基于計算思維的程序設(shè)計類課程教學(xué)實踐研究

張玉寧

摘 要： 傳統(tǒng)C語言課程教學(xué)方法在課程教學(xué)后的下學(xué)期進(jìn)行課程設(shè)計，實踐同理論聯(lián)系程度差，過分看重語法教學(xué)，對程序設(shè)計思想的教學(xué)力度弱，學(xué)習(xí)效果差。因此，研究了基于計算思維的程序設(shè)計類課程教學(xué)實踐過程，將計算思維同C語言教學(xué)相融合，分析C語言教學(xué)過程中信息操作的思維過程。設(shè)計基于計算思維的C語言擱置式課程教學(xué)實例，將C語言教學(xué)劃分成課程引入、新課程學(xué)習(xí)以及效果評價三個階段，分析三個過程的教學(xué)內(nèi)容以及結(jié)構(gòu)組成。并設(shè)計三個C語言課堂教學(xué)階段過程中基于計算思維的拋錨式教學(xué)實踐內(nèi)容。實驗結(jié)果說明，所研究教學(xué)方法提升了學(xué)生的C語言計算思維能力，增強(qiáng)了學(xué)生的感興趣度和自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)效果強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 計算思維； 程序設(shè)計； 課程教學(xué)； C語言； 擱置式實踐

中圖分類號： TN99?34； G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0162?04

Abstract： It has low relation degree between practice and theory for the traditional C language curriculum teaching method used for curriculum design of the next semester after course teaching， weak teaching ability of program design thought and poor learning effect， and pays attention to grammar teaching excessively. Therefore， the computational thinking based teaching practice process of program design courses is studied. The computational thinking is integrated with C language teaching. The thinking process of information operation in C language teaching process is analyzed. A computational thinking based instance of C language shelving course teaching is designed， in which the C language teaching is divided into the stages of course introduction， new course learning and effect evaluation. The teaching contents and structure component of the three stages are analyzed. The anchored instruction practice content based on computational thinking in the process of the three C language classroom teaching stages was designed. The experimental results show that the teaching method can improve the C language computational thinking ability of students， enhance the interest and self?learning ability of students， and has perfect learning effect.

Keywords： computational thinking； program design； curriculum teaching； C language； shelving practice

0 引 言

當(dāng)前隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，其在課堂教學(xué)中的應(yīng)用價值也不斷提升。信息技術(shù)課程對思維教學(xué)的關(guān)注度較高，計算思維是程序設(shè)計模塊的思維品質(zhì)，我國程序設(shè)計類課程教學(xué)的計算思維教學(xué)還處于初級階段，程序設(shè)計過程中計算思維教學(xué)不夠成熟。傳統(tǒng)C語言課程教學(xué)方法在課程教學(xué)后的下學(xué)期進(jìn)行課程的設(shè)計，學(xué)習(xí)理論知識后沒有同實踐實施遷移應(yīng)用，實踐同理論聯(lián)系程度差，過分看重語法教學(xué)，對程序設(shè)計思想的教學(xué)力度差，學(xué)習(xí)效果差。本文對基于計算思維的程序設(shè)計類課程教學(xué)實踐進(jìn)行了深入研究，提出基于計算思維的C語言擱置式教學(xué)方法，提高學(xué)生C語言程序設(shè)計的學(xué)習(xí)能力。

1 計算思維的程序設(shè)計類課程教學(xué)實踐研究

1.1 基于計算思維開展的C語言程序設(shè)計教學(xué)

