基于翻转课堂的计算思维能力培养方法

孙歧峰，段友祥，崔学荣，王 勃

（中国石油大学 计算机与通信工程学院，山东 青岛266580）

0 引 言

随着互联网和计算机技术的迅猛普及和发展，计算机应用已经渗透到社会发展的各个领域，掌握必要的计算机基本知识和技能已经成为现代社会所需人才的基本素质要求。“计算思维能力的培养”是计算机基础教学的核心任务，应当加强以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学课程体系和教学内容的研究[1]。2013年发布的《计算思维教学改革宣言》[2]，明确了计算思维能力培养在计算机基础课程教学中的中心地位，使进行以计算思维为导向的大学计算机课程改革的基本思路已经深入人心[3]。然而，计算思维的培养是一个系统工程，而且培养对象个体差异大，因此如何有效地进行计算思维能力培养是一个值得深入研究的问题[4]。

1 对计算思维能力培养的认识

2006年，美国卡内基·梅隆大学周以真教授指出计算思维的本质是抽象和自动化[5]。国内计算机教育专家对计算思维进行研究，陈国良、唐培和等专家对计算思维本质和内涵进行了深入的解读[6-7]。笔者所在课题组在多年计算机教育教学中也形成了几点认识：①计算思维能力的核心是抽象和建模能力，计算思维是从解决问题的角度出发，强调解决问题的方法、思路，是一种思维模式的养成和训练；②计算思维培养的实现途径是教学改革，计算思维培养有着与以往教学不同的要求和目标，按照计算思维的思想对知识体系进行重新梳理和组织很重要，有些形成的传统和定式必须要打破，目前很多与计算机相关的课程的内容和组织根本不适合计算思维能力培养的要求；③计算思维培养落脚点是工程实践，必须把抽象的数学思维与具体的工程思维有机地结合并落实到工程实践，才能将“抽象”变成“具体”，才可能有效帮助非计算机专业人才跨越从通用计算技术的学习到未来专业计算应用与研究之间的鸿沟。总之，计算思维培养本质上是创新和素质教育。

2 翻转课堂下的计算思维培养探索

知识学习的过程可以分为知识传授和知识内化两步。传统的教学模式中重“教”而轻“学”，即过多的时间用在“传道、授业”，而“解惑”的时间被大大压缩。翻转课堂作为新兴的教育理念和教学模式，学生通过课外教学视频、微课、网络信息等教学资源自主学习完成知识传授的过程，以课内讨论交流、协作互动完成知识内化的过程。这种教学模式下，学生有更多独立学习和思考的时间，课堂上教师和学生交流机会的增加，不仅有利用于学生创新思维的培养，还可以有效解决由学生背景差异引起的一系列教学问题，进而提高课堂效率。

2.1 知识点分类

任何一种教学模式都有其适用性，翻转课堂教学模式也不例外。针对不同的教学内容选择不同的教学模式是翻转课堂成功的前提。为了更好地进行计算思维能力培养，课题组首先对知识点进行了分类，标准就是哪些知识点适合翻转课堂、哪些适合传统教学模式。通过课题组讨论和实践，教师认为适合翻转课堂的内容主要有背景知识、基本的事实、概念和定律、已成定论的观点、基本的方法和规律、需要重复讲解的内容、基本的演示和操作步骤、应用场景等。采用传统教学模式的知识点包括成果展示、复杂的定理证明、逻辑推理过程、生成性很强的内容、有赖于灵感激发和展示教师风采的内容等。例如，在“实用数据结构”教学中，对树、二叉树的基本定义、性质、遍历、分类二叉树的定义等内容，可以通过视频教学在课前由学生自主完成，而二叉树性质证明、最小堆的调整、哈夫曼树等内容则适合通过课堂讲授完成；在“面向对象程序设计”中类和对象特性的章节里，面向对象程序设计方法概述、类和对象的作用、面向对象软件开发、类和对象的关系、类的成员函数等基本内容可以采用翻转课堂的教学模式，类的成员函数、对象成员的引用、封装和信息隐藏等知识点内容有一定的学习难度应采取传统的课堂教学模式。

2.2 翻转课堂教学模型

翻转课堂是将网络教学与传统课堂结合起来的混合教学模式，将知识传授与内化过程在时间和空间上的逆转，翻转课堂教学模型如图1所示。

图1 翻转课堂教学模型

2.2.1 课 前

教师在课前针对每节课堂的知识点进行问题分解并准备相关学习资源。教学资源以微视频为主要内容，每个微视频只介绍一个知识点或者呈现一个案例，内容应当短小精悍。把这些资源分类上传至学校的计算思维培养教学网络平台上，教师围绕资源内容布置课前任务与在线测试题，来督促学生学习并掌握学习情况。学生在该平台上进行课前学习并完成在线测试，遇到问题可以通过网络教学平台及时与教师进行交流。

