計(jì)算思維在Java課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

鄧華

摘要：針對(duì)目前Java類(lèi)課程普遍存在的教學(xué)產(chǎn)學(xué)脫節(jié)的問(wèn)題，該文以Java開(kāi)發(fā)技術(shù)與通信工程實(shí)踐課程為例，利用計(jì)算思維對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方式進(jìn)行更新，通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題抽象化、程序化的計(jì)算思維，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，優(yōu)化教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： Java；課程改革；計(jì)算思維；案例教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0133-03

Abstract：In view of the problems of present Java course disconnect production. In this paper， taking the Java development technology and communication engineering practice course as an example， this paper uses the computational thinking to update the teaching methods. Through training students to abstract the practical problems， the program to improve the students' ability to analyze and solve problems， and to optimize the teaching effect.

Key words： Java；Course Reform；Computational Thinking；Case Teaching

Java是一種可以撰寫(xiě)跨平臺(tái)應(yīng)用程序的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有卓越的通用性、高效性、平臺(tái)移植性和安全性，廣泛應(yīng)用于PC、數(shù)據(jù)中心、游戲控制臺(tái)、科學(xué)超級(jí)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，同時(shí)擁有全球最大的開(kāi)發(fā)者專業(yè)社群[1]。

正是由于Java開(kāi)發(fā)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和市場(chǎng)需求。幾乎所有高校的通信類(lèi)、計(jì)算機(jī)類(lèi)等專業(yè)都開(kāi)設(shè)了Java編程語(yǔ)言的相關(guān)課程。但這類(lèi)課程在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是采用以理論為主、實(shí)踐為輔的教學(xué)模式。雖然在后續(xù)的教學(xué)改革中引入了多種項(xiàng)目訓(xùn)練，但實(shí)踐效果仍然不佳。歸根結(jié)底是因?yàn)槭谡n模式一般是以基礎(chǔ)語(yǔ)法和核心類(lèi)庫(kù)的使用理論為核心進(jìn)行講解的。這種“以知識(shí)為中心”的組織方式強(qiáng)調(diào)教材中各章節(jié)的，雖然有利于學(xué)生全面學(xué)習(xí)Java語(yǔ)言的理論知識(shí)，但由于學(xué)生缺少程序化的計(jì)算思維，缺乏將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)變成程序化表現(xiàn)方式的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力無(wú)法滿足就業(yè)要求。

因此，如何在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)盡可能的培養(yǎng)學(xué)生編程思維、提高編程能力，是目前Java教學(xué)改革的重點(diǎn)方向之一。

1 教學(xué)改革思路

1.1 教學(xué)理念改革

《Java開(kāi)發(fā)技術(shù)與通信工程實(shí)踐》是目前高等院校通信類(lèi)專業(yè)的一門(mén)重要課程，目的是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展以及智能終端設(shè)備廣泛應(yīng)用的時(shí)代下，培養(yǎng)學(xué)生編寫(xiě)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的跨平臺(tái)應(yīng)用軟件的能力。然而經(jīng)過(guò)教學(xué)調(diào)研，該課程與其他Java類(lèi)課程一樣，教學(xué)反饋結(jié)果并不理想。多數(shù)學(xué)生并未達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)中所要求的編程水平，包括考試成績(jī)較好的學(xué)生也存在實(shí)際動(dòng)手能力較弱的情況。

經(jīng)分析，產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因主要是教學(xué)理念陳舊。當(dāng)前教學(xué)的主要方法是讓學(xué)生掌握知識(shí)，而不是教學(xué)生如何運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生的思維能力在教學(xué)過(guò)程中沒(méi)有得到很好的訓(xùn)練。

因此，教學(xué)改革首先要做的就是理念改革，需要引進(jìn)新的行業(yè)思維作為指導(dǎo)思想。計(jì)算思維是當(dāng)前國(guó)際計(jì)算機(jī)界廣為關(guān)注的一個(gè)重要概念，也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育重點(diǎn)研究的重要課題，由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授于2006年提出。旨在運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。鑒于計(jì)算思維的課程教學(xué)改革方面的先進(jìn)性，很多教育者探索和嘗試計(jì)算思維在課程教學(xué)中的實(shí)踐及應(yīng)用。筆者在《Java開(kāi)發(fā)技術(shù)與通信工程實(shí)踐》課程的教學(xué)過(guò)程中主動(dòng)融入計(jì)算思維的基本理論和思維，通過(guò)理念的更新來(lái)改變以往以理論知識(shí)灌輸為主，動(dòng)手實(shí)踐為輔的教學(xué)模式。

