基于計算思維驅動程序設計實踐教學設計

劉正余,劉 宇,程振邦

(1.皖西學院 電子與信息工程學院,安徽 六安 237012;2. 皖西學院 機械與車輛工程學院,安徽 六安 237012)

傳統的程序設計實踐教學設計目標是通過實踐過程消化理解理論知識,實踐教學過程主要形式是項目驅動,實踐項目的類型基本是“驗證型”和“綜合型”。項目驅動程序設計實踐教學在一定程度上能讓教與學更好地融合,教師為具體的項目設計好任務點,指導手段常用的是教師演示、學生模仿,對學生實踐效果的評價一般是學生對項目中任務點的完成度。黨的二十大報告中對新時代人才培養提出了新的要求,高校學生要將學習融入創新體系中,適應創新發展的需要。如今數字教育資源發展很快,學生使用數字資源的能力越來越成熟,項目驅動就逐步顯現出很多的局限性。首先項目設計對指導教師挑戰性高,因為信息技術更新很快,這就要求實踐項目也要及時更新。其次項目訓練過程中學生的誠信度不容易把握,學生可以通過網絡“抄襲”到項目設計要求的任務。還有項目驅動也不能很好地培養學生的團隊協作精神,同時項目驅動過程中對創新驅動的表現力也不夠強。學生只要完成項目中要求的任務就算達成目標了,實踐過程中不易形成教師與學生之間、學生與學生之間的互動,更不容易促使學生主動去探索未知領域。總之,項目驅動本質上是一種實證思維形式,在實證思維的模式中,學生通過觀察和實驗得出一些揭示客觀世界的結論,對于程序設計而言就是相關的工具、方法、技術等結論,而這些結論一般是以邏輯推論或者實驗驗證的方式出現[1](P7-14)。

計算思維是通過計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為,它包含了計算機科學的一系列思維活動,這一概念由卡內基梅隆大學周以真教授在2007年提出。在計算思維的表述中周以真教授明確了計算思維的載體是計算機,所謂計算機科學就是探索人的思維活動,計算思維簡單地說就是人探索用計算機解決人的自身思維活動的途徑[2]。中國計算機教育發展與改革的“藍皮書”《計算機教育與可持續競爭力》(2018年出版)中寫道:計算思維是以信息和信息運動為認知對象和操作對象的思想及方論,因此是涵蓋所有學科的第三種思維范式[3](P24-30)。在大數據與人工智能的推動下,計算思維的深刻內涵被挖掘,其內容得到進一步拓展[4]。計算思維作為一種世界觀和方法論,其核心內涵是計算模型、相應的算法設計與實現[5]。因此構建計算模型、設計工程應用算法,并用程序設計語言將其實現,是推動學科和科技發展的動力。而現代計算及其思維模式的認知最早可追溯到1945年,George Polya在他的著作《How to Solve It》第一次提出了計算和相應的思維方式[6]。聯合國教科文組織在2019年發布的《人工智能教育報告》中寫道:雖然計算思維明顯屬于計算機科學領域,但它是一種在其他學科中普遍應用的能力[7]。本文是探索基于計算思維驅動下程序設計實踐教學的設計方法,研究程序設計實踐教學的形式、指導過程及科學設計實踐的項目,構建以學生能力形成為培養目標的程序設計實踐教學體系,實現在程序設計實踐教學過程中體現“教師為主導、學生為主體”,深度契合基于OBE工程教學理念。

1 計算思維驅動“裂變”思維形成

學習是個有規律的過程,包括新接觸、機械學、模糊懂、興趣變、大膽試、主動求等。當學生剛開始接觸程序設計時,他們會充滿了好奇與期待,因此指導教師就要精心為學生規劃好實踐生涯的第一步。“計算”也許是人腦最原始最本能的活動,而程序設計是人挖掘計算機的“計算”能力,因此指導教師在程序設計實踐教學中就可以把“計算”作為設計的第一步[8](P1-5)(圖1)。“加法表”的設計就是一個非常好的案例,也是引導學生進入“計算”世界一個非常好的開始,突出表現在“計算”的抽象性,思維的可描述性,從而實現想象的可傳遞性等[2]。指導教師可以通過類似于這樣的一個具有“想象力”的案例將學生帶入到“計算”世界中去,探索計算機解決問題的手段。

