計(jì)算思維視野下程序設(shè)計(jì)入門(mén)探索與實(shí)踐

冉娟

摘 要 目前，計(jì)算思維的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外高校研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文引入了基于流程圖可視化軟件Raptor作為程序設(shè)計(jì)工具，程序設(shè)計(jì)的流程圖、算法設(shè)計(jì)融為一體，探討在程序設(shè)計(jì)入門(mén)課程中如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞 Raptor 程序設(shè)計(jì) 計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.08.027

Abstract At present， the cultivation of computational thinking has become a hot spot in the research and application of universities and colleges. This paper introduces the flow chart based visualization software Raptor as a programming tool， programming flowchart and algorithm design integration to explore how to cultivate the computational thinking ability of students in the program design entry.

Key words Raptor； programming design； computational thinking

1 程序設(shè)計(jì)與計(jì)算思維

社會(huì)不斷發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)大學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。在這種社會(huì)背景下，應(yīng)該教什么，如何引導(dǎo)學(xué)生，如何培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，成為了我們當(dāng)前面臨問(wèn)題。程序設(shè)計(jì)課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，它體現(xiàn)了從問(wèn)題到計(jì)算機(jī)求解的全過(guò)程。從計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)知識(shí)方面看，教會(huì)了學(xué)生語(yǔ)法規(guī)則和簡(jiǎn)單程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；從培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力方面看，教會(huì)學(xué)生編寫(xiě)程序和優(yōu)化程序；從計(jì)算思維角度上看，教會(huì)學(xué)生計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的方法。可以說(shuō)，程序設(shè)計(jì)課程作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要組成部分，是訓(xùn)練學(xué)生思維的最具有操作性的平臺(tái)。

2 程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

讓新生掌握一門(mén)程序設(shè)計(jì)課程是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的重要任務(wù)之一。長(zhǎng)久以來(lái)，各高校都將C語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)入門(mén)課程，但通過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)：由于課時(shí)限制和大一新生基礎(chǔ)差異，70%以上的大一新生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中最棘手的問(wèn)題是看到問(wèn)題時(shí)，不知如何思考問(wèn)題，不知如何入手，不知如何將思維轉(zhuǎn)換成程序代碼。這種現(xiàn)狀造成了我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，教師教著累，學(xué)生學(xué)著累，看到稍微難一些的題目就無(wú)從下手，久而久之，對(duì)程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生了“學(xué)而無(wú)趣”、“學(xué)而無(wú)用”的想法，學(xué)習(xí)效果下降，成績(jī)不及格率偏高等一系列問(wèn)題，無(wú)形中使得程序設(shè)計(jì)課程變成了“一鍋夾生的飯”。究其原因，導(dǎo)致這種教學(xué)效果無(wú)疑是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中還在沿襲計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)課程的內(nèi)容與講法，授課教師為了讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)理解和接受這些抽象、理論性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，自然就會(huì)將程序設(shè)計(jì)的教學(xué)重點(diǎn)偏向于“語(yǔ)言”的講解，忽略了程序設(shè)計(jì)的“思想”和“方法”。這樣教學(xué)方式自然讓學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)從程序設(shè)計(jì)思想和方法，轉(zhuǎn)移到了語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則上，忽略了計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的核心是程序算法設(shè)計(jì)。程序算法設(shè)計(jì)不僅是計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的核心，更是程序設(shè)計(jì)的靈魂，教會(huì)學(xué)生計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的方法，才是程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的關(guān)鍵與目標(biāo)。針對(duì)這種教學(xué)現(xiàn)狀和出現(xiàn)的問(wèn)題，我校在程序設(shè)計(jì)入門(mén)課程上作了改革與探索，試著分別對(duì)2014級(jí)新生和2015級(jí)新生開(kāi)設(shè)了“Raptor可視化程序設(shè)計(jì)”課程來(lái)代替入門(mén)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程，將Raptor作為程序設(shè)計(jì)工具，引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度來(lái)思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，幫助學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)思想和方法。

3 計(jì)算思維視野下程序設(shè)計(jì)入門(mén)探索與實(shí)踐

（1）Raptor有利于程序設(shè)計(jì)入門(mén)。RAPTOR是一種基于流程圖的可視化編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，關(guān)于Raptor可視化計(jì)算軟件的介紹目前已經(jīng)在一些教材和文獻(xiàn)資料中進(jìn)行介紹，這里不再贅述。早在2003年，Raptor可視化編程軟件就已經(jīng)出現(xiàn)大學(xué)的課堂上。美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)Dr. Tom Cortina給非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生講授的“Principles Of Computation”課程中引入了Raptor作為教學(xué)實(shí)踐工具，受到了學(xué)生好評(píng)。因?yàn)镽aptor具有了設(shè)計(jì)程序簡(jiǎn)單、直觀的特性，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)時(shí)不僅學(xué)會(huì)程序設(shè)計(jì)的“思想”和“方法”，而且讓學(xué)生體會(huì)了利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問(wèn)題求解的過(guò)程與方法，從而影響了學(xué)生的思維方式和思維習(xí)慣。所以使用Raptor進(jìn)行問(wèn)題求解，可以使程序或算法思想變得更加清晰。