1.2 教學(xué)方法改革

在現(xiàn)實(shí)的教學(xué)過(guò)程中，雖然我們通過(guò)引入實(shí)例、加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐等手段來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，但由于缺乏計(jì)算思維與應(yīng)用能力的融合，導(dǎo)致學(xué)生更多的是仿照實(shí)例照本宣科，知其然而不知其所以然，面對(duì)問(wèn)題仍然束手無(wú)策。

結(jié)合計(jì)算思維理念，筆者把整個(gè)教學(xué)過(guò)程分解，設(shè)計(jì)出一個(gè)個(gè)項(xiàng)目教學(xué)方案，按行動(dòng)回路設(shè)計(jì)教學(xué)思路。在方法上輔以項(xiàng)目教學(xué)法為手段的漸進(jìn)式培養(yǎng)模式，讓學(xué)生在項(xiàng)目案例中學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握知識(shí)并靈活運(yùn)用知識(shí)。具體做法是采用簡(jiǎn)單案例對(duì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的計(jì)算思維能力進(jìn)行初步培養(yǎng)，采用較復(fù)雜案例對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練。

這樣的方法改革不僅傳授給學(xué)生理論知識(shí)和操作技能，更重要的是培養(yǎng)他們的職業(yè)能力，這里的能力已不僅是知識(shí)能力或者是專業(yè)能力，而是涵蓋了如何解決問(wèn)題的計(jì)算思維。

2 基于計(jì)算思維的教學(xué)方法

以計(jì)算思維指導(dǎo)課程改革并不意味著一定要將現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容“推倒重來(lái)”，而是在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重新組織教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加新的能體現(xiàn)計(jì)算思維的知識(shí)點(diǎn)，刪除一些陳舊的知識(shí)或技術(shù)細(xì)節(jié)[3]。通過(guò)調(diào)整課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建以計(jì)算思維貫穿教學(xué)過(guò)程始終的知識(shí)體系。基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，整個(gè)教學(xué)過(guò)程可以劃分為計(jì)算思維的培養(yǎng)和實(shí)踐。

2.1計(jì)算思維的培養(yǎng)

計(jì)算思維的培養(yǎng)是指將Java基礎(chǔ)知識(shí)中非常有計(jì)算思維特點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行著重講解。通過(guò)將知識(shí)點(diǎn)的來(lái)龍去脈與實(shí)際生活場(chǎng)景相印證，來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考、學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和分析問(wèn)題，從而達(dá)到計(jì)算思維初步訓(xùn)練的目的。

比如Java的基礎(chǔ)知識(shí)主要是以特有的方式描述了程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)的共性知識(shí)，即數(shù)據(jù)表示和程序流程。那么在教學(xué)中就需要培養(yǎng)學(xué)生在腦海中建立數(shù)據(jù)類(lèi)型和程序執(zhí)行流程的概念，鍛煉將邏輯步驟轉(zhuǎn)化為程序代碼的能力。這就是從邏輯思維角度培養(yǎng)計(jì)算思維。

再比如面向?qū)ο笏枷脒@一章節(jié)是從抽象思維角度培養(yǎng)計(jì)算思維，根本上完全符合計(jì)算思維規(guī)律。Java 作為一門(mén)面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序語(yǔ)言，天然涵蓋了面向?qū)ο蟮娜筇卣魇欠庋b、繼承、多態(tài)，那么在程序設(shè)計(jì)中考慮的不是某一具體操作而是一類(lèi)操作，通過(guò)將功能抽象化后進(jìn)行封裝來(lái)提高功能的重用性。在教學(xué)中就需要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用面向?qū)ο笏枷虢忸}，包括分析問(wèn)題、抽象出問(wèn)題中涉及的類(lèi)及其屬性和行為、規(guī)劃出類(lèi)的層次關(guān)系、思考行為的邏輯實(shí)現(xiàn)思路。

根據(jù)這樣的教學(xué)方式，可以看出整個(gè)教學(xué)過(guò)程就是不斷的訓(xùn)練計(jì)算思維的過(guò)程。因此在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容中，要講解清楚理論知識(shí)背后蘊(yùn)含的計(jì)算思維（如圖1）。讓學(xué)生隨著知識(shí)點(diǎn)的貫通，循序漸進(jìn)地掌握簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、遞歸、抽象、分解、建模等計(jì)算思維的基本方法，進(jìn)而將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)換成多個(gè)簡(jiǎn)單的子問(wèn)題來(lái)構(gòu)建求解。

