高校學(xué)生程序?qū)W習(xí)中計(jì)算思維的培養(yǎng)

杜佳慧

（山西應(yīng)用科技學(xué)院 山西省太原市 040000）

1 引言

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基··梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊雜志上首次提出了計(jì)算思維的概念。周教授認(rèn)為：計(jì)算思維時(shí)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)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的概念一經(jīng)提出，立刻引起了各界的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外幾乎同步關(guān)注到計(jì)算思維的研究以及對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)教育帶來(lái)的潛在影響，如何將計(jì)算思維的理念融入到計(jì)算機(jī)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)教學(xué)研究和改革的焦點(diǎn)?；诟鹘鐚＜覍W(xué)者關(guān)于“計(jì)算思維”的研究背景，我們來(lái)探究一下在高校學(xué)生的程序?qū)W習(xí)中如何將計(jì)算思維融入其中，提高學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力。

2 高校學(xué)生程序?qū)W習(xí)的現(xiàn)狀

當(dāng)代的大學(xué)生們基本是出生在2000年左右的“00”后，而當(dāng)時(shí)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，信息化基本已經(jīng)應(yīng)用到生活的方方面面，他們從小學(xué)開(kāi)始就已經(jīng)在接觸計(jì)算機(jī)，對(duì)于他們而言，計(jì)算機(jī)的基本知識(shí)和應(yīng)用已經(jīng)非常熟悉，而計(jì)算機(jī)專業(yè)中的核心課程程序?qū)W習(xí)這部分的內(nèi)容需要很強(qiáng)的邏輯能力、抽象性較強(qiáng)，難以理解，對(duì)于學(xué)生而言會(huì)有些陌生。以C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)為例，學(xué)生們?cè)趧偨佑|的時(shí)候，前幾章的內(nèi)容還比較簡(jiǎn)單，出于對(duì)新鮮事物的好奇，學(xué)生們還有極大的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，但隨著后面幾章出現(xiàn)函數(shù)、指針和文件操作等內(nèi)容，知識(shí)難度和抽象程度越來(lái)越大，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和熱情逐漸消減，很多學(xué)生遇到難題不會(huì)盡力解決或者采取直接放棄的態(tài)度，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率極其低。

3 計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)程序

信息技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算思維在各個(gè)領(lǐng)域有不同的解讀，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，具體而言，就是指通過(guò)簡(jiǎn)約、嵌入、構(gòu)造、模擬、仿真等方式，把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干個(gè)子問(wèn)題，從而達(dá)到解決問(wèn)題的目標(biāo)。計(jì)算思維是概念化的，是一種思想。計(jì)算機(jī)程序是計(jì)算機(jī)所有指令的集合，人們利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出解決該問(wèn)題的算法，然后利用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言，編寫命令以便計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行。根據(jù)其概念可知，計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)程序有一定的相關(guān)性，計(jì)算機(jī)程序中通過(guò)算法來(lái)編寫，閱讀者可以通過(guò)查看程序看出其計(jì)算思維，即計(jì)算機(jī)程序是計(jì)算思維的載體。

4 程序?qū)W習(xí)中的計(jì)算思維培養(yǎng)

4.1 程序基本語(yǔ)句中的計(jì)算思維培養(yǎng)

任何一種語(yǔ)言的學(xué)習(xí)都需要先了解其規(guī)則，程序語(yǔ)言也是如此，在編寫基本的語(yǔ)句之前，需要了解其語(yǔ)法、語(yǔ)義及其語(yǔ)句規(guī)則，以C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)為例，學(xué)生們需了解其數(shù)據(jù)類型、關(guān)鍵詞、運(yùn)算符及其表達(dá)式等基本知識(shí)，然后根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合計(jì)算思維的特點(diǎn)，對(duì)C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中的語(yǔ)句進(jìn)行設(shè)計(jì)。以簡(jiǎn)單的賦值語(yǔ)句為例，以計(jì)算思維的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

教學(xué)內(nèi)容：賦值語(yǔ)句

教學(xué)目標(biāo)：掌握賦值語(yǔ)句的使用及思維方法

教學(xué)過(guò)程：

（1）提出問(wèn)題：兩個(gè)正整數(shù)a 和b，它們的值分別是a=6，b=9；試著交換a 和b 的值，使得a=9，b=6。

（2）問(wèn)題轉(zhuǎn)化：假設(shè)有若干個(gè)相同容量的瓶子，a瓶中裝入醬油，b 瓶中裝入醋，現(xiàn)需將a 瓶和b 瓶中裝的東西進(jìn)行置換，即a 瓶中放入醋，b 瓶中放入醬油。

