基于計算思維的非計算機專業(yè)編程課程教學(xué)研究與實踐

摘要：計算思維、邏輯思維、實證思維被稱為三大科學(xué)思維，其中計算思維是當代大學(xué)生適應(yīng)智能化時代的必然需求。本文在分析計算思維培養(yǎng)的必要性基礎(chǔ)上，以Python課程為例，通過設(shè)計計算思維培養(yǎng)模型、分層教學(xué)，并融入計算思維培養(yǎng)模式，來探尋有效的編程教學(xué)方法，優(yōu)化編程教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：計算思維；分層教學(xué)；教學(xué)實踐

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）17-0000-04

2006年，周以真教授首次提出計算思維及其概念，明確計算思維是產(chǎn)生于問題解決過程中的思維活動，是在問題解決過程中采用計算機解決問題的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織信息資源等一系列思維活動。同時指出，具備計算思維能力的學(xué)生，能夠根據(jù)信息資源做出判斷，形成解決問題的方案，總結(jié)解決問題的過程和方法，并遷移應(yīng)用到簡單或復(fù)雜的問題情境中去。同時，編程學(xué)習(xí)是一種思維訓(xùn)練，強調(diào)嚴謹、科學(xué)地分析問題，尋找解決思路。因此，在編程教學(xué)中融入對計算思維的培養(yǎng)，能有效提升學(xué)生的抽象能力、編程能力，最終提升其解決問題的能力。

計算思維培養(yǎng)的必要性

1.學(xué)生發(fā)展的需要

隨著外界環(huán)境的變化，大學(xué)生每天接收大量來自學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)媒體的信息，僅憑傳統(tǒng)思維來處理這些數(shù)據(jù)將消耗大量時間，花費大量精力，而運用計算思維可以在短時間內(nèi)掌握問題的核心，節(jié)約時間和精力。具備計算思維能力的學(xué)生，在遇到問題時，不僅可以模擬計算機建構(gòu)模型、設(shè)計算法解決問題，還能成為新模型算法的發(fā)明者、創(chuàng)造者，提高創(chuàng)新能力。同時，計算思維是信息素養(yǎng)的能力體現(xiàn)，是21世紀中葉人人必備的適應(yīng)數(shù)字化時代的基本能力。

2.有效教學(xué)的需要

計算思維能力培養(yǎng)的目標是要將復(fù)雜問題進行拆解，通過抽象關(guān)鍵數(shù)據(jù)、建立模型、約簡等形式解決問題，該過程可同步應(yīng)用于同類問題的解決。課堂上，對于計算思維的學(xué)習(xí)不僅要學(xué)會對數(shù)字設(shè)備的訪問，還要利用數(shù)字設(shè)備提高學(xué)科學(xué)習(xí)、問題解決及創(chuàng)新能力。在Python教學(xué)中，融入計算思維的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生利用計算思維去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，可提高學(xué)生對問題的分析能力和解決能力。

Python程序設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.課程特點

計算機程序設(shè)計教學(xué)是高校計算機基礎(chǔ)教學(xué)的必修課，非計算機專業(yè)的學(xué)生需學(xué)習(xí)該課程。通過編程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握一定的編程能力和開發(fā)能力，培養(yǎng)思維能力，成為能夠掌握計算機技術(shù)的高素質(zhì)人才。Python編程語言的設(shè)計哲學(xué)是“優(yōu)雅”“明確”“簡單”，易于學(xué)習(xí)且功能強大。其具有學(xué)習(xí)難度低、開發(fā)效率高、資源豐富、可移植性好、拓展性好等特點，在科學(xué)計算、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、數(shù)據(jù)處理、人工智能等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。此外，Python還擁有大量開源第三方庫，學(xué)習(xí)者無需了解語言細節(jié)，可以直接通過接口使用相關(guān)功能，方便學(xué)習(xí)和應(yīng)用。但由于Python是新興語言，教師在教學(xué)中要將它與傳統(tǒng)語言的教學(xué)區(qū)分開來，尋找適合該課程學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。

2.高校計算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀分析

雖然程序課程在高校教學(xué)中占據(jù)重要地位，但很多教師在進行教學(xué)時卻比較盲目，采用傳統(tǒng)的教師講學(xué)生聽、教師演示學(xué)生模仿的模式，教師占據(jù)課堂主導(dǎo)地位，實際教學(xué)過于重視傳授學(xué)生基礎(chǔ)知識、上機操作技能，未引導(dǎo)學(xué)生開展深層次思考，過分注重定勢套路的傳授，對思維過程的重視不足，缺乏對計算思維的培養(yǎng)。這種教學(xué)模式無法將知識與解決問題的方法上升到思維的高度，導(dǎo)致學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力無法得到充分發(fā)展，使得學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展受到阻礙。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)分析

