計(jì)算思維能力培養(yǎng)在程序設(shè)計(jì)課程中的落地實(shí)施

車(chē)敏+安利+張紅梅

（空軍工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710051）

摘 要：首先說(shuō)明培養(yǎng)計(jì)算思維能力的重要性，然后針對(duì)軍隊(duì)院校課時(shí)少和信息資源相對(duì)不流通的特點(diǎn)，提出以培養(yǎng)學(xué)員計(jì)算思維能力為目標(biāo)的資源優(yōu)化重組，搭建在線網(wǎng)絡(luò)課程資源，過(guò)程為主和結(jié)果為輔的評(píng)價(jià)機(jī)制，以參加競(jìng)賽促教促學(xué)的系列改革措施。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；資源優(yōu)化重組；在線網(wǎng)絡(luò)課程資源；程序設(shè)計(jì)大賽

1 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要性

隨著國(guó)家信息化進(jìn)程的加快，信息技術(shù)的發(fā)展正在改變?nèi)藗兊纳?、工作、學(xué)習(xí)、思維方式和價(jià)值觀。2010年《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》中，強(qiáng)調(diào)把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，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)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容研究[1-2]。孫家廣院士在《計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革》一文中明確指出（計(jì)算機(jī)科學(xué)界）最具有基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性的思想是計(jì)算思維。中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認(rèn)為計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像識(shí)字、做算術(shù)一樣；在2050年以前，地球上每一個(gè)公民都應(yīng)具備計(jì)算思維的能力。例如，計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)生物學(xué)的貢獻(xiàn)絕不限于其能夠在海量序列數(shù)據(jù)中搜索尋找模式規(guī)律的本領(lǐng)，而最終的希望是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法（自身的計(jì)算抽象和方法）能夠以其體現(xiàn)自身功能的方式表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)不僅要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算環(huán)境的認(rèn)識(shí)，還應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生在計(jì)算環(huán)境下掌握問(wèn)題求解方法，這是高校學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決專業(yè)問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。另外，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)還展現(xiàn)了計(jì)算機(jī)學(xué)科獨(dú)特的思維方式，為將來(lái)創(chuàng)新性地解決專業(yè)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)[3-4]。

對(duì)于軍隊(duì)院校來(lái)說(shuō)，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)偏少和信息資源相對(duì)不流通是共性問(wèn)題；同時(shí)授課對(duì)象也都是大學(xué)一年級(jí)的非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，其計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)不足，理解計(jì)算思維也存在問(wèn)題。如何在有限的學(xué)時(shí)中貫穿計(jì)算思維的思想，使學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)計(jì)算思維有更深刻的理解和體會(huì)，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，是值得探討的問(wèn)題。

2 基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式

從面臨的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，無(wú)論是從教師“教”的方面，如課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容及對(duì)象重組、案例精心選擇、實(shí)踐環(huán)節(jié)巧妙設(shè)計(jì)、在線網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)置、考核方式多樣化等，還是學(xué)員“學(xué)”的方面，如課前預(yù)習(xí)、課堂討論、章節(jié)練習(xí)、實(shí)踐演練、算法訓(xùn)練、綜合應(yīng)用、參加競(jìng)賽等環(huán)節(jié)，都應(yīng)開(kāi)啟基于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)模式。

（1）針對(duì)學(xué)員信息化水平良莠不齊和學(xué)時(shí)少的情況，為達(dá)到好的教學(xué)效果，在教學(xué)對(duì)象和教學(xué)內(nèi)容上都進(jìn)行優(yōu)化重組。

教員可通過(guò)摸底考試檢測(cè)，把學(xué)員分為兩種級(jí)別并采用分級(jí)教學(xué)，對(duì)于程度好的學(xué)員，減少基礎(chǔ)知識(shí)講解，注重解決實(shí)際問(wèn)題訓(xùn)練，課堂更多采用討論和研討的模式，更傾向于發(fā)揮學(xué)員的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，讓學(xué)員以組為單位，更多地進(jìn)行綜合問(wèn)題的演練；對(duì)于程度相對(duì)差的學(xué)員，由于課時(shí)少的原因，在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行優(yōu)化重組。例如，對(duì)于難點(diǎn)內(nèi)容指針，首先提出問(wèn)題——為什么要采用指針，指針變量的實(shí)質(zhì)是什么，這部分內(nèi)容設(shè)置在變量介紹部分；再到剖析問(wèn)題——采用指針有什么優(yōu)點(diǎn)（數(shù)組采用指針引用，效率高），這部分內(nèi)容就設(shè)置在數(shù)組部分；最后實(shí)際解決問(wèn)題——怎么正確使用指針（不同指針指向不同） 部分。通過(guò)如此循序漸進(jìn)的模式，學(xué)員可以深刻體會(huì)到指針部分內(nèi)容如此設(shè)置的理由。