（3）問(wèn)題求解：在現(xiàn)實(shí)生活中遇到這樣的問(wèn)題，首先我們會(huì)準(zhǔn)備一個(gè)空瓶，然后將a 瓶中的醬油放入空瓶中，這樣a 瓶空出來(lái)后倒入b 瓶中的醋，在將空瓶中的醬油倒入b 瓶中，這樣a 瓶中為醋，b 瓶中為醬油。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于需要借助一個(gè)空瓶子。

（4）知識(shí)講解：賦值語(yǔ)句中的“=”與數(shù)學(xué)中“=”意義不一樣，賦值語(yǔ)句的特點(diǎn)是將右邊的值賦值給左邊的變量。

（5）求解方法：①定義變量 int a，b，c；

②給變量賦值 a=6，b=9；

③進(jìn)行置換 c=a;a=b;b=c;

結(jié)合上述例子，程序設(shè)計(jì)的過(guò)程可以將其類比于我們生活中的實(shí)例，賦值語(yǔ)句涉及的變量其實(shí)就是我們所說(shuō)的空瓶子，在這個(gè)空瓶子中不僅可以放醋，還可以放水、飲料這些東西，是可以變化的，我們稱它為變量，賦值的過(guò)程其實(shí)就是將瓶子裝滿的過(guò)程，置換數(shù)字的過(guò)程就是生活中將瓶子中的實(shí)物進(jìn)行交換的過(guò)程。學(xué)習(xí)者在解決問(wèn)題的時(shí)候，首先明確了原問(wèn)題和目標(biāo)問(wèn)題之間的聯(lián)系，然后將目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一個(gè)一個(gè)細(xì)化的小問(wèn)題，逐步進(jìn)行解答，這種解決問(wèn)題的方式有助于提供學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力，而且有助于調(diào)動(dòng)課堂枯燥的學(xué)習(xí)氛圍。

4.2 程序控制結(jié)構(gòu)中的計(jì)算思維培養(yǎng)

在了解了語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)之后，我們要學(xué)會(huì)自己造句，也就是我們所說(shuō)的語(yǔ)法，即主、謂賓、定于從句、主語(yǔ)從句這樣的結(jié)構(gòu)，對(duì)于我們程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言而言，即為三種基本的控制結(jié)構(gòu)，分別是選擇、順序和循環(huán)結(jié)構(gòu)，程序的編寫過(guò)程都是基于這三種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)的。以我們簡(jiǎn)單的選擇結(jié)構(gòu)為例，來(lái)介紹一下其中的計(jì)算思維過(guò)程。選擇結(jié)構(gòu)的基本思路為，遇到一個(gè)問(wèn)題要根據(jù)條件進(jìn)行判斷，滿足A 條件是要執(zhí)行什么操作，不滿足A 條件又會(huì)執(zhí)行什么樣的操作。

教學(xué)內(nèi)容：選擇結(jié)構(gòu)

教學(xué)目的：掌握選擇的結(jié)構(gòu)的功能及其編寫過(guò)程。

教學(xué)過(guò)程：

（1）提出問(wèn)題：超市新進(jìn)一批水果，超市規(guī)定當(dāng)顧客所購(gòu)水果小于等于5 公斤，每公斤5 元，當(dāng)大于5 公斤時(shí)，每公斤打九折，問(wèn)超市的收銀系統(tǒng)該如何編程統(tǒng)計(jì)。

（2）問(wèn)題分析：在實(shí)際的超市收費(fèi)過(guò)程中，只能存在一種計(jì)費(fèi)方式，如果滿足小于等于5 公斤時(shí)，選擇每公斤5 元的計(jì)費(fèi)方式，如果滿足大于5 公斤時(shí)，選擇每公斤4.5 元的計(jì)費(fèi)方式,重點(diǎn)是要分析選擇的條件是什么。

（3）知識(shí)講解：選擇結(jié)構(gòu)主要使用關(guān)鍵詞if else，選擇結(jié)構(gòu)的書寫方式為

本例是生活中的一個(gè)實(shí)例，問(wèn)題的分析過(guò)程就是程序的執(zhí)行過(guò)程，在分析問(wèn)題時(shí)，要注意分析事物的結(jié)構(gòu)性特征，學(xué)習(xí)者在分析問(wèn)題的過(guò)程中能夠培養(yǎng)計(jì)算思維結(jié)構(gòu)性和秩序性等特征。

