基于產出導向程序設計課程計算思維的培養探討

王若龍

（濮陽市食品藥品信息中心，河南 濮陽 457000）

0 引言

程序設計是計算機類專業的重要課程之一，以程序設計為主要目標，涵蓋數據存儲、編程軟件的運用及程序實現等內容。對于計算機科學，計算思維是基本素養。從程序設計課程教學中可知，計算思維是關鍵能力。結合計算機技術及應用，了解和掌握計算機的思維方式，對于設計高質量的軟件程序至關重要。所謂計算思維，可以解釋為運用計算機科學來求解問題、設計系統和理解人類的行為。產出導向理念（Outcome Based Education,OBE）打破傳統教學“重知識、輕能力”格局，關注學生自主學習意識的激發，引入工程教育專業認證體系，注重學生間的合作與交流，變革教法，啟發學生的計算思維，面向科學評價，持續提升課程教學質量。為此，計算機專業學科教育要重視學生計算思維的培養，指向計算思維，運用產出導向理念，改革現有程序設計課程教學模式，促進高校工程教育質量的全面提升。

1 計算思維在程序設計課程中的應用必要性

1.1 計算思維

周以真教授認為，計算思維是一種借助于約簡、嵌入、轉化、仿真等方法，將看似難以解決的問題，重新闡述為能夠被解決的一種思維方法。計算思維，關鍵在于抽象和自動化，提煉重要內容，刪去不重要的細節，借助于計算機自動化運作系統，解決實際復雜問題。教育部高等教育司《關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函〔2017〕6 號）中，將“工程教育”理念作為新工科課程改革的指導新思想。計算思維以科學計算為指導，重視邏輯、抽象、推理、綜合。

1.2 程序設計課程中的計算思維

在程序設計課程體系中，計算思維具有不同的層級特點。在計算表示層，主要完成對數據的存儲方式、數據的描述與表示，如字符集、數據類型、變量、數組、指針、類或對象等；在計算處理層，主要實現程序的控制與數據的操作，包括程序設計的基本規則和方法；在計算分析層，主要包括算法分析、結構化程序設計，面向對象設計思想等；在計算實現層，主要包括對算法的實現、算法程序的表示，調適與驗證程序的穩定性等；在計算優化層，通過時間復雜度分析、空間復雜度分析，優化程序設計流程和方法。在計算思維與程序設計課程融合中，要把握適度原則，避免過度強調程序設計的繁雜語法和規則、限制學生思維的主動性和能動性。培養計算思維要結合課程內容，啟發學生關注復雜問題的分解與解決，提高學生綜合素養和程序設計專業能力。

2 計算思維在程序設計課程教學中的實施關鍵點

程序設計課程作為計算機專業基礎課，包括數據存儲、數據表示、數據處理、程序設計、程序實現和程序優化等內容。因此，強調產出導向理念與計算思維的培養，在程序設計課程教學中需要把握3 個方面。

2.1 強調學生個性差異，把握任務設計分層性

知識灌輸、一刀切的無差別育人模式，既會抑制學生的創新意識和創造力，又不利于計算思維的培養。結合學情，了解學生的認知、起點、學習需求，強調“因材施教、能者多學”原則，設置分層次、有梯度的學習任務，讓每個學生的能力都能夠獲得提升。

2.2 突出學科特點，強調任務設計真實性

在程序設計課程中，要明晰課程特點，體現學生專業技能的培養。增加實踐性課時，特別是引入真實項目或任務，鼓勵學生分工協作、合作探究、歸納總結，提升其程序設計綜合能力。

2.3 強調能力養成，關注評價的科學

傳統教學目標以“了解”“理解”“熟悉”“掌握”等為要求，考核學生的能力缺乏量化，導致教學效果不理想。據調研，很多高校程序設計課程缺乏明晰、準確、完善的考核評價體系。應立足計算思維，細化評價內容，著力培養學生利用計算機程序設計解決實際問題的能力。在評價上，要啟發學生發現、分析問題，尋求不同算法，激活學生思維；通過算法比較，增強學生自覺意識。鼓勵重構問題，培養學生思維的深度。

