陈卫卫，李 清，李志刚，施 蕾
（解放军理工大学 指挥信息系统学院，江苏 南京 210007）
摘 要：为了更有效地组织教学过程、提高教学效果，文章研究教学问题的内涵特点，构建设计教学问题的原则和策略，并给出利用BOPPPS模型在算法与数据结构课程中应用实践的案例。
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关键词 ：教学设计；概念图；数据结构；算法；BOPPPS模型
基金项目：教育部2013年教改项目“以计算思维为切入点的军队院校理工类大学计算机系列课程改革研究”（2-1）；教育部2013年教改项目“突出计算思维培养的兵种合训学员计算机系列课程教学改革研究”（2-1-ZXM-02）；解放军理工大学2014年教育教学改革课题（GJ1403019）。
第一作者简介：陈卫卫，女，教授，研究方向为算法、分布式计算、云计算，hchcww@263.net。
0 引 言
美国著名认知教育心理学家布鲁纳认为，学习的目的在于以发现学习的方式，使学科的基本结构转变为学生头脑中的认知结构。他关于教学目的的理论被称为认知—发现说，或认知—结构论。为了达成教学目标，长期以来，教学设计成为教育技术的核心组成部分，也是教育技术研究的重点。文献[1]从综述的角度，详细阐述了关于教学设计的各种定义、发展阶段、教学设计的模式以及发展趋势。文献[2]从以问题为导向的科学哲学方法论为出发点，借助系统科学方法，尝试给出教学设计理论方法的增长模式、教学设计的三维模型。
教学设计关注的要素包括教学策略、教学模式方法和教学手段等，这些属于设计教学的形式化要素。在长期的教学中我们发现，如果仅仅停留在形式层面关注教学设计，往往不能产生预期的教学效益。究其原因，主要是忽视了非常重要的教学问题设计。
1 教学问题概念
教学设计（instructional design）也叫教学系统设计，是根据教学对象和教学目标，确定合适的教学起点与终点，有序、优化地安排教学诸要素，形成教学方案的过程[1]。它是一门运用系统方法科学解决教学问题的学科，以教学效果最优化为目的，以解决教学问题为宗旨。
教学目标本质上就是需要解决的教学问题。这些问题如何提取，人们如何认识“问题”？近代的哲学家们对“问题”的认识过程进行了深入的研究，建构了“问题学”理论，其中最有影响和指导意义的是杜威和波普尔两位哲学家的观点[2]。
20世纪初，美国著名的实用主义学派哲学家杜威提出以“情境逻辑”为基础的问题理论。他认为，人的认识活动实际上是从他们面临的境况（问题、疑惑等）开始的，研究目的是获得摆脱困境（解决问题）的一个“解答式”，使人能从不合人意的境况向符合人意的境况转变。
波普尔的观点则强调“科学始于问题”，提出了从问题到问题的科学知识增长模式：
P1→TT1→EE1→P2→TT2→EE2→P3 其中P1表示起始问题，TTl表示为解决P1而提出的可行的理论方法，EEl表示解决TTl中的错误；随着P1的解决，可能又会产生新问题P2，于是又产生了解决P2问题的新方法 科学知识的增长过程就是不断发现问题、解决问题的过程。
受杜威和波普尔的问题理论启发，林定夷[3]认为“问题”即某个给定的智能活动过程的当前状态与智能主体所要求的目标状态之间的差距。因此，教学设计的过程就是不断从一种状态向另一种状态迁移的过程，而迁移的内在动机就是达成课程的教学目标。
2 教学问题的价值和设计
2.1 教学问题的价值
问题在教学中具有重要意义，它不仅代表教学目标，呈现知识产生背后的内在驱动力，也是承载能力生成训练、思维训练的主体。
美国教育心理学家加涅认为，学习是个体的一整套内部加工过程，在这个过程中，个体把环境中的刺激转化为能进入长时间记忆状态的信息。任何一个学习过程都是有层次性的，应分为动机、领会、获得、保持、回忆、概括、操作和反馈8个阶段[4]。动机阶段要引发学生对达到学习目标的心理预期，构建一定的学习情景成为学习行为的诱因，而这个阶段就是靠问题构建的。同样，布卢姆教育目标分类法[5]从认知领域将教育目标划为6类不同的等级，训练学生的认知能力，也必然离不开问题。
问题是如此重要，但是我们发现在实际教学过程中，并非人人都能有意识地寻找其中的问题，清楚地提炼问题之间的关联关系。外在的授课表现就是教师就事论事，教材写到哪里，课就讲到哪里，把知识简单地堆砌在一起，教学手段虽然现代化，但是学生却听得云里雾里。
有意识地提炼问题，有目标地确定问题的认知水平，系统地建立问题之间的内在联系，成为上好一堂课、完成好教学设计的重要前提。
