五年制高职学生计算思维培养策略探究_邓红.pdf

本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第4期(2023年2月）第19卷第4期(2023年2月）五年制高职学生计算思维培养策略探究邓 红（无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028)摘要：随着信息化的全面深入，计算思维已成为认识和解决问题的必备基本能力之一，而计算思维培养则是计算机基础教育乃至教育界的核心任务和课程改革的主要方向。由于编程是计算思维培养的必经之路，本文以通识编程课程为载体，在五年制高职中展开计算思维培养行动研究，充分考虑学情特点，为注重提高学生的计算思维训练，选择轻语法的Python语言，将程序设计学习类比为学生熟知的英语学习，分别将程序设计的基本语法与英语的基本元素、三种基本结构与段落学习联系起来，提高学生对编程的理解，促进学生计算思维的提升，实验选取两个平行班同时学习Python语言，一个班级采用常规教学法，另一个班级穿插计算思维培养模式，实验结果显示后者的计算思维进步更为明显。关键词：计算思维；Python语言；高职；抽象中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)04-0138-03开放科学（资源服务）标识码(OSID)：现代社会新技术不断涌现，如物联网、人工智能、区块链、云计算等，新技术推动着社会进步，社会的方方面面发生着深刻的变革，新技术提高了社会的整体效率、推动了各行业的发展进程。新技术在改变社会的同时，也影响着社会中的每一个人，新技术让人们的生活更加便利、学习更加从容。人们在享受新技术带来各种便捷的同时，也必须掌握相应的本领才能驾驭各种新技术，迎接新技术带来的挑战。计算思维(Computational Thinking，CT)是一种思维方式，是利用计算科学的基本理念和方法，结合工程思维、数学思维等多种思维方式，进行问题求解、系统建构和人类行为理解的思维过程1。现在的大学生，尤其是理工科学生，基本都会学习一到数门编程语言，学习编程语言的目的是解决实际问题，如果学生拥有较好的计算思维，将会大大提高解决问题的效率。1 相关研究现状1.1 计算思维相关研究现状2006年，美国卡内基 梅隆大学周以真教授2首次提出“计算思维”，即利用计算机科学的基础概念来解决问题、设计系统、理解人类行为等的思维和能力。计算思维不仅对计算机科学具有很高的价值，也是学生必须具备的基本素养和能力3。2013年，英国南安普敦大学的Cynthia Selby和John Woollard两位博士指出计算思维由算法思维(Algorithmic Thinking)、评估(Evaluation)、分解(Decomposition)、抽象(Abstraction)、概括(Generalization)等要素组成3。2010 年在西安交通大学举办的首届“九校联盟计算机基础课程研讨会(C9)”的会后声明中提出：高校计算机基础教育阶段的首要任务是培养大学生的计算思维能力；国内学者对计算思维进行了许多卓有成效的研究4-6。计算思维的特点是抽象化和自动化，并不等同于计算机编程，而是人类求解问题的一条途径，因此每个人都应该具备计算思维。1.2 国内高校培养学生计算思维模式目前，国内高校针对计算思维的研究，主要集中在以C语言、Java语言、Python语言、计算机基础的教学中进行7-9，一般情况下，老师首先讲解程序设计语言中的语法和基础知识，再学习各类语句和结构。但是由于大部分学生是首次接触程序设计语言，不太容易理解程序设计语言中的语法和基础知识，导致后续学习变得困难。国内部分学者将C语言、Java语言中复杂知识点抽象为现实世界中的元素，再将元素融入计算机的运行环境，如Visual C+6.0中，借助寄存器，将各元素连接起来，形成一个整体的、可以自动运行的系统，在考核方式上，以考查语言的语法知识为主转变为以考查学生的系统整体设计为主。培养了学生的抽象思维和整合能力,训练其解决问题的思路和方法，提升其计算思维，学生很容易将这些方法和思路扩展到其他编程语言中。但是国内学者研究的对象一般为本科院校中的在校生，他们基础扎实、学习主动性好，研究的成果也较为理想。但我国还有数量巨大的专科院校，其中五收稿日期：2022-07-15基金项目：江苏省教育科学研究院现代教育技术研究所项目(2021-R-90432)作者简介：邓红(1986)，女，安徽省宿州人，硕士，讲师，主要研究方向为人工智能、职业教育课程改革。E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.4,February2023138DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0208信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第4期(2023年2月）第19卷第4期(2023年2月）年制高职院校，招收的是初中毕业生，这些学生有自己的特点，本文研究对象是五年制高职学生。