融入计算思维的公安院校计算机实验微课教学探索

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内容来源：《数字教育》 2017年第3期

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摘要

 

本研究从当前公安院校信息化教育的要求出发，将计算思维融入到大学计算机实验教学中，以微课这种形式来改革传统实验教学模式。首先从理论层面对计算机实验教学现状进行分析，并就计算思维与微课的结合进行讨论，然后对计算机实验微课教学体系建设、微课教学过程设计以及微课制作策略等方面进行了探索。实践表明，该教学方式对公安院校学生的计算思维能力培养具有较好效果，也为其他行业院校的计算机实验教学提供了借鉴。

关键词：计算思维；微课；大学计算机实验；公安院校；教学效果

当前，警务信息化已朝着“警务云、智慧公安” 的方向不断发展，这要求未来的警务人员应该是同时具备警务实战和计算机应用能力的复合型人才。公安院校作为行业性极强的应用型高校，在大学计算机课程的教学内容、教学模式上通过不断改革和创新，目前已经形成了“教、学、练、战”具有公安特色的培养模式。对于近年在计算机教学中兴起的计算思维概念，公安院校也应该重新审视和创新公安计算机教学，特别是计算机实验教学，探索借助新的环境与手段将计算思维与公安计算机实验教学相结合，开设适合广大学员学习的课程，提升未来警察的能力素质。

微课具有教学时间短、内容少、主题突出和传播多样化等特点，主要运用信息技术以碎片化形式呈现学习内容[1]。微课的应用，实现了以学生为中心的教学模式，学生可以根据自己的兴趣、时间来自由选择学习内容，提升了学习的自主性。

本文立足公安院校计算机实验教学的基本要求， 结合计算思维的特点，介绍了融入计算思维的公安院校计算机实验微课教学的开展过程，以期为后来研究者和实践者提供借鉴和参考。

一、计算机实验教学现状分析

（一）“一刀切”式的实验项目和难度设置

近十年来，随着计算机及网络的普及，过去需要在大学课堂讲授的计算机操作基础知识，现在很多学生在中学阶段已经学过，一些学生可以较熟练地使用Office 软件，或进行基本的网络配置和编程。而来自偏远地区的同学，他们对计算机了解较少，很多基础的内容需要更多、更细致的练习。学生能力的差异化，为大学计算机实验教学内容的安排带来了挑战，过去沿用的“一刀切”式项目设置和难度设置无法照顾这“两端”的学生，最终导致实验课效果不理想。

（二）实验教学以单纯的实验教材为主导

不同基础、不同专业学生对计算机操作练习的需求不尽相同，纯粹地以计算机实验指导书为中心，造成实验内容单一，无法方便学生获得大量的实验素材和资料，束缚了学生知识面的拓宽和技能提升。

（三）传统实验教学环节学生参与度低

目前的计算机实验课教学模式，很多依然停留在教师在台上讲授演示，学生在下面跟着模仿，遇到困难再举手请教的现状。这属于典型的教师手把手带行为，但一旦学生较多时，教师在实验课上分身乏术，不能兼顾各种层面的学生，更缺少与学生的互动交流， 学生的学习热情就会大幅度降低。

（四）学生被动学习，成绩考核方法单一

由于现行的计算机实验项目大多相对独立，其内容的延续性、综合性和创新性都较弱，在大班上课、学时较分散的情况下，教师不能充分调动学生的实验积极性，学生大多是被动来完成实验内容[2]。而现在普遍的实验考核方式也是停留在对学生实验报告的评定上，并没有过多关注学生真实的实验操作能力，这无法体现出教师对学生整个实验过程进行全面考核。

二、基于计算思维的微课设计

以抽象、自动化为特点的计算思维在2006 年首次被美国卡内基·梅隆大学的周以真教授提出后，随即在世界各国计算机教育界引发广泛讨论。计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，是一种全新的思维活动和能力素质[3]。在国内， 经李国杰院士、王飞跃教授的引入和探索，目前计算思维融入到了计算机课程的教学内容、教学手段和实践应用等多个方面。

