基于“計算思維”的C語言課程教學(xué)改革

文章編號：1672-5913（2015）07-0087-03

中圖分類號：G642

摘要：針對北京林業(yè)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)系列課程教學(xué)模式存在的問題，以C語言課程為例，分析“計算思維”在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要性以及課程的教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)定位和教學(xué)要求，提出基于“計算思維”的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革方案。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程；C語言；計算思維；算法；實踐教學(xué)

0 引 言

近10年來，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為新興技術(shù)發(fā)展所必需的手段和方法，新技術(shù)的創(chuàng)造和發(fā)展源于先進(jìn)的工具、先進(jìn)的技術(shù)和先進(jìn)的方法，計算思維與各個學(xué)科交叉和融合的趨勢非常明顯。

但是現(xiàn)在很多高校，包括北京林業(yè)大學(xué)，仍將大學(xué)的計算機(jī)基礎(chǔ)課程停留在計算機(jī)工具應(yīng)用教育的層面上，課程的內(nèi)容和教學(xué)還未能深刻地反映思維和能力的培養(yǎng)，與計算機(jī)科學(xué)發(fā)展日新月異的現(xiàn)實不相適應(yīng)，距離當(dāng)前計算機(jī)已經(jīng)廣泛滲透到各個領(lǐng)域的現(xiàn)狀有很大差距。因此，在大學(xué)的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中，應(yīng)該將原來的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計算機(jī)工具應(yīng)用教育轉(zhuǎn)化為以“計算思維”能力培養(yǎng)為核心的計算機(jī)科學(xué)的通識教育，使之成為大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的重要組成部分，這也是當(dāng)前大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程改革的重要任務(wù)之一。

1 “計算思維”在創(chuàng)新人才中的作用早在2005年11月，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機(jī)系主任周以真教授在第七屆“二十一世紀(jì)的計算”大型學(xué)術(shù)研討會就表達(dá)過這樣的觀點：“計算思維”是每一個人應(yīng)該擁有的基本技能，它不僅僅只屬于計算機(jī)方面的科學(xué)家。當(dāng)我們在求解一個給定的問題時，首先會判斷：這個問題的難度如何？它的最佳解決方案是什么？計算機(jī)科學(xué)憑借堅實的理論基礎(chǔ)準(zhǔn)確地回答這些問題?！坝嬎闼季S”利用啟發(fā)式推理來尋求解答，采用抽象和分解去處理龐大復(fù)雜的任務(wù)或者設(shè)計巨大復(fù)雜的系統(tǒng)?？傊坝嬎闼季S”是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的理論知識進(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(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。

“計算思維”不僅是計算機(jī)學(xué)科的思維方式，在其他學(xué)科領(lǐng)域也具有深遠(yuǎn)影響。在生物學(xué)領(lǐng)域，生物學(xué)家用“計算思維”發(fā)展了計算生物學(xué)；在化學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)家的思考方式受到納米計算的影響；在經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)學(xué)家用計算博弈理論進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析；在物理領(lǐng)域，物理學(xué)家用量子計算建構(gòu)新的物理模型?！坝嬎闼季S”能力培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)中通識教育的重要組成部分，計算機(jī)科學(xué)教育的目的，除了要為各個學(xué)科提供解決問題的有效手段和方法之外，還要培養(yǎng)人擁有一種有效地解決問題的思維方式。在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育中，對各種專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行計算思維能力的培養(yǎng)將有助于他們更好地進(jìn)行專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和理解，改變學(xué)生的創(chuàng)新思維過程與能力，并在今后的個人發(fā)展和從事行業(yè)的科學(xué)研究中產(chǎn)生潛移默化的影響。

C語言課程是大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)系列課程之一，其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生自覺運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)和方法去解決問題的能力。在編程能力、邏輯思維能力和獨立解決問題能力的培養(yǎng)和提高上，C語言課程對學(xué)生來說有著不可替代的重要意義，在專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和使用上，也能對學(xué)生起到很好的輔助作用。

