程序設計課程教學中的計算思維能力培養

馬瑞民

摘 要：對傳統計算機基礎教學中的計算思維訓練中出現的問題進行了梳理，提出了強化程序設計課程教學中計算思維訓練的幾點做法，這有利于實際進行計算思維能力訓練，提高計算機基礎教學水平。

關鍵詞：程序設計 計算思維 計算機基礎教學 能力培養

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0130-02

Computational Thinking Ability Training on Program Design Courses Teaching

Ma Ruimin

（College of Computer and Information Technology， Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang，163318，China）

Abstract：First sorts out the problems on traditional computer basis teaching of computational thinking training，and propose some methods of intensive computational thinking training in program design course teaching，of which is beneficial to the actual computational thinking ability training， and improve the level of computer basic teaching.

Key Words：Program design；Computational thinking；Computer basic teaching；Ability training

2010年7月，九校聯盟（C9）在西安交通大學舉辦的“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”上旗幟鮮明地提出把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務[1]，這既找準了非計算機專業計算機基礎教學提升教學水平、為高校創新人才培養服務的最佳路徑，也為計算機基礎教學提供了未來十年教學改革的方向。但是，傳統的計算機基礎課程在計算思維能力培養方面存在哪些問題，如何利用傳統的計算機基礎課程強化對非計算機專業學生的計算思維能力培養，這些是我們必須關注的主要問題。本文以計算機基礎課程中最重要的程序設計課為基礎，談一下對計算思維能力培養的認識。

1 對計算思維能力的思考

計算思維最廣泛使用的概念由美國卡內基﹒梅隆大學周以真教授提出，即計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動[2]。

計算思維的定義本身比較抽象，可以從求解問題中的計算思維、設計系統中的計算思維和理解人類行為的計算思維等方面[3]進行分析和理解。計算思維最根本的概念一個是抽象，另一個是自動化[4]。利用計算手段求解問題時，需要首先把實際問題轉化為數學問題，并用數學方法表示（即抽象）；其次是建立數學模型、設計算法和編程實現，并在計算機中求解（即自動化）。

九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明中，除了旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務之外，還提出計算機基礎教學是培養大學生綜合素質和創新能力不可或缺的重要環節，是培養復合型創新人才的重要組成部分；高等學校需要進一步確立計算機基礎教學的基礎地位，加強隊伍和機制建設；加強以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內容的研究[1]。這就明確地回答了近年來一些高校削弱計算機基礎教學地位，弱化計算機基礎教學師資隊伍建設以及淡化計算機基礎教學改革的做法是十分不恰當的。目前，把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務不但能提高計算機基礎教學在本科教學中的地位，也確實能提高學生的計算機應用能力，高等學校應該抓好這個核心任務。

2 傳統計算機基礎教學中計算思維培養中存在的問題

明確地提出計算思維概念的時間不長，深入領會計算思維的定義、本質和特征還需要一段時間，有意識地把計算思維思想能力培養貫穿到非計算機專業計算機基礎教學的全部過程還有許多工作可做。同時也應看到，過去幾十年計算機基礎教學中或多或少地也在利用計算思維的思想進行程序設計能力的訓練，不能全盤否認或抹殺在計算思維培養方面已經取得的成績，但相對而言所存在的不足也是十分明顯的。

2.1 知識性教學活動多，明確按照計算思維培養的教學環節少

對非計算機專業學生進行計算機基礎教學的主要課程是大學計算機基礎、程序設計以及其他與專業相關的計算機應用培養方面的課程。由于各方面的原因，學生往往喜歡知識性、操作性強的課程（例如大學計算機基礎），而對程序設計課程中的程序設計訓練不太喜歡，也缺乏重視，遇到問題就回避，訓練效果不佳。而程序設計類課程恰恰是肩負著計算思維能力培養的主要任務，這種不喜歡和欠重視嚴重地阻礙了計算思維思想的培養。

