面向C#的計算思維訓練支持系統(tǒng)研究

皇甫睿，楊 威

（山西師范大學 教育技術與傳媒學院，山西 臨汾041000）

一、引言

計算思維由美國卡內(nèi)基·梅隆大學的周以真教授提出，是運用計算科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。計算思維的教育價值體現(xiàn)在三個方面：問題求解思路、創(chuàng)新思維和形式化描述[2]。而程序設計課程的學習目標恰恰是學習求解問題的思路和方法，即算法。這種能力需要在教學中通過實際操作不斷強化才能得到訓練。C#是當前比較流行的面向?qū)ο蟮木幊陶n程，也是高職院校計算機專業(yè)的必修課之一，貴在讓學生獲得面向?qū)ο蟪绦蛟O計思想與面向?qū)ο蟪绦蛟O計最基本的知識，得到面向?qū)ο蟪绦蛟O計的思維訓練、基本職業(yè)能力的訓練和社會能力的訓練。本文通過對計算思維方法的深入研究，設計符合教學目標、針對學生能力的教學案例，構(gòu)建面向C#的計算思維訓練支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)專門用于學生課下學習C#課程，目的是提升學習者的自主學習能力和思維能力，本文還做了相應的實驗研究，得出了一些教學策略與系統(tǒng)改進建議。

二、問題求解中的思維方法

計算思維就是將計算機作為工具，用來解決由具體問題轉(zhuǎn)化成的抽象問題（也即格式化或形式化的問題）的一種思維方式，屬于面向問題和面向解決方案的方法論范疇。對于教師而言，程序設計課程并不是一門簡單的技術性課程，高職教師不同于某些培訓班的教學人員，不是以傳授技能、迅速上崗為原則，而是更注重學生思維能力的培養(yǎng)，那么在教學設計中就應該有明確的體現(xiàn)。針對不同的教學任務，不同學習基礎的學生，思維訓練的策略也有所不同。本文將程序設計中常用的幾種方法作了仔細研究，常用的思維方法有整體性思維、構(gòu)造性思維、目標轉(zhuǎn)化思維、分類處理思維、逆向思維、聯(lián)想思維等。如圖1所示，結(jié)合以往教學經(jīng)驗，程序教學中的問題求解過程從分析問題、算法設計、編程實現(xiàn)到運行、結(jié)果檢驗都應貫穿有思維訓練，并且要將人的邏輯思維能力與計算機結(jié)合，以使算法達到最優(yōu)化。

三、系統(tǒng)設計

1.整體架構(gòu)及功能分析

面向C#的計算思維訓練支持系統(tǒng)，是借助Moodle平臺搭建的學習支持系統(tǒng)，通過設計多樣化的算法和基于計算思維培養(yǎng)的解題思路，為學生提供共享的學習資源環(huán)境和自主學習平臺，幫助學生作課下學習；同時，也為教師開展教學、進行教學管理創(chuàng)造了便捷的平臺。本文綜合考慮學生的先決技能、高校學習環(huán)境，依據(jù)C#程序設計課程的教學目標，設計了面向C#課程的計算思維培養(yǎng)支持系統(tǒng)，系統(tǒng)功能模塊的總體設計見圖2。

圖1問題求解中的思維方法

圖2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（1）教師模塊。教師的主要任務就是進行課程設計，在對C#課程標準參透的基礎上，設計出有效的思維訓練算法，并上傳到學習平臺供學生課下學習交流。教師擁有對課程的全權管理權限，可以通過系統(tǒng)為學生上傳學習資料、發(fā)布貼子、與學生互動、查看學生作業(yè)等。

（2）學生模塊。學生是該系統(tǒng)的使用者，也是主要用戶。該系統(tǒng)為學生設計的主要功能有個人信息管理、案例學習、思維訓練、討論區(qū)、聊天室、作業(yè)提交。學生成功登錄后可以進行自主學習，并能根據(jù)教師提供的資源進行練習，同時還能提交問題、與教師和同學進行交流互動等。

