基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的C語言程序設(shè)計(jì)課程改革

李 妮

(運(yùn)城學(xué)院公共計(jì)算機(jī)教學(xué)部，山西運(yùn)城044000)

1．背景

1．1 計(jì)算思維

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)廣度的一系列思維活動(dòng)［1］。計(jì)算思維這個(gè)概念是美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系周以真教授提出的，她指出計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，應(yīng)該在教育教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，使學(xué)生養(yǎng)成一種自覺的計(jì)算思維方式，并可以運(yùn)用計(jì)算思維分析和處理自己專業(yè)領(lǐng)域的問題。

周以真教授認(rèn)為計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，計(jì)算思維的方法包括遞歸方法，簡約、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真，關(guān)注點(diǎn)分離，啟發(fā)式推理等方法［2］。很多人覺得計(jì)算思維理論難以理解，實(shí)際上在我們?nèi)粘Ｉ钪谐３?huì)用到計(jì)算思維，例如我們用電腦邊聽歌邊寫郵件這屬于并行處理，郵遞員在投遞物品時(shí)選擇最優(yōu)投遞路線，電影或電視劇總是寫好劇本分鏡頭拍攝制作屬于分層解決問題，當(dāng)我們遇到復(fù)雜的問題總是將它分解為若干個(gè)簡單的問題處理。運(yùn)用計(jì)算思維可以幫助我們更好地解決身邊遇到的實(shí)際問題，因此我們應(yīng)該將計(jì)算思維融入到教學(xué)過程中，讓學(xué)生養(yǎng)成一種自覺運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的習(xí)慣。

1．2 C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)與計(jì)算思維

在目前的非計(jì)算機(jī)專業(yè)C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問題:

(1)很多學(xué)生把學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計(jì)課程的重點(diǎn)放在了對(duì)語言和語法的學(xué)習(xí)上，雖然可以寫出正確的語句，但是不會(huì)運(yùn)用語句編程處理實(shí)際問題。

(2)學(xué)生在編程處理問題時(shí)，只會(huì)按照教師講過的方法處理，換個(gè)環(huán)境或問題就不會(huì)處理了。

(3)學(xué)生很難運(yùn)用C語言程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)到的知識(shí)處理自己專業(yè)中的問題，不能學(xué)以致用。

C語言程序設(shè)計(jì)課程的重點(diǎn)不應(yīng)放在計(jì)算機(jī)語言語法的學(xué)習(xí)上，而是如何靈活地應(yīng)用語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)問題的處理。在教學(xué)中，應(yīng)該讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)操作和技術(shù)原理，學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)分析和處理問題的方法思路，也就是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，并通過多種教學(xué)方法和手段，在面向應(yīng)用的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的計(jì)算思維能力。

為了進(jìn)一步了解學(xué)生的計(jì)算思維能力，在學(xué)期初對(duì)學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)計(jì)算思維的調(diào)查，反映出學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知程度。調(diào)查情況部分反饋如表1所示:

表1 學(xué)生計(jì)算思維了解調(diào)查表

通過以上調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生在日常生活學(xué)習(xí)中會(huì)不自覺的使用計(jì)算思維，可是卻不知道自己運(yùn)用了計(jì)算思維，也沒有人曾經(jīng)接受過計(jì)算思維訓(xùn)練，實(shí)際上掌握了計(jì)算思維的方法可以讓學(xué)生用更廣的思路、更有效率的方法處理生活和學(xué)習(xí)中的各種問題，因此我們要在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。計(jì)算思維是一種原理性的知識(shí)，給非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生直接講復(fù)雜和抽象的理論，學(xué)生難以理解，而且學(xué)時(shí)有限，專業(yè)不同，每個(gè)學(xué)生的水平也不同，如何將計(jì)算思維很好地滲透到教學(xué)中，是課程改革中要解決的問題。

2．面向計(jì)算思維的C語言程序設(shè)計(jì)課程改革

C語言程序設(shè)計(jì)課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，必須在應(yīng)用的前提下培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的最終目的也是為了應(yīng)用計(jì)算思維處理實(shí)際問題。在C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，可以通過理論課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)、課外拓展訓(xùn)練三個(gè)階段進(jìn)行培養(yǎng)。首先通過課堂案例將計(jì)算思維貫穿到理論課堂教學(xué)中，然后讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上對(duì)計(jì)算思維理論進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，最后通過課外拓展進(jìn)一步提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維處理問題的能力。

