面向計算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計課程

李文生　吳舜歆

摘要：針對傳統(tǒng)程序設(shè)計課程教學(xué)存在的問題，提出將計算思維能力培養(yǎng)引入到程序設(shè)計課程中來，并從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、上機(jī)實踐和考核方式等方面討論程序設(shè)計課程的改革思路，培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力和程序設(shè)計實踐動手能力。

關(guān)鍵詞：計算思維；程序設(shè)計；教學(xué)改革

0 引言

程序設(shè)計作為計算機(jī)類專業(yè)基礎(chǔ)課，是很多后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)和鋪墊，在計算機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)方案中占據(jù)重要位置。

程序設(shè)計是將分析和解決問題的思維活動轉(zhuǎn)化成計算機(jī)程序的過程。從這個角度講，程序設(shè)計最能夠體現(xiàn)語言級的問題求解思想方法，學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計課程中，可以通過問題分析、算法設(shè)計、程序?qū)崿F(xiàn)來體驗問題求解的思維訓(xùn)練過程。所以，對于計算機(jī)專業(yè)學(xué)生來說，學(xué)習(xí)程序設(shè)計課程的目的不應(yīng)是單純掌握某門程序設(shè)計語言的語法規(guī)范，甚至不是單純學(xué)習(xí)一門程序設(shè)計技術(shù)，而是學(xué)習(xí)利用計算機(jī)分析和解決問題的基本過程和思維方法。

1 傳統(tǒng)程序設(shè)計課程教學(xué)存在的問題

程序設(shè)計課程主要涵蓋兩大部分內(nèi)容：一是程序設(shè)計語言知識，主要包括某種程序設(shè)計語言的語法機(jī)制、形式、功能和意義；二是程序設(shè)計思想和方法，主要包括數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)抽象，流程和流程控制，思考、設(shè)計、組織程序的過程、方法和技術(shù)等。

傳統(tǒng)的程序設(shè)計課程將教學(xué)的重心主要放在第一部分，因而很容易陷入以程序設(shè)計語言為中心的誤區(qū)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）教學(xué)內(nèi)容過分關(guān)注程序設(shè)計語言的語法和語義細(xì)節(jié)，整個課程是以程序設(shè)計語言為綱來組織教學(xué)內(nèi)容。由于程序設(shè)計語言具有大量繁雜語法知識點(diǎn)，教師只能采用灌輸式教學(xué)模式，花費(fèi)大量課時用于講授瑣碎的語法知識上，而不是花在程序設(shè)計思想和方法的傳授上。（2）教學(xué)方法采用程序設(shè)計語言工具書的闡述方式，一般是先介紹一種語法結(jié)構(gòu)的形式和意義，然后給出簡單示例或示例程序，這些示例和示例程序的主要作用只是用于對語法結(jié)構(gòu)使用方法的說明，學(xué)生并不能通過這些示例體會到問題分析、程序思維和構(gòu)造的方法。整個課程也很少引入綜合性的教學(xué)案例，讓學(xué)生體會到針對要解決的問題，如何進(jìn)行分析并逐漸將其精確化；如何針對問題的計算需求，設(shè)計解決問題的過程；如何將問題解決過程精確化，選擇適當(dāng)?shù)某绦蚪Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)它。（3）課程考核類似于某些計算機(jī)等級考試，偏重于考核程序設(shè)計語言的語法知識，有時甚至用一些生僻的語法知識折騰學(xué)生，而忽略對學(xué)生分析問題、程序設(shè)計和調(diào)試能力的考核。這直接導(dǎo)致學(xué)生只注重知識點(diǎn)記憶，而忽視程序設(shè)計能力培養(yǎng)。

2 程序設(shè)計教學(xué)改革中的計算思維能力培養(yǎng)

2.1 計算機(jī)思維的背景

計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，它的本質(zhì)是抽象和自動化。計算思維的核心是基于計算環(huán)境和約束的問題求解，即通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看似困難的問題轉(zhuǎn)化成一個我們知道怎樣解決的問題的思維方法。

