程序設(shè)計(jì)教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的路徑與方法

劉力凱

摘要：在信息技術(shù)飛速發(fā)展的新形勢下，程序設(shè)計(jì)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力具有重要的意義與作用，該文提出了程序設(shè)計(jì)教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的意義與作用，提出在教學(xué)過程中應(yīng)重視養(yǎng)成學(xué)生計(jì)算思維的意識(shí)，并通過案例教學(xué)、研究性教學(xué)等路徑，給出了培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算思維、提升計(jì)算思維能力的一些方法。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì);計(jì)算思維;案例教學(xué);研究性教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）29-0088-02

目前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已深入到人類學(xué)習(xí)、工作和生活的方方面面，學(xué)生無論學(xué)習(xí)的是哪個(gè)學(xué)科，將來從事的是哪個(gè)行業(yè)，都能接觸到計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。然而隨著信息技術(shù)、人工智能的飛速發(fā)展，信息社會(huì)對(duì)人才的要求已不再是僅僅掌握計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作，使用計(jì)算機(jī)的簡單功能，做些日常性的事務(wù)來提高工作效率，更需要他們具備計(jì)算思維能力，在工作中，能結(jié)合所學(xué)的專業(yè)知識(shí)有所創(chuàng)新，有效的使用計(jì)算機(jī)完成某些應(yīng)用開發(fā)，解決一些實(shí)際遇到的復(fù)雜問題。如何把一些實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能解決的問題，這種轉(zhuǎn)換能力就是計(jì)算思維能力，在高等教育中，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是目前大家較為關(guān)注的問題之一。程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)是高等教育階段的一個(gè)必要的組成部分，它對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和計(jì)算思維具有重要的地位和作用。為適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)改革的發(fā)展，使計(jì)算思維的培養(yǎng)真正落到實(shí)處，以滿足高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，本文就程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，提出了一些實(shí)施的路徑和方法。

1程序設(shè)計(jì)課程中，培養(yǎng)計(jì)算思維能力的意義與作用

人類的科學(xué)思維總體上有如下三種：以觀察和歸納自然泡括人類社會(huì)活動(dòng)）規(guī)律為特征的實(shí)證思維;以推理和演繹為特征的邏輯思維;以抽象化和自動(dòng)化為特征的計(jì)算思維。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣大的一系列思維活動(dòng)。

從以上對(duì)計(jì)算思維的論述中可以看出，對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)過程，就是學(xué)習(xí)如何嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的分析問題、尋找解決思路、設(shè)計(jì)解決方案的過程，這和程序設(shè)計(jì)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是一致的，程序設(shè)計(jì)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用能力，程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)不僅要使學(xué)生掌握某門程序設(shè)計(jì)語言的基本語法知識(shí)，其核心任務(wù)還在于培養(yǎng)學(xué)生具備靈活應(yīng)用這些知識(shí)的能力，掌握用計(jì)算思維的方法去解決今后工作和學(xué)習(xí)中遇到的各類非通用計(jì)算問題，如果一個(gè)計(jì)算機(jī)程序具備了解決某個(gè)問題的功能，實(shí)際上所體現(xiàn)的是程序設(shè)計(jì)者對(duì)于該問題的分析和解決思路，顯然，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)能促進(jìn)和加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練，使計(jì)算思維的培養(yǎng)落到實(shí)處，能有效地培養(yǎng)學(xué)生掌握創(chuàng)新思維方法，具備學(xué)以致用的能力，既滿足信息社會(huì)對(duì)大學(xué)生的基本要求，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型人才也有著十分重要的意義。