2 基于“計算思維”的C語言教學(xué)改革

2.1 C語言課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式

在C語言課程以往的教學(xué)過程中，教師授課基本上以語法教學(xué)為主，授課內(nèi)容主要是C語言的語法和語義。課程結(jié)束后，對學(xué)生掌握語法和語義情況進(jìn)行考核，考核方式一般采用閉卷筆試的形式。

以往的C語言課程教學(xué)雖然無論是課堂授課還是考核都易于操作，但教學(xué)效果不理想。比如說，單向的教與學(xué)的過程使得課堂上氣氛沉悶、缺乏趣味，學(xué)生往往覺得枯燥，不能主動參與到課程中去；除此之外，學(xué)生雖然對語法和語義掌握得還不錯，示例程序也能模仿，可是獨立思考能力卻嚴(yán)重不足，總體來說編程能力依然缺乏，不能解決實際問題。由此可見，基于語法的教學(xué)模式不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的“計算思維”能力和編寫程序解決問題的能力。

2.2 C語言課程教學(xué)模式改革的嘗試

在長期的教學(xué)實踐中，我們與學(xué)生反復(fù)溝通，在教學(xué)過程中深入思考、大膽嘗試，對教學(xué)效果認(rèn)真驗證，得出這樣的結(jié)論：基于語法的單向傳授的教學(xué)模式不適應(yīng)目前計算科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)實，應(yīng)該把基于“計算思維”的教學(xué)模式貫穿到C語言教學(xué)中，用新的理念和方法幫助學(xué)生提高能力。

2.2.1 內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)實踐

以往的C語言課程內(nèi)容強(qiáng)調(diào)語法，改革后，我們把“計算思維”引入課堂?；凇坝嬎闼季S”的教學(xué)模式不再偏重語法，而是強(qiáng)調(diào)動手實踐，重點放在思路上，課堂上以問題求解為核心，幫助學(xué)生解決問題，構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型后，引導(dǎo)學(xué)生得出算法并編程實現(xiàn)。

2.2.2 課堂上突出互動

多強(qiáng)調(diào)課堂實踐，將使得我們轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教師為中心的教學(xué)觀念。改革后，課堂上以學(xué)生為中心，將學(xué)生視為教學(xué)的主體，鼓勵學(xué)生探索、研究和創(chuàng)新，并運(yùn)用“計算思維”的教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生求解問題、研究算法與編程。

在課上，教師的授課重點放在問題求解思路、算法和程序?qū)崿F(xiàn)上，細(xì)枝末節(jié)不講。實驗課上，學(xué)生每人一臺電腦上機(jī)解題。教師先提出問題，由學(xué)生自行思考如何設(shè)計算法，在學(xué)生遇到困難時，教師給予引導(dǎo)，學(xué)生最終編寫程序并解決問題。在整個過程中，學(xué)生居于主動地位。教師實時了解學(xué)生的答題進(jìn)程，在合適的時機(jī)給予引導(dǎo)，最后由學(xué)生自主完成任務(wù)。由于學(xué)生在課堂上充分展示了自己的能力，因此，教師能充分了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，得到反饋信息后及時修訂教學(xué)內(nèi)容和難度。學(xué)生在實踐的過程中得到了鍛煉，學(xué)習(xí)由被動轉(zhuǎn)為了主動。這種教學(xué)互動、學(xué)生編程答題與教師精講加上答疑相結(jié)合的教學(xué)方式不僅能通過編程訓(xùn)練提高學(xué)生使用計算機(jī)解決問題的能力，還使得學(xué)生為了在課堂上表現(xiàn)好，不得不提前預(yù)習(xí)，課后不斷練習(xí)，自主學(xué)習(xí)能力也得到提高。

