強(qiáng)小利　藍(lán)雯飛

摘 要： Java程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)的重要課程。針對(duì)其教學(xué)現(xiàn)狀，以計(jì)算思維為切入點(diǎn)，給出了Java程序設(shè)計(jì)教學(xué)改革思路，在教學(xué)體系的構(gòu)建、教學(xué)方法的運(yùn)用、教學(xué)實(shí)例的選用等方面，做了詳細(xì)的討論，并提出了解決方案。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維； Java程序設(shè)計(jì)； 教學(xué)改革； 教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）11-87-03

Abstract： Java programming is an important course in computer related specialties，aiming at the present situation of the teaching， taking the computational thinking as the breakthrough point， the Java programming teaching reform idea is given in this paper. The construction of the teaching system， the application of the teaching method， the selection of teaching examples， etc.， are discussed in detail， and the solutions are proposed.

Key words： computational thinking； Java programming； teaching reform； teaching method

0 引言

在Java面世短短的十來(lái)年間，Java以其簡(jiǎn)單易學(xué)、安全可靠、面向?qū)ο?、多線程及平臺(tái)獨(dú)立性等許多特點(diǎn)[1-2]，被越來(lái)越多地推廣和使用，它已成為Internet上最受歡迎的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言之一[3]。

目前，許多高校將Java程序設(shè)計(jì)列為程序設(shè)計(jì)的核心課程之一，肯定了它在培養(yǎng)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)類(lèi)人才中的地位和作用[4]。

然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式以層次遞進(jìn)式講授理論知識(shí)、語(yǔ)法細(xì)節(jié)，然后通過(guò)課后習(xí)題和驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固。實(shí)踐證明，這樣的教學(xué)效果大多不理想，很多學(xué)生在學(xué)完該課后，僅停留在通過(guò)期末考試對(duì)理論知識(shí)的掌握上，普遍缺乏對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力；再則，對(duì)程序設(shè)計(jì)有著濃厚興趣的學(xué)生而言，不利于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，不能做到因材施教，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才[5-6]。改革傳統(tǒng)教學(xué)模式迫在眉捷。

計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為，并用最有效的辦法實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解[7]。學(xué)會(huì)計(jì)算思維，是在信息社會(huì)中創(chuàng)新的需要。要培養(yǎng)出創(chuàng)造性人才，教育在思想和方法上必須擺脫傳統(tǒng)教學(xué)的偏見(jiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用高效的思維去思考。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是提高學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的重要內(nèi)容。

本文針對(duì)Java程序設(shè)計(jì)課程，探討實(shí)施計(jì)算思維的教學(xué)過(guò)程和改革教學(xué)內(nèi)容，以期與同仁形成交流。

1 教學(xué)實(shí)施的過(guò)程和內(nèi)容

1.1 分析社會(huì)需求，明確課程定位，提出課程改革的目標(biāo)

在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)普遍注重理論知識(shí)的傳授和編程技能的培養(yǎng)，學(xué)生學(xué)到的是有關(guān)計(jì)算機(jī)的一些概念及通用計(jì)算手段的應(yīng)用。但是當(dāng)今社會(huì)處于急需各種創(chuàng)新人才的高科技時(shí)代，學(xué)生僅僅具備這些能力是不夠的。高速發(fā)展的信息社會(huì)要求計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生未來(lái)應(yīng)具備的計(jì)算能力是掌握支持各學(xué)科研究創(chuàng)新的新型計(jì)算手段并應(yīng)用計(jì)算手段進(jìn)行各學(xué)科的研究與創(chuàng)新，因此，大學(xué)Java程序設(shè)計(jì)課程應(yīng)定位于以計(jì)算思維為核心，以編程知識(shí)為背景，使學(xué)生理解典型的計(jì)算思維，掌握基于計(jì)算技術(shù)/計(jì)算機(jī)的問(wèn)題求解思路與方法，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維和計(jì)算工具分析和處理專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的能力，為今后的創(chuàng)新活動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 構(gòu)建將計(jì)算思維靈活地融入Java程序設(shè)計(jì)系列課程的新知識(shí)體系

以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的Java程序設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)改革并不意味著一定要將現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容“推倒重來(lái)”，而是在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以計(jì)算思維為主線，重新組織教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加新的能體現(xiàn)計(jì)算思維的知識(shí)點(diǎn)，刪除一些陳舊的知識(shí)或技術(shù)細(xì)節(jié)，大幅度調(diào)整課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建一個(gè)與計(jì)算思維相融合的新的課程知識(shí)體系。

⑴ 分析研究計(jì)算思維的內(nèi)涵和特征

在明確課程定位后，我們應(yīng)首先仔細(xì)分析計(jì)算思維的內(nèi)涵，研究計(jì)算思維的基本組成部分，這些基本組成部分的特征和表現(xiàn)是什么，確定在課程知識(shí)體系中涉及計(jì)算思維的哪些概念；然后將知識(shí)體系分解為知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)，研究這些知識(shí)點(diǎn)如何與計(jì)算思維的典型特征有機(jī)融合。

