促進(jìn)計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

蔡潔　楊勝　劉智明

摘要：以程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為平臺(tái)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式兩方面闡述如何將程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與計(jì)算思維培養(yǎng)有效結(jié)合，使學(xué)生在提高程序設(shè)計(jì)能力的同時(shí)，具備以計(jì)算思維進(jìn)行分析與解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引言

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心課程，是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的必修課。課程主要講授程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和方法，使學(xué)生能夠使用c語言編寫和調(diào)試程序，掌握程序設(shè)計(jì)的基本思想，為今后利用計(jì)算機(jī)解決自身專業(yè)領(lǐng)域的問題打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生將計(jì)算機(jī)當(dāng)做一種工具，甚而當(dāng)做一種思維方式去分析和解決問題，最終形成計(jì)算思維。

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程作為程序設(shè)計(jì)第一門課，對大部分學(xué)生而言有一定難度，學(xué)生們對知識(shí)似懂非懂，尤其很難理解程序設(shè)計(jì)的思維方式，而要掌握良好的程序設(shè)計(jì)方法則更加困難。該課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，包括理論教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)兩部分，其中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)占有非常重要的地位，沒有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，也就無法保證教學(xué)質(zhì)量。因此，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在教學(xué)中的作用和地位，構(gòu)建促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)體系，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練提高應(yīng)用能力和拓展計(jì)算思維，是當(dāng)前的重要任務(wù)。

如何組織程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而通過切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練來提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)和計(jì)算思維能力；如何建設(shè)實(shí)驗(yàn)資源的平臺(tái)，從而使其有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)及優(yōu)質(zhì)資源的共享，實(shí)現(xiàn)將培養(yǎng)計(jì)算思維真正貫穿于學(xué)生的學(xué)習(xí)之中？針對這些亟待解決的任務(wù)，所采取的改革措施和成果可作進(jìn)一步的推廣，使得所有程序設(shè)計(jì)系列課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都能有較大的提升。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2006年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授首次提出計(jì)算思維的概念并給出定義：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及理解人類行為的一系列思維活動(dòng)…。2008年10月發(fā)布的《中國高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系2008》，要求當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力包括：操作使用、應(yīng)用開發(fā)以及研究創(chuàng)新。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育重點(diǎn)研究的一項(xiàng)課題。目前大部分高校中，計(jì)算機(jī)操作使用能力主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)課程上，而后兩種能力主要體現(xiàn)在程序設(shè)計(jì)課程上。特別是對程序設(shè)計(jì)課程，其學(xué)習(xí)目標(biāo)確定為：首先，掌握一定算法，學(xué)習(xí)分析和求解問題的思路及方法；其次，理解算法的實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)習(xí)如何有效利用計(jì)算機(jī)編寫程序。該課程的重點(diǎn)是掌握問題求解的思路即算法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，而不只是簡單的編寫程序。

2010年陳國良院士在“第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇”中指出：人類科學(xué)發(fā)展的三大支柱：理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)，分別對應(yīng)理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維三種思維方式。陳國良院士同時(shí)強(qiáng)調(diào)，開設(shè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要目標(biāo)是培養(yǎng)計(jì)算思維能力。2011年舉辦的第七屆全國高校計(jì)算機(jī)教育改革與發(fā)展論壇中，與會(huì)專家一致認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)課程應(yīng)盡快引入計(jì)算思維。近年來，國內(nèi)外不少專家學(xué)者在這一方面做出了積極探索，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工大學(xué)、普渡大學(xué)等眾多名校紛紛開設(shè)面向全校的以“計(jì)算思維”為指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)通識(shí)課程，并取得顯著成果。上海交通大學(xué)姚天昉提出把“計(jì)算思維”引入程序設(shè)計(jì)課程，對課程講授和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行全方面的改革。四川大學(xué)陳杰華等嘗試?yán)糜?jì)算思維對程序設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。于曉強(qiáng)等人從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩方面人手，探討了怎樣在程序設(shè)計(jì)課中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。這些研究和探索是對計(jì)算思維的具體化，豐富了計(jì)算思維的內(nèi)容。但是，這些探索并沒有對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的程序設(shè)計(jì)給予足夠的關(guān)注，如何在實(shí)驗(yàn)中引入計(jì)算思維，目前還沒有比較好的具體操作方法和實(shí)驗(yàn)體系。我們提出的課題“促進(jìn)計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”，主要圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)、拓展思維和技能訓(xùn)練等方面展開工作，積極支撐學(xué)校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)和提高。

