PBL教学模式在计算思维培养中的应用研究

关键词：计算思维；项目式教学；教学模式；培养

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）21-0151-03

0 引言

随着互联网+、计算机和人工智能技术的不断发展，计算思维作为一种科学的思维方式，逐渐成为人们在信息化社会中生存和发展所必备的一种核心素养。项目式学习（Problem-based Learning，PBL） 是培养学生核心素养的重要途径之一，强调学生基于真实情景探究问题，以协作的方式展开学习。

本文试图将计算思维的概念与维度融入PBL教学模式，构建面向计算思维培养的PBL教学模式，该教学模式以学生为主体，以教师为主导，以计算思维培养为目标，以项目为主线开展探究式教学活动，一方面增强学生问题解决能力、创新能力和算法思维能力，促进学生实现真正的深度学习；另一方面促进教师了解培养计算思维的过程和维度，更好地进行计算思维培养。

1 理论

1.1 计算思维

计算思维的概念是周以真教授在2006年提出的，是指运用计算机科学知识解决问题的观点和方法、涉及问题求解、系统设计以及人类行为理解等一系列思维活动[1]。2013年英国南安普敦大学的Cynthia Selby 博士和John Woollard 博士将计算思维划分为分解思维、抽象思维、算法思维、评估思维和概括思维[2]。简言之，计算思维的核心是一种思维过程，利用抽象概念简化分解复杂问题，然后使用信息技术方法和手段解决问题。

1.2 PBL 教学模式

PBL教学模式是一种以建构主义学习理论为指导，以学生为核心、以实际问题为中心的自主型探索式学习。建构主义的核心思想是“在实践中学习”，强调学生积极发现、探索知识，主动建构他们所学的知识[3]。在PBL教学模式中，教师作为主导，围绕学习内容，设计与学生日常生活密切相关的现实问题情景或项目，学生通过自主学习和协作探讨来解决问题或实施项目。与传统式教学模式相比，PBL教学模式更能够改善学生的学习态度，增强学生的创造力和成就感。

2 基于计算思维的PBL 教学模式的构建

培养计算思维的目的在于让学生学会灵活地运用计算思维解决日常生活和学习中的问题，形成一种思维习惯。PBL教学模式将学生置身于一个真实的问题情境中，在问题解决的过程中建构知识、提高能力并发展思维，与计算思维的培养有一致性。基于建构主义理论、情景学习理论和多元智能理论，借助信息化教学工具构建面向计算思维培养的PBL教学模式，如图1所示。

该模式以“解决问题”为主线，包括教师活动和学生活动两个方面，教师课前对学情进行分析，在计算思维培养目标的导向下，明确课程的教学目标和教学内容，学生通过教师上传的学习资料进行课前预习。课中教师选取贴近学生生活、新颖、具有迁移价值的项目来创设情景、提出问题，学生根据教师提供的信息明确问题。教师在给出分解问题的切入点后引导学生将问题进行分解，学生以小组协作的方式展开学习讨论，在反复纠错的过程中得出问题的解决方案；最后教师组织学生将问题解决方案予以呈现，通过学生自评、小组互评和教师评价等形式对解决问题的过程进行总结和反思。课后拓展阶段教师提出类似课堂教学情景的问题，引导学生能够迁移问题解决方案，从而加深对知识点的掌握。随着项目难度螺旋式上升一方面可以充分挖掘学生的个人潜能，另一方面与小组成员合作完成项目可以培养学生沟通交流能力、思辨能力以及团队合作意识，此外在多元化的评价方式中对解决方案的反思可以培养学生的批判性思维。

3 基于计算思维的PBL 教学模式在计算机应用基础课程中的实施

3.1 计算机应用基础课程现状

计算机应用基础是高职院校在大学一年级开设的一门公共基础课，具有专业覆盖面广、学生人数多、知识点多、学生计算机能力参差不齐等特点。传统教学模式中以教师“灌输式”讲授为主，着重训练学生的操作技能，教学内容包括计算机基本理论知识和Win⁃dows操作系统、Offices办公软件的实训操作。课堂学时有限，教学过程中缺乏与学生的交互，课外学生学习积极性不强，导致学生运用计算机知识处理实际问题的能力较弱。此外，课堂上的操作训练虽然使学生掌握了软件的使用，但是容易让学生养成固化机械的操作习惯，在一定程度上阻碍了学生创新思维的培养[4]。