（2）引入競(jìng)賽案例，旨在拓展思維。

在數(shù)組部分，常規(guī)的教學(xué)案例無(wú)外乎排序和查找算法的應(yīng)用，大部分學(xué)生對(duì)于這部分內(nèi)容不能更好地拓展。我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中，引入大學(xué)生ACM競(jìng)賽中很常見(jiàn)的大數(shù)計(jì)算實(shí)例，讓學(xué)生知道對(duì)于超過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)類(lèi)型無(wú)法表示的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)又是如何進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算的；通過(guò)大數(shù)加減乘除的典型運(yùn)算，幫助學(xué)生深刻地體會(huì)字符數(shù)組使用特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于常見(jiàn)迭代算法又是一次很好的應(yīng)用體現(xiàn)，讓學(xué)生感到計(jì)算思維是通過(guò)抽象和分解來(lái)處理龐雜的任務(wù)特性，最終真正明白“計(jì)算機(jī)不是什么神奇的魔法，教師才是真正的魔術(shù)師！”——英特爾公司董事會(huì)主席貝瑞特博士。實(shí)踐證明將競(jìng)賽案例引入課堂，能很好地訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力。

（3）設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，注重綜合應(yīng)用。

實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)突現(xiàn)趣味性和綜合性，如在分支結(jié)構(gòu)中安排計(jì)算快遞費(fèi)用的程序進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練。教學(xué)方法通常是陷阱教學(xué)法，通過(guò)故意把典型的、容易出錯(cuò)的代碼寫(xiě)錯(cuò)來(lái)設(shè)陷阱；另一種就是在算法優(yōu)化問(wèn)題上設(shè)陷阱。教員通過(guò)設(shè)置這些陷阱吸引學(xué)生的注意力，然后引導(dǎo)學(xué)生思考，使其看到問(wèn)題之外的問(wèn)題、方法之外的方法以及沒(méi)有聯(lián)系的聯(lián)系。這一系列問(wèn)題的設(shè)置旨在培養(yǎng)學(xué)生理解計(jì)算過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性、編寫(xiě)程序的準(zhǔn)確性和算法的高效性。這樣的環(huán)節(jié)設(shè)置更有助于他們理解計(jì)算機(jī)這個(gè)工具的特點(diǎn)以及計(jì)算思維的內(nèi)涵。

（4）針對(duì)信息資源相對(duì)不流通情況，搭建在線網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺(tái)。

搭建在線網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺(tái)對(duì)學(xué)員與教員溝通交流以及學(xué)員課后自主學(xué)習(xí)獲取課程信息是非常必要的。在線網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容共分為網(wǎng)絡(luò)教材、內(nèi)容講授、講授課件、上機(jī)實(shí)踐、編程訓(xùn)練、綜合應(yīng)用、學(xué)習(xí)園地和程序人生八大模塊，主要功能如圖1所示。

這8個(gè)模塊的內(nèi)容中，前4個(gè)模塊是必學(xué)模塊，要參與課程的過(guò)程評(píng)價(jià)；后4個(gè)模塊是選學(xué)模塊，為拓展和深化知識(shí)應(yīng)用而設(shè)置。

