計算思維培養中的情境創設
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【摘 要】計算機基礎課教學的主要任務是計算思維培養，教師需要了解學習者計算思維的形成機制。本文借鑒建構主義學習理論、結合課程教學中的情境創設實例，介紹計算思維培養中的一些思路和方法，對大學計算機基礎課教師學科教學知識（PCK）的建構具有有一定借鑒意義。
【關鍵詞】情境創設;建構主義學習理論;計算思維;PCK;大學計算機基礎課
中圖分類號： G633.67 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0120-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.055
0 引言
2006年，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授首先提出計算思維的概念，將計算思維定義為運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及理解人類行為等的一系列思維活動。[1]2010年7月，中國高等學校計算機基礎課教學指導委員會在西安會議上發表了《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》，確定了以計算思維為核心的計算機基礎課程教學改革。[2]
傳統的計算機基礎課教學模式中存在許多痼疾或局限，造成部分學生覺得課程枯燥從而厭學，影響了教學效果。如何改變這種現狀？有個事例也許可以帶給我們一些啟發。1999年，印度NIIT研究所的米特拉博士做了一個實驗，在研究所大樓的隔離墻上開了一個洞，放上了一臺連接了互聯網的高速電腦。與大樓一墻之隔的地方就是一處貧民窟，很快，這臺“奇怪”機器吸引了孩子們的注意，孩子們高興地爭相去按電腦上的箭頭，有的孩子還不停地問各種問題。一天下來，米特拉博士吃驚地發現不少孩子已能熟練地打開文件、搜索網頁，使用微軟畫圖程序來作畫，幾乎是無師自通。據米特拉的了解，這些孩子大多數不識字，沒有一個孩子會英語，甚至根本不知計算機為何物。好奇心和主動性創造了學習奇跡。“后來，“墻中洞”實驗從鄉村和貧民窟地區延伸并應用到城市社區和學校，最終形成了沒有成年人介入的自組織學習環境，2013年，Sugata Mitra教授及其團隊又大膽提出將全球的孩子們聯結起來，建立全球“云學院”。[3]
“墻洞電腦”的意義是：在合適的情境下，學習者能夠更高效學會他們想要學習的東西。在國內外教育研究者新的教學理論中，情境知識已成為一種能提供有意義學習并促進知識向真實生活情境轉化的重要理念。隨著對人的學習本質的認識不斷深入，基于情境認知和情境學習的理論研究和實踐模式正越來越受到研究者的關注。
1 建構主義學習理論中的情境原則
建構主義是當代學習理論的新發展，建構主義認為，知識的獲得是建構的，而不是接受傳輸而來的。建構知識是人類的天性，人們總是用建構的方式（即運用已有的知識經驗）去認識和理解他們所處的現實世界。人們是從經驗的各種現象（如各種事件、活動和過程等）中學習的， 從中，人們運用已有的知識經驗去解釋經驗和作出推論，并對解釋和推論的過程進行反思。[4]
學習總是與一定的社會文化背景即“情境”相聯系的，在實際情境下進行學習，可以使學習者能利用自己原有認知結構中的有關經驗去同化和索引當前學習到的新知識，從而賦予新知識以某種意義。建構主義注重基于情境的學習。學習的環境條件，如客體、人、符號以及它們之間的相互關系，對學習效果的影響至關重要。[4]
建構主義學習理論認為，情境、協作、會話和意義建構是學習環境中的四大要素或四大屬性。學習環境中的情境必須有利于學生對所學內容的意義建構。這就對教學設計提出了新的要求，在建構主義學習環境下，教學設計不僅要考慮教學目標分析，還要考慮有利于學生建構意義的情境的創設問題，并把情境創設看作是教學設計的最重要內容之一。
在傳統的課堂講授中，由于不能提供實際情境所具有的生動性、豐富性，因而將使學習者對知識的意義建構發生困難。建構主義的教學觀強調利用情境原則，設計隱性知識的支持環境，使學習者潛移默化領悟所需要的知識，通過合法的邊緣參與，讓隱含在人的行動模式和事件處理情況中的隱性知識，在與人或情境互動的過程中發揮作用，并隨著實踐經驗的增長而擴展隱性知識的復雜性和實際效用。[5]因此，基于建構主義理論的教學設計的重點，是使學習者在情境中獲得理解，目前，支持學習者在有意義情境中學習的教學模式有拋錨式教學、認知學徒制、情境認知、問題求解等等。在這些教學模式下，學生是情境學習者，通過案例、問題、視頻構建的情境圖式，解決有意義或復雜的問題，完成擬真的學習任務。在教學過程中，教師最重要的角色是支架，在學生完成任務的過程中，教師提供概念支持、元知識支持、策略支持，幫助學習者順利完成真實的學習任務。
