融入計算思維的C語言程序設(shè)計教學(xué)探究

李唐輝

摘? 要： 計算思維是21世紀(jì)大學(xué)生應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力，C語言程序設(shè)計課程教學(xué)在計算思維的培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。探究C語言程序設(shè)計課程在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，融入計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，把計算思維的培養(yǎng)融入到教學(xué)中。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，融入計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式提高了學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，同時培養(yǎng)了計算思維能力。

關(guān)鍵詞： C語言程序設(shè)計; 計算思維; 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式; 教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）05-77-03

Abstract： Computational thinking is a must-have quality and ability for college students of the 21st century. C language programming course teaching plays an important role in the cultivation of computational thinking. This paper explores the task-driven teaching mode with computational thinking on the basis of traditional teaching mode， in order to integrate the cultivation of computational thinking into the teaching. Compared with the traditional teaching mode， the task-driven teaching mode with computational thinking improves the learning interest and learning effect， and cultivates the computational thinking ability.

Key words： C language programming; computational thinking; task-driven teaching mode; teaching reform

0 引言

計算思維是所有大學(xué)生21世紀(jì)都應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力，“C語言程序設(shè)計”是普通本科高校的一門計算機(jī)基礎(chǔ)課程，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)大學(xué)生的程序設(shè)計能力和培養(yǎng)計算思維的任務(wù)。

筆者發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)C語言程序設(shè)計課程的教學(xué)過程中存在以下問題：一是教學(xué)過程中主要由教師講解，學(xué)生處于被動的學(xué)習(xí)狀態(tài);二是教師講解完理論知識后由學(xué)生完成固定的實驗內(nèi)容，沒有發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，其解決問題的能力和主動思考的能力沒有得到提高;三是教師在理論教學(xué)和實踐教學(xué)中以語法和編碼為主，忽略了算法分析和思維能力的訓(xùn)練，學(xué)生的思路受到限制，不清楚該門課程在專業(yè)上的作用，學(xué)習(xí)動力不足，導(dǎo)致教學(xué)效果不夠理想。

本文提出在C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中融入計算思維的培養(yǎng)，是C語言程序設(shè)計課程改革的一個重要方向，也是這門課程教學(xué)的核心任務(wù)之一。

1 計算思維

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授首次提出了計算思維（Computational Thinking）。周教授認(rèn)為：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。隨著這一概念的提出，立刻引起包括美國、英國各界的關(guān)注和支持，美國計算機(jī)協(xié)會（ACM）2008年在網(wǎng)上明確公布將“計算思維”與“計算機(jī)導(dǎo)論”課程綁定在一起。在國內(nèi)，也掀起了計算思維培養(yǎng)的浪潮，2008年10月31日，我國高等學(xué)校計算機(jī)教育研究會在桂林召開了關(guān)于“計算思維”與“計算機(jī)導(dǎo)論”專題學(xué)術(shù)研究會[1]。出席會議的近百位專家都來自于80多所高校，共同探討如何以課程為載體培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)W科的計算思維方法。

隨著信息科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，特別是互聯(lián)網(wǎng)和Cyberspace應(yīng)用的不斷深化，計算思維將成為我們時代思維的主要方式和手段[4]。在21世紀(jì)，計算思維同“讀、寫、算”一樣，成為素質(zhì)教育的一部分，是必須具備的基本技能[2]。然而，計算機(jī)思維的培養(yǎng)比培養(yǎng)“讀、寫、算”困難得多，思維的形成是一個長期培養(yǎng)的結(jié)果[5]，不能一蹴而就，這就需要把計算思維的訓(xùn)練融入到教學(xué)過程中，通過長期的模擬訓(xùn)練，讓學(xué)生具備并提高計算思維能力。

2 融入計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式在C語言程序設(shè)計教學(xué)中的實踐

融入計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式以學(xué)習(xí)者為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程必須與學(xué)習(xí)任務(wù)相結(jié)合，通過完成任務(wù)來激發(fā)和維持學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的興趣和動機(jī)[3]。在任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式中，教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體，任務(wù)是核心。計算思維利用啟發(fā)式推理來分析問題、找出解決問題的方法和途徑。而C語言程序設(shè)計課程正好符合把計算思維融入到任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式中培養(yǎng)計算思維的條件。

計算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合[1，3]。在C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中，把與專業(yè)相關(guān)的簡單工程問題引入到教學(xué)案例中，不僅學(xué)習(xí)了程序設(shè)計的基本語法，也體現(xiàn)了該課程在專業(yè)中的作用，同時通過解決工程問題的過程訓(xùn)練學(xué)生的計算思維。順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計是學(xué)習(xí)程序設(shè)計的入門內(nèi)容，是學(xué)習(xí)后續(xù)復(fù)雜程序設(shè)計的基礎(chǔ)，學(xué)生初步學(xué)會用計算機(jī)程序去解決問題。下面是筆者就C語言程序設(shè)計的順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計，使用融入計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模型（TDTMCT）來實施教學(xué)的過程。教學(xué)過程分為以下六個階段。

⑴ 師生課前準(zhǔn)備

教學(xué)者進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，包括教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)任務(wù)和教學(xué)過程的設(shè)計，收集教學(xué)材料;學(xué)習(xí)者清楚教學(xué)內(nèi)容為順序結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計，在前期已經(jīng)完成數(shù)據(jù)類型和輸入輸出語句的學(xué)習(xí)，預(yù)習(xí)順序結(jié)構(gòu)程序的相關(guān)知識。

