计算机编程教育中的计算思维与教学策略研究

尹鸿峰 周子程 毛国兴

摘要：计算机编程教育的重要性日益凸显，要求我们必须致力于培养学生的计算思维能力。然而，计算机编程教育面临着诸多挑战，为应对这些挑战，教育者需积极采用创新的教学方法，同时，政策制定者须制订相关政策等。在计算思维教育的未来发展中，我们应着重关注终身学习和跨学科整合，以确保教育能够不断适应和满足社会的变化需求。

关键词：计算机；编程教育；计算思维；教学策略

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0172-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

计算思维在现代社会中变得至关重要。它不仅是计算机科学领域的核心，还在各个学科和行业中具有广泛的应用[1]。因此，计算机编程教育的重要性愈发凸显。本文将深入探讨计算思维的概念，分析计算机编程教育所面临的挑战，以及针对这些挑战提出有效的教学策略。我们将探讨基于问题解决的教学方法、游戏化教学和跨学科教育的应用，并阐述政策制定者在推动计算思维教育方面的作用。计算思维教育的目标不仅在于培养未来的程序员，更在于培养创新者、问题解决者和终身学习者，以应对日益复杂和多样化的挑战。

1 计算思维的概念

计算思维是一种关键的认知能力，它涉及运用计算机科学的思维方式来解决问题、分析信息和应对复杂任务。这种思维方式的应用范围广泛，不仅限于计算机领域，在多个领域中都展现出其重要性。计算思维是一种系统性的思考方式，其核心特征包括问题分解、模式识别、算法设计、抽象思维和计算机工具的使用。它能够有效培养学生的逻辑思维、创造性思维和解决问题的能力，使他们更好地适应现代社会中的各种挑战。

2 計算机编程教育的挑战

2.1 学生在计算机编程中的常见困难

计算机编程教育是一个引发广泛研究和关注的领域，因为许多学生在这一过程中面临着各种挑战和常见困难。这些困难可能会阻碍学生的学习进展和动力。首先，学生可能会面临抽象思维的挑战。计算机编程经常涉及处理抽象概念，如变量、函数、循环等，这些对初学者来说可能不太直观。其次，语法错误也是常见问题。计算机编程语言通常具有严格的语法规则，一个小小的语法错误就足以导致程序无法正常运行。学生常因拼写错误、括号未配对等简单的语法错误而感到挫败。逻辑错误也是一个难题，因为它们会导致程序虽然能够运行，但结果并不符合预期。解决逻辑错误通常需要深入的思考和细致的调试。问题解决能力在计算机编程中至关重要，但学生可能会在问题分析、算法设计和调试方面遇到瓶颈。某些编程概念，如递归、数据结构和算法，对初学者来说可能较为复杂。学生需要时间来逐步理解这些概念，并将它们应用于实际的编程任务中。此外，一些学生可能会因为连续的错误或难以理解的概念而丧失自信，这可能会削弱他们的学习动力。配置编程环境也可能是一个额外的挑战，因为学生可能需要安装开发工具并设置编程语言。时间管理也是一大问题，因为编程项目往往需要大量的时间和精力，学生在应对多个任务和期限时可能会感到难以抉择。最后，缺乏实践经验也是一个普遍存在的问题，因为计算机编程是一项技能，需要不断的练习和实践。

这些困难和挑战凸显了计算机编程教育的重要性。教育者需要提供必要的支持，鼓励学生积极解决问题，提供充足的练习和项目机会，并注重培养学生的持久力和自信心。解决这些困难需要耐心、坚持和灵活多样的教学方法，以确保学生能够克服挑战，掌握编程技能，并享受编程带来的乐趣和成就感[2]。

