C語言程序設(shè)計(jì)課程中培養(yǎng)計(jì)算思維的案例教學(xué)法研究

摘 要：計(jì)算思維能力是未來人所要具備的基本能力之一，程序設(shè)計(jì)課程對培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力和信息應(yīng)用技能是一門核心課程。本文以計(jì)算思維為核心，介紹案例教學(xué)法在C語言程序設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用以及典型案例的設(shè)置。

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

中圖分類號：TP312.1-4

《C語言程序設(shè)計(jì)》課程是大多數(shù)高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)必修的一門計(jì)算機(jī)課程。課程以C語言為依托，介紹程序設(shè)計(jì)的基本方法，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的基本思想，掌握用計(jì)算機(jī)解題的基本思路。

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是目前國內(nèi)教育界重點(diǎn)研究的課題。為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維，《C語言程序設(shè)計(jì)》由于其課程的特性是培養(yǎng)計(jì)算計(jì)算思維的重要課程，對改善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)思維能力與創(chuàng)新精神其中十分重要的作用。通過課程來實(shí)現(xiàn)或展現(xiàn)計(jì)算思維在思維培養(yǎng)中的作用，將計(jì)算思維逐步滲透到學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)中。

1 計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算思維的基本概念

計(jì)算思維在我國引起廣泛注意是在2006年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授系統(tǒng)的提出了計(jì)算思維的概念。她認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法，是一類解析思維，涵蓋了反映計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動[1]。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會聯(lián)合中國計(jì)算機(jī)學(xué)會教育專業(yè)委員會、全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會召開主任（理事長）擴(kuò)大會議，于2012年3月提出計(jì)算思維能力培養(yǎng)的幾點(diǎn)認(rèn)識，其中就指出了計(jì)算思維的重要性。隨著信息化的全面深入、無處不在、無事不用的計(jì)算使計(jì)算思維成為人們認(rèn)識和解決問題的重要能力之一。一個人若不具備計(jì)算思維的能力，將在從業(yè)競爭中處于劣勢。計(jì)算思維不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員應(yīng)該具備的能力，而且也是所有受教育者應(yīng)該具備的能力[2]。

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。計(jì)算思維的抽象是使用符號代替實(shí)際問題中的各種變量，每個程序包括各種標(biāo)識符、常量、變量、數(shù)組、函數(shù)和結(jié)構(gòu)體等符號語言，這些組合在一起就構(gòu)成了程序設(shè)計(jì)語言。計(jì)算思維的自動化則體現(xiàn)在程序的機(jī)械式執(zhí)行，這也是馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)體系的本質(zhì)特征。要實(shí)現(xiàn)自動化，就必須要設(shè)計(jì)精確的算法和嚴(yán)格的程序語言體系。

1.2 程序設(shè)計(jì)課程存在的問題

一直以來，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)教育以學(xué)習(xí)基本知識、掌握基本工具為核心要求，一般不強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。如何在十分有限的學(xué)時中既學(xué)會掌握必要的工具，也讓計(jì)算機(jī)思維諸要素融入到學(xué)生的能力結(jié)構(gòu)中，更好的幫助學(xué)生建立計(jì)算機(jī)問題求解意識，是對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)教育的挑戰(zhàn)[2]。

程序設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容最能夠體現(xiàn)語言級的問題求解方法，是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容。對大多數(shù)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的目的是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)分析和解決問題的基本過程和思路，而不是成為程序員。目前在程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)偏重語言而不是設(shè)計(jì)的誤區(qū)，考試內(nèi)容也偏重語言語法，這對學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是非常不利的。程序設(shè)計(jì)課程的教材也存在相應(yīng)問題，多數(shù)教材偏重語言本身的知識結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹語言的語法等知識點(diǎn)，只能教會學(xué)生如何編寫程序，不能讓學(xué)生掌握用程序解決問題的方法。

2 案例教學(xué)法培養(yǎng)計(jì)算思維

有些學(xué)者歸納了計(jì)算思維的元素包括約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、保護(hù)、冗余、容錯、糾錯、系統(tǒng)恢復(fù)、啟發(fā)式、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、調(diào)度、折衷等。而在教學(xué)的過程中，教師不可能在講解知識時指出某個知識點(diǎn)或問題屬于計(jì)算思維的某個元素，而是需要在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生按計(jì)算思維的方法思考問題。培養(yǎng)思維能力常見的教學(xué)方法就是案例教學(xué)法。

