余 穎，李曉昀，歐陽(yáng)純萍

（南華大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引 言

隨著社會(huì)信息化的進(jìn)程，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，具備一定的計(jì)算機(jī)編程能力是當(dāng)今大學(xué)生必備的技能之一，因此程序設(shè)計(jì)課程是全國(guó)各個(gè)高校理工科專業(yè)大一新生必修的一門課程，然而，從實(shí)際教學(xué)效果來(lái)看，并非盡如人意。課程本身有一定難度，雖然任課教師課程導(dǎo)入很好，很多學(xué)生剛開始接觸程序設(shè)計(jì)時(shí)興趣盎然，但是隨著許多難以記憶和理解的概念、術(shù)語(yǔ)、語(yǔ)法的出現(xiàn)，尤其是對(duì)程序設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)的引入，學(xué)生開始感覺到課程乏味、枯燥，甚至思維混亂，經(jīng)常是課堂上好像聽明白了，上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)卻無(wú)從下手，寫不出程序，最后導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣逐漸降低。追根溯源，其實(shí)學(xué)生雖然學(xué)了課程，但是并沒有真正具備編程思維，而是僅僅知道了一個(gè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言以及相關(guān)語(yǔ)法，與程序設(shè)計(jì)課程的真正教學(xué)目的相去甚遠(yuǎn)。

很多教育者嘗試通過改革實(shí)踐教學(xué)來(lái)解決這一問題[1-5]，主要著力于研究以實(shí)踐教學(xué)為重點(diǎn)、以網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為依托、以實(shí)踐能力提升為目的的教學(xué)改革方案。不可否認(rèn)，合理設(shè)置更多的實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生熟練掌握程序設(shè)計(jì)技巧確實(shí)大有裨益，但是筆者認(rèn)為將思維方式融入教學(xué)中更為重要，只有讓學(xué)生掌握思維方式，才能不局限于某一種具體的編程語(yǔ)言，而真正了解程序設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。不少教育者早已關(guān)注于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[6-9]，作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的基石，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授在計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊Communications of the ACM上將計(jì)算思維定義為“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等的一系列思維活動(dòng)”[10]，其本質(zhì)就是抽象和自動(dòng)化。

1 策略性知識(shí)與思維策略的訓(xùn)練

認(rèn)知心理學(xué)將知識(shí)分為三大類：陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和策略性知識(shí)。陳述性知識(shí)告訴我們“是什么”，程序性知識(shí)告訴我們“怎么做”，策略性知識(shí)則是關(guān)于如何學(xué)習(xí)、如何思考的方法性知識(shí)，其實(shí)質(zhì)是一套如何學(xué)習(xí)、記憶、思維的規(guī)則和程序，它控制著人的學(xué)習(xí)、記憶和思維活動(dòng)[11]。策略性知識(shí)也是一種程序性知識(shí)，但不同于一般意義上的程序性知識(shí)，策略性知識(shí)針對(duì)個(gè)人自身的認(rèn)知活動(dòng)。在教學(xué)中，通常比較重視陳述性和一般程序性知識(shí)的教學(xué)，卻忽視策略性知識(shí)的養(yǎng)成。

策略是一種知識(shí)，而且是一種重要的知識(shí)，它跟其他知識(shí)一樣能夠表達(dá)和傳遞。 若這些知識(shí)能夠被學(xué)生真正理解、熟練掌握、自覺運(yùn)用、廣泛遷移， 就會(huì)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的學(xué)習(xí)和思維能力。已有實(shí)驗(yàn)證明，通過思維策略的訓(xùn)練有利于在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)進(jìn)行深水平的加工，有利于養(yǎng)成理解記憶的良好習(xí)慣。

2 程序設(shè)計(jì)中的思維策略

進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的思維策略訓(xùn)練，首先要了解程序設(shè)計(jì)過程中解決問題的思維策略是什么。任何學(xué)科領(lǐng)域中，解決問題的思維過程都可以大致分為3個(gè)階段：分析問題、解決問題和思路總結(jié)。有學(xué)者通過對(duì)“專家”與“新手”解決學(xué)科問題的思維過程進(jìn)行對(duì)比分析[12]， 總結(jié)出了解決問題的7條通用思維策略（見表1）。這7條策略中，策略1—3 是分析問題（表征問題）階段上的思維策略，策略4—6 是解決問題（思維推理）階段上的思維策略， 策略7 是解題后回顧總結(jié)（思路概括）階段上的思維策略。

程序設(shè)計(jì)也是一個(gè)解決問題的過程，它建立在計(jì)算過程的具體實(shí)現(xiàn)和約束之上，通過程序控制機(jī)器的全部操作，從而獲得問題的解。將通用策略映射到程序設(shè)計(jì)過程中，能夠得到程序設(shè)計(jì)的思維策略（見表1）。在程序設(shè)計(jì)過程中，前3個(gè)策略是決定成敗的關(guān)鍵，策略4—6與編碼實(shí)現(xiàn)相關(guān)，策略7則通過回顧總結(jié)幫助學(xué)生更好地掌握編程思維。

例如，素?cái)?shù)判定問題的程序設(shè)計(jì)求解如下：（1）首先是理解問題，確定什么是素?cái)?shù)，是否能在有限時(shí)間內(nèi)作出判定。

（2）接下來(lái)考慮問題的輸入為從鍵盤任意輸入一個(gè)整數(shù)，輸出為“Yes”或“No”的判定結(jié)果。

（3）考慮判定的算法。素?cái)?shù)判定的算法有很多，簡(jiǎn)單的枚舉嘗試、篩數(shù)法、同余法等，核心都是判斷能否整除。以枚舉為例，逐一枚舉因子，判斷是否能夠整除輸入的整數(shù)，若直至所有小于該數(shù)的因子都被嘗試，仍未發(fā)現(xiàn)可整除的因子，則判定為“Yes”，否則，判定為“No”。

