非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)
——以“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程改革為例

楊日璟(大連民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

2006年美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授首次提出了計(jì)算思維的概念：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為的科學(xué)方法[1]。2010 年11 月，陳國(guó)良院士第一次正式提出了將“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議[2]。2010 年7月，全國(guó)9所高等學(xué)校聯(lián)盟發(fā)表了聯(lián)合聲明，聲明的核心要點(diǎn)是必須正確認(rèn)識(shí)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要地位，把培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[3]。計(jì)算和計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的基本理論和基本思維，科學(xué)家已經(jīng)將計(jì)算思維和理論思維、實(shí)驗(yàn)思維并列為人類(lèi)三大科學(xué)思維[4]。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中許多知識(shí)點(diǎn)都為培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力提供了很好的案例。在教學(xué)過(guò)程中完善和應(yīng)用“計(jì)算思維”方法，將有助于計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的發(fā)展與完善，也將有利于高校培養(yǎng)應(yīng)用性、復(fù)合型人才。本文針對(duì)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，探究了在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的可行性和方法。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式分析

非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程一般都是多班一起授課，教師在理論課上講授理論知識(shí)，按照教材講授程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)法基礎(chǔ)、程序基本結(jié)構(gòu)、數(shù)組、過(guò)程、文件讀寫(xiě)等知識(shí)點(diǎn)，在上機(jī)實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生通過(guò)上機(jī)練習(xí)來(lái)鞏固理論課講授內(nèi)容。這種模式注重的是知識(shí)傳授，不僅缺乏趣味性，更缺乏應(yīng)用計(jì)算思維的培養(yǎng)和創(chuàng)新。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中教學(xué)效果很不理想。

(1)灌輸式教學(xué)忽視計(jì)算思維能力培養(yǎng)。以教師為中心的灌輸式教學(xué)，忽略了學(xué)生主體的作用。雖然能保證教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和連貫性，但很容易陷入程序語(yǔ)言為中心的誤區(qū)。在教學(xué)中出現(xiàn)“重結(jié)果、輕過(guò)程”“重編碼、輕算法”的現(xiàn)象，忽視了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

(2)被動(dòng)學(xué)習(xí)阻礙計(jì)算思維能力培養(yǎng)。學(xué)生被動(dòng)地聽(tīng)和記憶，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更難以體會(huì)到程序設(shè)計(jì)中問(wèn)題分析、邏輯推導(dǎo)、程序思維及構(gòu)造的方法。學(xué)生普遍反映課程內(nèi)容枯燥、難懂，不感興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差。不少學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)理論知識(shí)儲(chǔ)備不夠，入門(mén)較慢。學(xué)習(xí)上不得要領(lǐng)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中叫苦不迭，對(duì)計(jì)算機(jī)的“思維方式”難以理解。

(3)脫離應(yīng)用限制計(jì)算思維能力培養(yǎng)。知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系不夠緊密，缺乏對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用。將學(xué)習(xí)重心放到對(duì)基礎(chǔ)語(yǔ)法的學(xué)習(xí)上，不注重總結(jié)問(wèn)題的求解過(guò)程。教材中的例題往往是為了說(shuō)明某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而例題之間缺少聯(lián)系，缺少對(duì)知識(shí)點(diǎn)的整合。學(xué)生很難將所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)并解決實(shí)際問(wèn)題。由于缺乏與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的銜接，影響了許多學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程的積極性，限制了計(jì)算思維能力培養(yǎng)。

2 課程改革實(shí)踐

2.1 分專(zhuān)業(yè)知識(shí)模塊設(shè)置

高校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程近年來(lái)普遍采用三個(gè)層次的課程體系和教學(xué)模式，其中第二個(gè)層次就是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)相關(guān)課程，是三個(gè)層次中比較重要的環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)類(lèi)別設(shè)置知識(shí)模塊。大連民族大學(xué)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課第二層次的課程設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 大連民族大學(xué)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程設(shè)置

2.2 精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例

案例教學(xué)法的特點(diǎn)是“以案例任務(wù)為主線(xiàn)、學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”，與傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)模式相比，用案例作為任務(wù)，形成以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，研究性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)及合作學(xué)習(xí)互補(bǔ)的學(xué)習(xí)氛圍，可以讓學(xué)生準(zhǔn)確理解計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的思路和方法，培養(yǎng)計(jì)算思維能力。

從培養(yǎng)計(jì)算思維的角度出發(fā)，按照問(wèn)題求解的步驟來(lái)重構(gòu)課程中的典型案例。例如循環(huán)是一種很重要的程序控制結(jié)構(gòu)，能使學(xué)生很好地理解計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的特點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。講解循環(huán)結(jié)構(gòu)的案例，是對(duì)自然數(shù)1到10的求和，從求和引出“循環(huán)”的概念，學(xué)生在用 FOR循環(huán)求累加后，又提出求10的階乘的問(wèn)題，這樣可以根據(jù)階乘的定義，從累加運(yùn)算過(guò)渡到累乘運(yùn)算，問(wèn)題就迎刃而解了。這個(gè)案例的兩個(gè)問(wèn)題，既有用循環(huán)求解的共性，又有求累加與求階乘在設(shè)置循環(huán)變量初值時(shí)的區(qū)別，使學(xué)生體會(huì)到計(jì)算機(jī)編程必須嚴(yán)謹(jǐn)又可以靈活應(yīng)用。又如降序輸出全班50學(xué)生某課程的成績(jī)，要求每一行輸出10個(gè)同學(xué)的成績(jī)，并統(tǒng)計(jì)成績(jī)的最高分、最低分及平均分。這個(gè)案例包含了循環(huán)和數(shù)組的基本概念和應(yīng)用操作，同時(shí)強(qiáng)化了冒泡排序和選擇排序兩大排序操作。由問(wèn)題引入學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，以興趣帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，將問(wèn)題求解提升到計(jì)算思維的高度使學(xué)生在求解實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，能逐步地領(lǐng)會(huì)、理解計(jì)算思維的本質(zhì)，并把這樣的思維方式和方法慢慢滲透到自己日常學(xué)習(xí)中。

