基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)探討

張靜　鄔恩杰

摘要：采用灌輸式的以高級程序設(shè)計(jì)語言自身體系為脈絡(luò)開展的《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式，不利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維及創(chuàng)新能力。從培養(yǎng)計(jì)算思維的角度選編案例，以“程序設(shè)計(jì)”為中心，運(yùn)用基于案例驅(qū)動的教學(xué)模式，可有效訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：案例驅(qū)動；計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；課程教學(xué)

DOIDOI：10.11907/rjdk.151763

中圖分類號：G433

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號

文章編號：16727800（2015）008021002

1 《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要課程之一。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的工作原理，更好地掌握利用計(jì)算機(jī)處理問題的方法，培養(yǎng)分析和解決問題的思維和能力，即培養(yǎng)計(jì)算思維，是大部分非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語言的主要目標(biāo)。目前，在《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)效果不甚理想，一方面，課程教學(xué)內(nèi)容基本上以高級語言自身體系（如C、VB、JAVA等）為脈絡(luò)展開，沒有以“程序設(shè)計(jì)”為中心，沒有把解決問題的思想方法（即算法）與計(jì)算機(jī)程序（即實(shí)現(xiàn)算法）緊密結(jié)合起來；另一方面，課堂教學(xué)基本采用“理論講授+例題剖析+上機(jī)實(shí)驗(yàn)+課后習(xí)題”的教學(xué)方法，這種灌輸式教學(xué)方法脫離實(shí)際應(yīng)用，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，缺乏自主探索和創(chuàng)新意識，思維得不到訓(xùn)練，不利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

2 計(jì)算思維

計(jì)算思維（Computational Thinking）由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系周以真教授[1]于2006年作為一種基本技能和普適思維方法提出，即“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”。計(jì)算性思維實(shí)際上是一個思維過程，它將一個問題清晰、抽象地描述出來，并將問題的解決方案表示為一個信息處理流程。計(jì)算思維包含了數(shù)學(xué)性思維和工程性思維，而其最重要的思維模式就是抽象話語模式。它引導(dǎo)計(jì)算機(jī)教育工作者、研究者和實(shí)踐者推動社會變革，這不僅僅限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，當(dāng)前各個行業(yè)領(lǐng)域中涉及的大數(shù)據(jù)問題，都依賴于計(jì)算算法，來挖掘有效內(nèi)容，這意味著計(jì)算機(jī)科學(xué)將從前沿變得更加基礎(chǔ)和普及。計(jì)算思維無處不在，當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動中時，它作為一個解決問題的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會被使用[2]。

計(jì)算思維的重要作用引起了中外學(xué)者的關(guān)注。2010年，《九校聯(lián)盟計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)盟聯(lián)合聲明》指出，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)復(fù)合型人才的重要組成部分。該聲明旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。當(dāng)前，教學(xué)改革的重心是加強(qiáng)以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程建設(shè)，以此進(jìn)一步確定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的基礎(chǔ)地位和加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)[3]?！队?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維能力的一門重要課程，如何在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)的同時教會學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維去思考問題和解決問題已成為當(dāng)前重要課題。

3 案例驅(qū)動的計(jì)算思維培養(yǎng)

3.1 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法指以案例作為教學(xué)材料，結(jié)合教學(xué)主題，通過討論、問答等互動教學(xué)，讓學(xué)生了解與教學(xué)主題相關(guān)的概念或理論，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者分析問題、解決問題的能力[4]。它以鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考、注重能力培養(yǎng)為特色，這些特色使其更適用于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。其開放性有助于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識，全員互動性有助于鍛煉學(xué)生學(xué)會解決實(shí)際問題，啟發(fā)性有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，現(xiàn)實(shí)真實(shí)性有助于培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)際問題的能力，答案多元化和最優(yōu)化可更好地培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)際問題的理解及處理能力。

3.2 重組精編案例，突出計(jì)算思維

在《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，除了要讓學(xué)生掌握基本語法知識及編程外，更為重要的是算法設(shè)計(jì)，而算法設(shè)計(jì)正是計(jì)算思維的體現(xiàn)。案例教學(xué)法的關(guān)鍵在于案例選編，需遵循典型性、目的性、啟發(fā)性、真實(shí)性和生動性的原則，從計(jì)算思維的角度出發(fā)，將問題求解提升到計(jì)算思維的高度。如把簡單的“數(shù)據(jù)交換”思想遷移到“應(yīng)用數(shù)組實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的冒泡排序”算法；從“自然數(shù)求和”的簡單迭代算法類比聯(lián)想到“級數(shù)求和”以及“迭代法求方程的近似解”；從“猴子吃桃問題”，引導(dǎo)學(xué)生逆向思維，從后往前推斷，進(jìn)行迭代；也可利用計(jì)算思維的特征，引導(dǎo)學(xué)生使用遞歸方法，讓學(xué)生全面了解遞歸算法的遞推過程和回歸過程；由Fibonacci數(shù)列的循環(huán)迭代算法聯(lián)想到應(yīng)用一維數(shù)組遞推算法，再到遞歸算法。循序漸進(jìn)地把抽象的知識點(diǎn)貫穿到學(xué)生感興趣并蘊(yùn)含計(jì)算思維的經(jīng)典案例的算法設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)學(xué)生主地思考并嘗試多種解決方案。運(yùn)用多種算法多角度地訓(xùn)練學(xué)生思維，可使學(xué)生既掌握基本的語法結(jié)構(gòu)，又學(xué)會用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)解決問題?？晒┱n程中選擇的部分案例如表1所示[5]。

