程序設(shè)計課程中計算思維和應(yīng)用能力培養(yǎng)問題研究

鑒萍　陳宇峰　李鳳霞

摘要：針對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生對程序設(shè)計課程重視程度不夠，從概念到知識再到知識運用能力的過渡脫節(jié)等問題，以c語言課程為例，結(jié)合教學(xué)實踐，對計算思維和應(yīng)用能力培養(yǎng)相關(guān)問題進(jìn)行深入探討，提出以“培養(yǎng)普適思維”激發(fā)學(xué)生興趣，以“成就感”維持學(xué)生良好學(xué)習(xí)狀態(tài)，從原理性內(nèi)容出發(fā)把握概念講解的深度和廣度，以及能力培養(yǎng)一切從設(shè)計出發(fā)等教學(xué)建議和教學(xué)方法，以期對非計算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計課程改革有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計課程；非計算機(jī)專業(yè)；計算思維；應(yīng)用能力

0.引言

計算機(jī)程序設(shè)計課程如何從應(yīng)試教育向應(yīng)用能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變已是老生常談。國家教委高教司《對加強(qiáng)工科非計算機(jī)專業(yè)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)工作的幾點意見》中提到，計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)這一層次教學(xué)的主要任務(wù)是“使學(xué)生掌握計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的基礎(chǔ)知識、基本思想和基本方法；培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)處理問題的思維方式和利用軟、硬件技術(shù)與先進(jìn)工具解決本專業(yè)與相關(guān)領(lǐng)域中一些問題的初步能力”。多年來，經(jīng)過一線教師和教學(xué)研究者大量的探索和實踐，通過多層次、多方面的改革，計算機(jī)程序設(shè)計課程的教學(xué)和培養(yǎng)效果在逐步改觀，但就學(xué)生對計算機(jī)語言的綜合應(yīng)用能力來說，距離最終的培養(yǎng)目標(biāo)還有一定距離。若干年來對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的問卷調(diào)查以及持續(xù)追蹤訪談顯示，現(xiàn)實中真正理解計算機(jī)算法和程序設(shè)計內(nèi)涵的學(xué)生只有少數(shù)；而在真實應(yīng)用場景下，能主動或潛移默化地使用計算思維并成功解決專業(yè)問題的學(xué)生更是鳳毛麟角。顯然，在計算思維滲透和計算機(jī)程序語言應(yīng)用能力培養(yǎng)方面，一線教師和教學(xué)研究者還有很大的努力空間。

1.存在的問題

（1）對學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言課程的思想和動機(jī)還需進(jìn)一步引導(dǎo)。很多非計算機(jī)專業(yè)特別是非信息類專業(yè)的學(xué)生認(rèn)為程序語言的學(xué)習(xí)與自身專業(yè)無關(guān)，只是為了拿到學(xué)分而學(xué)習(xí)，依靠背習(xí)題、背程序來達(dá)到通過考試的目的。針對這樣的問題，一般的做法是在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上將學(xué)生的專業(yè)知識和程序設(shè)計課程教學(xué)相結(jié)合，建立面向?qū)I(yè)的教學(xué)模式。但筆者在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，即使在課程設(shè)計中融入專業(yè)因素，學(xué)生因為缺乏本專業(yè)的知識基礎(chǔ)，并不能獲得真實有效的體驗；同時，在學(xué)生周圍又鮮有典型的、可供參考的真實案例，最終這種教學(xué)模式在落實時效果并不令人滿意。

（2）由于計算機(jī)基礎(chǔ)知識的掌握程度參差不齊，很多學(xué)生對一些重要概念的理解只停留在表面，不能體會其內(nèi)涵，使用時容易出錯，更談不上靈活運用。比如，有些學(xué)生對C語言中“變量”的理解還停留在對數(shù)學(xué)中變量的認(rèn)識上，還有一些學(xué)生對“數(shù)據(jù)的存儲方式”和“數(shù)據(jù)的輸入、輸出方式”等概念模糊不清，這些都為后續(xù)正確進(jìn)行程序設(shè)計埋下隱患。

（3）經(jīng)過不斷的改革、實踐、再改革，依然難以完全抹去“注入式”教學(xué)的痕跡。由于學(xué)時的限制，教師在每一節(jié)理論教學(xué)課上要灌輸大量的概念和知識，整個教學(xué)過程中學(xué)生很少有思考的時間和空間，能夠理解課上給出的典型例題已屬不易。不經(jīng)過一定的啟發(fā)和幫助，大部分學(xué)生很難將學(xué)到的知識和真實應(yīng)用結(jié)合起來，往往是上課都聽懂了，課后的編程題卻不會做。

