計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)改革與實(shí)踐

□唐未香 劉科峰

計(jì)算思維是目前廣為關(guān)注的涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題的基本概念。第一次明確使用這一概念的是周以真教授。她認(rèn)為，計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的一系列思維活動(dòng)；計(jì)算思維最根本的內(nèi)容是抽象和自動(dòng)化[1]。計(jì)算思維應(yīng)是每個(gè)人的基本技能，不僅要使學(xué)生掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)技能，還要使學(xué)生學(xué)會(huì)計(jì)算思維。在計(jì)算機(jī)教學(xué)中如何融入計(jì)算思維的理念，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，成為教學(xué)研究的焦點(diǎn)[2]。本文以廣州現(xiàn)代信息工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，列舉了若干培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)施方法。

一、培養(yǎng)計(jì)算思維能力的必要性

當(dāng)前的計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)中，普遍存在著實(shí)用主義，即什么實(shí)用就教什么。例如在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，有些教師主張少講各層協(xié)議工作原理，多講交換機(jī)和路由器的配置，這是一種典型的急功近利思想。實(shí)用主義把簡(jiǎn)單技術(shù)掌握作為第一要義，忽視求解問(wèn)題和設(shè)計(jì)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，缺乏從學(xué)生人生發(fā)展的高度看待計(jì)算機(jī)課程所應(yīng)有的價(jià)值[3]。

目前，高校非常注重培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、以加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)改革

計(jì)算思維的培養(yǎng)不是通過(guò)一門(mén)課程的教學(xué)就能解決的問(wèn)題，而是要貫穿于所有計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)中。重點(diǎn)應(yīng)從以下三門(mén)課程培養(yǎng)計(jì)算思維。

(一)基于C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的計(jì)算思維能力培養(yǎng)。程序設(shè)計(jì)類課程是計(jì)算思維的最佳載體，程序設(shè)計(jì)課程中蘊(yùn)含著計(jì)算思維的本質(zhì)抽象和自動(dòng)化[4]。教學(xué)中不但要注重C++基本語(yǔ)法的教學(xué)，更重要的是讓學(xué)生理解語(yǔ)法定義背后的目的和使用方法，即讓學(xué)生明白：為什么需要這樣定義語(yǔ)法規(guī)則，這個(gè)語(yǔ)法規(guī)則為什么定義成這樣的形式以及如何使用它。讓學(xué)生掌握怎樣實(shí)現(xiàn)順序、選擇和循環(huán)結(jié)構(gòu)，怎樣實(shí)現(xiàn)遞歸。求1+2+……+100的和是教材上的典型例子程序，主要用來(lái)說(shuō)明怎樣實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以將它改成遞歸，即前n項(xiàng)的和為n加上前n-1項(xiàng)的和，使學(xué)生既掌握遞歸的實(shí)現(xiàn)方法，又明白了求解同樣的問(wèn)題可用不同途徑。在編程中，培養(yǎng)學(xué)生將計(jì)算思維和各自專業(yè)知識(shí)融入到計(jì)算機(jī)解題過(guò)程，例如對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，講解一些Socket網(wǎng)絡(luò)編程的例子，使學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)在專業(yè)方面的應(yīng)用，從而影響學(xué)生的思考問(wèn)題方式。

類與對(duì)象是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)最基本、最重要的概念之一，以“物以類聚，人以群分”的古語(yǔ)引入，接著引導(dǎo)學(xué)生如何從“張三”、“李四”這樣的學(xué)生個(gè)體寫(xiě)出學(xué)生類。在教學(xué)中，經(jīng)常有學(xué)生問(wèn)：“我們?yōu)槭裁匆獙?xiě)類，我們不寫(xiě)成類的形式也能編程，有時(shí)還簡(jiǎn)單一些”。教師向他們解析：如果只處理一個(gè)學(xué)生的信息，不寫(xiě)成類的形式，而寫(xiě)成C語(yǔ)言的形式確實(shí)簡(jiǎn)單一些，如果要處理很多學(xué)生的信息，類可以發(fā)揮它作為模板的優(yōu)勢(shì)，大大簡(jiǎn)化編程。

(二)基于微機(jī)原理的計(jì)算思維能力培養(yǎng)。在微機(jī)原理的教學(xué)中，通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示指令的執(zhí)行過(guò)程，使學(xué)生深刻理解計(jì)算機(jī)是怎樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的。通過(guò)匯編語(yǔ)言編程、調(diào)試及分析列表文件，使學(xué)生明白：計(jì)算機(jī)內(nèi)部是一個(gè)二進(jìn)制的世界，通過(guò)“0”和“1”這兩個(gè)數(shù)字，可把現(xiàn)實(shí)世界的字符、聲音、圖像、視頻等各種信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，指令代碼也是通過(guò)“0”和“1”的編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由軟件和硬件構(gòu)成的一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)。為了方便計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)劃分成多個(gè)層次或級(jí)別。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為：數(shù)字電路層、控制層、機(jī)器語(yǔ)言層、操作系統(tǒng)層、匯編語(yǔ)言層、高級(jí)語(yǔ)言層、用戶層[5]。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)分為：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、應(yīng)用層。使學(xué)生明白采用層次結(jié)構(gòu)分解處理復(fù)雜任務(wù)的方法不是微機(jī)原理特有的，其它學(xué)科也采用這種方法，我們以后開(kāi)發(fā)軟件也可能采用這種方法。還可以深入探討匯編語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言的關(guān)系，例如通過(guò)學(xué)習(xí)32位匯編語(yǔ)言中子程序的調(diào)用，使學(xué)生深刻理解高級(jí)語(yǔ)言函數(shù)調(diào)用中的參數(shù)傳遞；通過(guò)尋址方式的學(xué)習(xí)，使學(xué)生更好地掌握C++中指針的用法。

(三)基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算思維能力培養(yǎng)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一門(mén)研究非數(shù)值計(jì)算的程序設(shè)計(jì)問(wèn)題中計(jì)算機(jī)的操作對(duì)象以及它們之間的關(guān)系和操作的學(xué)科。在教學(xué)中，并不追求灌輸所有知識(shí)點(diǎn)，而是強(qiáng)調(diào)各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，例如可以講解：線性表是基礎(chǔ)，如果線性表只允許在表的一端進(jìn)行插入，而在另一端進(jìn)行刪除就成了隊(duì)列；如果線性表限定僅在表尾進(jìn)行插入或刪除操作就成了棧。隊(duì)列和棧具有部分線性表性質(zhì)，又有自己的特性。在二叉樹(shù)的教學(xué)中，比較二叉樹(shù)遞歸遍歷算法和非遞歸遍歷算法，可以看出遞歸遍歷算法較簡(jiǎn)單，使學(xué)生認(rèn)識(shí)遞歸的方法有時(shí)可以簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的后續(xù)課程。應(yīng)強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，給出任務(wù)，讓學(xué)生尋求多種解決方案，并對(duì)方案選優(yōu)，再進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、編碼和測(cè)試。讓學(xué)生體會(huì)編程思路，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維很有幫助。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)間的推移，計(jì)算思維越來(lái)越受到高校的重視。本文在分析高校計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)基本情況的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)改革方案。通過(guò)在教學(xué)中實(shí)施這個(gè)方案，學(xué)生的分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力增強(qiáng)，取得了較好的教學(xué)效果。