韓秋楓 王鳳芹 杜晶

海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院 山東煙臺 264001

0 引言

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程以提高學(xué)生利用計算機(jī)程序解決實際問題為主要目的，從計算機(jī)基本概念和理論出發(fā)，突出算法講解，逐步提高學(xué)生程序設(shè)計能力、交流協(xié)作能力和理論運(yùn)用于實踐的能力。課程教學(xué)采用Python 程序設(shè)計語言貫穿始終，Python 語言抽象了問題及解決方案，自動化問題求解，是“復(fù)雜信息系統(tǒng)時代”利用計算機(jī)解決問題最直觀的表達(dá)工具[1]。

但歷屆學(xué)生反映Python 語言學(xué)習(xí)時間短，掌握不深，尤其對循環(huán)和面向?qū)ο蟛糠值闹R運(yùn)用不熟練。2020 年12 月，筆者參加了學(xué)校組織的教員教學(xué)能力提升與教學(xué)創(chuàng)新研修班，從廈門大學(xué)的郭建鵬老師那里學(xué)習(xí)了O-PIRTAS翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并將其運(yùn)用在“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程中，較好地提高了教學(xué)效果。

1 O—PIRTAS 翻轉(zhuǎn)課堂模式

O—PIRTAS 翻轉(zhuǎn)課堂模式包括目標(biāo)（Objective）、準(zhǔn)備（Preparation）、教學(xué)視頻（Instructional video）、回顧（Review）、測試（Test）、活動（Activity）和總結(jié)（Summary）七個環(huán)節(jié)[2]，如圖1 所示。

圖1 O—PIRTAS 翻轉(zhuǎn)課堂模式

第一步，需要制定合理的教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)模式將教學(xué)目標(biāo)分為高階目標(biāo)和低階目標(biāo)。高階目標(biāo)主要對應(yīng)課內(nèi)、團(tuán)體、探究，而低階目標(biāo)主要對應(yīng)課內(nèi)、個體、講授。翻轉(zhuǎn)課堂的核心為將低階目標(biāo)的實現(xiàn)挪到課前課外，課堂內(nèi)主要進(jìn)行高階目標(biāo)的達(dá)成。高階目標(biāo)和低階目標(biāo)不是分裂的，而是相互聯(lián)系又相互區(qū)別的。教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定至關(guān)重要，對教學(xué)設(shè)計具有統(tǒng)領(lǐng)性。

第二步，做好課前準(zhǔn)備活動。在這一階段，教師要布置探究任務(wù)，在課前由個體完成。該探究任務(wù)的目的不是得到正確答案，而是通過此探究學(xué)生能夠發(fā)展出必要的先前知識。

第三步，觀看教學(xué)視頻。這一階段仍然是學(xué)生個體在課前完成，教師給學(xué)生提供教學(xué)視頻，也可以設(shè)置一些測試題目，供學(xué)生看完視頻自我測驗，教師可監(jiān)控學(xué)生的掌握程度。

第四步，回顧課前知識。從這一步轉(zhuǎn)移到課內(nèi)來，教師帶領(lǐng)學(xué)生簡要回顧課前視頻的主要內(nèi)容，這一環(huán)節(jié)主要是線上學(xué)習(xí)到線下學(xué)習(xí)的過渡，教師的講解應(yīng)簡短些。

第五步，進(jìn)行課堂知識測試。通過該測試，教師進(jìn)一步掌握學(xué)生線上學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果，并進(jìn)行有針對性的輔導(dǎo)。

第六步，開展課堂活動。前五階段主要針對低階目標(biāo)，主要針對布魯姆目標(biāo)分類中的記憶和理解，課堂活動主要針對高階目標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計。高階目標(biāo)不只是包括布魯姆目標(biāo)分類中的應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造等知識領(lǐng)域目標(biāo)，還可能包括其他領(lǐng)域的目標(biāo)，如情感、動作領(lǐng)域等。

第七步，課堂的總結(jié)和提升。這一步是課內(nèi)的最后一步，由教師對整個教學(xué)活動進(jìn)行總結(jié)提升，明確地指明教學(xué)的重難點(diǎn)，幫助學(xué)生形成綜合性的知識。教師還可以布置下一次課的課前準(zhǔn)備，開啟下一個O—PIRTAS 翻轉(zhuǎn)課堂。

2 O—PIRTAS 模式下的課堂設(shè)計與實施范例

本文選取大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中Python 程序設(shè)計的循環(huán)結(jié)構(gòu)這一節(jié)作為實施范例來探討說明。整個過程采用O-PIRTAS 翻轉(zhuǎn)課堂模式，包括目標(biāo)設(shè)定、準(zhǔn)備工作、觀看教學(xué)視頻、回顧課前知識、課堂知識測試、開展課堂活動和課堂的總結(jié)和提升等環(huán)節(jié)。