（4）一些專門設(shè)計的有針對性的題目沒有達(dá)到預(yù)想的訓(xùn)練效果。借助網(wǎng)絡(luò)教室平臺，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，配合教學(xué)單元，精心設(shè)計了大量能體現(xiàn)知識點和技能點的習(xí)題供學(xué)生課下練習(xí)，希望通過這些題目能讓學(xué)生真正掌握某些數(shù)據(jù)類型的使用場合，理解特定算法解決特定問題的真諦。但是，由于之前在概念理解、知識掌握、知識運用等環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的問題沒有解決，再加上學(xué)生課程科目多，學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)重，實驗環(huán)節(jié)逐漸演變?yōu)橹灰茉趯嶒灲刂箷r間之前提交答案即可，甚至有學(xué)生不惜全部抄襲，以保證獲得平時成績。

以上問題環(huán)環(huán)相扣，最根本原因還是從概念到知識再到以程序設(shè)計為體現(xiàn)的知識運用能力過渡出現(xiàn)了脫節(jié)，學(xué)生主動或被動地陷于“一步跟不上，步步跟不上”的惡性循環(huán)。

2.學(xué)生思想引導(dǎo)

c語言程序設(shè)計作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程，面向的是工、理、管、經(jīng)不同學(xué)科背景的大學(xué)一年級學(xué)生。非計算機(jī)專業(yè)的大一學(xué)生，對自身專業(yè)有大致的了解，但具體到將來可能遇到的問題類型和研究方法，則接觸甚少。例如，化學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，所了解的專業(yè)內(nèi)容不外乎是反應(yīng)方程式和瓶瓶罐罐，但不知道很多分支問題的研究（如計算化學(xué)領(lǐng)域的問題）需要計算機(jī)編程作為輔助手段。從這個角度出發(fā)，很多教學(xué)研究者提出了面向?qū)I(yè)的教學(xué)模式，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上將學(xué)生的專業(yè)知識和程序課程教學(xué)相結(jié)合，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。更具體的，還可以將特定學(xué)科的常用語言工具（如計算化學(xué)常用的Fonran語言）與c語言做類比，展示將c語言程序設(shè)計作為基礎(chǔ)，計算機(jī)程序語言一通百通的特性。

面向?qū)I(yè)教學(xué)是一種比較直觀的提升非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生對程序設(shè)計課程重視程度的策略，但很多時候在實際教學(xué)中并不能達(dá)到預(yù)期的效果。大一學(xué)生還沒有進(jìn)入專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，對用程序語言解決本專業(yè)問題沒有真實的感受；而因為多方面的原因，高年級學(xué)生里能夠從基礎(chǔ)程序設(shè)計學(xué)習(xí)中獲益并獲得專業(yè)能力提升的樣本又很少——畢竟在很多專業(yè)領(lǐng)域，編程不是必需的，再加上現(xiàn)今計算機(jī)應(yīng)用軟件發(fā)展迅猛，功能日益強(qiáng)大，用戶體驗比想象的更友好，現(xiàn)成的軟件就可以解決問題，為什么還要自己去寫程序?qū)崿F(xiàn)呢？這樣，學(xué)生本身沒有真實體驗，又沒有正面的樣本做參考（有時還可能接觸到負(fù)面的樣本），除了應(yīng)付考試以外，很難有認(rèn)真學(xué)習(xí)的動力。

學(xué)習(xí)一門程序設(shè)計課程，不是學(xué)習(xí)一門語言，而是培養(yǎng)計算思維方式和計算機(jī)應(yīng)用的能力。培養(yǎng)計算思維是面向非計算機(jī)專業(yè)開展計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的主要目的，應(yīng)該讓學(xué)生了解，計算思維和數(shù)學(xué)思維一樣，是一種思維方式和需要掌握的思維能力。計算思維所涵蓋的邏輯思維、算法思維、抽象思維以及工程思維通過改變?nèi)说乃伎挤绞?，賦予未來的工作和生活一個更高的起點，從而使工作和生活更高效。計算思維將成為每一個人的技能組合成分，具有普適意義，而這種計算思維能力可以在程序設(shè)計的訓(xùn)練過程中潛移默化培養(yǎng)出來。從這一角度講，開設(shè)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的目的和開設(shè)數(shù)學(xué)類課程的目的是類似的。舉一些貼近實際的例子，讓學(xué)生們相信計算機(jī)課程和數(shù)學(xué)課程一樣重要，像計算機(jī)科學(xué)家一樣思考是十分必要和奇妙的事情，這是提高學(xué)生對課程重視程度的第一步。

