面向計算思維培養的程序設計課程教學設計研究

摘 要：計算思維的培養是當前國際計算機教育界廣為關注的一個重要議題，本文闡述了程序設計課程中計算思維能力的培養方法；并從教學目標，學習者特征分析，教學策略選擇，教學環境設計和結果評價等幾個方面對面向計算思維培養的計算機程序設計課程的教學模式進行了設計。

關鍵詞：計算思維 程序設計 教學設計

計算思維這一概念最早是由周教以真授于2006年在ACM上提出的[1]。在國外，“計算思維”得到了包括美國、英國在內的許多教育專家以及眾多團體及組織的認可，其中包括卡內基·梅隆大學、美國計算機協會、美國數學研究所等。在國內，進行計算思維方面相關研究的代表人物有董榮勝教授[2]、自動化所的王飛躍教授[3]、何欽銘[4]等。綜上所述，計算思維已經受到了世界范圍內計算機科學家和教育界人士的廣泛關注，對計算思維的研究正逐步展開。而如何培養學生像計算機科學家一樣運用計算思維去思考問題、解決問題，要求教育者在思想和方法上就必須擺脫傳統教學的教學模式。

本文通過教學目標分析、學習者特征分析、教學模式與策略的選擇與設計、教學環境設計和教學系統設計結果的評價五個部分展開了基于計算思維的程序設計課程的教學設計，該研究將建立以培養學生計算思維能力為核心的計算機程序設計課程教學體系，創新教學模式，為計算機程序設計課程的課堂教學提供了理論依據和實踐指導。

一、計算思維的內涵

目前國際上廣泛認同的計算思維定義來自周以真教授：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。當計算思維不僅僅局限于某種學科范疇之內，融入我們日常生活的方方面面，以一種哲學的形式，潛移默化的改變我們看待世界的方式，這時計算思維更像是一種方法論，一種文化，改變著我們的生活方式，影響我們的人生觀、價值觀。

本文認為計算思維的本質是抽象和自動化。計算思維的抽象性體現在：算法的抽象性上。算法從廣義上來講：包括生活算法，數學算法和計算機算法。培養計算思維的這種逐層抽象能力，要具備以下幾個步驟：1.將實際問題先轉化為用生活中自然語言描述的能力；2.再將其轉化為數學語言建模和描述；3.最后再轉化為計算機能夠理解的計算機程序設計語言進行描述。計算思維的自動化過程體現在計算機按照給定的指令序列，按部就班的自動化依次執行完成任務給出最終結果的過程。本文就抓住計算思維的以上兩個基本特點來設計和創新計算機程序設計語言的教學模式。

二、基于計算思維的程序設計課程教學設計

教學設計是指在確定一個科學合理的教學目標的前提下，通過采取各種教學形式，使教師有效地教、學生有效地學，最終實現教學目標。

2.1 基于計算思維的程序設計課程教學目標分析

本文通過知識與技能、過程與方法以及情感、態度與價值觀三個方面來闡述教學目標。⑴知識與技能 ：熟練運用程序設計語言描述和解決生活中的應用問題，掌握程序代碼編寫、調試與執行。⑵過程與方法：采用案例驅動教學方法引導學生，首先把生活中具體的應用問題抽象成數學語言模型，再把這種抽象的數學描述，轉化為計算機能夠識別的計算機程序設計語言描述，然后，運行程序，讓計算機按照編寫的指令序列，按部就班的自動化依次執行，學生進行觀察調試，最終完成任務給出結果。這一過程也是計算思維培養過程中，不斷逐層抽象和自動化的體現。⑶情感、態度與價值觀：要培養學生具備信息素養大視野，具備信息倫理、信息安全意識，保護自己的隱私不受威脅，遵守信息法規，養成健康使用信息技術的習慣。

2.2 學習者特征分析

本文所探討的程序設計課程針對的是大學生群體，這階段的學生具有高中階段的數學基礎，具備將實際生活問題抽象成數學語言的公式和方法來解決的能力，缺乏的是將數學語言公式描述轉化為計算機程序設計語言的能力。因此，學習者的特征和前期認知基礎表明，本階段的教學重點在于學生的程序設計語言描述的培養。

2.3 基于計算思維的程序設計課程教學策略的選擇

本課程建議采用“啟發探究與合作探究相結合”教學方式，遵循“教師為主導，學生為中心”的教學原則。由教師提出問題，學生分析問題，共同探討解決問題，最后由教師做出點評總結。整個教學過程分為兩部分：⑴基本概念和必要語法知識講授部分主要遵循傳統的教學模式，首先交代必要的理論知識，然后設計教學案例，在案例驅動下，將相關理論知識融入到實踐中，同時培養學生計算思維的能力。⑵對概念的深入理解及拓展訓練，主要由學生合作探究為主要方式完成，目的是，在小組合作討論過程中，培養和提高學生信息素養。

2.4 教學環境設計

主要基于多媒體環境下結合網絡平臺實現師生交互。教學媒體主要是幫助學習者將抽象的內容具體化，形象化。例如：清晰的給出思路描述和每一步的形象化表示，從而幫助學生對抽象問題的形象化理解。網絡教學平臺的應用，利于異地異步師生之間形成虛擬的討論小組，實現學習資源利用的最優化。

2.5 基于計算思維的程序設計課程的教學效果評價

基于計算思維的程序設計課程的教學效果的評價過程主要分為學生自評，學生互評和師生互評三個評價部分。首先，學習小組對同一問題的討論，參照組內其他同學的想法，進行學生的自我反思和自我評價同時完成學生互評的過程；然后，由教師對不同小組的程序設計最終結果給出點評和建議，實現師生互評。通過以上三輪的評價過程，實現小組學習的取長補短，加深對所學知識的認識與理解。

三、總結

本文主要面向計算思維的培養目標實現程序設計課程的教學過程的設計，分別從教學目標，學習者特征分析以及教學策略和教學模式選擇，以及教學環境設計和教學效果評價幾個部分展開討論，對于計算思維培養目標下如何開展計算機程序設計課程的教學給予理論和實踐指導。

參考文獻：

[1]Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of ACM，2006， 49（3）：33-35.

[2] 董榮勝， 古天龍.計算思維與計算機方法論[J].計算機科學，2009（1）：1-4；42.

[3]王飛躍.從計算思維到計算文化[J].中國計算機學會通訊. 2007， 3（ 11）

[4]何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養[J].中國大學教學，2010（9）.