基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)研究

王霞　陳艷艷

摘 要： 計(jì)算思維培養(yǎng)是高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。為了增強(qiáng)基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)效果，作者首先分析了計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)及程序設(shè)計(jì)類教學(xué)中的重要性，進(jìn)而分析了當(dāng)前社會(huì)及高校教學(xué)中存在的制約大學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的問題，最后探討了在課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)方面培養(yǎng)計(jì)算思維的可行方法，并給出了具體的示例。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維 程序設(shè)計(jì) 教學(xué)改革

目前，計(jì)算思維是國(guó)際計(jì)算機(jī)界廣為關(guān)注的一個(gè)概念，也是計(jì)算機(jī)教育需要重點(diǎn)研究的課題[1]。我國(guó)2010年發(fā)表了《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，聲明的核心要點(diǎn)是：必須正確認(rèn)識(shí)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要地位，需要把培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，并由此建設(shè)更加完備的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而為全國(guó)高校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革樹立標(biāo)桿[2]。2011年6月的“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程建設(shè)”研討會(huì)中，中國(guó)科技大學(xué)陳國(guó)良院士作了題為《計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育》的報(bào)告，指出了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程作為與數(shù)學(xué)、英語同等地位的大學(xué)基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)計(jì)算思維能力最好的課程載體[3]。由此可見，基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要性，而“程序設(shè)計(jì)”類課程的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容是以系統(tǒng)化、邏輯化的計(jì)算思維方式思考問題和解決問題，著重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，強(qiáng)化學(xué)生工程化、系統(tǒng)化程序設(shè)計(jì)的觀念和能力[4]。因此，基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)研究具有極其重要的意義。

1.教學(xué)現(xiàn)狀

1.1社會(huì)對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程的重視程度不夠

長(zhǎng)期以來，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這門學(xué)科被認(rèn)為是輔助人們工作的，人們普遍認(rèn)為這是一門專業(yè)性很強(qiáng)的“工具”學(xué)科。一些高校存在認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，認(rèn)為非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)課程的目的是教授學(xué)生怎樣使用計(jì)算機(jī)。程序設(shè)計(jì)類課程則僅僅作為一門課程，學(xué)生得到學(xué)分即可。然而，程序設(shè)計(jì)類課程的目標(biāo)是使學(xué)生掌握基本的程序設(shè)計(jì)的知識(shí)、方法和算法，并培養(yǎng)學(xué)生具備利用計(jì)算機(jī)解決問題的意識(shí)、方法和能力[5]。上述目標(biāo)中培養(yǎng)能力是重點(diǎn)，一些院校沒有強(qiáng)調(diào)該課程對(duì)培養(yǎng)能力及思維方法的重要性。對(duì)于高校學(xué)生而言程序設(shè)計(jì)不僅僅是一門課程，更是學(xué)習(xí)和建立計(jì)算思維最有效的渠道。

1.2學(xué)生主觀認(rèn)識(shí)不準(zhǔn)確

學(xué)生普遍對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程的認(rèn)識(shí)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣不濃厚，學(xué)習(xí)意識(shí)不強(qiáng)烈。多數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生認(rèn)為畢業(yè)后從事編程的機(jī)會(huì)很少，從而對(duì)代碼算法等缺少興趣；而非專業(yè)學(xué)生一部分認(rèn)為工作以后幾乎不會(huì)和程序打交道，對(duì)大量的程序代碼提不起興趣，另一部分則只是為了獲取計(jì)算機(jī)等級(jí)考試證書而學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，因此學(xué)習(xí)過程中只是知其然而不知其所以然。事實(shí)上，很少有學(xué)生真正意識(shí)到程序設(shè)計(jì)類課程的重要性在于思維方法和解決問題的能力的培養(yǎng)，而這種思維方式及解決問題的能力，無論在任何行業(yè)、任何領(lǐng)域都是不可或缺的。

1.3教師教學(xué)現(xiàn)狀不佳

程序設(shè)計(jì)課程的目標(biāo)中培養(yǎng)能力是重點(diǎn)。然而，目前高校程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中普遍存在以下問題：教師在講解程序設(shè)計(jì)課程時(shí)只講解課程本身，不注重計(jì)算思維的引入，使學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在編程語言的語法、結(jié)構(gòu)等表層知識(shí)上而缺乏對(duì)于程序設(shè)計(jì)思想的認(rèn)識(shí)；在程序的講解過程中大多停留在只講解某個(gè)程序本身，忽略對(duì)該程序設(shè)計(jì)方法的引導(dǎo)；在實(shí)踐教學(xué)過程中出現(xiàn)“重結(jié)果、輕過程”的現(xiàn)象，只注重程序運(yùn)行的結(jié)果，忽略問題求解過程的分析，從而忽略思維方式的鍛煉。

實(shí)際上計(jì)算思維即是程序設(shè)計(jì)的核心思想，是計(jì)算機(jī)類課程的普遍內(nèi)涵，從各種教學(xué)現(xiàn)狀看，基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)沒有引起足夠的重視，需要進(jìn)行必要的改革。

2.課堂教學(xué)研究

基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)主要著重點(diǎn)在于“方法”隨著“思維”的講解而展開，“思維”隨著方法的“貫穿”而形成，“能力”隨著“思維”的理解和訓(xùn)練而提高[6]。按照這種思路，可以采取以下方式開展教學(xué)。