在以计算思维能力培养为目的的大学计算机教学探索中，教学工作者逐渐认识到，计算思维的培养不是培养学生的计算机思维，而是培养学生像计算机科学家那样思考问题，采用模型构造、递归、启发等方法解决实际问题[4]。同时，各界学者通过结合我国高等教育的实际不断拓展计算思维的内涵，具体针对“大学计算机”实验环节的教学，就是要树立计算思维能力的核心培养目标。

微课能在一个较短的时间内，把课程分割出的一个知识点较完整地呈现给学生，这是微课设计的基本要求，也是微课的优势，但却存在着一定的不足。由于微课知识碎片化呈现，导致学生对课程知识点间内在联系及隶属关系的认识比较模糊，同时由于微课本身时间较短，所以不少实验类微课只是简单呈现实验过程或者结果，很少启发学生自己去思考、构造实验。另外，部分实验类微课存在要素缺失的问题，将微课的“微”理解为“省”，不能正确处理“短小”与“俱全”的关系[5]。要把计算思维引入计算机实验微课教学，教师应在实验微课设计前，首先明确教学目的、教学内容、技能演练、思考分析、总结反馈等多个要素的实现过程和手段，这才有助于锻炼学习者的创造能力和知识迁移能力，提高教学效果。具体实现过程如图1 所示。

三、基于微课和计算思维的计算机实验教学改革

根据教育部高等教育司提出的以计算思维为切入点的大学计算机课程教学改革精神[6]，同时结合《公安高等教育发展规划纲要（2015—2020 年）》中对应用型警务人才在信息技术方面的需求，我院提出“2+1+X”的课程体系，即“大学计算机”和“公安信息技术应用” 两门公共基础课，一门“网络犯罪侦查”专业基础课， 再从“网络舆情监察”“信息安全技术体系”“电子数据取证”中任选一门作为专业选修课，着力培养学生的信息意识、数据分析能力、工具操作能力和协同破案能力。

上述课程的实验并不都适合制作成微课，在充分考虑能吸引学生自学、具有单独演练可能的特性后， 最后决定将“大学计算机”实验课程制作成微课。

（一）计算机实验微课项目体系建设

根据我院大学计算机实验教学大纲的总体安排，首先将实验分为六大板块，再将每一板块的实验总目标拆分成若干个小目标，每一个小目标就是一段微课。同时又将每一板块的实验微课细分为四个层次：前导型实验微课（明确知识点，发现问题）、验证型实验微课（讲解知识点，培养操作技能）、提升型实验微课（知识迁移，解决问题）、综合型实验微课（各模块知识点综合应用）， 整个大学计算机实验微课项目体系如表1 所示。

学生在使用这些微课时，可以根据自己的基础， 在实验前选择相应的前导型微课来明确知识点、弥补自身基础的不足；在实验过程中，可以通过验证型微课练习基本实验项目，而对能力较强的学生，可以选择提升型微课获得更大的收获。这两部分实验微课数目都较多，涉及实验大类的各个知识点，且在难度上设置有梯度，解决了过去实验课内容有限、“一刀切” 的问题，做到了因材施教。在每一章节结束后，学生可以通过综合型实验微课，将前边所学的知识综合应用，提升分析问题、综合应用能力。

（二）融入计算思维的实验微课教学过程设计

将计算思维融入到大学计算机实验课程中，并通过微课的形式展示给学生，是本实验微课教学创新的目标。在实验微课教学设计中为突出计算思维能力的培养，实验案例的选择至关重要，既要与知识点紧密结合[7]，又不离开公安领域，这才能让学生有兴趣去思考，提出问题并解决。同时每一个实验微课中的案例应具有多种解决办法，便于引导学生利用计算思维从多角度寻找不同解决方案，并归纳总结出最优解决方案。

