高阶思维导向的程序设计语言教学设计与实践＊

刘 海，潘 明，于心怡

(华南师范大学计算机学院，广东 广州 510631)

0 引言

AI 技术和大数据技术应用，程序设计语言如C++，Python[1]作为通识课程或者专业基础课程正逐渐走进大学课堂。如何在程序设计语言课堂教学过程中，体现一流专业建设与一流课程建设对程序思维与计算思维的要求，教师需要面向未来，对教学模式与教学评价进行一系列调整和变革，实现程序设计语言教学由传统计算思维阶段向能力、向素养阶段推进，激发创新意识，提升学生问题解决能力，实现个性化的学习目标。

1 高阶思维与学习能力培养

新版布鲁姆教学目标分类中表现为分析、评价和创造的认知能力，强调高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智能力或认知活动[2]。批判性思维、问题解决能力、创新与创造能力等是学习者学习能力的关键技能与关键评价指标。2018 年，教育部首次提出创建具有高阶性、创新性和挑战度的金课标准。高阶性是指知识、能力与素质的有机融合。得到了广泛的关注与持续研究，钟志贤[3]通过学习维度、元认知和高水平的理解，为深度思维和理解而教三个关键环节设计了融合学习者的高阶思维能力的教学设计框架。李海峰[4]等提出面向高阶思维能力培养的数字孪生智慧教学模型，将数字孪生智慧教学模型与翻转学习模式进行整合，开发问题解决支架、动态概念图谱和多元批判评价教学策略，聚焦复杂问题解决以及适切的学习活动设计。宋宇[5]等在学习分析视角下，从高阶思维的课堂互动的理论模型、研究场景、技术手段、评测角度四个方面寻求突破,以增强课堂教学的有效性,促进深度学习的发生。李美林[6]通过智慧课堂的应用，充分运用网络技术融合线下课堂与线上课堂，形成混合式教学模式，促进学习评价多元化等，培养学生的高阶思维能力。范群林[7]等结合赋能理论，解释课程思政学习与育人价值实现的关系与作用；刘合兵等[8]从程序设计课程群的特点与教学课程存在的问题出发，以赋能教育理仿探索基于能力培养的赋能教育生态体系，对程序设计课程群的建设具有指导参考与借鉴意义。

2 高阶思维导向的程序语言学习框架设计原则

2.1 以学生为中心原则

程序语言学习以学生为中心，通过个性化学习，基于不同学生现实能力和兴趣目标，可以允许学生在不同时间，以不同方式完成针对性探究性学习任务，最终实现程序思维与计算思维提升。鼓励学生提出问题，寻求答案以提升学生的比较能力与创新能力，使学生真正成为学习的主人，教师作为资源与指导存在于学习过程。

2.2 产出目标导向，持续改进的原则

程序设计课程目标是培养学生运用程序赋能从事专业服务能力与品格，在课程内容设计、教学模式设计、教学评价分析、教学平台运用上使用分析、比较和综合等高阶思维导向，支持程序语言学习的持续改进过程。

2.3 应用性与价值性原则

程序设计应用性是语言类课程的基本特征。课程以4R 理念为驱动，通过真实问题(Real Problem)、真实数据（Real Data）、真正解决(Real Solution)、真正价值(Real Value)的原则，实现可持续更新、迭代优化的教学模式，课内课外贯通，学习与研究融合，知识与能力并重；强调语言工具的实际应用，程序方法的综合实现，以此突出程序设计课程的价值。

3 高阶思维导向的程序语言学习路径

3.1 高阶思维导向的程序设计语言学习框架设计

程序语言教学需要提升学生程序设计能力与程序开发需要的素养品格。结合新工科理念和产教融合课程建设思路，对标一流课程建设要求，从知识层面需要掌握利用程序设计语言进行数据抽象与算法抽象的基本方法，使学生具备计算思维与程序思；从能力层面需要让学生能够针对中、小型问题，使用自顶向下、逐步求精、模块化等程序设计方法进行分析与求解，具备程序赋能能力；能够选择恰当的计算机程序设计环境和工具，对特定专业方向业务处理问题进行模拟与实现，并能够迭代优化与持续改进；从价值塑造层面需要能够在计算思维与程序设计思维训练中既实现知识增长与能力提升，又养成求真探索的精神品格与追求完美的精神力量。

应用高阶思维能力培养导向，课程需要通过发现问题（计算思维）、解决问题（程序思维）、总结问题（价值思维）三个维度来构建学习空间。发现问题是指，程序语言课程首先从个人、集体与社会三个维度抽象现实场境，如运动与健康、学习与生活、社会与人生、美丽中国等方面的具体案例，启迪学生用高阶思维激发抽象能力，将具体场境映射到计算空间，设计教学需要的微型案例、应用任务与挑战项目；解决问题是指，通过程序语言语法应用、组件分析比较、算法综合与创新等方法，使用程序设计语言将案例、任务与项目等组织成为程序空间的代码、组件与模块。总结问题是指，空间学习者在教师引导下运用高阶思维发现程序空间中的现实价值意义，从职业技能与职业素养、专业赋能与热爱生活、关心国家与全面发展等建立价值理念，以提升知识应用价值，实现程序赋能未来（如图1）。

