注重計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)課程研究性教學(xué)探討

徐晶+周彩英+盧雪松+楚紅

摘要：培養(yǎng)計(jì)算思維是培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的重要內(nèi)容之一。該文結(jié)合我校非計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的實(shí)際，以C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程為例，整合教學(xué)內(nèi)容，對(duì)基本語(yǔ)法的問題式教學(xué)、基本控制結(jié)構(gòu)的案例教學(xué)及模塊化設(shè)計(jì)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)等研究性教學(xué)法進(jìn)行探討，旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)；研究性教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）28-0150-03

1 背景

1.1 計(jì)算思維

“計(jì)算思維”一詞早在2006年美國(guó)卡內(nèi)基梅?。–MU）的周以真教授就給出了定義，其本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。周教授強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維不僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，而應(yīng)是每一個(gè)人的基本技能。[1]2010年我國(guó)九校聯(lián)盟會(huì)議也發(fā)表聲明指出，培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的一個(gè)重要內(nèi)容就是要潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成一種新的思維方式——計(jì)算思維。[2]

1.2 研究性教學(xué)

高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神創(chuàng)新能力的高級(jí)專門人才。研究性教學(xué)作為一種開放式教學(xué)模式，是本科院校培養(yǎng)人才的重要途徑。2000年以來(lái)，教育部先后出臺(tái)“關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見”等文件，都明確提出積極推動(dòng)研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力。[3]各高校積極將研究性教學(xué)理念融入到教學(xué)改革中，積極探討研究性教學(xué)的理論與實(shí)踐模式。

由此可見，在當(dāng)今信息技術(shù)時(shí)代，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才的必要條件。在積極實(shí)踐研究性教學(xué)改革過程中，不斷滲透計(jì)算思維的思想，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，是一項(xiàng)非常有意義的重要任務(wù)。

2 我校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的現(xiàn)狀

為應(yīng)對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的教學(xué)改革，我校對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)做了改動(dòng)，非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生第1學(xué)期先行開設(shè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，第2學(xué)期開設(shè)程序設(shè)計(jì)課程。這樣使新生在了解計(jì)算思維的概念后，能有意識(shí)地使用計(jì)算思維去思考問題、去解決一些基本問題，同時(shí)對(duì)后續(xù)開設(shè)的程序設(shè)計(jì)課程有一定的鋪墊作用。

我校在研究性教學(xué)初步實(shí)踐的基礎(chǔ)上，現(xiàn)已在18個(gè)專業(yè)全面開展研究性教學(xué)改革，計(jì)算機(jī)公共課教學(xué)也在此列中。將研究性教學(xué)改革應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)課程，正好解決了目前非計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中尷尬局面，其一是教學(xué)過程中偏重語(yǔ)法講解，內(nèi)容多、晦澀難懂；其二實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，學(xué)生編程能力和調(diào)試能力差等。

程序設(shè)計(jì)課程正好也是訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維能力的一個(gè)重要平臺(tái)。因而，如何在程序設(shè)計(jì)課程的研究性教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力，又如何利用學(xué)生的計(jì)算思維能力促進(jìn)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革，則是我們計(jì)算機(jī)公共課教學(xué)工作者要積極思考并付諸實(shí)踐的重要課題。

3 注重計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)課程研究性教學(xué)探討

我們?cè)诜怯?jì)算機(jī)專業(yè)開展注重計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)課程（以《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程為例）研究性教學(xué)，是以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，激勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，在以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的探究過程中運(yùn)用計(jì)算思維的方法獲取知識(shí)、訓(xùn)練思維、培養(yǎng)能力。

根據(jù)計(jì)算思維和研究性教學(xué)的特點(diǎn)，我們從本校實(shí)際情況出發(fā)，實(shí)施C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程研究性教學(xué)以課堂研究性教學(xué)為主，且又不僅僅局限于課堂中，輔以學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)自測(cè)、觀看視頻。對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，將課程內(nèi)容分為幾個(gè)階梯式的程序設(shè)計(jì)階段，依次是語(yǔ)法基礎(chǔ)、基本控制結(jié)構(gòu)、模塊化程序設(shè)計(jì)等。教學(xué)過程中，根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容靈活運(yùn)用適合于研究性教學(xué)的方法和手段，如問題式教學(xué)法、案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，注重解決實(shí)際問題的程序設(shè)計(jì)思想與方法，注重計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