2 研究目標(biāo)和研究內(nèi)容

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，讓學(xué)生循規(guī)蹈矩地上機(jī)調(diào)試程序，不是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是要培養(yǎng)學(xué)生分析問題和求解能力，培養(yǎng)其計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力，而不只是簡單地讓他們?nèi)ヲ?yàn)證程序的實(shí)現(xiàn)。這包括掌握c語言及其運(yùn)行環(huán)境；具備一定編程和調(diào)試程序的能力；掌握一定算法，不僅會(huì)用現(xiàn)有的算法，還能自行設(shè)計(jì)相應(yīng)算法。

因此，改革程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中更好地鞏固知識(shí)、拓展計(jì)算思維；同時(shí)利用學(xué)校課程中心提供實(shí)驗(yàn)電子資源和交互平臺(tái)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、交流提供資源和幫助。

2.1 完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置要能培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。教師應(yīng)當(dāng)不斷創(chuàng)新學(xué)習(xí)，設(shè)置適合學(xué)生興趣特點(diǎn)和知識(shí)架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而完善的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能為他們提供更多的思考空間，利于計(jì)算思維、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

以前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往缺乏趣味性和應(yīng)用性，導(dǎo)致學(xué)生興趣不濃，所以，要增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的趣味性、綜合性和應(yīng)用性。從趣味性來講，可以選擇如萬年歷的計(jì)算、排序、“兔子生兔子”、密碼3次有效輸入等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練。通過這些充滿樂趣的問題，促使學(xué)生積極主動(dòng)地思考、輕松愉快地學(xué)習(xí)。從綜合性來講，可以將某個(gè)綜合題目作為長期任務(wù)，按其功能模塊分成一個(gè)個(gè)短期任務(wù)。每章學(xué)過之后要求完成一項(xiàng)或幾項(xiàng)對應(yīng)的短期任務(wù)。例如，介紹選擇語句后，讓學(xué)生完成“怎樣實(shí)現(xiàn)圖書管理系統(tǒng)的密碼驗(yàn)證”；介紹循環(huán)語句后，讓學(xué)生完成“怎樣實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的菜單”；介紹文件后，讓學(xué)生完成“怎樣訪問書本信息”。這些任務(wù)是相互關(guān)聯(lián)的，從而使學(xué)生的任務(wù)形成一定的連貫性，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中始終都有一個(gè)總?cè)蝿?wù)驅(qū)動(dòng)。通過每個(gè)小實(shí)驗(yàn)最終完成綜合任務(wù)的方式，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生了解在實(shí)際系統(tǒng)中怎樣應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)，加深知識(shí)點(diǎn)的理解，提高分析與解決問題的能力。從應(yīng)用性來講，可以選擇一些和學(xué)生專業(yè)相關(guān)的問題，例如，所得稅計(jì)算適合會(huì)計(jì)等文科專業(yè)的學(xué)生，而不定方程求解更適合數(shù)學(xué)等理科專業(yè)學(xué)生。當(dāng)指定一個(gè)應(yīng)用環(huán)境后，學(xué)生會(huì)明白這種程序是有實(shí)際用途的，提高了學(xué)習(xí)興趣，更樂于思考，有利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。endprint

