圍繞計(jì)算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)課程改革

摘要：為了在程序設(shè)計(jì)課程中主動(dòng)地、有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，文章提出“建立計(jì)算思維的概念，掌握計(jì)算思維的方法，培養(yǎng)計(jì)算思維的能力”的教學(xué)目標(biāo)，即對(duì)C/C++程序設(shè)計(jì)課程的理論和實(shí)踐教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，弱化對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的講解，強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)方法、問題求解過程和方法的講解與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)；課程改革

計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的系列思維活動(dòng)。在信息社會(huì)中，計(jì)算思維是人類進(jìn)行問題求解的有效工具，是每個(gè)人都應(yīng)該掌握并學(xué)會(huì)使用的。近年來，由于計(jì)算機(jī)教育在中學(xué)階段的普及，高校新生的計(jì)算機(jī)操作水平和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力普遍提高，“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教育的核心由原先的以計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂?jì)算思維的培養(yǎng)為核心。

在大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)教育階段，我們對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)有效地融入每一堂課之中，即在大學(xué)階段計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的過程中，逐步培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行問題求解的思路、方法，使學(xué)生能用計(jì)算機(jī)學(xué)科獨(dú)特的思想、方法來解決專業(yè)領(lǐng)域和實(shí)際生活中碰到的各種問題，并為將來創(chuàng)新性地解決專業(yè)問題奠定基礎(chǔ)。

“C/C++程序設(shè)計(jì)”是大學(xué)生入校第一學(xué)年所學(xué)的計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容能夠較好地體現(xiàn)語(yǔ)言級(jí)問題的求解方法，因此這門課也是學(xué)生最容易理解計(jì)算機(jī)求解問題的特點(diǎn)與方法的課程。如何在這門課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的重要內(nèi)容，目前已經(jīng)引起了眾多教育者的關(guān)注，并進(jìn)行了有意義的探索。在本次教學(xué)改革中，圍繞計(jì)算思維培養(yǎng)這個(gè)核心，我們明確了“建立計(jì)算思維的概念，掌握計(jì)算思維的方法，培養(yǎng)計(jì)算思維的能力”的教學(xué)目標(biāo)，有意識(shí)地將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使一系列的教學(xué)活動(dòng)上升到了一個(gè)新的高度。

1.建立計(jì)算思維的概念

剛剛?cè)雽W(xué)不久的新生在一年級(jí)下學(xué)期時(shí)，對(duì)程序設(shè)計(jì)還是陌生的。作為初學(xué)者，他們?cè)趯W(xué)習(xí)中往往容易走人誤區(qū)，將全部的注意力放在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言本身，而忽略了學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程最應(yīng)該關(guān)注的，也是最能讓自己受益的事情：大腦的思考過程，即如何利用已知的信息解決問題的過程。

針對(duì)上述情況，在開學(xué)的第一次課上，我們并不涉及C/C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言本身，而是從計(jì)算思維講起。通過介紹什么是計(jì)算思維，計(jì)算思維的主要特點(diǎn)以及培養(yǎng)計(jì)算思維的重要意義等方面，引導(dǎo)學(xué)生建立起計(jì)算思維的概念。通過百元買百雞、割園法求圓周率等經(jīng)典問題的展示，引導(dǎo)學(xué)生感受和領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)分析問題和求解問題的過程、思維模式和基本方法，從而讓學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)之初，就在主觀上明確程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)不僅僅是學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言本身，更重要的是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)分析和解決問題的基本過程和思路，即學(xué)會(huì)如何把實(shí)際的問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以解決的問題，如何用計(jì)算機(jī)的方法求解問題，從而在以后學(xué)習(xí)的過程中，主觀上積極主動(dòng)地注重計(jì)算思維的培養(yǎng)。

2.掌握計(jì)算思維的方法

掌握計(jì)算機(jī)求解問題的各類方法，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的關(guān)鍵。以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的程序設(shè)計(jì)課程的重要任務(wù)之一，就是要在學(xué)習(xí)的過程中教會(huì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的方法和各類問題求解的算法，讓學(xué)生更加深刻地理解計(jì)算機(jī)解決問題的思路和方法，提升計(jì)算思維的能力。C/C++程序設(shè)計(jì)課程中涉及的程序設(shè)計(jì)方法和算法如表1所示。

