李春翔
【摘 要】計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)的主要任務(wù)是計(jì)算思維培養(yǎng),教師需要了解學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的形成機(jī)制。本文借鑒建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、結(jié)合課程教學(xué)中的情境創(chuàng)設(shè)實(shí)例,介紹計(jì)算思維培養(yǎng)中的一些思路和方法,對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教師學(xué)科教學(xué)知識(shí)(PCK)的建構(gòu)具有有一定借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】情境創(chuàng)設(shè);建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論;計(jì)算思維;PCK;大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課
中圖分類號(hào): G633.67文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 2095-2457(2019)20-0120-003
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.055
0 引言
2006年,美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授首先提出計(jì)算思維的概念,將計(jì)算思維定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及理解人類行為等的一系列思維活動(dòng)。[1]2010年7月,中國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在西安會(huì)議上發(fā)表了《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》,確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革。[2]
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)模式中存在許多痼疾或局限,造成部分學(xué)生覺(jué)得課程枯燥從而厭學(xué),影響了教學(xué)效果。如何改變這種現(xiàn)狀?有個(gè)事例也許可以帶給我們一些啟發(fā)。1999年,印度NIIT研究所的米特拉博士做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),在研究所大樓的隔離墻上開了一個(gè)洞,放上了一臺(tái)連接了互聯(lián)網(wǎng)的高速電腦。與大樓一墻之隔的地方就是一處貧民窟,很快,這臺(tái)“奇怪”機(jī)器吸引了孩子們的注意,孩子們高興地爭(zhēng)相去按電腦上的箭頭,有的孩子還不停地問(wèn)各種問(wèn)題。一天下來(lái),米特拉博士吃驚地發(fā)現(xiàn)不少孩子已能熟練地打開文件、搜索網(wǎng)頁(yè),使用微軟畫圖程序來(lái)作畫,幾乎是無(wú)師自通。據(jù)米特拉的了解,這些孩子大多數(shù)不識(shí)字,沒(méi)有一個(gè)孩子會(huì)英語(yǔ),甚至根本不知計(jì)算機(jī)為何物。好奇心和主動(dòng)性創(chuàng)造了學(xué)習(xí)奇跡?!昂髞?lái),“墻中洞”實(shí)驗(yàn)從鄉(xiāng)村和貧民窟地區(qū)延伸并應(yīng)用到城市社區(qū)和學(xué)校,最終形成了沒(méi)有成年人介入的自組織學(xué)習(xí)環(huán)境,2013年,Sugata Mitra教授及其團(tuán)隊(duì)又大膽提出將全球的孩子們聯(lián)結(jié)起來(lái),建立全球“云學(xué)院”。[3]
“墻洞電腦”的意義是:在合適的情境下,學(xué)習(xí)者能夠更高效學(xué)會(huì)他們想要學(xué)習(xí)的東西。在國(guó)內(nèi)外教育研究者新的教學(xué)理論中,情境知識(shí)已成為一種能提供有意義學(xué)習(xí)并促進(jìn)知識(shí)向真實(shí)生活情境轉(zhuǎn)化的重要理念。隨著對(duì)人的學(xué)習(xí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深入,基于情境認(rèn)知和情境學(xué)習(xí)的理論研究和實(shí)踐模式正越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。
1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的情境原則
建構(gòu)主義是當(dāng)代學(xué)習(xí)理論的新發(fā)展,建構(gòu)主義認(rèn)為,知識(shí)的獲得是建構(gòu)的,而不是接受傳輸而來(lái)的。建構(gòu)知識(shí)是人類的天性,人們總是用建構(gòu)的方式(即運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn))去認(rèn)識(shí)和理解他們所處的現(xiàn)實(shí)世界。人們是從經(jīng)驗(yàn)的各種現(xiàn)象(如各種事件、活動(dòng)和過(guò)程等)中學(xué)習(xí)的, 從中,人們運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)去解釋經(jīng)驗(yàn)和作出推論,并對(duì)解釋和推論的過(guò)程進(jìn)行反思。[4]