2.2 通過算法多樣化訓(xùn)練計(jì)算思維

程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不單是提高學(xué)生的操作能力，更要利用算法的多樣性來訓(xùn)練計(jì)算思維能力。由于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知方式有所不同，思考問題的角度也不同，勢必會(huì)導(dǎo)致算法的多樣性。而教師應(yīng)尊重個(gè)體之間的差異，鼓勵(lì)學(xué)生以不同角度來思考問題，以不同算法來求解問題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)新意識(shí)。譬如，對于排序問題，可以采用多種算法實(shí)現(xiàn)，如冒泡、選擇、快速等，鼓勵(lì)學(xué)生編寫各種程序來實(shí)現(xiàn)，或者改寫別人編寫的算法，對多種排序方式進(jìn)行比較分析，激發(fā)學(xué)生的思維活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的多樣性。當(dāng)然，教師不能只提倡算法的多樣性，更應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生對多種算法進(jìn)行比較和研究，達(dá)到簡化及優(yōu)化算法的目的。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積極鼓勵(lì)學(xué)生展示和講解自己的程序。為了清楚地闡述自己的算法，講解的學(xué)生需要思維清晰有條理，表達(dá)能力較強(qiáng)。而其他學(xué)生對他的算法積極思考及提問，如果認(rèn)為自己的算法優(yōu)于前者，也可主動(dòng)闡述自己的算法。這種方式可推動(dòng)整個(gè)班級(jí)的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，積極思維，大膽創(chuàng)新。教師也能從中更加了解每個(gè)學(xué)生，營造融洽的教與學(xué)的氛圍。

在實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生從需求分析開始，然后設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法，最后上機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)不要輕易舍棄，分析是算法還是語法的問題，找出問題所在，努力解決。學(xué)生們一定會(huì)因?yàn)楦倪M(jìn)算法和解決錯(cuò)誤感到滿足，這樣才能訓(xùn)練計(jì)算思維，促使學(xué)生積極思維，大膽創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建立

利用課程中心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度建立實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的相關(guān)資源。實(shí)驗(yàn)之前，先建立實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)要求以及問題關(guān)鍵所在，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使學(xué)生對每次實(shí)驗(yàn)?zāi)芴崆傲私狻⑺伎己头治?。在完成每次?shí)驗(yàn)后，教師將實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的多種算法和學(xué)生實(shí)現(xiàn)的較好的算法實(shí)現(xiàn)共享，進(jìn)一步給學(xué)生提供參考，拓展學(xué)生的計(jì)算思維。同時(shí)，借助于課程中心平臺(tái)的論壇和答疑等功能，隨時(shí)提問，互相討論，暢所欲言，大家之間的交流不受時(shí)空限制。

在實(shí)驗(yàn)中對于學(xué)生在編譯、運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤及問題，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真分析系統(tǒng)提示信息，判斷錯(cuò)誤所在位置和原因。并及時(shí)收集這些錯(cuò)誤及問題所在，建立程序錯(cuò)誤檔案庫，放在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，供學(xué)生參考，提高他們上機(jī)調(diào)試和解決錯(cuò)誤的能力，同時(shí)也提高實(shí)驗(yàn)課的效率。

2.4 開設(shè)小班討論課

開設(shè)小班討論課是程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)改革的重要舉措之一。與普通的實(shí)驗(yàn)課不同，討論課為學(xué)生提供了一個(gè)激發(fā)自我、展現(xiàn)自我的主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境。要培養(yǎng)計(jì)算思維能力，學(xué)生不僅需要獨(dú)立思考的能力，同時(shí)也需要和老師同學(xué)問的相互交流。