至此，問題的分析已完成，解決的思路已確定，接下來(lái)進(jìn)一步剖析解決步驟。

（4）需要設(shè)置兩個(gè)整型變量完成判定：從鍵盤輸入的整數(shù)n，枚舉因子的循環(huán)變量i。由于需要逐一進(jìn)行枚舉，因此須采用循環(huán)結(jié)構(gòu)。按照素?cái)?shù)的數(shù)學(xué)定義確定循環(huán)控制范圍為[2,n-1]。

（5）結(jié)合編程語(yǔ)言選擇實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的語(yǔ)句，如在C語(yǔ)言中for、while、do-while均可實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)。

（6）考慮非正常輸入的處理，如負(fù)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符、其他字符等，需要在程序中對(duì)輸入的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

到這里問題已基本解決，結(jié)合一門具體的編程語(yǔ)言即可實(shí)現(xiàn)素?cái)?shù)判定問題的求解。

（7）當(dāng)成功實(shí)現(xiàn)素?cái)?shù)判定后，梳理求解問題的思路并進(jìn)行總結(jié)與應(yīng)用推廣，如在求解超級(jí)素?cái)?shù)、統(tǒng)計(jì)給定區(qū)間的素?cái)?shù)時(shí)，可將其聲明為自定義函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。另外，可考慮已實(shí)現(xiàn)代碼的改進(jìn)，如循環(huán)范圍還可依據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)證明來(lái)縮小（如枚舉至）。

表1 通用策略與程序設(shè)計(jì)思維策略

從分析問題到解決問題，再到思路總結(jié)，每個(gè)具體問題的程序設(shè)計(jì)過程都有對(duì)應(yīng)的思維策略，但都?xì)w集于7條抽象思維策略的范疇。若能讓學(xué)生掌握這樣的思維過程，也就達(dá)到了教學(xué)的真正目標(biāo)。

3 程序設(shè)計(jì)思維策略的元認(rèn)知訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)

我們嘗試通過元認(rèn)知訓(xùn)練，讓學(xué)生真正掌握程序設(shè)計(jì)的思維策略，并在實(shí)踐中得以體現(xiàn)。1976年，F(xiàn)lavell提出了元認(rèn)知的概念[13]，他認(rèn)為“元認(rèn)知是一個(gè)人所具有的關(guān)于自己思維活動(dòng)和學(xué)習(xí)活動(dòng)的認(rèn)知與監(jiān)控”，它體現(xiàn)了人在認(rèn)知活動(dòng)中的意識(shí)性、反省性和自主性。通過元認(rèn)知訓(xùn)練可以讓學(xué)生對(duì)自己的認(rèn)知加工過程進(jìn)行自我覺察、自我評(píng)價(jià)和自我調(diào)節(jié)，其實(shí)質(zhì)就是設(shè)法讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。我們以C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開展了一個(gè)學(xué)期的元認(rèn)知訓(xùn)練，將思維策略融入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用思維策略解決問題。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)自我提問單，見表2。

在課堂上講解程序設(shè)計(jì)案例時(shí)，教師可以通過自我提問的方式向?qū)W生逐一拋出問題，啟發(fā)其思考，讓學(xué)生在潛移默化中進(jìn)行元認(rèn)知訓(xùn)練，從而養(yǎng)成良好的程序設(shè)計(jì)思維習(xí)慣，在獨(dú)立解決問題時(shí)能夠正確地應(yīng)用思維策略求解問題。在2016—2017學(xué)年第一學(xué)期中，我們選擇2016級(jí)信計(jì)專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)性地開展思維策略訓(xùn)練，通過在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)完成情況來(lái)看（如圖1所示），經(jīng)過思維策略的元認(rèn)知訓(xùn)練，信計(jì)專業(yè)學(xué)生的解題平均數(shù)量明顯高于其他專業(yè)學(xué)生，并且最初在剛接觸程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，進(jìn)行分支結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)時(shí)，各個(gè)理工科專業(yè)學(xué)生的解題平均數(shù)量相差無(wú)幾，但在后期實(shí)驗(yàn)中，參與元認(rèn)知訓(xùn)練的信計(jì)專業(yè)學(xué)生逐漸在解題能力上優(yōu)于其他幾個(gè)專業(yè)的學(xué)生。

實(shí)驗(yàn)班與其他班的上機(jī)情況對(duì)比結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)班的上機(jī)任務(wù)完成情況明顯優(yōu)于其他班級(jí)。學(xué)期末，從每個(gè)專業(yè)挑選10名學(xué)生進(jìn)行一次限時(shí)的綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生平均解題數(shù)比其他班級(jí)學(xué)生多出0.8題?？梢?，基于元認(rèn)知的思維策略訓(xùn)練行之有效。

表2 元認(rèn)知訓(xùn)練自我提問單

圖1 實(shí)驗(yàn)班與其他班實(shí)驗(yàn)完成情況的比較

4 結(jié) 語(yǔ)

在數(shù)字化時(shí)代背景下，以計(jì)算思維主導(dǎo)的思維能力培養(yǎng)十分重要，而程序設(shè)計(jì)所包含的編程思維恰恰能夠很好地詮釋計(jì)算思維的內(nèi)涵。很多國(guó)家已經(jīng)開始在中小學(xué)生中普及計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程，從小開始培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。一種思維能力的培養(yǎng)，其終極目標(biāo)是“授人以漁”，因此在高校的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，摒棄以往“授人以魚”的方式，將思維策略訓(xùn)練引入課堂，將得到事半功倍的效果。