（2）RAPTOR有利于程序設(shè)計(jì)的算法設(shè)計(jì)教學(xué)。按照原有程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容的安排，一般是先給學(xué)生講解語(yǔ)法規(guī)則和程序結(jié)構(gòu)，然后借助程序流程圖來(lái)逐步滲透程序算法設(shè)計(jì)的思想。這種教學(xué)安排，初期學(xué)生還可以按照要求邊繪制流程圖邊編寫(xiě)程序代碼，但隨著教學(xué)內(nèi)容逐步加大，流程圖在算法設(shè)計(jì)過(guò)程就逐步被放棄，學(xué)生看見(jiàn)題目就直接編寫(xiě)程序。在還沒(méi)有形成很好的計(jì)算思維的時(shí)候，這樣做的結(jié)果是：簡(jiǎn)單的題目還可以，稍微有一些難度的題目，學(xué)生就不知如何下手，為了繼續(xù)能夠做出題目，只能是“照貓畫(huà)虎”。將Raptor作為程序設(shè)計(jì)工具，利用其流程圖可以執(zhí)行與驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)，可以將這種狀況得到根本性的改善。例如在選擇結(jié)構(gòu)中以最簡(jiǎn)單的“求三個(gè)數(shù)中最大值問(wèn)題”，鼓勵(lì)學(xué)生尋求一題多解的方法。有的同學(xué)設(shè)計(jì)是采用順序處理方案，有的采用決策樹(shù)方案，有的采用通盤(pán)比較方案，還有的采用RAPTOR內(nèi)置函數(shù)Max，算法設(shè)計(jì)方案各異。讓學(xué)生分別對(duì)不同算法設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不僅讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算機(jī)求解的過(guò)程，而且也讓學(xué)生仔細(xì)思考在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中如何找到一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的算法。由此可見(jiàn)，對(duì)于大一新生來(lái)說(shuō)，將流程圖、算法設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)融為一體不僅是一種全新的體驗(yàn)，也是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維一個(gè)過(guò)程。

（3）RAPTOR有利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。Raptor在克服了語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的算法難理解、語(yǔ)法多等諸多問(wèn)題后，更加側(cè)重于算法的驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，為程序和算法的初學(xué)者鋪就了一條平緩的道路，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。因此，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中從分析問(wèn)題著手，經(jīng)過(guò)對(duì)問(wèn)題建立數(shù)學(xué)模型、算法設(shè)計(jì)等過(guò)程來(lái)讓學(xué)生關(guān)注計(jì)算思維中關(guān)于問(wèn)題抽象和問(wèn)題分解能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的基本能力和計(jì)算思維能力。在新的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師應(yīng)該把更多的時(shí)間放在算法設(shè)計(jì)、算法效率分析和算法優(yōu)化的教學(xué)上，這也是效率作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心概念之一。在Raptor可視化程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上不僅要充分體現(xiàn)這一點(diǎn)，更要考慮到新生對(duì)程序設(shè)計(jì)的認(rèn)知能力和理解能力。因此，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)從學(xué)生感興趣的事物和案例出發(fā)，講解程序設(shè)計(jì)中基本概念、基本程序結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度來(lái)思考問(wèn)題、解決問(wèn)題。比如講解“遞歸算法設(shè)計(jì)”時(shí)，以往在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中都是很難理解，教師需要在PPT上進(jìn)行演示，有的學(xué)生還是不能理解遞歸是如何一個(gè)調(diào)用過(guò)程？利用RAPTOR可以很直觀觀察到程序遞歸的過(guò)程，數(shù)據(jù)變量的變化，如圖1所示求解兩個(gè)數(shù)最大公約數(shù)問(wèn)題時(shí)利用遞歸算法設(shè)計(jì)程序時(shí)執(zhí)行過(guò)程（綠色部分為程序執(zhí)行步驟，紅色部分為數(shù)據(jù)變量傳遞的變化）。

通過(guò)這樣演示，學(xué)生很容易理解遞歸算法調(diào)用過(guò)程，對(duì)學(xué)生更好利用遞歸算法解題奠定了基礎(chǔ)。這種利用Raptor可視化程序獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，不僅讓學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步理解，而且為培養(yǎng)計(jì)算思維能力打下基礎(chǔ)，也讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算思維，能夠?qū)⒂?jì)算思維應(yīng)用到實(shí)際中，更好地分析和解決問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，Raptor作為一種簡(jiǎn)單易懂的可視化編程軟件，可以使用流程圖的方式來(lái)模擬程序的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)來(lái)求解問(wèn)題的過(guò)程和方法，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中引入其作為教學(xué)實(shí)踐工具，不僅增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，而且通過(guò)對(duì)問(wèn)題的思考、討論、交流，出示解決問(wèn)題的流程圖并運(yùn)行結(jié)果，將程序設(shè)計(jì)中原本抽象的教學(xué)過(guò)程變得更加清晰，讓學(xué)生親歷知識(shí)的產(chǎn)生和形成過(guò)程。

課題來(lái)源：2014年全國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)改革課題“面向計(jì)算思維能力培養(yǎng)實(shí)踐——以RAPTOR可視化程序設(shè)計(jì)為例”（編號(hào)：201503）

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