计算思维培养中的情境创设

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　　【摘 要】计算机基础课教学的主要任务是计算思维培养，教师需要了解学习者计算思维的形成机制。本文借鉴建构主义学习理论、结合课程教学中的情境创设实例，介绍计算思维培养中的一些思路和方法，对大学计算机基础课教师学科教学知识（PCK）的建构具有有一定借鉴意义。
　　【关键词】情境创设;建构主义学习理论;计算思维;PCK;大学计算机基础课
　　中图分类号： G633.67 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0120-003
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.055
　　0 引言
　　2006年，美国卡内基·梅隆大学的周以真教授首先提出计算思维的概念，将计算思维定义为运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及理解人类行为等的一系列思维活动。[1]2010年7月，中国高等学校计算机基础课教学指导委员会在西安会议上发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。[2]
　　传统的计算机基础课教学模式中存在许多痼疾或局限，造成部分学生觉得课程枯燥从而厌学，影响了教学效果。如何改变这种现状？有个事例也许可以带给我们一些启发。1999年，印度NIIT研究所的米特拉博士做了一个实验，在研究所大楼的隔离墙上开了一个洞，放上了一台连接了互联网的高速电脑。与大楼一墙之隔的地方就是一处贫民窟，很快，这台“奇怪”机器吸引了孩子们的注意，孩子们高兴地争相去按电脑上的箭头，有的孩子还不停地问各种问题。一天下来，米特拉博士吃惊地发现不少孩子已能熟练地打开文件、搜索网页，使用微软画图程序来作画，几乎是无师自通。据米特拉的了解，这些孩子大多数不识字，没有一个孩子会英语，甚至根本不知计算机为何物。好奇心和主动性创造了学习奇迹。“后来，“墙中洞”实验从乡村和贫民窟地区延伸并应用到城市社区和学校，最终形成了没有成年人介入的自组织学习环境，2013年，Sugata Mitra教授及其团队又大胆提出将全球的孩子们联结起来，建立全球“云学院”。[3]
　　“墙洞电脑”的意义是：在合适的情境下，学习者能够更高效学会他们想要学习的东西。在国内外教育研究者新的教学理论中，情境知识已成为一种能提供有意义学习并促进知识向真实生活情境转化的重要理念。随着对人的学习本质的认识不断深入，基于情境认知和情境学习的理论研究和实践模式正越来越受到研究者的关注。
　　1 建构主义学习理论中的情境原则
　　建构主义是当代学习理论的新发展，建构主义认为，知识的获得是建构的，而不是接受传输而来的。建构知识是人类的天性，人们总是用建构的方式（即运用已有的知识经验）去认识和理解他们所处的现实世界。人们是从经验的各种现象（如各种事件、活动和过程等）中学习的， 从中，人们运用已有的知识经验去解释经验和作出推论，并对解释和推论的过程进行反思。[4]
　　学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的，在实际情境下进行学习，可以使学习者能利用自己原有认知结构中的有关经验去同化和索引当前学习到的新知识，从而赋予新知识以某种意义。建构主义注重基于情境的学习。学习的环境条件，如客体、人、符号以及它们之间的相互关系，对学习效果的影响至关重要。[4]
　　建构主义学习理论认为，情境、协作、会话和意义建构是学习环境中的四大要素或四大属性。学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构。这就对教学设计提出了新的要求，在建构主义学习环境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生建构意义的情境的创设问题，并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一。
　　在传统的课堂讲授中，由于不能提供实际情境所具有的生动性、丰富性，因而将使学习者对知识的意义建构发生困难。建构主义的教学观强调利用情境原则，设计隐性知识的支持环境，使学习者潜移默化领悟所需要的知识，通过合法的边缘参与，让隐含在人的行动模式和事件处理情况中的隐性知识，在与人或情境互动的过程中发挥作用，并随着实践经验的增长而扩展隐性知识的復杂性和实际效用。[5]因此，基于建构主义理论的教学设计的重点，是使学习者在情境中获得理解，目前，支持学习者在有意义情境中学习的教学模式有抛锚式教学、认知学徒制、情境认知、问题求解等等。在这些教学模式下，学生是情境学习者，通过案例、问题、视频构建的情境图式，解决有意义或复杂的问题，完成拟真的学习任务。在教学过程中，教师最重要的角色是支架，在学生完成任务的过程中，教师提供概念支持、元知识支持、策略支持，帮助学习者顺利完成真实的学习任务。
