提升計(jì)算思維能力的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

摘?要：計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)的融入，使得社會(huì)對非計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的計(jì)算機(jī)素質(zhì)和能力的要求不斷提高。本文從工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)公共基礎(chǔ)編程類課程C程序設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐為例，教學(xué)中貫穿多方位、多層次提升學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)為中心的教學(xué)理念，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行了探索改革，使非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在掌握編程語言及其應(yīng)用的同時(shí)提高計(jì)算思維能力，為學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：非計(jì)算機(jī)專業(yè)；計(jì)算思維；教學(xué)改革；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642.0

Research?on?Teaching?Reform?of?C?Programming?Language?Course

for?Computational?Thinking?Ability?Cultivation

Fan?Zhe

Zhengzhou?Institute?Of?Aeronautical?Industry?Management?HenanZhengzhou?450046

Abstract：Demands?for?computer?cultivation?quality?of?noncomputer?majors?have?been?continuously?raised?with?the?application?of?computers?in?various?industries.Taking?the?teaching?practice?of?the?public?basic?course?C?programming?language?for?noncomputer?engineering?undergraduates?as?an?example?this?paper?introduces?pedagogy?and?teaching?content?design?under?the?teaching?philosophy?of?the?cultivation?of?students'?computational?thinking?ability?in?multiple?dimensions?and?layers.The?exploration?and?reform?are?carried?out?to?enable?noncomputer?majors?to?improve?their?computing?thinking?ability?while?mastering?the?application?of?programming?language?to?provide?methodological?reference?for?talent?cultivation.

Keywords：noncomputer?majors；computational?thinking；teaching?reform；talent?cultivation

一、概述

計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)的融入使得社會(huì)對高校人才培養(yǎng)的需求發(fā)生變化。隨著信息技術(shù)的不斷提高，尤其是智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的研究與發(fā)展，對工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在新形勢下的綜合素質(zhì)和能力培養(yǎng)更是提出了新的要求。面對新的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，教育部積極推進(jìn)工程人才的培養(yǎng)模式，不斷加強(qiáng)新工科專業(yè)建設(shè)和工科教育改革，促進(jìn)高校開展新工科的研究與實(shí)踐以應(yīng)對未來的競爭。高校在專業(yè)設(shè)置和課程建設(shè)等方面進(jìn)行了一系列工程教育的改革，以提高工科人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

新工科內(nèi)涵的核心特征之一就是“計(jì)算機(jī)＋各學(xué)科”，其精髓是“融合”［1］。根據(jù)專業(yè)的要求和特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生具備應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的高級(jí)能力，使學(xué)生具有在專業(yè)領(lǐng)域中的創(chuàng)新思維，國內(nèi)外教育愈發(fā)重視計(jì)算教育。工程與計(jì)算已成為不可分割的整體，培養(yǎng)工程教育中的計(jì)算思維，通過計(jì)算的知識(shí)和技術(shù)以更高效、更精準(zhǔn)地解決工程問題成為必然趨勢［2］。我校為非計(jì)算機(jī)專業(yè)工科學(xué)生開設(shè)了程序設(shè)計(jì)類公共基礎(chǔ)課程。通過課程的學(xué)習(xí)，能夠給非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生奠定必要的計(jì)算機(jī)理論和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)。為支持新工科建設(shè)，提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的能力，滿足專業(yè)建設(shè)對學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力的需求，在程序設(shè)計(jì)類公共基礎(chǔ)課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面不斷進(jìn)行探索改革，多方位加強(qiáng)課程對學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的要求。本文以我校非計(jì)算機(jī)工科專業(yè)所開設(shè)的程序設(shè)計(jì)類公共基礎(chǔ)課程C程序設(shè)計(jì)為例，結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐探討了以提升學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)為理念的教學(xué)改革。