3 產出導向下計算思維融入程序設計課程教學的措施

落實工程教育專業認證培養理念，以學生為中心，以產出為導向，從人才職業需求和必備能力方面“反向設計”課程教學模式，突出基本知識、專業技能、綜合素質的協調發展。

3.1 確立工程教育認證，明晰程序設計課程目標

在產出導向理念下，對于程序設計課程育人目標的設定，要明晰“具備解決復雜軟件工程能力”的人才定位。程序設計本身具有多種學科交叉、綜合性特征，對數學、自然科學等知識的學習，要體現學生計算思維的培養，能夠結合程序設計具體實踐問題，優化程序設計語言的表示方法，順應程序設計模塊結構特點，通過抽象、歸納、遞歸、回溯等算法設計，獲得自上向下的程序設計思路。計算思維的培養，通過對程序設計目標、程序編寫過程、程序執行、驗證與調適分析，解決具體問題。注重程序語言規范、程序算法的表示、程序設計方法的掌握，更要能夠銜接軟件工程領域，提高學生在編程中養成必備的職業素養，如合作意識、團隊精神，具備多學科背景下的程序設計編程能力，能夠結合編程項目，展開自主學習、自主探究，適應軟件行業人才發展需要。教師在關注程序設計課程教學時，要確立“具備解決復雜軟件工程能力”的人才目標，以產出導向為指引，對教學各個環節進行優化和變革，提升軟件人才綜合素養。

3.2 樹立自主學習意識，提高學生計算表示與處理能力

程序設計課程涵蓋的知識點、程序設計規則與算法較多。要想實現正確的程序輸出，就需要做好數據的表示和處理。在教學中，針對過多的講解程序規則、算法等內容，學生反而會被這些知識點所束縛，導致計算思維受限。程序設計課程可以讓學生自主認識相關規則和算法，自主體認程序設計的數據表示和處理方式，培養學生的計算思維。要將自主學習融入程序設計各個環節，要強化學生自主學習意識和能力。例如對于常量、變量的討論，與數據二進制存儲有關，如果圍繞二進制展開知識點講授，學生依然存在搞混現象，教學效果不理想。應給予學生自主學習的機會，讓學生自己去探索和感知二進制補碼存儲的規律。教師通過有效的引導，化解學生學習中的疑難問題。參照產出導向理念，根據程序設計教學目標，要引領和啟發學生主動進行自主學習，如在任務設計與布置中，結合學情，鼓勵學生自主學習。針對結構體知識的講解，安排學生在課下學習“共同體”“枚舉類型”，引入作業，讓學生對自己的學習成效進行考核。程序設計課程非常適宜學生半自主學習，由師生協同，整合課程學習資源，鼓勵學生持續改進自主學習模式。隨著學生學習能力的提高，教師要減少干預與監控。同樣，注重因材施教，結合學生自身學習興趣、方向，拓展其知識面，提升學生解決復雜工程問題的學科能力。

3.3 突出協作與交流，增強學生計算分析能力

程序設計課程教學中有結構化分析方法、面向對象分析方法等?？紤]到程序設計的教學效率，教師要注重學生間的合作與交流，鼓勵學生以團隊形式參與分組討論，共同提升計算分析能力。一般情況下，團隊教學模式有三種。第一種是以分塊協作為主，將一項復雜的程序設計任務分解為若干模塊，團隊各成員相互協作，各自完成相應的模塊。第二種是主輔協作，由能力強的學生與能力弱的學生合作，對任務進行難易度劃分，各負其責。第三種是結對協作，圍繞程序設計任務，引入角色互換方式完成合作。不同協作方式的應用要與課程實際相聯系。每個人在面對程序設計任務時，其思維意識、思維能力是有限的。引入小組合作，發揮團隊的力量，有助于學生從思維碰撞中形成計算思維與分析能力。比如，對于一個數，通過素數因子乘積的方式來表示這個數。很多學生在分解該數時，會采用雙重循環程序結構來實現。利用外循環，窮舉因子；利用內循環，判斷該數是否為素數。這一設計思路，看似沒有紕漏，但少數學生在對素數因子進行分解時，無須再判斷其是否為素數。也就是說，利用單循環結構即可解決該問題。通過學生分組探討，能夠開闊學生計算思維的視野，在遇到程序設計等問題時，多鼓勵學生團隊協作，從不同想法的碰撞中激發計算思維，提高學生程序計算分析能力。