2.2計(jì)算思維的實(shí)踐

計(jì)算思維的培養(yǎng)是貫穿整個(gè)課程知識(shí)體系的指導(dǎo)思想，計(jì)算思維的實(shí)踐則是對(duì)指導(dǎo)思想的具體執(zhí)行。考慮到在有限的課時(shí)基礎(chǔ)上，完成這一新的課程知識(shí)體系是很困難的。因此，筆者對(duì)教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行重組，采用以案例教學(xué)為手段的漸進(jìn)式培養(yǎng)模式，讓學(xué)生在案例中學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握知識(shí)并靈活運(yùn)用知識(shí)[4]。

1） 通過(guò)場(chǎng)景引入知識(shí)點(diǎn)；

2） 通過(guò)案例講解實(shí)現(xiàn)過(guò)程；

3） 通過(guò)提出問(wèn)題引申新知識(shí)。

這種教學(xué)模式在周而復(fù)始的螺旋過(guò)程中（如圖2），達(dá)到了知識(shí)的進(jìn)階。能夠顯著提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，為分析解決實(shí)際問(wèn)題創(chuàng)造了有利條件[4]。

以面向?qū)ο筮@一章節(jié)為例，引入場(chǎng)景“美團(tuán)購(gòu)物”作為教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“美團(tuán)購(gòu)物”的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)基礎(chǔ)的“團(tuán)購(gòu)”類(lèi)，包含成員變量和成員方法，再實(shí)例化一個(gè)對(duì)象，也就是“美團(tuán)購(gòu)物”中一個(gè)具體的訂單，既有商品名稱、店家、地址、價(jià)格等成員變量，又有提交、付款、消費(fèi)等成員方法。這樣學(xué)生很快就能通過(guò)場(chǎng)景類(lèi)比來(lái)理解類(lèi)和對(duì)象的概念及它們之間的關(guān)系。

當(dāng)學(xué)生理解了類(lèi)和對(duì)象的概念后，可以自然地引出“外賣(mài)”場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)通過(guò)場(chǎng)景類(lèi)比來(lái)思考“美團(tuán)購(gòu)物”與“美團(tuán)外賣(mài)”的區(qū)別與聯(lián)系，由此來(lái)深入理解類(lèi)的派生、繼承、多態(tài)等相關(guān)概念。

當(dāng)然在“美團(tuán)購(gòu)物”的場(chǎng)景中，還會(huì)遇到是否可以使用優(yōu)惠券、商品已售完、或者未到消費(fèi)時(shí)間等問(wèn)題。這時(shí)就可以引導(dǎo)學(xué)生建立一個(gè)有效的異常處理邏輯模型來(lái)合乎情理的解決這些問(wèn)題，進(jìn)而自然地過(guò)渡到異常處理這一章節(jié)的教學(xué)。

組織多個(gè)諸如此類(lèi)的場(chǎng)景案例將大綱中的知識(shí)點(diǎn)包含進(jìn)去，可以有效地提升學(xué)習(xí)效果。因?yàn)閳?chǎng)景案例來(lái)源于日常生活，所以學(xué)生的代入感很強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性會(huì)高漲。當(dāng)場(chǎng)景案例講述完畢后，多個(gè)Java知識(shí)點(diǎn)都會(huì)被串聯(lián)起來(lái)，也就是將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行全面系統(tǒng)的梳理。同時(shí)，場(chǎng)景類(lèi)比讓學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)不只停留在對(duì)概念的理解，更多是提升了他們使用Java知識(shí)來(lái)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這正是計(jì)算思維的核心思想。

3 總結(jié)

正如前文所說(shuō)，Java語(yǔ)言天然涵蓋了計(jì)算思維的思想，所以教師在授課，不僅是講一個(gè)程序該如何寫(xiě)，更重要的是講程序?yàn)槭裁匆@樣寫(xiě)，也就是把將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題程序化的思維方式灌輸給學(xué)生，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用計(jì)算思維的方式思考問(wèn)題、分解問(wèn)題、解決問(wèn)題，而不是讓學(xué)生照抄程序。在計(jì)算思維的指導(dǎo)下，《Java開(kāi)發(fā)技術(shù)與通信工程實(shí)踐》取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，教學(xué)質(zhì)量明顯提升。

發(fā)散而言，計(jì)算思維的引入勢(shì)必能激發(fā)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性。所以計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)是貫穿于整個(gè)專業(yè)教學(xué)過(guò)程中的，可在各門(mén)專門(mén)課中推廣這一教學(xué)方式，從而整體提高專業(yè)辦學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] runoob.com. Java 簡(jiǎn)介[EB/OL]. http：//www.runoob.com/java/java-intro.html.

[2] Wing J M.Computational Thinking[J]. Communications of the ACM，2006， 49（3）：33-35.

[3]強(qiáng)小利，藍(lán)雯飛. 面向計(jì)算思維的Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)探討[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2015（11）.

[4]朱子江，劉東，胡毅.基于計(jì)算思維的 Java 程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（24）.