2.1 C語言課程中的案例與計(jì)算思維

案例教學(xué)模式是一種互動式的教學(xué)方法，以案例分析為基礎(chǔ)，解決問題為主線，教學(xué)內(nèi)容圍繞案例的討論、分析逐步展開，通過對案例的剖析，激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生主動地思考，讓學(xué)生充分討論并發(fā)表各自的見解，教師適時引導(dǎo)和評判，最后推導(dǎo)出結(jié)論[3]。

在案例教學(xué)中案例是基礎(chǔ)和關(guān)鍵因素，教學(xué)案例的選取不是簡單的舉例，應(yīng)該覆蓋相應(yīng)知識單元的知識點(diǎn)與技能點(diǎn)。更重要的是案例所反應(yīng)的知識點(diǎn)要豐富，具有針對性、系統(tǒng)性和啟發(fā)性。學(xué)生能夠在案例分析的過程中，通過對具體問題的算法設(shè)計(jì)，體會到如何選擇合適的方法描述問題，對這個問題進(jìn)行建模，從而讓計(jì)算機(jī)能夠解決該問題。

在C語言程序設(shè)計(jì)課程中，教學(xué)的重點(diǎn)在于程序設(shè)計(jì)而非語言本身。程序設(shè)計(jì)解決問題的過程是問題化→抽象化→層次（模塊）化→自動化→系統(tǒng)化。其中問題化是對具體問題的分析；抽象化是指把復(fù)雜問題按照一定的算法找到解決問題的方法；層次（模塊）化是要把一個復(fù)雜問題簡單化；自動化是通過程序代碼自動實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)化是指要對運(yùn)行的結(jié)果分析，通過學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、反饋等方式，在時間、空間、效率上找到合適的平衡點(diǎn)。在此過程中可以通過流程圖把整個問題解決的過程抽象出來，找到解決同類問題的方法，形成一個思維方式，這樣就是一個計(jì)算思維能力形成的過程。這個待解決的問題可以通過案例的形式呈現(xiàn)出來。

采用案例教學(xué)法可以不拘泥于原有的以知識點(diǎn)建構(gòu)的課程體系，教師引導(dǎo)學(xué)生在問題的求解過程中，由案例引出知識點(diǎn)，然后對知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.2 C語言課程典型案例培養(yǎng)思維能力

（1）案例貫穿教學(xué)始終

在采用案例教學(xué)的課堂中，從第一堂課開始就用案例引入程序設(shè)計(jì)思想，同時也讓學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)及編碼的過程，給予他們最直觀的感受，增加學(xué)生對程序設(shè)計(jì)課程的興趣。對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，如何將思維的過程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序是一個難點(diǎn)，這就需要從第一節(jié)課開始就訓(xùn)練這種能力。

在第一堂課中，可以給出一個簡單的例子，通過分析人腦思考問題的過程，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)解題的步驟，再演示如何將分析的過程用C語言程序來實(shí)現(xiàn)，從而引出程序的基本組成和框架。例如，給出一個簡單的案例，將華氏溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度。首先分析如何思考這個問題：解決這個問題需要通過轉(zhuǎn)換公式來進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算中用到數(shù)據(jù)為華氏溫度。再確定解決問題的步驟：首先得到華氏溫度的值，再根據(jù)公式進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再輸出顯示。然后在C語言的開發(fā)環(huán)境中寫入代碼，進(jìn)行編譯運(yùn)行，屏幕上顯示輸出結(jié)果。通過這個案例可以引出程序設(shè)計(jì)中的控制結(jié)構(gòu)，該案例為順序結(jié)構(gòu)，學(xué)生初次接觸很容易理解。還可以引出分析問題的過程：分析問題中涉及的數(shù)據(jù)、解決問題需要的控制結(jié)構(gòu)、程序的預(yù)期結(jié)果。

通過這個例子，學(xué)生在第一節(jié)課就可以看到程序是如何編寫、編譯，最終運(yùn)行得到結(jié)果，既了解了問題的基本分析過程，也了解了程序的基本框架，可以讓他們能夠盡早的動手編程。

