計算思維導(dǎo)向的C++程序設(shè)計課程教改研究

許可 閆朝坤 鞏妍茹

摘 要： 從操作系統(tǒng)，軟件研究和計算機教學(xué)辦法等多個方面，以多視角審視了當(dāng)今C++程序設(shè)計教程課程教學(xué)中的熱點問題。根據(jù)程序設(shè)計類課程與計算思維之間的內(nèi)在聯(lián)系，指出了該課程教學(xué)中的幾點不足，提出了一套教改思路和實施方案。

關(guān)鍵詞： C++語言程序設(shè)計； C++教學(xué)改革； 實施方案； 程序設(shè)計類課程； 計算思維

中圖分類號：TP3-05 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）12-98-04

Research on the computational thinking oriented teaching reform of C++ programming course

Xu Ke1， Yan Chaokun1， Gong Yanru2

（1. School of Computer and Information Engineering Henan University， Kaifeng， Henan 475000， China；

2. Northwestern Polytechnical University Mingde College）

Abstract： From the operating system， software research and computer teaching methods and other aspects， the hot issues in the teaching of C++ programming course are viewed in a multi angles. According to the inherent connection between the course and the computational thinking， some problems in the course teaching are put forward， and a set of reform ideas and the implementation plan is put forward as well.

Key words： C++ language programming； C++ teaching reform； implementation plan； programming course； computational thinking

0 引言

隨著通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，與計算機有關(guān)的信息工程技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，與計算機有關(guān)的相關(guān)技術(shù)在商業(yè)運作和工業(yè)生產(chǎn)中開始扮演重要的角色。C++程序設(shè)計教程是學(xué)生在大學(xué)里接觸到的第一門計算機專業(yè)編程基礎(chǔ)課，對于培養(yǎng)學(xué)生良好的編程習(xí)慣和編程技巧，激發(fā)學(xué)生的編程熱情和對基礎(chǔ)知識方面的掌握起到了重要的作用。如何順應(yīng)計算思維導(dǎo)向的C++程序設(shè)計課程教學(xué)改革，改進教學(xué)效果，增進學(xué)生利用計算機解決學(xué)習(xí)生活問題的能力，一直是教師和社會各界人士關(guān)注的焦點問題。

2006年3月，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）教授在美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上提出并定義了計算思維（Computational Thinking）。在周教授看來，計算思維的定義是：運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、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。計算思維一經(jīng)提出，就引起了很大關(guān)注和廣泛討論，激發(fā)了國內(nèi)外眾多學(xué)者、教育家思考。

周教授認為，計算思維吸取了問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實世界中巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計與評估的一般工程思維方法，以及復(fù)雜性、智能、心理、人類行為的理解等的一般科學(xué)思維方法。在培養(yǎng)學(xué)生解析能力時，需要讓孩子們擁有閱讀，寫作以及計算的能力，還要讓他們學(xué)會計算思維，讓計算思維成為學(xué)生的一項能力。

計算思維是人類改造世界的最基本的思維模式?；谟嬎闼季S導(dǎo)向的C++程序設(shè)計課程教學(xué)改革，可以讓學(xué)生擁有這項能力，掌握一種干凈、現(xiàn)代、優(yōu)雅的編程語言，可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)C++語言的編程思路和基本方法，使學(xué)生可以對問題進行符合邏輯的科學(xué)分析，進行針對現(xiàn)實問題的科學(xué)分析、編程以及調(diào)試運行。通過更好地學(xué)習(xí)C++語言，進行算法編程，可以讓學(xué)生掌握一種技能，更好地適應(yīng)當(dāng)今激烈的市場競爭環(huán)境。

1 C++程序設(shè)計課程的教學(xué)意義

C++程序設(shè)計課程是計算機程序設(shè)計的重要基礎(chǔ)，它不僅成為計算機學(xué)科的核心課程，而且已經(jīng)成為其他專業(yè)理工學(xué)生積極學(xué)習(xí)的一門課程。根據(jù)教學(xué)大綱要求以及具體實踐要求可知，C++程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)過程也是復(fù)雜程序設(shè)計的訓(xùn)練過程，要求學(xué)生根據(jù)C++的編寫程序要求使得結(jié)構(gòu)清楚和正確易讀，符合正確編碼的規(guī)范。