在实验微课的使用策略上，我们借助微课弥补传统实验教学模式的不足，采用线上观看与线下练习指导相结合的方式。教师在实验课前，应先布置实验题目和预习内容，学生则根据自身基础，通过观看前导型实验微课，预先练习实验基本操作。在课堂上，学生可按实验目标和自身能力情况，选择不同难度的验证型、提升型实验微课观看，同时进行实验操作，在此过程中如遇到困难，教师应适时参与到实验中，和学生一起探讨未解决的问题，并积极回应他们的提问，指引学生按照计算思维的方法进行思考。在实验课后， 学生还能对实验微课内容进行观看及练习。

由于实验微课应用于实验教学的课前、课中和课后，所以在实验微课的教学设计过程中，不能因为时间短暂，就仅仅是把最后的答案或结果直接告诉学生，微课制作者更要像一个导演，通过环环相扣的情境设置，引领学生进行探索性思考[8]。

在实验微课案例选择上，要认真推敲，反复斟酌， 尽量选择有公安警务类背景的案例，这样更能提升学生的学习热情。下面用一个具体的循环选择结构计算机破案的例子来介绍如何以微课的形式在大学计算机实验中融入计算思维。

李某在家中遇害，公安机关在侦查中发现有A、B、C、D 四名嫌疑人曾到过现场。

在询问中，A 嫌疑人说：“我没有杀人。”B 嫌疑人说：“C 是凶手。”C 嫌疑人说：“杀人者是D。”D嫌疑人说：“C 在冤枉好人。”案件侦办民警经过调查， 发现四名嫌疑人中有三人说的是真话，凶手就是这四名嫌疑人中的一个，请找出凶手到底是谁。

对公安专业的学生来说，上面这个案例非常有探讨价值，由于专业性和趣味性都比较强，在实验微课设计的过程中可按照下面的几个步骤来进行计算思维的融入。

（1）首先引导学生要把实际问题进行抽象转化（转化为相应的表达式）。

A 说：我没有杀人。对应（murderer!=‘A’）；

B 说：C 是凶手。对应（murderer==‘C’）；

C 说：杀人者是D。对应（murderer==‘D’）；

D 说：C 在冤枉好人。对应（murderer!=‘D’）。

然后对上述抽象结果进行数据处理：判定每句话的真或假（用1 或0 表示），然后再求取4 句话逻辑值之和sum（sum=(murderer!=‘A’)+(murderer== ‘C’)+(murderer==‘D’)+(murderer!=‘D’)）。

（2）设置问题，比如：可以用什么算法结构来分析这个问题？这个问题的条件有几个？

（3）通过自问自答的形式给出几种解决方案，比如：多分支选择结构、选择嵌套结构、循环选择结构的综合。

（4）让学生选择不同的方案进行分析，并尝试写出程序流程图，然后进行相应的讨论分析，判断哪种方法是最简洁高效的。

（5）在课程的最后，让学生通过实际编写程序来实现算法，得出结果，并总结在解决问题过程中用到的计算思维方法。

本案例的算法设计如图2 所示。算法是先假设凶手是A，然后判断这四个人说的话是否有三句是真实的（显然，若A 为凶手，A、B、C 都说了假话，排除）； 再假设凶手是B，再一次判断这四名嫌疑人的话是否有三句是真实的，以此类推，直到假设凶手是D 时结束。其中谁的假设条件满足有三句话是真实的，那该人就是凶手，最后推出凶手是C（此时A、B、D 都说的是真话，C 说了假话）。

同样的方式，我们在对实验微课教学设计时， Word 软件的应用练习可选用“案卷制作”案例，对Excel 软件可选用“犯罪嫌疑人碰撞”“地区发案走势图” 等案例进行设计，对Flash 软件则可选用“案发现场动画模拟”案例进行设计。

