吳玲，李旭亮，徐輝

（黑龍江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

程序設(shè)計(jì)類課程中計(jì)算思維能力培養(yǎng)的途徑及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

吳玲，李旭亮，徐輝

（黑龍江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

本文深入分析了目前普通高等本科院校程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)課程中出現(xiàn)的問題，研究了計(jì)算思維的提出背景和內(nèi)涵特征，就任務(wù)抽象和分解、啟發(fā)式推理、知識(shí)體系重構(gòu)、思維能力訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式等方面對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行改革。課題組以實(shí)際行動(dòng)推動(dòng)了程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)改革，指導(dǎo)學(xué)生提煉出知識(shí)和技能背后所包含的具有普適性的本質(zhì)思想——“計(jì)算思維”，對(duì)學(xué)員的人才培養(yǎng)工作具有重要意義。

計(jì)算思維；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)流程；考核指標(biāo)

推動(dòng)人類社會(huì)文明進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展的科學(xué)思維，主要有理論思維、實(shí)驗(yàn)思維，以及獲得人們廣泛認(rèn)可的“計(jì)算思維”［1］。2006年，周以真教授對(duì)“計(jì)算思維”進(jìn)行了正式定義，據(jù)周教授解釋，計(jì)算思維的本質(zhì)是自動(dòng)化和抽象，強(qiáng)調(diào)的是求解的操作過程和問題的機(jī)器實(shí)現(xiàn)，可見，計(jì)算機(jī)編程語言的靈魂即是計(jì)算思維，而程序設(shè)計(jì)類課程則是對(duì)學(xué)生計(jì)算思維最具可操作性、最直接的訓(xùn)練平臺(tái)。

一、目前程序設(shè)計(jì)類課程教育教學(xué)的弊端

程序設(shè)計(jì)類課程在計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)中占據(jù)至關(guān)重要的地位，它是計(jì)算機(jī)入門的基礎(chǔ)課程，為計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供了知識(shí)基礎(chǔ)［2］。程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)有二：其一是以一種或多種程序設(shè)計(jì)語言為依托，通過上機(jī)實(shí)際操作，掌握程序設(shè)計(jì)語言的基本運(yùn)用技能和技巧；其二是通過設(shè)計(jì)算法、編寫程序和調(diào)試測(cè)試，加深對(duì)編程語言的理解和運(yùn)用，并鍛煉學(xué)生用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的能力。

但通過課題組多年來教育教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)顯示，大部分學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)踐環(huán)節(jié)存在如下認(rèn)識(shí)誤區(qū)：第一，普遍認(rèn)為程序設(shè)計(jì)語言語法規(guī)則復(fù)雜煩瑣、易忘難記，學(xué)習(xí)難度較大；第二，普遍認(rèn)為課程內(nèi)容枯燥乏味，與實(shí)際聯(lián)系不多，學(xué)習(xí)熱情不高；第三，很多學(xué)生只是進(jìn)行單純的理論學(xué)習(xí)，一旦要編寫實(shí)際程序往往不知如何下手，久而久之就產(chǎn)生了畏難情緒。所以說，怎么養(yǎng)成學(xué)生正確的計(jì)算思維習(xí)慣、提高學(xué)生高強(qiáng)的計(jì)算思維能力，探索有效的實(shí)踐教學(xué)模式是從事程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)踐教學(xué)的老師亟待解決的問題。

在傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程中，基本使用原始的實(shí)證分析驗(yàn)證的教學(xué)方法，往往因?yàn)閷?duì)編程語言的語法規(guī)則太過重視，而忽視了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)；或是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)過于程式化、考核隨意性強(qiáng)、監(jiān)督環(huán)節(jié)薄弱，無法鍛煉和提高學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力和計(jì)算思維能力，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更談不上培養(yǎng)其思維能力。

二、探索適合在程序設(shè)計(jì)類課程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維能力培養(yǎng)的途徑

計(jì)算機(jī)科學(xué)體系龐雜，本身并非僅僅是編程那么簡(jiǎn)單，其能力分為計(jì)算機(jī)使用能力、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)認(rèn)知能力和計(jì)算思維能力。怎么在程序設(shè)計(jì)類課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，需要我們解決的基本問題即：任務(wù)抽象和分解、啟發(fā)式推理、重構(gòu)知識(shí)體系、思維能力訓(xùn)練。主要從以下兩方面入手：

（一）引入“觀察—聯(lián)想—變換”的計(jì)算思維方式或過程

在ACM大賽指定參考書《程序設(shè)計(jì)中常用的計(jì)算思維方式》中，將程序設(shè)計(jì)的一般思維過程概括為“先觀察，再聯(lián)想，后變換”，即經(jīng)過觀察問題而了解、了解問題而認(rèn)識(shí)、認(rèn)識(shí)問題而解決，繼而經(jīng)過編程者自己的聯(lián)想，與現(xiàn)有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，尋找之間的關(guān)聯(lián)，最終經(jīng)過改造和變換，將初始問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)或多個(gè)已知解決方法的小問題，達(dá)到解決初始問題的目的?；诖耍n題組嘗試對(duì)目前程序設(shè)計(jì)類課程所采用的問題驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目分解、啟發(fā)式教學(xué)等方法進(jìn)行完善，通過對(duì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的一般思維方法或過程的引導(dǎo)，使學(xué)生感受到程序設(shè)計(jì)之美、獨(dú)立解決問題之美、計(jì)算之美，耳濡目染培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力。

通過培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生利用“先觀察，再聯(lián)想，后變換”的思維過程解決問題，讓學(xué)生感受到程序設(shè)計(jì)之美、獨(dú)立解決問題之美、計(jì)算之美。