本文研究的程序設(shè)計類課程教學(xué)是C語言課程教學(xué)，C語言是一種基礎(chǔ)的計算機(jī)語言，其從語法到總體結(jié)構(gòu)包含較多的計算思維[1]?；谟嬎闼季S開展的C語言程序教學(xué)在傳授相關(guān)知識點時也要傳授其中描述的計算思維，對計算思維實施強(qiáng)化和培養(yǎng)，可提高學(xué)生C語言學(xué)習(xí)能力和計算思維能力[2]。人們采用計算機(jī)操作信息數(shù)據(jù)，不同種類信息數(shù)據(jù)的表達(dá)手段也存在一定的差異，對其實施操作的措施也不同，則計算機(jī)實現(xiàn)這些信息數(shù)據(jù)的描述、存儲以及操作的計算思維是：按照馮·諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，通過軟件對不同種類數(shù)據(jù)實施聲明和定義，準(zhǔn)確描述不同種類信息；采用硬件的存儲元件保存信息數(shù)據(jù)。通過計算機(jī)語言編寫的數(shù)據(jù)操作程序控制CPU對數(shù)據(jù)實施操作，通過人、機(jī)協(xié)同進(jìn)行的問題求解過程是計算思維的實現(xiàn)過程，用圖1描述。該信息操作的計算思維需要計算機(jī)語言提供運(yùn)算服務(wù)，通過C語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)描述（數(shù)據(jù)種類）、輸出存儲（變量、常量）以及數(shù)據(jù)操作（表達(dá)式以及控制結(jié)構(gòu)）。endprint

1.2 基于計算思維的C語言擱置式教學(xué)案例設(shè)計

基于計算思維的C語言擱置式教學(xué)，也稱做實例教學(xué)和基于問題教學(xué)，這種教學(xué)思維要求學(xué)生切身的感受和理解問題，不是靠單純的教師傳授，這種教學(xué)能營造一種真實、完整的氛圍，讓學(xué)生產(chǎn)生較高的學(xué)習(xí)興趣，同學(xué)之間進(jìn)行高效的交流和互動協(xié)作，使得學(xué)生能從主觀上愛上學(xué)習(xí)，確保學(xué)生親身感受C語言呈現(xiàn)設(shè)計過程中從了解目標(biāo)到完成目標(biāo)的過程[3]。擱置式教學(xué)的設(shè)計就是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、互動協(xié)作和提高學(xué)習(xí)興趣，主動發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。

基于計算思維的C語言擱置式教學(xué)設(shè)計，需要將搭建框架、自主學(xué)習(xí)、鑲嵌式教學(xué)和互動協(xié)作考慮到C語言課程教學(xué)設(shè)計中。該種教學(xué)方法總體將教學(xué)過程分成不同的模塊，不同教學(xué)模塊涉及的教學(xué)內(nèi)容也不相同，將教學(xué)過程分為[A1，A2，…，An]。本文將基于計算思維的擱置式C語言課程教學(xué)分為課程引入（i），新課程學(xué)習(xí)（n）和效果評價（e），具體的形式如表1所示，其對每個階段遇到的教學(xué)難題和解決方法進(jìn)行簡要描述。

在課程的引入階段，主要存在學(xué)生對學(xué)習(xí)興致缺失和對已掌握知識結(jié)構(gòu)與新知識存在差距[4]。解決方法是增加學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣，構(gòu)建已學(xué)知識與新知識的橋梁。教師在授課過程中向?qū)W生介紹與其認(rèn)知相關(guān)的個性化案例，輔助學(xué)生進(jìn)行理解。學(xué)生應(yīng)該具備對目前掌握材料和未來知識的規(guī)劃能力。課程引入階段的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，A，T和S分別代表教學(xué)過程、教師活動和學(xué)生活動。

在新課程學(xué)習(xí)階段，主要存在C語言知識點相關(guān)聯(lián)的信息聯(lián)系與課堂教學(xué)間的矛盾；讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)知識而不是死記硬背。采用鑲嵌法和歸納演繹讓學(xué)習(xí)變得有趣。新課程學(xué)習(xí)階段教師應(yīng)該是學(xué)生的引領(lǐng)者，指導(dǎo)學(xué)生看待問題的方向，運(yùn)用類型檢查法帶領(lǐng)學(xué)生思考[5]。學(xué)生在教師的引領(lǐng)下思考問題并進(jìn)行理論歸納，小組討論各自的觀點看法，多維分析和推理。圖3為新課程學(xué)習(xí)階段結(jié)構(gòu)示意圖。

