以計算思維能力培養(yǎng)為導向的C程序設(shè)計實驗教學

劉光蓉

（武漢工業(yè)學院 數(shù)學與計算機學院，湖北 武漢 430023）

C程序設(shè)計是一門非常重要的計算機課程，不僅包含程序設(shè)計的基本知識，還大量包含和體現(xiàn)了計算思維的基礎(chǔ)概念、思維模式和解決問題的方法。在C程序設(shè)計教學中以計算思維能力培養(yǎng)為導向，對于培養(yǎng)學生對計算機科學的理解和興趣至關(guān)重要，不僅能為學生的編程學習和應用研究打下堅實的基礎(chǔ)，養(yǎng)成良好的編程習慣，同時也能鍛煉學生的計算思維和養(yǎng)成用計算思維的方法思考、解決問題的習慣。

1 計算思維

美國科學基金會計算機與信息科學工程部主任周以真教授2006年在ComputationalThinking一文中指出：“計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為[1]。它是人的根本的概念化的思維方式，是數(shù)學和工程思維的互補與融合，是思想而不是人造物。其本質(zhì)是抽象（abstraction）和自動化（automation）。抽象是通過簡化、轉(zhuǎn)換、遞歸、嵌入等方法，將一個復雜問題轉(zhuǎn)換成許多簡單的子問題并進行求解的過程，這是任何科學發(fā)現(xiàn)的必然過程；自動化是充分利用計算機運算能力來實現(xiàn)問題求解，以彌補人的計算缺陷，這將豐富計算機的應用范圍。因此計算思維是一種形式規(guī)整、問題求解和人機共存的思維?！?/p>

計算思維概念一經(jīng)提出，就引起了國內(nèi)外研究者的注意。2007年，為了尋找計算機科學與其他領(lǐng)域交叉研究的新方法，微軟研究院在美國卡內(nèi)基·梅隆大學建立了計算思維中心。2008年，ACM明確提出將計算思維作為計算機科學教學的重要組成部分。2010年在西安交通大學舉辦的首屆“九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學課程研討會”上，明確提出計算機基礎(chǔ)教學的核心任務是計算思維能力的培養(yǎng)[2－3]。上海交通大學和南方醫(yī)科大學正在試開設(shè)新課程 “計算機科學導論：計算思維”。該課程按“計算思維”的主要內(nèi)容，即問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解設(shè)置內(nèi)容。

2 C程序設(shè)計實驗教學目標

大學教育最主要的目標是學生綜合素質(zhì)與能力的培養(yǎng)，而計算機基礎(chǔ)教學在實現(xiàn)大學教育目標方面起著非常重要的作用。教育部高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學指導委員會提出了大學計算機基礎(chǔ)教學4個方面的能力培養(yǎng)目標[4]：對計算機的認知能力；應用計算機解決問題的能力；基于網(wǎng)絡的學習能力；依托信息技術(shù)的共處能力。這4個方面的能力目標中，對計算機的認知能力和應用計算機的問題求解能力[5]，恰好反映了計算思維的2個核心要素：計算環(huán)境和問題求解。

C程序設(shè)計是工科專業(yè)計算機基礎(chǔ)教學中的一門重要課程，是計算思維中語言級的問題求解。因此，計算思維能力不僅是C程序設(shè)計教學培養(yǎng)的核心能力，而且還涉及C程序設(shè)計教學的核心知識。據(jù)此，確立我校學生學習C程序設(shè)計，主要學習計算機分析和解決問題的基本過程和思路[6]。C程序設(shè)計實驗教學中以計算思維能力培養(yǎng)為核心任務，以講授程序設(shè)計方法為主要內(nèi)容，加強上機實踐，使學生通過實踐感受和領(lǐng)悟計算機問題求解的基本方法和思維模式，為提高學生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

3 合理設(shè)計實驗教學內(nèi)容

C程序設(shè)計課程是理論與實踐并重的課程，在實際教學過程中必須將理論教學與實踐教學緊密結(jié)合，使其相互促進。為了解決學生對所學知識缺乏必要的感性認識的問題，必須設(shè)計合理的實驗教學內(nèi)容，將知識傳授、技能訓練、能力培養(yǎng)融于一體，讓學生做中學，學中做，使所學理論知識在實驗中得到驗證和應用。

為了達到“理論夠用，突出實踐”的原則，將C語言的全部知識點歸納成9個核心知識點[7]，按照知識的難易和相關(guān)性將教學過程劃分為基礎(chǔ)能力模塊、中級應用能力模塊和高級應用能力模塊，見表1。

根據(jù)C程序設(shè)計3個教學模塊，將C程序設(shè)計實驗教學內(nèi)容采用循序漸進、由淺入深的方法，分為驗證型實驗、設(shè)計型實驗、綜合型實驗，使學生在記憶中理解，在理解中應用，在應用中創(chuàng)新。