對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵的解讀有很多。2010年，Peter J. Denning在ACM關(guān)于“什么是計(jì)算”的研討會(huì)上指出：計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的思維方法，這種方法將問(wèn)題表示為關(guān)于某個(gè)計(jì)算模型（該模型必須被發(fā)明或發(fā)現(xiàn)）的信息處理過(guò)程，并尋求一種算法上的解決方案。2012年，李廉教授指出：“計(jì)算思維是人類(lèi)科學(xué)思維中，以抽象化和自動(dòng)化，或者說(shuō)以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的思維形式。計(jì)算思維的標(biāo)志是有限性、確定性和機(jī)械性。計(jì)算思維的結(jié)論應(yīng)該是構(gòu)造性的、可操作的、能行的”。

戰(zhàn)德臣教授提出的“計(jì)算之樹(shù)”很好地描繪出融入計(jì)算思維后的計(jì)算機(jī)所面對(duì)的知識(shí)空間，即“核心”的計(jì)算思維，主要有“計(jì)算之樹(shù)”的樹(shù)根—計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)的奠基性思維：0和1、程序、遞歸；“計(jì)算之樹(shù)”的樹(shù)干—通用計(jì)算環(huán)境的進(jìn)化思維：馮· 諾依曼機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、并行與分布計(jì)算環(huán)境、云計(jì)算環(huán)境；“計(jì)算之樹(shù)”的樹(shù)枝—計(jì)算與（社會(huì)/ 自然）環(huán)境的融合思維；“計(jì)算之樹(shù)”的雙色枝杈—交替促進(jìn)與共同進(jìn)化的問(wèn)題求解思維：算法與系統(tǒng)。

計(jì)算思維是一種形式規(guī)整的、問(wèn)題求解的和人機(jī)共存的思維。典型的計(jì)算思維包括一系列廣泛的計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方法：遞歸、抽象和分解、保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)等，是利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度。

⑵ 選取典型的計(jì)算思維，構(gòu)建新的課程內(nèi)容體系

選取學(xué)生需要掌握的典型計(jì)算思維，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新審視和定位，適當(dāng)裁剪和增刪；圍繞問(wèn)題的分析解決思路組織相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，最終構(gòu)建一個(gè)與計(jì)算思維有機(jī)融合的新的課程知識(shí)體系。

我們?cè)?013年和2014年，對(duì)Java程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了教學(xué)改革，初步構(gòu)建了課程知識(shí)體系，在實(shí)施過(guò)程取得了一些教學(xué)效果。接下來(lái)，我們還將要對(duì)C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、C#程序設(shè)計(jì)實(shí)施教學(xué)改革。

以“計(jì)算思維”為主線，我們將Java程序設(shè)計(jì)課程分為11個(gè)教學(xué)單元：計(jì)算思維概述、函數(shù)思維和抽象思維—方法和類(lèi)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維—程序結(jié)構(gòu)、分解思維—復(fù)雜對(duì)象及對(duì)象之間的聯(lián)系、抽象思維—對(duì)類(lèi)的進(jìn)一步討論、復(fù)用思維—繼承、執(zhí)行思維—多態(tài)、抽象思維—泛型、重用思維—異常和類(lèi)庫(kù)、并發(fā)思維—線程、對(duì)象思維—高級(jí)知識(shí)。要求在每個(gè)教學(xué)單元的教學(xué)內(nèi)容中，描述清楚理論知識(shí)背后蘊(yùn)含的計(jì)算思維是什么。受限于篇幅，表1僅給出第8單元（抽象思維——泛型）的知識(shí)點(diǎn)及其蘊(yùn)含的計(jì)算思維。

⑶ 改革教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的養(yǎng)成

恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法才能展現(xiàn)計(jì)算思維的魅力和基本思想方法。過(guò)去以講授知識(shí)點(diǎn)為主線的教學(xué)方法必須改變，轉(zhuǎn)為以講授認(rèn)識(shí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的思維過(guò)程為主線，使知識(shí)隨著思維的展開(kāi)而介紹，思維隨著知識(shí)的貫通而形成，能力隨著思維的理解而提高，這樣循序漸進(jìn)地促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的養(yǎng)成。

一方面，在課堂教學(xué)中采取基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式。探究教學(xué)是將科學(xué)問(wèn)題作為探究過(guò)程來(lái)講授，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣在探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)概念和規(guī)律，掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)精神。在課堂教學(xué)中，教師提出基于計(jì)算思維的探究性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的一系列方法探索和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)，通過(guò)簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、遞歸、抽象、分解、建模等計(jì)算思維的基本方法，將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)換成許多簡(jiǎn)單的子問(wèn)題并構(gòu)建求解模型，進(jìn)而充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解。當(dāng)學(xué)生掌握這種思維方法以后，教師再啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)方法自主探究并解決更深層次的問(wèn)題，從而達(dá)到知識(shí)鞏固、遷移和內(nèi)化為能力的目的。