其次，計(jì)算思維的培養(yǎng)與形成，不僅對(duì)人的一生，無論是工作還是生活，也會(huì)帶來極大的好處。蘋果公司創(chuàng)始人Steve Jobs曾經(jīng)說過：“在工作中是否要編程，未必那么重要，但你可以把它當(dāng)成一面鏡子，一面你思考的鏡子。我認(rèn)為學(xué)習(xí)如何思考是最有價(jià)值的。這個(gè)國家的每個(gè)人都應(yīng)該學(xué)習(xí)如何編寫程序，因?yàn)樗虝?huì)你如何上思考。正如人們學(xué)習(xí)法律未必要當(dāng)上律師，但學(xué)習(xí)法律可以告訴你如何從法律的角度思考問題。同樣地，編程是一種稍微不同的思考方法。因此，我認(rèn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科。每個(gè)人應(yīng)該在一生中花費(fèi)一年的時(shí)間學(xué)習(xí)如何編程。”這說明程序設(shè)計(jì)課程實(shí)際上也是一種培養(yǎng)學(xué)生在遇到任何復(fù)雜問題時(shí)如何思考的課程，計(jì)算思維將是每個(gè)人都會(huì)使用到的一種基本技能。

2程序設(shè)計(jì)課程中，培養(yǎng)計(jì)算思維能力的路徑與方法

2.1強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)中分析、建模和抽象能力的培養(yǎng)，養(yǎng)成計(jì)算思維的意識(shí)

計(jì)算機(jī)程序是指令的有序集合，程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)重點(diǎn)主要包含兩個(gè)主要方面：一是各種指令的功能和使用方法，即編程語言的語法知識(shí)，包含了程序中用到的常量、變量、表達(dá)式、各種語句、控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示及機(jī)器對(duì)它們的處理過程等知識(shí)點(diǎn);二是計(jì)算思維的培養(yǎng)，即如何針對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析、建模，并從中抽象出指令代碼，然后將它們有序的組織起來以完成特定的功能。第一方面是程序設(shè)計(jì)的基石，第二方面是程序設(shè)計(jì)的靈魂，熟練掌握一門編程語言的語法及編程技巧固然重要，但對(duì)于問題分析、解決思路和完成代碼的抽象能力才是程序設(shè)計(jì)真正重要的、有價(jià)值的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，由于語法知識(shí)內(nèi)容量大，且這部分內(nèi)容是課程的基礎(chǔ)，是程序設(shè)計(jì)的基石，因而占用的課時(shí)較多，教師往往是按教材順序逐個(gè)講解編程語言的語法知識(shí)點(diǎn)，注意力較多地放在對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的傳授上，而訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)環(huán)節(jié)相應(yīng)的少一些。雖然教師在講授知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用時(shí)也會(huì)強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的在編寫程序中的作用，但由于學(xué)生參與較少，因而易造成學(xué)生不能意識(shí)到它的重要性，忽視對(duì)它的訓(xùn)練。而單靠死記硬背概念和一些設(shè)計(jì)規(guī)則，是不可能真正掌握和領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)求解問題所用的思維方法的。由于沒有養(yǎng)成計(jì)算思維的意識(shí)，在面對(duì)實(shí)際問題時(shí)，學(xué)生難以抓住要點(diǎn)，總是直接編寫程序，忽視前期的分析、建模、代碼抽象的過程，造成思維混亂，難以得到預(yù)定的結(jié)果。因此，如何讓使學(xué)生學(xué)以致用，重視和把握程序編寫的分析角度、思維要點(diǎn)和代碼抽象的過程，提高學(xué)習(xí)效果和綜合應(yīng)用能力，以滿足實(shí)際應(yīng)用要求，是程序設(shè)計(jì)教學(xué)要解決的首要問題。

經(jīng)過課程實(shí)踐，我們認(rèn)為：一是應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)，打破傳統(tǒng)教材知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體和中心地位，從適合教師講授的角度轉(zhuǎn)向適合學(xué)生學(xué)習(xí)的方式，在傳授知識(shí)的同時(shí)注重能力的培養(yǎng)，真正做到既要授之以魚，更要授之以漁，因此在講授編程語言的語法知識(shí)之前，首先要使學(xué)生了解計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)中的重要地位，通過一些案例強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)教學(xué)中分析、建模，代碼抽象過程的重要性，以突出計(jì)算思維能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生明白程序代碼只是程序設(shè)計(jì)者對(duì)于某個(gè)問題解決方案的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，而問題分析、解決思路并從中抽象出正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)和各種表達(dá)式才是程序設(shè)計(jì)最重要、最有價(jià)值的部分，它必須在編寫代碼之前確定。二是要在后續(xù)的教學(xué)中，將計(jì)算思維巧妙融人教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，增加計(jì)算思維在課程教學(xué)中的比重，精心組織教學(xué)過程讓學(xué)生積極參與其中，不斷體會(huì)計(jì)算思維的作用和魅力，有針對(duì)性的展開教學(xué)，反復(fù)強(qiáng)化訓(xùn)練，以養(yǎng)成學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)自覺使用計(jì)算思維的意識(shí)。

