基于計(jì)算思維的X-Program 新工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李駿揚(yáng)

（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

計(jì)算思維是一種人類通過計(jì)算機(jī)解決問題的思維模式，計(jì)算思維不是計(jì)算機(jī)的思維，而是人類面向計(jì)算機(jī)，選擇合適的方式陳述一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法[1]。在大學(xué)一年級的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程中，計(jì)算思維的培養(yǎng)已經(jīng)成為一種主流[2]。

理工科學(xué)生在計(jì)算機(jī)語言入門的學(xué)習(xí)中會(huì)遇到很多的困難。學(xué)生在編寫第一個(gè)可以運(yùn)行的程序前，其需要掌握的前置語法知識(shí)包括編譯預(yù)處理、變量定義、運(yùn)算符、表達(dá)式、程序結(jié)構(gòu)等。此外，學(xué)生還必須對計(jì)算機(jī)處理問題的方式有所理解，對算法有所理解。眾多前置知識(shí)的學(xué)習(xí)往往會(huì)導(dǎo)致兩方面的問題：首先，在前置學(xué)習(xí)中方向不明，容易喪失學(xué)習(xí)的興趣；其次，后期的學(xué)習(xí)中，任何前置知識(shí)掌握得不牢固，都會(huì)導(dǎo)致編寫程序中出現(xiàn)各種困難，降低學(xué)習(xí)的效率。

基于計(jì)算思維和可執(zhí)行程序框圖的計(jì)算機(jī)語言入門教學(xué)模式是一種全新的教學(xué)模式，它有助于大學(xué)一年級學(xué)生轉(zhuǎn)變思維方式，暫時(shí)屏蔽繁復(fù)語法的干擾，專心于計(jì)算思維與算法的學(xué)習(xí)，并從算法基本邏輯出發(fā)，逐步過渡到C/C++等語言的學(xué)習(xí)。

1 計(jì)算機(jī)語言入門教學(xué)

1.1 C/C++語言

C 和C++語言是目前理工科專業(yè)最為普遍采用的計(jì)算機(jī)入門語言，C 語言面向底層，C++具有面向?qū)ο蟮奶卣?，既兼顧自?dòng)化、信息、電子等專業(yè)對硬件底層編程的要求，又能夠應(yīng)對圖像處理、控制方法設(shè)計(jì)、信息處理等算法實(shí)現(xiàn)[3]，C++也可以面向桌面，但在移動(dòng)終端、Web 的上層系統(tǒng)編程中就力不從心了。

然而，在教學(xué)中，C 和C++語言卻具有兩面性。一方面，C 和C++面向底層的特性，對指針和內(nèi)存的操作，極好地揭示了計(jì)算機(jī)處理問題的方式，從另一個(gè)側(cè)面展示了程序設(shè)計(jì)的魅力，學(xué)生在精通C 和C++之后，一般都可以輕松學(xué)習(xí)其他的語言；另一方面，過多的新特性的堆積，過多的需要編程者親歷親為且不可疏漏的操作，給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來了巨大的困難。

1.2 Python

Python 語言目前在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)過程中越來越流行，無論是大學(xué)一年級的計(jì)算機(jī)語言入門，還是在中學(xué)生的計(jì)算機(jī)語言教學(xué)中，Python語言越來越廣泛地在教學(xué)中進(jìn)行使用[4]。

Python 語言的優(yōu)勢在于語法簡單，可集成性強(qiáng)，但是Python 語言依然無法擺脫語法的束縛，依然需要較多的前置學(xué)習(xí)。

另外，針對理工科學(xué)生，特別是自動(dòng)化、電子、信息類專業(yè)的理工科學(xué)生來說，Python太多地隱藏了計(jì)算機(jī)底層的處理方式，在學(xué)習(xí)Python 語言之后，面對C 和C++語言依然有諸多困難。

1.3 圖形化編程平臺(tái)

圖形化編程平臺(tái)目前廣泛使用在青少年編程教育和一些行業(yè)應(yīng)用中。早期的圖形化編程平臺(tái)主要以流程圖的方式展現(xiàn)，如LabView，還有筆者為微波儀器計(jì)量機(jī)構(gòu)開發(fā)的計(jì)量自動(dòng)測試系統(tǒng)。這類軟件平臺(tái)針對的用戶群是某行業(yè)的專業(yè)人士，用戶特點(diǎn)是對本行業(yè)極為精通，但是缺乏專業(yè)代碼能力，因此采用流程圖等圖像化形式快速組態(tài)其需要完成的工程任務(wù)[5]。這類軟件早期也在青少年的編程學(xué)習(xí)中出現(xiàn)，如樂高的RTX系統(tǒng)（基于LabView），但此后都被基于程序框圖的EV3 圖形化編程平臺(tái)所替代。