2012年上半年，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程實(shí)行小班討論課。為使小班討論課達(dá)到提高計(jì)算思維能力和營造積極研討氛圍的目標(biāo)，我們采取分組討論的方式，將每班分為6個(gè)小組，每組約5人。討論課之前，教師分別給每組學(xué)生布置討論題目，每組在積極準(zhǔn)備本組題目的同時(shí)，也要思考其他組的題目。討論課中，每組輪流選一個(gè)代表發(fā)言，闡述對本組問題的看法。一組闡述完后，其他學(xué)生積極發(fā)言提出自己的看法。討論過程中，教師除了傾聽他們的發(fā)言，還要充當(dāng)裁判員的角色，當(dāng)因同一問題持不同觀點(diǎn)而爭論不休時(shí)，分析判定學(xué)生觀點(diǎn)的正誤。討論課的形式激發(fā)了學(xué)生的潛能，誰有不同的觀點(diǎn)都可以講，很多學(xué)生真正將講臺(tái)當(dāng)做鍛煉自身能力的平臺(tái)。通過討論課的方式擴(kuò)展學(xué)生的計(jì)算思維能力和形成研討問題的習(xí)慣，因而，討論課中各抒己見，一題多解是很常見的。但在教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生間水平差距較大，有的學(xué)生反應(yīng)快思維活躍，能從多個(gè)角度思考和分析問題，而有的學(xué)生難以跟上大家的節(jié)奏，結(jié)果造成兩極分化，強(qiáng)者更強(qiáng)，弱者更弱。因此，如何將小班討論課的每位學(xué)生都充分調(diào)動(dòng)起來，是值得進(jìn)一步思考探究的問題。

2.5 設(shè)置綜合實(shí)訓(xùn)課

對于程序設(shè)計(jì)課程而言，學(xué)生要掌握的程序設(shè)計(jì)能力是編程知識(shí)和計(jì)算思維的有效綜合。每次的實(shí)驗(yàn)課雖然能加深學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的理解及消化，但缺乏知識(shí)的連貫性與整體性，而綜合實(shí)訓(xùn)課是針對所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用和融會(huì)貫通，因而設(shè)置綜合實(shí)訓(xùn)課是非常必要的。

在綜合實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容設(shè)置上要求綜合性較強(qiáng)，層次可以多樣化。題目難度不等，方向多樣，既要照顧大多數(shù)的學(xué)生，題目要緊扣教材且難度不宜太大，同時(shí)，對于興趣濃厚的學(xué)生，可以出一些難度較大，趣味性、實(shí)用性更大的題目，大力提高學(xué)生問題求解的能力。例如，圖書管理系統(tǒng)，通訊錄，航空訂票系統(tǒng)，貪吃蛇游戲，計(jì)算器等等。由學(xué)生自行選題，可以一人一題，也可以兩三人一組共同完成一題，還可以由學(xué)生自己通過對某方面的興趣，提出適合自己的題目。

由于學(xué)生課程安排緊湊，綜合實(shí)訓(xùn)課的課時(shí)設(shè)置應(yīng)靈活處理。在學(xué)期中后期由教師發(fā)布綜合實(shí)訓(xùn)的題目，學(xué)生自主選題，利用課余時(shí)間進(jìn)行思考研究，然后在學(xué)期末以小班形式集中開設(shè)8課時(shí)的實(shí)訓(xùn)上機(jī)課，教師與學(xué)生直接交流。教學(xué)效果表明，通過平時(shí)與教師的交流互動(dòng)，以及獨(dú)立查閱相關(guān)資料解決問題，約有四分之一的學(xué)生能利用課余時(shí)間出色的完成綜合實(shí)訓(xùn)題，大部分學(xué)生能在實(shí)訓(xùn)課中通過老師的指導(dǎo)解決存留問題，較好地完成實(shí)訓(xùn)題，而少數(shù)不感興趣且動(dòng)手能力一般的學(xué)生最后能基本完成自己的任務(wù)。綜合實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容由于涉及課程的全部知識(shí)點(diǎn)，借此不僅可以促進(jìn)學(xué)生的自學(xué)，提高其分析解決問題的能力，還能讓學(xué)生掌握一定的系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。

3 結(jié)語

在促進(jìn)計(jì)算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中，教師們首先認(rèn)清課程的教學(xué)目的，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段等多個(gè)環(huán)節(jié)人手，結(jié)合湖南大學(xué)特點(diǎn)和優(yōu)勢，在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐，效果顯著。程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展的過程，要從學(xué)生和教師等多方面收集反饋意見，及時(shí)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，這樣才會(huì)取得更好的教學(xué)效果。

（編輯：趙廓）endprint