基于計(jì)算思維能力與信息應(yīng)用能力的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

鄧紅衛(wèi)　王櫻　魏書堤　蔣瀚洋

摘要：針對在計(jì)算思維影響下應(yīng)用型本科院校程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革面臨的問題，提出基于計(jì)算思維能力與信息應(yīng)用能力的課程教學(xué)改革想法，樹立以培養(yǎng)信息應(yīng)用能力為核心的教學(xué)理念，并就理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的改革和實(shí)踐進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維能力；信息應(yīng)用能力；程序設(shè)計(jì)課程；教學(xué)改革

0 引言

計(jì)算思維概念一經(jīng)提出，就引起了國內(nèi)外學(xué)者和高校教師的高度關(guān)注，成為教學(xué)改革研究的熱點(diǎn)。2010年7月，九校聯(lián)盟（C9）在西安交通大學(xué)召開計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會，會后發(fā)表的《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》明確提出：高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)就是培養(yǎng)計(jì)算思維能力。各高校積極推進(jìn)基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育改革，但經(jīng)過多年的教學(xué)改革實(shí)踐表明，引入計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育改革在實(shí)踐過程中面臨著種種問題，教學(xué)效果并不怎么理想，人們開始反思計(jì)算思維，甚至懷疑計(jì)算思維。究其根源在于人們對計(jì)算思維的研究尚處在初級階段，并不成熟，特別在教學(xué)層面上沒有形成一個完整的、清晰的、為人所接受的表達(dá)體系，離真正起到指導(dǎo)計(jì)算機(jī)教育改革的作用還有一定的距離。各高校在對計(jì)算思維理解不夠透徹的情況下，囫圇吞棗急于推進(jìn)，結(jié)果可想而知。2012年8月，以“新時(shí)期下計(jì)算機(jī)教育的改革與發(fā)展”為主題的第八屆全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育改革與發(fā)展高峰論壇在云南昆明召開，論壇重點(diǎn)對非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革開展了研討，與會的專家學(xué)者和一線教師通過研討達(dá)成4點(diǎn)共識，其中最重要的一點(diǎn)共識是大學(xué)計(jì)算機(jī)教育教學(xué)改革需要分類分層次設(shè)計(jì)，我國高校教育有著明顯的層次關(guān)系，各級院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)是不同的，基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育改革必須分類型分層次進(jìn)行，不能搞一刀切。昆明論壇更多地傾聽來自應(yīng)用型院校和高職院校一線教師的聲音，明確分類分層次推進(jìn)基于計(jì)算思維計(jì)算機(jī)教育改革的指導(dǎo)思想，為新時(shí)期下各類高等院校計(jì)算機(jī)教育的改革指明了方向。

C語言程序設(shè)計(jì)是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生入校第二學(xué)期所學(xué)的程序設(shè)計(jì)課程。c語言具有簡潔而高效的語句表達(dá)和清晰的程序結(jié)構(gòu)等特性，比較好地體現(xiàn)語言級問題的求解方法，是一門比較適合計(jì)算思維能力培養(yǎng)的課程。應(yīng)用型院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高級應(yīng)用型人才，與研究型大學(xué)截然不同。對應(yīng)用型院校而言，如何根據(jù)自身的特點(diǎn)，正確處理好計(jì)算思維能力與信息應(yīng)用能力的關(guān)系，推進(jìn)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)出高級應(yīng)用型人才的目標(biāo)，是值得深入探討和研究的問題。

1 理清計(jì)算思維能力與信息應(yīng)用能力的關(guān)系

人類有兩大基本能力：思維能力和行動能力。從社會發(fā)展的角度來看，人不僅是思維的存在者，更應(yīng)該是行動的存在者。恰當(dāng)?shù)男袆右日_的思維或聰明的推理更有價(jià)值，這是所有人的共識。21世紀(jì)人類的行動能力可定義為：面對社會生活和職業(yè)活動，借助科學(xué)思維和現(xiàn)代技術(shù)的幫助，遵循科學(xué)行動規(guī)律，發(fā)揮創(chuàng)新精神組織項(xiàng)目、分析解決問題和完成任務(wù)的能力。行動能力可分為領(lǐng)域行動能力和科學(xué)行動能力兩種。領(lǐng)域行動能力具有很強(qiáng)的專業(yè)特色，通常可以理解為專業(yè)綜合應(yīng)用能力。科學(xué)行動能力則具有普適性，通常可以理解為決策思考能力或設(shè)計(jì)構(gòu)建能力。

