計(jì)算思維的C++項(xiàng)目式教學(xué)的研究與實(shí)踐

初耀軍

摘要：以C++項(xiàng)目式教學(xué)為例，以掌握C++基礎(chǔ)知識(shí)為前提，以綜合運(yùn)用C++語(yǔ)言知識(shí)為目標(biāo)，以軟件工程、軟件項(xiàng)目管理原則為導(dǎo)向，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果考核四個(gè)方面，將基于計(jì)算思維的項(xiàng)目式教學(xué)方法在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維意識(shí)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；項(xiàng)目式教學(xué)；創(chuàng)新教育

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2012)36-8700-04

1 計(jì)算思維與項(xiàng)目教學(xué)法

1.1計(jì)算思維

周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維和理論思維、實(shí)驗(yàn)思維一起被稱為推動(dòng)人類社會(huì)文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大科學(xué)思維。

進(jìn)一步地定義為：通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道問(wèn)題怎樣解決的方法；是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法；是一種采用抽象和分解來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注分離的方法（SoC方法）；是一種選擇合適的方式去陳述一個(gè)問(wèn)題，或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法；是利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。

1.2 項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法就是在老師的指導(dǎo)下,將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理。對(duì)C++項(xiàng)目式教學(xué)法還包括：人員的組織與管理、軟件度量、軟件項(xiàng)目計(jì)劃、風(fēng)險(xiǎn)管理、軟件質(zhì)量保證、軟件過(guò)程能力評(píng)估、軟件配置管理等都由學(xué)生自己負(fù)責(zé),學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目的訓(xùn)練,了解并把握整個(gè)過(guò)程及每一個(gè)環(huán)節(jié)中的基本要求。

計(jì)算思維是信息社會(huì)中創(chuàng)新的需要，是大學(xué)生創(chuàng)新性思維培養(yǎng)的重要組成部分。C++項(xiàng)目式教學(xué)不能僅限于軟件工程指導(dǎo)下的C++語(yǔ)言基礎(chǔ)的綜合訓(xùn)練，還應(yīng)該在軟件項(xiàng)目管理原則下的培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。

2 C++項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐

2.1教學(xué)內(nèi)容

2.1.1項(xiàng)目的選取

以《全國(guó)計(jì)算機(jī)二級(jí)C++考試大綱》的要求為準(zhǔn)繩，制定適合我院特點(diǎn)的《C++課程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，選取《學(xué)生成績(jī)管理》項(xiàng)目為案例。《學(xué)生成績(jī)管理》學(xué)生比較熟悉，能覆蓋C++大綱要求的知識(shí)點(diǎn)，可引導(dǎo)學(xué)生從日常生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，減少材料收集，縮短調(diào)研、需求分析時(shí)間，相對(duì)增加C++基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)時(shí)間。學(xué)生可領(lǐng)悟到項(xiàng)目源于生活，創(chuàng)新、發(fā)明源于日常生活，“處處留心皆學(xué)問(wèn)”。同時(shí)布置同步練習(xí)項(xiàng)目《企業(yè)工資管理》，學(xué)生在項(xiàng)目需求分析、總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編寫代碼、測(cè)試等有關(guān)方面的內(nèi)容有一定的獨(dú)立訓(xùn)練。

2.2教學(xué)方法

2.2.1復(fù)雜任務(wù)簡(jiǎn)單化

程序設(shè)計(jì)的基本原則是自頂向下，逐步求精。將《學(xué)生信息管理》劃分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)維護(hù)、幫助等子項(xiàng)目（或模塊）。如果劃分后的子項(xiàng)目還復(fù)雜，例如數(shù)據(jù)處理，就進(jìn)一步再分：數(shù)據(jù)排序、數(shù)據(jù)查詢等。這樣直到每個(gè)部分只完成單一功能，代碼行數(shù)不是很多為止。