2.2 教学问题设计的原则
2.2.1 分解学习目标，分层提出问题
布卢姆教育目标分类法[5]从认知领域将教育目标划分为“知道、理解、应用、分析、综合、评价”6个层次，以体现人们不同的认知水平。同时还为每一类层级的认知目标设定了相应的行为动词。布鲁姆教学目标分类方法对设计教学问题是一个很好的启发。
“知道、理解、应用、分析、综合、评价”这6个认知层次是一个从简单到复杂的认知过程。知道层次的问题是对知识的回忆和确认；理解层次的问题是专注对基本概念和原理的认识程度；应用层次的问题侧重运用基本概念、基本原理和基本方法；分析层次的问题重在考察能够利用所学的知识分析、检查问题的本质和求解方法；综合层次问题关注综合运用各种相关知识系统地分析解决问题；评价性问题则要理性、深刻地对问题的本质特征给出客观的判断。位于前3位认知层次上的问题也称为初级层次的认知问题，后3位称为高级认知问题。初级层次的问题一般具有直接、明确、无歧义的答案，而高级层次的问题答案可能不唯一。因此，在设计问题时，要关注问题的层次。特别是从学生能力培养的角度来看，要精心设计具有高级认知水平的问题，提高学生的思辨能力，将布鲁纳的“认知－结构论”落到实处，使学科的基本结构转变为学生头脑中的认知结构。
2.2.2 构建“好”的问题
所谓“好”，一是指能够准确用布卢姆教育目标分类法定位问题，二是设计的问题与教学对象相匹配，三是设计的问题与实际问题的真实程度相近，且利于教学目标的达成。教师应通过问题揭示理论概念的形成过程，引导学生探究知识的内涵与规律，激发学生运用理论知识解决实际应用问题的兴趣，提升信心。
思维的培养其实也蕴涵在问题求解、系统设计等具体工作过程中。在算法与数据结构课程教学中，我们深深体会到采用问题驱动的方式，可以把“转化、分治、递归、规约”等思维培养扎根在学生心中，在不知不觉中形成良好的思维品质。
如何设计好的问题，我们认为要遵循“设疑激趣，环环相扣”的基本原则。在一环套一环问题链的引导下，使学生明白相关知识的由来，理解新知识存在的价值，学会求解问题的思路和方法，体会科学思维的内涵，建立正确的认识观。设计“好”问题需要从以下几个方面考虑。
（1）目的性：问题要紧贴教学目标，紧贴实际，紧贴需求，并体现布鲁姆原则[5]中的认识水平。
（2）适度性：问题的难易度要与学生的实际状况相呼应，与教学的展开过程相匹配，适应学生的发展水平。
（3）开放性：问题富有层次，探究空间大，挑战与思辨共存，有助于创新思维培养。
（4）体验性：问题能够带给学生探究和发现的体验，有助于培养学生的问题意识和探究意识。
2.3 教学问题设计的策略
就像写作文先列出写作提纲，然后才开始润笔写作一样，当讲授一个内容的时候，我们也应该仔细想清楚怎么开场、怎么展开、知识点之间的衔接关系等问题之后，才收集素材、制作PPT等。
美国康奈尔大学的Joseph Novak和D. Bob Gowin首次提出了概念图（concept map）。概念图[6]是一种知识以及知识之间的关系的网络图形化表征，也是思维可视化的表征。一幅概念图一般由结点、链接和文字标注组成。结点表示一个概念，一般用几何图形、图案、文字等方式表示；链接表示不同结点之间的有意义的关系，通常用不同形式的连线（箭头、带文字的箭头等）表示，它描述了构图者对概念的理解程度；文字标注可以是不同结点上的概念关系，也可以是对结点上概念的详细阐述，还可以是对整幅图的说明。
我们认为概念图是一个可以帮助教师从教学内容中梳理问题的非常好的辅助工具，也是评估学习者对学习动机、概念与概念间关系的理解程度的好帮手。利用概念图设计问题的基本思路如下。
（1）构建概念图。首先一一列出基本概念（结点），然后按照内在逻辑关系建立概念之间的逻辑关系（链接）标注必要的文字注解。
（2）筛选基本概念的已知或未知属性。梳理哪些是学生已经具备的基本学习基础，哪些是需要讲解的重点。
（3）提炼概念之间演进关系变化的内在驱动力，形成牵引学生学习的教学问题。
3 应用案例
在算法与数据结构课程教学中，我们应用概念图辅助构建教学问题，起到了非常好的教学效果。同时，我们引入北美的BOPPPS模型来组织实施教学，在反复迭代应用BOPPPS模型完成一个个问题求解的过程中，实现知识、能力、素质的全面培养。
3.1 概念图示例
图1是关于数据结构课程的研究内容的概念图，这张图清楚地表达了“什么是数据结构，研究对象是什么，都有哪些数据结构，这些结构之间的关系是什么，算法的作用是什么，如何描述算法，为什么要评价算法，如何评价算法”等一系列问题。通过这张图，教师可以随时准确定位知识点的位置，学生可以形成清晰的知识脉络关系。