學(xué)生的思想和態(tài)度需要引導(dǎo)，更要保持。程序設(shè)計對大多數(shù)學(xué)生來說是一個全新的領(lǐng)域，入門時遇到挫折是必然的。當(dāng)學(xué)生重復(fù)遇到困難又解決不暢時，退縮和厭煩心理就占了上風(fēng)，畢竟學(xué)生所修課程多，學(xué)習(xí)任務(wù)重，難有毅力和時間花費在這樣一門“非傳統(tǒng)意義上的主課”上面。未解的困難逐漸堆積，形成惡性循環(huán)，學(xué)生最后不得不通過抄襲來完成練習(xí)，草草了事。在筆者以往所收集的調(diào)查問卷中，這種情況非常普遍。曾有學(xué)生在給課程的建議中提到：“老師要引導(dǎo)學(xué)生在編程的過程中找到幸福感與成就感”，這可能是解決這一問題唯一有效的辦法。

學(xué)生在編程中獲得成就感是綜合因素作用的結(jié)果，要加強(qiáng)整個教學(xué)過程的各個環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。當(dāng)學(xué)生遭遇學(xué)習(xí)困難或編程受挫時，教師不僅要指出概念或語法上的錯誤，更應(yīng)指出其在理解問題或設(shè)計程序時存在的思維誤區(qū)，幫助學(xué)生實現(xiàn)學(xué)習(xí)和修正能力的內(nèi)化，避免這道題的問題解決了，下一道又不會的情況，以免影響學(xué)生的自信心，導(dǎo)致其無法產(chǎn)生戰(zhàn)勝困難以后的成就感。

另外，程序設(shè)計作為實踐性課程，學(xué)生獲得成就感的體驗會比其他課程更為鮮明；但同時，挫折感和挫敗感也會更加強(qiáng)烈。為了防止出現(xiàn)“破罐子破摔”的情況，可采用“基線教學(xué)”的辦法：“做好教學(xué)過程的每一環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生每階段都達(dá)到基本教學(xué)要求?！苯處熞冻龈嗟臅r間和精力，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)和進(jìn)展情況，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和思想狀態(tài)保持良性循環(huán)。

在程序設(shè)計課程教學(xué)中，學(xué)生思想引導(dǎo)應(yīng)該是一個持續(xù)的過程。計算思維和應(yīng)用能力的培養(yǎng)為學(xué)生學(xué)習(xí)指明了方向，教師則應(yīng)幫助學(xué)生將對課程的新鮮感和自身的成就感持續(xù)保持在一個較高的水平上，而這些又是以各個教學(xué)環(huán)節(jié)的改善和教學(xué)質(zhì)量提升為根本前提的。教師應(yīng)能將概念、知識和程序設(shè)計方法有效地傳遞到學(xué)生手上，學(xué)生應(yīng)能依靠自身能力或教師幫助，通過練習(xí)、歸納和總結(jié)形成知識系統(tǒng)和能力，最終解決問題，獲得成就感。

3.從概念到知識——把握概念講解的“度”

在教與學(xué)的過程中，達(dá)到一個預(yù)先設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，教師的付出與學(xué)生的付出是成反比的。在學(xué)生還沒有形成系統(tǒng)的知識體系和學(xué)習(xí)能力之前，教師需要幫助學(xué)生撥開第一層迷霧，打開從概念到知識的轉(zhuǎn)化通道，為思維和能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