教育部在《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见》中指出，计算机基础教学的目标是培养学生掌握一定的计算机基础知识、技术与方法，以及利用计算机解决本专业领域中问题的能力[5]。在《大学计算机基础课程教学基本要求》中明确指出教学内容将围绕计算思维能力培养目标进行重组。

因此，本研究以计算思维为切入点，借助信息化教学平台将基于计算思维的PBL教学模式应用到计算机基础的课堂教学中，让传统课堂转变为“以学生为中心，教师为引导者”的课堂，促进师生的参与度，在学生掌握计算机基础知识和操作技能的基础上，着重将计算思维这一抽象概念以恰当的方式传授给学生，帮助学生形成计算思维并灵活地运用到现实生活中。

在实施基于计算思维的PBL教学模式前，首先需要掌握学生当前计算思维能力的情况，以大学一年级学生为研究对象，设计了与计算思维的五大核心维度——算法、分解、抽象、评估和概括相关的调查问卷，调查结果如图2所示。

从调查结果可以看出，学生对计算思维的概念有基本了解；在计算“1-2+3-4+...-100”结果时需要将前后两个数相减后再求和，有58.06%的学生选择正确，说明学生整体的分解思维能力一般；对一组有规律的数列“1、1、2、3、5、8、13、21、X”求解X这道题目是经典的斐波拉契数列，在程序设计语言的学习中几乎都会提到的“兔子繁殖问题”，这个数列的规律就是前面相邻两个数字之间的和等于后面的数字，有35.68%的学生可以找到该数列的规律，说明学生在抽象思维能力方面比较欠缺；在问题“当你要完成视频短片的制作时，你采用什么方法？”，77.42%的学生选择“写好剧本分镜头拍摄制作”和问题“如果您要在一堆文件中找一份重要资料，您首先会怎么做？”，80.65%的学生选择“把文件按照内容先分类，然后在与资料相关的文件类中找”，说明学生能在一个问题有多种解决方法时选出一个最优解决方法，具备一定的分解和评估能力。

总体来说学生计算思维能力不足，需要在后面的教学中培养学生抽象问题、分析问题，运用合理算法解决问题的能力。

3.2 实施过程

本文以计算机应用基础课程第5章“Excel 2016 电子表格处理”的任务二“计算学生成绩表”为例具体说明面向计算思维培养的PBL教学模式实施过程，如图3所示。

教学目标是实施教学活动的方向，本节的教学目标是掌握Excel进行数据处理的步骤，熟练掌握单元格引用技巧、公式计算和常用函数的用法；引导学生能够感悟在计算机基本知识和技能应用过程中所蕴含的计算思维思想，并迁移解决生活中类似的问题；在教学过程中能够主动融入PBL的教学情景，参与讨论并通过小组探究的方式增强沟通能力、发现问题和分析解决问题能力。教学过程分为课前自学、课中内化和课后升华三个部分。

3.2.1 课前自学

课前教师借助“学习通”平台上传本节课相关的微课视频、课件和预习测试题，同时在平台发布头脑风暴，通过观看教师使用Excel对“职工工资表”中计算相关数据使用的方法，引导学生就使用Word表格和Excel处理数据时的异同点展开讨论，培养学生对问题的判断意识。此外，让学生分小组结合所学的专业，对专业领域中公开的数据源进行获取后处理和分析数据，并通过之前学习的图表操作将数据以可视化的方式进行呈现，在提高学生自学能力和分析能力的同时增强学生的专业认同感。分组时采用异质分组的原则，把学习成绩、能力、性格等方面不同的学生分在一个小组中，这样更有利于学生从不同层次、角度去思考解决问题。

学生利用课余时间完成基础知识的学习并完成相关的讨论和自测题，自学过程中遇到问题可以通过平台及时与教师进行沟通交流。教师可以通过平台提供的数据信息掌握学生自学的情况并及时调整课堂教学策略。

3.2.2 课中内化

课中实施包括5个步骤：

1） 创设情境，呈现问题：教师就课前头脑风暴中提出的问题进行总结，让学生感受到使用Excel在数据处理和计算功能上的优势，同时让各小组对结合专业搜索到的数据源进行预处理的结果进行互评。