計算機(jī)學(xué)科的共同特征是基于特定計算環(huán)境和約束條件的問題求解，比如：計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)理論研究實際上是基于抽象機(jī)（如圖靈機(jī)）的問題求解，計算機(jī)硬件體系的設(shè)計與研究則是一種指令級的問題求解，程序設(shè)計可以看成是基于語言級的問題求解活動。因此，可以認(rèn)為，計算思維的本質(zhì)特征是基于不同層次計算環(huán)境的問題求解。問題求解涉及3個部分內(nèi)容：一是問題表示，即對象構(gòu)造，建立計算環(huán)境所能理解的基本計算對象，進(jìn)而為基于計算環(huán)境的問題求解提供可能；二是問題求解過程，即過程構(gòu)造，通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、啟發(fā)式推理、平衡與折中等計算思維方法設(shè)計問題的求解方法和過程；三是計算過程正確性與效率的驗證，即驗證構(gòu)造，典型方法有預(yù)防、保護(hù)、冗余、容錯、糾錯等，其中還需要多維度（時間、空間、簡潔、成本等）考量計算的效率。

既然程序設(shè)計是基于語言級的問題求解活動，那么程序設(shè)計課程也應(yīng)當(dāng)作為培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的重要手段，應(yīng)當(dāng)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、上機(jī)實踐和考核模式等諸多環(huán)節(jié)改革著手，培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力和計算思維能力。

2.2 程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容改革

程序設(shè)計課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力和計算思維能力，而不是單純地讓學(xué)生掌握某種程序設(shè)計語言的語法規(guī)范，所以程序設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容的組織應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題能力和計算思維能力為主線，而不是以語言語法知識點(diǎn)為主線，從而學(xué)生不會在一開始就接觸到過多、過雜的語言語法規(guī)范細(xì)節(jié)，從而將主要精力集中到解決實際問題中來。下面以c語言程序設(shè)計為例給出一個可行的教學(xué)內(nèi)容組織方式。

（1）C語言簡介。簡單介紹c語言的歷史和c語言程序的基本概念，通過簡單示例介紹c語言程序設(shè)計的基本流程。

（2）c語言程序設(shè)計的基本語法要素和程序流程控制。介紹數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算和表達(dá)式、基本輸入輸出、典型的分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)等，討論良好的程序設(shè)計風(fēng)格和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計基本方法。

（3）函數(shù)和算法。包括函數(shù)的聲明和定義、函數(shù)調(diào)用與調(diào)用規(guī)范、程序的結(jié)構(gòu)化與模塊化、算法概念與特征、算法描述方法、算法設(shè)計與實現(xiàn)、遞歸算法、程序的測試與排錯等。

（4）程序組織與軟件開發(fā)方法。主要討論函數(shù)庫與接口概念、作用域與生命周期、程序的組織方法和開發(fā)方法等。

（5）c語言符合數(shù)據(jù)類型。主要介紹數(shù)組、字符串、結(jié)構(gòu)體等，同時討論基于字符串的相關(guān)函數(shù)和算法。

（6）指針。討論指針和存儲地址的關(guān)系、指針相關(guān)運(yùn)算，同時討論指針與其他語法要件（數(shù)組、字符串、結(jié)構(gòu)體、函數(shù)）之間的關(guān)系。

（7）文件與數(shù)據(jù)存儲。介紹文件的基本概念和基本操作，討論文件的讀寫方法以及實際編程時的數(shù)據(jù)存儲策略。

（8）程序抽象。通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)抽象和算法抽象的基本方法與原則，掌握程序抽象的思考方法。

整個程序設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容的安排是介紹最基本的程序設(shè)計語言知識之后，以程序抽象機(jī)制為主線逐步介紹程序設(shè)計方法，與程序抽象有關(guān)的必要的語法元素逐漸展開，并將計算思維能力培養(yǎng)的諸多要素融入到這條主線中。endprint

