皇甫睿，楊 威

（山西師范大學(xué) 教育技術(shù)與傳媒學(xué)院，山西 臨汾041000）

一、引言

計算思維由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授提出，是運用計算科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。計算思維的教育價值體現(xiàn)在三個方面：問題求解思路、創(chuàng)新思維和形式化描述[2]。而程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)恰恰是學(xué)習(xí)求解問題的思路和方法，即算法。這種能力需要在教學(xué)中通過實際操作不斷強化才能得到訓(xùn)練。C#是當(dāng)前比較流行的面向?qū)ο蟮木幊陶n程，也是高職院校計算機專業(yè)的必修課之一，貴在讓學(xué)生獲得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計最基本的知識，得到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思維訓(xùn)練、基本職業(yè)能力的訓(xùn)練和社會能力的訓(xùn)練。本文通過對計算思維方法的深入研究，設(shè)計符合教學(xué)目標(biāo)、針對學(xué)生能力的教學(xué)案例，構(gòu)建面向C#的計算思維訓(xùn)練支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)專門用于學(xué)生課下學(xué)習(xí)C#課程，目的是提升學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)能力和思維能力，本文還做了相應(yīng)的實驗研究，得出了一些教學(xué)策略與系統(tǒng)改進建議。

二、問題求解中的思維方法

計算思維就是將計算機作為工具，用來解決由具體問題轉(zhuǎn)化成的抽象問題（也即格式化或形式化的問題）的一種思維方式，屬于面向問題和面向解決方案的方法論范疇。對于教師而言，程序設(shè)計課程并不是一門簡單的技術(shù)性課程，高職教師不同于某些培訓(xùn)班的教學(xué)人員，不是以傳授技能、迅速上崗為原則，而是更注重學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，那么在教學(xué)設(shè)計中就應(yīng)該有明確的體現(xiàn)。針對不同的教學(xué)任務(wù)，不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生，思維訓(xùn)練的策略也有所不同。本文將程序設(shè)計中常用的幾種方法作了仔細研究，常用的思維方法有整體性思維、構(gòu)造性思維、目標(biāo)轉(zhuǎn)化思維、分類處理思維、逆向思維、聯(lián)想思維等。如圖1所示，結(jié)合以往教學(xué)經(jīng)驗，程序教學(xué)中的問題求解過程從分析問題、算法設(shè)計、編程實現(xiàn)到運行、結(jié)果檢驗都應(yīng)貫穿有思維訓(xùn)練，并且要將人的邏輯思維能力與計算機結(jié)合，以使算法達到最優(yōu)化。

三、系統(tǒng)設(shè)計

1.整體架構(gòu)及功能分析

面向C#的計算思維訓(xùn)練支持系統(tǒng)，是借助Moodle平臺搭建的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)，通過設(shè)計多樣化的算法和基于計算思維培養(yǎng)的解題思路，為學(xué)生提供共享的學(xué)習(xí)資源環(huán)境和自主學(xué)習(xí)平臺，幫助學(xué)生作課下學(xué)習(xí)；同時，也為教師開展教學(xué)、進行教學(xué)管理創(chuàng)造了便捷的平臺。本文綜合考慮學(xué)生的先決技能、高校學(xué)習(xí)環(huán)境，依據(jù)C#程序設(shè)計課程的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計了面向C#課程的計算思維培養(yǎng)支持系統(tǒng)，系統(tǒng)功能模塊的總體設(shè)計見圖2。

圖1問題求解中的思維方法

圖2系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（1）教師模塊。教師的主要任務(wù)就是進行課程設(shè)計，在對C#課程標(biāo)準(zhǔn)參透的基礎(chǔ)上，設(shè)計出有效的思維訓(xùn)練算法，并上傳到學(xué)習(xí)平臺供學(xué)生課下學(xué)習(xí)交流。教師擁有對課程的全權(quán)管理權(quán)限，可以通過系統(tǒng)為學(xué)生上傳學(xué)習(xí)資料、發(fā)布貼子、與學(xué)生互動、查看學(xué)生作業(yè)等。

（2）學(xué)生模塊。學(xué)生是該系統(tǒng)的使用者，也是主要用戶。該系統(tǒng)為學(xué)生設(shè)計的主要功能有個人信息管理、案例學(xué)習(xí)、思維訓(xùn)練、討論區(qū)、聊天室、作業(yè)提交。學(xué)生成功登錄后可以進行自主學(xué)習(xí)，并能根據(jù)教師提供的資源進行練習(xí)，同時還能提交問題、與教師和同學(xué)進行交流互動等。

