基于RAPTOR和計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課堂教學(xué)研究

酈麗 沈應(yīng)兄

摘要：計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論課程是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)類學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑。目前多數(shù)高校采用靜態(tài)流程圖和偽代碼的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，存在知識(shí)點(diǎn)古板，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差。本文結(jié)合計(jì)算思維和RAPTOR的特點(diǎn)，針對(duì)學(xué)生對(duì)流程圖仿真方式的接受能力強(qiáng)，以RAPTOR作為學(xué)習(xí)工具，通過師生配合，學(xué)生主動(dòng)參與解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論;RAPTOR

引言

1972年，圖靈獎(jiǎng)得主Edsger Dijkstra曾說過：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻地影響我們的思維能力?！痹趥鹘y(tǒng)《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》的教學(xué)中，老師主要傾向于對(duì)一些計(jì)算機(jī)方面知識(shí)、算法方面的介紹，學(xué)生也未能認(rèn)識(shí)到本課程在后續(xù)學(xué)習(xí)中的重要性。RAPTOR是仿真環(huán)境，能把靜態(tài)的算法在學(xué)生沒有大多編寫代碼能力的前提下，把每個(gè)算法真正的用來解決實(shí)際問題，讓大一新生感受到編程的魅力。

1、計(jì)算思維與“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”課程的關(guān)系

1.1計(jì)算思維的概念

2006年3月美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授…在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊Communications of the ACM上對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行如下定義：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)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

1.2 RAPTOR

RAPTOR是the Rapid Algorithmic Prototyping Tool forOrdered Reasoning的縮寫，中文名稱是用于有序推理的快速算法原型工具。RAPTOR提供了一種可視化編程環(huán)境，為程序和算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程的教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本文作者在長(zhǎng)期的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的大一新生從小學(xué)開設(shè)信息技術(shù)課程，經(jīng)歷了初中、高中的計(jì)算機(jī)方面知識(shí)的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生仍然不具備熟練的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。另外《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程中涉及大量的算法問題，如：哥尼斯堡七橋問題、旅行商問題、漢諾塔問題等，這些都需要學(xué)生在理解問題的基礎(chǔ)上，通過對(duì)程序代碼的編寫去驗(yàn)證算法，從而讓學(xué)生獲得算法訓(xùn)練，為后續(xù)程序類課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。原本《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程中，我們大多使用靜態(tài)流程圖的方式，給學(xué)生講解各類算法問題，或者有些高校使用偽代碼進(jìn)行基礎(chǔ)算法訓(xùn)練，這樣的實(shí)訓(xùn)都是靜態(tài)的，學(xué)生無法真實(shí)體驗(yàn)到編程帶來的樂趣。將RAPTOR引入大一新生的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程，使用流程圖仿真方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)，學(xué)生們表現(xiàn)出很大的興趣和高漲的熱情。

RAPTOR的特點(diǎn)：

編程語言簡(jiǎn)單。RAPTOR仿真環(huán)境中一共只有6種語言，（1）賦值語句，是指給一個(gè)變量賦值，變量在使用前不需要申明變量的類型等，如給變量×賦值為3，則可以寫作x=3;（2）輸入語句，是指從鍵盤給一個(gè)變量輸入值，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的過程，主要有輸入提示和輸入變量?jī)刹糠纸M成，如從鍵盤給變量x輸入一個(gè)值，可以直接設(shè)置輸入提示為“input a numbertox：”，或者輸入提示也可以忽略不寫，輸入變量直接寫×即可;（3）輸出語句，是指從計(jì)算機(jī)中仿真運(yùn)行的結(jié)果顯示在屏幕上;（4）選擇語句，是指根據(jù)條件真假選擇不同的執(zhí)行分支。（5）循環(huán)語句，是指根據(jù)條件真假循環(huán)執(zhí)行循環(huán)體語句。（6）調(diào)用，是指調(diào)用函數(shù)和子程序。

運(yùn)算功能強(qiáng)大。RAPTOR仿真環(huán)境中一共有1 8種運(yùn)算符，有算術(shù)運(yùn)算符，如+，一，*，/等，有關(guān)系運(yùn)算符，如>=，>，<，<=等，有邏輯運(yùn)算符，如與、或、非等。

數(shù)據(jù)類型豐富。RAPTOR仿真環(huán)境中有數(shù)值型、字符串、字符、一維、二維數(shù)組，滿足大部分算法需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)化控制語句。

2、基于RAPTOR的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)模型

2.1計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課堂的教學(xué)目標(biāo)

1985年，ACM和IEEE-CS開始對(duì)“計(jì)算作為一門學(xué)科”的存在性證明，報(bào)告認(rèn)為：“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”課程應(yīng)該要培養(yǎng)大學(xué)生面向?qū)W科的思維能力，讓學(xué)生能夠領(lǐng)悟?qū)W科的力量以及從事本學(xué)科工作的價(jià)值所在。報(bào)告希望該課程能類似于數(shù)學(xué)那樣嚴(yán)密的方式將學(xué)生引入計(jì)算學(xué)科各個(gè)富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域中。