2.2 編程技巧教學活動多，抽象過程訓練少

即使在程序設計課程的教學中，教師也往往以程序設計的技巧訓練為出發點，而對計算思維的培養，特別是有目的的抽象過程的訓練較少。常常想當然地編寫程序，對算法的細節分析和描述較少，在把實際問題轉化為數學問題進而用數學方法表示的抽象過程的訓練更少，注重的是編程實現的自動化過程。教師有目的地引導學生按照計算思維思想解題的極少，學生的計算思維的形成基本上靠教學活動中自然形成，導致學生不知道什么是計算思維。同時，由于早期的抽象過程缺少訓練，學生對自動化的實現過程也處于“懸空”狀態，出了問題找不到問題所在，更難以找到好的改正方法，達不到計算思維培養的目的，學生的計算機應用能力也受到了限制。

2.3 各課程獨立成體系的多，綜合性訓練少

我國高校大學非計算機專業的計算機基礎課程的設置很長一段時間是按教高司【1997】155號[5]文件設置的，呈現以“三個層次”的總體構架為主的課程模式。這種課程構架決定了高等學校的計算機基礎課程主要以大學計算機基礎和程序設計（各種高級語言）為主，再輔以其他軟硬件基礎課程、本專業的專用軟件以及專業課中計算機應用等。由于每個課程學時都是很有限的，除了本課程獨立體系內容的介紹和訓練以外，綜合性運用計算機解題的訓練極少，這與計算思維培養的初衷不盡一致，也導致了學生在專業課用計算機解題的能力薄弱，特別是近年在一些高校中出現了削減計算機基礎課程學時的現象，課程的構架及教學目標不但未有提升，甚至偏離了或不如教高司【1997】155號文件的要求。

目前，我國高校非計算機專業學生計算機基礎課程的主要構架是1+1+X模式，其中第一個1是所有學生都必須學習的公共必須課程（例如，大學計算機應用基礎，通常簡稱大學計算機基礎），第二個1是各類別專業不同的公共必須課（例如，理工科專業可以開設程序設計基礎），X是各專業根據本專業的需要開設的課程[6]，當然也可以按計算機基礎教學的能力結構、知識體系與實驗體系設置課程[7]，這兩種方案的本質是相同的。在各學校準備參加教育部組織的第一輪本科教學工作水平評估時，把各專業的計劃學時均壓縮到2500以下，相應的計算機基礎教學的學時也受到了一定的影響。同時，把各專業與計算機訓練相關課程組織起來進行綜合訓練的方案較少，即使學生學習了一些具有獨立體系的各類計算機基礎課程，其綜合運用能力訓練少，在專業課教學中發揮的作用不一，計算思維能力沒有很好地體現。

3 強化程序設計課教學中計算思維訓練的幾點做法

為了加強學生的計算思維能力培養，需要在計算機基礎課程教學中全方位地滲透計算思維思想，特別是要對傳統的程序設計課程進行改革，并從以下幾個方面著手強化學生的計算思維能力訓練。

3.1 將計算思維訓練貫穿到計算機基礎教學始終

相對而言，計算思維定義等具有一定的抽象性，學生對其理解具有一定的難度，運用上更是無從下手。在教學中可以抓住計算思維的本質—— 抽象和自動化，在程序設計訓練的過程中，首先解決把實際問題轉化為數學問題，并用數學方法表示（即抽象）的過程，這部分是傳統的程序設計教學中比較欠缺的，它實際上超出了程序設計課本身的范圍，是需要運用數學、物理等課程的邏輯思維知識來進行抽象的。之后，通過建立數學模型、設計算法并編程序上機求解等進行自動化過程的訓練，把自動化和抽象都作為教學中重點的訓練目標。

