面向計(jì)算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法探索

徐利軍　馮國(guó)富　葛艷　鄭宗生　王愛(ài)繼　賀琪　袁小華　趙丹楓

摘要：培養(yǎng)計(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。本文討論了我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力的方法和經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）17-0132-02

一、前言

2006年3月美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授首次提出了計(jì)算思維的概念：“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)以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科的一系列思維活動(dòng)?！庇?jì)算思維的本質(zhì)是抽象與自動(dòng)化。抽象是通過(guò)簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、遞歸等方法將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)化為計(jì)算設(shè)備可以處理的計(jì)算模型再進(jìn)行求解的過(guò)程。自動(dòng)化是運(yùn)用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來(lái)求解問(wèn)題。當(dāng)今人類社會(huì)的信息化程度日益加深，計(jì)算思維作為解決科學(xué)、工程、管理問(wèn)題的重要思維工具，必將成為合格人才的基本思維能力。高等學(xué)校在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力置于重要位置，將其有效地融入計(jì)算機(jī)本科培養(yǎng)方案的各個(gè)環(huán)節(jié)之中。我校計(jì)算機(jī)專業(yè)大一新生就開(kāi)設(shè)以C語(yǔ)言為編程工具的《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程。對(duì)于這門課，如何改革已有的教學(xué)方法以加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，我們進(jìn)行了一些探索。計(jì)算思維教育的主要目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的良好思維習(xí)慣，在遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)能夠想到利用計(jì)算機(jī)學(xué)科的方法和技術(shù)來(lái)求解問(wèn)題。計(jì)算思維教育不是傳授枯燥的概念與相互孤立的知識(shí)點(diǎn)，而要注重培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的思維習(xí)慣、方法和能力。這門課程采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法時(shí)通常先講授理論知識(shí)，然后上機(jī)實(shí)踐鞏固課堂上所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。但由于高中階段大部分學(xué)生沒(méi)有系統(tǒng)接觸過(guò)程序設(shè)計(jì)課程，缺乏必要的基礎(chǔ)知識(shí)，隨著課程的進(jìn)展，大量抽象概念的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性下降，而且這種重理論輕實(shí)踐的講學(xué)內(nèi)容方法會(huì)限制學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)依舊束手無(wú)策。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題我們重點(diǎn)改革了實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，從培養(yǎng)學(xué)生的編程能力角度出發(fā)，針對(duì)學(xué)生的抽象思維、代碼編寫、程序調(diào)試等能力進(jìn)行訓(xùn)練，并且要注重理論聯(lián)系實(shí)際，讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題中體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

二、教學(xué)目標(biāo)

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)中的一門重要基礎(chǔ)課程，是計(jì)算思維中語(yǔ)言級(jí)的問(wèn)題求解。我校在教學(xué)目標(biāo)上，從深層次對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行抽象與總結(jié)，將計(jì)算思維的要素貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)。通過(guò)計(jì)算思維這樣一種思維模式，在課程教學(xué)中“顯式”地強(qiáng)調(diào)與強(qiáng)化這種思維模式，一方面提高學(xué)生解決問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力；另一方面通過(guò)發(fā)揮其紐帶作用，使整個(gè)教學(xué)活動(dòng)具有核心的“凝聚力”。程序設(shè)計(jì)教學(xué)中以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心任務(wù)，以講授程序設(shè)計(jì)方法為主要內(nèi)容，加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容上，將程序設(shè)計(jì)的基本理論與計(jì)算思維思想最大限度地匯聚于本課程，重點(diǎn)闡述程序設(shè)計(jì)的基本方法和基礎(chǔ)理論。計(jì)算思維的兩個(gè)核心要素“自動(dòng)化”與“抽象”貫穿于程序設(shè)計(jì)課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)中，是聯(lián)系課程不同環(huán)節(jié)的核心紐帶，在教學(xué)中潛移默化地灌輸與培養(yǎng)這種思想與思維模式，對(duì)學(xué)生思維能力培養(yǎng)具有重要意義。建立了向馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)落地、向計(jì)算思維層次撥高的教學(xué)內(nèi)容組織思路。根據(jù)馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)將教材（C程序設(shè)計(jì)—譚浩強(qiáng)）章節(jié)順序微調(diào)形成程序設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)向計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)三大部件CPU（運(yùn)算器+控制器）、存儲(chǔ)器、I/O（輸入輸出設(shè)備）的映射：計(jì)算思維導(dǎo)論（第一章C語(yǔ)言概述、第二章算法、第三章最簡(jiǎn)單的C程序設(shè)計(jì)）；CPU（第四章選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)、第五章循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)、第七章用函數(shù)實(shí)現(xiàn)模塊化程序）；存儲(chǔ)器（第六章利用數(shù)組處理批量數(shù)據(jù)、第八章善于利用指針、第九章用戶建立數(shù)據(jù)類型）；I/O（第十章對(duì)文件的輸出輸入）。