　　2 情境知识是信息学科PCK的重要构成
　　缺乏经验的教师会重视所掌握的学科知识和一般教育学知识，而不注重二者的结合;从而使教师难以将学科知识有效地表达为学生能懂的知识。我们经常可以看到一些编程能力非常强的老师，在程序设计课程讲授中，学生普遍反映听不懂，达不到应有的教学效果。
　　20世纪80年代，舒尔曼（Shulman，L.S.）对教师知识进行了分类，并提出了学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge，简称PCK）的概念，揭示了教师知识中最有意义的知识，引发了国内外学者对教师知识的深入研究，并因此促进了PCK理论的完善与发展。[6]
　　学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge），指与特定内容相关的教学知识，是学科内容知识以及一般教学法知识的融合。[6]
　　PCK的核心内涵在于知识的转化，即作为一个过程如何将学科知识转换成课堂教学事件。舒尔曼（Shulman，L.S.）提出：“PCK是学科知识、教学知识和情境知识形成的不易分解的化合物而非混合物，重在融合（blend）而非加总，是独立存在的新知识。教师将学科知识结合学科定位理解，重组后转化到课堂教学事件中使学生对其更好地理解。[7] 　　对任何学科教师而言，如何将学科知识、教学知识和情境知识更好地结合来进行良好的课堂情境创设，将很大程度影响课程的教学效果。信息学科相对数学、物理等传统学科，发展的历史并不长，教师PCK的积累也相对薄弱;在计算思维培养中，教师应该借鉴新的学习和教学理论，丰富和提升自身的PCK。如上节所述，建构主义的一个重要原则是在情境中学习，因此，情境创设能力和技巧是信息学科的教师PCK中很重要的构成部分，在教学实践中要引起充分的重视。
　　3 计算思维培养中的情境创设
　　计算机基础课教师大多是计算机相关学科高学历人才，有一些还是从IT企业转入高校，应该都具备较强的计算思维能力。另一方面，从上世纪80年代以来，随着信息技术的飞速发展，计算机、互联网、移动设备等已经覆盖了社会生活的方方面面，而大数据、云计算、物联网等新技术也从概念阶段逐渐进入普通人的生活。现在的大学生对计算机的熟悉程度，已不能与印度“墙洞电脑”故事中的平民窟儿童同日而语。
　　可见，对于大学课堂的师生而言，都具有不同程度的计算思维能力。龚沛曾教授认为：“计算思维并不是一种新的发明，而是早已存在的思维活动，是每一个人都具有的一种技能。在计算机基础教学中，计算思维的案例也是处处存在。问题是人们的计算思维活动是无意识的，关键是要将无意识的计算思维变成有意识的计算思维，主动地用计算思维去解决问题，应用在各自的专业中”。[8]
　　为了更有效实现计算思维培养，目前很多大学都开展了相关的教学模式改革，如翻转课堂、CDIO、MOOC，SPOC等等。在此趋势下，作为教师个体，应该有意识地吸收新的教学理念思想，参照新的教学模式来组织多样化的教学，如在课堂讲授之外，结合“例中学”、“探中学”、“做中学”、“评中学”等等;而课堂中好的情境创设，对学生具有无意识的调节作用，能使学生的思维、情感、有意识和无意识能够处于更佳状态，对计算思维的形成与内化具有良好的促进作用。
　　随着计算机基础课程的改革，许多大学都采用了“1+X”模式的课程设置，针对不同专业的学习设置不同的可选课程;主要包括程序设计类、数据库技术类、多媒体技术类、统计分析软件应用类等。笔者从相关的课程教学实践中总结出了一些情境创设的方法和经验。
　　3.1 程序设计类
　　程序设计语言特别是C语言，在计算机系统中相对接近底层;在程序设计类课程教学中，适合对数据存储、可计算性、迭代、递归等计算思维内涵的培养。由于课程内容比较抽象，应尽可能创建真实性、生活化的情境引导学生进入状态。
　　教学示例：交换变量A与B的值。这一阶段学生刚接触变量的概念，应该在编程实例教学中强化学生对变量的本质是计算机内存单元的理解，使概念具象化。
　　情境创设：交换矿泉水和可乐，使用眼前的道具。
　　教师：我有一瓶矿泉水，而你（某学生）有一瓶可乐（或其他饮料），我们换着喝好吗？
　　学生：（递上饮料）给！
　　教师：嘴接触了瓶口，不太卫生，能否只换瓶里的水？
　　学生：那还要一个杯子才行。
　　此时，可引导进入算法关键：需要另一个变量C才能交换变量A和B的值，并以瓶与水来比喻变量名和变量值，加深理解。
　　教学示例：整数排序。
　　情境创设：教师带上5个大小不一的核桃，请一位学生来按从大到小排成一列。
　　学生一般会在另外的位置来完成核桃排序，这时可进行插入法的算法介绍。然后可做一些位置的限定，引导进入选择法和冒泡法的介绍。
　　不容易创设生活化情境时，可以使用问题类的情境来引入，用学生中小学接触过的一些算术或逻辑推理题目来创设情境。如介绍嵌套循环时，可用“百马百担”或逻辑推理题等来引入，使学生在数学思维、逻辑思维外，更多接触“穷举法”这种更符合计算思维的解题方法。
