C++課程融入計算思維的教學方法研究

李琥 趙厚寶 曾井泉

[摘 要]在C++課程傳統(tǒng)教學中，初次接觸編程語言的學生普遍反映難于理解面向對象的基本概念，文章以“把程序語言用于解決現(xiàn)實問題”的教學理念為主線，把面向對象的概念落實到具體的應用開發(fā)中。授課時，教師有意識地引導學生從計算機的視角分解、抽象和表示現(xiàn)實問題，著重訓練學生在用計算機解決現(xiàn)實問題時如何以計算思維的方式來思考。學生的反饋表明，此教學方法能有效地把面向對象的概念與現(xiàn)實問題結合起來，把空洞的概念轉化成具體的現(xiàn)，幫助學生把課堂所學轉化為解決現(xiàn)實問題的能力。

[關鍵詞]面向對象;計算思維;程序語言;程序設計;在線評測系統(tǒng)

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）02-0111-04

引言

人工智能技術快速推進，以5G為代表的信息技術快速發(fā)展，與計算機有關的軟件工程技術在整個經濟社會生活中承擔著極其重要的作用。C++課程是計算機相關專業(yè)的一門重要基礎課，初次接觸面向對象程序設計語言的學生普遍覺得這門課程難學，需要花大量的時間學習晦澀難懂的語法語義。因此，有必要找到一種有效方法，來引導學生把課程空洞的概念轉化成具體的現(xiàn)實，進而把所學應用于解決實際問題。這是當今很多高校計算機專業(yè)課程“以工程教育為導向”的改革和探索方向[1]。筆者在教學實踐中把計算思維[2]的方式融入教學，目的正是引導學生轉變傳統(tǒng)思維方式，逐步養(yǎng)成以計算機的思維方式來思考分析問題。計算思維是從計算機的算法視角來思考問題，計算思維方式的訓練是激發(fā)學生編程熱情并幫助其形成“問題即算法”的思維模式的一種有效方法。

2006年，周以真教授首次提出了計算思維的概念：計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類的行為，其本質是抽象和自動化[3]。她認為，計算思維核心的元素包含分解、模式識別、抽象和算法四個部分，人們具備了這四個能力就能為問題找到解決方案。

從本質上說，計算思維是從計算機算法的視角來求解問題的思維方式，以求解問題的途徑為主要訴求[4]，解決問題的方案（或算法）以程序的形式表現(xiàn)出來并能在計算機上執(zhí)行。具體在教學實踐中，培養(yǎng)學生的計算思維必須有一個依托工具或抓手，在C++課程中融入計算思維的教學方法不失為一種好途徑。本文論述的正是在程序設計課程教學中如何引導學生在解決現(xiàn)實問題時像計算機科學家那樣去思考分析問題，并逐步養(yǎng)成計算思維的思考習慣。

文章提出了程序設計課程必須融入計算思維教學，并把在線評測系統(tǒng)（OJ系統(tǒng)）引入實踐教學環(huán)節(jié)的方法。OJ系統(tǒng)驗證程序源代碼的正確性，使編程人員能有效地發(fā)現(xiàn)程序設計的問題與不足，促進代碼優(yōu)化。另外，在質量高的OJ系統(tǒng)，容易找到高質量題解或便于與同人交流，可以在增加趣味性的同時有效提高學生的編程水平。

一、當前存在的問題

C++程序設計課程的教學目前主要存在以下幾方面的問題：其一，C++是面向對象設計語言，語法語義繁多，教學時教師容易陷入煩瑣的語法語義教學當中，花大量時間給學生灌輸語法語義知識，而學生也容易陷入瑣碎的語法語義學習當中，最終導致教師為教學生學語法語義而教語法語義，而忽略了引導學生學習程序設計的思維方式。其二，按照傳統(tǒng)的教學方法，教師一般是先介紹語法的形式和語義，之后通過示例程序鞏固語法知識。學習之后學生們并不理解示例程序為什么要這樣編寫，而且在面對實際問題時，大部分學生不知道如何將問題分解、抽象，并最終找到解決問題的算法。其三，在實訓環(huán)節(jié)，學生上機編寫能運行的程序，但對測試數據考慮不全面，容易導致程序寫完之后難于有效發(fā)現(xiàn)隱藏的bug。其四，學生難于從計算機角度對實際問題進行抽象，得出算法。其五，課堂應該增加程序的演示和運行環(huán)節(jié)，以通過編程思維訓練、獲得成就感來提高學生對程序設計學習的興趣。

