基于計算思維的《Java程序設(shè)計》課程改革的探索

許研　張煒

摘要：Java程序設(shè)計課程是大學(xué)計算機專業(yè)課程，在高校計算機程序設(shè)計教學(xué)中具有重要的意義，以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)體系已形成共識。在以計算思維為導(dǎo)向進(jìn)行Java程序設(shè)計課程教學(xué)改革和教學(xué)實踐中，提出了以培養(yǎng)學(xué)生計算思維為目標(biāo)思路的教學(xué)改革過程和內(nèi)容，在課堂實踐教學(xué)方式、考核方式與評價方法、分組學(xué)習(xí)，帶頭互助的學(xué)習(xí)模式、鼓勵學(xué)生參與教師科研以及學(xué)生作品為教學(xué)服務(wù)等改革內(nèi)容進(jìn)行了積極探索，并提出問題和后繼的工作。

關(guān)鍵詞：計算思維；Java 程序設(shè)計教學(xué)；面向過程考核

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8494-01

計算思維是當(dāng)前國際計算機界廣為關(guān)注的一個重要概念，也是當(dāng)前計算機教育重點研究的重要課題。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在2006年3月美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上給出，并定義的計算思維（Computational Thinking）：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。

在國外，計算思維得到美國教育界的廣泛支持。美國計算機協(xié)會（ACM）2008年，將“計算思維”與“計算機導(dǎo)論”課程綁定在一起，并要求課程講授計算思維的本質(zhì)；同年，美國國家計算機科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會（CSTA）發(fā)布了《計算思維：一個所有課堂問題解決的工具》報告。

在國內(nèi)，一些計算機教育者在教學(xué)過程中推進(jìn)計算思維能力的培養(yǎng)。中國科技大學(xué)陳國良教授、桂林電子科技大學(xué)董榮勝教授、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所所長李國杰、自動化所的王飛躍教授、國防科技大學(xué)的朱亞宗教授等多位計算機知名專家學(xué)者在這方面都做了一些有益的探索。在基于計算思維的課程教學(xué)改革方面，很多教育者探索和并嘗試計算思維在課程教學(xué)中的實踐及應(yīng)用。計算思維在教學(xué)和培訓(xùn)中的應(yīng)用與推廣正在逐步展開。

Java程序設(shè)計是一門實踐性和操作性很強的計算機專業(yè)課程，傳授知識和培養(yǎng)實際項目開發(fā)和分析能力是課程的重點。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要掌握軟件開發(fā)能力，應(yīng)用能力，而培養(yǎng)“像計算機科學(xué)家一樣思考問題”的計算思維能力更為重要[2]。

對于該課程我們進(jìn)行了有步驟、分層次地課程實踐和改革模式，以計算思維為導(dǎo)向的Java程序設(shè)計課程定位為：將計算思維理念引入計算機程序語言類課程教學(xué)中，系統(tǒng)構(gòu)建培養(yǎng)計算思維能力的創(chuàng)新型教學(xué)模式。將有效解決目前在計算機專業(yè)課程教學(xué)過程中遇到的一些問題，為課程教學(xué)改革提供新的思路與視角，有助于提高教育教學(xué)水平。

1 改革的方式和過程

在近幾年的改革中我們不斷的進(jìn)行探索和改變。從培養(yǎng)學(xué)生計算思維方式出發(fā)，使學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)對計算機科學(xué)的形態(tài)形成宏觀認(rèn)識，培養(yǎng)科學(xué)的思維方式，以使學(xué)生帶入今后的工作領(lǐng)域。因為學(xué)習(xí)抽象的語言和算法，學(xué)生就會有一種用新的計算思維解決問題的技能。在目前的教學(xué)實踐過程中采用我們稱為對問題“抽象、設(shè)計、理論”的方式進(jìn)行改革[3-4]。具體從以下幾個方面來介紹：

1） 課堂實踐教學(xué)方式進(jìn)行改革

在課堂教學(xué)中，對每章的基礎(chǔ)知識和要點進(jìn)行講授和概括，同時配以多個實例進(jìn)行講解，培養(yǎng)學(xué)生的編程思想—面向?qū)ο蟮某橄?、模塊化的計算思維方法。在這個過程中還要注意搜集學(xué)生認(rèn)知情況和學(xué)習(xí)風(fēng)格方面的材料，進(jìn)行后期的綜合項目題目設(shè)計。

2） 考核方式與評價方法的改革

根據(jù)教學(xué)方式的改革，對學(xué)生的考核方式與評價方法也做了如下調(diào)整：采用評價所有的學(xué)習(xí)過程+結(jié)果的方式進(jìn)行考核。即課程的考試成績由學(xué)習(xí)期間的各項過程成績組成來考核學(xué)生的理論思維、實驗思維和計算機思維：

（1） 過程性考核（含學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)例如課堂情況，作業(yè)，出勤等）；（2） 期末綜合項目；（3） 實驗。其中作業(yè)主要是電子作業(yè)，學(xué)生的程序都是調(diào)試通過才可上交。

