构建基于学习共同体的“计算思维学习圈”

张红霞+郭磊+李华昱

摘 要：计算思维反映了计算机学科的本质特征和核心方法。以高校程序设计类课程为例，分析当前大学计算机教育的特点和存在问题，按照计算思维能力的本质特征，结合共同体理论，提出基于学习共同体的“计算思维学习圈”，对程序设计类课程的教学模式进行探索和研究，为学生培养提供有力的保障，提高学生使用计算思维构建问题解决方案的自主性和能动性。

关键词：计算思维 学习共同体 计算机教育 程序设计

一、引言

在互联网高速发展和计算机普及的今天，很多问题需要利用计算机解决，培养基于计算机解题思路和方法的计算思维能力十分必要。中国计算机学会理事长李国杰院士表示，计算思维是每个人应当具备的基本技能，应当使每个学生在培养解析能力时不仅掌握“读、写、算”，还要学会计算思维。

计算思维是目前大学计算机教学研究的热点课题之一。高校程序设计类课程作为计算机基础教学中的重要课程，对于培养计算思维，提升学生的综合素质，挖掘大学生的学习潜能起着至关重要的作用。如何培养并提升学生的计算思维能力在国内教育界得到了广泛重视。

然而，当前的教学模式对于培养学生的计算思维能力还存在一些不足。以程序设计类课程为例：程序设计类课程作为大学计算机教学的基础核心课程，在以往的课程教学模式中，上课方式仍采用以教师课堂集中讲解，学生课后完成作业的形式，教学效果不甚理想，学生常有课上明白，课后迷糊的困惑，究其原因，主要存在以下问题：

1.“以教为主”的教学理论没有实质意义的突破，不利于计算思维的养成

“以教定学”“先教后学”的方式仍是目前本科生教育的主要教学方式，教学过程仍以教师为中心，多采用单调的讲授法教学，注重理论知识的学习，强化知识的系统性，注重掌握书本知识，但往往脱离实际生活，教学理论枯燥，忽略了对实际问题的解题思路的讲述，使学生觉得学无所用，从而失去学习的兴趣。同时，“一言堂”“填鸭式”的讲授方法造成学生缺乏独立思考问题的空间和时间。

2.学生仍以个体学习为主，缺乏集体合作的实践环境，不利于计算思维的提升

利用计算机处理复杂问题是提升计算思维的重要途径和手段，而复杂问题的解决往往需要多人合作，而目前的教学方法仍主要采用老师讲解，布置作业，学生独立完成作业的方式。在程序设计类课程中，上机实现简单练习题和小应用题，对于学生掌握基本的语法结构，熟练编程的思路和步骤有很大的好处，但是无法达到提升计算思维的目的。

3.现代化的交流工具在教学中没有发挥应有的作用，不利于计算思维的强化

目前网上有很多技术论坛和开源软件，供所有计算机爱好者进行讨论交流，如Github等。虽然各个学校的BBS都有技术论坛，但专门针对计算思维能力培养的交流论坛却很少。目前我校提供桌面版的程序设计课程平台，学生可以在平台上完成作业练习，进行讨论，但效果仍不理想。另一方面，由于学校公共计算机资源有限，不利于师生随时随地讨论生活中遇到的问题及求解方法，不利于强化计算思维。

二、学习共同体理论

学习共同体（Learning community）的概念来源于社会学，博耶尔对学习共同体做了如下定义：“学习共同体是所有人因共同的使命朝共同的愿景一起学习的组织，共同体中的人共同分享学习的兴趣，共同寻找通向知识的旅程和理解世界运作的方式，朝着教育这一相同的目标相互作用和共同参与。”学习共同体不仅是一种学习工具，更是体现学习过程和学习目的的一种方式，学习者根据共同的兴趣，彼此之间在学习过程中进行交流、分析和沟通，从而达到共同进步提升的目的，通过长期的构建，成员之间彼此形成相关影响、相互促进的人际关系。

学习共同體的目标是促进学习氛围，在那里，不论是个体还是集体，都是作为一个整体来学习“如何学习”的。而且，共同体成员共享他们的个人成果，以便通过学习对研究课题有更深入的理解。学习者要学会综合多种观点，用不同的方法解决问题，以各自不同的知识为资源，协作解决问题，并加深理解，在学习知识的同时，对沟通能力、合作能力也有极大的提升。