學(xué)習(xí)總是與一定的社會(huì)文化背景即“情境”相聯(lián)系的,在實(shí)際情境下進(jìn)行學(xué)習(xí),可以使學(xué)習(xí)者能利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)去同化和索引當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識(shí),從而賦予新知識(shí)以某種意義。建構(gòu)主義注重基于情境的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)的環(huán)境條件,如客體、人、符號(hào)以及它們之間的相互關(guān)系,對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響至關(guān)重要。[4]
建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為,情境、協(xié)作、會(huì)話和意義建構(gòu)是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素或四大屬性。學(xué)習(xí)環(huán)境中的情境必須有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的意義建構(gòu)。這就對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)提出了新的要求,在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下,教學(xué)設(shè)計(jì)不僅要考慮教學(xué)目標(biāo)分析,還要考慮有利于學(xué)生建構(gòu)意義的情境的創(chuàng)設(shè)問(wèn)題,并把情境創(chuàng)設(shè)看作是教學(xué)設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容之一。
在傳統(tǒng)的課堂講授中,由于不能提供實(shí)際情境所具有的生動(dòng)性、豐富性,因而將使學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)發(fā)生困難。建構(gòu)主義的教學(xué)觀強(qiáng)調(diào)利用情境原則,設(shè)計(jì)隱性知識(shí)的支持環(huán)境,使學(xué)習(xí)者潛移默化領(lǐng)悟所需要的知識(shí),通過(guò)合法的邊緣參與,讓隱含在人的行動(dòng)模式和事件處理情況中的隱性知識(shí),在與人或情境互動(dòng)的過(guò)程中發(fā)揮作用,并隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)而擴(kuò)展隱性知識(shí)的復(fù)雜性和實(shí)際效用。[5]因此,基于建構(gòu)主義理論的教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),是使學(xué)習(xí)者在情境中獲得理解,目前,支持學(xué)習(xí)者在有意義情境中學(xué)習(xí)的教學(xué)模式有拋錨式教學(xué)、認(rèn)知學(xué)徒制、情境認(rèn)知、問(wèn)題求解等等。在這些教學(xué)模式下,學(xué)生是情境學(xué)習(xí)者,通過(guò)案例、問(wèn)題、視頻構(gòu)建的情境圖式,解決有意義或復(fù)雜的問(wèn)題,完成擬真的學(xué)習(xí)任務(wù)。在教學(xué)過(guò)程中,教師最重要的角色是支架,在學(xué)生完成任務(wù)的過(guò)程中,教師提供概念支持、元知識(shí)支持、策略支持,幫助學(xué)習(xí)者順利完成真實(shí)的學(xué)習(xí)任務(wù)。
2 情境知識(shí)是信息學(xué)科PCK的重要構(gòu)成
缺乏經(jīng)驗(yàn)的教師會(huì)重視所掌握的學(xué)科知識(shí)和一般教育學(xué)知識(shí),而不注重二者的結(jié)合;從而使教師難以將學(xué)科知識(shí)有效地表達(dá)為學(xué)生能懂的知識(shí)。我們經(jīng)??梢钥吹揭恍┚幊棠芰Ψ浅?qiáng)的老師,在程序設(shè)計(jì)課程講授中,學(xué)生普遍反映聽(tīng)不懂,達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。
20世紀(jì)80年代,舒爾曼(Shulman,L.S.)對(duì)教師知識(shí)進(jìn)行了分類,并提出了學(xué)科教學(xué)知識(shí)(Pedagogical Content Knowledge,簡(jiǎn)稱PCK)的概念,揭示了教師知識(shí)中最有意義的知識(shí),引發(fā)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)教師知識(shí)的深入研究,并因此促進(jìn)了PCK理論的完善與發(fā)展。[6]
學(xué)科教學(xué)知識(shí)(Pedagogical Content Knowledge),指與特定內(nèi)容相關(guān)的教學(xué)知識(shí),是學(xué)科內(nèi)容知識(shí)以及一般教學(xué)法知識(shí)的融合。[6]
PCK的核心內(nèi)涵在于知識(shí)的轉(zhuǎn)化,即作為一個(gè)過(guò)程如何將學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)換成課堂教學(xué)事件。舒爾曼(Shulman,L.S.)提出:“PCK是學(xué)科知識(shí)、教學(xué)知識(shí)和情境知識(shí)形成的不易分解的化合物而非混合物,重在融合(blend)而非加總,是獨(dú)立存在的新知識(shí)。教師將學(xué)科知識(shí)結(jié)合學(xué)科定位理解,重組后轉(zhuǎn)化到課堂教學(xué)事件中使學(xué)生對(duì)其更好地理解。[7]