表1 “C程序設(shè)計”教學模塊

3.1 驗證型實驗，使學生熟悉C程序設(shè)計計算環(huán)境

基礎(chǔ)能力模塊知識是學生編程與應用的基礎(chǔ)，要求學生記憶與理解，因此將基礎(chǔ)能力模塊的實驗教學內(nèi)容設(shè)置為驗證型實驗，使學生熟悉C程序設(shè)計的計算環(huán)境和開發(fā)步驟，了解C源程序的特點、結(jié)構(gòu)及書寫格式，掌握C語言基本數(shù)據(jù)類型、運算符與表達式，掌握數(shù)據(jù)的輸入與輸出，理解3種基本結(jié)構(gòu)，能夠解決較完整的編程問題。

驗證型實驗要求學生模擬教師解決問題的方法完成實驗內(nèi)容，是計算思維方法的模仿。強調(diào)演示和證明科學內(nèi)容的活動，是為了培養(yǎng)學生的實驗操作、數(shù)據(jù)處理、計算、觀察等個別智力技能，學生通過驗證標準的已知程序理解和學習基礎(chǔ)能力模塊的知識，比直接學習這些知識重要得多，學生們可以非常直觀地看到各個知識點在實際程序中的應用，快速熟悉C程序設(shè)計實驗環(huán)境，快速記憶與理解C語言的基本知識。

學生在進入驗證型實驗前，教師要引導學生回顧需要驗證的C語言基本知識，討論實驗步驟，提出注意事項，同時還要針對學生普遍容易出現(xiàn)錯誤的操作進行示范。

3.2 設(shè)計型實驗，培養(yǎng)學生計算思維能力

中、高級應用能力模塊知識要求學生在理解基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上學會應用，能編寫相對復雜的程序，因此將中、高級應用能力模塊的實驗教學內(nèi)容設(shè)置為設(shè)計型實驗。該部分實驗內(nèi)容按照等級考試機考題型設(shè)置為程序填空、程序改錯、程序設(shè)計[8]，要求學生按照提出問題、分析問題、設(shè)計算法、繪制N－S結(jié)構(gòu)流程圖、編寫程序、上機調(diào)試的過程進行。

設(shè)計型實驗綜合運用多種計算思維方法分析問題和解決問題，是計算思維方法的綜合運用。設(shè)計型實驗要求學生在掌握了一定的實驗技能和方法的基礎(chǔ)上，運用所學C語言基本知識，自行提出問題、分析問題、解決問題，通過算法分析、觀察實驗結(jié)果、對程序運行結(jié)果進行分析處理等環(huán)節(jié)最終得出正確的研究結(jié)論。設(shè)計型實驗是通過實踐提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生勇于探索、嚴謹求實、團結(jié)協(xié)作的精神，對于培養(yǎng)學生計算思維能力、創(chuàng)新能力有重要意義。

設(shè)計型實驗，教師對程序填空、改錯、設(shè)計，提出關(guān)聯(lián)思考，引導學生討論，鼓勵學生提出多種解決方案。

3.3 綜合型實驗，培養(yǎng)學生應用和創(chuàng)新意識

為了更進一步地培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力和探索、創(chuàng)新精神，拓展和升華計算思維，在C程序設(shè)計教學輔助平臺設(shè)置了“擂臺賽”，結(jié)合學習進度定期給出一個綜合型程序設(shè)計題，激勵學生利用課外時間編程并將源程序在規(guī)定的時間上傳，然后由教師批閱學生上傳的程序并評比出擂臺賽冠軍。對參與擂臺賽的學生的平時成績進行加分鼓勵。擂臺賽既能讓學生綜合運用所學知識，也能讓學生通過自身實踐獲得成就感，激發(fā)學生進一步主動創(chuàng)新學習的熱情。使學生好強好勝的心理得以充分的體現(xiàn)，培養(yǎng)了學生的競爭意識，增強了學生適應競爭日益激烈的社會形勢的能力，潛移默化地培養(yǎng)學生的計算思維和應用創(chuàng)新能力。

4 面向計算思維的C程序設(shè)計實驗教學

C程序設(shè)計實驗是提高實踐能力、積累經(jīng)驗、學懂計算思維方式的重要環(huán)節(jié)，是鍛煉學生對計算思維方法的運用、探索解決實際問題的重要過程。因此，在C程序設(shè)計課程教學過程中，改變偏重理論和課堂教學的傳統(tǒng)模式，嘗試以上機實驗為重點、以計算思維能力培養(yǎng)為導向的教學模式，讓學生能夠“在編程過程中學習知識、在學習過程中拓展思維”。

