基于JiTT模式的C語言教學(xué)中計算思維的培養(yǎng)

鄭 冰，寧鵬飛

（1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公共課教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2. 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué) 計算機信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引 言

在C語言教學(xué)中，學(xué)生借助計算思維可以實現(xiàn)從具體的自然語言表達問題到程序設(shè)計語言編程語句之間的映射，形成良好的計算思維方式對于后續(xù)計算機類課程的學(xué)習(xí)有非常大的幫助。語法規(guī)則和培養(yǎng)涵蓋編程思想的計算思維構(gòu)成教學(xué)內(nèi)容的主要組成部分。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐筆者發(fā)現(xiàn)，對非計算機專業(yè)初學(xué)計算機編程語言的學(xué)生來說，通過生搬硬套掌握C語言的語法規(guī)則相對容易。但對于計算思維部分，由于C語言偏向計算機底層的抽象特性，學(xué)生很難建立起從自然語言到符合計算思維的C語言程序之間的轉(zhuǎn)換。因此，C語言教學(xué)中計算思維的訓(xùn)練成為教學(xué)中的重點難點。JiTT（Just-in-Time Teaching）模式是一種線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，是可行性和可操作性非常強的教與學(xué)策略，并采用一定的激勵方式結(jié)合課外學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)。在C語言教學(xué)中，為了培養(yǎng)學(xué)生良好的計算思維方式，可以引入JiTT模式，尤其在難題探究階段通過循環(huán)反饋實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)。

1 C語言教學(xué)中計算思維的培養(yǎng)

1.1 計算思維的研究現(xiàn)狀以及C語言教學(xué)實踐中現(xiàn)存的問題

關(guān)于計算思維，近年來，因為“互聯(lián)網(wǎng)+”“大數(shù)據(jù)”等熱門概念的出現(xiàn)，計算思維[1]的內(nèi)涵與外延不斷豐富拓展，眾多學(xué)者更是將計算思維的理念應(yīng)用在計算機教育實踐中，取得了豐碩的成果[2-3]。在計算機教育領(lǐng)域，計算思維是比編程思想更高一層的抽象，是將現(xiàn)實生活中使用自然語言描述具體問題分解為執(zhí)行步驟的解決邏輯，再通過抽象符號化為計算機可以執(zhí)行的邏輯指令的轉(zhuǎn)換過程。目前有針對自然語言思維的C語言教學(xué)的研究[4]，但并沒有涉及計算思維的培養(yǎng)，也沒有與一種具體的教學(xué)方式相結(jié)合。這里討論的是針對計算機編程語言初學(xué)者的計算思維的培養(yǎng)，主要探討基本的程序設(shè)計語言表達的計算思維，實現(xiàn)從具體的、相對簡單的自然語言表述問題到C語言基本結(jié)構(gòu)表達的編程語句（單個函數(shù)內(nèi)部）之間的映射。例如，在屏幕上輸出九九乘法表，利用了C語言的循環(huán)結(jié)構(gòu)，并引入計算思維方式。

C語言的教學(xué)目標可以歸結(jié)為掌握基本語法規(guī)則和培養(yǎng)包含編程能力在內(nèi)的計算思維。為了更清楚地了解教學(xué)目標的完成情況，筆者進行了初步調(diào)研。以某高校非計算機專業(yè)四年制本科生為調(diào)查對象，該專業(yè)大部分學(xué)生為第一次學(xué)習(xí)計算機編程語言，隨機抽取2016級C語言程序設(shè)計期末考試試卷進行分析，在編程題中出現(xiàn)的錯誤類型主要有：①語法錯誤，如出現(xiàn)頻率較高的不事先定義變量而直接使用變量等，這類錯誤的原因是馬虎、基本知識掌握不牢固，所占比例相對較少；②與計算思維方式相關(guān)的錯誤，例如程序不夠精簡、冗余語句較多、前后邏輯顛倒、徹底不知道如何用C語言描述解決問題。另外，具體到C語言的教學(xué)重點——3種基本控制結(jié)構(gòu)，對于順序結(jié)構(gòu)絕大部分學(xué)生可以表達清楚，簡單分支結(jié)構(gòu)也沒有問題，說明學(xué)生可以正確實現(xiàn)對簡單邏輯的轉(zhuǎn)換，但對于復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)、循環(huán)嵌套，則錯誤率較高，這類錯誤歸根結(jié)底是學(xué)生不會用機器的方式清楚表達邏輯，即計算思維的缺失。