計算思維培養(yǎng)的是學(xué)生解決問題的能力，因此，在教學(xué)過程中應(yīng)充分尊重學(xué)生的主體地位。但由于受地區(qū)、專業(yè)、家庭環(huán)境等因素的影響，進入高校的學(xué)生計算機學(xué)習(xí)經(jīng)歷、基礎(chǔ)存在很大差異，雖然經(jīng)過之前大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的計算機操作能力有了一定提升，但他們對計算機的工作過程還是一知半解，程序?qū)W習(xí)的基礎(chǔ)存在差異。

教學(xué)模式分析

1.計算思維培養(yǎng)模型分析

利用計算思維解決問題需分步進行，并融合抽象、建模、約簡、遞歸等方法，以實現(xiàn)問題的最優(yōu)解，圖1為計算思維培養(yǎng)模型。

（1）提煉關(guān)鍵信息——抽象問題

在遇到復(fù)雜問題情境時，能從多種復(fù)雜問題情境中抽象提煉出關(guān)鍵信息，即完成信息的提煉重組過程。例如找零問題，商店需要找錢給顧客，現(xiàn)在只有20元、5元、1元的人民幣若干張，要求輸入一個整數(shù)金額，給出找錢方案，假設(shè)人民幣足夠多，設(shè)計一個算法，輸出所有可能的找零方案，同時輸出所需紙幣的張數(shù)，從所有找零方案中尋找輸出所需紙幣張數(shù)最少的情況。

提煉關(guān)鍵信息，建立數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)問題，如輸入整數(shù)金額為m，設(shè)20元人民幣需要x張，5元人民幣需要y張，1元人民幣需要z張，該問題抽象成求20x+5y+z=m的所有正整數(shù)解，并尋找x+y+z的和最小的情況。

（2）形成可能方案——重組數(shù)據(jù)，尋找最優(yōu)解

通過給定條件，尋找解決問題的多種方案，對比不同方案的優(yōu)缺點及實現(xiàn)條件，形成適合問題解決的最優(yōu)方案。針對前面提到的找零問題，可以提出以下三種方案。

方案一：20元人民幣所需張數(shù)x從0到m//20變化，5元人民幣所需張數(shù)y從0到m//5變化，在滿足1元人民幣所需張數(shù)z=m-20x-5y，且z>=0的情況下，尋找x+y+z的和s，即為紙幣所需總張數(shù)，從所有的s中尋找最小值，即為所需紙幣最少的情況。

方案二：5元人民幣所需張數(shù)y從0到m//5變化，20元人民幣所需張數(shù)y從0到m//20變化，在滿足1元人民幣所需張數(shù)z=m-20x-5y，且z>=0的情況下，尋找x+y+z的和s，即為紙幣所需總張數(shù)，從所有的s中尋找最小值，即為所需紙幣最少的情況。

方案三：20元人民幣所需張數(shù)x從0到m//20變化，x每變化一個值，5元人民幣所需張數(shù)y的值從0到m-20*x變化，在滿足1元人民幣所需張數(shù)z=m-20x-5y，且z>=0的情況下，尋找x+y+z的和s，即為紙幣所需總張數(shù)，從所有的s中尋找最小值，即為所需紙幣最少的情況。

分析不同解決方案，從中選擇最優(yōu)解，即為最佳方案。

（3）遷移推廣——類似問題

在問題方案的形成和最優(yōu)解尋找的過程，經(jīng)歷了抽象、建模、約簡等過程，最優(yōu)方案可同步推廣到相應(yīng)問題解決方案中，如尋找孿生素數(shù)問題、不同規(guī)格包裝盒選擇問題、餐廳點餐套餐搭配問題等。

2.優(yōu)化Python程序設(shè)計課程教學(xué)策略

（1）開展分層教學(xué)

教師可以以班級為單位，通過問卷調(diào)查、知識測試了解學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，開展分組層次化教學(xué)。問卷調(diào)查主要調(diào)查學(xué)生對編程課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)經(jīng)歷，知識測試了解當前學(xué)生對計算機基礎(chǔ)知識掌握情況、對編程的理解程度等信息。

調(diào)查問卷采用在線文檔收集的形式進行，知識測試選擇一級計算機基礎(chǔ)試題及程序語句（含注釋）的閱讀，依據(jù)答題情況給出相應(yīng)分值，并根據(jù)得分情況統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果，其中分為兩個維度：學(xué)習(xí)興趣和經(jīng)歷及掌握情況（如圖2）。其中，學(xué)習(xí)興趣濃厚（總評得分90到100分）和比較感興趣（總評得分80到89分）的學(xué)生對編程學(xué)習(xí)有明確的態(tài)度，愿意主動上網(wǎng)查詢知識盲區(qū)，學(xué)習(xí)新知識；學(xué)習(xí)興趣一般（總評得分70到79分）和不太感興趣（總評得分70分以下）的學(xué)生邏輯思維能力有待發(fā)展，能學(xué)習(xí)簡單的編程。編程學(xué)習(xí)經(jīng)歷及掌握情況根據(jù)調(diào)查結(jié)果分為熟練能編寫、學(xué)習(xí)過會編寫簡單語句、無但能理解一點、無且不能理解。其中，對學(xué)習(xí)有濃厚興趣或比較感興趣，同時有一定的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，具備該兩項特征的學(xué)生分到提高組，其余學(xué)生被分到基礎(chǔ)學(xué)習(xí)組。根據(jù)分組結(jié)果開展線上線下同步教學(xué)，線上采取統(tǒng)一錄制的網(wǎng)課和PPT，以微課為主，教授單個知識點，將教學(xué)資源上傳到雨課堂中，線上資源主要用于學(xué)生對知識的課下自學(xué)，采取以學(xué)生為主的教學(xué)模式進行。

