Java教學中計算思維能力培養(yǎng)

丁振凡， 張　恒

(華東交通大學 信息工程學院, 江西 南昌　330013)

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Java教學中計算思維能力培養(yǎng)

丁振凡， 張恒

(華東交通大學 信息工程學院, 江西 南昌330013)

該文提出在教材寫作中重視計算思維培養(yǎng)、在課堂教學和實驗教學中引導學生動手及反思、在網(wǎng)絡研究性教學中推進學生協(xié)作交流、在教學評價中注重過程性評價從多方位評價學生。通過網(wǎng)絡教學與課堂教學的相互融合,促進了教學效率的提高。

Java語言教學； 教學改革； 計算思維； 研究性學習

“計算思維是運用計算學科的有關概念求解問題、設計系統(tǒng)及理解人類行為的能力”[1]。通俗地講,計算思維可以說是解決問題時的計算模擬方法論[2]。2010年舉辦的首屆“九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎教學課程研討會”,明確提出計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養(yǎng)[3]。在計算機基礎教學中應有意識地將計算思維融入基本技能的訓練中,啟發(fā)學生思考,引導學生探索,逐步培養(yǎng)計算思維能力[4]。不僅是計算機基礎教學,計算思維的培養(yǎng)還可貫穿到計算機學科的培養(yǎng)體系中[5]。

Java作為網(wǎng)絡時代的主流程序設計語言,不僅在計算機、軟件等專業(yè)開設,也將其作為一門公共基礎課給其他專業(yè)開設。教學不僅是讓學生理解Java的語法和編程技巧,更要掌握用計算機解題的思維方式,尤其是面向對象的分析與編程的思維方式。Java語言的學習,非常適合學生計算思維能力的培養(yǎng)。

1　教材編寫關注計算思維培養(yǎng)

教材是課程知識體系和知識內容表達的直接體現(xiàn)。Java語言教學的知識體系內容非常豐富,總體上可劃分為程序設計語言的共性知識、面向對象的知識體系、Java高級特性3部分。

(1) 程序設計語言的共性知識主要包含數(shù)據(jù)的表示和程序流程問題,目標是建立數(shù)據(jù)類型和程序執(zhí)行流程的概念,培養(yǎng)學生思考解題的算法邏輯,并將邏輯步驟轉化為程序代碼的能力。

(2) 面向對象的知識體系部分重在表述面向對象的封裝、繼承、抽象、多態(tài)的四大特性在Java語言中的具體體現(xiàn),目標是理解面向對象核心概念,具備基本的面向對象編程能力。該部分內容的理解還有利于培養(yǎng)學生抽象思維能力。面向對象的很多概念是抽象的,抽象類和接口是抽象思維的最直接體現(xiàn)。事實上,運用面向對象思想解題,包括分析問題、抽象出問題中涉及的類及其屬性和行為、規(guī)劃出類的層次關系、思考行為的邏輯實現(xiàn)思路,并最終用Java語言進行表達。這個過程就是訓練計算思維。

(3) Java高級特性部分體現(xiàn)了程序設計中的一些高級問題,可拓展學生的計算思維能力,例如:異常處理解決如何進行防錯編程、多線程編程代表多任務并行執(zhí)行程序的編寫方法、圖形界面編程則是事件驅動機制的思維邏輯。該部分的每個內容的引入均代表計算機處理問題的新思想,可拓展學生的計算思維能力。

教材編寫要在知識體系構建的基礎上,思考如何將計算思維的特征和方法分解到具體講授的內容中。每個部分要講什么、如何講、如何啟發(fā)學生思考、如何檢查學習效果均是要關注的問題。目前,完全按計算思維的思想編寫組織的Java教材還難以找到,基于計算思維的問題導引組織方式是一種值得推薦的做法,但要注意兼顧知識的系統(tǒng)性與內容的循序漸進性。

筆者編寫的《Java語言程序設計》一書,在內容安排上較為重視計算思維能力培養(yǎng)[6],該教材自2010年出版后,根據(jù)Java技術的新發(fā)展,在2014年9月進行了改版。該書按由淺入深的原則,分3篇組織內容,例題按照“分析、代碼設計、說明、思考”的步驟組織講解,難點概念用圖解輔助講解。不少例子是實際科研應用的寫照或游戲類例子,有利于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

2　課堂教學中啟迪學生思考

課堂教學仍是教學過程的最重要環(huán)節(jié),課堂教學活動是培養(yǎng)學生計算思維能力的有效途徑。課堂教學效率的提高有賴于教師對教學內容、教學過程、教學方法的精心設計。教師應以建構主義教學理論為指導,創(chuàng)造自由、愉悅的課堂學習氛圍,調動學生主動學習的積極性。教師介紹知識時,要盡可能闡述知識產生的背景,讓學生了解知識形成的過程,這不僅有助于學生對知識的認知,還有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新探索精神。為了吸引學生興趣,要介紹Java編程在學生職業(yè)生涯中的作用。可將教師科研作品以及以往學生的優(yōu)秀作品進行展示,讓學生了解經(jīng)過學習后自己能做出的成績。另外,還可適度地增加課程以外的Java內容,拓寬學生的視野。例如Java Web編程技術,尤其是Spring等框架技術的應用[7]和Android手機編程等。