二、教學(xué)中存在的問題

程序設(shè)計(jì)公共基礎(chǔ)課程C程序設(shè)計(jì)面向大學(xué)一年級(jí)學(xué)生開設(shè)，傳統(tǒng)的教學(xué)目的是使學(xué)生具有基本的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和思維能力，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)程序的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生具有基本的編程能力，因此主要講述高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)的基本概念、規(guī)則和方法。在教學(xué)的過程中，課程內(nèi)容具有不僅瑣碎而且量大枯燥的特點(diǎn)，在對學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的訓(xùn)練中，也存在部分內(nèi)容比較抽象、不易理解的現(xiàn)象，造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果不好，部分內(nèi)容沒有被學(xué)生掌握的問題，甚至出現(xiàn)有的學(xué)生在教學(xué)中隨著課程內(nèi)容難度的加大而放棄了思考學(xué)習(xí)。另外，學(xué)生在課程上學(xué)習(xí)的層次差別很大，給非計(jì)算機(jī)類學(xué)生的教學(xué)工作造成了一定的困難。由于在中學(xué)階段計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的不同，而且由于學(xué)生所學(xué)的專業(yè)是非計(jì)算機(jī)類，對計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)興趣也有所不同，所以學(xué)生表現(xiàn)出的差異程度比較大。在教學(xué)中如果忽視這些問題，往往會(huì)使很多學(xué)生達(dá)不到思維訓(xùn)練要求，無法取得理想的教學(xué)效果。原有的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式由于教學(xué)理念的改變已經(jīng)不能很好地滿足要求，在新的教學(xué)要求下如果達(dá)到在專業(yè)領(lǐng)域中能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)高級(jí)技術(shù)的教學(xué)目的，必須使學(xué)生具有較強(qiáng)的計(jì)算思維能力，需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和對教學(xué)方法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

三、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法設(shè)計(jì)

（一）拓展和合理組織教學(xué)內(nèi)容，多方位思維訓(xùn)練

如何更有效地組織和安排教學(xué)內(nèi)容是提升學(xué)生計(jì)算思維能力需要考慮的關(guān)鍵問題。首先，從教材內(nèi)容入手。教材內(nèi)容不僅是教學(xué)內(nèi)容中重要的組成部分，也是如何安排教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)。根據(jù)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生對教材內(nèi)容中各部分的理解程度來對教材內(nèi)容進(jìn)行劃分，決定是否需要補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，增加把提升計(jì)算思維能力轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容的部分。正確理解計(jì)算思維科學(xué)內(nèi)涵是實(shí)施計(jì)算思維教育并達(dá)成預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵［3］。把教材的內(nèi)容和計(jì)算思維的培養(yǎng)結(jié)合起來，將計(jì)算思維的培養(yǎng)細(xì)分成各種構(gòu)成性思維能力的培養(yǎng)，比如抽象思維、算法思維、邏輯思維等，在教學(xué)中把這些思維在教材內(nèi)容講解時(shí)加以深化或拓展。比如在提升學(xué)生的系統(tǒng)思維能力方面，教學(xué)中加入利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)際問題時(shí)分析問題和解決問題的步驟、數(shù)學(xué)建模的概念、數(shù)學(xué)建模和編程之間的關(guān)系等內(nèi)容；在提升學(xué)生的數(shù)據(jù)思維方面，講解基本數(shù)據(jù)類型的部分時(shí)可以加入講述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的概念、數(shù)據(jù)類型與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的關(guān)系、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)差異的原理等內(nèi)容；在提升學(xué)生的算法思維方面，教學(xué)中加入講述算法的常見分類、算法的常見思想、對較復(fù)雜的程序增加算法的流程圖描述等內(nèi)容。其次，合理安排教學(xué)順序，促進(jìn)深入思考問題。由于課程的知識(shí)點(diǎn)前后內(nèi)容互相依賴，聯(lián)系緊密，不僅后面的章節(jié)會(huì)應(yīng)用前面的知識(shí)，也會(huì)出現(xiàn)在前面的教學(xué)內(nèi)容中多次用到后面的章節(jié)內(nèi)容的情況。在教學(xué)中機(jī)械按照教材內(nèi)容安排的順序進(jìn)行講解，會(huì)存在學(xué)生對問題無法深入理解的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生在這部分的知識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)比較吃力，上課時(shí)就無法深入地進(jìn)行思考判斷。合理安排教學(xué)內(nèi)容的順序，不僅可以促使學(xué)生對某些知識(shí)點(diǎn)的理解，而且學(xué)生可以對某些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對比學(xué)習(xí)，從而更好地思考問題。為了促進(jìn)學(xué)生清晰地思考問題，消除學(xué)生存在的疑問，可以在課程中進(jìn)行交叉講解。比如簡單程序設(shè)計(jì)中的格式輸出函數(shù)部分交叉至基本數(shù)據(jù)類型中的常量變量部分進(jìn)行講解，程序概述中的程序調(diào)試原理部分交叉至基本數(shù)據(jù)類型及運(yùn)算結(jié)束后講解，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分中的關(guān)系運(yùn)算符和關(guān)系表達(dá)式的講解交叉至數(shù)據(jù)和運(yùn)算部分集中進(jìn)行對比講解等。