2.2實(shí)施案例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算思維的方法

教學(xué)是一門藝術(shù)，采用有效的、適合學(xué)生學(xué)習(xí)的途徑和方法才能起到良好的教學(xué)效果。雖然學(xué)生知道了計(jì)算思維的重要性，但如何學(xué)會(huì)用計(jì)算思維的方法去解決問題才是程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的終極目標(biāo)。程序設(shè)計(jì)的步驟包含分析問題，算法設(shè)計(jì)（數(shù)學(xué)建模）并抽象出具體的實(shí)現(xiàn)語句，明確編程步驟，編寫程序，進(jìn)行程序調(diào)試等一系列步驟，學(xué)生如何把握實(shí)際問題的分析角度、算法設(shè)計(jì)要點(diǎn)和代碼抽象的過程是教學(xué)的難點(diǎn)。教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的“灌輸式”、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的教學(xué)模式，體現(xiàn)了教師的主體和中心地位，導(dǎo)致部分學(xué)生沒有真正動(dòng)腦子去學(xué)，無法普遍激發(fā)學(xué)生的聽課興趣，聽課的專注力不斷下降，對(duì)講授的內(nèi)容常常是零零星星一知半解，這對(duì)今后的學(xué)習(xí)很難形成知識(shí)的積淀。

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與參與度，我們采用了案例教學(xué)，通過選取不同的案例，將教學(xué)的目標(biāo)、難點(diǎn)、要點(diǎn)融入其中，讓學(xué)生了解要學(xué)什么，如何去學(xué)，各知識(shí)點(diǎn)用在何處，啟發(fā)學(xué)生在思考思辨中養(yǎng)成自我構(gòu)建知識(shí)的能力和素質(zhì)。例如，下面的案例是要求設(shè)計(jì)一個(gè)警察抓小偷的程序：

已知警察抓了A、B、C、D四個(gè)偷竊嫌犯，其中只有一個(gè)人是真正的小偷，審訊記錄如下：A說“我不是小偷”;B說“C是小偷”;C說“小偷肯定是D”;D說“C在冤枉人”，已知四個(gè)人中有三個(gè)人說的是真話，一個(gè)人說的是假話。請(qǐng)問到底誰是小偷。

在這個(gè)案例中四位嫌疑人的表述是“不確定”的已知條件，“四個(gè)人中有三人說的是真話，一人說的是假話。”是唯一確定的已知條件，解決這個(gè)問題的方法可采用窮舉法即依次假設(shè)、逐個(gè)驗(yàn)證。依次假設(shè)嫌疑人是A、B、C、D中的某一人，能滿足上述唯一確定已知條件的假設(shè)即為問題的解。具體的Python程序代碼如下：

但案例教學(xué)，不是舉例，要通過精心組織教學(xué)環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生積極參與，才能了解、體會(huì)如何把握解決問題的思維角度與過程。針對(duì)該案例，應(yīng)創(chuàng)設(shè)如下的問題供學(xué)生思考，該案例的特征是什么？解決這個(gè)案例的方法有哪些？如何具體實(shí)施并抽象出合適的代碼去實(shí)現(xiàn)？并進(jìn)一步提出它需要解決幾個(gè)問題：（1）如何表示A、B、c、D四個(gè)嫌犯;（2）如何表示“假設(shè)A是小偷”;（3）如何表示審問記錄中四個(gè)嫌疑人說的話;（4）如何表示“三句是真話，一句是假話”;（5）如何實(shí)現(xiàn)“依次假設(shè)”，這些問題涉及了數(shù)據(jù)、表達(dá)式和程序結(jié)構(gòu)等多方面知識(shí)，解決了這些問題才能從中抽象出正確的代碼，為后續(xù)的編寫程序打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外，案例教學(xué)要讓學(xué)生見多識(shí)廣，從一系列類似的或不同的案例中，反復(fù)比較、體會(huì)，才能學(xué)會(huì)怎樣根據(jù)不同問題的特征，選取不同的算法設(shè)計(jì)，并學(xué)會(huì)如何從中抽象出特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)等，最后編寫出正確的程序。需要注意的是為了彌補(bǔ)課時(shí)的不足，可采用多種教學(xué)形式，如課外練習(xí)、實(shí)驗(yàn)課等，拓寬視野，逐步掌握每個(gè)問題思維的角度、方法，養(yǎng)成自我構(gòu)建知識(shí)的能力和素質(zhì)，幫助學(xué)生有效掌握計(jì)算思維的方法。案例教學(xué)與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，它更能活躍課堂互動(dòng)氛圍，學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的意識(shí)也大大增強(qiáng)，充分提高了教學(xué)與學(xué)習(xí)的效率。