3.4 善用啟發教學，提高學生計算能力

計算思維的培養，要強調學生計算實現能力的獲得。在教學過程中，教師要善用啟發式教學，引領學生展開思維訓練。在程序設計課程中，針對知識型問題，可以將知識嵌入程序設計，分析程序，體認知識。比如，對邏輯運算符的使用，很多學生在程序設計時，易犯錯誤集中在邏輯與左側表達式值為“0”，或者邏輯或左側表達式值為“1”時，右側表達式不再執行。教師利用具體程序，讓學生通過執行程序，對比執行結果，反思該知識點，促進學生對邏輯運算符的正確理解。對于分析型問題，教師要突出學生思維的發散。對程序流程的控制，程序設計的流程，有順序結構、選擇結構、循環結構等。對于順序結構，在不使用中間變量條件，交換兩個數的方法。形如“a=a+b；b=a-b；a=a-b”。運用編程語句，如何來交換兩個數，啟發學生去體會順序結構的數據流向，幫助學生掌握順序結構的編程方法。同樣，對于選擇結構，可以從最大公約數的求解方法中來驗證。對循環結構，可以通過除法運算實例，加深學生對程序流程的控制。計算思維在培養中，要注重問題的遞進性。例如“百錢百雞”問題，利用三重循環，將公雞、母雞、小雞的數量控制在“0～100”之間，每次累進“1”，窮舉所有情況。對于該設計思路，請同學們思考：是否需要對三重循環的常量都設定為“0～100”，是否需要每次都累進“1”，是否必須用“三重循環”來實現。鼓勵學生拓展思維，優化程序設計算法，以便提高程序運算效率。在計算思維培養中，學科知識的交叉與融合，面對程序設計任務，不能孤立地看待問題，要結合多種學科知識，強調學生數學思維分析能力的養成。數學思維為計算思維創造基礎，程序設計中的計算思維很多情況需要轉換為數學方式來完成，如合數的分解，從“2”開始，直到合數的平方根結束，作為循環判斷的是否整除的條件。

3.5 重視實踐編程，提升計算驗證與優化能力

產出導向下，程序設計課程教學要歸結于對實際問題的解決。結合程序設計課程，引入具體的編程項目，讓學生能夠參與編程，對程序進行驗證、優化，提高程序設計的正確性、可行性、高效性。在程序設計中，對所編程序需要進行調試、驗證。如何選擇調試工具，如何驗證程序的合理性，如何結合錯誤提示來改進和糾正程序內容，如何設置程序運行斷點，如何利用單步執行來分析程序中變量的合理性等等。通過編程實踐，對程序進行輸出結果調適，再反過來優化編程方法，如對于“N 個字符串有序輸出”任務，需要明晰字符串的存儲方式，設定字符串的排序過程。對于不同字符串，根據其長度不同，可以選擇不同的存儲方式，如靜態數組，需要預先定義數組的大?。粚τ谝攵鄠€變量來存儲字符串，可能影響程序的可讀性。對字符串的排序，從字符串大小比較、交換位置中，可能會帶來運算效率問題。因此，引導學生利用指針數組，利用交換數組元素，而不交換字符串，能夠實現算法的優化，提高學生編程設計優化能力。

4 結語

計算思維的培養具有長期性、漸進性特點，要融入程序設計課程教學全過程。重視產出導向理念的指導，從程序設計基礎知識、編程項目實例開發中，完善教學評價，增強學生自主學習、團隊協作能力。將計算思維與數據分析處理能力協同起來，讓學生能夠融入計算思維，關注問題的解決過程，為后續課程學習奠定基礎。