把計算機當成狹義的工具[5]，只教學生如何使用計算機，已經成為大學計算機課程教學的普遍現(xiàn)象。顯然，大學教育如果只關注計算機操作層面的教學，就難以滿足各學科學生在未來的知識創(chuàng)新和發(fā)展中的需求，也難以跨越通用計算手段的學習與專業(yè)計算手段的學習之間的鴻溝。培養(yǎng)學生計算思維的能力是克服把計算機當成狹義工具的弊端的有效途徑，可以幫助學生在學習計算機課程時轉變固有的思維模式[6]。計算思維具有普適性，能夠自然地融入除了計算機相關工作之外的其他創(chuàng)新工作中。

二、改進和完善教學方法

為了解決當前存在的問題，我們需要對程序設計課程的傳統(tǒng)教學方法進行改進和完善。

（一）上好第一堂課

對大部分學生而言，學習編程課程的主要目的是學習計算機的計算思維方式，即學習用計算機分析和解決問題的基本方法和思路。因此，在課程開篇教學上，教師首先必須想辦法讓學生理解透徹“如何分解問題，將問題對象化”這個問題。問題被分解之后，接下來就是問題如何表示。面向對象程序設計采用的是其三大特征之一——高度抽象的方法，這就是計算思維的本質之一。程序設計課程是從算法的角度給出問題的計算機實現(xiàn)方法，即程序實現(xiàn)方法，它是計算思維能力培養(yǎng)的重要內容。C++是使用最廣泛的編程語言之一，它是設計工具，也是實現(xiàn)工具，具有層次分明的抽象編程能力，是培養(yǎng)學生計算思維能力的好載體。

傳統(tǒng)教學中，程序設計課程一般將語法入門作為課程開篇。然而，對程序設計領域完全陌生的學生難于理解和接受程序為什么要這樣寫。學生如果不能消除內心的這個糾結，就會給其后續(xù)學習設置障礙。因此，教師在實際教學中應該選擇學生最為困惑的基本概念的解讀作為課程開篇，這些概念包括計算、計算思維、問題分解、抽象和類。

（二）計算和計算機科學

針對一個問題設計出解決問題的指令序列（程序），并由計算機來執(zhí)行這個指令序列，這就是計算。通過計算，計算機可以快速完成從簡單到復雜的任務。

計算機科學家為了更好地利用計算機解決各種問題，深入研究了關于計算的理論、方法和技術，形成了專門研究計算的學問，即計算機科學。

計算是利用計算機解決問題的過程，計算機科學是關于計算的學問。計算機科學家長期用計算機解決問題過程中形成的思維模式和思考方法，即計算思維。

（三）計算的不同階段

綜前所述，計算是利用計算機流程化執(zhí)行指令來解決問題的過程。從問題的計算機表示、算法設計到編程實現(xiàn)，計算思維貫穿于計算的全過程。學習計算思維，就是學會像計算機科學家一樣思考和解決問題。

1.問題表示

用計算機解決問題，首先要建立問題的計算機表示。抽象是用于問題表示的重要思維工具。一般意義上的抽象就是對研究對象的具體的或無關的特征進行一種忽略或拋棄，抽取其一般的或相關的特性。抽象是計算機科學中廣泛使用的思維方式，是程序員解決問題時必須具備的技能之一。抽象實例如圖1所示。

教師在課程開篇除了要著重講解計算、抽象的概念，還要講解另外一個重要的概念即類，引導學生學習按照類的方式認識世界。教學中要著重引導學生學習將具體問題抽象化，描述客觀存在的實體，樹立萬事萬物皆對象（類）的概念，刻意弱化C++的語法細節(jié)，以簡單的話題如描述自己的喝水杯子作為課程開篇內容，即對抽象概念進行實踐性的理解。教師根據學生對簡單事物的描述，逐步展開C++中類的屬性和行為概念的解釋。通過這種常識性話題的討論，引導學生主動從思考事物的表示方法逐步過渡到抽象的概念即類的本質。這種鋪墊式的教學方法可以使學生對新概念從一開始就有個良好的接受度，形成良性的心理優(yōu)勢。