對(duì)任何學(xué)科教師而言,如何將學(xué)科知識(shí)、教學(xué)知識(shí)和情境知識(shí)更好地結(jié)合來(lái)進(jìn)行良好的課堂情境創(chuàng)設(shè),將很大程度影響課程的教學(xué)效果。信息學(xué)科相對(duì)數(shù)學(xué)、物理等傳統(tǒng)學(xué)科,發(fā)展的歷史并不長(zhǎng),教師PCK的積累也相對(duì)薄弱;在計(jì)算思維培養(yǎng)中,教師應(yīng)該借鑒新的學(xué)習(xí)和教學(xué)理論,豐富和提升自身的PCK。如上節(jié)所述,建構(gòu)主義的一個(gè)重要原則是在情境中學(xué)習(xí),因此,情境創(chuàng)設(shè)能力和技巧是信息學(xué)科的教師PCK中很重要的構(gòu)成部分,在教學(xué)實(shí)踐中要引起充分的重視。
3 計(jì)算思維培養(yǎng)中的情境創(chuàng)設(shè)
計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教師大多是計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科高學(xué)歷人才,有一些還是從IT企業(yè)轉(zhuǎn)入高校,應(yīng)該都具備較強(qiáng)的計(jì)算思維能力。另一方面,從上世紀(jì)80年代以來(lái),隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備等已經(jīng)覆蓋了社會(huì)生活的方方面面,而大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)也從概念階段逐漸進(jìn)入普通人的生活。現(xiàn)在的大學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的熟悉程度,已不能與印度“墻洞電腦”故事中的平民窟兒童同日而語(yǔ)。
可見(jiàn),對(duì)于大學(xué)課堂的師生而言,都具有不同程度的計(jì)算思維能力。龔沛曾教授認(rèn)為:“計(jì)算思維并不是一種新的發(fā)明,而是早已存在的思維活動(dòng),是每一個(gè)人都具有的一種技能。在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中,計(jì)算思維的案例也是處處存在。問(wèn)題是人們的計(jì)算思維活動(dòng)是無(wú)意識(shí)的,關(guān)鍵是要將無(wú)意識(shí)的計(jì)算思維變成有意識(shí)的計(jì)算思維,主動(dòng)地用計(jì)算思維去解決問(wèn)題,應(yīng)用在各自的專業(yè)中”。[8]
為了更有效實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng),目前很多大學(xué)都開展了相關(guān)的教學(xué)模式改革,如翻轉(zhuǎn)課堂、CDIO、MOOC,SPOC等等。在此趨勢(shì)下,作為教師個(gè)體,應(yīng)該有意識(shí)地吸收新的教學(xué)理念思想,參照新的教學(xué)模式來(lái)組織多樣化的教學(xué),如在課堂講授之外,結(jié)合“例中學(xué)”、“探中學(xué)”、“做中學(xué)”、“評(píng)中學(xué)”等等;而課堂中好的情境創(chuàng)設(shè),對(duì)學(xué)生具有無(wú)意識(shí)的調(diào)節(jié)作用,能使學(xué)生的思維、情感、有意識(shí)和無(wú)意識(shí)能夠處于更佳狀態(tài),對(duì)計(jì)算思維的形成與內(nèi)化具有良好的促進(jìn)作用。
隨著計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的改革,許多大學(xué)都采用了“1+X”模式的課程設(shè)置,針對(duì)不同專業(yè)的學(xué)習(xí)設(shè)置不同的可選課程;主要包括程序設(shè)計(jì)類、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)類、多媒體技術(shù)類、統(tǒng)計(jì)分析軟件應(yīng)用類等。筆者從相關(guān)的課程教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出了一些情境創(chuàng)設(shè)的方法和經(jīng)驗(yàn)。
3.1 程序設(shè)計(jì)類
程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言特別是C語(yǔ)言,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中相對(duì)接近底層;在程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中,適合對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可計(jì)算性、迭代、遞歸等計(jì)算思維內(nèi)涵的培養(yǎng)。由于課程內(nèi)容比較抽象,應(yīng)盡可能創(chuàng)建真實(shí)性、生活化的情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入狀態(tài)。
教學(xué)示例:交換變量A與B的值。這一階段學(xué)生剛接觸變量的概念,應(yīng)該在編程實(shí)例教學(xué)中強(qiáng)化學(xué)生對(duì)變量的本質(zhì)是計(jì)算機(jī)內(nèi)存單元的理解,使概念具象化。
情境創(chuàng)設(shè):交換礦泉水和可樂(lè),使用眼前的道具。
教師:我有一瓶礦泉水,而你(某學(xué)生)有一瓶可樂(lè)(或其他飲料),我們換著喝好嗎?