由于之前對計算機(jī)基礎(chǔ)知識沒有很好地把握，很多學(xué)生對計算機(jī)相關(guān)概念的理解還停留在表面，甚至還沒有跳出傳統(tǒng)的思維定式，用數(shù)學(xué)的思維方法理解程序語言的概念就是一個比較普遍的現(xiàn)象。為了打破這種固有的思維定式，教師在教學(xué)中可以把概念講解地更“深”更“廣”——引入更原理陛的計算機(jī)學(xué)科知識來對概念進(jìn)一步闡述，由本質(zhì)引出現(xiàn)象，滲透計算思維。舉例說明：在c語言課程中，借助計算機(jī)組成原理知識，用數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存取方式來解釋變量的內(nèi)涵以及其輸入輸出格式，進(jìn)而幫助學(xué)生更好地理解賦值、自增自減等運算操作的特性——只能對變量進(jìn)行賦值和自增自減操作；同樣利用變量在內(nèi)存中的存儲等內(nèi)容的闡述，將字符數(shù)組、字符串常量、字符指針之間的交互關(guān)系理清，幫助學(xué)生在編程時更準(zhǔn)確地使用此類數(shù)據(jù)類型；通過講述程序的編譯、鏈接及運行原理，解釋函數(shù)包括庫函數(shù)在內(nèi)的調(diào)用問題；通過解釋學(xué)生在實際編程操作中遇到的各類運行錯誤（特別不能忽略一些“隨機(jī)”出現(xiàn)的錯誤，例如內(nèi)存訪問可能隨變量的隨機(jī)初始值而成功或不成功），防止學(xué)生一知半解和盲目照搬；借助編譯原理知識，解釋數(shù)組名到底包含了哪些信息，指針為什么要設(shè)定類型——理解指針最重要的一點是理解它的“類型”，“類型”決定存??；同樣利用編譯原理知識，解釋類型轉(zhuǎn)換的原理——整數(shù)和浮點數(shù)在計算機(jī)中有不同的表示形式，而且使用不同的機(jī)器指令來完成運算。C語言程序設(shè)計課程中，還有很多內(nèi)容可以與大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)相關(guān)內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來，增強(qiáng)學(xué)生知識的系統(tǒng)性。

原理性的或更高級的計算機(jī)學(xué)科知識可以輔助概念的理解，但針對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生，知識并不是挖得越深、拓得越廣越好。c語言程序設(shè)計的理論教學(xué)課時原本就比較緊張，擴(kuò)展知識的講解可能會影響正常的教學(xué)進(jìn)度。另外，對計算機(jī)基礎(chǔ)和邏輯思維能力較弱的學(xué)生，這也是一個額外的負(fù)擔(dān)。例如，講授變量存儲類型、動態(tài)分配空間等內(nèi)容時，一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念例如堆和棧等，要向只有簡單計算機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生講清楚不是一件容易的事情；函數(shù)嵌套調(diào)用的執(zhí)行過程，也許不用涉及返回地址的堆棧過程；當(dāng)學(xué)生不理解程序編譯、鏈接和運行的本質(zhì)過程時，編譯器原理的內(nèi)容可能不需要涉獵過多，因為在基礎(chǔ)階段的程序設(shè)計中，基本用不到一個程序由多個源文件組成的情況，工程、源文件、頭文件、接口等概念可能使學(xué)生更加混亂。這些都需要在實際教學(xué)過程中不斷嘗試和積累經(jīng)驗。

教學(xué)實踐證明，在程序設(shè)計課程中，正確地把握概念講解的深度和廣度，能夠有效減輕學(xué)生概念和知識的稀疏程度，加快其知識體系的形成和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，鞏固計算思維能力。

4.從知識到能力——重在“設(shè)計”

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中還存在這樣一大類問題，“明明上課聽懂了，可就是不會做編程題”；還有很多學(xué)生對編程并非沒有辦法，只是想出的辦法和使用的“工具”（包括數(shù)據(jù)類型、語句、函數(shù)等）總是比較“低級”，不能充分利用計算機(jī)和計算機(jī)語言的優(yōu)勢，一些專門設(shè)計的有針對性的課后習(xí)題也就形同虛設(shè)。一方面，學(xué)生基礎(chǔ)概念和語法規(guī)則掌握不牢固，再加上練習(xí)少、認(rèn)真讀程序少，自身沒有經(jīng)過“訓(xùn)練一思考一總結(jié)一再訓(xùn)練”的消化提煉過程；另一方面，教師在學(xué)生從知識到應(yīng)用能力的轉(zhuǎn)化過程中應(yīng)該發(fā)揮更有效的作用，擺脫傳統(tǒng)的“語法是對是錯”的傳授模式，一切從設(shè)計出發(fā)。

程序設(shè)計課程本應(yīng)重視“設(shè)計”，這也不是一個創(chuàng)新性的提法，但筆者在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)還有一些細(xì)節(jié)問題需要加強(qiáng)。