3.1 基本語(yǔ)法的問題式教學(xué)，培養(yǎng)計(jì)算思維能力

問題式教學(xué)通過提出一系列問題來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容，把問題貫穿于教學(xué)過程的始終。古人云“學(xué)起于思，思源于疑”，問題、疑問是思維的“啟發(fā)劑”。我們首先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問題情境，激活學(xué)生思維；交流討論，啟發(fā)學(xué)生反向思維；解決疑問，學(xué)會(huì)計(jì)算思維的方法。

C語(yǔ)言的基本語(yǔ)法、基本控制結(jié)構(gòu)本身就蘊(yùn)含著重要的計(jì)算思維。[4]我們通過不斷設(shè)問、反問，來(lái)逐步分析、挖掘、探索C語(yǔ)言語(yǔ)法的知識(shí)內(nèi)涵，讓學(xué)生領(lǐng)悟語(yǔ)法定義的目的、形式和使用方式。這樣讓學(xué)生既學(xué)到了C語(yǔ)言基本語(yǔ)法，又有利于在使用過程中少犯錯(cuò)誤，即使出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤也能快速找出癥結(jié)所在。

示例問題：將華氏溫度轉(zhuǎn)換成攝氏溫度。轉(zhuǎn)換公式：C=5.0/9*（F-32），其中F為華氏溫度。

講解示例，首先設(shè)問“如何告訴計(jì)算機(jī)所要完成任務(wù)？”，當(dāng)然用符號(hào)表示（即符號(hào)化），這是一次抽象的過程。再問“直接輸入轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算機(jī)能識(shí)別公式中的符號(hào)嗎？”，演示發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)，無(wú)法識(shí)別F和C。接著問“怎樣讓系統(tǒng)接受未知的數(shù)據(jù)？”及“在C語(yǔ)言中如何“介紹”新數(shù)據(jù)？”，此時(shí)讓學(xué)生去自學(xué)、討論數(shù)據(jù)對(duì)象的命名規(guī)則及基本數(shù)據(jù)類型，并帶著問題“為何不能將形如int、1st、W.Join作為對(duì)象名（用戶標(biāo)識(shí)符）？int和Int在有何區(qū)別？”去思考。通過討論最終確認(rèn)，使用“float F，C；”來(lái)聲明兩個(gè)實(shí)型變量F和C。這又一次的抽象使學(xué)生不僅學(xué)到了知識(shí)，而且還體會(huì)計(jì)算思維的確定性和形式化。

聲明變量后，設(shè)問“能運(yùn)行并得到正確結(jié)果嗎？答案是多少？”，此時(shí)讓學(xué)生手算或心算，有人發(fā)現(xiàn)F的值未知，無(wú)法計(jì)算。但教師演示系統(tǒng)卻未報(bào)錯(cuò)，提問“為什么？”學(xué)生帶著好奇，教師道出原因，讓其進(jìn)一步了解變量的含義。為得到正確結(jié)果，需要先為F賦值，設(shè)問“怎么賦值？”，學(xué)生回答“F=50”，教師給予肯定的同時(shí)反問，這樣系統(tǒng)每次運(yùn)行得到的結(jié)果會(huì)怎樣？讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)這樣的程序不具備通用性，由此引出C語(yǔ)言的輸入輸出庫(kù)函數(shù)。

以問題為中心的教學(xué)示例中，將學(xué)生思考、討論和教師講解、點(diǎn)評(píng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，師生在互動(dòng)中學(xué)習(xí)、探究，教師引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地獲取知識(shí)，學(xué)生通過基本語(yǔ)法的學(xué)習(xí)也培養(yǎng)了計(jì)算思維能力。

3.2 三種控制結(jié)構(gòu)的案例教學(xué)，強(qiáng)化計(jì)算思維能力

案例的選取是案例教學(xué)中的關(guān)鍵因素，[5]選取的案例所反應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)要豐富，具有針對(duì)性、啟發(fā)性和擴(kuò)展性，應(yīng)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。針對(duì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想中的順序、選擇和循環(huán)三種結(jié)構(gòu)，通過抽象問題、分組討論、集中討論和總結(jié)反思等環(huán)節(jié)，使學(xué)生在案例分析的過程中體會(huì)計(jì)算思維的特征，強(qiáng)化計(jì)算思維能力。

案例1，已知三條邊長(zhǎng)，求三角形面積。[6]