　　程序设计类课程的缺点是难以创设综合性任务情境，如设计一个应用系统;对建构学生计算思维的总体性略为不利。
　　3.2 数据库技术类
　　数据库技术类课程主要培养学生数据抽象和建模的思想，即如何將现实世界的问题映射到计算机世界。此类课程最适合设计拟真类、任务式情境，教师通过创设较复杂、情境化的问题空间，引导学习者进入问题探究，建构知识。
　　情境创设示例：设计一个模拟的银行ATM机。
　　类似的情境也可以是教学管理系统、图书馆管理系统等学生能直接进行客户端操作的数据库应用系统。
　　在教学过程中，可以借鉴按建构主义理论中“认知学徒制”教学模式，将教师在形成计算思维和在解决复杂现实问题中抽象和建模的思维过程显性化，让学生可以进行观察、模拟和实践。在任务完成过程中，可以将学生进行分组，便于合作与讨论，而教师则以师傅或指导者的角色来参与，进行演示、示范，并进行经验和策略的传授。
　　3.3 数据分析软件与多媒体技术类
　　与程序设计类等课程不同的是，这类课程的内容离计算机内核更远，因此教条化地生搬硬套周教授的定义来进行计算思维训练并不十分合适。
　　笔者认为，这类课程的重点在于使学生领悟到，计算机作为工具使用，所带来的思维方式和行为模式的改变。人类发展历史上工具使用改变思维方式的例子比比皆是，“人猿相揖别，只几个石头磨过”，人类文明史就是发轫于石器工具的使用，从前碰到猛兽，人类的思维方式是怎么逃跑;而随着石器-弓箭-猎枪的武器进化，人遇到猛兽的思维方式转变成了怎样捕猎。近几十年信息技术的飞速发展，其实已经对人类社会生活中各种思维方式产生了许多改变，如互联网对沟通方式的改变，如“墙洞电脑”例子中，孩子们对获取信息方式的新认知。
　　信息技术的发展还对其他学科产生了巨大的影响，“我们已见证了计算思维在其他学科中的影响。例如，机器学习已经改变了统计学。就数学尺度和维数而言，统计学习用于各类问题的规模仅在几年前还是不可想象的”。[1] 　　数据分析软件如SPSS的教学，必然要用到统计学的原理和推断方法，而在数据获取过程中，调查问卷的设计，也需要社会学知识的运用，因此课程应该与其他学科融合来进行教学设计。按照建构主义理论中“抛锚式教学模式”，通过真实的任务来提供较复杂的情境，并由学生根据自己身边的环境来提出问题，如“大学新生环境适应程度研究”等等，这样的问题可以提高的学生的主动性，以更高的热情来学习问题研究中要用到分析方法和软件过程。在问题研究过程中，教师要引导和强调学生思维模式的转变，即数据分析和统计学方法，不只是专家的事;在粗通相关原理的基础上，各种专业背景的人都可以使用计算机软件处理和分析数据，来进行自己所属学科领域的实证研究。
　　多媒体技术类课程的教学，同样应该以任务式情境来引入，如使用PHOTOSHOP来绘图和进行图形编辑、使用FLASH制作动画等。应强调计算机图形处理软件的掌握，将更多的教学时间安排在工具演示、示范以及学生制作应用实例的指导，相应减少计算机图形学相关的概念性、原理性的课堂讲授。
　　4 结束语
　　近几十年来，国内外教育研究者提出了很多新的学习理论，建构主义即是其中有代表性的一种。建构主义强调在情境中学习的原则。计算机基础课教师在计算思维培养过程中可以借鉴建构主义的情境原则，创建各种有意义的情境，来引导学生形成计算思维。在新的教学模式下，学生的主体性和主动性能够得到有效的提升，达到更好的学习效果。教师在计算思维培养过程中，要放弃传统的权威，适应由单一化向多样化角色的转变，由课堂讲授者转变为情境创建者、资源提供者、信息咨询者、团队协作者等，实现真正的“以学习者为中心”。
　　【参考文献】
　　[1]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications  of the ACM.2006，49（3）.
　　[2]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学，2010（9）.
　　[3]吴长城，苏伽特·米特拉自组织学习环境研究[J].教育科学文摘，2015[5]：94-95.
　　[4]钟志贤.建构主义学习理论与教学设计[J].电化教育研究，2006[5]：11-16.
　　[5]钟志贤.大学教学模式革新 教学设计视域[M].北京：教育科学出版社，2008.
　　[6]潘小明.学科教學知识（PCK）的理论及其发展[J].教育探索，2015（1）：20-28.
　　[7]解书，马云鹏.学科教学知识（PCK）研究的发展历程——兼谈对我国教师教育研究的启示[J].现代教育管理，2013（6）：56-61.
　　[8]龚沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教育，2012（5）：51-54.
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