图1 高阶思维导向的程序设计课程学习框架设计

3.2 高阶思维导向的程序设计语言5E导学模式设计

5E 导学模式强调学习过程，突出知识应用与创新实践，驱动学生主动学习和探究价值，因而得到广泛关注和使用。5E 教学模式包括五个具体的导学环节，参与(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、拓展(Elaboration)、评价(Evaluation)；5E导学模式能够在学习的每个阶段激发学生使用高阶思维进行深度学习，有利于程序设计语言知识体系建构以及利用程序设计语言进行问题解决与创新。高阶思维导向的程序设计语言5E导学模式设计如表1所示。

表1 高阶思维导向的程序设计导学模式

4 高阶思维导向的Python程序语言教学设计

4.1 Python语言程序设计教学目标

Python语言程序设计课程目标是培养学生计算思维与程序思维，通过Python 语言建立现实世界与信息世界的联系；基于OBE 理论，通过基础应用、项目提升、创新拓展分层次引导学生利用程序设计技术解决复杂工程问题，从而掌握对开源工具与Python 生态环境的应用。通过个人、国家和社会场境案例，带领学生进行思维锤炼与价值塑造；通过任务翻转、小组活动，让学生在程序设计过程中学会协作与创新，在任务迭代中感受程序世界与现实世界之美。

4.2 Python语言程序设计教学内容

Python语言程序设计以数据描述、数据组织、数据操作等语法为课程内涵，以Python 生态构建为课程外延，主要包括Python 基础应用语法、Python 应用生态模块、Python高级应用三个模块层次(如图2)。

图2 Python语言程序设计教学内容组织

课程基于华南师范大学的砺儒云平台SPOC 资源平台[10]和PTA在线测试平台[11]，通过基础、应用与项目挑战进行分级分类的课程内容组织，通过自身平台建设拓展针对于高阶思维能力培养的应用场景、应用案例与挑战任务，形成课程的高阶内容与课程特色，有利于深度学习与高阶思维能力培养，增强学生解决问题的能力和职业素养。

4.3 Python语言程序设计教学资源

课程教学目前使用学校砺儒云和学者网构建SPOC 资源平台，资源内容包括单元导学、微课视频、学习活动、自我评价、学习资源、项目式提升、拓展材料等主要版块；实践平台引入新工科理念与华为智能基座课程结合，使用华为云devCloud(如图3)构建应用实践与创新实践资源，让学生尽早接触企业新工具，并在工具使用中扩大视野，养成比较与选择的高阶思维能力。

图3 基于devCloud课程项目实践平台

4.4 Python语言程序设计课程思政设计

根据立德树人的课程目标与课程内容，挖掘课程知识体系的着力点，教学案例思政的契合点，构建课程思政案例体系(图4)，通过案例引导价值传递，利用5E 导学模式中的高阶思维能力培养，培养学生职业态度、职业素养与品格，增强学生观察世界，思考问题的角度与能力。

图4 课程思政案例建构与目标

4.5 Python语言程序设计课程教学效果

4.5.1 学习过程数据分析

我们使用两个班进行《Python语言程序设计》课程教学对照实验，每班各50 人，A 班使用传统线上线下混合教学模式，B 班基于高阶思维导向的线上线下混合教学模式。学习过程数据包括微视频点击平均数、课后测完成度、课后测平均分、应用任务平均得分、挑战任务平均得分，图5 可以看出各班采用混合式教学模式在微视频平均点击数次、课后测完成程度、课后测平均得分方面表现良好，但在应用任务、挑战任务上，使用高阶思维导向教学模式比传统混合式教学模式过程表现更加出色，原因在于使用高阶思维导学激发了学生学习兴趣，教学过程与教学模式也有利于学生知识建构与应用。

图5 学习过程数据分析情况

4.5.2 学习结果评价数据

我们使用2020-2022 年度的教学数据，从课程目标达成上对比发现，使用传统线上线混合教学模式学生在基础知识掌握程度上总体持平，但对问题解决的应用能力目标平均分提高近20分，对复杂问题的实践创新能力平均提升近10分，体现采用高阶思维导向的程序设计语言教学可以较好提升学生对复杂问题的挑战能力。

图6 Python语言程序设计学习目标达成情况

5 结束语

通过高阶思维导向进行程序设计语言课程设计，采用线上线下混合教学模式，利用5E导学模式组织教学过程，从个人、国家、社会三个维度实施课堂思政。课程教学实践表明高阶思维导学的程序语言教学能够促进教学目标达成，提升学生应用高阶思维解决具体问题的能力。未来将使用课程学习数据，进行深层次知识追踪，提供更加个性化的程序语言学习导学。