非計算機專業(yè)程序設(shè)計類課程之計算思維培養(yǎng)

摘要：本文分析了非計算機專業(yè)計算思維的培養(yǎng)需求及目前大學(xué)所設(shè)的非計算機專業(yè)程序設(shè)計類課程中存在的問題，并提出應(yīng)注重學(xué)情，因材施教，從課程引入、案例教學(xué)和實驗三個階段強化計算思維訓(xùn)練，進(jìn)而提升學(xué)生的信息素養(yǎng)的改革思路。

關(guān)鍵詞：計算思維；程序設(shè)計課程；非計算機專業(yè)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）08-0089-04

21世紀(jì)是信息和知識經(jīng)濟(jì)的時代，它的特征是數(shù)據(jù)資源的開發(fā)、計算機和網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及，這個時代所需要的思維方式是計算思維方式。[1]因而，計算思維成為21世紀(jì)大學(xué)生必須具備的基本技能。目前，程序設(shè)計課程是大學(xué)通識教育的重要組成部分，它不僅向?qū)W生傳授計算機的相關(guān)知識和技能，更重要的是能夠培養(yǎng)大學(xué)生的思維方式。因此，如何對程序設(shè)計課程進(jìn)行教學(xué)改革，將計算思維能力培養(yǎng)融入教學(xué)過程，提高學(xué)生運用計算思維分析問題和解決問題的能力是一個富有挑戰(zhàn)性的研究課題。

非計算機專業(yè)的計算思維培養(yǎng)需求

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、人類行為理解等一系列的思維活動和過程，是一種以抽象、自動化為特征的解決問題的思維方式。[2，3]培養(yǎng)計算思維的目的是希望所有人都能像計算機科學(xué)家一樣思考和分析，把計算機技術(shù)與各種學(xué)科理論技術(shù)進(jìn)行融合和創(chuàng)新。研究指出，理論思維、實驗思維、計算思維共同組成人類認(rèn)識世界和改造世界的三種思維方式。[4，5]理論思維是用“假設(shè)—推理—證明”等理論手段來研究社會自然規(guī)律的邏輯思維，實驗思維是用“實驗—觀察—歸納”等實驗手段來研究的實證思維，計算思維是以“抽象—設(shè)計/構(gòu)造—編程實現(xiàn)”等計算手段來研究的構(gòu)造思維。隨著對自然社會現(xiàn)象和規(guī)律研究的深入，理論思維和實驗手段受到很大的限制，不同學(xué)科研究對計算機科學(xué)的需求日益增強，特別是在高端交叉學(xué)科，如“計算數(shù)學(xué)”“計算物理”“計算化學(xué)”“計算生物”等，這些學(xué)科都需要利用計算手段來實現(xiàn)理論和實驗的協(xié)同創(chuàng)新。

對非計算機專業(yè)人才的計算思維培養(yǎng)的重任首先落在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)上。因為計算機基礎(chǔ)課程在小學(xué)、中學(xué)階段都有不同程度的開設(shè)，因此在大學(xué)階段，很多高校就不再開設(shè)，而主要開設(shè)程序設(shè)計類課程。高校非計算機專業(yè)開設(shè)的程序設(shè)計類課程主要有“C語言程序設(shè)計”“Visual C++程序設(shè)計”“Visual Basic程序設(shè)計”“Java程序設(shè)計”等課程（以下簡稱“程序設(shè)計類課程”）。程序設(shè)計類課程能夠培養(yǎng)學(xué)生計算思維、邏輯思維能力，其開設(shè)對改善大學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)他們的計算思維、創(chuàng)新能力及提高綜合素質(zhì)都起著十分重要的作用。

非計算機專業(yè)程序設(shè)計類課程教學(xué)現(xiàn)狀及方法改革

1.教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

程序設(shè)計類課程的授課對象為非計算機專業(yè)大學(xué)一年級的學(xué)生，他們當(dāng)中有些是文科生，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差，對概念不容易理解，且自學(xué)能力差，實際應(yīng)用則更困難。同時，學(xué)生的學(xué)習(xí)功利性很強，對上機實際操作比學(xué)習(xí)理論知識更有興趣，雖然簡單的類似課堂內(nèi)容的實驗項目能完成，但解決實際應(yīng)用問題的能力卻較差。另外，由于課時有限，程序訓(xùn)練較少，他們很難認(rèn)真獨立地完成作業(yè)。