C++語言通過對高級抽象的支持，極大地簡化了語言的復(fù)雜性，使之變得高效實用。而且C++語言從C語言進化而來，是C語言的超集，整體代碼使用函數(shù)驅(qū)動機制來實現(xiàn)，整體代碼呈現(xiàn)簡潔明了的特點。C++語言也實現(xiàn)了許多特有的功能，比如引用就是C++語言特有的，C++面向?qū)ο蟮某绦蚰軌虮蝗碎喿x與理解，它不僅包含了程序設(shè)計對語言要求的基本知識，體現(xiàn)了解決問題的方法，而且還展現(xiàn)了其與計算思維的關(guān)系。

C++語言教學(xué)，體現(xiàn)著創(chuàng)新性思維的教學(xué)培養(yǎng)過程，涉及提出問題，分析問題，抽象表達，解決問題等多項技能，有利于學(xué)生得學(xué)習(xí)能力，思考問題能力，邏輯思維能力，綜合創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。鄧小平指出“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，二十一世紀的競爭就是對人才的競爭，對科技的競爭，現(xiàn)在計算機領(lǐng)域的發(fā)展對大學(xué)生的實踐和動手操作能力提出了新的要求。在這種要求的推動下，C++課程的教學(xué)定位應(yīng)該變成以計算思維為導(dǎo)向，深刻探討培養(yǎng)學(xué)生能力的一門學(xué)科。

2 國內(nèi)外C++語言課程的教學(xué)現(xiàn)狀

2008年，ACM明確提出將計算思維作為計算機科學(xué)教學(xué)的重要組成部分。2010年7月，在西安交通大學(xué)召開的《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》會議中提出計算機基礎(chǔ)教學(xué)的重要任務(wù)是對于學(xué)生的計算思維能力的培養(yǎng)。國內(nèi)教育界對于C++語言的教學(xué)十分重視，國內(nèi)知名的專家學(xué)者除了編寫和翻譯大量C++語言學(xué)習(xí)資料外，還努力將許多優(yōu)秀的學(xué)習(xí)方法和教學(xué)方法展現(xiàn)給學(xué)生。筆者總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗并引進國外的學(xué)習(xí)理論，對C++語言教學(xué)進行了很多有益的改進和教學(xué)改革嘗試。例如我校采用了由錢能先生編寫，清華大學(xué)出版社出版的《C++語言程序設(shè)計教程（修訂版）——設(shè)計思想與實現(xiàn)》一書，這也是現(xiàn)今國內(nèi)大多數(shù)大學(xué)在計算機培養(yǎng)方面對于學(xué)生C++語言學(xué)習(xí)領(lǐng)域采用最為廣泛的一本中文教材。通過對于C++語言學(xué)生學(xué)習(xí)的廣泛調(diào)研，我們總結(jié)出了一些教學(xué)方面的不足，現(xiàn)簡單歸納如下：

⑴ 上課師生互動提問環(huán)節(jié)應(yīng)該增多；

⑵ 應(yīng)該更加重視學(xué)生實踐能力，增多上機實驗機會；

⑶ 學(xué)生對算法的理解和對具體問題的抽象能力有待提高；

⑷ 注重培養(yǎng)學(xué)生良好的編程習(xí)慣，重視編碼的簡潔性，可讀性和運行速度問題。

⑸ 需要改善傳統(tǒng)考核方式，使動手能力得到足夠的重視；

⑹ 課堂增加對程序的演示和運行環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和引起學(xué)生對程序操作的重視。

3 C++程序設(shè)計課程教學(xué)改革研究

針對以上問題，我們需要對C++語言的教學(xué)進行改革，以計算思維為導(dǎo)向的C++語言程序設(shè)計課程的教學(xué)改革可以完美地解決上述問題。