特別需要注意的是，函數(shù)絕不應(yīng)該是學(xué)了各種基本編程機(jī)制之后的補(bǔ)充，而是培養(yǎng)學(xué)生抽象、分解等計算思維能力的重要載體和手段；合理的程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容安排應(yīng)當(dāng)盡可能把函數(shù)這一部分提前，在之后學(xué)習(xí)過程中反復(fù)強(qiáng)調(diào)和應(yīng)用，并與其他程序設(shè)計機(jī)制不斷碰撞融合。

2.3 程序設(shè)計教學(xué)方法改革

在確定了程序設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容后，接下來就是如何進(jìn)行教學(xué)方法的改革。改革的方向應(yīng)當(dāng)是幫助學(xué)生降低學(xué)習(xí)門檻，逐步展現(xiàn)計算思維方法和程序設(shè)計過程，從而幫助學(xué)生培養(yǎng)分析問題與通過程序設(shè)計解決問題的能力。具體做法如下：

（1）適當(dāng)?shù)Z法細(xì)節(jié)，在“以程序抽象為主線”的思想指導(dǎo)下，對程序設(shè)計語言本身進(jìn)行適當(dāng)裁剪，去除較為復(fù)雜、較難理解、使用很少、不太規(guī)范的部分。事實上，在實際編程學(xué)習(xí)過程中，如果采用良好的編程風(fēng)格，學(xué)生只需要掌握最基本、最重要的語法機(jī)制和最常用、最不容易寫錯的編程范式（編程模式、習(xí)慣寫法），就可以編寫程序解決實際問題了。這樣可以降低程序設(shè)計的學(xué)習(xí)門檻，讓學(xué)生能盡早開始編程，從而以漸進(jìn)的方式在實際編程中學(xué)習(xí)程序設(shè)計，通過逐步深入的方式慢慢掌握思考、設(shè)計、組織程序的方法和技術(shù)，降低學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的枯燥感和挫折感，提高學(xué)生解決問題的愉悅感和成就感。

（2）將教學(xué)重心放在計算思維能力和程序設(shè)計能力的培養(yǎng)上，將分解、抽象、自動化、約簡、轉(zhuǎn)化、遞歸、迭代、啟發(fā)式、折中等計算思維的主要特征融入到程序設(shè)計教學(xué)過程中，如通過順序結(jié)構(gòu)把復(fù)雜工作分解為一系列較簡單的工作；通過分支結(jié)構(gòu)，把整體處理分解為對一些互不相交、更為簡單的分支處理；通過循環(huán)，把復(fù)雜問題的處理分解為一系列類似處理；通過函數(shù)機(jī)制實現(xiàn)功能模塊的分解和抽象；采用抽象、分解來解決相對比較復(fù)雜的問題，通過約簡、轉(zhuǎn)化、遞歸、迭代來實現(xiàn)復(fù)雜問題的分而治之等。

（3）開發(fā)相對綜合的教學(xué)案例，如萬年歷程序、ATM自動取款機(jī)程序等，這些案例由部分到整體，由簡單到復(fù)雜，貫穿整個課程，幫助學(xué)生體會：如何從分析問題開始，通過分解、抽象、約簡、迭代等計算思維方法，最終設(shè)計出一個問題的計算過程；如何用程序設(shè)計語言將所設(shè)計的計算過程轉(zhuǎn)化成為一個程序；如何采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想方法，設(shè)計出具有良好的結(jié)構(gòu)，使其易于修改和擴(kuò)充；如何保證程序能合理妥當(dāng)?shù)靥幚聿徽_的輸入，提高程序的容錯性；如何合理地組成程序，以方便將代碼作為更大程序的組成部分。