3.2 每門課程都要有相應的計算思維訓練目標

計算機基礎教學是由系列課程組成的，不能把計算思維能力培養的任務歸于某一門（或某幾門）課，每門課程都要設置計算思維培養方面的訓練目標。例如，在大學計算機基礎課程中，重點可以放在計算思維的基本概念的介紹以及了解常用的算法，使學生對計算思維思想有一定的感性認識，以便于后續課中運用計算思維思想解題；在程序設計基礎課中，可以將把算法的表述及其上機的自動化作為計算思維的訓練目標，同時兼顧把實際問題轉化為數學問題的抽象過程；在其他計算機基礎課及專業課的計算機應用中，也要根據需要設置相應的計算思維訓練目標。這樣，在這些課程的教學大綱中，要明確提出計算思維訓練的要求，使教師在操作上能按照計算思維訓練的教學目標組織教學，并使學生在教學中受益于計算思維訓練過程。

3.3 增加綜合性實驗項目

在大學計算機基礎、程序設計之類課程的教學中涉及了算法、數據結構、數據庫和程序自動化等方面的內容，由于各課程之間缺少有機的結合，使得一些內容的講述相對重復，但效果往往不佳，既浪費了學時也不利于計算思維訓練。因此，可對計算機基礎課程的教學大綱進行系統的修訂，對其相應的知識點的訓練進行統一設計，通過增加綜合性和創新性實驗的方法，強化各知識點的系統訓練，從而達到強化計算思維能力訓練的目的，提高計算機基礎教學水平。

3.4 采用項目驅動的教學模式

可以將程序設計一課按照項目驅動的方式組織案例教學，采用自頂向下、逐步求精的方法將某個大程序（例如學生成績管理系統、職工工資管理系統等）分成若干不同層次的模塊，并將各個模塊逐步細化、求精，最終形成完整的大程序。這不但能提高學生的學習興趣、提高學生較早地對程序設計概念、方法和手段的認識，更可以通過早期分析抽象和逐步自動化的訓練過程，加強學生計算思維能力的培養。

3.5 重視計算機基礎教學的師資隊伍和教材等建設

要想達到學生計算思維能力培養的目標，教師是最重要的。通過培訓、示范教學和聯合攻關教學改革課題等各種方法，使計算機基礎教學師資隊伍能夠適應計算思維能力培養的教學模式和教學方法。此外，教材建設要跟上計算機基礎教學改革的步伐和課堂教學內容的變化，教師在具體教學實踐中雖然理論上是按教學大綱組織教學，但在計算機基礎教學的實際操作中，往往都是以某部教材作為教學的基本內容，教材建設的重要性十分明顯?？v觀國內已有的計算機基礎教學程序設計方面課的教材中，真正地按計算思維能力培養組織的極少，導致教學中完全看教師對計算思維的理解多少、興趣如何，在計算思維訓練方面的差異巨大，致使學生對計算思維思想掌握的程度參差不齊，難以達到教學目標。因此，必須在對教師進行計算思維教學模式進行培訓的基礎上，組織優秀教師編寫以計算思維訓練為目的的計算機基礎系列教材，使教師在教學實踐中更好地對學生進行計算思維能力培養。

4 結語

國內“計算思維能力的培養”是九校聯盟（C9）提出的，對高校計算機基礎教學影響巨大，組織落實好這一任務對大學生綜合素質和創新能力的提高不可或缺。但是，傳統的計算機基礎教學中對計算思維能力的認識、培養都相對淡薄，找到提高計算思維能力培養的好做法十分必要，這里提出的強化C程序設計教學中計算思維訓練的幾點做法不失一種有效的實現途徑。只有深入地解決教師、教材、訓練目標和訓練方法等問題，才能實現九校聯盟（C9）提出的教學目標，才能使計算機基礎教學更好地發展。

參考文獻

[1] 九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會.九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明[J].中國大學教學，2010（9）：4，9.

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

[3] 陳國良.計算思維導論[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4] 董榮勝.計算思維與計算機導論[J].計算機科學，2009，36（4）：50-52.

[5] 教高司[1997]155號.加強工科非計算機專業計算機基礎教學工作的幾點意見[R].1997.

[6] 中國高等院校計算機基礎教育改革課題研究組.中國高等院校計算機基礎教育課程體系2008[M].北京：清華大學出版社，2008：33.

[7] 教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會.高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2009：15-27.