計算思維與人本思維雙驅(qū)動的C語言課程線上教學(xué)

陳家俊， 郁書好

(皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

“C語言程序設(shè)計”是本科高校普遍選修的公共計算機(jī)基礎(chǔ)課程中的核心編程類課程，其具有涉及面廣、影響大、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，C語言課程的教學(xué)工作受到了計算機(jī)教育界的廣泛關(guān)注[1-5]。自2006年美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授提出計算思維[2]的概念以來，培養(yǎng)以計算思維為核心的C語言課程教學(xué)改革在國內(nèi)各類高校紛紛開展，并取得了一系列的成果[1-2,6-7]。但由于C語言課程知識點(diǎn)豐富，具有較強(qiáng)的計算性、復(fù)雜性和應(yīng)用性，課程開設(shè)面廣，涉及學(xué)生多，教師需求量大，因而在教學(xué)實(shí)施和管理過程中普遍暴露出教師隊伍缺乏、教學(xué)管理不便、教學(xué)評價不全面和教學(xué)效果較差等問題。為解決以上高校普遍存在的問題，探索一種新的教學(xué)模式和管理模式是目前公共計算機(jī)基礎(chǔ)課程亟待解決的問題。線上教學(xué)以具有跨地域性、資源共享性和便捷性等教育優(yōu)勢近兩年來備受教育者的青睞，為做好高校線上教學(xué)組織與管理工作，提高公共計算機(jī)基礎(chǔ)課程線上教學(xué)質(zhì)量，有效開展課程思政，充分發(fā)揮課堂教學(xué)在教書育人中的作用，文章結(jié)合“C語言程序設(shè)計”課程知識點(diǎn)的特點(diǎn)，提出一種基于計算思維與人本思維雙向驅(qū)動的線上教學(xué)模式，該教學(xué)模式的實(shí)施能夠大大提高課堂教學(xué)質(zhì)量和課程思政教育效果。

1 基于計算思維與人本思維雙驅(qū)動的線上教學(xué)

1.1 設(shè)計思路

“C語言程序設(shè)計”課程知識點(diǎn)豐富，具有較強(qiáng)的計算性、復(fù)雜性和應(yīng)用性，課程的知識內(nèi)容主要包括：C語言的基本概念、數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符和表達(dá)式、程序設(shè)計控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)、數(shù)組、指針等內(nèi)容。課程旨在結(jié)合一般數(shù)值計算培養(yǎng)學(xué)生掌握程序設(shè)計的基本方法與編程技巧，理解運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計算的一般思路，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)解決和處理實(shí)際問題的思維方法與基本能力。課程面向理工類專業(yè)大學(xué)一年級學(xué)生，涉及面廣。由于課程內(nèi)容具有一定的計算性和復(fù)雜性，而面向的學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，因此，本文根據(jù)學(xué)生知識層次和人文教育需要，以教學(xué)內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)，以計算思維和應(yīng)用能力培養(yǎng)為知識能力目標(biāo)，以培養(yǎng)人本思維和對社會問題的思考能力為育人目標(biāo)，提出基于計算思維和人本思維雙驅(qū)動的線上教學(xué)模式。在教學(xué)設(shè)計時，通過對知識點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)地篩選與沉淀、有針對性地設(shè)計實(shí)例和設(shè)計詳細(xì)的教學(xué)方法等手段，加強(qiáng)計算思維的培養(yǎng)；通過對學(xué)生密切關(guān)注的社會問題及學(xué)生應(yīng)具有的人文思想進(jìn)行調(diào)查和遴選、設(shè)計思政教育內(nèi)容和教育方法等手段，加強(qiáng)課堂人本思維教育。總體設(shè)計思路如圖1所示。下面以“函數(shù)的定義與使用”線上教學(xué)為具體案例，分別從設(shè)計分析、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)施三個方面進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