2.1 目標(biāo)設(shè)定

教學(xué)目標(biāo)在整個教學(xué)實施過程中起著統(tǒng)領(lǐng)作用，Python 程序設(shè)計循環(huán)結(jié)構(gòu)這一節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)包括以下內(nèi)容。

知識目標(biāo)：運(yùn)用for 語句和while 語句實現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)；會使用break、continue 輔助控制循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行。

能力目標(biāo)：能運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決實際問題，具有從實際問題到計算模型轉(zhuǎn)換的能力；具備良好的編程習(xí)慣，對同一問題能提出多種解決方案。

素質(zhì)目標(biāo)：能通過解決生活、學(xué)習(xí)中的具體問題，體會到利用計算機(jī)解決問題的有效性，并獲得成就感；具有較好的團(tuán)隊協(xié)作意識，能與同伴一起分析問題、解決問題。

課程思政：通過程序的設(shè)計與調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。

2.2 準(zhǔn)備工作

課前準(zhǔn)備工作主要是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在課上學(xué)習(xí)之前，先學(xué)習(xí)探索，準(zhǔn)備先前知識。Python 循環(huán)結(jié)構(gòu)這一節(jié)的先前知識主要有：1）學(xué)生熟悉Python 的輸入輸出語句；2）能用順序結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)編寫程序；3）能利用順序結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)解決實際問題。教師給出準(zhǔn)備工作的問題：試求1 ～20 之間的偶數(shù)的和。

2.3 觀看教學(xué)視頻

教師課前選取中國大學(xué)MOOC 國家精品課程嵩天老師的Python 語言程序設(shè)計課程中的“4.3 程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)”這一節(jié)的視頻，看完視頻完成編程任務(wù)：中國航天火箭發(fā)射前，一般都會有倒計時顯示，請你編寫實現(xiàn)倒計時的程序。

2.4 回顧課前知識

這部分教師簡要介紹10-15 分鐘，首先教師簡要講解循環(huán)的四要素：循環(huán)初始值、循環(huán)控制條件、循環(huán)變量的變化和循環(huán)體語句。然后在遍歷循環(huán)for 語句和無限循環(huán)while 語句中尋找循環(huán)四要素，并采用一分鐘倒計時的例子來進(jìn)行講解。最后教師講解break 和continue 的使用如何讓循環(huán)變得更靈活多樣。

2.5 課堂知識測試

課堂知識測試環(huán)節(jié)主要是對學(xué)生高階目標(biāo)的考核，能不能靈活運(yùn)用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決現(xiàn)實問題。教師在雨課堂給出4 道循環(huán)結(jié)構(gòu)相關(guān)的選擇題，在educoder 實訓(xùn)平臺給出一道編程題，題目為：航母攔阻索，用于將艦載機(jī)高速攔停，是艦載機(jī)名副其實的“生命線”。與岸基飛機(jī)著陸時可緩慢減速平飛大相徑庭，艦載機(jī)著陸必須加速著陸，一旦攔阻索尾鉤未能掛住艦載機(jī)，必須能快速拉升逃逸。因此艦載機(jī)著陸對甲板阻攔裝置要求極高。2012年11 月25 日，我國首次艦載機(jī)阻攔著艦試驗已取得圓滿成功！從艦載機(jī)尾鉤與攔阻索“拉鉤”開始到飛機(jī)停下全程時間只有2-3 秒。請編寫一個能統(tǒng)計航母攔阻索N 天內(nèi)“拉鉤”總次數(shù)的程序，若攔阻索的拉鉤次數(shù)超過100 次，則給予提示，不再累加。學(xué)生可以自由選擇用while 語句或for 語句來完成，并比較兩者的相同與不同之處。

2.6 開展課堂活動

本次的課堂活動圍繞如何統(tǒng)計計算多道攔阻索的拉鉤次數(shù)展開；進(jìn)一步拓展要求為：將各道攔阻索拉鉤次數(shù)從多到少排序，可以采取冒泡排序、選擇排序、堆排序等多種排序方法，為下一次的攔阻計劃做準(zhǔn)備。排序問題一直是歷屆學(xué)生的難點(diǎn)，需要用到循環(huán)嵌套并掌握住排序方法。學(xué)生可分組討論，一步步給出解決問題的詳細(xì)方案，并給出代碼。教師輪流觀察各組進(jìn)展情況，適時給予指導(dǎo)，確保每位學(xué)生都參與進(jìn)來，而且是深度參與。

