面向計算思維的《Java 程序設計》課程教學改革研究

高賢強

（塔里木大學信息工程學院，阿拉爾843300）

0 引言

Java 作為一門面向對象的計算機編程語言，以簡便高效、平臺關聯度高、可移動性好、穩定性強、支持多線程傳播等優勢發展為現今廣受社會大眾歡迎的計算機開發語言。根據TIOBE 開發語言的統計，Java 語言近十年來一直排在語言開發榜的首位[1]。由于Web 網絡應用開發技術的發展，特別是互聯網+、云計算、大數據、人工智能時代的來臨，使得越來越多的軟件開發者開始選擇將Java 作為計算機程序開發語言。諸多高等院校也已經將《Java 程序設計》課程作為計算機專業的必修課程，可是由于在這以前，學校已經設置了C 語言、C++等程序設計相關課程，因而導致《Java 程序設計》這門課程的實際學時課時相對偏少，普遍表現為32-56 個學時，我校一直以來是48 學時，理論32 學時，實踐16 學時。《Java 程序設計》這門課程涉及到的教學內容相對來說比較多，可是絕大多數的普通本科院校大學生的數學基礎較差，邏輯思維能力薄弱，而以往的教學方式偏向于重視對課本知識的一般性講授，而片面忽略了對學生實踐演示和應用能力的鍛煉，造成學生不能了解和掌握面向計算思維的基本概念和定義。應該怎樣在有限的上課時間內讓學生可以真正掌握到面向計算對象的編程精髓，進而提高學生的計算機編程能力，是目前我國高等院校計算機專業教師需要重點教學改革的關鍵部分之一。

1 合理安排理論和實踐學習順序

當前，Java 課程教學主要涵蓋了課本理論與上機操練兩大部分，然而因為現今諸多高等院校的計算機教學依然還是沿襲重理論輕鍛煉的教學習慣，因而大學課堂內課本理論教學的學時一般遠遠超過實踐教學的上課學時，甚至絕大多數本科學校的理論授課與實踐教學的學時比可以達到3：1，缺乏充分的上機培訓時間，自然學生也就缺少更多的實踐演練機會[2]。在短時間內的上機實踐之中，檢驗性實踐又在這當中占據了相當大的比例，而檢驗性實踐一般情況下其難度較低并設有標準值，所以這類實踐機會通常狀況下很難發揮出學生對專業內容的學習積極性，也不利于提高學生的創新思維能力，最終導致有利于學生實踐演練能力培養的全面性、科學性的實踐內容在實際上課學時中占據的比例相對偏少。課本理論作為實踐演練的基礎，在實際教學應用過程中，設計科學、課時安排合理的書本理論教學和實踐內容順序，會讓學生全面綜合掌握面向計算思維的編程概念，了解面向計算思維的編程概念后，學生就會主動將邏輯思維用在計算機程序設計的相關學習過程中。如此一來，在學習的時候就會自然而然的將計算機程序設計語言中的“對象”、“類”、“多態”、“接口”等概念與現實生活中的“對象”（如“Tom 貓”、“王峰”等）、“類”（如“植物類”、“動物類”等）更好地聯系起來，這就能幫助學生更好地去理解面向計算思維的專業概念，也更加符合學生的學習習慣。具體的Java 課程設計的課時安排見表1 所示。

表1《Java 程序設計》課程理論學時安排

掌握了面向計算思維的概念后再去學習Java 語言的相關專業基礎知識就會變得相對比較容易一些，由于學生以前就已經學習了計算機專業的其他相關基礎性的程序設計語言知識，如C 語言，對于計算機編程語法、控制語句、數組、數列組合等概念并不陌生，這時只需要重點講解Java 與其他計算機程序語言在語法程序、編程過程上的差別以及新增功能即可。這種先見“樹木”后見“樹葉”的具象式教學手段就是要做到“從第一堂課開始就著力培養學生面向計算思維的思想[3]”。這除了可以鍛煉學生掌握面向計算思維的編程能力以外，還有利于提高學生的創新思維能力。