在效果評價階段，主要存在如何對任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行和評價的問題。將任務(wù)呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生分析，尋求最方便、便捷的解決方式，采用多維分析方法進(jìn)行結(jié)果評價。該階段學(xué)生需采用各種方法，包括建模、抽樣調(diào)查等完成分布的任務(wù)，并對結(jié)果進(jìn)行展示評價[6]。圖4為效果評價階段結(jié)構(gòu)示意圖。

由上文得出，基于計算思維的C語言拋錨式教學(xué)共分為三部分，學(xué)生和教師活動有六個步驟，式（1）和式（2）分別表示待解決問題和對應(yīng)的解決方法：

1.3 基于計算思維的擱置式教學(xué)實踐設(shè)計

教師在上課前的課堂設(shè)計階段，從1.2節(jié)劃分的基于計算思維的C語言擱置式教學(xué)三個階段當(dāng)中任選兩個作為基本知識。第一次教學(xué)中以簡單的加減法為例，從教學(xué)案例中提取知識點。學(xué)生自主探究課堂以外的知識，學(xué)生間相互協(xié)同解決問題[7]。在課堂引入階段，教師向?qū)W生提出問題“20+10”，學(xué)生此時腦中產(chǎn)生疑問，在這種困惑下向同學(xué)解釋人腦計算方式與計算機(jī)計算的不同。人的大腦進(jìn)行的是邏輯運(yùn)算，計算機(jī)是工程運(yùn)算，C語言是進(jìn)行數(shù)學(xué)計算的，假設(shè)a箱子里有10個白球，b箱子里有20個白球，將a和b兩個箱子里的白球倒入箱子c中，此時c箱子中白球的個數(shù)就是總數(shù)。將計算過程形象化，使學(xué)生對C語言如何進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生很好的興趣，這個階段產(chǎn)生效果用式（3）表示，其中AI為課程引入階段的教學(xué)成果，[m]是待學(xué)習(xí)的白球數(shù)，[f]為學(xué)習(xí)動機(jī)函數(shù)：

在新課程學(xué)習(xí)階段，完成形象到抽象的轉(zhuǎn)換，將箱子看成三個變量，這個轉(zhuǎn)變就是C語言的賦值過程，C語言計算結(jié)果需要使用C語言中的輸出函數(shù)。在此階段的協(xié)作環(huán)節(jié)中學(xué)生的思維完成了從形象化到抽象化的轉(zhuǎn)變[8]，思維方法的轉(zhuǎn)變充分發(fā)揮了思維。這一階段成果體現(xiàn)在思維方式（th）、學(xué)習(xí)能力（se）和協(xié)作能力（coo）的變化。這個階段教學(xué)效果用式（4）表示，其中AI為新課程學(xué)習(xí)階段的教學(xué)成果，[f]為th，se和coo的函數(shù)：

在效果評價階段對任務(wù)分析、方案分析和演示結(jié)果進(jìn)行考核，教師和小組評分計入考核成績，學(xué)生采用建模和抽樣分析對任務(wù)進(jìn)行方案設(shè)計和解決，教學(xué)方式的改變促進(jìn)了學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)[9]。該階段教學(xué)成果用式（5）表示，其中AI為效果評價階段的教學(xué)成果，[f]為與知識學(xué)習(xí)[（u）]和教學(xué)評價[（a）]的函數(shù)：

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 學(xué)生成績檢測

實驗通過單組前后測對某高校軟件專業(yè)學(xué)生成績和學(xué)生態(tài)度實施調(diào)查，獲取三組實驗數(shù)據(jù)。實驗前后檢測成績能近似當(dāng)成服從正態(tài)分布，該數(shù)據(jù)集內(nèi)教學(xué)實驗前測值以及后測值的數(shù)據(jù)相對應(yīng)，實驗對象以及人數(shù)是相同的，通過配對樣本T檢驗方法[10]對采用本文方法教學(xué)后軟件專業(yè)學(xué)生計算思維能力是否提升實施檢測。

實驗統(tǒng)計軟件專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)C語言時的循環(huán)語句、條件語句以及賦值語句成績，通過Excel表格統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)果用表2描述。通過SPSS軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)配對樣本的T檢驗，結(jié)果用表3描述。

