崔 杰

(遼寧工業(yè)大學(xué) 計算中心，遼寧 錦州 121001)

C 語言程序設(shè)計是大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育的重要課程之一，能夠最大而有效地開發(fā)和拓展學(xué)生的計算思維能力。C 語言是目前國內(nèi)外得到迅速推廣應(yīng)用的一種程序設(shè)計語言，大多數(shù)高校將它作為計算機(jī)專業(yè)或非計算機(jī)專業(yè)的第一門入門語言。作為程序設(shè)計的入門課程，學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)不牢和對計算機(jī)思維方式與傳統(tǒng)思維方式的差異理解不夠，沒有用計算機(jī)求解問題的能力。傳統(tǒng)教學(xué)過程中教師只注重語法知識和算法的講解，學(xué)生只是為學(xué)習(xí)語言而學(xué)習(xí)，忽略了程序設(shè)計學(xué)習(xí)中計算思維能力的培養(yǎng)，缺乏分析問題、抽象問題、解決問題的能力。因此，在C 程序設(shè)計教學(xué)過程中有意識地將計算思維意識培養(yǎng)、計算思維方法應(yīng)用貫穿始終，在程序設(shè)計課程中值得探索和實(shí)踐。

一、計算思維

計算思維作為人類認(rèn)識世界改造世界的三大科學(xué)思維之一，其概念由美國計算機(jī)科學(xué)家周以真（Jeannette Wing）教授提出，并得到國際上的廣泛認(rèn)同。周教授認(rèn)為：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基本概念進(jìn)行問題分析求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及計算機(jī)領(lǐng)域所涉及的一系列思維活動[1]。計算思維將滲透到我們每個人的生活之中，它是一種普遍的認(rèn)識和普適的技能，每一個人都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。將計算機(jī)技術(shù)用于自己從事的領(lǐng)域，這就是計算思維。當(dāng)今時代沒有人可以離開計算機(jī)獨(dú)立生活，因此，周以真教授在他的論文中說：在計算機(jī)應(yīng)用普及的時代，每個人都應(yīng)具備計算思維能力，而不僅僅是計算機(jī)科學(xué)家。

紙筆的時代已經(jīng)結(jié)束，我們應(yīng)該使我們的學(xué)生在培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力時不僅掌握閱讀、寫作、算術(shù)，還要學(xué)會計算思維。計算思維的概念一經(jīng)提出，便引起教育界高度重視。在美國國家科學(xué)基金會的組織下，于2007年啟動了“大學(xué)計算機(jī)教育振興途徑（CPATH）”研究計劃，確定了以“計算思維”為核心的美國大學(xué)計算機(jī)教學(xué)改革研究的新方向，并資助了該國70 多所高校參與改革。美國科學(xué)基金會（NSF）于2008年啟動了一個涉及所有學(xué)科的、以計算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究計劃“計算思維的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”（Cyber-Enable Discovery and Innovation，CDI），進(jìn)一步將計算思維的培養(yǎng)擴(kuò)展到美國的各個研究領(lǐng)域。20 世紀(jì)初計算思維也得到我國計算機(jī)教育研究會的高度重視，在國內(nèi)《九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中，把培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維能力作為大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心目標(biāo)[2]。作為計算機(jī)基礎(chǔ)課程一線教師，如何將計算思維融入到教學(xué)中來，是新形勢下教學(xué)改革面臨的一個挑戰(zhàn)。

二、以計算思維為導(dǎo)向的C 程序設(shè)計教學(xué)探索

隨著計算機(jī)應(yīng)用的普及，計算思維能力的培養(yǎng)得到教育界的高度重視。作為C 語言的一線教師，將計算思維融入教學(xué)中來，將計算思維方法應(yīng)用到教學(xué)當(dāng)中，從教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容的組織、算法多樣化的認(rèn)知方式等方面提出了一種以計算思維為導(dǎo)引的、切實(shí)可行的教學(xué)模式。

（一）學(xué)生分組及分層次教學(xué)

教師要鼓勵學(xué)生協(xié)同合作，自由組合組成學(xué)習(xí)小組，這樣大家可以相互學(xué)習(xí)，取長補(bǔ)短，在遇到問題時大家可以共同研究、探討，思路開闊，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情也非常高漲。學(xué)習(xí)程序設(shè)計對于多數(shù)學(xué)生來說有些困難，對理解問題、語法問題、調(diào)試能力等問題都存在著很大的差異。有的學(xué)生理解力很強(qiáng)，對于這部分學(xué)生，可以給予進(jìn)階的題目，大賽的題目。通過這種方法，竟然帶動了學(xué)習(xí)興趣不高的學(xué)生。身邊的榜樣作用是無窮的，樂于參與其中進(jìn)行探討學(xué)習(xí)，自然形成了以個別學(xué)生為帶頭的學(xué)習(xí)C 程序設(shè)計的氣氛。