（2）教學(xué)內(nèi)容安排

Python程序設(shè)計課程的教學(xué)目標是使學(xué)生系統(tǒng)掌握基本語法及簡單程序編寫方法，掌握函數(shù)、模塊、類及面向?qū)ο蟮雀拍?，了解常見第三方庫及?yīng)用，具備利用所學(xué)知識解決實際問題的基本能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析、解決問題的能力。因?qū)W生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)經(jīng)歷和興趣不同，通過設(shè)計提高組和基礎(chǔ)學(xué)習(xí)組的不同內(nèi)容，在達到基本學(xué)習(xí)目標的基礎(chǔ)上，滿足提高組學(xué)生更高層次的學(xué)習(xí)需求，使教學(xué)效果最大化。

為簡潔說明教學(xué)內(nèi)容上的區(qū)別，筆者以《函數(shù)》一章為例列表進行了比較。如上頁表所示，左半部分是基礎(chǔ)學(xué)習(xí)組學(xué)習(xí)效果，右半部分是提高學(xué)習(xí)組所達到的學(xué)習(xí)效果，基礎(chǔ)學(xué)習(xí)組所達到的目的偏向于程序的理解，提高學(xué)習(xí)組在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之后更多的是偏向計算思維的培養(yǎng)，在理解的基礎(chǔ)上能夠獨立完成問題解決，并同步應(yīng)用到相類似問題中，達到知識的遷移。

（3）融入計算思維

教學(xué)過程中融入計算思維的培養(yǎng)，需以學(xué)生為主，設(shè)計任務(wù)驅(qū)動，教師角色由主導(dǎo)者轉(zhuǎn)為引導(dǎo)者，幫助學(xué)生實現(xiàn)對知識的主動探索和構(gòu)建。例如，在遞歸函數(shù)的講解中，第一步拋出任務(wù)，對輸入的任意整數(shù)n，求階乘，并輸出。第二步分析提煉關(guān)鍵信息，建立模型，該任務(wù)為求解階乘，對非負整數(shù)的階乘定義為n！=n×（n-1）×（n-2）×···×2×1，當n=1時，n！=1。第三步設(shè)計不同方案，尋找最優(yōu)解。不同小組學(xué)習(xí)內(nèi)容安排如下：提高組學(xué)生探索多種解決方案，并從中找出最優(yōu)的Python程序語句；基礎(chǔ)學(xué)習(xí)組學(xué)生對比兩種程序語句——循環(huán)結(jié)構(gòu)和遞歸函數(shù)的優(yōu)缺點，并完成程序填空。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生理解了遞歸函數(shù)的定義、遞歸步驟及終止條件，加深了對遞歸函數(shù)的理解，并將解決問題方案應(yīng)用到同類型問題中，如斐波那契數(shù)列、猴子吃桃問題等。

（4）課堂教學(xué)效果

通過課程結(jié)課后的調(diào)查顯示，95%以上的學(xué)生表示在今后遇到問題時愿意用計算思維解決問題，認為計算思維解決問題流程清晰，可操作性強。同時，任務(wù)驅(qū)動下的小組合作學(xué)習(xí)，不僅增強了學(xué)生利用計算機解決問題的能力，還幫助學(xué)生克服了恐懼和緊張情緒，增強了學(xué)生的自信心和合作能力。

結(jié)語

本文在Python程序設(shè)計課程的教學(xué)中，探索計算思維培養(yǎng)模型，并在此基礎(chǔ)上提出分層教學(xué)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)興趣開展教學(xué)，旨在提升學(xué)生解決問題能力，培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，使其成為合格的數(shù)字化時代的公民。

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第一作者簡介：葛曉靜（1989—），女，河南濮陽人，碩士，助教，主要從事計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)及研究生管理工作。

基金項目：河南省研究性教學(xué)改革研究與實踐項目——“雙碳”背景下基于項目案例驅(qū)動的五位一體式研究性教學(xué)模式研究與實踐；河南理工大學(xué)教育教學(xué)改革與實踐項目——“雙碳”目標思政引領(lǐng)下以學(xué)生為中心的“能源動力類三大專業(yè)核心課”教學(xué)模式改革與實踐。