另一方面，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。教師只給出實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生自主完成一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)解決方案從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。學(xué)生主動(dòng)思考，自主梳理知識(shí)，構(gòu)建學(xué)習(xí)模式，規(guī)劃解決方案，運(yùn)用計(jì)算思維的方法自主設(shè)計(jì)和獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。基于計(jì)算思維的任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將有利于培養(yǎng)學(xué)生自我建構(gòu)知識(shí)、計(jì)算思維和創(chuàng)新的能力。

⑷ 設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)計(jì)算思維顯著特征的教學(xué)案例

教學(xué)案例是教學(xué)內(nèi)容的重要載體，如果采用抽象枯燥的理論講解方式，學(xué)生將難以理解計(jì)算思維的抽象概念，更談不上通過(guò)學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維能力，因此我們需要設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)計(jì)算思維顯著特征的教學(xué)案例。

比如，在講授多態(tài)概念及其應(yīng)用時(shí)，為了簡(jiǎn)單、生動(dòng)的說(shuō)明執(zhí)行期間綁定的思維，設(shè)計(jì)一個(gè)既容易理解又能刻畫(huà)計(jì)算思維的例子。讓我們來(lái)看一個(gè)具體例子，門(mén)Door和計(jì)算機(jī)Computer都有打開(kāi)和關(guān)閉的操作，但這兩個(gè)對(duì)象沒(méi)有相似之點(diǎn)，這時(shí)我們可以使用接口Action抽象出它們的公共操作，以便程序能夠在執(zhí)行期間顯現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)的行為，代碼如下：

當(dāng)需要為一組不相關(guān)的類(lèi)建立公共類(lèi)型時(shí)，我們選用接口Action作為這一組類(lèi)（Computer和Door）的父接口。在程序執(zhí)行期間，根據(jù)引用r指向的對(duì)象，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)選擇對(duì)象的close（）方法，從而實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行期間的多態(tài)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)以上代碼時(shí)，告訴學(xué)生應(yīng)用了抽象思維和執(zhí)行思維，并闡述清楚何時(shí)需要用這兩個(gè)思維，不難發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)思維是并存的思維，兩者在應(yīng)用上缺一不可。

⑸ 打破課程間的邊界，突出“計(jì)算思維”主線

通過(guò)分析和研究不難發(fā)現(xiàn)，不同的“面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言”有著一些相同的特征和機(jī)制?！懊嫦?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言”基本的核心內(nèi)容也就是面向?qū)ο蟮娜齻€(gè)特征：封裝、繼承和多態(tài)，這三個(gè)教學(xué)內(nèi)容分別對(duì)應(yīng)著抽象思維、重用思維和執(zhí)行思維，因此在教學(xué)設(shè)計(jì)上可以適當(dāng)復(fù)用教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)用例。

比如我們講述繼承用例，選用了由三個(gè)類(lèi)（形狀類(lèi)Shape、圓類(lèi)Circle和矩形類(lèi)Rectangle）構(gòu)成的繼承結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

不難發(fā)現(xiàn)，不論講授什么語(yǔ)言，都可以復(fù)用上面給出的既簡(jiǎn)單又能說(shuō)明如何應(yīng)用抽象思維、重用思維的例子。我們需要告訴學(xué)生，選擇什么語(yǔ)言并不重要，重要的是如何應(yīng)用計(jì)算思維。在使用繼承的時(shí)候，同樣可以找出這樣的規(guī)律，抽象思維、重用思維也是共并存的思維，兩者在應(yīng)用上缺一不可。原因很簡(jiǎn)單，繼承是以抽象為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)思維。在應(yīng)用繼承的時(shí)候，能進(jìn)一步找出這樣的規(guī)律，一般地，抽象思維（封裝）、重用思維（繼承）和執(zhí)行思維（多態(tài)）是同時(shí)使用的。

2 結(jié)束語(yǔ)

程序設(shè)計(jì)課程中的計(jì)算思維訓(xùn)練對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)人才是十分重要的，因?yàn)橛?jì)算思維可以幫助學(xué)生理解計(jì)算的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，還有利于他們進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新。計(jì)算思維的本質(zhì)就是信息思維，也就是用計(jì)算機(jī)的方式思考問(wèn)題和表達(dá)行為，這也是計(jì)算機(jī)人才必備的能力。我們不僅要在程序設(shè)計(jì)課程中強(qiáng)化計(jì)算思維，還要努力把它推廣到更多的課程中去，真正把強(qiáng)化計(jì)算思維做到實(shí)處。

教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，我們期望通過(guò)廣大計(jì)算機(jī)教育工作者的研究、探索和改革實(shí)踐，訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法解決專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，從而為國(guó)家培養(yǎng)大量創(chuàng)新型人才。

本文比較詳細(xì)地討論了我們近幾年在Java程序設(shè)計(jì)課程中實(shí)施計(jì)算思維教學(xué)改革的一些做法和經(jīng)驗(yàn)，在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，對(duì)推動(dòng)Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革具有一定的借鑒意義，希望能與同仁分享與交流。接下來(lái)我們將會(huì)把計(jì)算思維引入到后續(xù)課程（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理等）的改革中去。

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