應(yīng)用型院校非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)教育的本質(zhì)就是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的教育，培養(yǎng)計(jì)算思維不是目的，是有別于研究型大學(xué)和高職院校的。在計(jì)算思維影響下，身處中間層的應(yīng)用型院校應(yīng)該清晰地認(rèn)識到：對于應(yīng)用型人才，適時(shí)有效的應(yīng)用要比單純思考和坐而論道更有價(jià)值，不能認(rèn)為計(jì)算思維永遠(yuǎn)高于應(yīng)用，計(jì)算思維應(yīng)該更有效地服務(wù)于應(yīng)用才有意義。以信息應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心的非計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用型人才能力培養(yǎng)體系如圖1所示，在該體系中，專業(yè)課程和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)和提升計(jì)算思維能力的基礎(chǔ)，計(jì)算思維能力需要多門相關(guān)課程的長時(shí)間學(xué)習(xí)訓(xùn)練和有效溝通方可形成。在計(jì)算思維能力形成的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題的信息應(yīng)用能力，及時(shí)總結(jié)提升普適性科學(xué)行動能力。以專業(yè)領(lǐng)域行動能力和科學(xué)行動能力共同構(gòu)成核心行動能力。

應(yīng)用型院校應(yīng)積極研究計(jì)算思維的內(nèi)涵及其在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用，從理論和實(shí)踐層面處理好計(jì)算思維能力與信息應(yīng)用能力的關(guān)系，在努力培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的同時(shí)，提升學(xué)生的信息應(yīng)用能力，力求使計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育與非計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成一致。應(yīng)用型院校非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)教育應(yīng)樹立“以計(jì)算思維為主線，以信息應(yīng)用能力為核心，以信息應(yīng)用為目標(biāo)”的教學(xué)理念，讓學(xué)生具備適應(yīng)社會各個領(lǐng)域發(fā)展要求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。

2 基于計(jì)算思維能力與信息應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)改革實(shí)踐

在圖1所示的應(yīng)用型人才能力培養(yǎng)體系中，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)是培養(yǎng)計(jì)算思維能力的基礎(chǔ)。c語言程序設(shè)計(jì)作為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要組成部分，課程中的許多知識都為計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了生動的案例，特別是對問題進(jìn)行符合邏輯的科學(xué)分析、抽象成數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、編程與調(diào)試、生成可應(yīng)用于實(shí)際的程序，這是對計(jì)算思維很好的詮釋，因此，c語言程序設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的理想課程。在新時(shí)期大學(xué)計(jì)算機(jī)教育改革形勢下，我們依據(jù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，重新規(guī)劃該課程的課程目標(biāo)，使之能夠滿足專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求；轉(zhuǎn)變“重理論、輕實(shí)踐”的教學(xué)理念，及時(shí)調(diào)整課程教學(xué)計(jì)劃，理論課和實(shí)踐課的課時(shí)比例調(diào)整為1：1，增加實(shí)踐教學(xué)的比重；在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，把計(jì)算思維融入教學(xué)的主要內(nèi)容中去，改進(jìn)教學(xué)方法；在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過綜合實(shí)例提升學(xué)生的計(jì)算思維能力的同時(shí)，更多地培養(yǎng)和提升學(xué)生綜合利用專業(yè)知識和信息技術(shù)解決實(shí)際問題的信息應(yīng)用能力。通過各教學(xué)環(huán)節(jié)的改革和實(shí)踐，取得了比較好的教學(xué)效果。

2.1 理論教學(xué)

在理論教學(xué)上，我們著力進(jìn)行兩個方面的改革：

（1）通過案例重新梳理教學(xué)內(nèi)容。深入分析學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和專業(yè)背景，遵循“理論夠用，突出實(shí)踐”的教學(xué)原則，按照課程知識的內(nèi)在體系結(jié)構(gòu)，通過教學(xué)案例設(shè)計(jì)重新梳理教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過程中，淡化語法規(guī)則，追求簡單和實(shí)用，只講最簡潔、常用的語法格式，將其運(yùn)用到實(shí)例中去，實(shí)現(xiàn)由單純的語法教學(xué)向?qū)嵱眯徒虒W(xué)轉(zhuǎn)變。適當(dāng)打破常規(guī)教學(xué)順序，通過案例及早引入和使用函數(shù)、指針的概念，這樣有利于分散教學(xué)難點(diǎn)，同時(shí)也符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。通過大量的案例講授和訓(xùn)練for、while和do…while3種循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)，采用單步調(diào)試執(zhí)行循環(huán)體的方式，將循環(huán)體執(zhí)行3-5次，利用watch窗口觀察每行語句執(zhí)行時(shí)循環(huán)體變量和中間變量的值變化情況，讓學(xué)生能清晰地體會循環(huán)體的執(zhí)行過程，然后通過調(diào)試體會含多重循環(huán)體的程序執(zhí)行過程及功能，為后續(xù)的函數(shù)、數(shù)組、指針及結(jié)構(gòu)體等復(fù)雜內(nèi)容的教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)。endprint