（4）引入基于問題的互動教學(xué)，精選反映計算思維思想的問題案例或者相關(guān)知識模塊的引導(dǎo)性問題，通過課堂互動討論等方式，討論問題的分析、分解和精確化，找出問題解決的主要步驟，確定函數(shù)抽象，找出循環(huán)迭代、條件控制結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)。做完之后還應(yīng)該分析討論所設(shè)計程序的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，考慮其他設(shè)計實現(xiàn)的可能性。

2.4 程序設(shè)計的上機(jī)實踐環(huán)節(jié)改革

程序設(shè)計課程本身就是一門實踐性很強(qiáng)的課程，程序設(shè)計能力和計算思維能力的培養(yǎng)不能僅靠課堂教學(xué)，更多需要依靠上機(jī)實踐。上機(jī)除了強(qiáng)化學(xué)生的實踐動手能力外，更重要的是培養(yǎng)他們積極思維，自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的計算思維能力。基于這個原因，我們從以下幾個方面進(jìn)行程序設(shè)計上機(jī)實踐環(huán)節(jié)改革。

（1）以計算思維核心方法為指導(dǎo)，建立分層次的實踐教學(xué)案例。

首先是基礎(chǔ)層，要求學(xué)生在掌握某種語法規(guī)范后，可以使用它們解決相關(guān)的簡單實際問題，這一層次主要幫助學(xué)生跨越程序設(shè)計的門檻；第二個層次是拓展層，要求學(xué)生掌握基本的計算思維方法（抽象、分解等），掌握解決問題的典型策略或算法（如窮舉、迭代、遞歸、分治、查找、排序等），然后加以變通并用它們解決類似的問題；第三是綜合提高層，通過給出一些綜合的上機(jī)實踐題目，要求學(xué)生學(xué)會如何進(jìn)行正確的思考，對一個相對復(fù)雜的問題進(jìn)行問題分解和抽象描述，從而得到解決問題的方法和途徑。

（2）搭建一個“程序設(shè)計在線訓(xùn)練和評測系統(tǒng)”，為程序設(shè)計課程上機(jī)教學(xué)服務(wù)。

該系統(tǒng)在設(shè)計時需要考慮如下因素：一是將實驗實踐教學(xué)案例轉(zhuǎn)化成程序在線訓(xùn)練和評測系統(tǒng)相關(guān)題庫的題目，這些題目涵蓋基礎(chǔ)層（基本的編程語言知識的理解和復(fù)現(xiàn)）、提高層（基本計算思維方法和典型算法的編程驗證）、提高層（計算思維能力和編程技巧的綜合運(yùn)用）不同層次，逐步培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和程序設(shè)計能力；二是對于系統(tǒng)的題目通過設(shè)計比較全面的測試用例，培養(yǎng)學(xué)生更加全面思考問題求解方法的習(xí)慣，并加深學(xué)生對容錯、糾錯、冗余等計算思維的相關(guān)特征的了解；三是通過對測試用例設(shè)定時間和空間的要求，讓學(xué)生體會在設(shè)計正確程序的同時，還要考慮程序算法的優(yōu)劣，進(jìn)而設(shè)計高效的實現(xiàn)算法，不斷提高程序設(shè)計的技巧。

抽象和分解是計算思維的兩個最重要元素，也是程序設(shè)計的兩個重要手段，所以有必要強(qiáng)調(diào)學(xué)生在做題過程中通過問題分解和函數(shù)（或類）抽象建立清晰的程序結(jié)構(gòu)，并引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注程序的結(jié)構(gòu)、易讀性和易修改性。但是傳統(tǒng)的“程序設(shè)計在線訓(xùn)練和評測系統(tǒng)”采用黑盒測試，只是關(guān)心程序?qū)τ诮o定的測試用例能否得到預(yù)期的輸出，并不關(guān)心程序?qū)崿F(xiàn)的方法，這導(dǎo)致學(xué)生往往只寫一個主函數(shù)，并沒有根據(jù)實際問題進(jìn)行問題分解并抽象為相關(guān)自定義函數(shù)（或類），無法鍛煉學(xué)生抽象和分解的計算思維能力以及良好的程序設(shè)計風(fēng)格。針對傳統(tǒng)“程序設(shè)計在線訓(xùn)練和評測系統(tǒng)”的缺陷，我們開發(fā)一個全新的系統(tǒng)，能夠全面支持函數(shù)、面向?qū)ο蟮葍?nèi)容的程序設(shè)計和測試，并通過強(qiáng)制學(xué)生通過問題分解，定義相關(guān)函數(shù)（或類），達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分解和抽象等計算思維能力和良好的程序設(shè)計風(fēng)格的目標(biāo)。

