任务驱动教学法对于培养工科大学生计算思维的应用研究

朱亚玲，徐瑾，王娟，张怡

（兰州工业学院 计算机与人工智能学院，甘肃兰州 730050）

培养计算思维的根本目的是提高人们解决问题的能力[1]。因此，计算思维是大学生应具备的基本素质和基本能力[2]。如何有效培养大学生的计算思维，是高等教育教学探索的核心课题之一。

1 计算思维

1.1 计算思维的教育内容

对于计算思维的内容，学者及有关机构有不同的理解：英国学者认为计算思维主要包含逻辑、抽象、算法、递归的能力；Brennan 和Resnick 将计算思维划分为概念、实践和观念3 个方面[2,3]；Settle 与Perkovic 提出了计算思维的概念框架[2]；国内学者将计算思维划分为意识、方法及能力3 个层次[4-5]；国际教育技术协会（ISTE）认为计算思维包含创造、算法、批判、问题解决和沟通合作5 个维度[6-7]。

本文认为，虽然学者及有关机构对计算思维的教育内容划分不尽相同，但其核心内容都是抽象、算法及自动化。

1.2 计算思维的评价指标

课程组综合多个评价指标，规划设计了一个相对公平、合理的计算思维能力评价指标体系，如表1 所示。该评价标准主要包含了4 个一级指标，主要评估学生的逻辑思维、抽象思维、算法思维、批判思维。每个一级指标又细分了若干个二级指标[8-9]。

表1 计算思维能力评价指标

2 任务驱动式教学

任务驱动教学以任务为主线，创设教学情境，教师引导推动，学生分析思考，通过启发学生讨论、合作探究，从而解决问题并进行归纳总结，最终帮助学生实现知识获取和能力提升，是一种开放互动式教学方法[10]。

任务驱动教学一般包含5 个环节[11]：任务设计、任务呈现、任务实施、任务评价、任务延伸。

任务设计：课前，以教学目标为指导，教师根据学生学情、教学内容设计具有实用性的教学任务。同时，设计开展任务的主要活动，如引入任务的情境、完成任务的线索或相关资料、任务的延伸设计等。

任务呈现：课中，教师创设良好的教学情境，引出需要解决的任务。

任务实施：课中，教师启发引导学生分析任务、主动探究、讨论交流、探索新知、协作学习、完成任务。

任务评价：课中，师生对任务完成结果及知识构建进行评估。同时，评价任务完成过程中学生的学习能力、协作能力。

任务延伸：课中/课后，教师设计隐含教学内容的其他任务，组织学生课堂练习或课后布置任务让学生讨论思考。

3 基于计算思维的任务驱动教学

基于计算思维的任务驱动式教学主要围绕“任务”设计与实施“教”与“学”。教师提前设计教学任务和学习情境，启发并引导学生梳理任务要求、明确任务目标，带领学生推理、分化、抽象、剖析关键点，深入探究，构建模型，通过沟通交流，协作完成任务，然后进行总结归纳、反思评价，实现知识巩固拓展与迁移[12-13]。整个教与学的过程通过多种计算思维方法开展，其流程如图1 所示：

图1 基于计算思维方法的任务驱动教学

4 基于计算思维的任务驱动教学实施

程序设计是兰州工业学院非计算机专业的通识必修课程。以语言本身完整性和系统性为重点的传统教学，缺乏对任务分析、算法设计的引导，忽视了抽象、分解、设计、模型等思维特征的融入[14]。本研究课题以程序设计课程为依托，精选案例，精心设计教学过程和教学思路，在讲授专业知识的同时培养学生的计算思维，从专业的角度培养学生处理问题的思维能力，探索任务驱动式教学对于提高工科学生计算思维的作用。

4.1 教学案例设计

本课题中程序设计课程为64 学时，开课学期为2021—2022 学年秋季学期第1 至第16 周，教学对象为自动化20-1班38名学生。教学大纲包含概述、算法、三大结构、数组、函数、指针、结构体、文件等内容。教学前，课程组集中备课，选用案例，设计任务，做好教学准备。

4.2 教学实施过程

下面以函数的定义与调用（50min）为例介绍教学实施过程。

课前，教师依据教学目标及教学重难点，利用网络平台发布学习资源及基础任务，引导学生通过线上平台完成预习任务，自主学习任务如表2 所示：

表2 自主学习任务表

课中，教师根据网络平台学生的学习数据，总结学生预习中存在的问题：不会分解任务，不会设计参数。因此，本节内容设计了2 项任务：

任务1（25min）：电子屏信息的轮播。该任务从无参数到有参数，从1 个参数到2 个参数，让学生抽象、封装函数，理解参数设计。通过对函数的逐步改进，功能的逐层提升，让学生体会结构化程序设计方法“自顶向下、逐步求精”的思想。

任务2（20min）：套路贷问题。教师对该任务采用启发式讲解，提出问题，学生分组讨论、分析，寻找问题的关键因素，设计封装函数，编码实现。让学生进一步理解函数的定义和调用，明白套路贷逻辑，增强防范意识。

课后，发布任务“简易学习者成绩/人事信息管理系统”。各小组讨论、分析，协作完成任务。

4.3 教学效果检验分析

采用多元化、过程化的考核模式评估学生学习效果，主要包括三部分：（1）实验任务的分析设计、编码实现；（2）小组任务的分析设计、编码实现、展示点评；（3）学生参与线上头脑风暴、讨论、答疑、测试等各项学习活动的产出数据。图2 为10 个小组7 次小组任务的成绩统计，图3 为学生参与各项线上活动情况。

图2 小组任务完成情况优良率

图3 学生参与各项线上活动情况

5 结语

计算思维是现代教育中的一个重要概念，也是教育界学者研究的重点课题之一。为了提高学生的计算思维能力，培养学生自我建构知识的能力，课程组以程序设计课程为例，针对主要知识点完成了基于计算思维的任务驱动教学环节的设计与教学效果的分析，从而为学生后续课程的学习奠定了坚实的基础。