四、教學(xué)細(xì)節(jié)

1.課堂授課。我們改變以往單純以課堂講授為主要活動(dòng)的教學(xué)模式，將教學(xué)環(huán)節(jié)細(xì)化為集體備課、課堂講授、討論、輔導(dǎo)答疑、作業(yè)和考核六個(gè)主要環(huán)節(jié)，通過(guò)將六個(gè)環(huán)節(jié)做深、做細(xì)狠抓教學(xué)質(zhì)量。課堂的主角是學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能保障教學(xué)順利高效完成。在課堂環(huán)節(jié)中提倡互動(dòng)式授課，鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)腦思考，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)和創(chuàng)新能力。程序設(shè)計(jì)授課不能紙上談兵，要注重實(shí)踐。課堂內(nèi)所有講解知識(shí)點(diǎn)都有具體的編程實(shí)例相匹配。每一個(gè)實(shí)例都會(huì)現(xiàn)場(chǎng)編譯運(yùn)行，容易出錯(cuò)的實(shí)例會(huì)有目的地修改后再運(yùn)行，讓學(xué)生在實(shí)踐中理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在講課過(guò)程中會(huì)故意給出典型錯(cuò)誤的案例，例如：在講到變量時(shí)設(shè)計(jì)變量未賦值即使用的錯(cuò)誤；講到數(shù)組時(shí)設(shè)置數(shù)組元素溢出的錯(cuò)誤，然后由學(xué)生來(lái)調(diào)試解決這些編程錯(cuò)誤，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。原教材各知識(shí)點(diǎn)的案例之間相互獨(dú)立，沒(méi)有前后承接關(guān)系，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的全面掌握。通過(guò)改造和引入新的案例內(nèi)容形成連續(xù)性強(qiáng)的案例，隨著章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的推進(jìn)，學(xué)生可以不斷加深對(duì)程序設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。例如從第三章的溫度轉(zhuǎn)換案例展開(kāi)，不斷在隨后章節(jié)中加以擴(kuò)展：第三章中，分別用常量方式、符號(hào)常量方式、常變量方式實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換；第四章中，用選擇語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)溫度表示方法的切換；第五章中，用循環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入合法性檢查；第七章中，用函數(shù)改造已有的程序；第六章中，用數(shù)組實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的溫度轉(zhuǎn)換；第八章中，用指針改造已有的程序；第十章中，用文件增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。通過(guò)這種漸近方式，使學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系及理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

2.上機(jī)實(shí)驗(yàn)。作為大學(xué)期間第一門程序設(shè)計(jì)課程，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中必須將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，相互促進(jìn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容采用循序漸進(jìn)方法，分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆誄語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)，是計(jì)算思維方法的簡(jiǎn)單模仿，要求學(xué)生參考教師給出的實(shí)例完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆誄語(yǔ)言的中高級(jí)知識(shí)，是計(jì)算思維方法的初步運(yùn)用，要求學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法分析和解決簡(jiǎn)單問(wèn)題。綜合型實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和應(yīng)用創(chuàng)新能力，是計(jì)算思維方法的高級(jí)運(yùn)用，要求學(xué)生綜合運(yùn)用計(jì)算思維算思維方法分析和解決實(shí)際問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)的具體安排為：驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)（C上機(jī)環(huán)境、表達(dá)式與基本的輸入輸出、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)）、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)（函數(shù)定義與調(diào)用、遞歸函數(shù)、數(shù)組、指針、文件）和綜合型實(shí)驗(yàn)（綜合型程序設(shè)計(jì)題目）。為了更進(jìn)一步地培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，我們會(huì)結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)度給出一組綜合型程序設(shè)計(jì)題目。這些題目都是以生活中某個(gè)具體問(wèn)題為基礎(chǔ)，其解決需要學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)習(xí)到的知識(shí)。為盡可能模擬真實(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，我們通常要求2—3名學(xué)生協(xié)同完成。在評(píng)定成績(jī)時(shí)，我們要求每組選出一個(gè)代表講解和演示程序，由老師和其他學(xué)生代表一起打分形成最終成績(jī)。綜合型程序設(shè)計(jì)既能讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，還可以讓學(xué)生身臨其境解決問(wèn)題提高自信心，提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和團(tuán)體協(xié)作能力。

五、總結(jié)與展望

目前將計(jì)算思維融會(huì)貫通于計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的各個(gè)環(huán)節(jié)之中已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。通過(guò)這幾年的實(shí)踐證明，以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為核心展開(kāi)教學(xué)改革，不僅有助于學(xué)生深刻掌握課程內(nèi)容，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維方式來(lái)求解問(wèn)題的能力，取得了良好的教學(xué)效果。

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