2.2.2合適的描述方式

UML是面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)中一種通用的圖形化建模語(yǔ)言，它定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用。面向?qū)ο蟮姆治鲋饕诩訌?qiáng)對(duì)問(wèn)題空間和系統(tǒng)任務(wù)的理解、改進(jìn)各方交流、與需求保持一致和支持軟件重用等4個(gè)方面表現(xiàn)出比其他系統(tǒng)分析方法更好的能力，成為主流的系統(tǒng)分析方法。引入U(xiǎn)ML，對(duì)項(xiàng)目需求分析、總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編寫代碼、測(cè)試等各個(gè)階段各個(gè)部分進(jìn)行描述，尤其利用UML圖描述算法。同時(shí)，講解UML圖到程序的轉(zhuǎn)化方法。

2.2.3注意魯棒性

魯棒性（robustness）就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說(shuō)，計(jì)算機(jī)軟件在輸入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或有意攻擊情況下，能否不死機(jī)、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。明顯地，成績(jī)的值域，一般成績(jī)不能為負(fù)數(shù)等，但常被初學(xué)者忽略，致使程序執(zhí)行時(shí)接受負(fù)數(shù)。在高校，成績(jī)范圍一般在0-100，要對(duì)超過(guò)這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并給出相應(yīng)的處理。變量的數(shù)據(jù)類型定義，要根據(jù)使用數(shù)據(jù)集的具體情況，如考試成績(jī)，如果是在正整數(shù)0-100范圍內(nèi)，定義考試成績(jī)變量無(wú)符號(hào)短整型較好，否則浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。

2.2.4啟發(fā)式教學(xué)

對(duì)冒泡排序：依次比較相鄰的兩個(gè)數(shù)，將小數(shù)放在前面，大數(shù)放在后面。第一趟得到最大數(shù)放到數(shù)組最后元素的位置上，第二趟將剩余的元素再兩兩比較，將剩余元素中的最大值，放到倒數(shù)第二個(gè)位置，……。這樣，從中找到趟數(shù)與該趟比較次數(shù)之和等于元素個(gè)數(shù)。同時(shí)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)于二維數(shù)組，如果按行（或列）排序時(shí)，對(duì)應(yīng)的列（或行）中元素也要交換。通過(guò)啟發(fā)，使學(xué)生在處理某問(wèn)題時(shí)要考慮相關(guān)問(wèn)題，包括異常問(wèn)題。

2.2.5算法的優(yōu)化

對(duì)數(shù)據(jù)的冒泡排序，當(dāng)進(jìn)行某趟排序后，數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足排序要求了，是否還進(jìn)行排序？如果結(jié)束排序，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)記。該標(biāo)記初始值為不需要排序。如果有交換，將該標(biāo)記置位需要排序，當(dāng)本趟排序結(jié)束后，檢查該標(biāo)志是否是不需要排序，如果是不需要排序，則排序結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行排序，進(jìn)而優(yōu)化了算法。再如求質(zhì)素問(wèn)題、斐波那契序列問(wèn)題等的優(yōu)化。通過(guò)算法優(yōu)化是學(xué)生深入了解算法執(zhí)行時(shí)間和數(shù)據(jù)占用的空間的估算。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1創(chuàng)設(shè)情境

3.1.1用已知問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)情景

語(yǔ)法上，先回憶數(shù)學(xué)中的有窮序列，再講解數(shù)組，并將數(shù)組和有窮序列加以對(duì)照；二維數(shù)組與矩陣、平面對(duì)照；三維數(shù)組與立體坐標(biāo)以及3D電影等對(duì)照。

算法上，以往用目測(cè)方式將一組數(shù)有序，進(jìn)一步給出兩兩比較進(jìn)行排序的冒泡法。再如，如何判斷一個(gè)正整數(shù)M是否是質(zhì)數(shù)，根據(jù)數(shù)學(xué)定義求解，同時(shí)用正整數(shù)分解兩個(gè)因數(shù)積的形式得到最大因數(shù)不超過(guò)M/2，再進(jìn)一步分析，最大因數(shù)不超過(guò)M的平方根。