4.1 規(guī)范上機實驗流程

對于每次實驗內(nèi)容，要求學生按照“課前預習－上機調(diào)試－歸納總結(jié)”的順序依次進行，對于每一個題目都要按如下步驟進行：

（1）分析題目，確定所需要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

（2）給參與運算的變量賦初值；

（3）利用3種基本結(jié)構(gòu)解決問題；

（4）輸出結(jié)果；

（5）繪制 N－S流程圖；

（6）根據(jù)N－S流程圖編寫源程序；

（7）準備測試程序的數(shù)據(jù)和預期結(jié)果；

（8）上機調(diào)試；

（9）歸納總結(jié)。

規(guī)范的上機實驗流程[9]，能夠使學生養(yǎng)成一個良好的學習和思維習慣，提高學生分析、解決問題的能力。

4.2 上機指導重點是加強引導

學生上機實驗有疑問時，用提問的方式引導學生自己找到問題所在。上機輸入、編輯和調(diào)試程序時要求學生對于上機過程中出現(xiàn)的問題，除了因系統(tǒng)而引起的問題以外，一般應獨立處理，不要輕易提問。在編譯鏈接出現(xiàn)“出錯信息”時，要求學生將錯誤信息記錄下來，分析自己是犯了什么錯誤導致編譯鏈接時出現(xiàn)這樣的提示信息，避免下次犯相同的錯誤，下次即使犯了相同錯誤也可以很快地修改錯誤，讓學生在上機調(diào)試程序時養(yǎng)成獨立分析判斷問題的能力[10]。通過實踐得到的經(jīng)驗才是記憶最深刻、掌握最牢固的知識。

4.3 提倡算法的多樣性

由于學生認知方式和認知風格的差異，必然會導致算法多樣化。在C程序設(shè)計教學過程中，強調(diào)算法多樣性來培養(yǎng)學生的計算思維能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、探索精神和問題求解能力。在設(shè)計實驗內(nèi)容時，鼓勵學生編寫各種程序來實現(xiàn)同一個計算任務，鼓勵改寫別人編寫的程序，從而培養(yǎng)學生計算思維的多樣性和靈活性。

在倡導算法多樣化同時，還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(yōu)化算法的目標[11]。例如：在判斷一個數(shù)是幾位數(shù)時，學生最常用的算法是利用選擇結(jié)構(gòu)來判斷，而當一個數(shù)是5位或更多時，利用選擇結(jié)構(gòu)就比較復雜了，因此，引導學生利用循環(huán)來實現(xiàn)一個數(shù)位數(shù)的判斷，并在此基礎(chǔ)上進一步地引導學生求解各位數(shù)的和與積。

4.4 反思實驗過程，拓展計算思維

上機實驗結(jié)束后，要求學生對本次實驗進行反思[12]、歸納與總結(jié)，這是訓練思維、優(yōu)化思維品質(zhì)、促進知識同化和遷移的極好途徑。反思的內(nèi)容，包括對上機實驗結(jié)果的反思，對解題思路、分析過程、程序編寫、程序執(zhí)行過程的反思，對本實驗所涉及的知識點的反思等。還要求學生以小組為單位交流反思，集思廣益、取長補短，獲得更多的學習信息量，在交流反思中，計算思維能力得到拓展。

5 考核評價機制

以計算機思維能力培養(yǎng)為核心的C程序設(shè)計實驗教學，還引入了以學生在實際生活和學習中運用所學的知識和技巧的能力為目標的評價機制。優(yōu)秀的評價機制，可以點燃學生的學習熱情，激發(fā)他們的創(chuàng)新欲望。對本課程的考核，我們采用機考，同時結(jié)合平時表現(xiàn)及擂臺賽的參與情況，給出最終成績。

分析學生機考和筆試成績，結(jié)合平時表現(xiàn)及擂臺賽參與情況，發(fā)現(xiàn)學生對C語言基本知識的掌握情況、分析問題、解決問題的能力大大增強，編程能力也大有提高，學生在學習本課程前后情況發(fā)生了很大的變化。比較結(jié)果見表2。

表2 實驗教學效果比較

6 結(jié)束語

在C程序設(shè)計實驗教學中以計算機思維能力培養(yǎng)為核心，可以充分發(fā)揮學生在學習中的主體作用，調(diào)動學生學習的主動性，幫助學生掌握知識、發(fā)展能力，形成正確的學習觀。同時實施計算思維能力培養(yǎng)為核心，要求教師必須不斷增強自身的創(chuàng)新意識，不斷改革創(chuàng)新，提高教學能力。實踐已經(jīng)證明，以計算思維能力培養(yǎng)為核心，對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的21世紀X型人才有著重要推進作用。

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