4.3 算法學(xué)習(xí)中計(jì)算思維的培養(yǎng)

在程序?qū)W習(xí)中了解了關(guān)鍵詞、表達(dá)式、控制結(jié)構(gòu)，要能夠靈活的進(jìn)行編程，還需重點(diǎn)了解其算法，算法是對(duì)問(wèn)題解決方法的準(zhǔn)確及完整的表述，是解決問(wèn)題的清晰明確的指令，計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入一個(gè)初始指令，經(jīng)過(guò)算法的一系列指令，最終得出所要求輸出的結(jié)果。學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)必須得了解各種類型的算法，如常用的有冒泡、排序、查找、迭代、遞歸算法等，搞清楚各種各樣的算法，有助于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的分析、抽象、建模的能力，以C 語(yǔ)言中的冒泡算法為例。

教學(xué)內(nèi)容：冒泡算法

教學(xué)目的：掌握冒泡算法的原理并能夠靈活運(yùn)用進(jìn)行排序

教學(xué)過(guò)程：

（1）提出問(wèn)題：把{6，5，3，1，8，7，2，4}這個(gè)數(shù)組按從小到大進(jìn)行排列

（2）分析問(wèn)題：要對(duì)這數(shù)組中的幾個(gè)數(shù)值進(jìn)行比較，然后按從小到大的順序進(jìn)行排列，如果只是用眼睛看然后操作很容易就可以將其排序出來(lái)，當(dāng)對(duì)計(jì)算機(jī)而言需有序進(jìn)行比較然后在移動(dòng)其位置，涉及到存儲(chǔ)空間，不能雜亂無(wú)章的進(jìn)行，基于此顧慮，最簡(jiǎn)單是進(jìn)行相鄰元素的比較，然后相鄰元素之間交換，這樣才能保證所有數(shù)值有序進(jìn)行移動(dòng)并且是最小”步數(shù)“的移動(dòng)。

（3）問(wèn)題詳解：

①比較相鄰元素6 和5，6＞5，進(jìn)行交換；

②比較相鄰元素6 和3，6＞3，進(jìn)行交換；依此類推，相鄰元素進(jìn)行比較，最后會(huì)將最大的數(shù)值給排序到最末的位置；

③除去最末位置的數(shù)值，所有其它元素依次進(jìn)行兩兩比較，第二大的數(shù)值會(huì)排到倒數(shù)第二的位置。

④持續(xù)重復(fù)以上步驟，直到?jīng)]有任何一個(gè)數(shù)值需要比較為止。

（4）知識(shí)講解：這幾個(gè)數(shù)值屬于一個(gè)數(shù)組當(dāng)中，需定義數(shù)值a[i]，需定義變量進(jìn)行計(jì)數(shù)，求解過(guò)程主要是采用循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行

算法的學(xué)習(xí)是個(gè)比較抽象復(fù)雜的內(nèi)容，在本例中有意識(shí)地去培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析、遷移和建模能力，同時(shí)還有學(xué)會(huì)規(guī)律的總結(jié)，從而找出解題方法。

5 總結(jié)

程序?qū)W習(xí)是計(jì)算機(jī)學(xué)科中的核心知識(shí)點(diǎn)，有較強(qiáng)的邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)于學(xué)生來(lái)講學(xué)起來(lái)比較困難，一直以來(lái)學(xué)生們都是通過(guò)不斷強(qiáng)化練習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，沒(méi)有形成分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。而采用計(jì)算思維的方式來(lái)進(jìn)行程序?qū)W習(xí)，首先把程序設(shè)計(jì)問(wèn)題類比到一個(gè)生活化的設(shè)計(jì)情境中，然后將計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中抽象的概念給具象化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，搞清楚其中的思路過(guò)程，再建立起抽象的數(shù)據(jù)模型，結(jié)合程序設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)知識(shí)，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的過(guò)程。這樣在不斷的練習(xí)中總結(jié)規(guī)律，逐步加深難度，層層深入，在思考中培養(yǎng)邏輯思維和解決問(wèn)題的能力。其實(shí)，這也對(duì)應(yīng)的是問(wèn)題解決的五個(gè)階段，分別是提出問(wèn)題、明確問(wèn)題、提出假設(shè)、檢驗(yàn)假設(shè)、總結(jié)評(píng)價(jià)，在這個(gè)過(guò)程中習(xí)得知識(shí)、獲得能力。