為引導學生思考,課堂教學特別要注意以下2點。

2.1將PPT講解與編程演示結合

現(xiàn)在計算機教學廣泛采用多媒體教學手段。毫無疑問,Java教學中采用多媒體技術可以提高教學效率,但要注意Java教學切忌只是播放幻燈片,事實上,講解中配合程序調試可進一步讓學生直觀理解問題。在授課過程中,我們注意通過案例輔助知識學習與應用,在案例的不斷深化和提升中,由淺入深地引導學生循序漸進地學習與練習,使之達到對問題求解的融會貫通,不斷提升思維能力。程序調試不能單一為了演示,要舉一反三,輔之以各種變化,讓學生深入理解程序各部分的作用,啟迪學生思考。例如,講解事件編程時,可以從如何創(chuàng)建窗體、添加部件、事件處理等逐步添加代碼進行演示講解。為了讓學生理解什么樣的對象適合作為事件監(jiān)聽者,可以分別就用容器對象、內嵌類、匿名內嵌類等作為監(jiān)聽者的各自優(yōu)勢進行分析比較，從而讓學生理解編程的多樣性,并靈活選擇運用。

2.2課堂上給學生思考和操練空間

教師力求在講課中不斷地設置問題情境,引導學生去分析問題,摸索出多種解決思路,從代碼的清晰性、運行和存儲效率上進行比較,總結最佳方案。鼓勵學生改寫已有的程序,通過反思比較不同的求解方法,表面上是吹毛求疵,實際上能提高學習效率。通過解題方法的比較可增進學生的計算思維能力,同時也有助于培養(yǎng)學生批判性思維能力。

Java的知識概念很多并且較為抽象,讓學生單純聽教師講會讓學生疲勞,并不利于教學。教學中要不失時機地提問學生、鼓勵學生發(fā)表自己的意見。教學過程要重在啟迪學生智慧、開發(fā)學生潛能與創(chuàng)新能力。不要吝惜上課時間,每堂課要留出一部分時間讓學生進行課上訓練。讓學生上講臺去動手編寫并調試程序,及時發(fā)現(xiàn)學生的問題,及時指導。

3　強化實踐教學,要求學生反思

軟件設計是一個賦予創(chuàng)造性的工作,同時也是一項工程,只有經(jīng)過嚴格系統(tǒng)的訓練,才能提高自己的編程能力。親自動手編程并上機調試,是提高編程能力的最好途徑[8]。

3.1實驗內容安排要引導學生思考

實驗安排依照教材配套的實驗指導書計劃安排[9]。每個實驗分為基礎訓練部分和綜合編程部分。基礎訓練部分將相關知識提煉為若干個小問題,分步驟引導學生在問題解決過程中逐步完成編程訓練,記錄實驗中出現(xiàn)的問題與實驗結果,對問題分析原因,從而培養(yǎng)學生基本的計算思維能力。綜合編程部分則是獨立完成某問題求解,重在培養(yǎng)學生應用和創(chuàng)新意識。實際上,設計性和綜合性實驗更有利于培養(yǎng)學生解決問題的能力,難度大的綜合性實驗項目可以安排學生小組協(xié)作完成,通過群策群力來調動和發(fā)揮學生個體的主觀能動性。

3.2教師的上機指導要重在啟發(fā)

學生上機實驗有疑問時,通過啟發(fā)引導學生自己找到問題所在。強調學生自己從實驗現(xiàn)象中分析原因,認識程序的編譯錯誤并修正解決,通過運行結果的分析,找出程序存在的邏輯問題。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[10]。

3.3讓學生反思實驗過程,拓展計算思維

實驗報告的書寫強調記錄實驗過程中遇到的問題,分析原因、解決辦法。通過對解題思路、分析過程、程序編寫、程序執(zhí)行過程的反思,學生可以更深地理解、歸納總結相關知識。通過心得體會及意見,教師也可從學生中得到教學反饋信息。

4　利用網(wǎng)絡教學促進學生計算思維能力培養(yǎng)

網(wǎng)絡教學作為一種新的教學方式,是課堂教學的很好補充。筆者研制的網(wǎng)絡教學平臺(http://cai.ecjtu.jx.cn)在Java教學中發(fā)揮了重要作用,實現(xiàn)了信息技術與教學的深度融合。網(wǎng)絡教學支持多種學習方式,學生可進行自主學習和研究性學習[11]。網(wǎng)上師生互動活躍,課程建設受到了專家肯定,網(wǎng)絡課件獲得過省多媒體課件一等獎,課程被評為江西省優(yōu)質課程。