綜上，計算思維的培養(yǎng)是C語言教學(xué)中的重點、難點，如何找到一種有效培養(yǎng)計算思維的教學(xué)方式是一個亟待解決的問題。

1.2 C語言教學(xué)目標中計算思維的培養(yǎng)

一般C語言教學(xué)目標包括了解、熟悉、掌握、綜合運用4個層次。其中，綜合運用層次的教學(xué)目標蘊含了計算思維的培養(yǎng)。計算思維是自動化解決問題，學(xué)生需要學(xué)會分析一個自然語言描述的問題，構(gòu)建可以用計算機表達的模型，這個過程相對抽象，在C語言教學(xué)中不具有可操作性，因此需要明晰在C語言教學(xué)中培養(yǎng)計算思維的具體過程。從自然語言表述到符合計算思維的C語言實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換過程描述如下：①自然語言表述，用自然語言表述的、有待計算機自動化解決的問題；②偽代碼，介于自然語言與計算機語言之間的表述方式，與具體的計算機編程語言無關(guān)；③符合語法規(guī)則的C語言實現(xiàn)，往往具有很多冗余的代碼，但是C語言的語法規(guī)則將偽代碼實現(xiàn)為可以運行的C語言程序，并未考慮運行效率和邏輯上的精簡，這是一種更適合于自然語言思維方式的結(jié)果；④符合計算思維的C語言實現(xiàn)，更符合計算機邏輯的C語言實現(xiàn)，具有相對較好的運行程序和精簡的邏輯關(guān)系。

對于以上過程，本文給出相應(yīng)示例，例如在C語言學(xué)習(xí)嵌套分支時的經(jīng)典實例：輸入一個學(xué)生成績，判斷優(yōu)、良、及格、不及格，從自然語言表述到用符合計算思維的C語言程序表達，可以經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換過程，見表1。顯然符合計算思維的C語言程序更加簡練，執(zhí)行效率也更高，更符合計算思維方式。

表1 符合計算思維的C語言程序的轉(zhuǎn)換示例

2 基于JiTT模式的C語言教學(xué)

以上符合計算思維的C語言實現(xiàn)過程需要結(jié)合恰當?shù)慕虒W(xué)模式才可以順利實施，筆者選擇可行性與可操作性較強的JiTT模式[5]。

2.1 關(guān)于JiTT模式

基于JiTT模式的教學(xué)過程是一種線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，國內(nèi)翻譯為“適時教學(xué)模式”或“及時教學(xué)模式”。美國航空學(xué)院的Gregor Novak教授等人給出定義：JiTT是建立在“基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)任務(wù)”和“學(xué)習(xí)者的主動學(xué)習(xí)課堂”二者交互作用基礎(chǔ)上的一種教與學(xué)的新型策略。JiTT模式的操作框架簡明易懂，下文結(jié)合實踐對其實施過程進行分析。

（1）課前預(yù)習(xí)階段。這是課前階段基于網(wǎng)絡(luò)媒介的“預(yù)熱”，教師在網(wǎng)絡(luò)上布置適量的預(yù)習(xí)內(nèi)容，主要是基本知識點，能夠起到承接上節(jié)課內(nèi)容并為本節(jié)課教學(xué)做鋪墊的作用，學(xué)生對教師布置的預(yù)習(xí)問題給出反饋。教師根據(jù)學(xué)生的反饋，了解學(xué)生對基本知識點的接受程度、已經(jīng)具備的知識水平、自學(xué)能力等，并相應(yīng)修改課堂教學(xué)內(nèi)容。這個過程中，教師通過教學(xué)資源平臺上傳教學(xué)資源，學(xué)生通過教學(xué)資源平臺下載教學(xué)資源，實現(xiàn)異步交互，完成預(yù)習(xí)和反饋過程。通過前期的教學(xué)實踐表明[6]，教學(xué)資源平臺可以采用基于Moodle的網(wǎng)絡(luò)支撐平臺[6]、基于BlackBoard的網(wǎng)絡(luò)平臺等，也可選擇目前國內(nèi)比較流行的即時通訊工具，例如通過建立微信群和QQ群的方式實現(xiàn)。這些工具可以實現(xiàn)師生良好的線上互動，使教師及時接收學(xué)生反饋，缺點是需要教師建立線下的個人教學(xué)資源庫，并且缺少一些輔助的統(tǒng)計工具幫助教師客觀統(tǒng)計學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。因此可以將成熟的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和即時通訊工具相結(jié)合作為網(wǎng)絡(luò)資源的支撐環(huán)境。