（一）计算思维与学习共同体

计算机教育是培养学生将形象思维转化为计算思维能力的重要手段，更是通过培养学生解决或辅助解决形象思维中复杂问题的理想途径。培养和推进计算思维首先要求学生深入掌握计算机解决问题的思路，总结规律，培养自觉应用信息技术的能力，更重要的是将计算机处理问题的方法应用于其他领域，促进各学科更好地与信息技术相结合。

学习科学领域的研究者指出：“学习的问题不仅是认知的问题，更是情境的问题、社会实践的问题。”对于计算思维能力的培养，往往是通过隐性知识获得的，而不仅仅是通过教师在课堂上教授的显性知识获取。计算思维能力的培养和提升是一个集体的、长期的过程。学习共同体理论恰好提供了一种新型的长期学习环境，是学习隐性知识，培养计算思维能力的一种重要理论，在帮助掌握隐性知识，提高实践能力，培养自主学习能力等方面被认为是行之有效的方法。同时，在构建学习共同体的过程中，成员的沟通协作能力将得到锻炼，这对于提升和强化计算思维能力也是十分重要的。

（二）基于学习共同体的多维教学模式

目前对于学习共同体的研究及应用主要是侧重于某一个方面或某一个群体，如教师学习共同体仅是对教师之间的交流、沟通进行讨论，师生共同体仅对教师和学生构建的共同体进行研究。然而，高校程序设计类课程的特点要求教学是一个全方位的开放的教学环境，需要教师与学生之间、教师之间、学生之间的合作。首先，信息类课程发展很快，新技术层出不穷，要求教师充电，不断学习新知识，从而更好地教育学生；其次，程序设计类课程在完成基本的语言教学要求的基础上，关键是培养学生的计算思维，这就需要大量的实践和讨论，问题建模都是要求多人合作完成，不论是参加竞赛，还是公司研发，都是以项目组为单位展开的，因此需要加强学生间的交流合作；再次，随着网络技术的不断发展，利用网络进行学习已成为趋势，特别是移动网络环境下的移动学习。程序设计类作为学生接触IT的第一门语言课程，更有必要充分利用网络的优势。

因此，从师—生、生—生和师—师三个方面，构建基于学习共同体的“计算思维学习圈”，将有效增强计算思维能力的培养。“计算思维学习圈”主要由老师和学生这两大主体构成，借助于现代化的交流手段，强化教师、学生以及彼此之间的关系，通过开发、互动和对话的方式，逐步培养和提升学生的计算思维能力。如图1所示。

1.建立师—生共同体，采用“导学思用”的教学方法，养成计算思维能力。在课堂教学中，设计引导，学习、探索，思考、交流和归纳、应用四个环节，在老师的引导下，让学生渐进式地学习知识，逐步加深对知识的理解，对教学内容层层深入，提高认知能力，加深对教学内容的理解和掌握，最终达到举一反三、触类旁通的境界。具体地讲，在案例目标导学环节中，教师利用案例中存在的问题，导入新课，明确学习目标， 激发学生学习兴趣，提高学生学习的目的性；在学习，探究环节中，着重由老师讲解相关的知识点，语法结构和规则，同时注重培养学生自主学习的能力和主动探求的精神；针对难点、疑点问题，引入思考、交流环节，通过小组合作和内部讨论交流的模式，使各种观点在相互碰撞、思想的交锋中越辩越明，达到加深学生对知识点理解和掌握的目的；最后在归纳、系统应用这一环节，老师引导学生完成知识的规律性总结。通过对典型案例的实现，让学生对知识点举一反三，加深理解，通过解决实际问题来体会编程思想，提高编程能力，养成计算思维。