2.注重學(xué)情，因材施教，使用案例教學(xué)模式

（1）注重學(xué)情，因材施教

在深入研究非計算機專業(yè)大一年級學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、思維模式和專業(yè)背景后，筆者按照課程知識的內(nèi)在體系結(jié)構(gòu)梳理了教學(xué)內(nèi)容，并深入淺出、由易到難、循序漸進(jìn)地進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計。實踐結(jié)果表明，教學(xué)的理論深度要適當(dāng)，難點要分散，先修知識要交代清楚，避免學(xué)生因聽不懂而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。同時，在教學(xué)過程中，要大量使用多媒體教學(xué)和實際編程環(huán)境演示，增加學(xué)生的感性認(rèn)識；針對較復(fù)雜的問題要采用講練結(jié)合的形式來鞏固知識，加深其理解；還要淡化繁瑣的語法規(guī)則，突出重點，增加學(xué)科前沿知識。

（2）使用案例教學(xué)模式

在程序設(shè)計類課程的教學(xué)中使用案例教學(xué)模式，設(shè)計豐富生動的教學(xué)實例，如講最大公約數(shù)算法時引入歐幾里得的故事，講Fibonacci數(shù)列的數(shù)組應(yīng)用時引入兔子繁殖問題，講雙重循環(huán)時使用多種金字塔圖形。在課堂教學(xué)中，教師可采用講故事的案例教學(xué)法引出與案例相關(guān)的一系列概念與算法，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)思維，便于學(xué)生理解。除此之外，還可以采用課程小組、團(tuán)隊學(xué)習(xí)等形式促進(jìn)學(xué)生共同學(xué)習(xí)、共同探索，提高學(xué)習(xí)效率。

非計算機專業(yè)程序設(shè)計類課程計算思維的培養(yǎng)實踐

計算思維可以貫穿程序設(shè)計類課程的整個教學(xué)過程，下面筆者分別從課程引入、課堂案例教學(xué)和實驗設(shè)計三個階段探討如何將程序設(shè)計類課程與計算思維有機地結(jié)合起來。

1.突出計算思維的課程引入

首先，筆者點明計算思維對學(xué)習(xí)的重要性。既然計算思維這么重要，那么怎么培養(yǎng)呢？接著告知學(xué)生現(xiàn)在要學(xué)習(xí)的程序設(shè)計類課程就是培養(yǎng)計算思維能力的。這就很自然地過渡到本課程的培養(yǎng)目標(biāo)，即培養(yǎng)學(xué)生計算思維與邏輯思維的能力，培養(yǎng)學(xué)生算法思想與解決問題的能力。然后，介紹主要教學(xué)內(nèi)容，并展示經(jīng)典案例及優(yōu)秀作品，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，展示數(shù)學(xué)四則運算實例；展示輸入你的姓名輸出“***同學(xué)，祝你學(xué)好程序設(shè)計”的實例；展示小汽車肆意向前奔馳的實例；展示掃雷游戲?qū)嵗坏鹊取Ｍㄟ^這些例子讓學(xué)生們看到編程能夠?qū)崿F(xiàn)一些基本功能，進(jìn)而增強他們的自信心和興趣。

實例展示好后，筆者一步一步演示簡單的加法運算實例的具體實現(xiàn)過程（以Visual Basic程序設(shè)計為例）。第一步，界面設(shè)計。演示需要哪些控件進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出以及界面的屬性設(shè)計等。第二步，代碼設(shè)計。引導(dǎo)學(xué)生分析問題，如何抽象化和具體化，分析算法和功能，寫出代碼。第三步，調(diào)試運行，修改錯誤，得出結(jié)果。這個實例操作的過程體現(xiàn)了計算思維的抽象化和自動化特征，達(dá)到了初步培養(yǎng)學(xué)生計算思維的目的，進(jìn)而實現(xiàn)了課程引入。