圖1 加法表

學生剛開始接觸程序設計時是懵懂無知的,學生會非常希望指導教師能給出像“加法表”這樣熟悉的任務計算機的“計算”過程,教師要充分抓住這個與學生互動的機會。教師要做的就是根據學生的學習規律設計好程序設計實踐教學的各個環節,引導學生在各個環節中主動去發現問題、解決問題[9]。“裂變”思維就是要學生在學習過程中圍繞一個中心竭盡全力發散自己的思維,發現其他任務與中心任務之間的聯系,有勇氣從已知領域突破到一個個未知的領域(圖2)。

圖2 “裂變”思維的過程

也許開始學生只能機械地去模仿指導教師的“示范”過程,但這種模仿在開始階段是非常必要的。定義變量是程序設計過程中實現抽象的基礎,當學生掌握了對變量的使用,就可以用抽象思維方式設計計算機解決問題的方法。計算工具解決問題區別于其他勞動工具根本就是計算工具應能有存儲能力(記憶功能)[10],變量是計算機存儲數據的一種最普遍的形式,變量搭建起了邏輯思維與物理存在的橋梁。抽象思維是計算思維的核心表現之一,抽象是構造計算模型的根本途徑,定義好存儲數據的單元是利用計算機解決問題的前提。比如通過變量i抽象出圖1加法項的“右對象”,通過變量j抽象出圖1加法項的“左對象”,圖1的加法項就可以抽象為j+i=a,變量a抽象出j+i的運算結果。

通過j+i=a的抽象引導學生探索計算機解決圖1問題的算法,算法是計算機解決問題的可行方案,是對計算思維更高層的抽象,同樣的算法在表達方式上是多樣的,對于圖1就可以采用順序結構、循環與順序結構及循環結構來設計,不同結構的選擇對程序設計人員的工作量有很大的區別。“順序結構”解決圖1問題會需要超多的編碼量,語句單位可達3*(1+9)*9/2條,“循環結構與順序結構”結合會在一定程度上能減少圖1問題編碼量,但語句單位最少也要2*9條,如果利用“循環結構”的嵌套就能讓圖1問題的編碼量僅剩1條(表1)。編碼量減少讓人寫程序的任務減輕了,但這并不能減少計算機“計算”的工作量。

表1 編碼量對照表

計算思維的任務就是構造與設計[11],構造模塊化可以將學生的“想象力”提升到更高的空間。模塊化程序設計要求學生可以將主模塊有機地分解成若干獨立的子模塊,這種設計的思想就是分層程序設計的思想,構造的子模塊都有獨立的“計算”功能。模塊化程序設計就是要求學生訓練模塊分解、團隊協作、工程技術等能力(圖3),理解“計算”的復雜性,認識到復雜的“計算”就是由獨立子模塊的“計算”有機協作完成的。模塊化程序設計是軟件工程的基本要求,是為了適應計算機解決復雜工程問題的要求。軟件工程技術要求構造的每個子模塊功能要相對獨立、不能太過于復雜,當若干子模塊拼裝成主模塊時,主模塊的“計算”能力就會逐漸變強。

圖3 模塊化程序設計方法

圖1的“主模塊”通過調用“子模塊1”實現輸出每行的功能,調用“子模塊2”實現輸出每列的功能。學生就可以從圖1的模塊化程序設計方法中形成思維“裂變”,探索諸如求“和”問題、數組處理問題、楊輝三角問題、字符串處理問題、素數問題等的設計策略(表2)。這些問題的解決均用相似的思維方式,共同的感覺激發了學生探索未知領域的興趣和動力,達到了培養學生發現事物之間內在聯系的主動性。

表2 問題相似性對照表

2 計算思維驅動“測試”思維形成

測試目的就是發現錯誤并改正錯誤,問題的關鍵是如何發現錯誤,測試能力是學生程序設計能力水平的重要指標[12]。計算思維要把計算機解決問題的能力和限制條件駕于算法之上,因為計算機描述問題的“有窮性”決定了計算思維不同于完全的數學抽象思維。與之相關聯的是在程序設計過程中就會出現編譯錯誤、算法錯誤、機器錯誤、執行錯誤等(表3),準確甄別錯誤就要運用測試手段,研究科學的測試技術、設計有效的測試過程及尋找具有針對性的測試數據才能保證程序的正確性和可行性。