圖1 總體設(shè)計思路

1.2 教學(xué)分析

“函數(shù)的定義與使用”章節(jié)知識點(diǎn)豐富，通過對該章節(jié)知識點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)化歸納，主要包括：模塊化概念、函數(shù)的定義、函數(shù)的調(diào)用與參數(shù)傳遞、函數(shù)的嵌套和遞歸調(diào)用四大部分，四部分內(nèi)容既包含基礎(chǔ)性知識，又具有一定的綜合性，知識特點(diǎn)上具有較強(qiáng)的計算性和邏輯性，知識點(diǎn)的應(yīng)用方面具有一定的系統(tǒng)性和復(fù)雜性。教學(xué)設(shè)計中既要充分考慮學(xué)生的知識層次，讓學(xué)生理解復(fù)雜的計算思維和邏輯思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的創(chuàng)新能力，又要將所學(xué)知識應(yīng)用于社會問題，培養(yǎng)學(xué)生人本主義思維，加強(qiáng)人文教育。表1從知識模塊、教學(xué)目標(biāo)、重點(diǎn)內(nèi)容和教學(xué)方法上對該章節(jié)的教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

表1 教學(xué)分析詳情

1.3 教學(xué)方法設(shè)計

根據(jù)表1中知識模塊和對應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)分析，根據(jù)各模塊知識點(diǎn)的特點(diǎn)，在教學(xué)設(shè)計中采用案例分析法、思維引導(dǎo)法、動態(tài)演示和路徑跟蹤等多種教學(xué)方法。

(1)基于人本思維的教學(xué)設(shè)計。根據(jù)表1分析，在知識點(diǎn)一和知識點(diǎn)三兩個模塊中加強(qiáng)了人本思維培養(yǎng)，并根據(jù)知識點(diǎn)的不同在教學(xué)中采用了不同的教學(xué)方法。在模塊一的教學(xué)中采用“實(shí)例分析+比較+思維引導(dǎo)法”。模塊化程序設(shè)計的基本思想是在編程過程中將大的程序按功能分割成一些小模塊，通過調(diào)用這些不同的小模塊來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序的編程目標(biāo)。根據(jù)模塊化程序設(shè)計的基本思想，授課時先對比講解模塊化設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，舉例說明模塊化設(shè)計的開發(fā)方法: 自上向下，逐步分解，分而治之。為增強(qiáng)學(xué)生對理論學(xué)習(xí)的趣味性和實(shí)用性，本部分設(shè)計強(qiáng)調(diào)模塊化思想在實(shí)際問題中的應(yīng)用，在課堂中引入思政教育，以人本主義思維教育為聚焦點(diǎn)，選取當(dāng)前重要的話題作為實(shí)例，通過該實(shí)例培養(yǎng)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)媒體及時關(guān)注當(dāng)前重要時事動態(tài)的能力，增強(qiáng)學(xué)生的愛國主義精神、在重大問題上的大局意識和責(zé)任意識以及團(tuán)隊合作精神。

(2)基于計算思維的教學(xué)設(shè)計。根據(jù)表1分析，在知識點(diǎn)三和知識點(diǎn)四兩個模塊中加強(qiáng)了計算思維培養(yǎng)。函數(shù)調(diào)用及參數(shù)傳遞過程是本章節(jié)難以理解的部分，只有理解計算機(jī)內(nèi)部解決問題的邏輯思維，才能真正掌握本要點(diǎn)。因此，教學(xué)過程中旨在培養(yǎng)學(xué)生編程思維和計算思維能力，主要采用“實(shí)例分析+思維指導(dǎo)+動態(tài)演示法”。將知識化難為簡，先以容易理解的實(shí)例為對象，將相關(guān)知識點(diǎn)貫穿其中，讓學(xué)生先理解實(shí)際參數(shù)、形式參數(shù)、調(diào)用語句和傳遞過程，具體實(shí)例設(shè)計界面如圖2所示；再進(jìn)一步講解知識的實(shí)際應(yīng)用性，在教學(xué)中要求學(xué)生思考：如何設(shè)計一個用來判斷體溫是否正常的函數(shù)，并模擬通過該函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)對多人進(jìn)行體溫檢測排查。學(xué)生先思考，然后通過PPT分析指導(dǎo)、最后給出正確的設(shè)計代碼并演示實(shí)現(xiàn)過程。此環(huán)節(jié)設(shè)計旨在展示本章知識點(diǎn)的實(shí)用價值，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。具體實(shí)例設(shè)計如例1所示。函數(shù)調(diào)用過程中一個既抽象又重要的知識點(diǎn)便是實(shí)參和形參在內(nèi)存空間中的變化問題，即：形參在函數(shù)被調(diào)用前不占內(nèi)存，函數(shù)調(diào)用時為形參分配內(nèi)存；調(diào)用結(jié)束，形參內(nèi)存釋放。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往對內(nèi)存空間數(shù)據(jù)的變化問題難以理解，為降低難度，使知識更具有理解性，教學(xué)中采用“實(shí)例+內(nèi)存動態(tài)演示法”進(jìn)行分析，以動畫演示內(nèi)存空間變化形式組織教學(xué)，具體實(shí)例設(shè)計如例1和圖3所示。

