冉娟

摘 要 目前，計(jì)算思維的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今國內(nèi)外高校研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文引入了基于流程圖可視化軟件Raptor作為程序設(shè)計(jì)工具，程序設(shè)計(jì)的流程圖、算法設(shè)計(jì)融為一體，探討在程序設(shè)計(jì)入門課程中如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞 Raptor 程序設(shè)計(jì) 計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.027

Abstract At present， the cultivation of computational thinking has become a hot spot in the research and application of universities and colleges. This paper introduces the flow chart based visualization software Raptor as a programming tool， programming flowchart and algorithm design integration to explore how to cultivate the computational thinking ability of students in the program design entry.

Key words Raptor； programming design； computational thinking

1 程序設(shè)計(jì)與計(jì)算思維

社會(huì)不斷發(fā)展與進(jìn)步，對大學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。在這種社會(huì)背景下，應(yīng)該教什么，如何引導(dǎo)學(xué)生，如何培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，成為了我們當(dāng)前面臨問題。程序設(shè)計(jì)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，它體現(xiàn)了從問題到計(jì)算機(jī)求解的全過程。從計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)知識(shí)方面看，教會(huì)了學(xué)生語法規(guī)則和簡單程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；從培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力方面看，教會(huì)學(xué)生編寫程序和優(yōu)化程序；從計(jì)算思維角度上看，教會(huì)學(xué)生計(jì)算機(jī)求解問題的方法?？梢哉f，程序設(shè)計(jì)課程作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要組成部分，是訓(xùn)練學(xué)生思維的最具有操作性的平臺(tái)。

2 程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

讓新生掌握一門程序設(shè)計(jì)課程是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的重要任務(wù)之一。長久以來，各高校都將C語言作為程序設(shè)計(jì)入門課程，但通過多年教學(xué)實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)：由于課時(shí)限制和大一新生基礎(chǔ)差異，70%以上的大一新生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)過程中最棘手的問題是看到問題時(shí)，不知如何思考問題，不知如何入手，不知如何將思維轉(zhuǎn)換成程序代碼。這種現(xiàn)狀造成了我們在教學(xué)過程中，教師教著累，學(xué)生學(xué)著累，看到稍微難一些的題目就無從下手，久而久之，對程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生了“學(xué)而無趣”、“學(xué)而無用”的想法，學(xué)習(xí)效果下降，成績不及格率偏高等一系列問題，無形中使得程序設(shè)計(jì)課程變成了“一鍋夾生的飯”。究其原因，導(dǎo)致這種教學(xué)效果無疑是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中還在沿襲計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)課程的內(nèi)容與講法，授課教師為了讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)理解和接受這些抽象、理論性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，自然就會(huì)將程序設(shè)計(jì)的教學(xué)重點(diǎn)偏向于“語言”的講解，忽略了程序設(shè)計(jì)的“思想”和“方法”。這樣教學(xué)方式自然讓學(xué)生對程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)從程序設(shè)計(jì)思想和方法，轉(zhuǎn)移到了語言的語法規(guī)則上，忽略了計(jì)算機(jī)求解問題的核心是程序算法設(shè)計(jì)。程序算法設(shè)計(jì)不僅是計(jì)算機(jī)問題求解的核心，更是程序設(shè)計(jì)的靈魂，教會(huì)學(xué)生計(jì)算機(jī)求解問題的方法，才是程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的關(guān)鍵與目標(biāo)。針對這種教學(xué)現(xiàn)狀和出現(xiàn)的問題，我校在程序設(shè)計(jì)入門課程上作了改革與探索，試著分別對2014級新生和2015級新生開設(shè)了“Raptor可視化程序設(shè)計(jì)”課程來代替入門C語言程序設(shè)計(jì)課程，將Raptor作為程序設(shè)計(jì)工具，引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度來思考問題、解決問題，幫助學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)思想和方法。

3 計(jì)算思維視野下程序設(shè)計(jì)入門探索與實(shí)踐

（1）Raptor有利于程序設(shè)計(jì)入門。RAPTOR是一種基于流程圖的可視化編程開發(fā)環(huán)境，關(guān)于Raptor可視化計(jì)算軟件的介紹目前已經(jīng)在一些教材和文獻(xiàn)資料中進(jìn)行介紹，這里不再贅述。早在2003年，Raptor可視化編程軟件就已經(jīng)出現(xiàn)大學(xué)的課堂上。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)Dr. Tom Cortina給非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生講授的“Principles Of Computation”課程中引入了Raptor作為教學(xué)實(shí)踐工具，受到了學(xué)生好評。因?yàn)镽aptor具有了設(shè)計(jì)程序簡單、直觀的特性，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)時(shí)不僅學(xué)會(huì)程序設(shè)計(jì)的“思想”和“方法”，而且讓學(xué)生體會(huì)了利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問題求解的過程與方法，從而影響了學(xué)生的思維方式和思維習(xí)慣。所以使用Raptor進(jìn)行問題求解，可以使程序或算法思想變得更加清晰。