3.3 案例任務(wù)驅(qū)動，培養(yǎng)計(jì)算思維

3.3.1 正確定位師生角色，營造開放型學(xué)習(xí)氛圍

為了讓學(xué)生準(zhǔn)確理解計(jì)算機(jī)處理問題的思路和方法，最好的辦法是設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)案例。以案例作為任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法最根本的特點(diǎn)就是“以任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽”的被動教學(xué)模式。以經(jīng)典案例作為任務(wù)，將學(xué)習(xí)者引入一個特定的真實(shí)情境中，按照理論結(jié)合實(shí)踐的原則，學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，形成學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)的開放型學(xué)習(xí)氛圍。

3.3.2 結(jié)合計(jì)算思維的案例實(shí)施

呈現(xiàn)案例，提出案例中關(guān)鍵問題，分析關(guān)鍵知識點(diǎn)和算法思想，初步擬定解決方案，然后在課堂上闡述教師對問題的分析，提出解決方案和依據(jù)，對問題和解決方案進(jìn)行討論，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生展開基于本案例的聯(lián)想與類比，鼓勵在案例實(shí)施中實(shí)現(xiàn)“一帶一類”（指案例解決方案所涉及的計(jì)算思維能夠輻射到同一類問題的通用算法思想，如迭代算法和窮舉算法可以輻射循環(huán)程序設(shè)計(jì)中所有算法思想）與“一題多解”（指解決問題的算法多樣性）。

討論交流是案例教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，可分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、困惑、疑問，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作及交流能力。

最后通過歸納總結(jié)，得到最佳解決方案。這樣，不僅可以得到解決此問題的多樣化算法，而且可以掌握解決這一類問題的通用算法思想?？赏ㄟ^案例驅(qū)動法讓學(xué)生學(xué)習(xí)更有針對性，學(xué)生更有成就感。

3.4 強(qiáng)化實(shí)踐實(shí)訓(xùn)，訓(xùn)練計(jì)算思維

上機(jī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐是程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，通過上機(jī)實(shí)踐可以促使學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的薄弱環(huán)節(jié)，積累上機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)技巧，理論與實(shí)踐相結(jié)合、融會貫通，達(dá)到綜合應(yīng)用的目的。上機(jī)實(shí)踐是訓(xùn)練和培養(yǎng)計(jì)算思維的最快捷方式，因此課程教學(xué)中要強(qiáng)調(diào)上機(jī)實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)以案例或項(xiàng)目驅(qū)動法，通過實(shí)戰(zhàn)演練培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中要規(guī)范上機(jī)流程，加強(qiáng)引導(dǎo)，鼓勵算法的多樣化，可按以下要求有目的、有步驟地訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐能力：①分析問題，建立數(shù)學(xué)模型；②算法設(shè)計(jì)；③程序設(shè)計(jì)；④調(diào)試程序；⑤運(yùn)行程序并分析結(jié)果。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，通過課程實(shí)踐綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識。完成實(shí)驗(yàn)后要注重反思，做好分析和匯總，撰寫實(shí)驗(yàn)報告，進(jìn)一步拓展計(jì)算思維。只有通過上機(jī)實(shí)踐，思維才能得以訓(xùn)練，程序設(shè)計(jì)能力才能得以提高。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，案例教學(xué)是一種行之有效的新型教學(xué)手段。在《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)過程中引入蘊(yùn)含計(jì)算思維的經(jīng)典案例并貫穿教學(xué)始終，可有效地促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)。同時，將課堂互動表現(xiàn)、案例實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)等多種考核項(xiàng)目引進(jìn)該課程考核中，實(shí)現(xiàn)評價的過程化、多樣性，有助于提高教學(xué)質(zhì)量，取得良好教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] JEANNETTE M W.Computational thinking[J].Communications of ACM，2006，49（3）：3335.

[2] 陳國良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）：911.

[3] 馮博琴.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].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）：46.

[4] 張民杰.案例教學(xué)法理論與實(shí)務(wù)[M].北京：九州圖書出版社，2006.

[5] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].第4版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

（責(zé)任編輯：孫 娟）