（二）思維導(dǎo)圖的引入

授課之初教師就下發(fā)制作全局思維導(dǎo)圖和局部思維導(dǎo)圖的任務(wù)，由小組成員共同完成。全局思維導(dǎo)圖可幫助學(xué)生掌握課程的總體概況，局部思維導(dǎo)圖可以讓學(xué)生提前了解章節(jié)的知識，達(dá)到預(yù)習(xí)的目的。課后學(xué)生將自己繪制的思維導(dǎo)圖進(jìn)行完善細(xì)化，加入自己的理解和存在的問題。教師每次課的總結(jié)和期末復(fù)習(xí)也結(jié)合思維導(dǎo)圖進(jìn)行。每次課教師結(jié)合思維導(dǎo)圖對所學(xué)知識進(jìn)行梳理，學(xué)生對自己學(xué)習(xí)中存在的問題也就了如指掌。思維導(dǎo)圖也用于期末總結(jié)，教師將思維導(dǎo)圖發(fā)給學(xué)生，每組派一個學(xué)生總結(jié)一部分的思維導(dǎo)圖，所有組最終將所學(xué)的內(nèi)容能夠全部總結(jié)完畢。在總結(jié)的過程中教師起到及時補(bǔ)充更正的作用，這樣學(xué)生印象深刻。通過這種方式使學(xué)生前后知識點(diǎn)聯(lián)系密切，對知識的掌握融會貫通。

（三）N-S 流程圖的繪制

流程圖對于程序設(shè)計的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。每次實(shí)驗(yàn)前精選出1 道有代表性的典型程序來讓學(xué)生繪制N-S 流程圖。通過繪制N-S 流程圖使學(xué)生更加清楚程序的流程，提高對編程的理解，使學(xué)生認(rèn)識到編寫程序只是開發(fā)過程的一個部分。讓學(xué)生知道程序設(shè)計是由從需求分析、模塊劃分、代碼編寫以及測試和后期的維護(hù)組成，使學(xué)生清楚自己做的工作是哪部分，對問題的整體性把握更好。

（四）錯誤匯編

初學(xué)程序設(shè)計，調(diào)試程序中出現(xiàn)的各類錯誤是學(xué)生最頭疼的問題，必須從根本上解決，否則將是后期的學(xué)習(xí)的最大阻力。因此在教學(xué)初期教師要求學(xué)生制作錯誤匯編。學(xué)生在調(diào)試程序時出現(xiàn)問題，除了系統(tǒng)原因由教師解決，一般應(yīng)獨(dú)立解決；如果不能獨(dú)立解決，則尋求小組成員協(xié)助解決；本小組解決不了的問題提交給教師，由老師將問題發(fā)給其他小組，由其他小組解決；各小組都沒能解決的問題，才能由老師解決。這種組間協(xié)作調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。調(diào)試過程中要求學(xué)生記錄程序調(diào)試過程中出現(xiàn)的錯誤，課后小組成員進(jìn)行匯總，形成一份錯誤匯編。通過錯誤匯編，學(xué)生知道常出現(xiàn)的錯誤類型、錯誤原因及修改方法。錯誤匯編用于學(xué)習(xí)程序設(shè)計初期，使學(xué)生調(diào)試程序能力迅速提升。有了調(diào)試程序的堅實(shí)基礎(chǔ)，后期程序設(shè)計的調(diào)試程序的過程就得心應(yīng)手了。本次錯誤匯編的嘗試使學(xué)生在調(diào)試程序能力方面得到了很大提高，小組組員之間協(xié)作密切，小組之間競爭意識增強(qiáng)。由于錯誤都是英文的，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)英語的興趣。

（五）與專業(yè)相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)熱情

在課程后期針對講解的知識點(diǎn)適當(dāng)引入相關(guān)專業(yè)課程中包含C 語言的部分代碼，讓學(xué)生了解C程序設(shè)計在他們的專業(yè)方面的應(yīng)用，提高他們的學(xué)習(xí)欲望，對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下興趣的基礎(chǔ)。例如：在通信專業(yè)講解位運(yùn)算時，引入單片機(jī)中用C 程序進(jìn)行紅綠燈的控制，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（六）計算思維方法的運(yùn)用

C 語言教學(xué)改革，致力于實(shí)現(xiàn)計算思維在學(xué)習(xí)過程中得到潛移默化的培養(yǎng)，使學(xué)生養(yǎng)成用計算思維的方法解決學(xué)習(xí)工作中出現(xiàn)的問題，最終達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目標(biāo)。

1.系統(tǒng)思維的運(yùn)用

系統(tǒng)思維方法就是從事物的系統(tǒng)性出發(fā)思考問題，以獲得最佳處理方案為目標(biāo)的思維方法[3]。即從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，從全局到局部的關(guān)系，從內(nèi)部到外部的關(guān)系、相互作用關(guān)系、相互制約關(guān)系中，對對象進(jìn)行系統(tǒng)而準(zhǔn)確的考察。在程序設(shè)計中需求分析要求對軟件的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行通盤考慮，需要解決硬件與軟件的矛盾，開發(fā)商與用戶的矛盾，軟件模塊之間的矛盾等，在矛盾中找到解決的方法。在整個系統(tǒng)分析過程中體現(xiàn)了科學(xué)的系統(tǒng)思維方法。