2 五年制高职学生计算思维培养研究2.1 五年制高职的特点所谓五年制高职通常是指直接招收初中毕业生，前三年按照普通中等职业教育的管理办法进行管理，学习语文、数学、英语、政治、历史、地理等文化课与相关专业课；后两年纳入普通高等教育管理，开设专科层次的公共课和专业课，学生修业期满成绩合格者，由学院颁发普通高等学校全日制专科毕业证书10。其特点如下：1)招收的学生年龄小、可塑性强、有效学习时间较长；2)专业设置灵活、贴近社会需求，统筹兼顾公共基础与专业课程；3)学生动手能力优于一般本科院校学生，知识结构较为齐全；4)自主性较强，学校可以根据学生特点进行个性化定制教学；5)学生基础弱于高中生和本科院校学生；6)教学方向以应用技术为主，理论知识在应用中融入。2.2 基于Python语言下培养学生计算思维的研究Python语言是一种计算机程序设计语言。简单易学、上手快、移植性强，既支持面向过程的编程也支持面向对象的编程。我们针对Python语言的特点，并考虑到高职学生在初中阶段已经系统学习过英语，学生已知晓学习自然语言的方法，将Python语言学习类比成英语学习，一方面可以提高学生对Python语言的掌握程度，另一方面可以训练学生的计算思维，对应关系如表1。表1将Python语言中元素与英语学习对比Python中的元素变量、常量元组、数组、字典表达式顺序、选择、循环等基本结构函 数程 序英语中的元素字 母词 语句 子段 落文 章英语课本编写程序的过程是程序设计者和计算机沟通的过程，沟通的媒介就是Python语言，计算机可以读懂编写好的程序。这和人类的自然语言类似，这样不仅可以让学生减少畏难情绪，还可以让学生建立学好Python语言的信心。1)将变量和常量当成是Python语言的基本元素，将它们比作英语中的字母；2)元组、数组、字典是由变量等按照一定规则组合而成的新的数据结构，而词语是由字母组成；3)表达式是由运算符将各种变量、常量连接起来，可以表达一定的含义；4)函数可以实现某项功能，对应一篇英语文章；5)程序可以是多个函数组成，也可以解释为由变量、常量、表达式、各种基本结构语句组成，故将其抽象为一本英语课本。Python语言中的三种基本机构的执行方式较难掌握，本文中将其抽象成了英语课本中的段落，每个段落都有其段落思想，每个段落和文章的其他部分有一个简单的分割，利用段落提高学生对Python语言中基本结构和程序执行方式的理解，提高其对计算思维中的自动化含义的理解。表2Python语言中的基本结构执行方式基本结构顺序结构选择结构循环结构英语课本阅读方式按先后顺序阅读某个段落按要求阅读某个段落、忽略部分段落重复阅读某个段落顺序结构比较好理解，程序按代码的先后自动执行，这和正常阅读英文文章形式类似。选择结构语句中，根据要求，执行部分语句，忽略部分语句，阅读英文文章时，根据要求只需阅读其中部分段落。Python语言的循环结构与重复阅读某个段落类似，Python语言循环次数是由循环变量决定的，阅读某个段落的次数是由老师决定的。2.3 Python教学中注意提升学生的计算思维高职新生大多是首次接触编程语言，将Python语言中元素抽象为英语学习，可以帮助学生对Python语言整体把握，让学生脑海中形成Python语言整体的框架。日常教学中，需要对其中的概念进行扩展，由浅入深进行教学，在框架上用相关知识进行填充，帮助学生掌握学习Python语言编程的方法，不仅可以提高教学质量，还可以提高学生计算思维能力。在教授Python时候，具体做法如下：1)注重基础知识的理解，培养学生具备解决问题的理论基础，Python是基于C语言发展而来，但是比C语言简单、更容易上手，学生第一步需要掌握Python的语言特点，如熟悉Python中关键字含义、强制缩进等概念。在进行讲解的过程中，可以结合英语学习中单词、短语的学习进行比较，让学生明白语法和关键字等，就像是构成Python程序中的基本材料，只有熟悉基本材料的特性，才能编写出功能强大的程序。2)阅读和实现具有某项功能的代码段，培养学生的模仿和再现的能力，学生在掌握基础知识后，可以尝试阅读并再现具有某些功能的代码段，一方面可以强化对基础知识的掌握，另一方面将知识点串联起来，使学生可以再现具有简单功能的Python程序，提高学生学习好Python编程语言的信心。3)独自编写具有某项功能的代码段，培养学生逻辑判断能力，Python程序具有较强的逻辑性，通过独139本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第4期(2023年2月）第19卷第4期(2023年2月）立编写代码段，提高学生代码编写能力和逻辑思维能力，让学生对Python语言有一个整体概念。