基于流程圖的程序設(shè)計(jì)工具RAPTOR對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

摘 要：以計(jì)算思維為核心的課程改革，受到國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育界的廣泛重視。此次改革倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)思考問(wèn)題和解決問(wèn)題。文章以程序設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，探討基于流程圖的程序設(shè)計(jì)工具RAPTOR在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力過(guò)程中的作用和意義。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)；RAPTOR；計(jì)算思維

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.1-4

隨著以計(jì)算思維的導(dǎo)向的教學(xué)改革地深入開(kāi)展和研討，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程迎來(lái)了第三次重要的改革[1]。此次改革主要圍繞培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，使大學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算思維去思考問(wèn)題和解決問(wèn)題。它無(wú)疑是對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)提出了嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)，同時(shí)也為此類(lèi)課程的教學(xué)設(shè)置了明確的改革方向。那么，培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力，是賦予計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新使命和新要求，不僅對(duì)提升計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)水平、培養(yǎng)卓越人才具有重要的意義，也是決定改革成敗的關(guān)鍵。

1 程序設(shè)計(jì)內(nèi)容在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》中的教學(xué)現(xiàn)狀

《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的第一門(mén)公共必修課。它在大學(xué)新生入校的第一學(xué)期開(kāi)設(shè)。程序設(shè)計(jì)內(nèi)容是《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程的重要組成部分，主要使學(xué)生掌握程序的概念，程序的基本結(jié)構(gòu)和編寫(xiě)程序的流程，以及軟件開(kāi)發(fā)的基本過(guò)程。但很少有時(shí)間讓學(xué)生系統(tǒng)掌握編程思想，更不可能考慮算法設(shè)計(jì)和分析的有關(guān)內(nèi)容。教學(xué)效果往往不如人意，主要原因有三：

原因一：課時(shí)少。隨著人才培養(yǎng)方案的調(diào)整，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程課時(shí)被大幅削減，甚至有些系部將“1+X”方案中的“X”課程體系從計(jì)劃中刪掉?！洞蠡纺壳皥?zhí)行的是2+1學(xué)時(shí)，給學(xué)生和教師授課帶來(lái)前所有的挑戰(zhàn)。對(duì)于基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的地方院校學(xué)生，教師很難在短時(shí)間內(nèi)讓他們接受一門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，理解這些理論性較強(qiáng)、相對(duì)抽象的內(nèi)容。

原因二：語(yǔ)法是一個(gè)天然屏障。任何一門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都存在語(yǔ)法問(wèn)題，如果語(yǔ)法關(guān)沒(méi)過(guò)，寫(xiě)不出一個(gè)完整的程序，那程序也自然無(wú)法運(yùn)行。沒(méi)有直觀的運(yùn)行結(jié)果，學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)積極性大大降低，課堂教學(xué)枯燥乏味，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，整個(gè)教學(xué)效果較差。甚至對(duì)隨即開(kāi)出的程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程沒(méi)了好感并產(chǎn)生退縮心理。

原因三：程序的靈魂沒(méi)有展現(xiàn)。算法是程序的靈魂，算法是激發(fā)學(xué)生興趣的最好內(nèi)容。而在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》中，很少有教師把它做為程序設(shè)計(jì)的前奏展開(kāi)。比如遞歸、迭代、排序、查找等算法是學(xué)生比較容易理解并產(chǎn)生興趣的內(nèi)容，如果加以描述和實(shí)現(xiàn)，對(duì)學(xué)生必將產(chǎn)生積極的影響。

綜上所述，《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》的教學(xué)體系決定了教學(xué)內(nèi)容，很多教師把精力投入到知識(shí)的灌輸上，缺乏對(duì)學(xué)生思維方式的培養(yǎng)，而程序設(shè)計(jì)在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》教學(xué)中存在諸多困難，也是非常容易陷入到這種模式中。

2 計(jì)算思維的引入

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上給出，并定義的計(jì)算思維（Computational Thinking）。周教授認(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(lèi)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)[2]。

2010年7月19日至20日在西安交通大學(xué)舉辦了首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員陳國(guó)良院士蒞臨會(huì)議，作了“計(jì)算思維能力培養(yǎng)研究”的報(bào)告，并主持了該專(zhuān)題的討論，提出在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中要完美地體現(xiàn)出以人為本、傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代教育理念，大力培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力[3]。

這種以計(jì)算思維為核心的教學(xué)改革勢(shì)在必行。隨著認(rèn)識(shí)上的不斷加深，又由于大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的特殊性，一直在探索如何在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，使學(xué)生對(duì)這門(mén)課程產(chǎn)生興趣并留下較深的印象，同時(shí)也決定了本課程的意義和生命力。