⑵ 設(shè)計任務(wù)

基于計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式中任務(wù)是核心，教學(xué)者使用計算思維的一系列方法設(shè)計課程任務(wù)，同時做好教學(xué)準(zhǔn)備。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容為順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計，結(jié)合前面的準(zhǔn)備，設(shè)計任務(wù)：求建筑物的高度，具體描述為在工程測量建筑物高度時，首先測出建筑物在太陽照耀下的影子長度m，再通過測角儀測出影子末端與建筑物的仰角的角度a，根據(jù)測量的結(jié)果計算建筑物的高度。教學(xué)過程圍繞這個任務(wù)，教師引導(dǎo)學(xué)生把工程問題逐步約簡為數(shù)學(xué)問題，分析出已知和未知的問題、再確定如何求解。

⑶ 呈現(xiàn)任務(wù)

教師利用計算思維的方法把任務(wù)呈現(xiàn)給學(xué)生。先把問題用圖示的方式給出來，讓學(xué)生把工程任務(wù)約簡為數(shù)學(xué)問題：已知直角三角形的一條直角邊長度和鄰角，求另一條直角邊的長度;再約簡為三角函數(shù)公式：H=L*tag（a），就成了一個簡單的計算問題。呈現(xiàn)給學(xué)生的任務(wù)就成了：新建一個程序，輸入測量的影子長度和仰角的角度，求建筑物的高度。 把任務(wù)呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者后，學(xué)習(xí)者根據(jù)任務(wù)進(jìn)行教學(xué)，建立小組（建議2人一組），確定任務(wù)并進(jìn)行分工。

⑷ 實施任務(wù)

在任務(wù)實施過程中，首先講演一個程序新建、構(gòu)成和基本結(jié)構(gòu);然后引導(dǎo)學(xué)生分析任務(wù)中哪些是已知信息（數(shù)據(jù)輸入）、完成什么樣的運(yùn)算（數(shù)據(jù)加工處理）、哪些是由計算機(jī)告訴用戶的結(jié)果信息（數(shù)據(jù)輸出）、具體如何實現(xiàn);再引導(dǎo)小組分析討論并完成程序的編寫和調(diào)試，老師給出一組數(shù)據(jù)，一人用數(shù)學(xué)方式給出數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算，另一個同學(xué)用程序來得出結(jié)果，兩個同學(xué)比較看誰是正確的，如果都是正確的看誰更快，如果程序運(yùn)算的結(jié)果不正確，一起找出問題并修改，直到正確為止;最后再給出另一組數(shù)據(jù)，兩位同學(xué)再分別用人工計算和用計算機(jī)程序計算，再進(jìn)行比較，看誰算得又快又準(zhǔn)。

⑸ 總結(jié)評價

在教學(xué)任務(wù)完成之后，運(yùn)用計算機(jī)思維的遞推方式對整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行概括、交流、分享學(xué)習(xí)心得和程序編寫過程中的注意事項。

⑹ 反思內(nèi)化

反思內(nèi)化過程是融入計算思維的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式的核心環(huán)節(jié)，在完成上述過程后，通過思考、課后實踐等方式引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行思考、實踐，并在這個過程中自行歸納出對類似問題的程序編寫方法和實現(xiàn)步驟，完成知識到能力的轉(zhuǎn)化。通過反思內(nèi)化，學(xué)生對這鞏固部分知識，清楚這些知識的應(yīng)用領(lǐng)域，會用這些知識去解決相關(guān)的問題。

這只是一個融入了計算思維的順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的教學(xué)設(shè)計，利用基于計算思維的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模型TDTMCT，教學(xué)者與學(xué)習(xí)者圍繞任務(wù)這根主線進(jìn)行教與學(xué)。在教學(xué)者設(shè)計任務(wù)、呈現(xiàn)任務(wù)、實施任務(wù)、總結(jié)評價，學(xué)習(xí)者明確任務(wù)、完成任務(wù)、共享交流的過程中完成學(xué)習(xí)[3]。學(xué)習(xí)者用明確任務(wù)，運(yùn)用任務(wù)驅(qū)動的方式完成新知識的學(xué)習(xí)，并通過不斷的交流探究問題的實質(zhì)，并通過最后的總結(jié)評價、反思內(nèi)化進(jìn)行評價和反思，完成學(xué)習(xí)的同時感受學(xué)習(xí)的快樂和成就。計算思維采用了抽象和分解來迎接龐雜的任務(wù)或者設(shè)計巨大復(fù)雜的系統(tǒng)，這與結(jié)構(gòu)化程序中的模塊化程序設(shè)計思路一致[1]，在C語言程序設(shè)計課程中可以很好的把融入計算思維教學(xué)模式應(yīng)用到教學(xué)中，在培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計能力同時實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)。

3 結(jié)束語

把計算思維的理念融入到C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中，把學(xué)生從枯燥的語法學(xué)習(xí)和規(guī)則學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到用計算機(jī)程序設(shè)計解決實際問題中，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，通過解決問題或完成一個實際任務(wù)，提高了學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的成就感，學(xué)生自覺地用計算機(jī)思維來解決遇到的問題，綜合素質(zhì)也有所提升。計算思維的培養(yǎng)是一個長期的過程，如何更好的培養(yǎng)計算思維，還需要在教學(xué)中不斷的探索。

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