流程圖的優(yōu)勢在于對順序的直觀展現(xiàn)，但是在面對條件和循環(huán)時(shí)，卻不如N/S 圖等程序框圖表達(dá)那樣具有結(jié)構(gòu)性。目前，面向青少年的編程平臺(tái)大多采用類似N/S 圖的框圖編程。在機(jī)器人領(lǐng)域，比較典型的編程平臺(tái)有樂高的NXT和EV3 平臺(tái)、VEX 的RQ 機(jī)器人編程平臺(tái)等。在通用編程領(lǐng)域，目前使用最廣泛的是MIT 的Scratch 平臺(tái)，國內(nèi)也有大量模仿或嵌套Scratch的編程平臺(tái)，如Hopscotch、Mixly、網(wǎng)易卡卡、編程貓等[6]。但是，我們在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，純圖形化編程平臺(tái)雖然可以將編程思維導(dǎo)向程序邏輯的思考，但是依然存在以下問題：

第一，為適合青少年的學(xué)習(xí)，大多數(shù)圖形化語言界面有低幼化的傾向，其編程界面不適合面向大學(xué)一年級的學(xué)生使用。

第二，對數(shù)學(xué)表達(dá)式的處理過于復(fù)雜，并盡可能避免出現(xiàn)數(shù)學(xué)表達(dá)。由于這些編程平臺(tái)過于游戲化，因此展現(xiàn)算法的能力有限。學(xué)生在轉(zhuǎn)入高級語言學(xué)習(xí)時(shí)依然會(huì)遇到算法的瓶頸。

第三，主要功能的實(shí)現(xiàn)依靠調(diào)用和拼搭，而不是對算法的深入思考，不適合培養(yǎng)具有獨(dú)立思考能力的科研與工程人才。

第四，缺乏程序調(diào)試的手段，面對程序運(yùn)行的錯(cuò)誤，只能靠“看”，而不是單步跟蹤、內(nèi)存檢查等常有的程序調(diào)試方法。

第五，從教學(xué)的角度，這些工具大多缺乏從圖形化語言到普通計(jì)算機(jī)的銜接，由于圖形化編程平臺(tái)的簡易性，部分學(xué)生在面對普通計(jì)算機(jī)語言時(shí)會(huì)顯得畏懼不敢嘗試。

2 可執(zhí)行框圖X-Program

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與教學(xué)目標(biāo)結(jié)合

為了更好地結(jié)合教學(xué)，筆者自主設(shè)計(jì)了X-Program 可執(zhí)行的程序框圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)以教學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，并具有以下特點(diǎn)：

第一，系統(tǒng)采用N/S 框圖的方式展現(xiàn)程序，程序的結(jié)構(gòu)直觀清晰。

第二，系統(tǒng)能夠展現(xiàn)內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠通過十進(jìn)制、十六進(jìn)制和二進(jìn)制等多種方式查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

第三，系統(tǒng)能夠單步跟蹤，能夠設(shè)置斷點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在運(yùn)行中對程序的調(diào)試。

第四，對表達(dá)的處理，既可以采用手動(dòng)書寫的模式，讓學(xué)生逐步理解計(jì)算機(jī)中表達(dá)的書寫形式，亦可以直接展示成數(shù)學(xué)公式的形式，但不采用Scratch 用積木組合的形式。

第五，系統(tǒng)可以將偽碼翻譯為常用的計(jì)算機(jī)語言，包括C、C++、Java、Basic、Python、Pascal 等。

2.2 基礎(chǔ)程序模塊

程序設(shè)計(jì)的首要問題是程序的“過程性”，以及每個(gè)步驟的“標(biāo)準(zhǔn)化”。X-Program 面向剛?cè)腴T的學(xué)生，采用了一些最基本的步驟和模塊，來展現(xiàn)程序的過程，這些基本模塊包括：

表達(dá)式：書寫一個(gè)可賦值的表達(dá)式

創(chuàng)建數(shù)組：設(shè)定一個(gè)固定長度的數(shù)組

如果：條件語句

計(jì)數(shù)循環(huán)：通過計(jì)數(shù)變量的循環(huán)語句

條件循環(huán)：符合條件則循環(huán)