（2）課堂教學(xué)階段。教師除了進行面對面的授課之外，還要組織學(xué)生進行分組討論、實驗等教學(xué)活動。由于經(jīng)過了預(yù)習(xí)階段，學(xué)生有備而來，參與活動積極性也會更高，學(xué)習(xí)的效果也會更好。根據(jù)教學(xué)目標和相應(yīng)的預(yù)習(xí)反饋情況，建議采用以下的課堂教學(xué)流程：回顧上節(jié)課知識點—設(shè)置情景任務(wù)引入本節(jié)課內(nèi)容—引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新知識—進行小組討論找出解決學(xué)習(xí)新知識過程中遇到的問題—課堂練習(xí)—布置課后難題探究相應(yīng)問題。為了推動形成學(xué)生主動學(xué)習(xí)的生動課堂，還可以結(jié)合比較成熟的問題驅(qū)動法、討論法等教學(xué)方法。

（3）課后難題探究階段。這是檢驗前期教學(xué)效果以及提升學(xué)生能力的階段，在課后，教師可以根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置題目以便開展“難題探究”。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生可以鞏固課堂所學(xué)的知識，而教師可以根據(jù)反饋了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便安排下一次課的內(nèi)容和進程。實際上，由于計算機類課程內(nèi)容更新較快，課時安排卻非常有限，課堂上一般只能完成基本內(nèi)容的講授學(xué)習(xí)，很多教學(xué)內(nèi)容無法在課堂完成，課后難題探究階段恰好是提升學(xué)生能力的關(guān)鍵階段。在掌握基本知識點的基礎(chǔ)上，學(xué)生在課后通過自主學(xué)習(xí)實現(xiàn)能力提升。

以上過程在下次新課又進入一個新的循環(huán)，JiTT模式通過循環(huán)反饋（feedback loop）機制實現(xiàn)螺旋上升式的知識積累。

2.2 JiTT模式在C語言教學(xué)中的運用

針對C語言的教學(xué)內(nèi)容，將JiTT模式應(yīng)用于C語言教學(xué)中，具體可以分為以下幾步。

（1）課前預(yù)習(xí)階段。主要的是語法規(guī)則的引入，使學(xué)生明晰新課內(nèi)容涉及的語法規(guī)則，這是C語言入門的基礎(chǔ)知識部分。例如對于循環(huán)語句for，事先引入語法規(guī)則，并強調(diào)循環(huán)條件中分號的作用。

（2）課堂教學(xué)階段。這一階段包括C語言語法規(guī)則的階段和教師基本編程技巧的傳授，例如先介紹for循環(huán)嵌套中語法規(guī)則及注意事項，再給出循環(huán)嵌套實現(xiàn)九九乘法表的程序?qū)嵗渲幸舶▽τ趯W(xué)生計算思維方式的啟發(fā)。

（3）課后難題探究階段。這一階段是本文強調(diào)的計算思維提升訓(xùn)練階段。例如結(jié)合C語言中的兩個經(jīng)典習(xí)題——打印輸出九九乘法表和利用*打印輸出菱形，可以提出這樣的新問題，在屏幕上打印輸出菱形范圍內(nèi)的九九乘法表。學(xué)生在解決問題的過程中需要利用計算思維，對問題進行拆解，將復(fù)雜問題分解為若干不那么復(fù)雜的兩個熟悉的子問題——九九乘法表和輸出菱形。然后子問題還可以再分解為更小的子問題，最后應(yīng)用for循環(huán)嵌套和if else分支語句。