學(xué)生:(遞上飲料)給!
教師:嘴接觸了瓶口,不太衛(wèi)生,能否只換瓶里的水?
學(xué)生:那還要一個(gè)杯子才行。
此時(shí),可引導(dǎo)進(jìn)入算法關(guān)鍵:需要另一個(gè)變量C才能交換變量A和B的值,并以瓶與水來(lái)比喻變量名和變量值,加深理解。
教學(xué)示例:整數(shù)排序。
情境創(chuàng)設(shè):教師帶上5個(gè)大小不一的核桃,請(qǐng)一位學(xué)生來(lái)按從大到小排成一列。
學(xué)生一般會(huì)在另外的位置來(lái)完成核桃排序,這時(shí)可進(jìn)行插入法的算法介紹。然后可做一些位置的限定,引導(dǎo)進(jìn)入選擇法和冒泡法的介紹。
不容易創(chuàng)設(shè)生活化情境時(shí),可以使用問(wèn)題類的情境來(lái)引入,用學(xué)生中小學(xué)接觸過(guò)的一些算術(shù)或邏輯推理題目來(lái)創(chuàng)設(shè)情境。如介紹嵌套循環(huán)時(shí),可用“百馬百擔(dān)”或邏輯推理題等來(lái)引入,使學(xué)生在數(shù)學(xué)思維、邏輯思維外,更多接觸“窮舉法”這種更符合計(jì)算思維的解題方法。
程序設(shè)計(jì)類課程的缺點(diǎn)是難以創(chuàng)設(shè)綜合性任務(wù)情境,如設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng);對(duì)建構(gòu)學(xué)生計(jì)算思維的總體性略為不利。
3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)類
數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)類課程主要培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)抽象和建模的思想,即如何將現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題映射到計(jì)算機(jī)世界。此類課程最適合設(shè)計(jì)擬真類、任務(wù)式情境,教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)較復(fù)雜、情境化的問(wèn)題空間,引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)入問(wèn)題探究,建構(gòu)知識(shí)。
情境創(chuàng)設(shè)示例:設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的銀行ATM機(jī)。
類似的情境也可以是教學(xué)管理系統(tǒng)、圖書館管理系統(tǒng)等學(xué)生能直接進(jìn)行客戶端操作的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)。
在教學(xué)過(guò)程中,可以借鑒按建構(gòu)主義理論中“認(rèn)知學(xué)徒制”教學(xué)模式,將教師在形成計(jì)算思維和在解決復(fù)雜現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中抽象和建模的思維過(guò)程顯性化,讓學(xué)生可以進(jìn)行觀察、模擬和實(shí)踐。在任務(wù)完成過(guò)程中,可以將學(xué)生進(jìn)行分組,便于合作與討論,而教師則以師傅或指導(dǎo)者的角色來(lái)參與,進(jìn)行演示、示范,并進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)和策略的傳授。
3.3 數(shù)據(jù)分析軟件與多媒體技術(shù)類
與程序設(shè)計(jì)類等課程不同的是,這類課程的內(nèi)容離計(jì)算機(jī)內(nèi)核更遠(yuǎn),因此教條化地生搬硬套周教授的定義來(lái)進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練并不十分合適。
筆者認(rèn)為,這類課程的重點(diǎn)在于使學(xué)生領(lǐng)悟到,計(jì)算機(jī)作為工具使用,所帶來(lái)的思維方式和行為模式的改變。人類發(fā)展歷史上工具使用改變思維方式的例子比比皆是,“人猿相揖別,只幾個(gè)石頭磨過(guò)”,人類文明史就是發(fā)軔于石器工具的使用,從前碰到猛獸,人類的思維方式是怎么逃跑;而隨著石器-弓箭-獵槍的武器進(jìn)化,人遇到猛獸的思維方式轉(zhuǎn)變成了怎樣捕獵。近幾十年信息技術(shù)的飛速發(fā)展,其實(shí)已經(jīng)對(duì)人類社會(huì)生活中各種思維方式產(chǎn)生了許多改變,如互聯(lián)網(wǎng)對(duì)溝通方式的改變,如“墻洞電腦”例子中,孩子們對(duì)獲取信息方式的新認(rèn)知。