具體到教學內容，教師可以先利用生活素材豐富教學內容。在一般的傳統(tǒng)教材中，大部分示例程序都是為講述概念而設計的，因此著重強調概念的程序表示方法，對解決現(xiàn)實問題起不到好的借鑒作用。大部分學生雖然能按部就班地理解程序編碼，但依然無法著手解決遇到的現(xiàn)實問題。例如，在實際編碼教學環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)教材都有把數值進行排序或找出最大值的例子，學生參照例子也能寫出類似的小程序，但如果問題換成“找出10只羊中最大的那只羊”，很多學生就不知道如何處理，這時教師可以結合此實際案例講解抽象的概念，將空洞抽象的“大小”轉變?yōu)榫唧w的“數值”，問題被抽象之后學生們通?？梢詫懗鰧某绦?。教學時教師可以借助教室中的各種實體，讓學生主動對問題進行分解和抽象并以類的形式表示出來，讓計算思維模式真正成為學生解決實際問題的一種思考習慣。

2.算法設計

計算思維的思考模式是一種從計算機算法視角分析解決現(xiàn)實問題的一種最有效思考方式，即從計算機的視角來分析和解決問題，課程教學的全過程都應該以此為主線。

問題得到表示之后，接下來是找到問題的解法即算法。算法設計是計算思維大顯身手的領域，我們解決現(xiàn)實問題就是要從計算機的角度找到最優(yōu)化的算法。在算法設計階段，教師要引導學生如何把自然語言描述的問題解決方法轉換成計算機能識別的語言，即程序語言。教師逐步引導學生將問題進行分解，抽象，并用類的形式表示出來，在算法設計中將面向對象程序設計理論映射到實踐中。這種著手解決實際問題的啟發(fā)式教學，可以促使學生主動思考，讓學生在輕松的氣氛中，以項目驅動的方式掌握知識的要點。

3.代碼實現(xiàn)

找到了解決問題的算法，接下來就要用編程語言來實現(xiàn)算法。編程實踐教學環(huán)節(jié)是計算思維最終落實到代碼實現(xiàn)的環(huán)節(jié)，是對學生基礎理論、專業(yè)知識與實踐經驗的全面總結。完成代碼后，代碼能跑起來并不代表你的代碼是很好的C++代碼。好代碼的衡量標準至少應該考慮以下幾個方面：其一，可運行，能夠完成既定的任務。這是最基本的要求。如果編寫的程序不能工作，寫得再多也沒用。其二，代碼穩(wěn)定，沒有“內存泄漏”“誤差累積”等隱患。其三，具有可讀性。一份好代碼一定是邏輯清晰、結構分明、注釋合理，便于他人維護的。其四，具有不錯的執(zhí)行效率。程序員可以通過優(yōu)化數據結構、算法和代碼來提高程序的性能即執(zhí)行效率。其五，便于移植。即軟件具有能運行于不同軟硬環(huán)境的能力。

三、利用在線評測系統(tǒng)

在線評測系統(tǒng)（Online Judge，簡稱OJ）是用來在線檢測程序源代碼的正確性，通過OJ系統(tǒng)對程序源代碼進行編譯和執(zhí)行。使用時，用戶通過瀏覽器登錄系統(tǒng)，在線提交自己的源代碼。代碼提交成功后，后臺系統(tǒng)自動對源代碼進行編譯和執(zhí)行，然后把輸入和預期的輸出進行比對并以此來判斷程序的正確性，其原理是軟件黑盒測試法。

現(xiàn)在國內外有很多可以免費使用的優(yōu)秀OJ系統(tǒng)，用戶只需在平臺上完成注冊即可自由使用。學習程序設計的學生，既可以在平臺上提交代碼測試程序，也可以與其他編程能力強的用戶進行線上交流。與編程高手互動是提高編程能力的有效途徑之一。