2 情境知識是信息學科PCK的重要構成
缺乏經驗的教師會重視所掌握的學科知識和一般教育學知識，而不注重二者的結合;從而使教師難以將學科知識有效地表達為學生能懂的知識。我們經?？梢钥吹揭恍┚幊棠芰Ψ浅姷睦蠋煟诔绦蛟O計課程講授中，學生普遍反映聽不懂，達不到應有的教學效果。
20世紀80年代，舒爾曼（Shulman，L.S.）對教師知識進行了分類，并提出了學科教學知識（Pedagogical Content Knowledge，簡稱PCK）的概念，揭示了教師知識中最有意義的知識，引發了國內外學者對教師知識的深入研究，并因此促進了PCK理論的完善與發展。[6]
學科教學知識（Pedagogical Content Knowledge），指與特定內容相關的教學知識，是學科內容知識以及一般教學法知識的融合。[6]
PCK的核心內涵在于知識的轉化，即作為一個過程如何將學科知識轉換成課堂教學事件。舒爾曼（Shulman，L.S.）提出：“PCK是學科知識、教學知識和情境知識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，是獨立存在的新知識。教師將學科知識結合學科定位理解，重組后轉化到課堂教學事件中使學生對其更好地理解。[7] 對任何學科教師而言，如何將學科知識、教學知識和情境知識更好地結合來進行良好的課堂情境創設，將很大程度影響課程的教學效果。信息學科相對數學、物理等傳統學科，發展的歷史并不長，教師PCK的積累也相對薄弱;在計算思維培養中，教師應該借鑒新的學習和教學理論，豐富和提升自身的PCK。如上節所述，建構主義的一個重要原則是在情境中學習，因此，情境創設能力和技巧是信息學科的教師PCK中很重要的構成部分，在教學實踐中要引起充分的重視。
3 計算思維培養中的情境創設
計算機基礎課教師大多是計算機相關學科高學歷人才，有一些還是從IT企業轉入高校，應該都具備較強的計算思維能力。另一方面，從上世紀80年代以來，隨著信息技術的飛速發展，計算機、互聯網、移動設備等已經覆蓋了社會生活的方方面面，而大數據、云計算、物聯網等新技術也從概念階段逐漸進入普通人的生活?，F在的大學生對計算機的熟悉程度，已不能與印度“墻洞電腦”故事中的平民窟兒童同日而語。
可見，對于大學課堂的師生而言，都具有不同程度的計算思維能力。龔沛曾教授認為：“計算思維并不是一種新的發明，而是早已存在的思維活動，是每一個人都具有的一種技能。在計算機基礎教學中，計算思維的案例也是處處存在。問題是人們的計算思維活動是無意識的，關鍵是要將無意識的計算思維變成有意識的計算思維，主動地用計算思維去解決問題，應用在各自的專業中”。[8]
為了更有效實現計算思維培養，目前很多大學都開展了相關的教學模式改革，如翻轉課堂、CDIO、MOOC，SPOC等等。在此趨勢下，作為教師個體，應該有意識地吸收新的教學理念思想，參照新的教學模式來組織多樣化的教學，如在課堂講授之外，結合“例中學”、“探中學”、“做中學”、“評中學”等等;而課堂中好的情境創設，對學生具有無意識的調節作用，能使學生的思維、情感、有意識和無意識能夠處于更佳狀態，對計算思維的形成與內化具有良好的促進作用。
隨著計算機基礎課程的改革，許多大學都采用了“1+X”模式的課程設置，針對不同專業的學習設置不同的可選課程;主要包括程序設計類、數據庫技術類、多媒體技術類、統計分析軟件應用類等。筆者從相關的課程教學實踐中總結出了一些情境創設的方法和經驗。
3.1 程序設計類
程序設計語言特別是C語言，在計算機系統中相對接近底層;在程序設計類課程教學中，適合對數據存儲、可計算性、迭代、遞歸等計算思維內涵的培養。由于課程內容比較抽象，應盡可能創建真實性、生活化的情境引導學生進入狀態。
教學示例：交換變量A與B的值。這一階段學生剛接觸變量的概念，應該在編程實例教學中強化學生對變量的本質是計算機內存單元的理解，使概念具象化。
情境創設：交換礦泉水和可樂，使用眼前的道具。
教師：我有一瓶礦泉水，而你（某學生）有一瓶可樂（或其他飲料），我們換著喝好嗎？
學生：（遞上飲料）給！
教師：嘴接觸了瓶口，不太衛生，能否只換瓶里的水？
學生：那還要一個杯子才行。
此時，可引導進入算法關鍵：需要另一個變量C才能交換變量A和B的值，并以瓶與水來比喻變量名和變量值，加深理解。
教學示例：整數排序。
情境創設：教師帶上5個大小不一的核桃，請一位學生來按從大到小排成一列。
學生一般會在另外的位置來完成核桃排序，這時可進行插入法的算法介紹。然后可做一些位置的限定，引導進入選擇法和冒泡法的介紹。
不容易創設生活化情境時，可以使用問題類的情境來引入，用學生中小學接觸過的一些算術或邏輯推理題目來創設情境。如介紹嵌套循環時，可用“百馬百擔”或邏輯推理題等來引入，使學生在數學思維、邏輯思維外，更多接觸“窮舉法”這種更符合計算思維的解題方法。
程序設計類課程的缺點是難以創設綜合性任務情境，如設計一個應用系統;對建構學生計算思維的總體性略為不利。