1）教學(xué)上以程序設(shè)計(jì)方法為主導(dǎo)，結(jié)合C/C++語(yǔ)言，把程序設(shè)計(jì)方法學(xué)中成熟的理論和方法，如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法、基于功能抽象的程序設(shè)計(jì)方法（自頂向下逐步求精的程序設(shè)計(jì)方法、自底向上程序設(shè)計(jì)方法）、遞歸程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法等用通俗易懂的語(yǔ)言描述出來。

2）將程序設(shè)計(jì)中常用到的算法進(jìn)行了歸類，即枚舉類、排序類、查找類、字符串處理類、字符圖形打印類、數(shù)值計(jì)算類、遞歸算法等。在教學(xué)過程的不同階段，分別引入這些算法。

3）注重通過算法的多樣性使學(xué)生深入理解到計(jì)算機(jī)求解同一問題可用不同的方法，不同的方法適用于不同的情況。例如對(duì)數(shù)據(jù)排序的算法，我們會(huì)將選擇排序、冒泡排序、插人排序、合并排序都介紹給學(xué)生，并讓學(xué)生體會(huì)這些算法的不同之處。

3.圍繞計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐

在程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)活動(dòng)中，與計(jì)算思維培養(yǎng)相符合的教學(xué)方法，如案例教學(xué)法、問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法等一直在被無意識(shí)地使用。在提出了計(jì)算思維的背景下，我們對(duì)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革，并在教學(xué)活動(dòng)中，主動(dòng)地、有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，取得了良好的效果。

3.1理論教學(xué)

在理論教學(xué)上，我們進(jìn)行了兩個(gè)方面的改革。

1）從計(jì)算思維的角度出發(fā)，按照問題求解的一般步驟重組經(jīng)典案例。問題求解的一般步驟為：

問題抽象化的描述，問題表示（如何建立模型）；

尋找解決方案，問題求解（如何設(shè)計(jì)算法）；

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)過程，效率（如何有效地求解）；

現(xiàn)實(shí)問題的延伸。

將問題求解提升到計(jì)算思維的高度，使學(xué)生在求解問題的過程中，更加深刻地理解計(jì)算思維的本質(zhì)，即抽象化和自動(dòng)化。

2）將程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)言與問題求解的過程分開。在講解案例時(shí)，我們先提出具體問題，后引導(dǎo)學(xué)生去體會(huì)為了解決問題而產(chǎn)生的大腦思考過程：已知哪些信息，這些信息怎樣轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以理解的形式，要求的結(jié)果是什么，怎樣通過已知的信息來求解，并將求解問題的方法，即算法作為教學(xué)的重點(diǎn)，讓學(xué)生通過算法來理解計(jì)算機(jī)求解問題的思路。算法的描述可以用自然語(yǔ)言、偽代碼或者流程圖等。學(xué)生理解了算法的基本思想后，再引入程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)這一算法，編寫代碼并調(diào)試執(zhí)行。這一方法加強(qiáng)和促進(jìn)了算法的構(gòu)建，訓(xùn)練了學(xué)生的程序設(shè)計(jì)水平，從而簡(jiǎn)化了對(duì)程序語(yǔ)言的復(fù)雜性的理解。

3.2實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)以學(xué)生自我學(xué)習(xí)為主，教師提供輔導(dǎo)和答疑。在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，我們將每一章的教學(xué)內(nèi)容分為程序調(diào)試、模仿寫程序和問題求解3個(gè)層次，逐步提升學(xué)生的問題求解能力。

1）程序調(diào)試的案例中，根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將學(xué)生容易忽略的細(xì)節(jié)和易犯的錯(cuò)誤預(yù)設(shè)在程序中。通過對(duì)預(yù)設(shè)的語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤的查找與修正，使學(xué)生更為深刻地理解程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)，夯實(shí)學(xué)生的語(yǔ)言基礎(chǔ)。由于理論教學(xué)中，對(duì)語(yǔ)言細(xì)節(jié)的講解不再作為重點(diǎn)，程序調(diào)試變得尤為重要。

2）模仿寫程序要求學(xué)生對(duì)老師已經(jīng)講解過的算法，能用相同的思想解決類似的問題，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。例如講解了用枚舉法解決百元買百雞的問題后，要求學(xué)生用枚舉法解決學(xué)生課表排課、水仙花數(shù)求解等問題。實(shí)踐課上，要求學(xué)生在上機(jī)之前先將算法以流程圖的形式寫在本子上，然后將算法轉(zhuǎn)變成程序代碼，上機(jī)時(shí)只做代碼的調(diào)試。這一方法能迫使學(xué)生思考，逐步理解計(jì)算機(jī)求解問題的方法和思路。