2．1 將計(jì)算思維貫穿到理論課堂

很多非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計(jì)課程時(shí)，將學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在了對(duì)語言和語法的學(xué)習(xí)上，就會(huì)出現(xiàn)不能學(xué)以致用的問題。學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計(jì)的目的是學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)分析和解決問題，因此理論課上應(yīng)重點(diǎn)講解計(jì)算思維原理和方法，同時(shí)注重應(yīng)用性和通用性，提高學(xué)生利用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的能力。

C語言程序設(shè)計(jì)課程中涉及到的計(jì)算思維理論包含了數(shù)據(jù)、算法、程序、軟件和系統(tǒng)等各個(gè)方面，例如，算法中設(shè)計(jì)到窮舉、遞推、遞歸、回溯、查找、排序等，程序中涉及到模塊化、一致性、可移植、優(yōu)化等。

非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在教學(xué)過程中不容易理解計(jì)算思維理論，因此教師在備課時(shí)應(yīng)將涉及到的計(jì)算思維理論融入到每個(gè)課堂案例中，通過不同案例討論方法、算法、思想，體現(xiàn)計(jì)算思維在求解問題時(shí)的優(yōu)越性。在教學(xué)中采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，每節(jié)課前教師將教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)和課堂案例布置給學(xué)生，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)并寫出預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)報(bào)告中包含對(duì)教學(xué)任務(wù)案例的想法和疑惑。在課堂上教師創(chuàng)設(shè)情境提出問題，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生用多種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)問題求解，并引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維尋找問題最優(yōu)解。課后布置問題讓學(xué)生繼續(xù)思考并寫出課后反思。

2．2 實(shí)驗(yàn)課中對(duì)計(jì)算思維理論進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用

C語言程序設(shè)計(jì)課程最后的落腳點(diǎn)是應(yīng)用，所以計(jì)算思維的培養(yǎng)要建立在應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)課將計(jì)算思維運(yùn)用到解決問題的過程中，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)具體從以下幾方面進(jìn)行改革。

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)體現(xiàn)計(jì)算思維

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置不僅是理論課內(nèi)容的驗(yàn)證，還要將計(jì)算思維融入到實(shí)驗(yàn)課堂的設(shè)計(jì)中，通過合理的編排包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)問題設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)反思、小結(jié)等讓學(xué)生體會(huì)到在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了哪些計(jì)算思維，最終養(yǎng)成自覺運(yùn)用計(jì)算思維處理問題的習(xí)慣。例如，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)多增加題目的趣味性、多樣性和應(yīng)用性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問題時(shí)多給學(xué)生一些思考的空間，鼓勵(lì)學(xué)生用多種方法完成實(shí)驗(yàn)題目并比較算法的優(yōu)劣，同時(shí)提示學(xué)生用到了哪些計(jì)算思維，在哪些問題也可以用同樣的思想和方法進(jìn)行處理。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有助于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要提高學(xué)生的編程能力，更重要的是利用編程方法的多樣性來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生從不同角度思考問題，用不同方法處理問題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新意識(shí)。

非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)能力差別大，如果采用同樣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和問題，能力差的學(xué)生很難完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，也沒有更多的時(shí)間思考實(shí)驗(yàn)問題，不利于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，對(duì)于能力強(qiáng)的學(xué)生不能充分提高計(jì)算思維能力，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用分層教學(xué)法［3］和小組討論學(xué)習(xí)法［4］。實(shí)驗(yàn)分層教學(xué)針對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)能力不同，設(shè)計(jì)3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包含基礎(chǔ)層次、加強(qiáng)層次和提高層次，基礎(chǔ)層次主要是對(duì)基本理論的驗(yàn)證，加強(qiáng)層次增加了對(duì)理論的應(yīng)用，提高層次鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)與實(shí)際專業(yè)結(jié)合的問題并討論如何解決?；緦哟闻囵B(yǎng)學(xué)生的操作技能，加強(qiáng)層次培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用技能，提高層次培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能。學(xué)生根據(jù)自己的情況自主選擇其中的任意幾個(gè)層次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)學(xué)生的自主性。在實(shí)驗(yàn)過程中采用小組討論學(xué)習(xí)法，可以讓學(xué)生在討論中互相交流思想，比較處理問題的不同方法，在討論的過程中提高計(jì)算思維能力。