⑴ 增多師生互動

傳統(tǒng)教學(xué)大多是“老師講，學(xué)生聽”的模式，這種古老的師生間耳提面命的教學(xué)方式已經(jīng)不適應(yīng)于當(dāng)前科技日新月異的時代，傳統(tǒng)的墨守成規(guī)的教學(xué)方式使老師不會及時了解學(xué)生對當(dāng)前知識的理解掌握程度，一味得向前推進課程，長此以往，會影響學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和對知識的掌握程度，不會做到融會貫通，當(dāng)然也會影響老師對于知識點教學(xué)程度的判斷，使師生的學(xué)習(xí)進度受到影響。以計算思維為導(dǎo)向的C++語言程序設(shè)計課程的教學(xué)改革，要求講師避免傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)方式，在課堂上與學(xué)生多溝通，及時了解學(xué)生掌握情況，注重通過學(xué)習(xí)知識點進行學(xué)生思維方式的培養(yǎng)。計算思維是人的思維，不是計算機的思維，這就要求我們注重課堂師生互動，講師通過讓學(xué)生理解所講內(nèi)容，形成學(xué)生的相應(yīng)思維邏輯，也可以體現(xiàn)計算思維是人類解決問題的一種方式，并不是需要人類像計算機一樣思考，不要機械刻板，不知變通。比如在講到一個關(guān)鍵的知識點的時候，講師應(yīng)該對該知識點進行強調(diào)，講解完后可以通過向?qū)W生提問來了解學(xué)生的理解掌握程度，如果學(xué)生的反應(yīng)迷茫不知所措，就再講一遍，或者通過講解例題，穿插知識點的講解，使學(xué)生由不會到會，再到充分掌握，可以進行創(chuàng)造性思維，提出創(chuàng)造性成果的過程。

⑵ 增多學(xué)生上機實戰(zhàn)環(huán)節(jié)

計算機專業(yè)是一個偏向應(yīng)用的理工類專業(yè)，這就要求學(xué)生具有高超的操作動手能力，如果只強調(diào)要求學(xué)生對書本概念知識點重要掌握，就會導(dǎo)致學(xué)生動手能力嚴重欠缺，養(yǎng)成“只說不做”的習(xí)慣和“紙上談兵”的缺點，違背了C++語言的教學(xué)初衷?，F(xiàn)代社會的求職就業(yè)要求國內(nèi)大學(xué)培養(yǎng)出具有實戰(zhàn)能力的人才。C++語言程序設(shè)計課程的教學(xué)中，讓學(xué)生通過自己編寫小軟件，小程序，來增強自我認同感和編程的興趣，同時使之成為一種技能，一種可以在現(xiàn)代社會生活中發(fā)揮作用的技能。比如通過讓學(xué)生在上機實踐環(huán)節(jié)里獨立制作一段小程序，使用到很多概念知識點，如指針，鏈表，引用，類，繼承與虛函數(shù)等，并在實戰(zhàn)中靈活掌握它們。同時讓學(xué)生應(yīng)用到多種優(yōu)秀的編譯開發(fā)環(huán)境，使學(xué)生明白它們各自的優(yōu)點/特色，從而從根本上掌握它們。

⑶ 增強學(xué)生對具體問題的抽象問題

學(xué)習(xí)程序設(shè)計，不僅要求開發(fā)工具實用，而且要在運用程序設(shè)計的思想上獲得一個大的突破。學(xué)習(xí)計算機語言的目的是解決現(xiàn)實世界里的問題。計算思維的本質(zhì)就是抽象化和自動化，其中抽象化包含遞歸，轉(zhuǎn)換，嵌入等方法，可以把一個復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換成簡單子問題進行求解的過程，可以在計算機里解決現(xiàn)實世界的具體問題，這就要求講師在教學(xué)過程中融入對計算思維能力的培養(yǎng)，在實驗項目中滲入重要算法的使用，著重強調(diào)算法分析和使用能力，通過設(shè)計綜合性實驗項目讓學(xué)生完成對實際問題的思考，解決，深入體會算法的美妙，在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題中提高學(xué)生的計算思維能力和將問題抽象化的能力?，F(xiàn)今科技發(fā)展日新月異，唯有利用計算思維為導(dǎo)向著的C++語言程序設(shè)計課程的教學(xué)改革，才會令學(xué)生掌握必要的解決實際問題和抽象化問題的能力。比如在實際教學(xué)實踐中穿插一些重要基本的算法，講師還需要準(zhǔn)備具有啟發(fā)性和實際意義的案例，并且要求學(xué)生利用講過的算法實際編碼來解決這些問題，進而掌握問題求解的基本方法和基本思維。