跳出循環(huán)：結(jié)束并跳出循環(huán)

輸入：輸入語句

輸出：輸出語句

通過這些模塊，就可以非常方便地編寫出大部分C 和C++語言所可以書寫的入門程序。

由這些基礎(chǔ)模塊構(gòu)成的程序如圖1 所示。

2.3 內(nèi)存的展示

在程序設(shè)計(jì)的過程中，存儲(chǔ)器的訪問與程序的過程同等重要。X-Program 采用了三種方式來展示運(yùn)行中的內(nèi)容，包括十進(jìn)制模式、十六進(jìn)制模式和二進(jìn)制模式。

圖2 展示了十進(jìn)制和十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式，其中在十六進(jìn)制中，自動(dòng)區(qū)分了整數(shù)與浮點(diǎn)的整數(shù)表達(dá)。

圖1 求2～1 000 質(zhì)數(shù)的程序示例

圖2 十進(jìn)制和十六進(jìn)制內(nèi)存展示

在二進(jìn)制模式下，系統(tǒng)將根據(jù)自動(dòng)區(qū)分整數(shù)和浮點(diǎn)，并展示出不同數(shù)據(jù)在二進(jìn)制中的表達(dá)。在圖3 中，分別展示了布爾型數(shù)據(jù)、整型和雙精度浮點(diǎn)的二進(jìn)制表達(dá)。

圖3 布爾型、整型和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制內(nèi)存展示

2.4 單步跟蹤與調(diào)試

X-Program 支持一步一步地來運(yùn)行程序，每一步的運(yùn)行，程序都會(huì)自動(dòng)展示出當(dāng)前內(nèi)存的情況，并顯著地標(biāo)出當(dāng)前運(yùn)行的步驟，如圖4 所示。

于此同時(shí)，X-Program 也支持設(shè)定斷點(diǎn)，程序運(yùn)行到某個(gè)斷點(diǎn)步驟時(shí)將自動(dòng)暫停。另外，當(dāng)程序運(yùn)行暫停時(shí)，X-Program 支持對程序的修改，并即刻生效。

圖4 X-Program 單步跟蹤（包括當(dāng)前程序，正在運(yùn)行（暫停）的步驟，當(dāng)前內(nèi)存，以及當(dāng)前輸出的內(nèi)容）

2.5 程序的翻譯

X-Program 為了方便學(xué)生未來從圖像化程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向普通的文本程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了將框圖程序翻譯成常用計(jì)算機(jī)語言程序，包括C、C++、C#、Java、Basic、Python、Pascal 等。

圖5 和圖6 中展示了X-Program 翻譯成C++語言和Python 語言的結(jié)果。

圖5 X-Program 翻譯為C++程序，并相互對比

圖6 X-Program 翻譯為Python 程序，并相互對比

3 課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 與在線教學(xué)的融合

以X-Program 為工具的在線開放課程（MOOC）“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——發(fā)現(xiàn)計(jì)算之美”，已經(jīng)在中國大學(xué)慕課上線，目前完整實(shí)施了兩輪教學(xué)。該課程的主要學(xué)習(xí)目標(biāo)為：能夠描述并設(shè)計(jì)常用的程序設(shè)計(jì)算法，運(yùn)用多種程序的基本結(jié)構(gòu)，靈活調(diào)度存儲(chǔ)，構(gòu)建基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分解復(fù)雜問題，并能夠通過X-Program 編寫中小規(guī)模的代碼，解決學(xué)生在高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理等一年級課程中所涉及的一些問題。

該MOOC 教學(xué)安排見表1。

表1 X-Program 線上慕課教學(xué)安排

在教學(xué)設(shè)計(jì)中，提倡使用案例式的教學(xué)，而非傳統(tǒng)的從知識(shí)點(diǎn)出發(fā)逐一講解。案例教學(xué)中，從提出案例或問題出發(fā)，對問題進(jìn)行分析，然后引出要使用或?qū)W習(xí)的新知識(shí)點(diǎn)，然后運(yùn)用新知識(shí)點(diǎn)來完成程序的設(shè)計(jì)，并在課程的最后回到案例中來，對程序解決問題的效果、執(zhí)行的效率進(jìn)行進(jìn)一步分析，或提出改進(jìn)意見，或進(jìn)行應(yīng)用拓展。

