基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)實(shí)踐

滕劍鋒 王玉鋒 王 猛 劉二林

（濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，山東日照276826）

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，程序設(shè)計(jì)類課程不僅是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的必修課程，也是廣大非計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。以醫(yī)學(xué)專業(yè)為例，教育部在2011年下文，明確了包括程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在內(nèi)的多門課程作為必修的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程。2010年7月，在西安舉行的首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”旗幟鮮明地把“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)[1]。

國(guó)際上廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來(lái)自卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真（Jeannette Wing）教授。周教授認(rèn)為，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(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。計(jì)算思維的理念古已有之，只是2006年周教授首次把該概念清晰歸納。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。其與“理論思維”（以數(shù)學(xué)為代表）、“實(shí)驗(yàn)思維”（以物理學(xué)為代表）一起，并稱3大科學(xué)思維[3]。

1972年圖靈獎(jiǎng)得主Edsger Dijkstra曾說(shuō)：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力?！笨梢姡季S是通過(guò)工具來(lái)體現(xiàn)和影響的。計(jì)算思維的培養(yǎng)不是孤立進(jìn)行的，不是依靠另外開專門課程講授的，而是在學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中培養(yǎng)的[3]。學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)類課程是培養(yǎng)“計(jì)算思維”的有效途徑之一。

1 程序設(shè)計(jì)類課程與“計(jì)算思維”

長(zhǎng)久以來(lái)，程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中往往忽視對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)，偏重對(duì)編程語(yǔ)言語(yǔ)法細(xì)節(jié)的講授，將程序設(shè)計(jì)課簡(jiǎn)單的等同為“編程”課，導(dǎo)致諸如“Hello World”難度的例子貫穿授課過(guò)程的始終[4]。其僅僅為演示語(yǔ)言的細(xì)節(jié)而設(shè)計(jì)，制約了學(xué)生能力的進(jìn)一步提高。一些教師意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，提出了諸如“案例教學(xué)法”之類的教學(xué)理念，將大型應(yīng)用系統(tǒng)案例引入到程序設(shè)計(jì)類課程中，一定程度上消除了教學(xué)和企業(yè)需求之間的差距[5]。但是，在教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)方式并不是萬(wàn)能的。主要體現(xiàn)在：

1）“案例教學(xué)法”在高級(jí)的開發(fā)平臺(tái)（例如Java或.Net）教學(xué)中相對(duì)適用，但在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程（一般講授C語(yǔ)言）中并不適用。所以，針對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程，需要根據(jù)語(yǔ)言或平臺(tái)，靈活的選用教學(xué)理念；2）“案例教學(xué)法”將重點(diǎn)放到了整個(gè)案例功能的最終實(shí)現(xiàn)上，導(dǎo)致學(xué)生往往忽視細(xì)節(jié)部分設(shè)計(jì)的高效性、科學(xué)性，不能將算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多課程的知識(shí)有機(jī)融合進(jìn)來(lái)，最終影響了整體的執(zhí)行效率。

計(jì)算思維的養(yǎng)成，恰好能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。由此也可見，培養(yǎng)計(jì)算思維也不是推倒重來(lái)，而是在珍惜多年來(lái)行之有效的經(jīng)驗(yàn)和成果的前提下增加對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)。主要思路如下：在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，將計(jì)算思維作為貫穿課程教學(xué)的理念，不孤立介紹語(yǔ)法細(xì)節(jié)，而是將算法貫徹始終，逐步深入；在程序設(shè)計(jì)后續(xù)課程中，將“案例教學(xué)法”與“計(jì)算思維”的理念相互滲透，互為補(bǔ)充。

1.1 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)

我們認(rèn)為，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)應(yīng)該突出體現(xiàn)使用編程解決特定問(wèn)題的方式，即程序設(shè)計(jì)方法。另外，在這門課程的教學(xué)實(shí)施中要特別注重實(shí)踐，要使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐確實(shí)感受和領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的基本方法和思維模式。就課程性質(zhì)而言，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課有利于訓(xùn)練計(jì)算思維能力和動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。當(dāng)今社會(huì)的有識(shí)之士提出：既然計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為“人類通用智力工具”，那么計(jì)算思維對(duì)每個(gè)學(xué)生都有普遍意義，而不僅囿于計(jì)算機(jī)專業(yè)[6]。

《China Computing Curricula 2002中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002》中說(shuō)：“從問(wèn)題的抽象描述到具體實(shí)現(xiàn)，以及從研究對(duì)象的表示形式到相應(yīng)的處理方法，都要求本學(xué)科的工作者具有較強(qiáng)的計(jì)算思維能力，而計(jì)算思維能力在較大的程度上是以思維方式的數(shù)學(xué)化為支撐的。所以，學(xué)生在思維方式的數(shù)學(xué)化上受到良好的訓(xùn)練是非常重要的?！盵7]由此可見，對(duì)學(xué)生在程序設(shè)計(jì)課上進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象化的訓(xùn)練是培養(yǎng)“計(jì)算思維”，進(jìn)而掌握程序設(shè)計(jì)方法的重要環(huán)節(jié)。計(jì)算思維能力在很大程度上是以思維方式的數(shù)學(xué)化為支撐的，在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課上通過(guò)教師講授和學(xué)生自己上機(jī)實(shí)踐，來(lái)體會(huì)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是怎樣變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠求解的問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程蘊(yùn)含著計(jì)算思維要素。