（2）盡量選擇生活化的案例

在很多的教材中，很多例題為數(shù)學(xué)公式運(yùn)算等比較枯燥的內(nèi)容，問題的本身不易讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)中，盡量選擇一些生活化的案例，除了能夠吸引學(xué)生注意力外，更重要的是能讓學(xué)生體會到在日常生活中如何以計(jì)算機(jī)解決問題的方法來解決實(shí)際問題，這個過程實(shí)際上也是計(jì)算思維培養(yǎng)的過程。

例如，在學(xué)習(xí)數(shù)組時都會介紹二分查找的算法，常見的例子是給學(xué)生一個已排序的數(shù)組，在其中查找其中某個數(shù)的位置。這時可以引入一個案例：有電視節(jié)目要求選手競猜某件商品的價(jià)格，如果猜中商品就歸該選手所有，請問如果你是該選手，采用什么樣的方法能較快的猜到商品價(jià)格？這個電視節(jié)目很多學(xué)生可能都看過，通過這個案例能夠充分調(diào)動學(xué)生積極性進(jìn)行思考。教師需要引導(dǎo)學(xué)生將思考的過程逐步細(xì)化，最終確定解決問題的算法。

假定商品的價(jià)格是1元到1000元之間的整數(shù)，首先猜價(jià)格為500元，根據(jù)提示的結(jié)果（高或低）能夠快速去掉其中一半的價(jià)格區(qū)間。然后再在剩下的價(jià)格區(qū)間中猜中間價(jià)格，再根據(jù)提示結(jié)果縮小一半的價(jià)格區(qū)間，以此類推，最終能夠確定商品的價(jià)格。這個分析的過程就是二分查找的算法思想，確定算法后，分析其中的數(shù)據(jù)與控制結(jié)構(gòu)。運(yùn)算的對象為1到1000之間的數(shù)，用數(shù)組表示，算法中要重復(fù)進(jìn)行取中間價(jià)格、確定新的價(jià)格區(qū)間的步驟，這個過程為循環(huán)結(jié)構(gòu)。然后再介紹如何用C語言來實(shí)現(xiàn)分析的過程。

通過這個生活化案例，訓(xùn)練學(xué)生如何將生活中的問題用計(jì)算機(jī)來解決，既提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，也鍛煉了思維能力。

（3）案例選擇由簡到難，具備可擴(kuò)展性

有一些案例可以貫穿教學(xué)的始終，隨著教學(xué)內(nèi)容的增加逐步豐富。這樣可以讓學(xué)生在掌握前面案例的基礎(chǔ)上，為后續(xù)內(nèi)容做鋪墊。

例如在介紹分支結(jié)構(gòu)時，用求兩個數(shù)最大（最?。┲档陌咐榻Bif-else語句。再引入一個案例求三個數(shù)的最大（最?。┲?，介紹嵌套的if語句。對于多個數(shù)（如100個數(shù)）求最值，控制結(jié)構(gòu)仍然為分支結(jié)構(gòu)，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要采用數(shù)組，從而引出數(shù)組的概念。隨后，在數(shù)組求最值的基礎(chǔ)上，引出排序的問題，要求對數(shù)組的元素從小到大排列。這個過程要在數(shù)組中找最小值，將最小值與第一個數(shù)進(jìn)行交換，再在剩下的元素中找最小值進(jìn)行交換，以此類推，從而對所有元素進(jìn)行有序排列。在數(shù)組有序的基礎(chǔ)上，再引入前面介紹的二分查找法的案例。

還可以設(shè)置案例根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的推進(jìn)，提出不同的要求，讓學(xué)生圍繞案例循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)，便于思維訓(xùn)練的連貫性。

例如案例：在屏幕上輸入通訊錄中的聯(lián)系人信息，然后再顯示出來，其對應(yīng)的知識點(diǎn)如表1所示。

表1 案例及對應(yīng)知識點(diǎn)

案例描述知識點(diǎn)

在屏幕上輸入一個聯(lián)系人信息：姓名、手機(jī)號，并輸出變量、輸入/輸出函數(shù)

輸入10個聯(lián)系人信息（姓名、手機(jī)號），再輸出數(shù)組、循環(huán)

輸入10個聯(lián)系人信息，并保存在磁盤上文件

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中培養(yǎng)計(jì)算思維

程序設(shè)計(jì)課程除了在教學(xué)中采用案例訓(xùn)練學(xué)生思維能力外，也要重視上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)。讓學(xué)生在實(shí)際操作中強(qiáng)化計(jì)算思維。