2.2基于RAPTOR的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課堂教學(xué)模型

傳統(tǒng)的教學(xué)模式：導(dǎo)人課程的理論知識(shí)，分析講解問題的實(shí)現(xiàn)過程?；A(chǔ)知識(shí)抽象難于理解，學(xué)生只能被動(dòng)地接受，很少能主動(dòng)參與整個(gè)教學(xué)過程，無法體驗(yàn)解決問題的思維過程。例如：遞歸是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一種重要的解決問題的方法。遞歸是指一種（或多種）簡(jiǎn)單的基線條件定義的一類對(duì)象或方法，并規(guī)定其他所有情況都能被還原為基線條件。遞歸的魅力在于用有限的語句未定義對(duì)象的無限集合。估計(jì)這樣的理論導(dǎo)人后，學(xué)生都已經(jīng)完全蒙圈，老師到底要講什么？遞歸能解決什么實(shí)際問題？如何去解決呢？我認(rèn)為大多數(shù)學(xué)生在計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程中，只是算法知識(shí)的普及，計(jì)算思維的培養(yǎng)，并非高深的學(xué)術(shù)研究，我們的教學(xué)應(yīng)該盡量避免抽象理論，讓學(xué)生主動(dòng)參與問題的解決過程中，從而培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的能力，如圖1所示，我們給出了基于RAPTOR的《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程學(xué)習(xí)模型。

2.3 RAPTOR對(duì)于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)案例

遞歸算法的典型案例——漢諾塔問題（又稱河內(nèi)塔）問題是源于印度一個(gè)古老傳說的益智玩具。大梵天創(chuàng)造世界的時(shí)候做了三根金剛石柱子（假設(shè)三根柱子分別標(biāo)號(hào)為：x，y，z），在一根柱子上從下往上按照大小順序摞著64片黃金圓盤。大梵天命令婆羅門把圓盤從下面開始按大小順序重新擺放在另一根柱子上。并且規(guī)定，在小圓盤上不能放大圓盤，在三根柱子之間一次只能移動(dòng)一個(gè)圓盤。主要的學(xué)習(xí)過程圖2所示。

首先，教師創(chuàng)設(shè)情境，提出問題。學(xué)生利用手機(jī)“漢諾塔”小游戲，積極參與到解決問題的過程中，分別記錄下移動(dòng)1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)……圓盤的過程，隨著移動(dòng)的圓盤數(shù)目增加，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)解決問題的過程越來越復(fù)雜，直到大部分學(xué)生都無法完成圓盤的移動(dòng)。

其次，老師輔導(dǎo)學(xué)生，抽象描述問題。當(dāng)盤子數(shù)目比較多的時(shí)候，問題比較復(fù)雜，我們先從簡(jiǎn)單的情況開始分析。（1）如果移動(dòng)1個(gè)盤子，只需要一步，直接把盤子從x移動(dòng)到z即可。（2）如果移動(dòng)2個(gè)盤子，我們需要移動(dòng)三步：x上的小盤子移動(dòng)到y(tǒng);x上的大盤子移動(dòng)到z;y上的小盤子移動(dòng)到z。如果N比較大時(shí)，我們考慮能否將復(fù)雜的移動(dòng)過程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的移動(dòng)過程，即：要把x上最大的圓盤移動(dòng)到z，必須先把N-l個(gè)圓盤移動(dòng)從x移到y(tǒng)上。按照這樣的思路，我們抽象描述出移動(dòng)N個(gè)圓盤的移動(dòng)依次為：把x上N-l個(gè)圓盤移動(dòng)到y(tǒng)上;把x上最大的圓盤移動(dòng)到z上;把y上N-l個(gè)圓盤移動(dòng)到z上。其中N-l個(gè)盤子的移動(dòng)過程又可以按照同樣的方法解決，這樣的移動(dòng)過程就是遞歸的過程，直到最后只剩下一個(gè)圓盤，就是N=l時(shí)遞歸程序中的“基線條件”為真，按照移動(dòng)一個(gè)圓盤從x到z的方法移動(dòng)。

然后，學(xué)生使用RAPTOR軟件，繪制main和move子程序流程圖，如圖3，圖4所示。

最后，RAPTOR仿真運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。學(xué)生交流討論，完善思維方法，完成設(shè)計(jì)報(bào)告。

至此，根據(jù)基于RAPTOR的《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程學(xué)習(xí)模型我們完成了。

3、評(píng)價(jià)與總結(jié)

在《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程中對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行培訓(xùn)，目前處于探索階段，2017年第一學(xué)期在我校300名大一新生中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性教學(xué)，效果非常好，學(xué)生們積極參與到教學(xué)活動(dòng)中來，經(jīng)過兩個(gè)月的仿真訓(xùn)練，有半數(shù)學(xué)生主要跟上課老師提出要學(xué)習(xí)寫代碼，并利用中國(guó)慕課網(wǎng)提前學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計(jì)，其中有一名同學(xué)通過自學(xué)以優(yōu)秀的成績(jī)通過了國(guó)家計(jì)算機(jī)二級(jí)C語言。本文遞歸算法——漢諾塔問題，利用RAPTOR仿真環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維能力獨(dú)立學(xué)習(xí)、獨(dú)立解決實(shí)際問題，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)生做好了一定的鋪墊作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]WING J M. Communications of the ACM.2006（3）：33-35.

[2]戰(zhàn)德臣，聶蘭順計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革的基本思路.中 國(guó)大學(xué)教學(xué).2013年第2期

[3]林旺，孫洪濤.基于軟件應(yīng)用的計(jì)算思維能力培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì).中國(guó) 電化教育.2014（11）：12 2-126