布置课前任务或问题的设计应遵循开放性、实用性和趣味性的原则，避免过于复杂繁琐、枯燥的任务，使学生在学习过程中保持较轻松愉悦的感觉，以便使任务在较短的时间内能够被顺利完成。

2.2.2 课 中

传统教学课堂与翻转课堂时间分配对比见表1。与传统教学课堂相比，翻转课堂有较充分的时间进行师生互动、交流，组织形式更加灵活，其课堂教学过程可由4部分组成：①关于教学视频内容的回顾，翻转课堂开始需要进行课前学习内容的回顾，并针对在线作业中集中存在的错误进行反馈和解疑，教师也可以让学生进行回顾和讲解；②重点、难点系统分析与讲解，针对本节课堂中的难点或重点内容进行系统地讲授或严格的推理证明；③分组讨论和个性化指导，对于课前布置的学习任务或部分课后拓展作业进行分组讨论，教师应当参与部分小组的讨论并完成个性化指导工作；④课堂讨论与总结，各个小组选派代表对小组内讨论的结果进行增量式发言在课堂内部进行交流，对出现的问题逐步形成统一的认识；教师对讨论过程中集中存在的问题进行总结，并对课堂的翻转效果进行评价。

2.2.3 课 后

为了更有效地利用课余时间并降低学生负担，课后学习按教学章节进行安排。每个教学单元完成后，通过课后视频对本章教学内容的总结，并对本章进行理论联系实际的应用举例与拓展。教师还可以布置一些拓展性的合作探究任务，学生可以根据自己的能力和兴趣选择性地完成。

3 翻转课堂关键因素

近年来，中国石油大学信息化基础设施日趋完善，课题组在计算思维能力培养中不断探索和实践积累了丰富的教学资料，高素质的教师和学生，都为翻转课堂的实施提供了有利的条件。在此背景下，实现教学课堂的有效翻转仍然需要解决好以下几个方面问题。

表1 计算思维培养中传统教学课堂与翻转课堂时间分配

3.1 教师角色的转变与教学方法改革

翻转课堂仍然离不开课堂，离不开师生面对面的交流，教师仍是教学过程的关键要素。在这种教学模式下，教师由科学知识的讲授者转变为教学活动的组织者、引导者和推动者。角色的转变对教师专业知识和综合能力都提出了更高的要求：在专业能力方面，要求教师不断完善自身知识体系并有足够的学术视野引导学生进行专业知识探索，能够灵活应对学生的各种专业问题；在课堂组织方面，有足够的能力掌控教学进度和调节课堂气氛，同时充分调动学生的学习兴趣和参与课堂互动，并协调学生之间的关系，对学生的表现进行评价，从而保障交互学习过程的顺利进行。

为了充分调动学生的积极性并达到更好的翻转效果，教学方法改革是必要的。在翻转课堂教学中，教师可以采用角色翻转策略，让学生承担部分知识点的讲解任务。问题化教学是一种有效的教学形式，即通过问题系统的设计引导学生进行深度反思，促进和帮助学生发展出自主学习、解决实际问题的计算思维能力。

总之，为了适应翻转课堂教学模式下的计算思维能力培养，“满堂灌”的传统课堂教学模式已经不再适用，只有在实践中不断探索新的教学方法才能使翻转/混合式课堂教学模式达到最佳效果。

3.2 学习方法改革与学习兴趣的激发

学生专业技能和创新能力的提升是教学效果评价的终极标准。在翻转课堂教学模式下，学生首先利用网络上教学资源进行自主学习完成基础知识的传授过程，然后通过翻转课堂参与教学讨论和教师答疑完成知识内化的过程。由此可以看出，学生不再是被动地接收知识，而是主动参与到教学过程中。然而，我国从基础教育阶段开始，学生适应大班化授课法的教学模式，传统的学习模式和观念使一部分学生很难适应翻转课堂的教学形式，教学实践中存在自学积极性不高和课堂讨论参与度低的情况。因此，如何激发学生的积极性和主动性，使其参与到教学活动中来，是翻转课程成败的关键因素。