3.2 BOPPPS模型
有了问题，如何突出问题，并有效地组织实施，也是非常重要的。笔者曾经接受了BOPPPS模型教学的师资培训，尝试把概念图与BOPPPS模型相结合，展开具体教学。结果发现，利用该模型教师会更清楚教学目的，更强调目标达成的有效性，更自信得到好的教学效果。限于篇幅，本节简要说明应用BOPPPS模型与问题求解的对接方式。
BOPPPS教学模型[7]是教师进行课程设计的一种模式，起源于北美地区。BOPPPS模型将课程教学过程分为6个阶段，依次为B（bridge-in）引入、O（learning objective）学习目标、P（pre-test）课前摸底、P（participatory learning）参与式学习、P（post-assessment）课内评估、S（summary）总结。表1列出了各个阶段的含义，与5W教学要素（即Why、Who、What、How和Whether or not）的关系，以及与波普尔的“问题学”理论的映射关系。
BOPPPS教学模型也被称作有效教学模型。有效的内涵涉及效果、效率和效益3个方面：有效果是指教学的结果与预期的学习目标相吻合；有效率是指学生得到的收获与教师的教学投入成正比；有效益是指教学目标和特定的社会或个人教育期望相吻合[8]。
BOPPPS模型一方面从教学组织实施层面，给出了遵循“教学目标→教学行为→学习活动→教学评估→教学目标”的教学循环过程，使教师能够有效地组织课程教学，获取反馈信息；另一方面，从培养计算思维的角度来看，该模型还可以帮助学生思考如何分析问题、如何探寻学习难点、如何反思学习的盲点等问题，是培养计算思维的非常好的工具。
需要说明的是，BOPPPS模型的6个阶段次序不是一成不变的，可以根据需要进行调整，在迭代使用的时候，也可以省略pre-test和post-assessment环节。
3.3 概念图与BOPPPS模型的结合案例
图2是关于链表内容的概念图。实线椭圆结点是各种链表结构名称，带灰色阴影的结点表示链表的某种特征属性，虚线椭圆结点表示实际的应用问题。结点之间的连线有3种，带文字标注的链接说明产生特征属性的原因，粗实线表示组合特征属性后得到的链表结构，虚线表示该结构可以解决的问题。这张图清楚地表达了为什么需要附加链表的特征属性，复杂链表是如何生成的，与其他链表之间的关系和区别，为什么用这些结构求解相应的实际问题，他们之间的差异是什么等。
表2给出了以求解约瑟夫问题为牵引，利用BOPPPS模型组织教学过程的示例。
4 结 语
实践表明，在教学过程中综合运用概念图和BOPPPS教学模型进行教学设计，教师能够清晰地构建知识之间的内在联系，从认知层面提炼问题，确定教学的层次和目标，并易于渗透学科思想方法的培养，提高教学效果。学生在参与式教学过程中，逐渐内化计算思维，完成从知识堆砌型向能力智慧型人员的转变。
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参考文献：
[1] 那一沙, 袁玫, 吴子东. 教学设计研究综述[J]. 西南交通大学学报: 社会科学版, 2013, 14 (3): 109-113.
[2] 欧阳明, 张英. 教学设计研究: 以问题为导向的科学方法论视角[J]. 现代教育技术, 2013, 11(23): 35-40.
[3] 林定夷. 科学哲学: 以问题为导向的科学方法论导论[M]. 广州: 中山大学出版社, 2009: 90.
[4] 加涅. 教学设计原理[M]. 上海: 华东师范大学出版社, 1999: 15.
[5] Anderson L W. 布鲁姆教育目标分类学[M]. 蒋小平, 译. 北京: 外语教学与研究出版社, 2009.
[6] 百度百科. 概念图[EB/OL]. [2014-08-17]. http://baike.baidu.com/view/30037.htm fr=aladdin.
[7] Janice B J.Instructional skills workshop handbook for participants[EB/OL]. [2014-08-30]. http://www.brocku.ca/print/3354.
[8] 陈卫卫, 鲍爱华, 李清. 基于BOPPPS模型和问题驱动教学法培养计算思维的教学设计[J]. 工业和信息化教育, 2014(6): 8-18.
（编辑：孙怡铭）