（3）管理員功能。管理員具有最高權(quán)限，可以對教師和學(xué)生用戶進行管理，對課程進行管理、角色委派，對所有發(fā)布的信息進行統(tǒng)一管理等等。

2.主頁面設(shè)計

系統(tǒng)主頁面設(shè)計要注意以下幾點：①界面直觀簡潔。目的是為了讓用戶更加方便地進行課下學(xué)習(xí)、能夠迅速找到學(xué)習(xí)內(nèi)容并進入學(xué)習(xí)；②語言、布局和設(shè)計要保持一致性。色彩搭配和諧、排版整齊劃一也是視覺方面的審美要求；③方便用戶使用。要遵循實現(xiàn)目標(biāo)功能的最少操作數(shù)原則、鼠標(biāo)最短距離移動原則等。本系統(tǒng)的頁面經(jīng)過合理規(guī)劃，將主要功能集中在一起，以綠色柔和為主基調(diào)，如圖3所示。后期我們將會對頁面的色彩、布局及動態(tài)效果進一步改進。

圖3系統(tǒng)主頁面設(shè)計

3.系統(tǒng)實施流程

教學(xué)實驗過程中，每一個任務(wù)都各有其特點，教師不能一味按照課本上的模式組織教學(xué)，更不能照本宣科。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計無外乎封裝性、繼承性、多態(tài)性三個特征。在求解問題時，運行效率取決于設(shè)計模式，設(shè)計模式取決于思維模式，因此，我們要在教學(xué)過程的每一個環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控，設(shè)計多樣化的算法，實驗班借助系統(tǒng)的支持，設(shè)計如圖4所示師生主要的教學(xué)活動流程，該流程按照“教師-學(xué)生-教師-學(xué)生”的交互模式進行。教師要先對課程內(nèi)容進行充分的準(zhǔn)備，對問題作透徹的分析，結(jié)合學(xué)生的先驗知識和理解能力，設(shè)計出有效的算法，并將學(xué)習(xí)內(nèi)容上傳至學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)；學(xué)生利用課下時間通過網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)、思考和練習(xí)，還可以在網(wǎng)上發(fā)布貼子、交流討論；與此同時，教師也要及時關(guān)注學(xué)生的在線動態(tài)，進行答疑解惑、作業(yè)批改等；最后，在上機實訓(xùn)的過程中，學(xué)生便能更加從容地完成任務(wù)，實現(xiàn)所學(xué)習(xí)的算法設(shè)計編程并調(diào)試運行進行驗證。

圖4教學(xué)活動流程

4.系統(tǒng)思維訓(xùn)練案例剖析

本系統(tǒng)的核心設(shè)計是為學(xué)生提供思維訓(xùn)練的算法和經(jīng)典案例，作為學(xué)習(xí)的支持平臺，下面列舉計算思維訓(xùn)練中逆向思維的經(jīng)典案例：判斷某年某月某日是星期幾——函數(shù)嵌套調(diào)用。

在C#中，所有的函數(shù)定義都是平行的。函數(shù)之間允許相互調(diào)用，也允許嵌套調(diào)用。習(xí)慣上把調(diào)用者稱為主調(diào)函數(shù)。嵌套調(diào)用就是一個函數(shù)調(diào)用另外一個函數(shù)，被調(diào)用的函數(shù)又進一步調(diào)用另外一個函數(shù)，形成一層層的嵌套關(guān)系，一個復(fù)雜的程序存在多層的函數(shù)調(diào)用。

如圖5所示給出的是函數(shù)嵌套調(diào)用的關(guān)系模型，我們要想判斷日歷某個日期是星期幾，首先要知道該日期是當(dāng)年的第幾天，即Days()函數(shù)，在此之前還要先對其是否為閏年進行判斷；然后才能根據(jù)公式w=(x+(x/400)+(x/4)-(x/100)+Days(y,m,d))%7計算出答案。圖5中的IsLeap()為判斷閏年的函數(shù)，ValueChanged()是觸發(fā)函數(shù)，F(xiàn)orm1_Load()是入口函數(shù)。如此逆向思考，問題便簡單很多。

圖5函數(shù)嵌套調(diào)用關(guān)系圖

四、教學(xué)設(shè)計

1.學(xué)習(xí)者先決技能分析

本文對某高校計算機專業(yè)二年級的學(xué)生進行實驗。實驗前，對學(xué)生的先決技能進行分析，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)編程語言過程中的思維障礙。

（1）形象思維主導(dǎo)，邏輯思維能力較差。形象思維是人最基本的思維能力，不需要學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生習(xí)慣于憑借直覺經(jīng)驗去思考問題，邏輯思維能力未得到良好的訓(xùn)練，對抽象的問題缺乏深刻感知。