教师需要激发学生的好奇心和兴趣，并引导学生逐步转变学习观念。学生也需要主动完成角色转变，积极进行自主学习和参加小组讨论，在课堂中逐步增加与教师讨论的频率和深度。任务驱动教学模式以构建主义学习理论为基础，强调学习过程围绕一个明确的任务展开，以探索问题来引导和维持学生的学习兴趣和动机，任务完成的过程就是自主构建知识体系的过程。任务驱动教学过程分为创建情景、确定任务、自主学习和成果评价4个阶段，是翻转课堂教学过程中可以采用的一种有效的教学手段。

3.3 重组教学结构

计算思维培养过程是一个循序渐进的系统过程，涉及多门课程，知识点多、难度跨度大。翻转课堂与传统教学模式有着根本的区别，知识传授和内化过程的颠倒必然带来教学结构的调整。明确翻转课堂的适用范围，对知识点进行分类并重组教学结构是开展翻转课堂教学实践的前提。

对于翻转的内容，不是哪门课程适合翻转教学，而是课程中的哪些知识点更适合翻转教学。翻转的教学内容需要学生通过观看视频等方式自学完成，因此，教学视频的内容应避免过于复杂、枯燥和冗长，应当有一定的趣味性并能够不断激发学生的学习兴趣。适合翻转教学的内容主要有需要重复讲解的内容、基本的事实和定律、已成定论的观点、基本的方法和规律、基本的演示和操作步骤等。适合采用传统的课堂教学的内容包括思辨性很强的内容、情感性很强的内容、生成性很强的内容，以及必须立足于现场的、有赖于灵感激发、教师风采展示的内容等。

3.4 课程与教学资源建设

教学资源是知识传授过程的载体，也是翻转课堂的基础。教学资源的制作或选择应该能够激发学生学习兴趣和有利于创新思维，并考虑各层次学生的基础和特点，从不同的难度、进度、时间和空间上来为学生的自主知识学习提供支持。教师可以针对教学内容中的各个知识点录制短视频，时间控制在10～15分钟，这样有利于学生明确学习目标并且集中精力学习，又可以利用碎片时间进行自主学习。教学资源也可以采用慕课、微课等形式的网络优质资源，以丰富教学内容和形式。目前，中国国家精品课程、大学公开课、网易公开课等优质课程资源已经形成相当规模并免费开放，其中针对计算机教育教学的内容更加的丰富。教师可以从中选择与教学内容相符的视频资源作为教学视频。教学资源的整理、收集和录制需要时间的积累，要从学校计算机教学定位和行业背景出发，逐步完善形成行业和专业特色。

4 实践教学与评价

通过近2年时间，课题组针对计算思维系列课程的程序设计、数据结构等中的部分教学内容进行了翻转课堂/混合教学模式设计。每学期末进行的课堂问卷调查表明，进行翻转课堂学习的学生满意度较高，学生参与度逐步提高，同时有效缓解了课时不足的问题。由于对教学内容涉及的知识点进行了预先分类，对于理论性比较强的内容依然采用传统的教学模式，而利用翻转课堂模式的教学内容多为学科背景知识、基本概念定义和实践性较强的内容，因此，教学过程中的大部分学生能够积极主动完成课前学习任务并参与课堂讨论。

教学过程存在2个主要问题：①课前自学阶段学生积极性不高。通过对在线学习平台的用户登录信息、停留时间、在线测试完成情况和访问量等数据的分析可以发现，部分学生存在课前学习投入不足，存在突击应付完成作业的情况；②课堂内化部分学生参与度低。通过课堂发言和讨论情况分析，一个60名学生的教学班中，能够“积极参与讨论并提出人想法”的学生比例为15%，“被动参与、叫到才发言”的学生比例为50%，另有部分学生很少参与或根本就不想发言。

5 结 语

计算思维教育本质上是一种创新教育，符合科技进步和时代发展的需求。将计算思维培养作为大学通识教育的一部分已经形成共识，但仍然存在许多深层次的理论性、教学方法和内容优化的问题需要解决[8-9]。

翻转课堂是对传统课堂教学结构与流程的彻底颠覆，这不仅仅给教师带了新的挑战和要求，更给学生带来了个性化发展机遇。结合我国计算机教育和信息化发展现状，引入、丰富和发展翻转课堂这一新的教学模式是提升大学计算思维培养教学质量的需要，也是教育转型和素质教育的需要。翻转课堂这一新兴的教学模式符合我国当前创新型人才培养的目标和趋势，是大学生计算思维能力培养的有效手段和方式。