3 C語言教學(xué)中培養(yǎng)計算思維

3.1 基于JiTT模式的C語言循環(huán)反饋教學(xué)過程設(shè)計

通過前述分析，將JiTT模式應(yīng)用在C語言教學(xué)中，對學(xué)生計算思維的訓(xùn)練提升具有可行性和可操作性，因此針對培養(yǎng)學(xué)生計算思維方式，可提出一個可操作的基于JiTT模式的C語言教學(xué)設(shè)計方案。該設(shè)計方案實現(xiàn)將課堂與網(wǎng)絡(luò)媒介相結(jié)合、學(xué)生自主學(xué)習(xí)反饋與教師響應(yīng)反饋相結(jié)合，融入了C語言教學(xué)中的知識要點，并明確了整個教學(xué)過程中學(xué)生計算思維相關(guān)能力的提升過程，見圖1。

3.2 JiTT模式實施過程中的反思

對于以上教學(xué)過程設(shè)計，我們在C語言教學(xué)中加以實踐，取得了良好的效果，但也存在一些需要反思的問題。

圖1 基于JiTT模式的C語言循環(huán)反饋教學(xué)過程

（1）課程資源的合理選擇問題。經(jīng)過前期教學(xué)實踐及調(diào)研表明，一方面，雖然目前大部分高校具有成熟的課程資源支撐軟件平臺，但是后期課程資源的建設(shè)往往滯后，對于JiTT模式的實施，課程資源建設(shè)工作是一個需要長期堅持的過程，需要保持連續(xù)性。另一方面，對于C語言課前預(yù)習(xí)階段和課后難題探究階段的課程資源必須進行合理選擇，這對于計算思維的提升非常重要，尤其是難題探究階段題目篩選需要有具體的可操作的指導(dǎo)原則，實踐中往往需要課程組教師合力完成。

（2）JiTT模式的實施步驟雖然簡單，但是在教學(xué)過程中需要教師投入非常大的精力，包括進行教學(xué)過程的設(shè)計及實施、收集統(tǒng)計學(xué)生的反饋信息、與學(xué)生及時的互動等，因此對于整個課程內(nèi)容完全實施JiTT模式不具有可操作性，也沒有必要。實踐中可以選擇C語言教學(xué)中的重點、難點，如前述提到的嵌套for循環(huán)部分，有選擇地實施JiTT模式，實現(xiàn)計算思維能力的提升。

需要強調(diào)的是，計算思維的培養(yǎng)是一個循序漸進的過程，這里只給出了一個具體的、有針對性的執(zhí)行方案，實踐中需要教師在C語言的整個教學(xué)過程中潛移默化地影響學(xué)生，才能在學(xué)生初學(xué)編程語言的時候形成良好的思維方式。

4 結(jié) 語

在非計算機專業(yè)的C語言教學(xué)中，脫離了已經(jīng)學(xué)習(xí)過的程序架構(gòu)，學(xué)生不會靈活地綜合運用，學(xué)習(xí)效果差強人意，筆者分析認為主要由于計算思維的訓(xùn)練不足。JiTT模式是一種操作性較好的基于建構(gòu)主義的教學(xué)模式，可在C語言的教學(xué)中引入該教學(xué)模式。但是由于JiTT模式只給出了一個簡單的框架，并沒有涉及教學(xué)實施中的很多細節(jié)。針對C語言教學(xué)中計算思維的培養(yǎng)，我們給出了細化的實施方案，通過JiTT模式的循環(huán)反饋機制，使學(xué)生實現(xiàn)從概念語法學(xué)習(xí)上升到適合計算機編程的邏輯思維訓(xùn)練。JiTT模式的實施步驟雖然簡單，但是在前期需要教師投入非常大的精力，要保證實施的連續(xù)性。一個學(xué)期的課程學(xué)習(xí)，僅僅能實現(xiàn)計算思維的引入，C語言的深入學(xué)習(xí)需要不斷編程實踐才能得到計算思維能力的真正提升。