（2）教學(xué)方法不當(dāng)導(dǎo)致思維定式。大多數(shù)學(xué)生在“傳遞-接受”式的教學(xué)方法引導(dǎo)下學(xué)習(xí)，缺乏自主性和合作意識，往往教師說什么就是什么，沒有個人觀點，有限的課堂教學(xué)容量極易導(dǎo)致思維的片面性、靈活性，久而久之形成思維定式，影響學(xué)生對知識的吸收，也不利于今后的發(fā)展。

（3）缺乏問題意識，難尋思維切入點。大學(xué)教育要培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，而不是單純地學(xué)習(xí)解決某一類問題的方法，要具有從實際問題中抽象出問題模型、找到問題解決切入點的能力。而70%以上的學(xué)生面對問題是茫然的，感到無從下手。

此外，實驗將C#的先行課程C語言成績作為前測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計與分析得到：1301班（對照班）平均分63.2，1302班（實驗班）的平均分為62.9，二者在實驗前水平無顯著差異，可以作對照實驗。

表1 期末成績t檢驗結(jié)果

2.教學(xué)實驗及結(jié)果的統(tǒng)計

實驗將1302班作為實驗班，1301班為對照班，每班均為40人。經(jīng)過一學(xué)期的實驗，在期末考試后，對兩個班的成績進行了統(tǒng)計，按照公式：期末成績=卷面成績*70%+實踐成績*30%，計算兩個班級的成績。

期末考試的試題是經(jīng)過各位教師反復(fù)測試后確定的，題目難易程度相當(dāng)，試卷采用標(biāo)準(zhǔn)化考試結(jié)構(gòu)，試卷為密封卷。最終全班的成績呈現(xiàn)正態(tài)分布，而且兩個階段的標(biāo)準(zhǔn)差均在正常范圍之內(nèi)，因此，本次考試結(jié)果的信度和效度符合要求。將兩個班看作兩個獨立樣本，通過SPSS對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并利用t檢驗分析這兩個樣本是否具有顯著性差異。

現(xiàn)假設(shè)兩個樣本總體為正態(tài)分布，忽略總體標(biāo)準(zhǔn)差。由于樣本數(shù)量大于30，要對比兩個班的成績差異性，采用均值方程的t檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。由于Sig(雙側(cè))=0.022＜0.05，小概率事件發(fā)生了，實驗組與控制組存在顯著性差異，說明采用基于經(jīng)驗之塔的教學(xué)模式取得了一定的成效。

五、結(jié)束語

程序設(shè)計語言由一系列記號和相對應(yīng)的一系列規(guī)則構(gòu)成，抽象的語法、語義和內(nèi)部運行機理，使得多數(shù)學(xué)生較難入門，傳統(tǒng)的教學(xué)模式顯得枯燥乏味，學(xué)習(xí)效果也不理想。隨著以計算機、網(wǎng)絡(luò)和多媒體為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，計算思維已經(jīng)成為學(xué)習(xí)變革不可抗拒的潮流，通過抽象和分解的方法，選擇合適的方式對問題進行建模，將復(fù)雜問題約簡，轉(zhuǎn)化成為學(xué)生容易接受的思維模式。本文通過對C#課程的研究，結(jié)合以設(shè)計、構(gòu)造為主要特征的計算思維理念，設(shè)計了科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、新穎、有效的學(xué)習(xí)模式，并搭建了配套的計算思維訓(xùn)練支持系統(tǒng)，為減少學(xué)生盲目鉆研帶來的困難，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和抽象、轉(zhuǎn)化的邏輯思維能力，做了大量的工作和實驗研究，也取得了一定的成效。

由于對課程標(biāo)準(zhǔn)的參透不夠深入，教學(xué)設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計均有待進一步完善：一是要繼續(xù)參透教學(xué)內(nèi)容，使其與思維訓(xùn)練方法相配套，讓學(xué)生能夠更加清晰地學(xué)習(xí)編程案例；二是要對系統(tǒng)進一步完善，加強后臺管理，尤其是對貼子中師生互動記錄的管理，另外最好能對學(xué)生發(fā)布的貼子進行分類，便于教師和其他學(xué)生查看和交流；三是由于本系統(tǒng)是基于Moodle開發(fā)的平臺，界面設(shè)計等方面較為死板，需要進一步修改。

此外，實驗班級人數(shù)有限，該方法的有效性驗證結(jié)果可能存在片面性。因此，這些不足之處也是對教師的一大考驗，在今后的教學(xué)實踐中要做的工作還有很多。

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