（2）從計(jì)算思維的角度出發(fā)，通過案例的實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)問題求解過程。在講解案例時(shí)，面對案例中提出的具體問題，引導(dǎo)學(xué)生體會分析、解決問題的基本思路：求解問題的已知信息有哪些，求解問題的中間結(jié)果和最終結(jié)果將會是什么，這些已知信息、中間結(jié)果和最后結(jié)果怎樣轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以理解的形式，完成對問題抽象化的描述，建立數(shù)學(xué)模型；然后逐步明確解決問題的步驟，即解決問題的算法，算法可以用自然語言、偽代碼或者流程圖等描述；最后引入C語言編寫編譯代碼、調(diào)試和執(zhí)行程序，以實(shí)現(xiàn)解決問題的算法。在問題的求解過程中，將問題求解提升到計(jì)算思維的高度，讓學(xué)生更深刻地理解計(jì)算思維的本質(zhì)。

2.2 實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論教學(xué)知識、積累實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)計(jì)算思維能力的重要環(huán)節(jié)，也是訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法探索解決實(shí)際問題的重要過程。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)遵循“由淺入深、循序漸進(jìn)”的原則，分設(shè)驗(yàn)證型、探索型和綜合應(yīng)用型3種類型的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證型和探索型實(shí)驗(yàn)在平時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)課中完成，綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)以課程設(shè)計(jì)形式完成。在驗(yàn)證型和探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，我們著力做好以下幾個方面的工作：

（1）規(guī)范上機(jī)實(shí)驗(yàn)流程。對于每次實(shí)驗(yàn)課，要求學(xué)生按照“課前思考→分析問題→擬定算法→編寫程序→上機(jī)調(diào)試”的順序依次進(jìn)行。在每次理論課結(jié)束前的最后5-8分鐘，教師給學(xué)生布置下次實(shí)驗(yàn)課的上機(jī)內(nèi)容，提醒學(xué)生注意在實(shí)驗(yàn)過程中可能會遇到的問題，要求學(xué)生利用課余時(shí)間運(yùn)用計(jì)算思維方法對問題進(jìn)行分析，擬定好算法并畫出流程圖，編寫出大致的程序代碼。這些工作必須在上機(jī)課之前完成，并把它們寫在程序編寫本上，上機(jī)課時(shí)教師適時(shí)抽查學(xué)生這部分工作的完成情況。上機(jī)課中學(xué)生主要完成程序調(diào)試工作，在調(diào)試過程中，讓計(jì)算機(jī)驗(yàn)證學(xué)生解決問題的想法，教師及時(shí)回答他們課前可能存在的疑問。上機(jī)實(shí)驗(yàn)流程的規(guī)范化，會讓學(xué)生養(yǎng)成一個良好的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和思維習(xí)慣，提高學(xué)生在面對問題時(shí)獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

（2）加強(qiáng)上機(jī)答疑引導(dǎo)。程序調(diào)試主要完成排除錯誤（語法錯誤或邏輯錯誤）和驗(yàn)證算法的正確性兩項(xiàng)工作。對于錯誤的排除，在前兩周的上機(jī)課中，教師通過集中講解的方式，幫助學(xué)生排除一段程序中的語法或邏輯錯誤，并講解規(guī)避錯誤的基本方法。在后續(xù)的上機(jī)過程中，程序編譯鏈接時(shí)出現(xiàn)語法錯誤或邏輯錯誤，要求學(xué)生將錯誤信息記錄下來，分析是什么原因引起的，并獨(dú)立改正錯誤，避免下次犯同樣的錯誤。對算法的驗(yàn)證，學(xué)生上機(jī)有疑問時(shí)，不直接為學(xué)生指出程序存在的問題，而是以提問的方式指出程序中可能存在的問題及其引發(fā)的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生自己找到問題所在。這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、判斷問題的能力。

（3）反思上機(jī)實(shí)驗(yàn)過程。每次上機(jī)課結(jié)束后，要求學(xué)生課后對本實(shí)驗(yàn)及時(shí)歸納和總結(jié)，對問題分析、算法設(shè)計(jì)、程序編寫、程序調(diào)試與執(zhí)行過程進(jìn)行全程反思。對于學(xué)生在上機(jī)過程中共同存在的問題，教師利用下次的理論課時(shí)間，集中講解答疑，幫助學(xué)生反思。及時(shí)有效的反思過程，可以有效地優(yōu)化思維品質(zhì)、拓展學(xué)生計(jì)算思維能力。

2.3 課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是一種面對工程項(xiàng)目實(shí)際問題，將數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體、鏈表及文件操作等知識有機(jī)地結(jié)合起來，按照軟件工程的思想和步驟完成的一個綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們注重做好以下幾個方面的工作：