2.1探究式教學(xué)

基于探究式教學(xué)的基本環(huán)節(jié)是：提出問題、分析問題、解決問題、得出結(jié)果并總結(jié)。在教學(xué)過程中采取小組合作交流，能極大地提高學(xué)習(xí)者快速發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

例如，講解信息處理的思維過程可以按照如圖1所示的方式設(shè)計(jì)，具體包括以下步驟：

提出問題：利用計(jì)算機(jī)是為了處理各種信息，如各種信息在計(jì)算機(jī)中如何存儲(chǔ)、處理？

分析問題：信息處理的對(duì)象一般包括文字、數(shù)值、圖像等信息，這些都需要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信息才可以進(jìn)行相應(yīng)的處理，如何轉(zhuǎn)換？轉(zhuǎn)換成何種形式？轉(zhuǎn)換后如何處理？

解決問題：現(xiàn)實(shí)信息要根據(jù)信息類型表示成不同的類型的數(shù)據(jù)以變量或者常量的方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，然后再使用各種控制結(jié)構(gòu)的程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。

得出結(jié)果并總結(jié)：當(dāng)求解一個(gè)問題時(shí)，首先要問解決這個(gè)問題可以用什么方法？怎樣才是最佳的解決方法？有時(shí)還需要將問題分解為若干小問題來解決。在解決每個(gè)問題的過程中達(dá)到訓(xùn)練計(jì)算思維的目的。

2.2任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)者只對(duì)學(xué)習(xí)者完成的任務(wù)作評(píng)價(jià)，對(duì)完成任務(wù)的過程中采用的方法基本不作要求。而任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)則需要學(xué)習(xí)者在完成任務(wù)的過程中實(shí)施科學(xué)思維的方法解決問題。

例如，對(duì)于程序設(shè)計(jì)中常見的排序問題，其任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示。教學(xué)中教師可以首先提出具體任務(wù)，例如對(duì)學(xué)生按學(xué)號(hào)升序排序；接著引導(dǎo)學(xué)生提出不同的解決方案，然后教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)不同的方案進(jìn)行分析，幫助學(xué)生了解方法的思路、執(zhí)行的效率等，并選擇一種方法講解編程實(shí)現(xiàn)的方法，同時(shí)要求學(xué)生對(duì)其他方法進(jìn)行拓展實(shí)現(xiàn)，最后共同進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。總結(jié)部分主要是總結(jié)算法的選擇，對(duì)數(shù)據(jù)量較小的情形主要考慮編程工作量，對(duì)數(shù)據(jù)量大的情況首先考慮程序的執(zhí)行時(shí)間；評(píng)價(jià)部分重點(diǎn)在于評(píng)價(jià)任務(wù)的完成情況，不能只看結(jié)果，要注重任務(wù)的分析思路，以及任務(wù)的合作情況等。

2.3網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)

網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)主要是將教學(xué)者的教學(xué)指導(dǎo)行為和學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)行為結(jié)合起來，達(dá)到合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)會(huì)自我思維，自我獲取有效信息，掌握解決問題的思維方式的目的。教師可以將教學(xué)資源發(fā)布在網(wǎng)上，供學(xué)生課后鞏固知識(shí)。同時(shí)教師也可以為學(xué)生布置學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生分組查閱資料，對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行整理，再選出代表講解完成任務(wù)的思路，最后由教師總結(jié)。

3.實(shí)踐教學(xué)研究

3.1上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

在程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐過程中，必須使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)解題的工作實(shí)質(zhì)，逐漸培養(yǎng)其具有符合計(jì)算機(jī)工作的思維模式，以提高其解決問題的能力[7]。目前程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從網(wǎng)站下載程序等照搬成果應(yīng)付上機(jī)的情況普遍存在。所以上機(jī)實(shí)驗(yàn)應(yīng)要求寫出解決問題的思路、步驟等，大力提倡一題多解，特別是實(shí)驗(yàn)前，要求學(xué)生先寫解決問題的步驟、流程圖等。在評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作和完成的程度給予客觀評(píng)價(jià)，對(duì)準(zhǔn)備工作充分、方法獨(dú)到、一題多解的進(jìn)行鼓勵(lì)。

3.2綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

程序設(shè)計(jì)課程每次課的實(shí)驗(yàn)都是針對(duì)一類知識(shí)點(diǎn)的鞏固，學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)沒有一個(gè)整體的理解。通過合理設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)或綜合設(shè)計(jì)將所學(xué)的知識(shí)貫穿起來，任務(wù)的選擇要有實(shí)際性、趣味性，然后讓學(xué)生分組討論完成，一方面可以讓他們理解所學(xué)知識(shí)的作用，另一方面可以提高學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊(duì)合作能力。

4.結(jié)語

本文根據(jù)目前程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)進(jìn)行初步研究，分別針對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)提出可借鑒的教學(xué)方法。這些方法在一定程度上可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維，改變教學(xué)現(xiàn)狀。然而，雖然目前國(guó)內(nèi)外很重視計(jì)算思維在教學(xué)方面的研究，但由于研究時(shí)間較短，加上計(jì)算思維本身的抽象性，研究進(jìn)展不是很快。因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)方法論和創(chuàng)新方法論等還需要做更準(zhǔn)確的研究，教學(xué)改革、教學(xué)模式的形成也還需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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