（二）充分設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，教學(xué)案例與生活實(shí)踐相結(jié)合

課堂教學(xué)時(shí)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)多種課堂活動(dòng)以提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。比如選擇鼓勵(lì)法，設(shè)計(jì)多道題目，每次邀請幾名同學(xué)同時(shí)參加，每位同學(xué)可以根據(jù)自己對知識(shí)的掌握情況自由選擇一個(gè)題目進(jìn)行解答，任課教師在學(xué)生發(fā)言的時(shí)候，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充，并在學(xué)生參與后進(jìn)行評(píng)價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)。歸納討論法，在教學(xué)過程中分階段把學(xué)生在程序編制中出現(xiàn)的問題歸納在一起，在每一章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容講解完后在課堂上進(jìn)行展示，讓同學(xué)們積極發(fā)言，進(jìn)行辨別和討論。在討論的過程中，任課教師注意及時(shí)糾正學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，并引導(dǎo)學(xué)生改正在程序設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤思維。自主編程法，挑選程度好的同學(xué)，即時(shí)編寫程序代碼，然后給大家講解自己的編程思路和方法，其他的同學(xué)可以結(jié)合各自的認(rèn)識(shí)和算法設(shè)計(jì)，指出其中出現(xiàn)的問題或?qū)Τ绦蚣右愿摹Ｒ詫W(xué)生為主體的課堂活動(dòng)，課堂氣氛活躍，是學(xué)生通過和老師的交流來提升其計(jì)算思維能力的有效途徑，但注意任課教師在評(píng)價(jià)學(xué)生的回答時(shí)要多鼓勵(lì)學(xué)生，尤其是平時(shí)發(fā)言較少的學(xué)生。在教學(xué)活動(dòng)中遇到學(xué)生難以理解和思考的問題時(shí)，要注意對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生勇于向難題挑戰(zhàn)。

教學(xué)中由于有的程序設(shè)計(jì)案例比較抽象，需要學(xué)生認(rèn)真思考，而該階段的非計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生，由于接觸計(jì)算機(jī)少，對程序設(shè)計(jì)的概念和方法比較陌生，另外由于所修專業(yè)和計(jì)算機(jī)專業(yè)的差別，導(dǎo)致有的學(xué)生對編程不夠重視，所以客觀上造成課堂上學(xué)生往往缺乏思考問題的耐心，等著聽老師講解的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的案例時(shí)，采用案例和實(shí)踐相結(jié)合的方式。案例設(shè)計(jì)時(shí)選取生活中的實(shí)例可以引發(fā)學(xué)生的興趣，積極思考問題。比如在講解程序結(jié)構(gòu)時(shí)設(shè)計(jì)商品的購物籃問題、圖形輸出問題、猜字游戲等案例，講解數(shù)組時(shí)設(shè)計(jì)班級(jí)同學(xué)的成績統(tǒng)計(jì)問題、棋盤生成問題等案例。這樣通過在教學(xué)中解決實(shí)際問題的過程中，可以不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生通過對案例的主動(dòng)學(xué)習(xí)來提升計(jì)算思維能力。