（1）盡早布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)。在課程學(xué)習(xí)中期就著手布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，讓課程設(shè)計(jì)時(shí)間延長為2個月。提前布置任務(wù)會使學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確，還會讓學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)體、鏈表及文件操作等教學(xué)內(nèi)容更加期待，激發(fā)學(xué)生對后面章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣。有目的性的學(xué)習(xí)會加快教學(xué)進(jìn)度，縮短教學(xué)時(shí)問，彌補(bǔ)教學(xué)時(shí)間不足。

（2）精選課程設(shè)計(jì)題目。課程設(shè)計(jì)題目通常分為通用型和專業(yè)型兩種類型。學(xué)生成績管理程序、同學(xué)通訊錄、圖書管理系統(tǒng)等為通用型課程設(shè)計(jì)題目。對于通用型題目，往往存在多屆學(xué)生重復(fù)做相同題目的現(xiàn)象，抄襲現(xiàn)象很難避免，課隉設(shè)計(jì)就失去意義，應(yīng)改編課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，及時(shí)更新課程設(shè)計(jì)題目。在系部教學(xué)網(wǎng)站上發(fā)布往屆學(xué)生優(yōu)秀的課程設(shè)計(jì)案例及源程序，讓學(xué)生用來模仿練手或?qū)e人的程序進(jìn)行改進(jìn)。我們重點(diǎn)關(guān)注專業(yè)型課程設(shè)計(jì)題目的選取，充分考慮學(xué)生的專業(yè)背景和后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)要求，擬一些與專業(yè)密切相關(guān)的題目供學(xué)生選擇，鼓勵學(xué)生選專業(yè)型題目，訓(xùn)練學(xué)生分析和解決專業(yè)實(shí)際問題的能力。

（3）加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)。為保證教師對學(xué)生的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行有效指導(dǎo)，首先應(yīng)拓寬師生的溝通渠道，可以通過E-mail、QQ和教學(xué)網(wǎng)站的留言板等渠道來溝通。教師最好加入學(xué)生班級QQ群，方便師生及時(shí)交流，同時(shí)開放一個公用機(jī)房供學(xué)生上機(jī)調(diào)試程序，教師不定時(shí)到機(jī)房進(jìn)行答疑或程序指導(dǎo)。在具體的指導(dǎo)過程中，教師在給予幫助的同時(shí)要做好問題的引導(dǎo)，不是靠單純地給出答案，而是要通過“授人以漁”的方式指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成。教師要了解和關(guān)心學(xué)生，為學(xué)生提供課程設(shè)計(jì)所必需的信息和材料，不限定工程項(xiàng)目實(shí)施的方法以及完成的形式，尊重學(xué)生的想法和設(shè)計(jì)，為學(xué)生發(fā)揮自主創(chuàng)新留出充足的余地。

（4）注重課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目評價(jià)。課程設(shè)計(jì)的評價(jià)注重學(xué)生在整個實(shí)施過程中的能力體現(xiàn)，評價(jià)內(nèi)容包括學(xué)生課程設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)中的態(tài)度、表現(xiàn)及成果質(zhì)量，評價(jià)方法可采用小組評價(jià)和教師綜合測評等方法。為保證評價(jià)的公平公正，增設(shè)答辯環(huán)節(jié)，既檢測學(xué)生完成項(xiàng)目的真實(shí)性，又可以培養(yǎng)學(xué)生語言表達(dá)能力、反應(yīng)能力和競爭意識。在答辯過程中要求每個學(xué)生都要針對自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)功能演示，陳述算法設(shè)計(jì)構(gòu)想和后期努力的方向，之后回答教師的提問。教師的提問側(cè)重算法設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)部分，教師根據(jù)學(xué)生的回答情況來給出每個學(xué)生的成績。

2.4 課程考核

對學(xué)生的課程考核分期末考試和課程設(shè)計(jì)成績評定。期末考試在機(jī)器上完成，考試內(nèi)容為基本概念、程序調(diào)試和小程序的編寫，主要針對學(xué)生對基本知識的掌握情況和問題求解能力的考核。期末總成績由平時(shí)成績（30%）和期末機(jī)試成績（70%）組成，課程設(shè)計(jì)成績由教師對學(xué)生項(xiàng)目評定給出。這樣使學(xué)生的成績能更客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語

在新一輪基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革形勢下，培養(yǎng)信息應(yīng)用能力是應(yīng)用型院校非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)教育的核心。實(shí)踐證明，我們主動地、有意識地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)各個環(huán)節(jié)的同時(shí)，在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以工程項(xiàng)目形式把學(xué)生融入有意義的任務(wù)完成過程中，不僅有利于學(xué)生理解計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)問題的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，更有利于學(xué)生用計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維方式來求解問題，培養(yǎng)了學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)造性地解決問題的能力和合作意識。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）endprint