綜合項目是學(xué)生自選感興趣的題目；原則上一人一題，難度過大的可分組。注意鍛煉學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)收集學(xué)習(xí)資料、解決問題的能力，主要措施是留一些基于課本但是不限于課本的題目，讓學(xué)生自己根據(jù)課堂教學(xué)知識的編寫的課外習(xí)題。 學(xué)生的優(yōu)秀作品相互交流。每個學(xué)生都要上交綜合項目的相關(guān)資料，每個學(xué)生的資料包括：程序（源程序和可運行的字節(jié)碼文件），程序執(zhí)行的錄像和報告文檔。綜合項目的原則是：（1） 每個學(xué)生的程序不一定是個特別大的項目，主要是激發(fā)學(xué)生根據(jù)上課所講的例子進(jìn)行自主性的拓展，完善，或者自己設(shè)計加上更多功能。目的是鼓勵學(xué)生自主性的進(jìn)行擴展學(xué)習(xí)，自學(xué)更廣泛的知識。（2） 題目的選擇給學(xué)生一定的自由度，由于學(xué)生對課程的掌握程度不完全相同，甚至差別很大。所以學(xué)生可以根據(jù)自己的能力選擇不同難度或者自己有興趣的題目。題目的難度原則是學(xué)生既可以做出來，而且還有一定得難度。所以有些學(xué)生開發(fā)出來的項目時用知識有很多是老師沒有講過的，學(xué)生自發(fā)查閱資料，開發(fā)出來的。

在教師評測的時候既要根據(jù)學(xué)生做出題目的完整程度評價，還要考慮題目的難度系數(shù)。

3） 分組學(xué)習(xí)，帶頭互助的學(xué)習(xí)模式

鼓勵學(xué)生平時自由結(jié)合成小團體共同學(xué)習(xí)。例如對于項目在實驗室完成時，學(xué)生進(jìn)行分組后，當(dāng)學(xué)生遇到問題時，先不著急問老師，自己先組內(nèi)討論，現(xiàn)將初步的問題消滅在組內(nèi)。每組自由結(jié)合，選能力較強者為組長負(fù)責(zé)人。如果問題還沒有解決再跟老師討論。此方法改變了學(xué)生一遇到問題就等著老師來解答，不愿意動腦，只等著“現(xiàn)成飯”的情況。

4） 鼓勵學(xué)生參與教師科研，學(xué)生作品為教學(xué)服務(wù)

鼓勵學(xué)生參與教師科研項目，愿意繼續(xù)深入學(xué)習(xí)java相關(guān)知識的學(xué)生可以有的放矢的針對性學(xué)習(xí)。同時可以選擇優(yōu)秀的學(xué)生作品進(jìn)行指導(dǎo)和修改，盡量充分應(yīng)用到教學(xué)中， 使得學(xué)生完成的程序或者作品盡量可以實際使用或者用于輔助教學(xué)。

2 改革的成效

在這幾個學(xué)期的探索中，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中考核積極性比較高，實踐課的到課率高，幾乎沒有人缺勤。學(xué)生上機課幾乎沒有人打游戲，都在做程序或者小范圍討論。

圖1是我們開始開展考試改革的初期，選擇讓學(xué)生卷面考試并進(jìn)行項目設(shè)計，班試卷成績和綜合成績比較分布圖。從布圖我們可以看出：“綜合成績考核”方式下，也就是試卷+項目的考核方式下，從試卷成績和綜合成績的峰值來看，個別卷面較高的學(xué)生在平衡了實踐技能分?jǐn)?shù)后，成績更加合理，甚至有些“善于考試”的學(xué)生在加入項目的考核后成績從“良好”降到“不及格”。我們認(rèn)為作為一門程序設(shè)計課程，使用綜合項目考核的方式更能夠促使學(xué)生加強動手實踐能力的鍛煉，考核方式比純粹的理論考試更合理，因此后期我們就直接不再出試卷考試。

3 問題和后繼的工作

教學(xué)中還存在不少問題，比如依然有些學(xué)生提不起對課程的興趣，學(xué)生的作業(yè)和實驗報告存在拷貝和“千人一面”的現(xiàn)象，這樣就無法是學(xué)生在實驗過程中去領(lǐng)悟“計算思維”這些問題期待在后續(xù)的改革中和各位同事進(jìn)行探討和改進(jìn)。

還有就是對學(xué)生的考核不夠深入，學(xué)生由于“情面”的原因，會有掌握較好的學(xué)生代替程度不太好的學(xué)生做程序的現(xiàn)象。所以除了設(shè)計項目內(nèi)容外，還要制定出各個項目的評價指標(biāo)項。從項目的選擇、項目的執(zhí)行、項目評價三個方面進(jìn)行加強。將學(xué)生相互評價結(jié)果和教師評價綜合起來，并經(jīng)過加權(quán)處理，得到項目的最終分?jǐn)?shù)。這將是我們課程組下一步的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龔沛曾，楊志強.大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012，（5）.

[2] 馮博琴.對于計算思維能力培養(yǎng)“落地”問題的探討[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（9）.

[3] 牟琴，譚良.計算機思維的研究及進(jìn)展[J].計算機科學(xué)，2011.

[4] 董榮勝，古天龍.計算思維與計算機方法論[J].計算機科學(xué)，2009.