2.5 程序設(shè)計課程考核改革

摒棄傳統(tǒng)課程考核方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程，強(qiáng)調(diào)實踐動手能力。盡管完全放棄筆試可能會帶來一些弊端，但可以大大降低筆試所占成績的比例（如40%以下），加大平時上機(jī)解題、階段性上機(jī)測試、大作業(yè)在課程考核評價的分量。

首先，學(xué)生可以通過“程序設(shè)計在線訓(xùn)練和評測系統(tǒng)”隨時隨地做題，然后提交自己的源代碼。系統(tǒng)會實時地對學(xué)生的代碼進(jìn)行評測，并給出相應(yīng)的評測結(jié)果：編譯錯、答案錯、格式錯、運(yùn)行時出錯、超時和接受。學(xué)生解題的數(shù)量可以比較好地反映其平時的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果。盡管學(xué)生提交代碼不被系統(tǒng)接受時可以對代碼不斷進(jìn)行修改和重新提交，也可以查閱相關(guān)資料，但這恰恰是學(xué)生自主學(xué)習(xí)和通過錯誤學(xué)習(xí)的過程，值得鼓勵。

其次，教師可以根據(jù)實際教學(xué)需要進(jìn)行階段性測試，通過在“程序設(shè)計在線訓(xùn)練和評測系統(tǒng)”里面布置測試題目，設(shè)定測試的截止提交時間。系統(tǒng)會對學(xué)生提交的代碼進(jìn)行實時評判，并對學(xué)生的測試情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，不需要人工干預(yù)。

最后，教師可以布置一個大作業(yè)，然后3—4人組成一個小組，利用程序設(shè)計課程學(xué)知識和技能，合作設(shè)計和開發(fā)一個具有用戶界面、功能相對完整的應(yīng)用程序，如萬年歷、ATM取款機(jī)程'序、簡易字典程序等。大作業(yè)采用開放形式，允許以任何方式查找資料，甚至在網(wǎng)上和其他人討論，但強(qiáng)調(diào)學(xué)生在大作業(yè)完成過程中的參與和投入。最后，小組成員需要參加最后的大作業(yè)答辯，在答辯中展示自己程序的設(shè)計思路和系統(tǒng)功能，并通過答辯防止學(xué)生簡單抄襲。

3 結(jié)語

面向計算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計課程教學(xué)改革對該門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、上機(jī)實踐和考核模式進(jìn)行重新審視和定位，整個課程以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和解決實際問題能力為目標(biāo)，同時在教學(xué)主線和實踐環(huán)節(jié)中融入計算思維的相關(guān)要素。電子科技大學(xué)中山學(xué)院計算機(jī)學(xué)院近年來一直在探索面向計算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計課程教學(xué)改革，取得了一定的成績，學(xué)生的分析問題的能力和程序設(shè)計得到一定程度的提高，學(xué)生在ACM、軟件設(shè)計大賽、嵌入式設(shè)計大賽、飛思卡爾智能車大賽等大賽中屢獲佳績，在后續(xù)專業(yè)課程的課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)涌現(xiàn)出的越來越多的優(yōu)秀作品。

（編輯：郭田珍）endprint