首先，教師在授課時應(yīng)轉(zhuǎn)變思想，讓學(xué)生明白“程序設(shè)計=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”，程序?qū)﹀e是次要的，關(guān)鍵是有沒有用對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。例如，授課時可以突出知識的系統(tǒng)性和特殊性，讓學(xué)生體會到c語言的創(chuàng)始者當(dāng)時是如何既從計算機(jī)的角度又從人的角度來設(shè)計這門語言的，學(xué)生需要發(fā)揮主觀能動性，以更好地利用這門語言。針對一個目標(biāo)問題（例如螺旋圖形的打?。?，采用哪種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或類型更方便快捷？很多時候不用指針也能解決某一個問題，為什么用指針會更好？什么問題用結(jié)構(gòu)類型來解決會更漂亮？為什么用一個標(biāo)志變量會讓程序的結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)？解決這些問題的思想或經(jīng)驗不是靠單純的例題講解就能讓學(xué)生掌握的，在整個教學(xué)過程中，需要教師從一個程序員“將計算機(jī)語言為我所用”的角度，持續(xù)地對學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)和引導(dǎo)。

其次，要充分把握課堂例題講解的機(jī)會，讓學(xué)生體驗優(yōu)秀程序的設(shè)計過程；同時將計算機(jī)的工作方式和人腦的工作方式做比較，把程序語言經(jīng)常使用的一些算法、技巧作為例子，指導(dǎo)學(xué)生掌握計算機(jī)語言解決實際問題的特點，啟發(fā)他們創(chuàng)新更多的解題思路和算法，學(xué)會“像計算機(jī)科學(xué)家一樣思考問題”。

還有一點經(jīng)常被授課教師所忽略：教師應(yīng)注意問題講解時的描述角度和措辭，防止可能出現(xiàn)的“誤導(dǎo)”。例如，嚴(yán)格來講，并不是省略類型的函數(shù)就是“int”型函數(shù)，而是計算機(jī)會認(rèn)為它是“int”型函數(shù)，那么在程序設(shè)計時，如果選擇使用“int”型的函數(shù)，則可以在代碼編輯時省略類型符。同樣，并不是函數(shù)返回值的類型就是函數(shù)類型，或者函數(shù)返回值類型和函數(shù)類型一致，而是通常根據(jù)需求這樣設(shè)計。如果通過判斷下面程序的輸出來闡述函數(shù)返回值隱式類型轉(zhuǎn)換，教師應(yīng)該強(qiáng)調(diào)它是為完成實數(shù)的加和并取整來設(shè)計的，否則只能作為單純的原理闡述——畢竟如果沒有特殊的需求，為什么要多此一舉進(jìn)行隱式轉(zhuǎn)換呢？

教師在設(shè)計基礎(chǔ)練習(xí)題時也應(yīng)注意從程序設(shè)計的角度出發(fā)，防止選擇填空等基礎(chǔ)練習(xí)與編程練習(xí)發(fā)生脫節(jié)。

授課教師在任何教學(xué)環(huán)節(jié)都要銘記“設(shè)計”一詞，用教師的思維方式去影響學(xué)生的思維方式，讓學(xué)生從一開始就把程序設(shè)計看成一個“寫作”問題，經(jīng)過不斷的練習(xí)達(dá)到靈活和熟練掌握，讓編程解決問題成為一種習(xí)慣，最終實現(xiàn)從知識向應(yīng)用能力的轉(zhuǎn)化。

5.結(jié)語

程序設(shè)計課程中學(xué)生思維能力和應(yīng)用能力培養(yǎng)可以歸納為圖1所示的過程。教師要在概念到知識的轉(zhuǎn)化、知識到能力的轉(zhuǎn)化兩個環(huán)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，持續(xù)關(guān)注學(xué)生的思想狀態(tài)。學(xué)生經(jīng)過反復(fù)的練習(xí)、思考和歸納，當(dāng)面對一個新的應(yīng)用問題時，能夠選擇合適的數(shù)據(jù)類型和算法進(jìn)行組織，具備靈活的應(yīng)用能力；并且，在出現(xiàn)錯誤時，又能指出問題所在，具有扎實的基礎(chǔ)知識。計算思維則在這個持續(xù)、重復(fù)的過程中潛移默化地養(yǎng)成。

“課程改革成敗的關(guān)鍵，最主要的是教師教育觀念的改變?！雹璨粩喔陆虒W(xué)理念，提高自身素質(zhì)，也是包括筆者在內(nèi)的廣大教育工作者首要堅守的職責(zé)。