3.2 數據庫技術類
數據庫技術類課程主要培養學生數據抽象和建模的思想，即如何將現實世界的問題映射到計算機世界。此類課程最適合設計擬真類、任務式情境，教師通過創設較復雜、情境化的問題空間，引導學習者進入問題探究，建構知識。
情境創設示例：設計一個模擬的銀行ATM機。
類似的情境也可以是教學管理系統、圖書館管理系統等學生能直接進行客戶端操作的數據庫應用系統。
在教學過程中，可以借鑒按建構主義理論中“認知學徒制”教學模式，將教師在形成計算思維和在解決復雜現實問題中抽象和建模的思維過程顯性化，讓學生可以進行觀察、模擬和實踐。在任務完成過程中，可以將學生進行分組，便于合作與討論，而教師則以師傅或指導者的角色來參與，進行演示、示范，并進行經驗和策略的傳授。
3.3 數據分析軟件與多媒體技術類
與程序設計類等課程不同的是，這類課程的內容離計算機內核更遠，因此教條化地生搬硬套周教授的定義來進行計算思維訓練并不十分合適。
筆者認為，這類課程的重點在于使學生領悟到，計算機作為工具使用，所帶來的思維方式和行為模式的改變。人類發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，只幾個石頭磨過”，人類文明史就是發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-獵槍的武器進化，人遇到猛獸的思維方式轉變成了怎樣捕獵。近幾十年信息技術的飛速發展，其實已經對人類社會生活中各種思維方式產生了許多改變，如互聯網對溝通方式的改變，如“墻洞電腦”例子中，孩子們對獲取信息方式的新認知。
信息技術的發展還對其他學科產生了巨大的影響，“我們已見證了計算思維在其他學科中的影響。例如，機器學習已經改變了統計學。就數學尺度和維數而言，統計學習用于各類問題的規模僅在幾年前還是不可想象的”。[1] 數據分析軟件如SPSS的教學，必然要用到統計學的原理和推斷方法，而在數據獲取過程中，調查問卷的設計，也需要社會學知識的運用，因此課程應該與其他學科融合來進行教學設計。按照建構主義理論中“拋錨式教學模式”，通過真實的任務來提供較復雜的情境，并由學生根據自己身邊的環境來提出問題，如“大學新生環境適應程度研究”等等，這樣的問題可以提高的學生的主動性，以更高的熱情來學習問題研究中要用到分析方法和軟件過程。在問題研究過程中，教師要引導和強調學生思維模式的轉變，即數據分析和統計學方法，不只是專家的事;在粗通相關原理的基礎上，各種專業背景的人都可以使用計算機軟件處理和分析數據，來進行自己所屬學科領域的實證研究。
多媒體技術類課程的教學，同樣應該以任務式情境來引入，如使用PHOTOSHOP來繪圖和進行圖形編輯、使用FLASH制作動畫等。應強調計算機圖形處理軟件的掌握，將更多的教學時間安排在工具演示、示范以及學生制作應用實例的指導，相應減少計算機圖形學相關的概念性、原理性的課堂講授。
4 結束語
近幾十年來，國內外教育研究者提出了很多新的學習理論，建構主義即是其中有代表性的一種。建構主義強調在情境中學習的原則。計算機基礎課教師在計算思維培養過程中可以借鑒建構主義的情境原則，創建各種有意義的情境，來引導學生形成計算思維。在新的教學模式下，學生的主體性和主動性能夠得到有效的提升，達到更好的學習效果。教師在計算思維培養過程中，要放棄傳統的權威，適應由單一化向多樣化角色的轉變，由課堂講授者轉變為情境創建者、資源提供者、信息咨詢者、團隊協作者等，實現真正的“以學習者為中心”。
【參考文獻】
[1]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM.2006，49（3）.
[2]何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養——《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》解讀[J].中國大學教學，2010（9）.
[3]吳長城，蘇伽特·米特拉自組織學習環境研究[J].教育科學文摘，2015[5]：94-95.
[4]鐘志賢.建構主義學習理論與教學設計[J].電化教育研究，2006[5]：11-16.
[5]鐘志賢.大學教學模式革新 教學設計視域[M].北京：教育科學出版社，2008.
[6]潘小明.學科教學知識（PCK）的理論及其發展[J].教育探索，2015（1）：20-28.
[7]解書，馬云鵬.學科教學知識（PCK）研究的發展歷程——兼談對我國教師教育研究的啟示[J].現代教育管理，2013（6）：56-61.
[8]龔沛曾，楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養[J].中國大學教育，2012（5）：51-54.
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