2 基于計算思維的考核和評價方式改革

計算思維是通過利用計算機科學的基礎定義去進行問題解釋、程序設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學的一系列創造性活動。這個定義詳細描述了計算機科學的基本概念，融進了數學思維、物理思維、工科思維，因而在《Java 程序設計》課程中大范圍引進計算思維，就是將其與Java 語言相聯系，作為一種高效的解決問題的手段，應用在計算機語言教學課堂上[4]。Java 程序設計課程由于邏輯性強、實踐性強的特點，重視多元化的考核方法，力主從多個方面去考核學生的綜合素質，注重考核學生的上機演練能力、團隊協作能力以及創新能力，考核方式和培養目標相聯系，主要評價在統一的培養標準下大學生的學習完成度及其進展情況。根據筆者多年的實際教學經驗，《Java 程序設計》課程的大學教學一般來說會分成四個板塊循序漸進地開展，換句話說Java 語言基礎概念、Java 面向計算思維的類和對象概念、Java 常用類以及Java 高級應用開發。只是簡單采取傳統的總結性評價方式，是沒有辦法體現出學生階段性學習的實際狀況[5]。根據課堂實際教學進度，針對四個教學板塊進行階段性檢測，進而利用這四次平時成績得到學生最終的階段性學習成績。基于計算思維的《Java 程序設計》課程的具體考核與評價主要是由以下幾個部分組成，具體見表2 所示。

表2 基于計算思維的《Java 程序設計》課程考核與評價

平時表現情況，占比10%。按照學生的實際出勤狀況、課堂基本表現、課堂作業完成進度等進行評分。平時作業，占比20%。針對教師布置的平時作業和階段性作業，對學生的學習進度進行評價。項目演練，占比20%。進行實驗以前教師必須將《實驗指導說明書》發給學生，要求學生課下閱讀，充分做好實驗準備[6]。能力考核，占比10%。主要考核學生在統一的培養標準和學習目標之下，除了課堂基礎內容外，學生還需掌握專業以外的知識，以便對其學習能力進行專業評價，這主要是根據學生掌握知識量的多少、學習進度等進行評分。期末考試，占比40%。按照學校培養目標的不同，教師有必要設計出不同的試卷，并根據最終考試結果進行專業評分。

3 引用實例突破教學瓶頸

學習Java 程序設計需要比較強的邏輯思維，較為扎實的數學基礎[7]。計算機程序設計需要著重對編程問題進行邏輯分析，進而找出解決問題的具體辦法，建構出基本的數學模型，再利用計算機語言進行描述。我校的大部分本科學生，他們數學基礎相對來說比較薄弱，缺少一定的邏輯思維能力，一旦遇到問題就不知道應該怎樣解決。他們在計算機設計程序的初級階段就會顯得手足無措，從而喪失學習信心達不到較好的課堂效果。因此，在實際授課過程中，對具體的概念的講解，要引入計算思維的概念，例如，byte a=5，要引導學生以計算機的思維來思考問題，如何使用8 個bit 存放1 個byte 數據。同時，在教學設計上偏向于采取較大難度的案例，見表3 所示。

表3 培養計算思維的案例設計

需要使學生可以精準理解面向計算思維的一系列概念，最好的手段就是設計實例[8]。面向計算思維的專業概念理解是：將自然界中相關事物的聯系有效應用到計算機編程程序軟件中。所以，絕大部分的教師都會使用在日常生活中隨處可見的實例，去講解面向計算思維的眾多抽象的編程概念，如此一來學生對于課堂知識就會容易掌握得多。然而，按照最近幾年的Java 程序設計課堂教學過程中，可以得出這樣一個結論，教師有效引用日常生活中的經典實例去說明專業基礎知識與相關概念，這樣不單單可以大幅度激發出學生對計算機編程設計的積極性，而且還可以幫助學生更好地去理解這些抽象概念，并可以準確理解其在一個計算機程序設計中所起到的作用。

4 構建新的課程內容體系

根據學生需要學習到知識以及對知識的掌握程度，重新制定Java 教學內容，適當的進行調整，同時不能夠偏離解決專業問題思路，對知識重新進行分析，最終組建一個和計算思維有關的全新的課程知識體系。圍繞“計算思維”，可以將《Java 程序設計》課程基礎知識及類和對象兩部分邏輯性較強的內容進行分解，一般分為5 個教學單元：計算思維簡述、計算機思維-程序系統結構、分解思維-符合對象以及對象之間的關聯度、復合思維-繼承、執行思維-多態、抽象思維-泛型，要求在每一個教學單元的設計內容中，敘述清楚課程基礎知識背后蘊含的計算思維。

5 結語

本文對《Java 程序設計》課程引入計算思維的理念，根據《Java 程序設計》課程的相關教學難題，依托計算思維的有效發揮和相關優勢，對《Java 程序設計》課程進行教學改革。通過實際教學檢驗，引入計算思維理念后，將更能增強學生的邏輯思維能力，激發學生學習本課程的興趣。同時，希望本文的研究能夠為面向計算思維的《Java 程序設計》課程教學改革的提供參考。