3 基于流程圖的可視化軟件RAPTOR

RAPTOR（Rapid Algorithmic Prototyping Tool for Ordered Reasoning，基于有序推理的快速算法原型設(shè)計(jì)工具）是一種基于流程圖的可視化編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。而流程圖是一系列相互連接的圖形符號(hào)的集合，其中每個(gè)符號(hào)代表要執(zhí)行的特定類(lèi)型的指令。符號(hào)之間的連接決定了指令的執(zhí)行順序。

RAPTOR專(zhuān)門(mén)用于解決非可視化的環(huán)境的句法困難和缺點(diǎn)?？梢栽谧畲笙薅鹊販p少語(yǔ)法要求的情形下，幫助用戶(hù)編寫(xiě)正確的可運(yùn)行的程序指令。RAPTOR允許學(xué)生用連接基本流程圖符號(hào)來(lái)創(chuàng)建算法，然后可以在其環(huán)境下直接調(diào)試和運(yùn)行算法，該環(huán)境可以直觀地顯示當(dāng)前執(zhí)行符號(hào)所在的位置，以及所有變量的內(nèi)容。

RAPTOR正好克服了程序設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的語(yǔ)法障礙和算法難懂的問(wèn)題，同時(shí)更側(cè)重于算法的驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，這對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)非常有利[4]。

4 應(yīng)用案例

案例1：計(jì)算個(gè)入所得稅。

首先，讓學(xué)生做好課前準(zhǔn)備。在這個(gè)案例中，要讓學(xué)生知道什么是個(gè)人所得稅，個(gè)人所得稅又是如何計(jì)算。這些答案需要學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)搜索，這里就用到了計(jì)算思維中自動(dòng)化的概念，搜索相關(guān)于個(gè)人所得稅的案例和資料。個(gè)人所得稅稅率表如表1所示。

以2013年個(gè)人所得稅計(jì)算辦法為例[5]。個(gè)人工資個(gè)稅的計(jì)算公式為：

應(yīng)納稅額=（全月應(yīng)納稅所得額-扣除數(shù)）×適用稅率-速算扣除數(shù)

個(gè)稅起征點(diǎn)是3500元，使用超額累進(jìn)稅率的計(jì)算方法如下：

全月應(yīng)納稅所得額=（應(yīng)發(fā)工資-“五險(xiǎn)一金”）-3500

例如，如果張三的工資收入為5000元（全月應(yīng)納稅所得額），他應(yīng)納個(gè)人所得稅為：（5000-3500）×3%-0=45元。

第二，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生從收集整理的相關(guān)資料中提煉出有用信息，刪除大量冗余信息這一階段用到了計(jì)算思維方法中關(guān)注點(diǎn)分析的方法。并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象，構(gòu)造數(shù)學(xué)模型和流程圖，本程序使用的是分支結(jié)構(gòu)。

第三，運(yùn)用RAPTOR畫(huà)出流程圖并運(yùn)行，如圖1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述案例從學(xué)生親身經(jīng)歷的鮮活例子入手，調(diào)動(dòng)學(xué)生思考的積極性。使其體會(huì)程序設(shè)計(jì)與實(shí)際生活的緊密聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生采用計(jì)算思維一系列方法（關(guān)注點(diǎn)分析，抽象和分解，構(gòu)造、建模、保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答，選擇問(wèn)題合理描述方式，歸納等等）整理思路，通提供思考、討論、交流的機(jī)會(huì)，讓他們親歷知識(shí)的產(chǎn)生和形成過(guò)程[6]。并出示解決上述問(wèn)題的流程圖并運(yùn)行結(jié)果。

RAPTOR將流程圖、程序設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)和算法分析一體化，使程序設(shè)計(jì)過(guò)程中原本抽象的教學(xué)過(guò)程變得更加清晰。它不僅是計(jì)算思維的重要實(shí)踐工具，也成為教學(xué)改革的有力推手。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮博琴.對(duì)于計(jì)算思維能力培養(yǎng)“落地\"問(wèn)題的探討[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012（09）.

[2]九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2010（09）：4.

[3]陳國(guó)良.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（01）：7-11.

[4]程向前.基于流程圖的可視化程序設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的影響[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（14）.

[5]楊男才.信息技術(shù)《算法與程序設(shè)計(jì)》教學(xué)探討[D].上海師范大學(xué)，2013.

[6]趙前程.經(jīng)管類(lèi)專(zhuān)業(yè)管理信息系統(tǒng)課程現(xiàn)狀分析與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)[J].中國(guó)管理信息化，2009，12（14）：128-129.

作者簡(jiǎn)介：盧瓊（1980-），女，陜西扶風(fēng)人，講師，碩士，研究方向：信息隱藏。

作者單位：商洛學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，陜西商洛 726000

基金項(xiàng)目：陜西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年立項(xiàng)課題（SGH13399）。