2.建立生—生共同体，促进交流，加强实践，强化计算思维能力。首先，针对分析中学生学习过程中以个体为单位，缺乏团队协作的问题，拟在学生自主学习过程中形成基于问题解决的生—生共同体，变个体学习为团队学习，促进学生在积极依赖关系下通过多元协作实现知识建构，促使学生提升计算思维能力。特别是在实践教学环节，通过创设符合教学内容要求的情境，指出该情境中需要解决的现实问题。其次，在学生个体理解问题形成个体观点的基础上，在以小组为单位的生生共同体中，个体陈述和说明自己的观点，通过讨论对话，产生小组的解决方案，并进行实验验证。在此过程中，教师对小组的学习过程和解决问题的思路进行批判性的评价，学生可根据当前存在的不足去探索深层次的问题和解决方案。最后，通过具有创造性和创新性的探索过程，使深层次的问题进一步发展，学生再次通过协作学习过程对问题进行深加工，进而形成新的理论，新的理论被应用到情境中，新的问题又被发现，在不断的循环过程中提升发现问题、解决问题的能力，实现计算思维的提升。在此过程中，逐步形成一种良性的生生共同体学习过程，为后续程序设计、数据结构等暑期实习的实施打下基础。

3.建立师—师共同体，提升教师培养计算思维的能力。一方面，鉴于程序设计类课程是大学计算机教学的基础核心课程，需要大量教师同时完成对全校学生的教学，课程内容及教学进度要求基本一致；另一方面，由于计算机技术和信息技术的快速發展，新技术的不断涌现，要求教师不断学习，因此构建以分享资源、技术、经验、价值观等作为核心精神，以培养学生为纽带，以教师互相交流、共同学习为目的，构成师师共同体，将有效提升教师的教学水平，为培养学生的计算思维提供保障。通过集体研学、专题讲座、模拟课堂、不定期对教师进行考试等手段，把握教学重点、难点，探索计算思维培养的新思路。另外，通过集体研学后的反思，促进集体性获取的知识向个体性知识的转化，对个人的教学设计、教学思路进行修改和完善，从而促成教师的不断成长。

4.充分有效地利用现代化网络，构建“学习圈”，形成全方位的学习环境，促进计算思维的全面提升。针对不同教师之间的优质资源无法得到共享，学生无法互动交流的问题，建立基于网络课程教学、互动答疑、在线提交实验并进行测试的综合性教学平台，将师生共同体、生生共同体以及师师共同体有效结合，形成基于网络的学习共同体，作为对传统学习共同体的有效补充。各授课教师可以将教学大纲、教学计划、讲义、多媒体课件、各阶段实验题目、各阶段作业上传至数字化教学平台，为学生各阶段的学习提供充实、准确的学习资料和信息，真正营造课程的网络课堂。授课教师和学生通过网络课堂能进行实时、高效和准确的教学互动。一方面，针对学生中智能手机的普及，着力建设基于手机客户端的微网站，方便学生通过手机访问教学资源，随时随地学习；另一方面，借助微信、QQ群、微博等公众账号的普及性和互动性，建立互动交流平台，让学生和教师可以随时一起参与教学问题的讨论，及时解决学生存在的问题，充分调动学生学习的主动性和积极性。最终实现课题教学与网络化教学的有机结合。

三、结束语

随着科技的进步，特别是在大数据时代背景下，计算机科学无法置身于学科交流之外，计算思维能力是每个人都需具备的能力。构建基于学习共同体的“计算思维学习圈”已成为学生提升、强化计算思维的有效方式。

在全校范围的程序设计类课程的教学实践表明，“计算思维学习圈”激发了学生的学习兴趣，开发了学生的潜能，在提高编程能力的同时，有效提升并强化了计算思维能力。学生在各类大赛中，如ACM、程序设计大赛、齐鲁软件大赛中均取得了优异的成绩。教师的教学水平和效果有了明显的提升，在全校教师的教学评价中，学生评价得分均在90分以上。

“计算思维学习圈”的建立，充分利用了网络和多媒体等现代教学手段，强化教师与学生之间的沟通交流，打破了传统教学模式的时空限制，为学生提供了丰富的专业化学习资源，在注重理论教学的同时，更强调实践锻炼，激发学生的学习兴趣和热情，使其主动投入到学习和实践中，从而达到培养、提升和强化学生计算思维能力的目的，在高校程序设计类课程教学中探索出一种新的模式。

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