圖2 函數(shù)調(diào)用及參數(shù)傳遞

圖3 參數(shù)傳遞動態(tài)調(diào)用

例1：編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)求X的立方。注意分析函數(shù)調(diào)用時內(nèi)存空間的變化問題。

解題步驟：

第一步：根據(jù)函數(shù)定義知識，分析函數(shù)參數(shù)個數(shù)、參數(shù)類型和返回值類型，構(gòu)建子函數(shù) float cube(float x),其中x為形式參數(shù)。

參考代碼設(shè)計：float cube(float x)

{ return(x*x*x);

}

第二步：定義主函數(shù)main()函數(shù)，定義變量 a和product，并給實(shí)參a變量輸入值；在主函數(shù)中調(diào)用函數(shù)cube()函數(shù)，并將實(shí)參a的值傳遞給形參x。參考代碼設(shè)計：

main( )

{ float a, product;

printf("Please input value of a:");

scanf("%f",&a);

product=cube(a);

printf(”Cube of %.4f is %.4f ",a,product);

}

第三步：分析主函數(shù)和子函數(shù)中參數(shù)在內(nèi)存中的分配情況，見圖3。主要強(qiáng)調(diào)：形參在函數(shù)被調(diào)用前不占用內(nèi)存空間，當(dāng)函數(shù)調(diào)用時，為形參分配內(nèi)存空間，調(diào)用一旦結(jié)束，內(nèi)存空間將被釋放。

函數(shù)的嵌套和遞歸調(diào)用模塊涉及深層次函數(shù)調(diào)用的過程，知識點(diǎn)難度大、實(shí)用性強(qiáng)，因此，教學(xué)設(shè)計時重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和邏輯思維，采用“實(shí)例+路徑跟蹤分析法”，將復(fù)雜問題簡單化，增強(qiáng)學(xué)生理解性。例2和圖4給出了遞歸調(diào)用路徑分析法具體實(shí)例。

例 2: 有5個人坐在一起，問第5個人多少歲？他說比第4個人大2歲。問第4個人歲數(shù)，他說比第3個人大2歲。問第3個人，又說比第2個人大2歲。問第2個人，說比第1個人大2歲。最后問第1個人，他說是10歲。請問第5個人多大。

解題思路：

第一步：根據(jù)題意，分析求解過程：包括兩個階段，第一階段是遞歸過程，第二階段是回溯過程，同時分析得到遞歸結(jié)束的終止條件為：第1個人10歲。

第二步：分析歸納遞推公式，并講解遞推過程和回推過程，通過分析得到遞推公式，進(jìn)一步定義遞歸函數(shù)。具體分析過程如圖4所示。

圖4 遞歸調(diào)用路徑分析法實(shí)例

1.4 教學(xué)實(shí)施過程

在教學(xué)過程中采用課前預(yù)學(xué)、課堂直播、實(shí)例演示、交流輔導(dǎo)和在線作業(yè)批改等完整教學(xué)組織形式。

(1)課前預(yù)學(xué)?？紤]到大一學(xué)生編程基礎(chǔ)薄弱、線上教學(xué)適應(yīng)能力差、主動學(xué)習(xí)能力不夠強(qiáng)等問題，在教學(xué)設(shè)計中首先設(shè)計一個詳細(xì)的PPT課件，并錄制一個詳細(xì)講解的視頻，讓學(xué)生提前預(yù)學(xué)，從而對課程內(nèi)容有個全面的了解和掌握。