2.基于計算思維的案例教學(xué)：歐幾里得算法

案例教學(xué)可以以“介紹歷史人物故事—算法介紹—算法編寫實現(xiàn)—算法執(zhí)行過程講解與輸出”為教學(xué)過程，體現(xiàn)案例教學(xué)中趣味性和科學(xué)性的結(jié)合。下面，筆者以歐幾里得算法為例介紹教學(xué)過程。

①介紹歷史人物故事。歐幾里得（公元前330—公元前275），古希臘數(shù)學(xué)家，被稱為“幾何之父”，他的傳世之作《幾何原本》是歐洲數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。《幾何原本》第一次實現(xiàn)了數(shù)學(xué)的系統(tǒng)化、條理化，而且孕育出一個全新的研究領(lǐng)域——歐幾里得幾何學(xué)，簡稱歐氏幾何。歐幾里得算法與“丟番圖方程可解性問題”相關(guān)。丟番圖也是一位古希臘的數(shù)學(xué)家，是第一位懂得使用符號代表數(shù)來研究問題的人，被后人稱為“代數(shù)之父”。他在Arithmetic（《算術(shù)》）一書中提出“有關(guān)兩個或多個變量整數(shù)系數(shù)方程的整數(shù)解”的問題。對于具有整數(shù)系數(shù)的不定方程，如果只考慮其整數(shù)解，這類方程稱為丟番圖方程。例如，只有一個未知數(shù)的線性丟番圖方程，如ax=b，只要a能整除b，就可判定方程有整數(shù)解，該解為a|b（“|”整除符號）。對于有兩個未知數(shù)的線性丟番圖方程，如ax+by=c，先求出a和b的最大公約數(shù)d，若d能整除c（d|c），則該方程有整數(shù)解。因此，對于有兩個未知數(shù)的線性丟番圖方程來說，求解的關(guān)鍵是求最大公約數(shù)。

②算法介紹。歐幾里得在其著作《幾何原本》中闡述了求解兩個數(shù)的最大公約數(shù)算法。求能同時整除a和b的最大正整數(shù)的算法就是著名的歐幾里得算法，又稱輾轉(zhuǎn)相除法。[5]算法步驟為：第一步，輸入兩個正整數(shù)a、b。第二步，以b除a（或者a除以b），余數(shù)為r。第三步，若余數(shù)r為0，則輸出b，程序結(jié)束；否則，以b置換a，r置換b，又返回第二步。

③算法編寫實現(xiàn)。歐幾里得算法流程圖與模擬計算過程如上圖所示。算法介紹完成以后，根據(jù)所學(xué)編程語言，進(jìn)行編程，并調(diào)試運行輸入數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果。

④算法執(zhí)行過程講解與輸出。由于部分學(xué)生在高中階段并沒有學(xué)習(xí)過計算機基礎(chǔ)相關(guān)課程，即使學(xué)習(xí)過也可能會對知識的掌握并不準(zhǔn)確，所以講解程序的編譯輸出過程有助于學(xué)生了解計算機的相關(guān)知識和工作過程。

筆者首先講解存儲問題。算法第一步是定義變量和分布變量內(nèi)存空間大小。變量以變量名如a、b形式保存在內(nèi)存空間中，a、b以整形變量2個字節(jié)的二進(jìn)制形式保存在內(nèi)存地址中。這時由操作系統(tǒng)來執(zhí)行，操作系統(tǒng)來決定程序裝載在哪個內(nèi)存中，決定程序被CPU的執(zhí)行。講解完存儲問題后，引導(dǎo)學(xué)生理解算法的執(zhí)行。算法的執(zhí)行需要CPU（控制器和運輸器）的操作。編譯過后的機器語言程序是可以被CPU直接解釋和執(zhí)行的機器指令，一條機器指令被分為操作碼和地址碼兩部分，操作碼傳達(dá)給CPU所要進(jìn)行的操作類別，如存數(shù)、取數(shù)、做求余運算、打印等，地址碼傳達(dá)給CPU所要操作的數(shù)據(jù)在哪里。然后CPU就執(zhí)行程序了，在一個機器周期內(nèi)，按“發(fā)送指令地址給存儲器—取出存儲器中指令給控制器—控制其解析指令碼—指令碼控制相關(guān)動作執(zhí)行（求余運算）”，完成一條指令的執(zhí)行。然后機器不斷重復(fù)執(zhí)行這樣一個過程，直至遇到停機指令為止，完成程序的執(zhí)行。最后在編譯器中或外存中顯示程序運行的結(jié)果。