以《C語言程序設(shè)計(jì)》課程為例，其中的許多知識(shí)點(diǎn)都為此提供了生動(dòng)案例。第一堂實(shí)驗(yàn)課上，實(shí)驗(yàn)教師主要以展示經(jīng)典案例為主，例如實(shí)驗(yàn)教師可以從“猜數(shù)游戲”入手，在課堂上用游戲的方式激發(fā)學(xué)生對(duì)語法、語義、算法、設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣，從游戲引入知識(shí)點(diǎn)，用知識(shí)點(diǎn)帶動(dòng)學(xué)生對(duì)語法的掌握、對(duì)算法的理解、對(duì)設(shè)計(jì)的熟悉，是學(xué)生加深對(duì)計(jì)算思維的理解。這種傳授知識(shí)、技能和計(jì)算思維的一體化教學(xué)模式，摒棄了原有的“重語法、輕方法、不談思維”的錯(cuò)誤教學(xué)方法，使教學(xué)目標(biāo)從“知識(shí)和技能”的傳授上升到“思維”的教學(xué)，即指導(dǎo)學(xué)生提煉出知識(shí)和技能背后所包含的具有普適性的本質(zhì)思想——計(jì)算思維。

（二）融合“輕游戲”進(jìn)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)實(shí)踐中

課題組還嘗試著將“輕游戲”，也就是教育游戲引入到程序設(shè)計(jì)類課程中，將枯燥乏味的語法規(guī)則，利用電腦游戲的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，將游戲娛樂融合進(jìn)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)實(shí)踐中，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，使其形成自主學(xué)習(xí)的心理，主動(dòng)進(jìn)入到知識(shí)學(xué)習(xí)的情境當(dāng)中，提高學(xué)習(xí)者的對(duì)程序設(shè)計(jì)語言語法規(guī)則的熟練度，幫助學(xué)習(xí)者內(nèi)化計(jì)算思維方法，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力的目的。

三、構(gòu)建適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可以直觀地讓學(xué)生感知程序設(shè)計(jì)語言的內(nèi)在規(guī)律，使學(xué)生在程序設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域從感性認(rèn)知上升到理性認(rèn)知，在問題分析、算法設(shè)計(jì)、程序編碼、程序調(diào)試的過程中，鞏固已學(xué)的理論知識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)創(chuàng)造性思維方式及實(shí)踐能力。在程序設(shè)計(jì)類課程學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生通過上機(jī)操作了解算法、掌握程序設(shè)計(jì)方法、掌握程序設(shè)計(jì)語言及其運(yùn)行環(huán)境，最終掌握編寫程序和調(diào)試程序的初步能力，可以說，程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、編程能力、計(jì)算思維能力的重要途徑。

為了能夠?qū)⒂?jì)算思維能力的培養(yǎng)貫穿在整個(gè)教學(xué)過程中，課題組嘗試對(duì)目前程序設(shè)計(jì)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)的改革：

（一）實(shí)驗(yàn)流程規(guī)范化

要求學(xué)生嚴(yán)格按照“分析題目—用數(shù)學(xué)方法解決問題—繪制流程圖—編寫源程序—上機(jī)調(diào)試—?dú)w納總結(jié)”的順序依次進(jìn)行，使學(xué)生能夠養(yǎng)成正確的學(xué)習(xí)規(guī)律和思維習(xí)慣，提高他們創(chuàng)造性的思維方式及實(shí)踐能力。

（二）倡導(dǎo)算法多樣性

鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)現(xiàn)同一個(gè)計(jì)算任務(wù)的時(shí)候編寫不同的算法程序，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)算法進(jìn)一步探索并對(duì)自己出現(xiàn)的問題進(jìn)行反思，在培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力的同時(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)和探索精神，還可以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的多樣化、靈活性。

（三）上機(jī)指導(dǎo)啟發(fā)式

在學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)遇到問題的時(shí)候，不直接指出其問題所在，而是用啟發(fā)的方式引導(dǎo)學(xué)生自己找到問題所在并修改，養(yǎng)成其獨(dú)立分析、判斷問題的能力。

（四）考核評(píng)價(jià)客觀化

加強(qiáng)過程化考核的力度，將設(shè)計(jì)是否合理完整、程序結(jié)構(gòu)是否清晰、知識(shí)應(yīng)用是否得當(dāng)、代碼是否有抄襲雷同現(xiàn)象、運(yùn)行結(jié)果是否正確、具體答辯過程等對(duì)程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的考核環(huán)節(jié)指標(biāo)化，弱化實(shí)驗(yàn)教師的主觀判斷，指引學(xué)生以正確的方式學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，督促學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的目的。

計(jì)算思維的形成是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，僅通過目前兩門課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革是無法構(gòu)建起成熟的計(jì)算思維方式。課題組以2013級(jí)新生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，課題組成員根據(jù)不同學(xué)期內(nèi)容對(duì)這些課程進(jìn)行教育理念、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式等方面的響應(yīng)的改革；目前網(wǎng)上流行的“輕游戲”主要針對(duì)中小學(xué)或?qū)W前教育，很少有專注于開發(fā)大學(xué)生的教育游戲，下一步，課題組的一部分重心將放在程序設(shè)計(jì)類課程的“輕游戲”的開發(fā)上，以達(dá)到為學(xué)生今后的“計(jì)算思維”成長(zhǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、提供必要的條件。

［1］牟琴，譚良.計(jì)算思維的研究及其進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011（3）：10-15.

［2］朱立平，林志英.基于思維教學(xué)理論的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式的構(gòu)建［J］.計(jì)算機(jī)教育，2008（8）：58-60.

編輯∕高偉

吳玲（1982－），女，黑龍江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院、軟件學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向：軟件工程。

本文得到了“2013年黑龍江大學(xué)新世紀(jì)教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目”資助，項(xiàng)目編號(hào)：2013B44