（2）RAPTOR有利于程序設(shè)計(jì)的算法設(shè)計(jì)教學(xué)。按照原有程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容的安排，一般是先給學(xué)生講解語法規(guī)則和程序結(jié)構(gòu)，然后借助程序流程圖來逐步滲透程序算法設(shè)計(jì)的思想。這種教學(xué)安排，初期學(xué)生還可以按照要求邊繪制流程圖邊編寫程序代碼，但隨著教學(xué)內(nèi)容逐步加大，流程圖在算法設(shè)計(jì)過程就逐步被放棄，學(xué)生看見題目就直接編寫程序。在還沒有形成很好的計(jì)算思維的時(shí)候，這樣做的結(jié)果是：簡單的題目還可以，稍微有一些難度的題目，學(xué)生就不知如何下手，為了繼續(xù)能夠做出題目，只能是“照貓畫虎”。將Raptor作為程序設(shè)計(jì)工具，利用其流程圖可以執(zhí)行與驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)，可以將這種狀況得到根本性的改善。例如在選擇結(jié)構(gòu)中以最簡單的“求三個(gè)數(shù)中最大值問題”，鼓勵(lì)學(xué)生尋求一題多解的方法。有的同學(xué)設(shè)計(jì)是采用順序處理方案，有的采用決策樹方案，有的采用通盤比較方案，還有的采用RAPTOR內(nèi)置函數(shù)Max，算法設(shè)計(jì)方案各異。讓學(xué)生分別對不同算法設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不僅讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算機(jī)求解的過程，而且也讓學(xué)生仔細(xì)思考在算法設(shè)計(jì)過程中如何找到一個(gè)簡潔高效的算法。由此可見，對于大一新生來說，將流程圖、算法設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)融為一體不僅是一種全新的體驗(yàn)，也是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維一個(gè)過程。

（3）RAPTOR有利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。Raptor在克服了語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的算法難理解、語法多等諸多問題后，更加側(cè)重于算法的驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，為程序和算法的初學(xué)者鋪就了一條平緩的道路，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。因此，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中從分析問題著手，經(jīng)過對問題建立數(shù)學(xué)模型、算法設(shè)計(jì)等過程來讓學(xué)生關(guān)注計(jì)算思維中關(guān)于問題抽象和問題分解能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的基本能力和計(jì)算思維能力。在新的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師應(yīng)該把更多的時(shí)間放在算法設(shè)計(jì)、算法效率分析和算法優(yōu)化的教學(xué)上，這也是效率作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心概念之一。在Raptor可視化程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上不僅要充分體現(xiàn)這一點(diǎn)，更要考慮到新生對程序設(shè)計(jì)的認(rèn)知能力和理解能力。因此，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)從學(xué)生感興趣的事物和案例出發(fā)，講解程序設(shè)計(jì)中基本概念、基本程序結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度來思考問題、解決問題。比如講解“遞歸算法設(shè)計(jì)”時(shí)，以往在C語言程序設(shè)計(jì)中都是很難理解，教師需要在PPT上進(jìn)行演示，有的學(xué)生還是不能理解遞歸是如何一個(gè)調(diào)用過程？利用RAPTOR可以很直觀觀察到程序遞歸的過程，數(shù)據(jù)變量的變化，如圖1所示求解兩個(gè)數(shù)最大公約數(shù)問題時(shí)利用遞歸算法設(shè)計(jì)程序時(shí)執(zhí)行過程（綠色部分為程序執(zhí)行步驟，紅色部分為數(shù)據(jù)變量傳遞的變化）。

通過這樣演示，學(xué)生很容易理解遞歸算法調(diào)用過程，對學(xué)生更好利用遞歸算法解題奠定了基礎(chǔ)。這種利用Raptor可視化程序獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，不僅讓學(xué)生對算法設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步理解，而且為培養(yǎng)計(jì)算思維能力打下基礎(chǔ)，也讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算思維，能夠?qū)⒂?jì)算思維應(yīng)用到實(shí)際中，更好地分析和解決問題。

4 結(jié)束語

在當(dāng)今信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，Raptor作為一種簡單易懂的可視化編程軟件，可以使用流程圖的方式來模擬程序的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)來求解問題的過程和方法，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中引入其作為教學(xué)實(shí)踐工具，不僅增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，而且通過對問題的思考、討論、交流，出示解決問題的流程圖并運(yùn)行結(jié)果，將程序設(shè)計(jì)中原本抽象的教學(xué)過程變得更加清晰，讓學(xué)生親歷知識(shí)的產(chǎn)生和形成過程。

課題來源：2014年全國高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)改革課題“面向計(jì)算思維能力培養(yǎng)實(shí)踐——以RAPTOR可視化程序設(shè)計(jì)為例”（編號(hào)：201503）

參考文獻(xiàn)

[1] 何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）.

[2] 程向前.基于流程圖的可視化程序設(shè)計(jì)環(huán)境對大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的影響[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（14）.

[3] 盧瓊.基于流程圖的程序設(shè)計(jì)工具 RAPTOR 對學(xué)生的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014.3.