3.1.2 新舊知識(shí)的連接點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)情景

讓學(xué)生回味“人以群分物以類聚”的含義，進(jìn)而提出“人”有哪些特點(diǎn)和活動(dòng)。再讓學(xué)生回憶“演繹和推理”知識(shí)，在函數(shù)、結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出有關(guān)“類”的概念、特點(diǎn)、語(yǔ)法格式等。

通過(guò)對(duì)比使學(xué)生明白：計(jì)算機(jī)中很多概念、編程思維源于數(shù)學(xué)。用已有的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3.2 優(yōu)化師生關(guān)系

3.2.1 學(xué)生自主探究

在提出問(wèn)題之后或總結(jié)所講知識(shí)之前，都給學(xué)生思考甚至是查閱資料的時(shí)間，強(qiáng)化學(xué)生自學(xué)能力，激發(fā)他們的創(chuàng)造潛力；鼓勵(lì)學(xué)生合作探究，讓同學(xué)講解他們解決問(wèn)題的思路、方式方法，以形成集體探究的氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神；對(duì)良好的研究結(jié)果給予肯定，對(duì)不足的研究結(jié)果給予分析，找出不足的原因，提示合適的解決方法，使學(xué)生不會(huì)因?yàn)橐淮蔚难芯拷Y(jié)果不足，就成為學(xué)習(xí)的障礙，甚至萎靡不振。同時(shí)，告訴學(xué)生解決問(wèn)題的方法不是一層不變的，鼓勵(lì)學(xué)生積極懷疑已有的算法，探討更優(yōu)的算法?！氨M信書不如無(wú)書”。

3.2.2 創(chuàng)設(shè)良好環(huán)境

良好的環(huán)境是養(yǎng)成計(jì)算思維的外部環(huán)境。通過(guò)各種載體為學(xué)生提供豐富的實(shí)例，讓學(xué)生在模仿中逐漸形成計(jì)算思維能力；通過(guò)《學(xué)生成績(jī)管理》項(xiàng)目的講解，一方面解決語(yǔ)法知識(shí)，另一個(gè)方面也要講解項(xiàng)目設(shè)計(jì)的原則、思想、方式方法等， 把學(xué)生引入真實(shí)的工作情景，通過(guò)練習(xí)項(xiàng)目激發(fā)其自覺(jué)運(yùn)用計(jì)算思維的方法原則；在講解項(xiàng)目和練習(xí)項(xiàng)目上，鼓勵(lì)同學(xué)各抒己見(jiàn)，并營(yíng)造寬松、和諧、民主的氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生高漲的學(xué)習(xí)情緒和強(qiáng)烈的探索欲望，使其思想流暢，思維活躍。

3.3 鼓勵(lì)學(xué)生探究

對(duì)于設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)思路更是多種多樣。鼓勵(lì)學(xué)生拿出自己的設(shè)計(jì)思路和方案，以培養(yǎng)他們的探究能力。在課堂教學(xué)中，抓住教材內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)或?qū)W生容易出錯(cuò)的地方，故意出錯(cuò)，引導(dǎo)學(xué)生去探究、糾正。這對(duì)保護(hù)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生探究能力很有好處。從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，布置實(shí)踐性的題目，指導(dǎo)學(xué)生參加探究活動(dòng)，把相關(guān)知識(shí)和生活實(shí)際緊密聯(lián)系起來(lái)。

3.4 軟件項(xiàng)目管理

3.4.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，每組學(xué)生通過(guò)廣泛調(diào)研，并與教師進(jìn)行充分的思維溝通后確定選題并明確項(xiàng)目的總體目標(biāo)。