3.培養(yǎng)學(xué)生自己動手練習(xí)和實驗操作

在程序設(shè)計類課程的課堂教學(xué)中，教師在講完一個重要算法或知識點后，要給學(xué)生一個閱讀或編程練習(xí)的機會，這樣不僅可以讓學(xué)生鞏固已學(xué)的知識點，增強對知識點的理解，而且可以激發(fā)學(xué)生的靈活運用，提高其創(chuàng)新能力。筆者基本上會保證每次課有5～10分鐘的練習(xí)時間，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，進(jìn)行探索研究式的自主學(xué)習(xí)，讓教師成為教學(xué)的主導(dǎo)者，起到控制學(xué)習(xí)過程、提供教學(xué)資源和教學(xué)建議的作用。

計算思維是問題求解的思維，程序設(shè)計類課程主要培養(yǎng)學(xué)生算法思想與問題求解的思路，因此上機實驗是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要手段，是程序設(shè)計課程教學(xué)的核心之一，所以教學(xué)中教師要重視上機實驗。筆者一般安排教學(xué)課時的四分之一用于上機實驗，上機實驗內(nèi)容不僅要與教材知識點同步，而且要有趣味性和綜合性。例如，在分支結(jié)構(gòu)中，安排“健康秤”程序，確定標(biāo)準(zhǔn)身材的身高和體重指數(shù)；在循環(huán)實驗中，設(shè)計“九九乘法表”；在數(shù)組實驗中，設(shè)計“楊輝三角形”。上機實驗內(nèi)容一般要提前布置好，3～4題為宜，且難易程度要有一定的梯度。另外，在實驗課上調(diào)試運行時，教師要鼓勵學(xué)生程序出錯不要放棄，由于學(xué)生有不同的專業(yè)背景、思維方式和個體差異，因此在實現(xiàn)同一問題時，要允許他們使用不同的方法，要鼓勵他們從不同的視角認(rèn)識問題，提倡算法的多樣性。

結(jié)論

進(jìn)行計算思維訓(xùn)練對21世紀(jì)的大學(xué)生來說是極為重要的。程序設(shè)計類課程正是鍛煉計算思維的好的工具和方式，它不僅提高了非計算機專業(yè)學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生在處理計算機問題時應(yīng)有的思維方法、表達(dá)形式和行為習(xí)慣，而且能夠使學(xué)生準(zhǔn)確地理解計算機的實現(xiàn)機制，有利于學(xué)生利用計算機去解決學(xué)科問題，并進(jìn)行學(xué)科融合和創(chuàng)新。然而，建立科學(xué)的計算思維培養(yǎng)模式尚處在嘗試階段，還并沒有一個成熟的模型。因此，如何將計算思維融入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生運用計算思維解決各應(yīng)用學(xué)科問題的能力，還需要教授程序設(shè)計類課程的教師不斷地探索和實踐。

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[5]戰(zhàn)德臣，聶蘭順.大學(xué)計算機——計算思維導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

作者簡介：鄭紅波，女，博士，講師，從事程序設(shè)計教學(xué)和虛擬現(xiàn)實研究。鄭浩，男，高級中學(xué)一級教師，從事數(shù)學(xué)和計算機教學(xué)工作；秦緒佳，男，教授，博士生導(dǎo)師，教育部高等學(xué)校文科計算機基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員，研究方向為計算機圖形學(xué)。

基金項目：浙江工業(yè)大學(xué)校級教學(xué)改革項目（JG201512），浙江工業(yè)大學(xué)科研啟動金（119005029）。