信息技術(shù)的發(fā)展還對(duì)其他學(xué)科產(chǎn)生了巨大的影響,“我們已見(jiàn)證了計(jì)算思維在其他學(xué)科中的影響。例如,機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)改變了統(tǒng)計(jì)學(xué)。就數(shù)學(xué)尺度和維數(shù)而言,統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)用于各類問(wèn)題的規(guī)模僅在幾年前還是不可想象的”。[1]
數(shù)據(jù)分析軟件如SPSS的教學(xué),必然要用到統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理和推斷方法,而在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中,調(diào)查問(wèn)卷的設(shè)計(jì),也需要社會(huì)學(xué)知識(shí)的運(yùn)用,因此課程應(yīng)該與其他學(xué)科融合來(lái)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。按照建構(gòu)主義理論中“拋錨式教學(xué)模式”,通過(guò)真實(shí)的任務(wù)來(lái)提供較復(fù)雜的情境,并由學(xué)生根據(jù)自己身邊的環(huán)境來(lái)提出問(wèn)題,如“大學(xué)新生環(huán)境適應(yīng)程度研究”等等,這樣的問(wèn)題可以提高的學(xué)生的主動(dòng)性,以更高的熱情來(lái)學(xué)習(xí)問(wèn)題研究中要用到分析方法和軟件過(guò)程。在問(wèn)題研究過(guò)程中,教師要引導(dǎo)和強(qiáng)調(diào)學(xué)生思維模式的轉(zhuǎn)變,即數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,不只是專家的事;在粗通相關(guān)原理的基礎(chǔ)上,各種專業(yè)背景的人都可以使用計(jì)算機(jī)軟件處理和分析數(shù)據(jù),來(lái)進(jìn)行自己所屬學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)證研究。
多媒體技術(shù)類課程的教學(xué),同樣應(yīng)該以任務(wù)式情境來(lái)引入,如使用PHOTOSHOP來(lái)繪圖和進(jìn)行圖形編輯、使用FLASH制作動(dòng)畫等。應(yīng)強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)圖形處理軟件的掌握,將更多的教學(xué)時(shí)間安排在工具演示、示范以及學(xué)生制作應(yīng)用實(shí)例的指導(dǎo),相應(yīng)減少計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的概念性、原理性的課堂講授。
4 結(jié)束語(yǔ)
近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外教育研究者提出了很多新的學(xué)習(xí)理論,建構(gòu)主義即是其中有代表性的一種。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)在情境中學(xué)習(xí)的原則。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教師在計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程中可以借鑒建構(gòu)主義的情境原則,創(chuàng)建各種有意義的情境,來(lái)引導(dǎo)學(xué)生形成計(jì)算思維。在新的教學(xué)模式下,學(xué)生的主體性和主動(dòng)性能夠得到有效的提升,達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。教師在計(jì)算思維培養(yǎng)過(guò)程中,要放棄傳統(tǒng)的權(quán)威,適應(yīng)由單一化向多樣化角色的轉(zhuǎn)變,由課堂講授者轉(zhuǎn)變?yōu)榍榫硠?chuàng)建者、資源提供者、信息咨詢者、團(tuán)隊(duì)協(xié)作者等,實(shí)現(xiàn)真正的“以學(xué)習(xí)者為中心”。
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