(2)課堂直播教學(xué)。直播前進(jìn)行簽到，以提醒同學(xué)們做好直播準(zhǔn)備。在正式授課前，用較短的時間進(jìn)行課程導(dǎo)入，包括：對學(xué)生近期關(guān)心的問題進(jìn)行回應(yīng)、對課前預(yù)學(xué)情況進(jìn)行通報、歸納本次課應(yīng)該學(xué)習(xí)的主要知識點(diǎn)和重要內(nèi)容等，以幫助學(xué)生對本次教學(xué)有個全面的了解。在直播過程中，始終圍繞培養(yǎng)計算思維和人本思維的教學(xué)目標(biāo)，采用理論講授和案例分析相結(jié)合的線上教學(xué)，根據(jù)知識點(diǎn)的特點(diǎn)又分別采用思考提問法、思維引導(dǎo)法、動態(tài)演示和路徑跟蹤等多種教學(xué)方法；由于學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)學(xué)任務(wù)，在理論講授時重在提高，加強(qiáng)計算思維和邏輯思維的培養(yǎng)，在案例分析過程中，根據(jù)知識點(diǎn)的難易度層次和應(yīng)用性特點(diǎn)，理論結(jié)合實(shí)際，將典型實(shí)例在實(shí)驗環(huán)境下反復(fù)演示運(yùn)行，鼓勵學(xué)生加強(qiáng)實(shí)驗，以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗動手能力。

(3)交流輔導(dǎo)。在線上教學(xué)過程中，學(xué)生可以在直播平臺留言，直播后，教師針對學(xué)生留言的問題進(jìn)行交流輔導(dǎo)，同時，教師會根據(jù)本節(jié)課程重點(diǎn)或易錯問題布置思考題供學(xué)生交流。

(4)在線作業(yè)批改。直播結(jié)束后，布置作業(yè)，并要求學(xué)生在一定期限內(nèi)上傳教學(xué)平臺，教師及時批閱，篩選優(yōu)秀作業(yè)作為課程考核的加分項，不合格作業(yè)打回重做。通過作業(yè)情況及時總結(jié)學(xué)生掌握情況，從而改進(jìn)教學(xué)方法。

2 教學(xué)效果

在教學(xué)過程中采用課前導(dǎo)學(xué)、理論直播、實(shí)例演示、個性化交流和在線作業(yè)批改等完整教學(xué)組織形式，得到學(xué)生的一致好評，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生參與度高，提高了學(xué)生對社會問題的關(guān)注度，增強(qiáng)了學(xué)生的自學(xué)能力，學(xué)生的作業(yè)質(zhì)量得到明顯提高，教學(xué)效果得到大大提高。以“函數(shù)的定義與使用”線上教學(xué)數(shù)據(jù)為例，其中本班學(xué)生人數(shù)220人，外班旁聽人數(shù)99人，直接參與本次直播人數(shù)256人，達(dá)到91%，觀看人次為472人次，即平均每人重復(fù)學(xué)習(xí)約2次，點(diǎn)贊數(shù)達(dá)到1 558次，其中未參與直播的同學(xué)基本都能觀看回放完成線上教學(xué)任務(wù)。學(xué)生的作業(yè)質(zhì)量得到明顯提高，此次作業(yè)布置和批改情況統(tǒng)計中，批閱的265份作業(yè)中優(yōu)秀作業(yè)達(dá)到88%，學(xué)生作業(yè)工整，學(xué)習(xí)態(tài)度端正。

3 結(jié)語

計算思維與人本思維相融合的線上教學(xué)設(shè)計既能將人文思想、社會重大問題等思政教育融入到課堂中，又能提高學(xué)生的計算思維和邏輯思維，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力和應(yīng)用能力。基于計算思維與人本思維相融合的線上教學(xué)，具有收益面廣、教學(xué)視頻能反復(fù)收看等特點(diǎn)，因此線上教學(xué)的推廣能大大提高課堂教學(xué)質(zhì)量和課程思政教育效果。