（5）采取多樣化考核方式，以過(guò)程評(píng)價(jià)為主，以結(jié)果評(píng)價(jià)為輔。

對(duì)于程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的評(píng)價(jià)，我們綜合運(yùn)用多種手段，形成多元化的評(píng)價(jià)機(jī)制，主要考核原則是加強(qiáng)過(guò)程評(píng)價(jià)，弱化結(jié)果評(píng)價(jià)。課前預(yù)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)課程中有問(wèn)題設(shè)置，學(xué)員必須回答基本問(wèn)題；課堂上有問(wèn)題討論得分環(huán)節(jié)，以激發(fā)學(xué)員主動(dòng)性；課后無(wú)論是在線下還是在線上均有作業(yè)設(shè)置，章節(jié)考核有題庫(kù)支持。在實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置不同難度的問(wèn)題，加強(qiáng)學(xué)員操作和調(diào)試能力；在綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)員以小組為單位完成一個(gè)綜合項(xiàng)目，意在培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)精神。這些環(huán)節(jié)的問(wèn)題都是學(xué)員必須完成的任務(wù)，它們是過(guò)程評(píng)價(jià)的指標(biāo)。期末采用無(wú)紙化考試形式，在自編的考試系統(tǒng)上，學(xué)員隨機(jī)抽取試卷，閱卷有對(duì)應(yīng)的閱卷系統(tǒng)，編寫(xiě)程序的題目必須全部運(yùn)行結(jié)果正確才得分。過(guò)程評(píng)價(jià)占70%，結(jié)果評(píng)價(jià)占30%?？己朔绞蕉鄻踊?，意在敦促學(xué)員注重平時(shí)知識(shí)的積累及綜合實(shí)踐，對(duì)于實(shí)踐性極強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，只有多次練習(xí)和實(shí)踐，才能更好地體會(huì)算法的精髓及思維能力的訓(xùn)練。

3 以參加國(guó)內(nèi)外程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽為契機(jī)， 開(kāi)啟“選拔—培養(yǎng)—競(jìng)賽—反哺”人才培養(yǎng)模式

從新生入學(xué)后，教師就可以進(jìn)行程序設(shè)計(jì)大賽知識(shí)的宣傳，以俱樂(lè)部形式組織有潛力的學(xué)員進(jìn)行人才的選拔；選拔后，成員利用課余時(shí)間在俱樂(lè)部?jī)?nèi)，由富有競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)老師舉辦專題講座和進(jìn)行競(jìng)賽輔導(dǎo)，以完成人才的培養(yǎng)；在學(xué)校范圍內(nèi)積極開(kāi)展計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、多媒體設(shè)計(jì)大賽等計(jì)算機(jī)學(xué)科競(jìng)賽，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)員積極參加“藍(lán)橋杯”計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、ACM程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽等國(guó)內(nèi)外知名的競(jìng)賽；參賽后積極開(kāi)展經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，以反哺形式反饋到日常的教學(xué)改革中。通過(guò)此方式的人才培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期備賽、人才選拔、短期集訓(xùn)、賽前輔導(dǎo)、賽后反哺等環(huán)節(jié)的全流程和可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于計(jì)算思維能力的教學(xué)模式改革，是空軍工程大學(xué)實(shí)際教學(xué)改革中所采用的實(shí)際措施。從近兩年改革實(shí)踐后的效果看，學(xué)員學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力顯著提高，在各類(lèi)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)的人數(shù)越來(lái)越多；教員的執(zhí)教能力和水平也大幅提高，做到“教學(xué)相長(zhǎng)”。目前，我國(guó)大部分高校已正式開(kāi)始實(shí)踐探索基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)課程改革，如上海交通大學(xué)、南方科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、深圳大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等[5]。以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程，絕非一件一蹴而就、一勞永逸的事情，需要我們不斷學(xué)習(xí)、研究、實(shí)踐、總結(jié)和優(yōu)化。

第一作者簡(jiǎn)介：車(chē)敏，女，講師，研究方向?yàn)樾畔⑻幚恚琧heminw@163.com。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 譚浩強(qiáng). 研究計(jì)算思維， 堅(jiān)持面向應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2012（21）： 45-49.

[3] 孫麗君. 圍繞計(jì)算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程改革[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2013（5）： 29-31.

[4] 洪雄. 從程序設(shè)計(jì)大賽看計(jì)算機(jī)公共課程建設(shè)改革[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）， 2013， 27（11）： 137-140.

[5] 陳國(guó)梁. 計(jì)算思維： 大學(xué)教育的振興， 科學(xué)工程研究的創(chuàng)新[R]. 深圳： 第八屆CCF中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)， 2011.

（編輯：宋文婷）