案例的設(shè)計(jì)結(jié)合知識(shí)點(diǎn)，但又不局限教學(xué)內(nèi)容的順序，從不同章節(jié)抽取知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新整合。學(xué)生們對(duì)案例中的程序設(shè)計(jì)更有興趣，在程序結(jié)構(gòu)、數(shù)組等以前難以掌握的知識(shí)方面所花費(fèi)的時(shí)間要少得多，而且掌握得更加扎實(shí)。案例設(shè)計(jì)不僅要讓學(xué)生掌握編程的基本語(yǔ)法知識(shí)，更為重要的是掌握算法，算法的推導(dǎo)和設(shè)計(jì)正是計(jì)算思維的具體體現(xiàn)。解決案例問(wèn)題，要有一些的知識(shí)擴(kuò)充，也要給學(xué)生推薦一些輔助學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)資源，方便學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

案例驅(qū)動(dòng)任務(wù)的方法改變了以往“教師講，學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)模式。有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)同一案例可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地思考，嘗試多種解決方案，多角度地訓(xùn)練學(xué)生思維，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力?？墒箤W(xué)生既掌握基本知識(shí)，又學(xué)會(huì)用知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題，從而有效地培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，提高了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力。

2.3 上機(jī)實(shí)驗(yàn)課分層次教學(xué)

程序設(shè)計(jì)課程最后的落腳點(diǎn)是應(yīng)用，而上機(jī)實(shí)驗(yàn)是加深對(duì)程序設(shè)計(jì)理解并逐步培養(yǎng)“計(jì)算思維”的最基本途徑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課將計(jì)算思維訓(xùn)練應(yīng)用到問(wèn)題的分析與求解過(guò)程中。

非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)差別較大，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用分層次教學(xué)法和小組討論法。

(1)基礎(chǔ)層次主要是對(duì)基本理論的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，單知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力。主要是針對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較差的同學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，初步掌握計(jì)算思維方法。

(2)第二層次增加了應(yīng)用，將不同的知識(shí)點(diǎn)綜合應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)題目中，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。針對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生使用不同的方法實(shí)現(xiàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的多樣性和靈活性。隨著學(xué)習(xí)的深入，要求學(xué)生總結(jié)比較不同方法，在總結(jié)過(guò)程中提高學(xué)生舉一反三的能力。

(3)第三層次是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)與專(zhuān)業(yè)結(jié)合的內(nèi)容，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能。在綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中強(qiáng)調(diào)算法的多樣性和解決問(wèn)題的復(fù)雜性，培養(yǎng)、激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、探索精神和問(wèn)題求解能力。

學(xué)生根據(jù)自己的情況自主選擇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)學(xué)生的自主性，使不同基礎(chǔ)的學(xué)生都有所收獲。

在實(shí)驗(yàn)中采用分組討論學(xué)習(xí)，學(xué)生在課下組成小組，以組為單位在討論中互相交流，比較處理問(wèn)題的不同方法，在討論過(guò)程中提高計(jì)算思維能力。分組學(xué)習(xí)，可以使許多計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較差的同學(xué)，快速地提高應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)最后，教師會(huì)通過(guò)一些綜合應(yīng)用類(lèi)的典型案例，引導(dǎo)同學(xué)們觀察、思考，用提問(wèn)、比較、總結(jié)歸納等多種手段，將零星、分散的知識(shí)點(diǎn)以及各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系進(jìn)行總結(jié)歸納，最終達(dá)到靈活運(yùn)用的目的[5]。

在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師在尊重每位學(xué)生的個(gè)體差異的前提下，對(duì)于不同的學(xué)生要鼓勵(lì)其從不同角度認(rèn)識(shí)問(wèn)題，使用不同的方式描述算法，用不同方法求解問(wèn)題，同時(shí)給予適當(dāng)?shù)?、科學(xué)的評(píng)價(jià)[6]。

2.4 運(yùn)用多種輔助教學(xué)手段

充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)資源，計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)具有教學(xué)視頻、網(wǎng)上答疑、網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)等功能，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了方便，是課堂學(xué)習(xí)的有效補(bǔ)充。

將案例的制作過(guò)程錄制成視頻文件，供學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)使用；教師網(wǎng)上答疑，有效解決了公共基礎(chǔ)課程多班授課教師與學(xué)生溝通難的問(wèn)題；考試系統(tǒng)，分階段的多次單元測(cè)試，可以使學(xué)生及時(shí)了解知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，有效地督促學(xué)生及時(shí)復(fù)習(xí)，減輕學(xué)生期末一次性考試負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中逐步滲透計(jì)算思維思想，通過(guò)案例驅(qū)動(dòng)、分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多角度的方法在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，取得了良好的效果。學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力明顯提高，使他們養(yǎng)成新的思維方式，更好地應(yīng)用計(jì)算思維來(lái)解決問(wèn)題，在一定程度上可以提高學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型復(fù)合型人才打下良好的基礎(chǔ)。

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