（3）管理員功能。管理員具有最高權限，可以對教師和學生用戶進行管理，對課程進行管理、角色委派，對所有發(fā)布的信息進行統(tǒng)一管理等等。

2.主頁面設計

系統(tǒng)主頁面設計要注意以下幾點：①界面直觀簡潔。目的是為了讓用戶更加方便地進行課下學習、能夠迅速找到學習內(nèi)容并進入學習；②語言、布局和設計要保持一致性。色彩搭配和諧、排版整齊劃一也是視覺方面的審美要求；③方便用戶使用。要遵循實現(xiàn)目標功能的最少操作數(shù)原則、鼠標最短距離移動原則等。本系統(tǒng)的頁面經(jīng)過合理規(guī)劃，將主要功能集中在一起，以綠色柔和為主基調(diào)，如圖3所示。后期我們將會對頁面的色彩、布局及動態(tài)效果進一步改進。

圖3系統(tǒng)主頁面設計

3.系統(tǒng)實施流程

教學實驗過程中，每一個任務都各有其特點，教師不能一味按照課本上的模式組織教學，更不能照本宣科。面向?qū)ο蟮某绦蛟O計無外乎封裝性、繼承性、多態(tài)性三個特征。在求解問題時，運行效率取決于設計模式，設計模式取決于思維模式，因此，我們要在教學過程的每一個環(huán)節(jié)嚴格把控，設計多樣化的算法，實驗班借助系統(tǒng)的支持，設計如圖4所示師生主要的教學活動流程，該流程按照“教師-學生-教師-學生”的交互模式進行。教師要先對課程內(nèi)容進行充分的準備，對問題作透徹的分析，結(jié)合學生的先驗知識和理解能力，設計出有效的算法，并將學習內(nèi)容上傳至學習支持系統(tǒng)；學生利用課下時間通過網(wǎng)絡進行學習、思考和練習，還可以在網(wǎng)上發(fā)布貼子、交流討論；與此同時，教師也要及時關注學生的在線動態(tài)，進行答疑解惑、作業(yè)批改等；最后，在上機實訓的過程中，學生便能更加從容地完成任務，實現(xiàn)所學習的算法設計編程并調(diào)試運行進行驗證。

圖4教學活動流程

4.系統(tǒng)思維訓練案例剖析

本系統(tǒng)的核心設計是為學生提供思維訓練的算法和經(jīng)典案例，作為學習的支持平臺，下面列舉計算思維訓練中逆向思維的經(jīng)典案例：判斷某年某月某日是星期幾——函數(shù)嵌套調(diào)用。

在C#中，所有的函數(shù)定義都是平行的。函數(shù)之間允許相互調(diào)用，也允許嵌套調(diào)用。習慣上把調(diào)用者稱為主調(diào)函數(shù)。嵌套調(diào)用就是一個函數(shù)調(diào)用另外一個函數(shù)，被調(diào)用的函數(shù)又進一步調(diào)用另外一個函數(shù)，形成一層層的嵌套關系，一個復雜的程序存在多層的函數(shù)調(diào)用。

如圖5所示給出的是函數(shù)嵌套調(diào)用的關系模型，我們要想判斷日歷某個日期是星期幾，首先要知道該日期是當年的第幾天，即Days()函數(shù)，在此之前還要先對其是否為閏年進行判斷；然后才能根據(jù)公式w=(x+(x/400)+(x/4)-(x/100)+Days(y,m,d))%7計算出答案。圖5中的IsLeap()為判斷閏年的函數(shù)，ValueChanged()是觸發(fā)函數(shù)，F(xiàn)orm1_Load()是入口函數(shù)。如此逆向思考，問題便簡單很多。

圖5函數(shù)嵌套調(diào)用關系圖

四、教學設計

1.學習者先決技能分析

本文對某高校計算機專業(yè)二年級的學生進行實驗。實驗前，對學生的先決技能進行分析，了解學生在學習編程語言過程中的思維障礙。

（1）形象思維主導，邏輯思維能力較差。形象思維是人最基本的思維能力，不需要學習和訓練，學生習慣于憑借直覺經(jīng)驗去思考問題，邏輯思維能力未得到良好的訓練，對抽象的問題缺乏深刻感知。