2.2.3 考核上改為機(jī)試

以往的C語言課程考試同其他傳統(tǒng)科目考試方式相同，均為閉卷考試，在題型設(shè)計上主要包括選擇、填空、判斷和程序題等。我們認(rèn)為，C語言課程是強(qiáng)調(diào)實際操作能力的，而以往的考核方式卻不能真正考查學(xué)生的實操能力，更多考查書本知識掌握情況。有的學(xué)生雖然在閉卷考試中拿了優(yōu)秀，語法掌握得很好，可是獨立設(shè)計算法和動手編程能力卻并不強(qiáng)，在上機(jī)解決實際問題時依然舉步維艱。

因此我們用上機(jī)考試取代了閉卷筆試。無論是期中還是期末考試，我們都把考場安排在了機(jī)房。根據(jù)之前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，事先在考試系統(tǒng)上出好題目。學(xué)生需要在實際操作中，按規(guī)定的考試時間提交完整的程序，測試通過即為合格。如果測試未通過，教師會通過查看代碼，判斷學(xué)生答題情況，給出適當(dāng)?shù)某煽?。機(jī)試是對實際問題的解決，學(xué)生通過測試會有較強(qiáng)的成就感，對學(xué)生有更多的激勵。能在機(jī)試中取得好成績的學(xué)生，實際編程能力也必然是比較優(yōu)秀的。

2.3 實施改革的成效

這種基于“計算思維”的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革，在北京林業(yè)大學(xué)2013級的C語言課程教學(xué)中得以實施，并取得了一些成效。從改革實踐來看，學(xué)生對C語言課程的學(xué)習(xí)興趣越來越濃厚，編程能力越來越強(qiáng)，獨立解決問題的能力也有所提高。統(tǒng)計結(jié)果表明，對于同樣難度的一份試卷，教改后，學(xué)生的平均成績提高了大約10分。

3 基于“計算思維”的教學(xué)改革和展望針對C語言課程教學(xué)中以往存在的問題，我們以“計算思維”的理念為主導(dǎo)，進(jìn)行了改革嘗試，在內(nèi)容上由強(qiáng)調(diào)語法改為強(qiáng)調(diào)實踐，在課堂上由單向傳授改為教學(xué)互動，在考核上把傳統(tǒng)的筆試改為上機(jī)考試。實踐證明，這種由問題設(shè)計算法、由算法引導(dǎo)程序，強(qiáng)調(diào)算法設(shè)計、淡化語法細(xì)節(jié)，重視實驗課并使用考試系統(tǒng)的教學(xué)模式更有利于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力以及編程能力。

除了C語言課程之外，北京林業(yè)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)系列課程還包括計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程、VB語言課程和數(shù)據(jù)庫課程等。對這一系列課程我們都進(jìn)行了改革，挖掘“計算思維”的潛在影響，打破計算機(jī)僅是一種工具和技術(shù)的局限，在課程中培養(yǎng)學(xué)生的“計算思維”能力，使計算機(jī)基礎(chǔ)課程在釋放創(chuàng)新能力與創(chuàng)新思維中發(fā)揮了應(yīng)有的作用，也進(jìn)一步提高了大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

我們雖然已經(jīng)初步取得了一些成果，但基于“計算思維”的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的改革并未結(jié)束。在未來幾年，我們將在教學(xué)硬件環(huán)境發(fā)展的基礎(chǔ)上對大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程做進(jìn)一步改革。比如，可以把諸如C語言這樣的程序設(shè)計課程改為在機(jī)房上課，這樣能更好地實現(xiàn)教師和學(xué)生的互動，也能使學(xué)生更大程度地得到練習(xí)。再比如，我們可以在課程學(xué)習(xí)、實驗和考試時引入在線評測系統(tǒng)或者和“計蒜客”網(wǎng)站合作，這樣不僅能有效督促學(xué)生以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能通過自動批改作業(yè)和試卷，大大節(jié)省教師的精力?？傊?，這些改革能更好地貫徹“計算思維”的思想，最終在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中達(dá)到“普及計算機(jī)文化，培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力，訓(xùn)練計算思維能力”的總目標(biāo)。