（三）多方位構(gòu)建教學(xué)平臺(tái)

教學(xué)中運(yùn)用多種教學(xué)平臺(tái)多方位促進(jìn)學(xué)生思維能力的提高。首先，使用超星平臺(tái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生可以自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式。課堂教學(xué)在教學(xué)中能夠直接和學(xué)生交流互動(dòng)，有利于對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)效果及時(shí)做出反饋，便于授課教師快速進(jìn)行調(diào)整，但編程思考需要很多時(shí)間的投入。在教學(xué)中充分利用網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)技術(shù)研究新形態(tài)教學(xué)以補(bǔ)充有限的教學(xué)時(shí)間，設(shè)計(jì)數(shù)字化學(xué)習(xí)方式提升學(xué)生計(jì)算思維的能力。平臺(tái)上針對課程每一章節(jié)放置相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在章節(jié)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上充分考慮了拓展學(xué)習(xí)和加強(qiáng)思維訓(xùn)練等方面的問題。比如平臺(tái)在放置需要閱讀學(xué)習(xí)的文字部分基礎(chǔ)上，把相關(guān)內(nèi)容的拓展知識(shí)設(shè)計(jì)成相關(guān)PPT或視頻穿插在頁面內(nèi)，把課程中需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的部分設(shè)為任務(wù)點(diǎn)視頻，在頁面的學(xué)習(xí)中針對某部分內(nèi)容編制一些思考問題讓學(xué)生進(jìn)行深入思考。平臺(tái)上提供教學(xué)大綱、課程視頻、多種開發(fā)工具、自主閱讀材料等，給學(xué)生推薦與課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力情況進(jìn)行電腦端和手機(jī)端的自主在線學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅加強(qiáng)學(xué)生課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的自由度，而且還可以借助平臺(tái)進(jìn)行問題搶答、下發(fā)問卷、課外討論等有助于提高計(jì)算思維的教學(xué)活動(dòng)。在組織平臺(tái)的課外討論時(shí)，任課教師要注意根據(jù)平臺(tái)顯示的討論情況及時(shí)發(fā)言。因?yàn)榉e極思考問題的部分學(xué)生不僅會(huì)在討論中說明自己的答案，而且也會(huì)去評(píng)價(jià)其他同學(xué)的答案，任課教師對于這些更深入的討論交流活動(dòng)表達(dá)意見并給予肯定，對于促進(jìn)參與課外討論的同學(xué)進(jìn)一步思考問題，提升其思維能力是很有幫助的，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)班級(jí)其他同學(xué)進(jìn)行討論學(xué)習(xí)。其次，開發(fā)練習(xí)測試平臺(tái)，利用評(píng)價(jià)機(jī)制促進(jìn)學(xué)生思維能力的提高。計(jì)算思維的評(píng)價(jià)對計(jì)算思維在實(shí)踐中的應(yīng)用效果研究有重要價(jià)值，同時(shí)也影響著計(jì)算思維領(lǐng)域研究的發(fā)展［4］。練習(xí)測試平臺(tái)不僅可以使學(xué)生進(jìn)行自主練習(xí)的選擇，以便總結(jié)現(xiàn)階段自身的學(xué)習(xí)狀況，而且授課教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)展情況選擇性地對學(xué)生進(jìn)行階段性測評(píng)，以查看教學(xué)中學(xué)生思維能力的訓(xùn)練效果。測試平臺(tái)對每章內(nèi)容設(shè)計(jì)易、中、難程度的題目，以不同形式比如選擇、判斷、簡答、填空、編程考查學(xué)生，從不同角度比如章節(jié)練習(xí)、綜合練習(xí)、模擬考試等提高學(xué)生思維能力。為了使學(xué)生在練習(xí)時(shí)能及時(shí)根據(jù)疑問查找所學(xué)內(nèi)容，平臺(tái)上還提供了針對練習(xí)中經(jīng)常使用的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)的精簡小視頻。最后，答疑使用學(xué)習(xí)通、釘釘和線下相結(jié)合的方式，以便快速解決學(xué)生在思維過程中產(chǎn)生的問題。學(xué)生在利用計(jì)算機(jī)編程的過程中，會(huì)遇到各種各樣的問題，加強(qiáng)師生溝通，及時(shí)解決問題會(huì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。由于學(xué)生使用手機(jī)比較方便，所以在手機(jī)端學(xué)習(xí)通上進(jìn)行在線學(xué)習(xí)比較多，而在電腦上編程時(shí)，如果程序有問題需要和老師討論，學(xué)生往往需要把產(chǎn)生的問題畫面截圖呈現(xiàn)給老師，這時(shí)在電腦上直接利用釘釘平臺(tái)上傳，操作比較方便。

