以計(jì)算思維為導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教育探索

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院信息技術(shù)教研室 杜曉靜 何秋燕 楊 珍

以計(jì)算思維為導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教育探索

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院信息技術(shù)教研室 杜曉靜 何秋燕 楊 珍

本文簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算思維的概念和特征，從程序設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐教學(xué)入手， 探討對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

教學(xué)；程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維

2010年“第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇”中，陳國(guó)良院士指出，計(jì)算思維能力是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教育過(guò)程中一個(gè)重要的培養(yǎng)目標(biāo)。人類(lèi)科學(xué)發(fā)展的三大支柱是理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)，與之相對(duì)應(yīng)的是人們認(rèn)識(shí)世界、改造世界的三種思維方式，即理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維[1]。

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是高校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)必修的公共課，教學(xué)目標(biāo)是培訓(xùn)學(xué)員的基本編程能力、邏輯思維能力和抽象思維能力。當(dāng)前程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的教學(xué)中存在如下兩個(gè)主要問(wèn)題：第一，學(xué)員的計(jì)算機(jī)理論知識(shí)儲(chǔ)備不夠，沒(méi)有成體系的專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，因此，學(xué)員對(duì)計(jì)算機(jī)的“思維方式”與傳統(tǒng)解題方式的區(qū)別難以理解，接受較慢。第二，在實(shí)踐中出現(xiàn)“重結(jié)果、輕過(guò)程”，“重編碼，輕算法”的現(xiàn)象。學(xué)員往往把學(xué)習(xí)重心放到基礎(chǔ)語(yǔ)法的學(xué)習(xí)上，全神貫注于看到程序“運(yùn)行結(jié)果”，不注重從宏觀的角度總結(jié)問(wèn)題，也不注重求解的構(gòu)建過(guò)程，忽略了思維方式的鍛煉。因此，在教學(xué)中的首要問(wèn)題應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)員的程序設(shè)計(jì)和計(jì)算思維能力。

1.計(jì)算思維

目前國(guó)際上廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來(lái)自美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真(J．M．Wing)教授，周教授于2006年提出：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)和人類(lèi)行為理解，它是涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象(abstraction)和自動(dòng)化(automation)[3]。抽象是通過(guò)簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、遞歸、嵌入等方法，將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)換成許多簡(jiǎn)單的子問(wèn)題并進(jìn)行求解的過(guò)程，這是所有科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必然過(guò)程；自動(dòng)化是充分利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解，以彌補(bǔ)人的計(jì)算缺陷，這將豐富計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。因此計(jì)算思維是一種形式規(guī)整、問(wèn)題求解和人機(jī)共存的思維。

需要指出的是：計(jì)算思維不是俠義的計(jì)算，而是運(yùn)用計(jì)算機(jī)基本概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為[2]。

2.以計(jì)算思維為導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)

思維方法比知識(shí)本身更重要，作為從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的一線教師，應(yīng)該在日常教學(xué)中潛移默化地訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)員的計(jì)算思維能力，提高他們的計(jì)算思維素養(yǎng)，從而進(jìn)一步培養(yǎng)和鍛煉學(xué)員的創(chuàng)新能力。

教師對(duì)學(xué)員進(jìn)行直接教學(xué)指導(dǎo)產(chǎn)生應(yīng)該保證基于計(jì)算思維，然后再運(yùn)用其它教學(xué)手段和方法來(lái)輔助和引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的構(gòu)建和學(xué)習(xí)問(wèn)題的思考與解決。通過(guò)計(jì)算思維的一系列方法——遞歸，關(guān)注點(diǎn)分析，抽象和分解，保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答，在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度等，達(dá)到引出問(wèn)題，深入探究、找尋答案，討論交流、得出結(jié)論，反思自評(píng)、內(nèi)化知識(shí)的目的。當(dāng)學(xué)員掌握了知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)也掌握計(jì)算思維方法之后，再通過(guò)已獲得的知識(shí)和方法自主建構(gòu)學(xué)習(xí)的知識(shí)和學(xué)習(xí)的框架，相互間交流協(xié)作，同時(shí)運(yùn)用計(jì)算思維方法達(dá)到遷移拓展科學(xué)知識(shí)的目的。在這整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，所有的學(xué)習(xí)過(guò)程都通過(guò)一系列基于計(jì)算思維的學(xué)習(xí)方法展開(kāi)。

