程序設計課程中強化計算思維訓練的實踐探索

陳杰華

摘要:計算思維強調問題求解的操作過程和機器實現,它的三大特征是形式規整、問題求解和人機共存。本文提出在課程中強化計算思維訓練兩種途徑:(1)以上機實驗為重點的計算思維訓練;(2)通過算法多樣化訓練計算思維。從而達到程序設計課程的終極目標:培養學生的研究創新能力,提高學生的信息素養。

關鍵詞:算法;問題求解;計算思維;創新思維

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

數學思維強調數與形的邏輯關系、演算推理能力和嚴謹態度,計算思維強調問題求解的的操作過程和機器實現。在《中國高等院校計算機基礎教育課程體系2008》中,提出對大學生計算機應用能力的三大要求是:操作使用能力、應用開發能力和研究創新能力。尤其是對于“程序設計基礎”課程而言,將學習目標確定成:(1)學習問題求解的思路和方法,即算法。(2)理解計算機是如何具體實現算法的,即如何才能有效的利用計算機編程。課程學習的重點不只是編寫程序,而是算法思想與問題求解的思路?？傊?就是要培養學生使用計算機編程,并最終形成計算思維。

2算法與計算思維

2.1算法

根據圖靈獎得主D.E.Knuth的定義:一個算法就是一個有窮規則的集合,其中規則規定一個解決某一特定類型問題的操作序列。學生在學習程序設計課程時,將通過算法設計并由計算機語言實現來體驗問題求解的思維訓練。算法的操作時序性確保問題求解過程是按步驟進行的,這種執行規則非常簡單機械。所以,教學過程中要使學生經歷算法化過程并體驗計算思維,它有利于培養學生的理性思維和行事邏輯能力。

2.2計算思維

美國卡內基?梅隆大學的周以真(J.M.Wing)教授在計算機權威期刊《Communications of the ACM》雜志上指出:計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、人類行為理解等的一系列思維活動。就問題求解(problem solving)而言計算思維與數學思維相似,它建立在計算過程的具體實現和約束之上,通過程序來控制機器的全部操作。

計算思維的本質是抽象和自動化。計算思維中的抽象體現在完全使用符號系統,甚至形式化語言。一個程序由標識符、常數、變量、數組名、函數名、語句、程序段等構成,其中的數據類型只是一個抽象特例。與數學思維相比,計算思維中的抽象顯得更豐富也更復雜。計算思維中的自動化體現在算法實現最終是“機械式”的按步驟自動執行,這是馮?諾伊曼機器的本質特征(即存儲程序原理)。要實現這一特征,就需要進行精確的算法描述和嚴格的符號表示。計算思維包括如下三大特征。

(1) 計算思維是一種形式規整的思維。算法確定性是算法和程序的基本要求,它的實現一定會使用基于數學語言的符號系統,即使用一種有限的確定性符號系統來描述問題和問題求解過程。算法確定性表明算法的每一步操作必須是確切定義的,沒有任何二義。所以,計算思維體現的正是嚴謹的、形式的、規整的邏輯思維。

計算思維使用形式化語言來準確描述問題求解過程。自然語言中往往因文化習慣的差異,會出現許多二義性。例如句子“車撞死人”,可以理解為車將人撞死,也可理解為車撞的是死人。在計算思維學習中,需要將計算任務用確定化的、形式化的、唯一化的語言進行描述。程序設計語言作為一種確定性符號系統,就可以進行形式化思維訓練。例如,學生在編程時產生的符號錯誤,都會在編譯和運行時表示出來,而學生通過檢錯和糾錯的過程,可以培養學生嚴謹規范的行為習慣和科學的實證精神。實際上,如果一個學生具有條理化的、反思性的思維習慣,則表示該學生的問題求解技能很強。

(2) 計算思維是一種問題求解的思維。它將問題求解的過程用“程序化”或“機械化”的方式表示出來。問題求解過程分為五個步驟:呈現問題、分析問題、聯系、行為選擇和反思檢驗。學生在面對計算機問題時,可依據已有的知識,提出問題求解方案,并用算法進行描述,最終由機器執行程序來檢驗問題求解的效果。例如火車分段計費問題就是我們在日常生活中感受到的問題,學生可根據自己對火車收費的理解,寫出數學式,然后用多分支結構算法進行描述,最后上機實現。