表3 程序設計錯誤類型

表4 極值問題訓練點

發現錯誤也許比改正錯誤更難,發現錯誤既要靠經驗的積累,又要有豐富的理論和技術支撐。“編譯錯誤”系統會幫助程序員發現錯誤,有的系統甚至能為程序員自動修復一些錯誤。但大量錯誤地出現不能完全由系統識別修復,因為系統的識別能力是有限的,需要程序員主動去判斷。學生寫的程序可能會出現各種類型的錯誤,初始階段“編譯錯誤”最多(圖4)。無意識地出現“編譯錯誤”對學生而言不是挫折,而是機遇和挑戰,學生每一次成功改正此類錯誤都會獲得一定程度的滿足感[6]。

圖4 編譯錯誤的形式

算法就是借助于計算機工具實現人對特定任務解決問題的方案,算法錯誤的出現往往會表現出兩個層面:邏輯層和物理層[13]。算法邏輯層錯誤就是人對任務理解的不可行、不可靠、不正確、不全面等引起的,專業領域知識也是引起邏輯層算法錯誤的誘因。算法物理層錯誤就是人錯誤地理解了計算機對于數據的表示及計算機對程序的執行過程,計算機中數據的表示形式與人的認知是不一致的,計算機中對程序的執行是以指令為單位,這與人的習慣理解也是不一樣的。測試過程就是幫助程序設計人員不斷地去認識計算機中數據的表示及計算機對程序執行過程的理解。對于一個設計求n!的程序而言,就需要進行邊界值的測試(0!是否為1)、初值的測試(初值設置是否為1,出現問題是可能沒有設置初值,或者設置不合理)、程序結構的測試(循環結構出現問題,遞歸使用不正確等)、程序最大求解能力的測試(n的最大值為多少,超過最大值將產生不準確的執行結果)等。

3 計算思維驅動“體系化”的程序設計實踐教學案例形成

程序設計實踐教學過程中,用問題為導向構建起知識結構的體系,將知識點融入解決問題之中,將問題作為知識“散文”的“神”,讓學生可以由淺入深、按部就班地去模仿、理解、設計、探索、創新解決問題,從而形成和達成學生能力訓練的目標[7]。問題在實踐過程中就像一根時間軸,貫穿學生實踐的全過程(圖5)。

圖5 教學案例-極值問題體系化示例

程序設計實踐教學設計可以依據目標問題設計多根“神”,以問題為引領,設計諸如“交換問題”“極值問題”“求和問題”等等。將知識訓練、能力訓練、創新思維訓練貫穿于一根根“神”中。“聯系”是計算思維的內在特征,體系化就是要形成問題之間的聯系。圖5的極值問題可以充分挖掘學生認知問題的規律,把整個程序設計的知識體系盡可能地融入這個問題中,讓學生在這個熟悉的問題平臺中去探究程序設計的學問。

程序設計實踐目標是訓練學生程序設計的能力,這種能力包含有計算能力和邏輯推理能力[14],實踐過程的“體系化”可使學生在程序設計實踐訓練的過程中逐步達成這些能力目標的。實踐教學能實現有計劃地去培養學生的算法意識和數據存儲意識,構建起基于算法與數據存儲間的依存關系,改變傳統的實證思維缺乏對學生思維能力的培養。計算思維驅動“體系化”程序設計實踐教學能培養學生的工程思維能力和創新思維意識[14],從而達到以“學生能力為中心”的培養目標。

4 結論

基于計算思維驅動程序設計實踐教學能有效培養學生的創新思維能力,讓教師習慣以平等的身份去指導學生進行程序設計實踐,不再是教師布置任務學生去練習,也不再拘泥于實踐就是為了驗證幾個知識點,而是教師和學生都要在實踐中共同發現問題、解決問題,探索新方法、新平臺、新技術。基于計算思維驅動程序設計實踐教學就是要讓教師和學生都要把思維真正發散開來,轉變傳統的實踐教學理念,探索學習的本真,形成學生可持續性的學習能力。基于計算思維驅動程序設計實踐教學能讓教師在指導學生實踐過程中針對性更強、指導方式更靈活、內容設計有抓手,方便教師對學生實踐效果設計多元化的評價方式。程序設計能力是信息類專業人才的基本能力,只有通過程序設計才能讓學生理解計算機的工作過程,才能真正拉近人與計算機之間的距離。