學(xué)生課前準(zhǔn)備案例時(shí)，收集或查找各種計(jì)算三角形面積的方法。在小組討論時(shí)每位學(xué)生給出不同的解題思路，相互間指出問題，比較哪種算法描述更簡(jiǎn)潔。課堂教學(xué)時(shí)采用集中討論，每組推選代表簡(jiǎn)述討論結(jié)果，由教師和其他組學(xué)生給予評(píng)價(jià)。教師在教學(xué)過程中不斷啟發(fā)學(xué)生、鼓勵(lì)學(xué)生，同時(shí)給出總結(jié)，比如該案例使用海倫公式計(jì)算是較方便的方法，使用語(yǔ)言描述算法時(shí)注意的語(yǔ)法規(guī)則。如果有小組提出“三邊能否構(gòu)成三角形”問題，則應(yīng)大力表?yè)P(yáng)，促使學(xué)生提高思維的縝密性和嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)順理成章地引入分支結(jié)構(gòu)。

案例2，比較兩位學(xué)生的成績(jī)，輸出最高分。如果人數(shù)擴(kuò)展到3人、N人，如何找出最高分？

案例第1問解決思路非常清晰簡(jiǎn)潔，使用1次雙分支結(jié)構(gòu)即可，至少兩種描述方法：if-else和switch-case結(jié)構(gòu)。當(dāng)比較人數(shù)擴(kuò)展到3人時(shí)，和學(xué)生探討出多種描述算法，既可以使用嵌套的分支結(jié)構(gòu)，也可兩次使用分支結(jié)構(gòu)。通過討論可以開闊學(xué)生的思路，又促使學(xué)生主動(dòng)思考，鼓勵(lì)思維的多樣性。案例的最后一問是難點(diǎn)，教師應(yīng)給予指點(diǎn)，讓學(xué)生帶著問題“N個(gè)成績(jī)?nèi)绾未鎯?chǔ)？使用N個(gè)簡(jiǎn)單變量可行嗎？N個(gè)成績(jī)需要比較多少次？”去查資料、思考，有思路也有困惑?！癗個(gè)成績(jī)比較N-1次找出最高分”答案是肯定的，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是難點(diǎn)。一種思路是用數(shù)組，引入數(shù)組的概念，為下一章做好鋪墊；另一種思路依舊用簡(jiǎn)單變量，但用N個(gè)簡(jiǎn)單變量是不現(xiàn)實(shí)的，引導(dǎo)學(xué)生縱向思考，每次存放一個(gè)成績(jī)，重復(fù)N次即可，引入循環(huán)結(jié)構(gòu)。解決方案是用兩個(gè)變量，擂臺(tái)思想，循環(huán)N-1次就能找出N個(gè)中的最高分。

通常我們?cè)O(shè)計(jì)的教學(xué)案例都不是很復(fù)雜，讓學(xué)生努力一下能解決，但是要具備多樣性和擴(kuò)展性，讓學(xué)生從不同角度認(rèn)識(shí)問題，用不同方式描述算法，用不同方法實(shí)現(xiàn)問題求解。用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言描述、解決問題，正是將人的日常思維轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)思維的過程。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，提高計(jì)算思維層次

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)是一種建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)模式，[7]它以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，教、學(xué)雙方都圍繞若干項(xiàng)任務(wù)展開，在求知欲的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生采用自主探究和協(xié)作學(xué)習(xí)方式，根據(jù)對(duì)任務(wù)的理解，運(yùn)用共有知識(shí)和已有經(jīng)驗(yàn)提出解決方案、完成特定任務(wù)。

將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的后半期，此時(shí)學(xué)生已具備一定的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和計(jì)算思維能力，教師把精心準(zhǔn)備的小系統(tǒng)（如一元多項(xiàng)式運(yùn)算系統(tǒng)、基本算術(shù)運(yùn)算測(cè)試系統(tǒng)、矩陣運(yùn)算系統(tǒng)及小規(guī)模信息處理系統(tǒng)）的開發(fā)任務(wù)，分配給每個(gè)協(xié)作小組，也可讓小組（或組長(zhǎng)）從若干任務(wù)中挑選。