4.1通過網(wǎng)絡平臺給學生提供學練園地

課程制作形成了完整的網(wǎng)上教學資源,已針對教學知識點制作了50多個微視頻。微視頻的制作應該是課堂教學的升華和補充。從習題解答角度制作微課,通過習題各類變換講述對程序結果的影響,更有利于增進學生對內容的理解。每個知識點對應有各類習題可供學生操練，并通過討論和提問實現(xiàn)師生互動。作業(yè)和實驗報告可在網(wǎng)絡平臺上實現(xiàn)電子化批改。

4.2利用網(wǎng)絡平臺支撐開展研究性學習

在Java教學中應有意識培養(yǎng)學生的群體協(xié)作能力,而研究性學習是培養(yǎng)學生協(xié)作能力的有效方式。研究性學習通常要完成較為復雜的任務設計。因此,一般安排在課程的較后部分的課程設計環(huán)節(jié)。學生圍繞小組的研究項目,按任務驅動開展學習與探索。網(wǎng)絡平臺為小組和個人均提供文檔空間,小組研究成果通過研究報告的形式發(fā)布到網(wǎng)上,供教師和學生交流評價。研究報告中要求學生描述自己的設計方案,歸納用到的編程技術,給出設計的效果,并思考要進一步完善之處。如此可訓練學生的文字表達和邏輯歸納總結能力。研究項目的部署直接決定研究性教學開展的質量,研究項目的難度和廣度要與學生的能力水平相適應。一個班級中研究項目的安排要提供一定的數(shù)量,難度要有一定的差異,可讓學生根據(jù)各自能力和興趣有一個選擇空間[12]。

5　改變考核評價機制，激勵學生學習熱情

在Java教學中,可以從多方面綜合考查學生。注重過程性學習評價,考核內容包括考勤、作業(yè)、上機報告、網(wǎng)上測試成績、研究性學習評價、筆試成績等。學生的平時表現(xiàn)可通過網(wǎng)絡平臺中用戶星級顯現(xiàn),用戶星級在教學過程中動態(tài)變化,能激勵學生沉浸到網(wǎng)絡平臺的學習環(huán)境中。網(wǎng)絡考試有利于強化學生對基本概念的理解。一般每班安排3次左右的網(wǎng)絡考試。考試試題分為單選、多選、是非、寫運行結果、程序補充完整、編程、改錯等。考試后,通過答案對比,學生可發(fā)現(xiàn)自己的知識偏差,增進對程序的閱讀理解。教師通過考試分析學生知識的掌握情況。考試中的編程題是按啟發(fā)式方式給分,學生在教師模板程序的啟發(fā)下完成編程，這種啟發(fā)式有助于培養(yǎng)學生規(guī)范的編程風格。

6　結語

重視計算思維的培養(yǎng)是提高Java教學效果的關鍵。通過網(wǎng)絡協(xié)作學習、強調過程性評價方式等手段來激發(fā)學生興趣,可有效提高教學效果。通過強調算法多樣性來培養(yǎng)學生的計算思維能力的多樣性與靈活性，使學生分析、解決問題的能力大大增強。

References)

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[8] 吳文虎.我怎么講好“程序設計基礎這門課”[J].中國大學教學，2011(12):10-12.

[9] 丁振凡.Java語言程序設計實驗指導[M].北京:清華大學出版社,2010.

[10] 劉光蓉.以計算思維能力培養(yǎng)為導向的C程序設計實驗教學[J].實驗技術與管理,2013,30(1):154-156.

[11] 丁振凡.基于IIS環(huán)境的研究性學習平臺設計[J],宜春學院學報,2013,35(3):42-44.

[12] 丁海燕.計算機程序設計課程中計算思維的培養(yǎng)[J].實驗技術與管理,2015,32(12):16-18.

Training computational thinking ability in Java teaching

Ding Zhenfan， Zhang Hen

(School of Information Engineering,East China Jiao Tong University,Nanchang 330013,China)

In order to train students thinking ability, this paper puts forward the great importance to the computational thinking in book writing, leads to students’ reflection in classroom teaching and experimental teaching, promotes students’ collaboration in network research teaching,and pays attention to process evaluation in teaching evaluation. The students’ evaluation is considered from multiple perspectives. Through the integration of network teaching and classroom teaching,the teaching efficiency is improved.

Java language teaching; teaching reform; computational thinking; research learning

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.003

2015-12-30修改日期:2016-02-25

江西省2014高等學校教學改革研究課題(JXJG-14-5-20)；江西省2015教育科學“十二五”規(guī)劃課題(15YB032)

丁振凡(1965—)，男，江西豐城，學士，教授，研究方向為云計算、語義Web、計算機輔助教學.

E-mail:zfding@ecjtu.jx.cn

G424

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1002-4956(2016)6-0007-03