基于计算思维的PBL教学模式研究

邓蕙茹 王文龙

一、引言

随着信息社会的不断发展，人们的思维方式、生活方式以及行为方式受到了不断地影响和改变，技术的飞速发展正引领着时代的思维脉络。为了使人们更好地应对不断变化的信息社会，美国卡内基·梅隆大学计算机系主任周以真教授（Jeannette M. Wing. ）明确提出了计算思维（Computational Thinking，CT）并认为计算思维不是计算机科学家独有的思维，而是现代信息社会每个人都应该掌握的一种基本技能，就像阅读、写作和算术一样。2010 年10 月，在“第六届大学计算机课程报告论坛”上，中国科学技术大学陈国良院士提出将计算思维引入大学计算机基础教学，此后国内计算机基础教育界开始重视计算思维的培养与发展。

目前，计算思维在教学和培训中的应用和推广正逐步开展。国外学者Motyl提出的工业4.0所需的三组技能：硬技能、软技能、数字化技能，其中分析思考、解决问题的能力与计算机专业能力等内涵与计算思维的内涵不谋而合，强调了计算思维在工业4.0时期的重要性。学者Hecklau认为提升计算思维能力很大程度上能促进其构建的技术、元认知以及社交和个人能力四项能力的提升。国内学者对计算思维的培养，提出了基于计算思维的网络自主学习、任务驱动式、探究式等教学模式。笔者阅读文献发现PBL教学模式独特的教学方法，与信息时代不断发展的对人才计算思维培养的需求具有高度一致性，有助于有效培养和发展计算思维能力。因此，本文依据计算思维的方法和PBL教学模式的特点，试图提出基于计算思维的PBL教学模式，为计算思维的培养提供一种新的教学模式。

二、计算思维

计算思维是当前一个颇受关注的涉及计算机科学本质问题和未来走向的基础性概念。周以真认为计算思维就是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动，通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。2009年，董荣胜教授为了让人们更好地理解计算思维，将其定义为“计算思维是运用计算机科学的思想与方法进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”在高科技发展和信息爆炸的环境下，我们面临的问题越来越复杂，计算思维可以帮助我们理清关系、发现规律、提炼本质，从而更好地解决问题。为便于理解，Wing在给出计算思维的定义之外对计算思维进行了更详细的描述，如表1所述。

三、基于计算思维培养的PBL教学模式

随着人类社会进入信息时代，计算机已不再是科研人员专用的计算工具，而是人们工作、生活、学习和娱乐不可或缺的组成部分。计算机信息技术和网络技术在经济社会中的地位愈发重要，《大学计算机基础》课程是高等院校的一门公共基础课，旨在为非计算机类大学生提供其在面对信息社会迭代发展的趋势中所需的基础性计算机知识。在传统教学中，学生普遍存在对软件记忆性地操作情况，缺乏以问题解决为导向的学习。"问题驱动学习"（Problem-Based Learning，PBL） （以下简称PBL）是一种以学生为主体且专注于解决问题的教学模式，是建立在建构主义教育理论基础上的一种新型教学模式，是在教师的整体把握和指导下，把学习设置到有意义的"问题"情景中，通过分析真实问题来学习背后的科学知识，培养学生解决问题技能和自主学习能力。

PBL教学模式将学生置身于一个复杂“问题”网络中，通过不断解决问题来培养他们解决问题的能力和技能，与计算思维的培养有着高度一致性。在PBL教学模式中，通过模拟实际问题，学生从中独立思考、合作解决问题，发挥“问题"对其学习过程的指导作用，调动其主动性和积极性。具体来说，将课程内容和真实世界中的问题结合起来，设计一系列与该课程内容相关的问题，并让学生通过团队合作和自主探究来解决这些问题。同时，引导学生从问题中寻找规律、分析数据、设计算法等，以此培养他们的计算思维能力。举个例子，可以设计一个关于网络安全的问题，如“如何保护公司的信息不被黑客攻击？”让学生团队合作，研究现有的安全技术及其优缺点，然后提出一个方案并撰写报告。在这个过程中，学生需要了解网络安全的基本原理、常见的攻击手段和防范措施，同时也要运用编程和算法设计的知识来构建安全系统。

鉴于此构建基于计算思维培养的P B L教学模式（Computational Thinking Problem-Based Learning，CTPBL），CTPBL通過采用高效率的学习方法，让学习者能够有效地筛选信息和建构学科知识，以解决问题为主线，培养学生的分析和解决问题能力，在此过程中注重发展他们的计算思维。以下为CTPBL的整体设计：