4)通过引入模块，让Python程序的层次和结构更加清晰，学生掌握单个模块的功能，组合成一个具备完整功能的程序，培养学生整合各项资源的整合能力。2.4 实验2.4.1 参与者选取同一专业（软件工程）的两个班级，学生的入学成绩基本相同，随机分配为两个班级，人数大体相同。一班34人，其中男生29人，女生6人；二班35人，其中男生30人，女生5人。学生年龄在1516周岁，学生都来自江苏省，教育背景相似。2.4.2 实验方法学习课程前，对两个班级采用西班牙学者Roman-Gonzalez所开发的学习者计算思维发展水平评价工具 ComputationalThinkingtest(CTt)进行评价。该评价工具中共有28个测试题，每题以“迷宫”或“画布”的形式显示,测试内容包含if条件、if-else条件、while条件、循环-固定循环、简单函数、带参数的函数等。测试时长45分钟，每题1分，共28分，通过CTt测试方法可以测量学习者对基本的计算概念的掌握情况，以及使用编程来解决相关问题的能力。两个班级同时学习Python编程语言，由同一老师进行授课，一班采用常规教学法，任课老师直接介绍Python里的语法知识、函数等知识，再由学生练习Python程序的编写。在二班进行教学时，有意识地加入训练计算思维的方法，将Python学习方法抽象成为学习英语，以计算思维的方式锻炼学生解决问题的能力，在学生已有的知识框架上更新成新的知识学习，降低学生学习新知识的心理障碍，将已有的框架上拓展变换成新的知识框架，便于学生理解新知识，同时锻炼学生解决新问题的思维模式，在二班授课中，培养学生用计算机的处理流程来培养学生解决问题的思维，将问题进行抽象，结合英语学习，以计算机的思维指引学生学习Python编程语言。2.4.3 实验结果学习Python学期前和学期后，两次对两个班级进行CTt测试，学习前后两个班级得分如下：表3实验结果学习情况学期前学期后提高幅度一班平均得分16.817.54.17%二班平均得分15.517.915.48%经过一个学期的学习后，两个班级学生的CTt测试分数较学期开始前均有所提高，其中一班提升幅度为4%，二班提升幅度为15%，二班的提升幅度较一班高11%，两个班级分数提升既与学生年龄增加、智力提升有关系，也与学生了学习新的知识、知识结构更新有关，但二班进步比一班快，说明在教学过程中，如果有意识的加入计算思维模块，让学生在学习过程中，潜移默化的接受计算思维的思想，学生可以更早更好地以计算思维来处理和解决问题。3 总结计算机已经从诞生之初的科学计算辅助工具，变成了人们生产生活必不可少的好“伙伴”，这个“伙伴”不仅影响了我们的生产生活方式，而且还影响了我们的思维，本文主要研究培养五年制高职学生的计算思维能力。主要工作：1)研究国内外计算思维研究现状和计算思维的重要性，总结目前国内培养学生计算思维的各种模式；2)研究高职学校学生的特点；3)以高职新生学习Python语言为例，研究如何在Python语言学习中提高学生的计算思维能力，具体方法为将Python语言学习抽象为英语学习，再将Python语言中的三种基本结构自动化为英语中段落阅读方式。本文对Python语言的教学内容进行分类和总结、结合高职新生的特点和高职生的知识结构，提出提高高职学生计算思维的新方法，学生反映学习Python语言的兴趣增加，同时对Python语言学习的整体把握增强，实验表明学生的计算思维有一定提高。参考文献：1 陈鹏,黄荣怀,梁跃,等.如何培养计算思维基于20062016年研究文献及最新国际会议论文J.现代远程教育研究,2018(1):98-112.2Wing,J.M.ComputationalThinkingJ.CommunicationsoftheACM,2006,49(3):33-35.3 Duncan C,Bell T.A pilot computer science and programmingcourse for primary school studentsC/Proceedings of the Workshop in Primary and Secondary Computing Education.November 9-11,2015,London,United Kingdom.New York:ACM,2015:39-48.4 汪红兵,姚琳,武航星,等.C语言程序设计课程中的计算思维探析J.中国大学教学,2014(9):59-62.5 周平红,牛钰琨,王康,等.面向计算思维培养的STEM工程设计教学模式及应用J.现代远程教育研究,2022,34(1):104-112.6 朱雪蕊,吴超,赵赛仙,等.基于C语言下培养高校学生计算思维的研究J.电脑知识与技术,2021,17(26):274-276.7 罗步操.基于Python的高中生计算思维培养模型构建与应用研究以 迭代算法 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