X-Program 工具的下載，在該在線開發(fā)課程第一單元第四課時(shí)“附A：X-Program 的下載與安裝”。

3.2 線上線下混合式教學(xué)的開展

該MOOC 在設(shè)計(jì)中，充分考慮線上線下混合式教學(xué)[7]的實(shí)施，不僅安排了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也對教學(xué)的實(shí)施進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明與建議。

為了有效銜接學(xué)生未來C/C++等語言的學(xué)習(xí)，建議對X-Program 的混合式教學(xué)分3 個(gè)階段組成。

第一階段，計(jì)算思維入門，結(jié)合慕課第一第二單元，從學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)凝練程序運(yùn)行的原理與邏輯本質(zhì)，與中學(xué)數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)辨析程序的計(jì)算步驟與數(shù)學(xué)表達(dá)的異同。

第二階段，基礎(chǔ)算法入門，結(jié)合慕課第三至第七單元，以案例分析與課堂研討的方式，辨析計(jì)算機(jī)解決問題的方式與我們?nèi)粘Ｋ伎紗栴}方式的差異，鍛煉學(xué)生編寫基礎(chǔ)算法的能力。

第三階段，銜接階段，充分利用X-Program的語言翻譯功能，對已經(jīng)學(xué)過的案例進(jìn)行翻譯對比，逐步從圖像化語言過渡到C/C++等計(jì)算機(jī)語言。

3.3 教學(xué)效果

通過兩個(gè)學(xué)期的運(yùn)用，學(xué)生認(rèn)可了X-Program對程序設(shè)計(jì)入門的幫助，在2019—2020 學(xué)年秋季學(xué)期面向三個(gè)教學(xué)班93 名參與課程的學(xué)生的調(diào)查中，共88.3%的學(xué)生肯定了X-Program 的易用性，超過90%的學(xué)生表示X-Program 對程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)有幫助，如圖7 所示。

圖7 X-Program 易用性與幫助度調(diào)查

從教學(xué)效果上看，2019—2020 學(xué)年秋季學(xué)期，兩個(gè)班級采用X-Program 與MOOC 混合式教學(xué)，并在第七周轉(zhuǎn)入C 語言的學(xué)習(xí)。另兩個(gè)班級從第一周開始就進(jìn)行C 語言學(xué)習(xí)。在第九周，進(jìn)行C 語言基礎(chǔ)語法（不含指針與結(jié)構(gòu)體）和算法的階段性測試，從總體成績分布上看，雖然X-Program+MOOC 教學(xué)方案的班級，學(xué)習(xí)C 語言晚于平行對照班級，但是測試成績分布總體優(yōu)于平行班級，如圖8 所示。

另外，在線開放課程“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——發(fā)現(xiàn)計(jì)算之美”目前已經(jīng)獲批江蘇省2018—2019 在線開放課程建設(shè)項(xiàng)目，中國計(jì)算機(jī)教學(xué)慕課聯(lián)盟（CMOOC）線上線下混合式教學(xué)項(xiàng)目，東南大學(xué)課程思政改革項(xiàng)目，以及中國計(jì)算機(jī)教學(xué)慕課聯(lián)盟優(yōu)秀在線開放課程。實(shí)施兩輪以來，獲得了學(xué)生的好評。

圖8 X-Program+MOOC 班級與對照班級教學(xué)效果對比

4 結(jié)語

以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)理念，幫助學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)得到更多的收獲，是大學(xué)教師進(jìn)行課程設(shè)計(jì)與改革的基本出發(fā)點(diǎn)。目前，中學(xué)信息教育部分內(nèi)容與大學(xué)計(jì)算機(jī)程序基礎(chǔ)課程與程序設(shè)計(jì)課程有較大的重疊，但是由于地域差異，實(shí)施效果的差異，大學(xué)一年級需要零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言的學(xué)生普遍存在，且該現(xiàn)狀在短期內(nèi)不可能完全改變。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，越來越多的高中學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)校園前，已經(jīng)具備一定的計(jì)算機(jī)編程能力，這更需要像X-Program 這樣的入門工具，以及類似“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——發(fā)現(xiàn)計(jì)算之美”這樣的在線開放課程，幫助零基礎(chǔ)的學(xué)生快速地在程序設(shè)計(jì)思維上進(jìn)行提升，并跟上整體的教學(xué)進(jìn)度。