分析表2能夠得出，對參加實驗的50名學(xué)生的C語言程序設(shè)計的學(xué)習(xí)成績進(jìn)行檢測過程中，三次實驗學(xué)生成績平均值分別是79.49，83.44以及86.65，能夠看出該軟件專業(yè)學(xué)生的C語言程序設(shè)計的計算思維能力逐漸增強(qiáng)。

分析表3中的數(shù)據(jù)，能夠看出實驗前后配對樣本的相關(guān)性。三項測試項目中不同語句的相關(guān)系數(shù)分別是0.373，0.265以及0.158，相伴概率sig分別是0.07，0.068以及0.279，都比0.05高（顯著性水平），說明三種實驗的成績相關(guān)性顯著。

分析表4中的數(shù)據(jù)能夠得出，賦值語句同循環(huán)語句配對樣本的配對均值是-7.986，雙側(cè)相關(guān)概率[P]值是0，比0.05（顯著性水平）低，[T]值是負(fù)值，[C=]-3.688，能夠看出計算思維教學(xué)前后軟件專業(yè)學(xué)生成績存在顯著的差異。賦值語句同條件語句的[P=]0.001，比0.05（顯著性水平）低，說明存在顯著性差異。而條件語句同循環(huán)語句的[P]值是0.217，比0.05（顯著性水平）高，說明不存在顯著性差異。全面分析這些數(shù)據(jù)能夠得出，采用本文方法進(jìn)行教學(xué)后，總體軟件專業(yè)學(xué)生的計算思維能力出現(xiàn)了顯著的提升，說明本文方法在C語言程序設(shè)計教學(xué)過程中，基于計算思維的教學(xué)模式增強(qiáng)了學(xué)生程序設(shè)計思維的發(fā)展。endprint

2.2 學(xué)生態(tài)度檢測

實驗從學(xué)生對課堂的感興趣程度檢測實驗前后學(xué)生態(tài)度方面的狀態(tài)。實驗統(tǒng)計采用本文教學(xué)方法以及傳統(tǒng)C語言教學(xué)方法下，學(xué)生對C語言教學(xué)課堂的感興趣程度，結(jié)果用圖5和圖6描述。分析圖5能夠得出，對于三種C語言語句，本文方法下存在10人、15人、23人對課堂內(nèi)容非常感興趣，31人、27人、20人對課堂內(nèi)容感興趣，5人、5人、4人對課堂內(nèi)容感覺一般，4人、3人、3人對課堂內(nèi)容不感興趣。而從圖6中能夠看出，對于三種C語言語句，傳統(tǒng)教學(xué)方法存在5人、15人、8人對課堂內(nèi)容非常感興趣，22人、18人、20人對課堂內(nèi)容感興趣，19人、14人、19人對課堂內(nèi)容感覺一般，4人、3人、3人對課堂內(nèi)容不感興趣。說明學(xué)生對本文C語言教學(xué)方法的感興趣程度更高。

2.3 實踐（上機(jī)）題目完成情況檢測

軟件專業(yè)對所學(xué)程序類設(shè)計課程的實踐練習(xí)過程中，各次實踐（上機(jī)）的練習(xí)題量以及綜合難度要求較高。實驗統(tǒng)計某高校兩屆軟件、通信以及電子專業(yè)的學(xué)生，分別采用本文教學(xué)方法和傳統(tǒng)教學(xué)方法下實踐（上機(jī)）題目的完成情況，結(jié)果分別用圖7，圖8描述。能夠看出，采用本文方法下難度較低的一致性實踐題和必做題的完成度同傳統(tǒng)教學(xué)方法差別較小，而難度較高的升級題以及挑戰(zhàn)題的完成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)教學(xué)方法。說明本文方法下的學(xué)生總體自主學(xué)習(xí)能力以及競爭意識有了極大的提升，能夠活躍C語言教學(xué)的課堂氣氛。

3 結(jié) 論

本文對基于計算思維的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)實踐過程進(jìn)行了詳細(xì)研究，采用基于計算思維的C語言擱置式教學(xué)方法，極大提高了學(xué)生對C語言課程學(xué)習(xí)水平。

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