⑷ 注重培養(yǎng)學(xué)生良好的編程習(xí)慣

計算思維與數(shù)學(xué)思維具有交叉性和互補性，計算思維的形式化表達是在數(shù)學(xué)思維的基礎(chǔ)之上構(gòu)建起來的。利用計算機來展現(xiàn)人的數(shù)學(xué)思維，這就要求使用適合的語言來表示，比如要求學(xué)生在可以解決問題的前提下，在代碼里適當(dāng)選擇循環(huán)方式，遞歸方式，嵌套來實現(xiàn)他們的思想，使用不同的編碼方式，會影響程序運行時間和代碼的時間復(fù)雜度，這在C++代碼里是極為重要的。比如組織學(xué)生參加的全國ACM大賽，對于同一個問題，在可以得出問題答案的前提下，還要求限制代碼的運行時長，所以講師也應(yīng)該強調(diào)學(xué)生的編碼規(guī)范性問題。以計算思維為導(dǎo)向的C++語言程序設(shè)計課程中，計算思維不是把人的思維固定化到機械的計算機模式里，而是盡力構(gòu)造求解實際問題的一種恰當(dāng)方法，人借助計算機來解決實際問題。這就要求代碼有可讀性，讓自己和讀者理解具體思維過程，在大型實驗項目里，保證代碼的可讀性，有利于軟件文檔的編寫和后續(xù)工作的開展，可以讓其他人員理解代碼的含義，并且有利于糾正代碼里的小錯誤。

⑸ 改善傳統(tǒng)考核方式

傳統(tǒng)考試主要是對知識點和具體概念的考察，對于像C++語言這樣的強調(diào)具體實用性的課程而言有很大的局限性。在C++語言的考核里加入對于實際應(yīng)用程序的考核，不僅遵循了學(xué)生的認知規(guī)律，不用強迫學(xué)生去死記硬背一些概念，而且可促使學(xué)生在理解知識的同時，訓(xùn)練基于C++語言進行分析問題和解決問題的能力，讓考核與實際教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生的計算思維能力在學(xué)習(xí)中自然形成。C++語言的程序設(shè)計課程要求教會學(xué)生編寫程序，評價程序，優(yōu)化程序，教師在教學(xué)過程里把計算思維分解為了一系列屬于計算思維的內(nèi)容和技巧，通過每一節(jié)課的講授，讓學(xué)生理解掌握并且內(nèi)化為自己的思維方式。所以我們在考核過程里提出加入相應(yīng)的程序分析編寫類的題目，并且把上機環(huán)節(jié)的考試權(quán)重加大，從根本上增大學(xué)生的重視，除了可以檢查平時學(xué)生上機實驗并打分外，還可以讓學(xué)生向老師提出編程和分析問題小技巧，對此應(yīng)該酌情考慮加分，以鼓勵學(xué)生對編程的熱情與思考。

3 結(jié)束語

以計算思維為導(dǎo)向的C++語言程序設(shè)計課程教學(xué)改革是必要而且必須的，也是勢在必行的。實現(xiàn)以“計算思維”為導(dǎo)向的課程改革，首先應(yīng)該從計算思維能力培養(yǎng)的角度出發(fā)，深入貫徹落實C++語言程序設(shè)計課程的教學(xué)改革，重新審視教學(xué)實踐的各個方面，對課程教案分析和講課節(jié)奏進行重新設(shè)置，以計算思維為導(dǎo)向，重新設(shè)計C++語言程序設(shè)計課程的教學(xué)計劃，在教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維來分析解決問題的能力，這些需要廣大同仁的長期探索與實踐。

參考文獻（References）：

[1] Wing J M. Computational Thinking[J]. Communications of

the ACM，2006.49（3）：33-35

[2] Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Comminications

of the ACM，2006.49（3）.

[3] 臧勁松.培養(yǎng)學(xué)生計算思維的程序設(shè)計課程教學(xué)[J].計算機

教育，2012.2.

[4] 牟琴，譚良.計算思維的研究及其進展[J].計算機科學(xué)，

2011.3：10-15

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

2009.1：1-4

[6] 于曉強，趙秀巖，閆丕濤.計算機程序設(shè)計課程中計算思維能

力的培養(yǎng)[J].計算機教育，2011.13：18-21

[7] 趙致琢.計算科學(xué)導(dǎo)論（第三版）[M].科學(xué)出版社，2004.

[8] 王金虹，馬斌.基于計算思維的Visual Basic程序設(shè)計課程研

究[J].教育教學(xué)論壇，2015.24：245-246

[9] 李倩.以“計算思維”為導(dǎo)向的VB程序設(shè)計課程改革探討[J].

信息與電腦，2013.8.

[10] 郭其一，丁紊杰，鄒潔.基于MiNiGUI的列車狀態(tài)信息人性

化平臺實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2004.3.

[11] 孫洪濤，常子冠.適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀[J].

中小學(xué)信息技術(shù)教育，2006.11.

[12] 錢能.C++語言程序設(shè)計教程（修訂版）——設(shè)計思想與實現(xiàn)

（第二版）[M].清華大學(xué)出版社，2009.