（四）多層次合理規(guī)劃課堂教學(xué)

對教學(xué)中所有學(xué)生要求同樣的學(xué)習(xí)難度，思維訓(xùn)練的效果往往不理想。為了使不同層次的學(xué)生在學(xué)習(xí)中能積極地思考問題，促進(jìn)其計(jì)算思維能力的提升，課堂教學(xué)中根據(jù)每節(jié)課的教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)層次，把內(nèi)容設(shè)計(jì)為易、中等和高難度的不同層次，并規(guī)劃不同層次內(nèi)容所占用的時(shí)間。層次性設(shè)置應(yīng)結(jié)合授課知識(shí)的特點(diǎn)，要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的信息量的多少和難易來決定。比如對于語法規(guī)則的學(xué)習(xí)部分，課堂內(nèi)容信息量大，需要學(xué)生理解的知識(shí)點(diǎn)很多，如果這部分內(nèi)容學(xué)生沒有充分掌握，則程序編制時(shí)就會(huì)出現(xiàn)很多問題，教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以中易層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容為主，促進(jìn)所有學(xué)生積極進(jìn)行思考和回答問題，以便于在教學(xué)中達(dá)到能夠使各個(gè)層次的學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的快速理解掌握的目的；對于程序結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)部分，課堂內(nèi)容的信息量和難度適中，則在中易難度層次的內(nèi)容學(xué)習(xí)上增加一些高難度教學(xué)內(nèi)容，以促進(jìn)計(jì)算機(jī)能力層次較高的學(xué)生積極思考和討論問題，提高其學(xué)習(xí)效率。注意在教學(xué)中為學(xué)生營造良好的思維氛圍，盡可能使全部學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)和討論，可以促使不同層次的學(xué)生積極地思考問題，以互相促進(jìn)思維能力的提升。

結(jié)語

為了支持在新形勢下的工科人才教育改革，培養(yǎng)工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)高級(jí)技術(shù)的思維能力，根據(jù)課程特點(diǎn)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)設(shè)計(jì)了公共基礎(chǔ)編程類課程C程序設(shè)計(jì)的教學(xué)過程。課程教學(xué)中堅(jiān)持多方位、多層次提升學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)為中心的教學(xué)理念，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等環(huán)節(jié)進(jìn)行了探索實(shí)踐。在教學(xué)中運(yùn)用多種平臺(tái)，合理組織和拓展課程內(nèi)容，課堂上注重學(xué)生的參與程度，設(shè)計(jì)多種方式，訓(xùn)練學(xué)生如何利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題，使學(xué)生在掌握編程語言的同時(shí)提高其計(jì)算思維能力，為學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域中使用計(jì)算機(jī)技術(shù)奠定良好的計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)。

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作者簡介：范喆（1972—?），女，漢族，河南洛陽人，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。