随后播放一段视频，以班主任在期末考试后统计成绩过程中碰到问题，不会使用Excel去分析问题为情景，让学生代入，如果你是班主任，你将如何使用Excel去完成这个任务？从而导入本次课的内容“计算学生成绩表”，如何使用Excel更快捷、准确地计算各科成绩的总分、平均分、最高分、最低分、考试人数、不及格人数和排名等，吸引学生积极融入问题情境。

2） 自主学习，明晰问题：课前自学环节学生基本了解了单元格引入技巧、公式计算和常用的几种函数，教师提出计算各科总分时有哪些方法，引导学生对比使用公式对单元格求和和使用SUM（）函数的异同点，从而展开关于Excel内置函数功能的自主探究，理解不同场景下如何选择合适的函数，并正确设置函数参数的取值范围，比如在计算各科考试人数时使用COUNT（）函数，如果数据区域选择错误将会出现错误的结果；在计算不及格人数时使用COUNTIF（）函数，除了数据区域的选择外还需要设置Criteria参数的范围为小于60分。

3） 问题聚焦，逐步分层：引导学生聚焦本节课要解决的核心问题是通过高级函数的使用来解决计算总评名次和总评等级的问题，学生通过小组讨论将问题层层剖析，把复杂问题分解为一个个小问题，在问题分解的过程中解决问题的框架逐渐形成。

首先需计算出学生的总评成绩，总评成绩是由学分绩和综合素质两部分构成，学分绩的计算是第一步，在明确学分绩的计算公式为“学生每科成绩乘以该门课程学分，再求和，然后除以总学分”后，选择SUMPRODUCT（）函数，该函数可以将多个范围的乘积相加。

第二步按照总评成绩进行排名，选择RANK（）函数，该函数可以用来计算某数字在一组数字中的大小排位。

最后计算总评等级，总评等级分为5个等级，大于90分为A，80到90分为B，70到79分为C，60到69分为D，小于60分为E。选择IF（）条件判断函数，可以通过绘制多分支结构的流程图来明晰各分支的条件和结果。

4） 合作探究，制定方案：学生分小组进行实际操作，分析在操作过程中遇到的问题，比如计算学分绩使用SUMPRODUCT（）函数时，计算出第一个学生的学分绩后使用填充柄进行拖拽计算其他学生的学分绩时，要注意科目成绩发生变化，但是科目对应的学分不会变化，因此在设置参数Array2时要将学分地址变为绝对地址，在公式复制时不会改变。类似的，在计算总评名次使用RANK（）函数后计算结果有误，可能是ref参数设置时数据范围选择不当，没有使用绝对地址引用；计算总评等级时使用IF（）条件判断函数时需要进行函数的嵌套，在设置前要明确选择的条件和结果。在这个过程中进一步培养了学生问题归纳、凝练的能力，增强了思考问题的条理性。

5） 成果展示，评价总结：各小组展示最终的作品并简要讲述解决思路，通过小组互评和教师点评将本节课的知识点进行梳理和归纳。

3.2.3 课后升华

在前两个阶段的学习中，学生已经基本掌握了Excel函数的选择和使用技巧并加以初步实践。课后升华阶段，教师让学生绘制本节课思维导图，进一步巩固所学的知识点，在“学习通”教学平台给出一个“商品销售统计表”，让学生作为某公司的销售统计员，使用公式及函数对4个销售分部的销售数据进行分析，结合之前学习的图表，将数据以图形化数据呈现，最后评选出优秀店铺，从而促进学习的迁移。

3.3 实施效果

为了解以培养计算思维为导向的PBL教学模式的教学效果，在课程结束后从授课方式满意度、提升学习兴趣和思维活动等方面设计问卷，调查结果如图4所示。90%的学生对该授课模式持肯定的态度，在对计算思维的理解和运用计算思维解决实际问题的能力有所提升。

4 结束语

以面向培养学生计算思维能力的PBL教学模式将“ 以教师为主体”的传统讲授式课堂转变为“以学生为主体、教师为主导”的探究式主动学习的项目实践过程。该模式在教学活动中渗透计算思维有利于培养学生分析问题、解决问题、问题迁移的系统思想和方法，并养成自主、合作、探究的学习品质，培养学生发散性思维和创新意识，促进学生全面发展。