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體現(xiàn)計(jì)算思維

學(xué)生在剛開始學(xué)習(xí)時是以模仿為主，但隨著學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不應(yīng)該只是課堂內(nèi)容的簡單重復(fù)，要給學(xué)生提供思維創(chuàng)新的空間。可以在課堂上給學(xué)生留下一定的問題，讓他們自己分析總結(jié)問題。也可以給出一些案例的部分解決辦法，引導(dǎo)學(xué)生的思維過程，將解決辦法補(bǔ)充完整。還可以給出錯誤的代碼，讓學(xué)生查錯糾錯。通過這些不同方式的思維訓(xùn)練，可以給于學(xué)生提出新的方案和排除錯誤的滿足感，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的綜合性與趣味性

與課堂教學(xué)一樣，實(shí)驗(yàn)的案例同樣盡量選擇生活化或?qū)嶋H問題。例如計(jì)算購房貸款、計(jì)算分段電費(fèi)等問題。實(shí)驗(yàn)案例選擇綜合性較強(qiáng)的問題，讓學(xué)生能綜合應(yīng)用所學(xué)的知識，進(jìn)行系統(tǒng)思維的訓(xùn)練。

例如在介紹遞歸算法后，讓學(xué)生自己分析影片《盜夢空間》中的情節(jié)，其中進(jìn)入不同層次的夢境其實(shí)就是遞歸的過程?？梢栽O(shè)置一個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生分析其中的遞歸過程，并模擬表現(xiàn)出來。

3.3 規(guī)范上機(jī)過程

在實(shí)驗(yàn)中，案例的實(shí)現(xiàn)要求學(xué)生都按照統(tǒng)一的流程進(jìn)行：分析問題—>設(shè)計(jì)算法—>編寫實(shí)現(xiàn)—>上機(jī)調(diào)試。引導(dǎo)學(xué)生的思維過程和編程習(xí)慣，逐步提高動手能力。

在上機(jī)調(diào)試完畢后，還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對程序進(jìn)行優(yōu)化，思考是否有其他解決辦法，讓學(xué)生體會思維不是固定模式的，不同的思維方式解決問題的效果是不一樣的。

例如在解決一些窮舉問題時，簡單的方式是采用多重循環(huán)來完成。如問題：男人、女人、小孩來搬磚，1個男人搬2塊磚，1個女人能搬1塊磚，2個小孩能搬1塊磚，請問10個人搬10塊磚，應(yīng)該怎么分配？解決這個問題最簡單的方式是采用三層循環(huán)，分別表示男人、女人和小孩的人數(shù)，判斷人數(shù)之和是否為10，對應(yīng)的人是否能搬10塊磚。

學(xué)生解決這個問題后，讓他們計(jì)算程序運(yùn)行的次數(shù)，再提出是否有其他方法能減少運(yùn)行次數(shù)。學(xué)生就可以考慮能否用兩層循環(huán)表示男人、女人的數(shù)量，小孩的數(shù)量用10減去兩個循環(huán)變量就可以得到。這樣循環(huán)的執(zhí)行次數(shù)就大大減少了。

4 結(jié)語

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是經(jīng)過長期學(xué)習(xí)訓(xùn)練、潛移默化中形成的能力，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中程序的設(shè)計(jì)過程就是解決問題方法、思維能力形成的過程，因此程序設(shè)計(jì)課程是計(jì)算思維能力培養(yǎng)重要的基礎(chǔ)課程，可以采用合適的教學(xué)方法來增強(qiáng)大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，為社會的發(fā)展起到積極的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communications ofthe ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]李曉明，蔣宗禮，王志英.積極研究和推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（5）：1.

[3]丁海燕，袁國武，周小兵，白孟堯.高級語言程序設(shè)計(jì)案例式教學(xué)模式的探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2011，4：65.

作者簡介：鄭爽（1982-），女，安徽人，講師，碩士，研究方向：信息安全；王全民（1963-），男，山西人，副教授，博士，研究方向：信息安全；李秀榮（1971-），女，吉林人，工程師，碩士，研究方向：信息安全。

作者單位：北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100124

基金項(xiàng)目：“以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的理工類專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程改革研究”，項(xiàng)目編號：DJG-1-2，教育部“大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革”項(xiàng)目子課題。