(3) 計算思維是一種人機共存的思維。算法可分為三種形式:①生活算法:即完成某一項工作的方法和步驟,例如一天的學習計劃;②數學算法:即對一類計算問題的機械的、統一的求解方法,例如一個多項式的因式分解;③計算機算法:即問題求解的精確描述,它具有明顯的自動化特征,如數據計算準度高并具有嚴格的操作時序,這是與計算機系統本身緊密相關的,所以用計算機實現問題求解,需要充分利用計算機的速度和存儲優勢,盡量發揮計算機與計算思維的威力。例如“百雞問題”,數學方法是用兩個三元不定方程進行求解,計算機算法則充分利用計算機的速度優勢,使用窮舉算法進行簡單重復操作進行求解。兩者的不同,可以使學生體驗到人機不同的信息處理特質。

3嘗試以上機實驗為重點的計算思維教學模式

在程序設計課程教學過程中,筆者改變偏重理論和課堂教學的傳統模式,嘗試以上機實驗為重點的計算思維教學模式,讓同學們能夠“在編程過程中學習知識、在學習過程中拓展思維”。具體實踐包括以下三個方面。

3.1提高上機實驗的地位

程序設計是一門實踐性學科,過去沿用“先講解程序,后上機實驗”的教學策略,這種教學策略只能增加學生的感性認識和上機實驗能力,并不能提高學生的計算思維能力。筆者認為讓學生按部就班完成前人設計好的算法,不是上機實驗的真正目的。上機實驗應該是培養學生計算思維能力的重要手段,是程序設計課程教學的核心。

3.2實驗內容要能培養學生的創新思維

要培養學生的創新思維,教師首先要不斷學習并創作適合同學們知識結構和心理特點的實驗內容。好的實驗內容,能夠為學生的創新思維留出適當的空間。在教學過程中,要強調并培養學生對于計算過程的嚴謹性,編寫程序是要強調從需求定義開始,然后進行算法優化與選擇,最后通過上機實驗。當出現程序錯誤時不要放棄,而是努力排除錯誤,這樣能夠強化學生的計算思維訓練。同學們一定會因為提出新算法和排除錯誤感到滿足,這樣可以使同學們積極思維,大膽創新。

3.3增強實驗內容的趣味性和綜合性

通過計算任務的趣味性、綜合性等來增強實驗內容的難度,從而強化計算思維訓練。大學生一般對新鮮事物好學、好問并富于幻想,初遇計算任務時往往興致盎然,幻想編寫程序。但在傳統教學中,缺少趣味性和綜合性,進而導致同學們沒有學習興趣,所以,設計實驗內容盡量生活化、趣味化。例如在分支程序結構中,安排火車計費程序進行計算思維訓練。

4通過算法多樣化訓練計算思維

4.1提倡算法多樣化的目標

程序設計教學的教育價值在于突出計算思維,在倡導算法多樣化的過程中,培養學生的創新意識、探索精神和問題求解能力。在教學過程中,應該尊重學生的個體差異,關注學生思維能力培養。課程目標不僅僅是培養學生的操作技能,還要通過強調算法多樣性來培養學生的計算思維能力。

4.2尊重學生不同的認知方式

算法多樣化的本質是尊重學生不同的認知方式,在教學過程中由于學生認知方式的差異,必然會導致算法多樣化。教師應該尊重每位學生的個體特征,鼓勵學生從不同角度認識問題,用不同方式表達算法,用不同方法實現問題求解。同時教師給予適當的評價,就是尊重學生不同的認知方式。

4.3增強計算任務的多樣性和重構性

在教學過程中,教師要重視并培養學生計算思維的多樣性和重構性。多樣性可以盡量激發學生的思維活動,重構性通過變化也能夠強化計算思維訓練。實際上,不同學生會使用不同的學習方法和思維方式。對一個學生來說是好的計算方法,對別的學生不一定適合。另外,各種計算方法都有它的局限性,其實程序只需要保證正確并具有可讀性。所以,在設計實驗內容時,鼓勵同學們編寫各種程序來實現同一個計算任務,鼓勵改寫別人編寫的程序,從而培養同學們計算思維的多樣性和重構性。

4.4充分利用算法的簡化和優化過程

在教學過程中教師,不但要倡導算法多樣化,還要引導學生對算法進行反思和進一步探索,從而達到簡化并優化算法的目標。將一個計算任務用多種思路、多種算法進行求解,可以發展學生計算思維的靈活性。算法多樣化讓學生可以用自己喜歡或能夠理解的算法,通過交流、評價得到計算結果。

5結論

進行計算思維訓練對計算機學科人才培養是極為重要的,因為它不僅使學生理解計算機的實現機制和約束,有利于學生進行發明和創新,更重要的是有利于提高學生的信息素養,也就是處理計算機問題時應有的思維方法、表達形式和行為習慣。信息素養要求學生能夠對于獲取的各種信息通過自己的思維進行深層次的加工和處理,從而產生新的信息。當然,僅通過一門課程學習就形成信息素養是不可能的,但應該使學生懂得計算思維對軟件設計是非常重要的。

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