（2）教學方法不當導致思維定式。大多數(shù)學生在“傳遞-接受”式的教學方法引導下學習，缺乏自主性和合作意識，往往教師說什么就是什么，沒有個人觀點，有限的課堂教學容量極易導致思維的片面性、靈活性，久而久之形成思維定式，影響學生對知識的吸收，也不利于今后的發(fā)展。

（3）缺乏問題意識，難尋思維切入點。大學教育要培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，而不是單純地學習解決某一類問題的方法，要具有從實際問題中抽象出問題模型、找到問題解決切入點的能力。而70%以上的學生面對問題是茫然的，感到無從下手。

此外，實驗將C#的先行課程C語言成績作為前測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計與分析得到：1301班（對照班）平均分63.2，1302班（實驗班）的平均分為62.9，二者在實驗前水平無顯著差異，可以作對照實驗。

表1 期末成績t檢驗結(jié)果

2.教學實驗及結(jié)果的統(tǒng)計

實驗將1302班作為實驗班，1301班為對照班，每班均為40人。經(jīng)過一學期的實驗，在期末考試后，對兩個班的成績進行了統(tǒng)計，按照公式：期末成績=卷面成績*70%+實踐成績*30%，計算兩個班級的成績。

期末考試的試題是經(jīng)過各位教師反復測試后確定的，題目難易程度相當，試卷采用標準化考試結(jié)構(gòu)，試卷為密封卷。最終全班的成績呈現(xiàn)正態(tài)分布，而且兩個階段的標準差均在正常范圍之內(nèi)，因此，本次考試結(jié)果的信度和效度符合要求。將兩個班看作兩個獨立樣本，通過SPSS對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并利用t檢驗分析這兩個樣本是否具有顯著性差異。

現(xiàn)假設兩個樣本總體為正態(tài)分布，忽略總體標準差。由于樣本數(shù)量大于30，要對比兩個班的成績差異性，采用均值方程的t檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。由于Sig(雙側(cè))=0.022＜0.05，小概率事件發(fā)生了，實驗組與控制組存在顯著性差異，說明采用基于經(jīng)驗之塔的教學模式取得了一定的成效。

五、結(jié)束語

程序設計語言由一系列記號和相對應的一系列規(guī)則構(gòu)成，抽象的語法、語義和內(nèi)部運行機理，使得多數(shù)學生較難入門，傳統(tǒng)的教學模式顯得枯燥乏味，學習效果也不理想。隨著以計算機、網(wǎng)絡和多媒體為核心的現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，計算思維已經(jīng)成為學習變革不可抗拒的潮流，通過抽象和分解的方法，選擇合適的方式對問題進行建模，將復雜問題約簡，轉(zhuǎn)化成為學生容易接受的思維模式。本文通過對C#課程的研究，結(jié)合以設計、構(gòu)造為主要特征的計算思維理念，設計了科學、嚴謹、新穎、有效的學習模式，并搭建了配套的計算思維訓練支持系統(tǒng)，為減少學生盲目鉆研帶來的困難，培養(yǎng)學生自主學習的能力和抽象、轉(zhuǎn)化的邏輯思維能力，做了大量的工作和實驗研究，也取得了一定的成效。

由于對課程標準的參透不夠深入，教學設計與系統(tǒng)設計均有待進一步完善：一是要繼續(xù)參透教學內(nèi)容，使其與思維訓練方法相配套，讓學生能夠更加清晰地學習編程案例；二是要對系統(tǒng)進一步完善，加強后臺管理，尤其是對貼子中師生互動記錄的管理，另外最好能對學生發(fā)布的貼子進行分類，便于教師和其他學生查看和交流；三是由于本系統(tǒng)是基于Moodle開發(fā)的平臺，界面設計等方面較為死板，需要進一步修改。

此外，實驗班級人數(shù)有限，該方法的有效性驗證結(jié)果可能存在片面性。因此，這些不足之處也是對教師的一大考驗，在今后的教學實踐中要做的工作還有很多。

[1]黃銳軍.C#程序設計項目實訓教程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.

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