就數(shù)學(xué)抽象而言，它是針對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的量的關(guān)系和空間形式進(jìn)行的。計(jì)算思維中的抽象與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)相比更為復(fù)雜和實(shí)用，抽象的好壞和是否能夠?qū)嵱?，要看?jì)算機(jī)能否快速地自動(dòng)化地完成人們預(yù)想的計(jì)算任務(wù)。計(jì)算機(jī)解題過(guò)程是抽象和自動(dòng)化過(guò)程，就步驟而言，主要是：1）對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象得到數(shù)學(xué)模型；2）研究解決數(shù)學(xué)模型的算法；3）選擇與算法相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；4）程序編碼；5）調(diào)試運(yùn)行；6）結(jié)果分析。

在整個(gè)步驟過(guò)程中，構(gòu)造問(wèn)題很重要，它是切入點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著激發(fā)興趣，引出思路的重要使命，同時(shí)，它還必須具有普遍性，具備舉一反三的可能。

教學(xué)具體舉措：1）在教學(xué)中盡量選用有典型數(shù)學(xué)模型背景的示例，例如漢諾塔問(wèn)題、人鬼渡河問(wèn)題等，不再采用單純?yōu)榱搜菔菊Z(yǔ)法而設(shè)計(jì)的初級(jí)例子；2）以賽代練，鼓勵(lì)學(xué)生參加算法類程序設(shè)計(jì)比賽，例如ACM程序大賽、百度之星、TopCoder、Google Code Jam等，以培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維能力。

1.2 程序設(shè)計(jì)后續(xù)課程教學(xué)

對(duì)于程序設(shè)計(jì)的后續(xù)課程，如果還把重點(diǎn)僅僅放在“計(jì)算思維”的培養(yǎng)上，那就等于是在簡(jiǎn)單地重復(fù)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作，達(dá)不到提高的效果。較為合理的做法應(yīng)該是秉承行之有效的“案例教學(xué)法”理念，將程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)出來(lái)的計(jì)算思維能力，應(yīng)用到案例的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，豐富案例教學(xué)法的內(nèi)涵。

教學(xué)具體舉措：1）以賽代練，由鼓勵(lì)學(xué)生參加算法類比賽，轉(zhuǎn)為參加軟件應(yīng)用類比賽，例如齊魯軟件大賽、全國(guó)信息技術(shù)應(yīng)用水平大賽等；2）在軟件整體功能實(shí)現(xiàn)的前提下，關(guān)注軟件中算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的高效與優(yōu)化。

2 教學(xué)效果

對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)課來(lái)說(shuō)，在以往的教學(xué)過(guò)程中，編程語(yǔ)言語(yǔ)法的教學(xué)是非常重要，但也是非常枯燥的，很多學(xué)生正是因此有了厭煩情緒導(dǎo)致學(xué)習(xí)掉隊(duì)。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，較之以往，加入蘊(yùn)含數(shù)學(xué)的趣味問(wèn)題之后，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯有所提高，更為重要的是通過(guò)這樣的例子，不自覺(jué)地提高了學(xué)生的算法邏輯思維能力，同時(shí)使學(xué)生掌握了基本的編程語(yǔ)法，課程掉隊(duì)的學(xué)生比例顯著降低，有效地實(shí)現(xiàn)了既定教學(xué)目標(biāo)。

對(duì)于后續(xù)課程來(lái)說(shuō)，在以往的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往理解不清各門專業(yè)課程的關(guān)系，忽視，乃至曲解課程的前后銜接關(guān)系，無(wú)法建立起正確的、整體的知識(shí)框架。經(jīng)過(guò)了相應(yīng)的教學(xué)改革后，學(xué)生的知識(shí)體系趨于完整而清晰，并能夠有意識(shí)地將算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等融入自己的開發(fā)系統(tǒng)中，能較熟練地形成實(shí)際解決方案。在齊魯軟件大賽、全國(guó)信息技術(shù)應(yīng)用水平大賽中我院學(xué)生取得全省一等獎(jiǎng)和全國(guó)二等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

3 討論

我們應(yīng)特別關(guān)注學(xué)生多種思維能力的培養(yǎng)，尤其要重視創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練及創(chuàng)造性思維方法的掌握，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在培養(yǎng)計(jì)算思維的過(guò)程中，教師也需要警惕另外一個(gè)極端，那就是只重視思維，而忽視了編程語(yǔ)言，否則，計(jì)算思維就成了無(wú)源之水。培養(yǎng)計(jì)算思維不是目的，我們的最終目的是要提高學(xué)生的綜合能力。合理的根據(jù)課程內(nèi)容，在程序設(shè)計(jì)類課程的不同階段選用不同的教學(xué)方法、理念，是提高教學(xué)質(zhì)量的一條有效途徑。

[1]楊玉良.深入實(shí)施通識(shí)教育 培養(yǎng)未來(lái)社會(huì)中堅(jiān)[J].中國(guó)高等教育，2010，46（19）：4－5.

[2]Wing JM.Computational thinking[J].Communications of ACM，2006，49（3）：33－35.

[3]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，2012，10（21）：45－49.

[4]王玉鋒，孔繁之.基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2013，11（13）：57－59.

[5]滕劍鋒.Java課程改革的研究與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2012，10（23）：87－89.

[6]吳文虎.我怎么講好“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”這門課[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011，30（12）：10－12.

[7]中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科研究組.China Computing Curricula 2002中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：27.