2.窮舉思維的運(yùn)用

窮舉法也被稱為暴力破解，就是通過把需要解決問題的所有可能情況逐一試驗(yàn)來找出符合條件的解的方法。對于沒有任何規(guī)律的情況不失為一種可行的方法，比如數(shù)字密碼破譯，如果在不考慮時間的情況下都會得到最終的結(jié)果。窮舉法在循環(huán)、數(shù)組中應(yīng)用非常廣，比如水仙花、素數(shù)、最大值、密碼破譯等問題都可以使用窮舉法。讓學(xué)生掌握這種方法，知道什么情況下可以使用這種方法對日后的學(xué)習(xí)和工作都有很重要的意義。

3.發(fā)散思維的運(yùn)用

發(fā)散思維可以通過從不同方面思考同一問題，如“一題多解”“一事多寫”“一物多用”等方式，培養(yǎng)發(fā)散思維能力。教師在教學(xué)中要多組織一些一題多解、多路思考的活動，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散性思維。發(fā)散思維在C語言程序設(shè)計教學(xué)之初就給學(xué)生留下了深刻的印象。例如，求3 個數(shù)的最大值問題。每個小組經(jīng)過討論，最后都可以想出幾種不同的方法。雖然方法不夠完善，但經(jīng)過獨(dú)立的思考，思路沒有受到限制，加深了對問題的理解。然后教師和學(xué)生一起總結(jié)，歸納起來求三個數(shù)x、y、z 最大值的問題基本上有四種方法：

方法A:利用單分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

這四種方法不但體現(xiàn)了不同的思路，而且也用到了if 的單分支、雙分支、多分支和if 的嵌套，使所學(xué)的知識也得到了更好的運(yùn)用。最后提出對于數(shù)據(jù)量比較大的情況，哪種方法更加適合推廣？最后一致認(rèn)為A、B 兩種方法適合推廣，這兩種方法在后續(xù)的數(shù)組中也會用到，為后續(xù)的數(shù)組講解奠定了很好的基礎(chǔ)。

4.逆向思維的運(yùn)用

所謂逆向思維也叫求異思維，它是反過來思考的一種思維方式。就是沿著事物發(fā)展的反方向去思考問題并尋求解決辦法。運(yùn)用逆向思維去思考和處理問題，往往會收到意想不到的效果。在C 語言多年教學(xué)當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)類型之初就掉隊了，面對數(shù)據(jù)類型多樣、輸入輸出格式多變等問題，對C 語言的學(xué)習(xí)就產(chǎn)生了畏難心理。針對該問題筆者提出了逆向解決該問題的方法。可以先不直接介紹數(shù)據(jù)類型，直接講解1 道程序，設(shè)置不正確的數(shù)據(jù)類型會出現(xiàn)溢出，計算錯誤等情況，在調(diào)試的時候讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計中設(shè)置不同數(shù)據(jù)類型的必要性，然后列出所有的數(shù)據(jù)類型及輸入輸出格式符，讓學(xué)生自己去選擇使用哪種數(shù)據(jù)類型及輸入輸出格式符。一旦理解了，記憶就不是問題了，這樣數(shù)據(jù)類型就自然而然地接受了。

于是引出應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際范圍和參與的運(yùn)算類型來確定數(shù)據(jù)的存儲類型，那么數(shù)據(jù)類型的問題的引出及講解已經(jīng)是水到渠成了。該問題從問題產(chǎn)生的結(jié)果來引出問題，到最終解決問題，采用逆向的思維方法，解決了歷屆新生困惑已久的數(shù)據(jù)類型的問題，最后效果非常顯著，為今后的程序設(shè)計打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，也調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)語言的興趣。同時也體現(xiàn)了逆向思維在教學(xué)中產(chǎn)生的突出效果，加深了學(xué)生對逆向思維的認(rèn)識和理解。

三、總結(jié)

將“計算思維”融入C 程序教學(xué)中，在教授C程序設(shè)計的同時，加強(qiáng)計算思維意識培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)、工作及生活中運(yùn)用計算思維方法的能力。教師需要在教學(xué)中不斷提煉教學(xué)內(nèi)容，不斷改革授課方式，使教學(xué)過程更趨于啟發(fā)、引導(dǎo)、課內(nèi)外互通，有意識地將計算思維能力的培養(yǎng)融入到程序設(shè)計教學(xué)的各個環(huán)節(jié)當(dāng)中。學(xué)生用計算思維方法來求解問題的能力得到了提高，同時對創(chuàng)造性地解決問題的能力也有積極的促進(jìn)作用。同時也啟發(fā)老師在教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用一些思維方法則可以達(dá)到事半功倍的效果。