2.2 教育者面临的教学策略挑战

在计算机编程教育中，教育者面临着多方面的教学策略挑战，这些挑战需要得到认真应对，以确保学生能够有效地掌握编程知识和技能，同时激发他们的学习兴趣。首先，学生之间存在个体差异，包括背景知识、学习风格和能力水平的不同。因此，教育者需要设计灵活多样的教学策略，以满足不同学生的需求，并提供个性化的支持。其次，如何激发学生的兴趣是一个挑战，因为计算机编程可能对一些学生来说新奇有趣，但对其他学生可能缺乏吸引力。教育者需要探索多种方法来激发学生的兴趣，使他们愿意投入时间和精力来学习。选择适当的教材和学习资源同样至关重要，因为它们直接影响教学的成功与否。教育者需要根据学生的实际水平和教学目标，精心挑选合适的编程语言、工具和教材。项目设计也是编程教育中的一大挑战，教育者需要设计既具挑战性又不至于过于复杂的项目，以促进学生的学习和实践。此外，提供及时有效的反馈对于学生的学习至关重要。因此，教育者需要制定科学的评估方法，以了解学生的学习进展，并帮助他们改进编程技能。适宜的教学环境也是不可或缺的，包括配备完善的计算机实验室或虚拟学习环境。教育者需要确保学生能够方便地访问到必要的工具和资源。值得注意的是，计算机编程不仅局限于计算机科学领域，它在许多其他学科中也具有广泛的应用。因此，教育者需要思考如何将编程教育与其他学科整合，以提供跨学科的教育体验。鉴于技术和编程语言的发展速度日新月异，教育者需要不断更新课程内容，以保持教育的现实性和前瞻性，并适应新的教学工具和方法。培养问题解决能力是计算机编程的关键所在，教育者需要积极引导学生培养这种能力，包括教授调试技巧和解决复杂问题的方法。最后，编程领域需要更多的多样性和包容性。教育者应采取有效措施，确保编程教育能够吸引和支持来自不同背景的学生。

面对这些挑战，教育者可以采用创新的教学方法，如个性化教育、项目驱动的教学和互动学习，以提高学生的学习成果和满意度。同时，积极参与教育技术和教育研究也是不可或缺的，以便不断改进教学策略和教育环境，满足学生不断变化的需求。

3 教学策略研究

3.1 基于问题解决的教学方法

基于问题解决的教学方法在计算机编程教育中扮演着至关重要的角色，旨在培养学生的计算思维和问题解决能力。该方法的核心在于，让学生通过面对实际问题来学习编程，而不仅仅是学习语法和理论知识。首先，该教学方法的主要目标是教导学生如何运用计算思维和编程技能来解决复杂问题。它注重培养学生的创造性思维、逻辑思维和团队合作能力。其关键特征在于，它以学生为中心，以实际问题或项目为核心，鼓励学生编写程序来解决这些问题。这些问题可能源自现实生活、工程领域、科学研究或其他学科领域。在教学过程中，学生被鼓励自主探究问题，提出解决方案，并在实践中不断优化和完善。项目设计通常包括多层次的项目，从简单到复杂，逐步引导学生提升编程技能。学生编写的程序往往用于解决实际问题或执行具体任务，并会得到及时的反馈，以帮助他们改进解决方案。此外，在一些项目中，学生被鼓励进行合作，共同解决问题，这有助于培养他们的团队合作和沟通技能。这种教学方法将学习与实际问题解决紧密结合，使学生能够更好地理解和应用编程概念。学生在解决问题的过程中，不仅能够提升创造性思维、逻辑思维和决策制定能力，还能增强学习动力，因为他们能够看到自己的工作对解决现实问题具有实际价值[3]。然而，基于问题解决的教学方法也面临一些挑战。一些学生在开始时可能会感到困惑，特别是在需要自主解决问题时。因此，教育者需要提供适当的指导和支持，确保项目设计难度适中，既不让学生感到沮丧，也不让他们觉得过于轻松。同时，教育者需要耐心对待学生的错误和挫折，鼓励他们从失败中学习，不断进步。

3.2 游戏化教学在计算思维培养中的应用

游戏化教学是一种教学策略，它将游戏设计和元素融入教育过程中，尤其在计算思维培养方面发挥着重要作用。通过将学习与游戏的趣味性和挑战性相结合，游戏化教学旨在激发学生的学习兴趣、提升他们的参与度，并有效促进计算思维的培养。首先，游戏化教学的主要目标是通过游戏元素和互动性来培养学生的计算思维能力，涵盖问题解决、算法设计、模式识别和抽象思维等关键方面。其关键特征包括引入游戲化元素，如竞争、奖励、成就和排名，这些元素能够激发学生的竞争意识和积极性。学生需要完成一系列的任务和挑战，这些任务要求他们运用计算思维来解决问题，难度逐渐递增。同时，游戏化教学通常提供实时反馈，帮助学生了解自身表现及改进方向。此外，角色扮演也是游戏化教学的一大特点，学生可以在虚拟环境中扮演不同的角色，与故事情节相结合，增加学习的趣味性和沉浸感。合作和社交互动也是游戏化教学的组成部分，它鼓励学生们在团队中共同解决问题，提升沟通和合作技能。游戏化教学具有多重优势，如能够激发学生的学习兴趣和动力，积累实际问题解决的经验，强调反馈与改进，培养自主学习能力，以及实现学习与娱乐的完美结合。然而，也需要注意到一些挑战和注意事项，如游戏化元素的精心设计、与课程内容的一致性、评估方式的明确等，以确保游戏化教学的有效实施。