2.3引入研究性學(xué)習(xí)方法，提升學(xué)生的計(jì)算思維能力

教學(xué)包括教與學(xué)兩個(gè)方面，講得好不代表學(xué)得好，從聽明白到記住，再到最后的會(huì)用，需要教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，尋找符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)習(xí)規(guī)律的教學(xué)方法才能實(shí)現(xiàn)。案例教學(xué)，教師重在引導(dǎo)，啟發(fā)思想，而不是直接講解答案，要充分體現(xiàn)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師只是一個(gè)引導(dǎo)者，是教學(xué)內(nèi)容的組織者，課堂上如果教師過分發(fā)揮自己能講會(huì)講的優(yōu)勢，容易導(dǎo)致重“教”不重“學(xué)”，學(xué)生看似聽明白了，但印象不深刻，即使學(xué)生對(duì)講過的知識(shí)點(diǎn)記住了，問題情境一旦發(fā)生改變依然會(huì)無所適從，這說明學(xué)生知識(shí)的掌握大都不是教師講會(huì)的，而是靠學(xué)生自己學(xué)會(huì)、練會(huì)的。

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，程序是由一系列抽象的指令字符組成，對(duì)于長期適應(yīng)于漢字表達(dá)的學(xué)生來說，無論是理解、記憶還是應(yīng)用，都會(huì)有一定的難度。根據(jù)課程的這一特點(diǎn)，我們應(yīng)采用研究性學(xué)習(xí)的方法，留出足夠的時(shí)間讓學(xué)生自主研究、學(xué)習(xí)，由不同的知識(shí)點(diǎn)，或引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)自悟，或進(jìn)行質(zhì)疑討論，或讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使學(xué)生通過各種形式運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去獨(dú)立分析解決問題，提高計(jì)算思維的能力。例如在抓小偷的案例中，具體的分析、算法設(shè)計(jì)及每個(gè)問題的解答，要讓學(xué)生自己去根據(jù)教師的引導(dǎo)尋找答案，改變以講為主的教學(xué)方式，通過對(duì)一系列“是什么”“為什么”和“如何表示”等問題的研究與實(shí)現(xiàn)，才能引發(fā)學(xué)生深入思考，真正了解各算法適應(yīng)于什么特征的問題、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)、表達(dá)式的抽象會(huì)用到哪些知識(shí)、主動(dòng)去關(guān)注并記住這些知識(shí)細(xì)節(jié)、體會(huì)它們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)中的用途并了解自己的薄弱環(huán)節(jié)，只有通過學(xué)生自己對(duì)案例的獨(dú)立研究、具體實(shí)現(xiàn)，自己構(gòu)建知識(shí)體系，才能在面對(duì)實(shí)際問題時(shí)靈活使用它們，這樣既有效地傳遞了知識(shí)，又極大提升了學(xué)生計(jì)算思維的能力。

3結(jié)束語

通過程序設(shè)計(jì)這門課程的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力、較好地完成教學(xué)目標(biāo)并非易事，對(duì)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施都提出了很高的要求，還需要在今后的教學(xué)實(shí)踐中，不斷探索更適合的方案，為學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)加薪添柴。