C語言程序設計中計算思維的思考①

王鑫 李萬軍

摘 ? 要：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的行為。本文歸納了計算思維在C語言程序設計中的體現，可歸納為抽象計算思維、自動化計算思維和并行計算思維三種。針對計算思維的特點，提出了C語言程序設計課程教授過程中提高計算思維的方法，有益于學生借助計算思維進行編程思維訓練，對所學知識進行融會貫通，同時提高了課程教學改革的效果。

關鍵詞：C語言程序設計 ?計算思維 ?教學改革

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0077-02

全球范圍內的趨勢是，編程能力被視為未來社會的通用底層能力，是“新的素養”，甚至被稱為“新讀寫能力”（The new literacy），人人必須具備。現在小學、中學生開始已經開展適合的編程課程。

學編程的本質是掌握計算思維。這是一種面向未來的核心認知能力。2006年3月，時任美國卡內基·梅隆大學（CMU）計算機科學系主任、現任美國基金會（MSP）計算機和信息科學與工程部（CISE）主任的周以真（Jeannette M.Wing）教授，在美國計算機權威刊物《Communications of the ACM》上，首次提出了計算思維（Computational Thinking）的概念：“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的行為。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。”

陳國良院士與李廉教授通過整合得出了3種較為典型的科學思維：也就是用觀察和整理為特性的實證思維、用推演為特性的邏輯思維、再者就是抽象與自動化的計算思維。在這3種方式中，計算思維屬于計算機類課程所主修的思維方式。

C語言作為當今常用編程語言，在程序設計過程中注重培養邏輯，算法，數據，系統，解決問題，出錯調試，以及新的計算機技術等能力。

1 ?計算思維

計算思維的體現可歸納為抽象計算思維、自動化計算思維和并行計算思維三種。

1.1 抽象計算思維

抽象計算思維是計算思維的關鍵，主要體現在實際需求到程序語言的設計過程。是自己對于問題的抽象能力的練習，即從抽象問題到實際進行編碼或者設計程序解決問題的一個能力。面對一個問題，經過思考后，最后將解決這個問題的思路用計算機能理解的方式表達出來，其中“問題”、“思考”以及“表達”是編程最關鍵的地方。

1.2 自動化計算思維

C語言程序設計中三大基本結構，順序、條件和循環三種結構支撐了所有程序。依托三個基本結構可以實現所有程序自動化設計。三個結構像蓋房子的磚塊，互相疊加累積完成整個程序。自動化程序設計過程中的邏輯訓練，算法實現也是學生著重需要提高的部分。

1.3 并行計算思維

cpu間斷性的并行執行多個任務，在并行的情況下效率才能保證。多個任務并行執行的優勢在于：降低資源消耗，提高相應速度，提高任務的可管理性。學生往往習慣于順序程序執行，當復雜編程要求多線程設計時，在理解、設計及代碼實現上都存在很大困難。

2 ?提高計算思維的方法

2.1 驅動式方法提高計算思維能力

學生表現出的上課聽懂教材看懂，只是表面上比較膚淺的理解，老師在進行教學開始之初，有目的的引導學生學習編程。將C語言課程教授內容中與專業課程及后續課程關聯很大的部分提前做好充分的課程準備，針對計算思維加強對學生的鍛煉。在教學過程中圍繞提前準備的教學問題，積極引導學生在C語言程序設計中合理應用計算思維[2]。

2.2 應用性方法提高計算思維能力

任何教學過程是教師與學生互動的過程，教學過程中任何環節都會影響教學質量[3]。教師可以根據本校本專業的特色，結合學生的接受能力選擇合適的教材。教師在教授過程中使用與實際應用關聯較大的例題，使用適合學生的教學方法，并且在課程進行過程中，根據接受程度，對教學方法進行動態改變，以實例展示的方式將計算思維融入其中，讓學生當場學會應用計算思維。

2.3 以項目為核心提高計算思維能力

教師引導學生完成課程實踐教學時，要以項目為中心，將課程教學中計算思維的提升作為教學的重要目標。項目的選擇很重要，實際項目從難度及復雜度上一般不適合直接使用，教師需要對實際項目重新編排，組合，去繁，整合成適合學生的教學項目，但這個新項目又是很有實踐性的，使學生更感興趣[4]。使用計算思維設計C語言程序設計，課上及課下注重實際編程能力、應用能力和創新能力。借助算法的構建和程序流程圖的使用，在應用層進行綜合應用訓練。通過“任務驅動”，使所學的知識融會貫通，鍛煉學生分析和解決問題的能力，幫助學生提升工程實踐能力[5]。

3 ?教學實例

例題1：計算1！+2！+3！+...+20！

本例題有兩種解決方法，可以用兩層循環來完成，學習函數調用后，可以用函數遞歸方法解決，循環及遞歸思想是計算思維的重要一方面。教師應該善于啟發引導學生從多角度、多維度思考問題的解決方法。

例題2：設計一個學生成績管理系統，學生信息的輸入部分程序設計。

隨著學習的深入，保存學生輸入信息的變量由普通多個浮點型數據到一維數組，到二維數組，最終設計成結構體數組，逐漸增加難度，但也為問題的解決提供了更合理、更豐富的方案。學生輸入信息的變量改變在表1中。

4 ?結語

綜上所述，針對歸納總結的計算思維的特點，提出了C語言程序設計課程教授過程中提高計算思維的方法。在C語言程序設計過程中教師引導、學生逐步深入借助計算思維進行編程思維訓練，對本課程以及其他課程的學習是非常有益的。

參考文獻

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

[2] 范興亮.C語言程序設計課程中的計算思維探析[J].無線互聯科技，2017，4（8）：67-68.

[3] 趙桃林，楊民力，王育華.功能材料專業《化學電源》課程教學方法探討[J].河北理科教學研究，2017（1）：47-49.

[4] 顧麗紅，丁淑妍等.面向計算思維的蒙特卡羅C語言程序設計案例探究[J].計算機教育，2018（1）：105-111.

[5] 葉建龍.任務驅動法在C語言教學中的應用[J].廊坊師范學院學報：自然科學版，2010，10（3）：132-136.