冒泡排序和選擇排序是學(xué)生用得最多的排序方法。無論是冒泡排序還是選擇排序，學(xué)生都給出了他們的優(yōu)化算法，盡可能地減少數(shù)據(jù)交換次數(shù)。學(xué)生完成后，會進(jìn)行小組互評。最后評選出用時最短、代碼最整潔和算法效率最高的小組加分。

優(yōu)先完成任務(wù)的組，還可以繼續(xù)探究用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決經(jīng)典問題：如百錢百雞問題、背包問題等。

2.7 課堂的總結(jié)和提升

教師通過選取上述小組的作品來進(jìn)行點(diǎn)評、講解和總結(jié)。用循環(huán)結(jié)構(gòu)解決問題時，要找到循環(huán)四要素，必要時靈活使用continue 和break 語句。并針對排序相關(guān)算法進(jìn)行總結(jié)規(guī)律，分析冒泡排序和選擇排序的時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。

整個教學(xué)過程可總結(jié)如圖2 所示。

圖2 O—PIRTAS 模式下Python 程序設(shè)計課堂

3 教學(xué)效果分析

O-PIRTAS 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，遵循的是探索—講授—應(yīng)用的思路。學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容之前，先激起他們的舊知，學(xué)生利用舊知探索新知，再通過課前視頻的講授和教師在課上對內(nèi)容的回顧和講授，加深對知識的認(rèn)知，然后學(xué)生在課上通過課堂活動對新知進(jìn)行鞏固加深和應(yīng)用。將之前被動的學(xué)習(xí)知識變?yōu)橹鲃尤ヌ骄繎?yīng)用知識，從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

筆者將這種教學(xué)模式應(yīng)用在了2020 級學(xué)生的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中的Python 程序設(shè)計模塊，經(jīng)Python 模塊單元測試成績來看，比上年同期學(xué)生成績提高18%，通過學(xué)生座談了解到學(xué)生比較喜歡這種教學(xué)方式。

學(xué)完本門課程后，有3 名學(xué)生對編程特別感興趣，打算自己研究做個小的信息管理系統(tǒng)，統(tǒng)計學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、內(nèi)務(wù)表現(xiàn)、受表彰情況等，利用自己所學(xué)為學(xué)生隊做貢獻(xiàn)。

4 Python 程序設(shè)計教學(xué)實踐策略

第一次將O-PIRTAS 翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式用于Python程序設(shè)計教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果，但也有很多做得不好的地方，將經(jīng)驗和實施策略總結(jié)如下。

1）提供的教學(xué)資源盡可能豐富，包括國家精品課程在內(nèi)的線上資源、實訓(xùn)平臺的編程任務(wù)以及相應(yīng)的案例，但不能過多，必須指明看哪一段視頻，做哪一個實訓(xùn)任務(wù)，資源精簡有針對性。

2）要切實提高學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)積極性，通過測試明確學(xué)生的薄弱點(diǎn)和易錯點(diǎn)在哪里，及時調(diào)整課堂活動的探究點(diǎn)，必要時給學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架；探究活動時加強(qiáng)深層次的生生互動，讓每個學(xué)生在學(xué)習(xí)中都有收獲；建立良好的評分機(jī)制，包括學(xué)生的個人學(xué)習(xí)成績、小組成績、小組互評成績等，多鼓勵學(xué)生積極參與到知識探究中來。

3）每節(jié)課教學(xué)目標(biāo)分出高階目標(biāo)和低階目標(biāo)，目標(biāo)定位要準(zhǔn)確，對學(xué)生的已有知識要清楚，能分清哪些對學(xué)生是高階目標(biāo)，哪些是低階目標(biāo)。

4）教師要精心備課，準(zhǔn)備多種教學(xué)方案，做好各種預(yù)案，同時善于利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率，如會使用視頻編輯軟件等截取制作短視頻、會使用概念圖工具進(jìn)行總結(jié)等。

5 結(jié)束語

O-PIRTAS 翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式將課上和課下較好地融合了起來，強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和主體地位，強(qiáng)調(diào)目標(biāo)的分類，將低階目標(biāo)的知識轉(zhuǎn)移到課外學(xué)習(xí)，高階目標(biāo)的知識在課上探究，極大地提高了教學(xué)效果。該教學(xué)模式具有較強(qiáng)的靈活性，但也對教師提出了更高的要求。將此教學(xué)模式應(yīng)用于Python 程序設(shè)計知識，在設(shè)計探究活動時，必要時提供代碼支架，探究案例可保持一致性?？梢暂^好地提高學(xué)生的計算思維，提升學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)分析問題、解決問題的能力。