VB语言、Java语言和Python语言，学生可以根据自己的爱好自由选择。我校近几年大大缩减了程序设计类课程的课时，这就导致了教师在教授这些课程时，尤其是c语言、c++语言，为了完成教学任务，加快了教学进度，学生们普遍反映课程讲得太快，还没有完全理解就进入了下一个知识点。同时也难免降低了对学生计算思维能力的培养力度，比如设计算法时如何确定数据类型？如何设计类中的属性？如何结合计算思维中的“关注点分离”设计出相互独立又相互关联的函数？如何使用递归思维解决生活中的实际问题等等？计算思维能力的培养本身是一个循序渐进的过程，需要教师的反复讲解和学生不断地编程实践。但是因为课时不够的原因，教师在讲课时不可能面面俱到，学生也没有更多的上机实践机会。况且下课后教师与学生面对面交流的机会就少，虽然可以借助网络进行答疑，却也只是支离破碎“快餐模式”的解答，不能深层次的探讨。久而久之，学生之间的讨论以及计算思维能力都处在一个低水平的状态。

五、运用翻转课堂培养计算思维能力

翻转课堂教学模式已经越来越受到国内高校的重视，众多学者、教师甚至学生都加入到了这个队伍中。笔者这学期正在使用超星公司的网络教学平台——“超星学习通”教授c语言程序设计这门课程，发现它可以很好地将翻转课堂与传统课堂结合在一起，大大改进了我的教学效果。接下来笔者谈一下具体的实施过程。

（一）课程资源

将课程用到的Power Point课件、每次课学生需要掌握的知識点、教材例题源代码、编程软件等文档上传至该平台。该平台支持手机端APP，学生随时可以很方便地在手机上查看，尤其是课件，有助于学生预习和回顾以前的授课内容。

（二）教学视频

这是该平台最吸引教师和学生的地方。笔者将本人事先录制好的视频或者该平台已经提供的教学视频（时长通常为30分钟左右）上传，并且通知学生下次课上课前要求观看的视频和需要讨论的话题。学生在空闲的时间通过手机APP学习视频内容，可以是片段式的，就算中途被打断，后面接着继续学习就行。学生上课前已经大致了解了课程内容，简单的知识点已经在课堂外掌握，那么这些知识点教师也就不需要在课堂上重点讲解了。同时学生对课堂上要讨论的话题多多少少做了些准备，往往这些话题是这次课的重点或难点，也是需要运用和锻炼计算思维能力的地方，比如进制之间的转换、数据的编码、计算机如何用递归求阶乘、计算机如何解方程组等等。其中进制之间的转换和数据的编码这两个视频，是本应在信息技术基础课程教授的知识点，但该课程已取消，放在程序设计课程里是为了补充与编程相关的预备知识。这样，教师上课时给知识点合理分配了时间，学生也发现他们可以在课堂上解决大部分问题了。如果课堂上还是没有听懂，那么课后学生可以继续反复观看教学视频。学生更主动而不是被动接受和学习知识，正是翻转课堂的一个宗旨。

（三）跟踪学习

虽然超星学习通提供了一个很好的学习平台，但是怎么监督和检测学生的学习情况呢？笔者会为每章或重点章节准备一些测试题，题量不需要太多，目的是为了巩固知识点。因为测试要记入平时成绩，学生会主动进行线下复习。而且测试时不需要去固定的教室，空闲的时候或者学习状态比较好的时候，学生在电脑上甚至手机上答题即可。每次课笔者也会布置编程题，以锻炼学生的编程及计算思维能力。平台可以监测到每个人的学习进度、是否完成测试、是否观看教学视频、是否提交作业，这些都可以作为平时成绩的考核参考。教师同样还可以通过电脑或手机随时批改作业，不限时间不限地点，方便快捷。对于有问题的作业，教师写一些批语，指出作业不对的地方，有严重错误的作业及时退回，学生在手机端能够很快收到消息，方便学生及时修改作业。笔者在批改作业的过程中，发现学生们一些共性的问题，笔者会在平台上发出与该问题相关的讨论，所有的学生都积极参与到网络讨论，很多问题就在讨论中得到了解决，从而加快了学生的学习效率。可以将课程设置为闯关模式，学生需一步一步完成任务才能进人下一环节，比如如果测试未及格则表示不通过，需重新测试直到通过为止。

六、结语

计算思维的培养是一个系统工程，而良好的教学方法会起到事半功倍的效果。笔者通过使用超星学习通网络教学平台，借助其功能丰富的Pc端和APP手机端，将翻转课堂与传统课堂有效结合起来，逐步形成了“课前网络预习，课堂积极讨论，课后网络复习，随时随地学习”的教学模式，大大锻炼和提高了学生的计算思维能力和编程开发能力，促进了师生、生生之间的交流。让学生和教师都积极主动投入到教学中来，是每一个教育工作者都在探讨的问题。endprint