（三）计算机实验微课的制作策略

大学计算机实验微课在教学过程（剧本）设计好之后，要最终达到良好的效果，微课的制作过程很关键。微课制作要围绕教学目标，突出重点，同时为了在融入计算机思维的计算机实验微课中充分调动学生的手、眼、脑的参与，一个相对轻松且生动的学习环境很重要[9]， 这对微课的设计制作提出了更高要求。因此，为了保证计算机实验微课视频的质量，我们全部在校音视频实验室录制，并对录完的微课采用Premiere CC2014 软件进行后期处理，完成字幕添加、视频剪辑、声音滤波等操作。同时，实验微课的制作还需注意下面几个问题。

首先，大学计算机实验微课的讲解语言一定要严谨，用词规范、有节奏感，所以制作前应该先写好讲解脚本，并反复修改，对重要的操作步骤要注重语言技巧，适当设置悬念，促使学生进行思索，突出计算思维能力的培养。

其次，实验微课要能持续吸引学生的注意力，除了案例典型，最好采用二人对话的形式进行讲解，也就是一方以老师身份负责设问、引导，另一方则按照学生的思维回答问题，模拟出现场实验的指导过程，这既能提起学生的观看兴趣，也较好地解决了实验微课现场交互性差的问题。

再次，对于技能操作型实验微课，要事先设计好操作步骤，每一步之间跨度不能太大，操作既要相对独立又要有逻辑顺序，尽量让基础一般的学生看得明白，并能模仿演练。

最后，在微课的背景上，风格尽量清新和谐，画面的变换不能过于频繁[10]，实验操作步骤不能有多余动作，在制作的后期，可以根据实验微课的内容适当加入背景音乐，以期取得更好的视听效果。

参考文献：

[1]WING J M.Computational thinking[J].Communications of the ACM(S0001-0782),2006,49(3)：33-35.

[2] 陈国良, 董荣胜. 计算思维与大学计算机基础教育[J]. 中国大学教学,2011，(1)：7-11.

[3] 周以真. 计算思维[C]// 新观点新学说学术沙龙活动系列活动之七. 北京：中国科学技术出版社，2007：122-127.

[4] 徐丽华, 李兵, 张勇. 基于微课和思维导图的混合式实验教学研究[J]. 实验技术与管理,2016，(12)：180-182.

[5] 芦天亮, 曹金璇, 蔡满春. 慕课时代公安院校计算机基础课程教学方法研究[J]. 计算机教育,2017，(2)：126-129.

[6] 陈宇峰, 刘琦, 李凤霞. 面向计算思维的启发式虚拟实验教学探索[J]. 实验技术与管理,2015，(9)：116-119.

[7] 李志文. 医药计算机应用基础实验教学中的计算思维能力培养[J]. 实验室研究与探索,2012，(8)：349-351，380.

[8] 余泰, 李冰. 微课在高校实验教学中的应用探究[J]. 实验室研究与探索,2015，(4)：199-201.

[9] 颜文燕, 陆汝华. 微课在计算机基础实验教学中的应用研究[J]. 湖南城市学院学报( 自然科学版),2016，(3)：351-352.

[10] 范谊. 以能力培养推动计算思维形成——基于工具软件的信息技术教学[J]. 数字教育,2016，(3)：62-68.

作者简介：

宋华（1977— ），男，重庆人，讲师，硕士，CCF（中国计算机学会）会员，研究方向为计算机基础教学、程序设计、智能信息处理；

 胡芳（1979— ），女，青海西宁人，博士，研究方向为计算机基础教育研究；

李鹏超（1983— ），男，内蒙古呼和浩特人，讲师，硕士， 研究方向为现代教育技术应用；

贾志卿（1962— ），男，内蒙古呼和浩特人，教授，硕士，研究方向为公安信息化教学。

本文发表于 《数字教育》 2017年第3期（总第15期）实践案例栏目，页码：71-75。

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本文编辑：慕编组成员（小端午）

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