（一）基于真实情境，提出问题

《大学计算机基础》课程内容跨度大，知识点分布广泛，学生容易因其内容繁杂枯燥而没有学习兴趣。在此阶段，培养学生发现和界定问题的能力至关重要，因为问题意识是解决问题的前提条件。如果学生无法清晰地表达问题或者没有问题意识，那么后续的学习和探究就变得毫无意义，培养计算思维更无从谈起。为了激发其求知欲望与学习热情，让学生建立起对知识的好奇心，教师需要创造一个与学生日常生活紧密相关的现实问题情境，并引入一个可以引起学生的注意力和好奇心的问题。在这种情境中，学生可以进行感知与信息搜索。通过PBL教学模式，学生在解决问题的过程中不仅能够掌握所学知识，还能够培养创新、合作、沟通等综合能力，从而更好地适应未来的职业需求。例如在“word2010字节处理软件”的教学中，教师提供情境：假定学生是一个学校学生会的成员，校庆将至，学校将于某个时间在学校体育馆举行校庆活动，学生会需要邀请学校的部分老师参加。教师提供名单及相关信息，让学生将教师信息以表格形式输入并保存至“校庆教师名单. docx”Word文档，学生会联系电话为123456789。教师接着引导学生提出问题，让学生在这个情境下，自主地发现问题并界定完成这项任务哪些问题是必须要解决的。

（二）团队合作，分析和转化问题

在提出问题之后，首先要注重问题的选择。《大学计算机基础》课程是针对非计算机专业学生而设置，学生的计算机水平参差不齐，有的问题对某些同学来说或许过于简单，而对另外一些同学来说可能比较困难。教师应该整理不同水平的问题，引导学生选择有价值有意义的问题。比如上述文档制作中问题中提出的涉及如何编辑文档和文档如何排版等问题才是促进教学的问题，也即“正确的” 问题。“正确的”的问题才是需要被选择的问题，Wing认为计算思维最重要的内容之一是要定义“正确的”抽象，也就是强调正确的“细节”是计算思维的基础，也是提升计算思维能力的重要过程。教师根据不同的问题选择将学生进行分组，让他们通过团队协作来分析解决问题，避免学生只是通过简单处理现成信息来解决问题。而是让学生在真实的情境下、复杂的问题中，通过团队协作快速把控问题的细节，同时强化学生计算思维能力中关注点分离的方法运用。

再者，学生通过对实际问题的抽象化、数字化，自主地学习计算机相关方法，也能有效地强化学生的自主解决问题能力，进而提升其计算思维。比如针对《大学计算机基础》课程中的数据结构和算法知识点，可以设计一些与图论相关的问题，如“在某城市中，如何规划最优的公交路线？”让学生团队合作，研究城市地图、公交线路等数据，并运用图论算法来寻找最优解。在这个过程中，学生需要了解图论的基本概念、算法思想和实现方法，同时也要掌握常见的数据结构，如数组、链表、树等。通过解决实际问题，学生可以深入理解所学知识，同时也能够培养创新、分析、解决问题的能力，从而更好地应对未来的職业挑战。

（三）综合评估，反思总结

CTPBL模式最后是评估反思阶段，评估的内容包括学生的计算思维能力以及团队合作能力等。首先，判断计算思维能力的提升，重要的指标之一就是解决实际问题能力是否有所提高。因此，评估任务应该面向实际问题，教师判断学生能否将现实世界的问题抽象为计算机可处理的形式，他们是否能自主思考如何通过计算机解决问题。在进行CTPBL教学模式之前学生能否将实际问题转换为抽象问题并使用到计算机方法，在进行CTPBL模式教学之后，例如如何通过城市地图、公交线路等数据进行最优路径规划问题，学生是否能提出问题并将问题抽象为图形结构并以计算机方法解决问题，以此判断学生的计算思维是否得到提升。

其次，教师可以要求学生在叙述和解答问答环节中明确表达自己发现问题、解决问题的过程和思路，了解学生是怎么发现问题并将问题抽象化的，从而判断其计算思维是否得到培养与提升。

除此之外，教师让学生互相评估，反思整个学习过程。学生可以在小组内互相讨论和给出建议，与同学进行思想碰撞和学习利益共享。通过对解决问题的经验进行反思，指出问题并提供解决方案，不断改善自己的学习和解决问题的能力，促进计算思维能力的提升。同时，计算思维的强化反过来可以加强学生解决更多更复杂问题的能力，不断地提升与进步，为学生后续的学习打下坚实基础。

四、结语

基于计算思维的PBL教学模式（CTPBL）是一种通过问题解决来训练计算思维的方法，它能够帮助学生逐步掌握计算思维的基本概念和方法，具有很高的教育价值和应用价值，在培养学生的问题解决能力和促进计算思维能力提升方面具有不容忽视的优势。此外，思维的培养是一个持续且长久的过程，需要在不断的实践中提高，在“基于问题学习”的过程中，通过解决在真实情境下各式各类复杂问题，可以有效地训练学生的计算思维。总之，把计算思维运用于问题驱动下的学习实践，从思维方法的高度培养学习者，使得学习者能够运用计算思维这种科学思维方式去发现和解决问题。

在这里，我们探讨了以培养计算思维的PBL教学模式是一种有助于培养计算思维的教学方法，但并不否定其他教学模式的作用，计算思维地位的提高需要我们探讨更多有助于其提升的教学模式。PBL教学模式是一种非常有潜力的提升计算思维能力的教学模式，随着计算机技术和科技的不断发展，这种教学模式有助于对培养未来的创新人才提供多种选择。

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