以下是幾個比較優(yōu)秀的OJ平臺：

·杭州電子科技大學OJ平臺：http：//acm.hdu.edu.cn/

·北京大學POJ：http：//poj.org/

·UVA：https：//uva.onlinejudge.org/

四、課程考核

在傳統(tǒng)教學中，衡量學生對一門課程的掌握情況的主要方式依然是考試，但對于程序設計類的課程，只通過考試去評價學生的程序設計能力是片面的。程序設計類課程的考核方式應該將學生的日常學習表現(xiàn)情況和項目完成情況納入考核體系，還可以將比如參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯等課外的實踐納入考核范圍，使整個考核多元化。對于學有余力的學生，教師也可以采用小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，簡稱SPOC）的教學模式[7]，分階段晉級性地提高這部分學生的項目工程實踐能力，并計入考核成績。

獲得平時成績有很多方式，比如教師可以提出一個需要簡單的計算機算法才能解決的現(xiàn)實問題，學生分小組給出問題的解決算法。小組算法正式提交之前，小組之間可以互動，指出對方方案的優(yōu)點和不足，促使學生主動思考找出問題的最優(yōu)算法。整個任務以考核學生的計算思維能力為目標，任務最后由教師做出點評，選出最優(yōu)算法的小組。

把程序設計類課程的日常成績計入考核，可以有效調動學生參加平時訓練的積極性。整個課程的教學以解決實際問題為導向，有效解決了理論難于聯(lián)系實際的問題，使教學效果事半功倍。

五、結語

從計算機算法的視角來分析和解決問題就是計算思維，它的提出獲得了全球教育界的認可。本文以C++程序設計課程為抓手，在整個教學過程中，以解決現(xiàn)實問題為主線，有意識地引導學生逐步養(yǎng)成計算思維的思考習慣，避免了程序設計課程傳統(tǒng)教學方法容易陷入純粹語法語義教學的窘境;在課程實踐環(huán)節(jié)，指導學生充分利用第三方國內外優(yōu)秀的在線檢測系統(tǒng)，以提高其實際編程能力。從學生端的反映來看，本方法取得了良好的教學效果，相對于傳統(tǒng)的教學方式，學生對課程的學習熱情有了明顯提高，知道了如何才能最有效地學好計算機課程。

根據我們多年的C++程序設計課程教學經驗以及對計算思維的理解，本文總結出以下教學經驗：其一，以解決實際問題為教學主線，融入計算思維來分析和解決問題，跳出語法語義細節(jié)，從計算機的角度思考問題。其二，從程序設計的角度引入面向對象的核心概念，并著重講述引入此概念的目的和解決什么問題。其三，鼓勵以探索為本的學習，課堂上鼓勵學生開闊思路，各抒己見。其四，強化實踐環(huán)節(jié)，引入高質量的OJ平臺，鼓勵學生在與平臺編程高手交流中獲得進步。

總之，本文探討根據面向對象程序設計課程的特點，以現(xiàn)實問題為驅動來開展教學，著重培養(yǎng)學生從算法角度去分解問題和解決問題的能力。同時我們也應該看到，培養(yǎng)學生的計算思維不可能一蹴而就，也不可能靠一兩門課程就能完成，它涉及解決實際問題時思維方式的轉變，是一個系統(tǒng)工程，我們只有不斷努力實踐才能掌握其精髓。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 孫勝濤，張世輝. 面向工程教育的計算機專業(yè)課程體系改革和探索[J]. 大學教育， 2018（10）：14-16.

[2] 周以真.計算思維[J].中國計算機學會通訊，2007（11）：83-85.

[3] 陸朝俊.計算思維導論：程序設計思想和方法[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4] 黃麗達，陳湘濤.將計算思維融入程序設計課程教學方法的研究[J]. 計算機教育， 2014（3）：70-74.

[5] 白霞，高飛，趙娟. 基于計算思維的C++面向對象程序設計教學改革[J]. 計算機教育， 2014（11）：7-9.

[6] 許四平.基于計算思維的面向對象程序設計教學策略探析[J]. 無線互聯(lián)科技， 2015（21）：100-101.

[7] 方向.新工科背景下的大學計算機教學改革研究和實踐：以山東工商學院為例[J]. 大學教育，2019（6）：88-90.

[責任編輯：龐丹丹]