3.3 跨学科教育与计算思维的整合

跨学科教育与计算思维的整合是一种教学策略，旨在将计算思维的原则和技能与其他学科领域相结合，以促进学生在不同学科中的应用与创新。该教学方法的教学目标包括将计算思维应用于多学科领域，培养学生的问题解决和创新能力，以及促进综合性思考。首先，这一整合方法旨在将计算思维原则和编程技能应用于不同学科领域，如科学、工程、医学、艺术和社会科学。同时，它还着重于培养学生的问题解决、创新和协作能力，以应对跨学科问题，并促进学生进行综合性思考，帮助他们理解不同领域间的相互关系。其关键特征在于跨学科项目的设计，要求学生运用计算思维解决涉及多个学科领域的复杂问题。学生将计算思维应用于实际问题解决，如模拟科学实验、设计工程系统、分析医学数据或创作数字艺术[4]。此外，合作学习也常被采用，以促进跨学科合作与交流，提高学生的团队合作能力。教育者和导师来自不同学科领域，为学生提供指导和支持。学生被鼓励反思他们的跨学科学习经验，并评估项目成果，以了解自身成长和改进点。跨学科教育与计算思维整合的优势在于打破学科壁垒，促进综合性思考和学科交叉，培养实际应用能力，提高沟通和协作技能，以及激发学生的创新和创造性思维。然而，也需注意协调不同学科领域的知识和教学方法，以及应对学生适应复杂性和资源支持等方面的挑战。

4 教育政策对计算思维教育的影响

政府和教育机构的政策和指导原则对于推动计算思维教育的普及和提升至关重要。首先，教育政策应制定与计算思维相关的课程要求和标准，确保计算思维教育全面融入学校教育体系，覆盖从幼儿园到高中的各个学段。此外，政策制定者需提供资金和资源，以支持教育机构开发和采用计算思维教材，包括教材、软件工具、培训资源和硬件设备。同时，政策应推动计算思维教育的师资培训计划，确保教育者具备传授计算思维概念和编程技能的必要知识和技能。政策制定者还应设计评估工具和标准化测试，以准确测量学生的计算思维水平，进而监测计算思维教育的效果，并提供反馈以改进教学。同时，政策应强调计算思维教育的公平和包容性，确保不论学生背景如何，都能平等获得教育机会。政府应鼓励与科技行业和其他组织的合作，以促进计算思维教育的发展，包括提供实习机会、导师支持和行业合作项目[5]。此外，政策应提供资金和支持，以鼓励研究和创新，不断改进计算思维教育的方法和资源。未来的教育政策可能更加强调终身学习，鼓励人们在不同生活阶段持续发展计算思维和技能，以适应不断变化的技术和职业需求。政策制定者还可能推动计算思维与其他学科的整合，使其成为跨学科教育的重要组成部分，以更好地满足现实世界的多领域需求。同时，政策支持创新教育模型，如在线学习、混合式学习和个性化学习，以提供更灵活、个性化的计算思维教育。随着技术的全球化，未来的政策应鼓励国际合作，共同推进计算思维教育的国际标准和最佳实践。

5 结束语

计算思维的培养是现代教育的重要任务之一。随着技术的不断进步，计算机编程教育不仅旨在满足科技行业的需求，更在于培养学生的创造性思维、逻辑思维和问题解决能力。然而，教育者面临着诸多挑战，包括学生遇到的困难以及教学策略的选择。创新的教学方法，如基于问题解决的教学和游戏化教学，为激发学生的学习兴趣和提升学习成果提供了新途径。同时，政策制定者在制定教育政策时也应重点关注计算思维的培养，以确保学生能够适应未来的挑战。计算思维教育的未来需要更多合作与创新，以培育具备综合性思考和解决问题能力的学生，为构建更加智慧和创新的社会做出贡献。

参考文献：

[1] 李泽龙，于瀚翔，张鑫鹏，等.浅谈线上教学背景下针对计算机编程入门学习者的教育[J].中国新通信，2022，24（12）：99-101.

[2] 莫健樱，冯泰民.国内计算思维研究的现状与热点——基于CNKI的知识图谱分析[J].广州广播电视大学学报，2021，21（6）：7-11，30，107.

[3] 张会庆，陈华，马璿.数据驱动的编程教育脚手架教学模式探究[J].教学研究，2021，44（5）：66-74，80.

[4] 王佑镁，宛平，南希烜，等.实体编程促进计算思维发展：工具与策略[J].中国电化教育，2021（8）：92-98.

[5] 张进宝.计算思维教育：概念演变与面临的挑战[J].现代远程教育研究，2019，31（6）：89-101.

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