(3)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維

通常C語言程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是編程正確即可，很少考慮到學(xué)生編程算法的優(yōu)劣，導(dǎo)致學(xué)生很少思考是否還有其他算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)問題的求解、當(dāng)前算法是否最優(yōu)，不利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改革，首先根據(jù)學(xué)生選擇哪幾個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)打一個(gè)基礎(chǔ)分，然后根據(jù)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的算法優(yōu)劣和是否用多種算法編程打一個(gè)提高分，最后根據(jù)小組討論表現(xiàn)打一個(gè)表現(xiàn)分。將基礎(chǔ)分、提高分和表現(xiàn)分的和作為最后的實(shí)驗(yàn)成績，這樣可以鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)腦多思考，計(jì)算思維能力也會(huì)有所提高。

2．3 課外拓展提高計(jì)算思維能力

如果實(shí)驗(yàn)課是“練兵”，那么課外拓展就是“上戰(zhàn)場(chǎng)”。學(xué)到用時(shí)方恨少，要讓學(xué)生一直感覺到需要用到知識(shí)，需要學(xué)習(xí)知識(shí)，被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。課外拓展以項(xiàng)目作業(yè)為主要內(nèi)容，項(xiàng)目作業(yè)［5］通常是綜合性比較強(qiáng)跟實(shí)際結(jié)合緊密的大作業(yè)，學(xué)生結(jié)合自己的專業(yè)或興趣選擇一個(gè)項(xiàng)目題目編程實(shí)現(xiàn)，例如，某企業(yè)財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、某學(xué)校圖書館管理系統(tǒng)、個(gè)人通訊錄、某超市數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等。讓學(xué)生到實(shí)際生活中進(jìn)行調(diào)研，體會(huì)程序設(shè)計(jì)和計(jì)算思維在實(shí)際生活中的應(yīng)用，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。大作業(yè)通常貫穿于整門課程的學(xué)習(xí)過程中，在學(xué)期初進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的不斷推進(jìn)，項(xiàng)目在學(xué)習(xí)的過程中不斷完善，學(xué)期末將項(xiàng)目作業(yè)提交作為課外拓展評(píng)價(jià)。

課外拓展的另一個(gè)方面是建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。每個(gè)學(xué)生的計(jì)算基礎(chǔ)能力不同，在課堂上只能照顧到絕大多數(shù)的學(xué)生，就會(huì)存在有的學(xué)生“吃不好”，有的學(xué)生“吃不飽”的情況。因此，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用課程網(wǎng)站、ftp、微博等，給學(xué)生提供課前預(yù)習(xí)資料、課后鞏固習(xí)題、課外補(bǔ)充資料、課后論壇答疑等，讓課程的學(xué)習(xí)拓展到課外。

3．學(xué)生的收獲和評(píng)價(jià)

通過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)改革，在學(xué)期末對(duì)4個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)調(diào)查，部分調(diào)查結(jié)果如表2所示。

表2 學(xué)期末學(xué)生教學(xué)效果反饋

從以上調(diào)查結(jié)果可以看出，通過課程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力對(duì)學(xué)生處理學(xué)習(xí)和生活的問題是有一定幫助的，學(xué)生也比較滿意基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法，并且在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)、理解、掌握、應(yīng)用程度都有所提高。

4．結(jié)語

在C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中滲透計(jì)算思維理論非常有利于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，同時(shí)學(xué)生在提高計(jì)算思維能力的同時(shí)也提高了課程的教學(xué)效果。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)基于應(yīng)用的計(jì)算思維培養(yǎng)讓學(xué)生在處理實(shí)際問題時(shí)多觀察多思考，在一定程度上可以提高學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

［1］周以真．計(jì)算思維［J］．中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2007(11)．

［2］龔沛曾，楊志強(qiáng)．大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)［J］．中國大學(xué)教學(xué)，2012(5)．

［3］李妮，王琴竹．計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)中的模塊化分層教學(xué)［J］．運(yùn)城學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(5)．

［4］李妮．小組合作學(xué)習(xí)教學(xué)探討［J］．運(yùn)城學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(5)．

［5］李妮．《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程中的項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)踐［J］．運(yùn)城學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(1)．