每個(gè)小組接到不同任務(wù)后，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用自頂向下、逐步細(xì)化、模塊化的方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)的基本處理流程、組織結(jié)構(gòu)、模塊劃分、功能分配、接口設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。比如一元多項(xiàng)式運(yùn)算系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)一元多項(xiàng)式的加、減、乘、除運(yùn)算。從表面上看系統(tǒng)應(yīng)由1個(gè)主模塊和4個(gè)子模塊組成，起主導(dǎo)作用的教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的關(guān)注點(diǎn)分離、抽象和分解的方法進(jìn)行分析。為了能進(jìn)行運(yùn)算，首先要輸入一元多項(xiàng)式，運(yùn)算結(jié)束后要輸出一元多項(xiàng)式，增加輸入、輸出兩個(gè)子模塊。在實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)算時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生使用計(jì)算思維的約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化等方法，將其轉(zhuǎn)化成合并同類項(xiàng)、降冪排列、刪除系數(shù)為0項(xiàng)等問題，又需增加4～5個(gè)功能模塊。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，協(xié)作小組成員通過參考書、網(wǎng)絡(luò)等自主檢索、探究、思考、討論，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)一步細(xì)化，確定每個(gè)模塊的具體功能，畫出系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖和基本處理流程。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，小組成員討論是從已會(huì)的一維、二維數(shù)組中選擇，還是從未學(xué)的結(jié)構(gòu)數(shù)組、鏈表中選擇，既要考慮能便于數(shù)據(jù)的處理，又要考慮組內(nèi)成員的水平，因?yàn)槊總€(gè)系統(tǒng)需組內(nèi)成員分工協(xié)作才能完成。組長(zhǎng)此時(shí)可以協(xié)調(diào)，先用一維數(shù)組實(shí)現(xiàn)，后期也可在素質(zhì)較高的學(xué)生帶領(lǐng)下使用鏈表等實(shí)現(xiàn)，這樣小組成員相互協(xié)作、相互啟發(fā)、共同提高，體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作的理念。

每位成員領(lǐng)取分解的任務(wù)后，根據(jù)共同確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模塊接口的描述，對(duì)具體子模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，給出詳細(xì)的算法描述。然后，分組討論每位成員的算法可行性，以及與其他子模塊之間的調(diào)用關(guān)系，如遇到解決不了的問題，教師可參與討論，給予一定指導(dǎo)，調(diào)動(dòng)大家的積極性。算法確定后，每位學(xué)員根據(jù)算法編寫代碼并寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。協(xié)作小組成員再集中交流各自完成的情況，由組長(zhǎng)集成系統(tǒng)代碼，組員一起參與調(diào)試過程，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，共同進(jìn)步。每位學(xué)員按照?qǐng)?bào)告模板提交各自的設(shè)計(jì)成果，采用答辯的形式在班級(jí)討論課上進(jìn)行匯報(bào)。答辯過程中，教師和其他學(xué)生可以提出看法和觀點(diǎn)，教師應(yīng)對(duì)答辯學(xué)生的講述和提出異議的觀點(diǎn)進(jìn)行正誤的分析，因?yàn)閷W(xué)生為了完成這項(xiàng)任務(wù)都是深思熟慮的，教師及時(shí)地分析總結(jié)歸納，不僅使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固，而且進(jìn)一步擴(kuò)展學(xué)生的計(jì)算思維能力。

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法不再?gòu)?qiáng)調(diào)系統(tǒng)開發(fā)的成功與否，而是強(qiáng)調(diào)學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的收獲。每位學(xué)生通過對(duì)具體問題分析、討論、解決，不斷訓(xùn)練自己的計(jì)算思維能力，通過以小組方式進(jìn)行一個(gè)小規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將學(xué)生的計(jì)算思維能力提高了一個(gè)層次。

4 結(jié)語(yǔ)

在程序設(shè)計(jì)課程研究性教學(xué)過程中不斷滲透計(jì)算思維的思想，更加利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，同時(shí)利于提高計(jì)算思維能力，推動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新能力的進(jìn)一步發(fā)展。我們從學(xué)校實(shí)際出發(fā)，提出整合教學(xué)內(nèi)容，對(duì)基本語(yǔ)法的問題式教學(xué)、基本控制結(jié)構(gòu)的案例教學(xué)及模塊化設(shè)計(jì)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)等研究性教學(xué)法進(jìn)行探討，以期使教師能夠擺脫教材束縛，將理論與實(shí)驗(yàn)課時(shí)、課內(nèi)和課外充分利用，更好地發(fā)揮教學(xué)的自主性，促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維能力的提高。

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