3）問題求解則要求學(xué)生能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，求解新的問題。例如在學(xué)習(xí)完數(shù)組和函數(shù)后，問題求解的題目為“編程求解農(nóng)夫過河問題的解決方案”，要求學(xué)生按照問題求解的一般步驟，即問題的表示、求解的算法、代碼編寫與調(diào)試來操作。通過問題求解，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固了所學(xué)知識(shí)，更重要的是提升了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。

3.3課程設(shè)計(jì)

為提升課程的教學(xué)質(zhì)量，我們?cè)黾恿苏n程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入了應(yīng)用程序開發(fā)，要求學(xué)生將數(shù)組、結(jié)構(gòu)、鏈表和文件操作有機(jī)地結(jié)合起來，完成一個(gè)應(yīng)用型、綜合性強(qiáng)的大作業(yè)。

在課程臨近結(jié)束時(shí)，學(xué)生用一個(gè)月的時(shí)間完成課程設(shè)計(jì)，任課教師會(huì)給出若干題目供學(xué)生選擇，例如本學(xué)期課程設(shè)計(jì)的題目有八數(shù)碼游戲、模擬手機(jī)通訊錄管理系統(tǒng)、飛機(jī)票訂票退票系統(tǒng)、日歷打印與日期查詢系統(tǒng)等12個(gè)題目。學(xué)生也可根據(jù)自己的專業(yè)和興趣自己指定題目。例如今年同濟(jì)大學(xué)交通專業(yè)的學(xué)生自我選擇的題目為停車庫(kù)車輛管理與查詢系統(tǒng)。該題目設(shè)計(jì)的過程要求學(xué)生按照軟件開發(fā)的步驟進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、代碼編寫、代碼測(cè)試，并完成設(shè)計(jì)報(bào)告。

在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅要將一個(gè)學(xué)期所學(xué)的內(nèi)容融會(huì)貫通，編寫一個(gè)完整的系統(tǒng)，還要考慮程序的正確性、容錯(cuò)性、算法的效率、對(duì)用戶的友好性等，這樣有助于引導(dǎo)學(xué)生探究問題求解的思路和方法，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)素質(zhì)。

3.4考核

我們對(duì)考核進(jìn)行了改革，在學(xué)習(xí)的不同階段實(shí)施不同形式的考核，考核內(nèi)容中增加了對(duì)問題求解能力的考核。具體做法是保留原來的期中和期末考試，考試內(nèi)容為基本概念、程序調(diào)試和小程序的編寫，考核學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握情況。在課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，增加了綜合編程考試，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，編程解決給定的問題，考核學(xué)生的問題求解能力。學(xué)生最后的成績(jī)由3次考試成績(jī)、課程設(shè)計(jì)成績(jī)和實(shí)踐作業(yè)成績(jī)綜合評(píng)定給出，使得學(xué)生成績(jī)能更客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果。

值得一提的是，盡管在教學(xué)過程中我們?nèi)趸苏Z(yǔ)言細(xì)節(jié)的講解，將講解的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了程序設(shè)計(jì)的方法和各類算法，但學(xué)生通過大量調(diào)試程序的練習(xí)，同樣很好地掌握了語(yǔ)言本身的特點(diǎn)，能夠正確地編寫程序，在考核中取得的成績(jī)不亞于往年。而通過課程設(shè)計(jì)，學(xué)生的分析問題、解決問題的能力也大大提高了，考核結(jié)果令人滿意。

4.結(jié)語(yǔ)

在C/C++程序設(shè)計(jì)課程中，通過程序設(shè)計(jì)方法和算法的傳授來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是本次課程改革的重點(diǎn)。實(shí)踐證明，我們主動(dòng)地、有意識(shí)地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入到理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅有利于學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和約束，更有利于學(xué)生用計(jì)算機(jī)學(xué)科的獨(dú)特思維方式來求解問題，對(duì)提高學(xué)生的信息素養(yǎng)和創(chuàng)造性地解決問題的能力都有積極的作用。

（見習(xí)編輯：劉麗麗）