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是理論與實(shí)踐并重的課程，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中兩部分的教學(xué)都必須以面向計(jì)算機(jī)思維為導(dǎo)向，否則該課程的教育就是不完善不成功的。

3.基于計(jì)算思維的案例分析

將計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的結(jié)合主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先要保證在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中要貫穿抽象和自動(dòng)化這兩個(gè)核心思想，其次要根據(jù)講授的具體知識(shí)點(diǎn)恰當(dāng)?shù)匾胗?jì)算思維中所有的其他基本概念和思維方法。

傳統(tǒng)教學(xué)一般是先講解本次課所學(xué)語(yǔ)法的基本結(jié)構(gòu)，接著講解具體的例子，最后總結(jié)、布置作業(yè)的過(guò)程。從計(jì)算思維的角度出發(fā)，教學(xué)內(nèi)容采用“問(wèn)題導(dǎo)入語(yǔ)法、語(yǔ)法引入應(yīng)用、應(yīng)用面向?qū)嵺`”的方式，突出知識(shí)點(diǎn)與技術(shù)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，注重內(nèi)容在應(yīng)用上的層次性。

以循環(huán)結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)要求程序根據(jù)對(duì)某個(gè)特定條件的判斷來(lái)決定是否重復(fù)多次進(jìn)行某一特定的相同操作。教學(xué)可分以下幾步進(jìn)行：

①初始時(shí)結(jié)合學(xué)員日常生活舉例：列隊(duì)報(bào)數(shù)，沒(méi)有報(bào)到隊(duì)尾時(shí)每名學(xué)員要在前一名學(xué)員數(shù)字上加1后大聲報(bào)出，使整個(gè)教學(xué)顯得過(guò)渡自然，給同學(xué)們展示了現(xiàn)在所學(xué)的知識(shí)已經(jīng)實(shí)實(shí)在在存在于我們的日常生活中，不僅可以拉近與他們的距離，更重要是讓他們覺(jué)得所講授的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，為后續(xù)教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展埋下了伏筆。

②采用抽象的方法，提煉出循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，然后再引入學(xué)員中學(xué)就已熟悉的等比數(shù)列；接著把等比數(shù)列前n項(xiàng)求和的算術(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣不露聲色把數(shù)學(xué)的思想灌輸給學(xué)員。

③在學(xué)員已經(jīng)基本掌握的基礎(chǔ)上，再增加一次實(shí)踐的機(jī)會(huì)，給出現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)例子：如求班級(jí)平均分問(wèn)題；鼓勵(lì)學(xué)員積極思考，同時(shí)引入計(jì)算思維的約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化等方法，把復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)分解易于解決的問(wèn)題并加以實(shí)現(xiàn)。

④再進(jìn)一步拓展，從問(wèn)題入手，例如：九九乘法口訣表，引入多層循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)，著重分析基本結(jié)構(gòu)與多層循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的異同和適用的范圍，使整個(gè)知識(shí)點(diǎn)鏈自然形成。

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用問(wèn)題誘發(fā)學(xué)員使用抽象的思想和方法，學(xué)習(xí)用抽象方法去表達(dá)自己的想法并建模，能夠透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，通過(guò)持續(xù)的訓(xùn)練達(dá)到完全掌握抽象這個(gè)工具。

4.結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維目前是程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程教學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。最終目的是提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力和分析解決問(wèn)題的能力。因此，我們要充分認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維的重要性。在教學(xué)的實(shí)施過(guò)程中要突出運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)解決問(wèn)題的思想，培養(yǎng)并訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維去思考并解決問(wèn)題。

[1]陳國(guó)良.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[R].濟(jì)南:第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇,2010.

[2]Jeannette M W.Computational Thinking[J].Communications of ACM,2006,49(3):33-35.

[3]董榮勝,古天龍.計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2009(1):1-4.

[4]賈茹,郝長(zhǎng)勝,裴衣非.VB程序設(shè)計(jì)課程的計(jì)算思維教學(xué)實(shí)踐[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011(25):6266-6268.

[5]吳紹兵.計(jì)算思維和程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育,2011(16):11-4.

[6]周顯春,劉東山.基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2012(35):8475-8477.

杜曉靜（1975—），女，鎮(zhèn)江船艇學(xué)院講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全。

何秋燕（1981—），女，鎮(zhèn)江船艇學(xué)院講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全。

楊珍（1977—），女，鎮(zhèn)江船艇學(xué)院講師，研究方向：分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。