3.4.2 制訂計(jì)劃

通過(guò)開(kāi)展小組交流討論，確定項(xiàng)目的實(shí)施計(jì)劃，包括需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與單元測(cè)試、集成測(cè)試階段、確認(rèn)測(cè)試、文檔編制等各個(gè)階段的任務(wù)、輸入、輸出、實(shí)施等內(nèi)容、完成時(shí)間以及組員間的分工等，制訂系統(tǒng)實(shí)施計(jì)劃書。分成系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試三個(gè)團(tuán)隊(duì)。每組只有四人，每個(gè)組員負(fù)責(zé)其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)，其余兩人作為成員，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人總協(xié)調(diào)，但也是團(tuán)隊(duì)中的一個(gè)成員。

3.4.3 實(shí)施計(jì)劃

按照實(shí)施計(jì)劃書中確定的工作步驟和分工，完成項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。分工時(shí)要特別關(guān)注任務(wù)量的均衡性，盡量在同一時(shí)間段完成任務(wù)。

4 教學(xué)效果考核

4.1 階段考核

在老師的監(jiān)督協(xié)調(diào)下，各個(gè)組都認(rèn)真完成項(xiàng)目的實(shí)施計(jì)劃，包括需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與單元測(cè)試、集成測(cè)試階段、確認(rèn)測(cè)試、文檔編制等各個(gè)階段的考核，檢查相應(yīng)的資料、文檔和代碼，沒(méi)有完成就不能進(jìn)入下階段設(shè)計(jì)，做好各個(gè)階段的考核記錄。

4.2 小組自評(píng)

在自評(píng)階段，教師指導(dǎo)學(xué)生理解迭代和收斂的概念，不斷迭代地優(yōu)化系統(tǒng)模型，一方面消除功能性錯(cuò)誤；另一方面，按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，從最壞情形恢復(fù)系統(tǒng)的計(jì)算思維原則，使系統(tǒng)足夠強(qiáng)壯，此時(shí)視為收斂，得到最終的系統(tǒng)。

4.3 交流

完成自評(píng)過(guò)程后，每一組的代表在全班展示各自的系統(tǒng)，并說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，遇到過(guò)什么問(wèn)題，這些問(wèn)題是怎么解決的。其他組的學(xué)生，包括教師都可提出問(wèn)題，讓代表或組內(nèi)成員做出解釋。這個(gè)過(guò)程是暴露思維的過(guò)程，在彼此的交流中，不同觀點(diǎn)之間相互碰撞，使每一位學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)都對(duì)問(wèn)題獲得了多方面的較深入的認(rèn)識(shí)。這不僅對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維、批判性思維的能力都大有好處。

4.4 綜合評(píng)價(jià)

在每一個(gè)階段都要求學(xué)生記工作日記，并給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)表，包括自評(píng)和組內(nèi)互評(píng)，不僅對(duì)工作，還對(duì)其表現(xiàn)出的包含計(jì)算思維在內(nèi)的能力、態(tài)度、方法等進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)；教師根據(jù)項(xiàng)目完成情況，以及與學(xué)生思維溝通、觀察平時(shí)表現(xiàn)、查看工作日記等給出自己的評(píng)價(jià)。最終的評(píng)價(jià)由自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)和教師評(píng)價(jià)三者構(gòu)成。

5 結(jié)論

通過(guò)C++項(xiàng)目《學(xué)生信息管理》教學(xué)，以及《企業(yè)工資管理》項(xiàng)目的練習(xí)，使學(xué)生在積極學(xué)習(xí)掌握C++課程的基礎(chǔ)上，初步掌握了軟件工程、軟件項(xiàng)目管理等相關(guān)內(nèi)容以及企業(yè)文化，用計(jì)算思維指導(dǎo)教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果考核四個(gè)方面，給學(xué)生獨(dú)立思考、共同研究的空間，嚴(yán)格的階段考核，使學(xué)生即了解了軟件開(kāi)發(fā)的一般原則，又為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維意識(shí)奠定基礎(chǔ)。

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