計(jì)算思維能力的C程序設(shè)計(jì)教學(xué)研究論文

　　摘要：計(jì)算思維近年來在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域備受關(guān)注，計(jì)算思維能力是每一個(gè)現(xiàn)代人必備的基本能力。以算法為核心的C程序設(shè)計(jì)是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的最佳土壤，文章以系統(tǒng)方法的視角分別從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源以及教學(xué)評(píng)價(jià)5方面深入探討計(jì)算思維能力的培養(yǎng)問題，旨在為計(jì)算思維能力培養(yǎng)提供思路和建議。

　　關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；思維教學(xué)；C程序設(shè)計(jì)；問題求解

　　1背景

　　自2006年3月美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真教授提出計(jì)算思維這一概念后，作為三大科學(xué)思維之一的計(jì)算思維就在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。計(jì)算思維成為每一個(gè)現(xiàn)代人必備的能力。計(jì)算機(jī)領(lǐng)域是計(jì)算思維教育的主要陣地，C程序設(shè)計(jì)凸顯了解決問題的算法特性，成為計(jì)算思維理念的最好體現(xiàn)。以C程序設(shè)計(jì)課程為載體培養(yǎng)計(jì)算思維能力是有益的嘗試。在CNKI文獻(xiàn)檢索平臺(tái)以“程序設(shè)計(jì)”和“計(jì)算思維”為篇名，精確檢索出與高校程序設(shè)計(jì)課程相關(guān)的4篇核心文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1]重點(diǎn)探討程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中計(jì)算思維能力培養(yǎng)的思路；文獻(xiàn)[2]以ACM/ICPC程序設(shè)計(jì)競賽為切入點(diǎn)探討計(jì)算思維在競賽中的體現(xiàn)、應(yīng)用及培養(yǎng)問題；文獻(xiàn)[3]側(cè)重分析C程序設(shè)計(jì)課程中計(jì)算思維本質(zhì)的體現(xiàn)，并在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核內(nèi)容方面給出計(jì)算思維培養(yǎng)的建議；文獻(xiàn)[4]則從教育游戲的視角論述在程序設(shè)計(jì)課程中“輕游戲”對(duì)培養(yǎng)計(jì)算思維能力的影響。這些研究雖然從不同維度做了有益探索，但是少有運(yùn)用計(jì)算思維的系統(tǒng)方法全面論述C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維的問題。

　　2計(jì)算思維概述

　　2.1計(jì)算思維的官方解讀

　　計(jì)算思維的概念是由曾任美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任的周以真教授提出的。她認(rèn)為，計(jì)算思維（computationalthinking）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)之廣度的一系列思維活動(dòng)[5]。對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念，王榮良教授從計(jì)算裝置、計(jì)算載體、計(jì)算過程、計(jì)算資源4個(gè)維度描述計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的知識(shí)和最基本的方法[6]40。計(jì)算裝置是指實(shí)現(xiàn)計(jì)算的硬件設(shè)備；計(jì)算載體是指實(shí)現(xiàn)計(jì)算的對(duì)象；計(jì)算過程指算法，即解決問題的方法與步驟；計(jì)算資源指實(shí)現(xiàn)計(jì)算所需的軟件資源。綜上所述，計(jì)算思維可簡單地理解為用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法求解問題（將系統(tǒng)化設(shè)計(jì)和人類行為理解均歸為問題求解范圍）的一系列思想活動(dòng)，其核心是問題求解的方法與思路。計(jì)算思維是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，在信息化時(shí)代指的是用人的思維駕馭以計(jì)算設(shè)備為核心的技術(shù)工具來解決問題的一種思維方式。

　　2.2計(jì)算思維的本質(zhì)

　　計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化[7]12。思維是一種思想活動(dòng)，是抽象的，而計(jì)算思維則更抽象。計(jì)算思維中的抽象需要用特定嚴(yán)格的符號(hào)標(biāo)記去描述、表示并使其形式化，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械化執(zhí)行即自動(dòng)化的目的，而自動(dòng)化是計(jì)算思維特有的屬性，它要求被自動(dòng)執(zhí)行的對(duì)象一定是形式化的。由此可見，抽象與自動(dòng)化是相互影響又彼此共生的一對(duì)孿生姐妹，兩者關(guān)系如圖1所示。程。開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性潛能，培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力是我國素質(zhì)教育的根本宗旨。在幫助學(xué)生了解信息技術(shù)基本知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上，更加注重學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)與提升，應(yīng)是我國計(jì)算機(jī)教育的`根本出發(fā)點(diǎn)和歸宿[7]14。培養(yǎng)計(jì)算思維能力是培養(yǎng)和提升學(xué)生創(chuàng)新能力的有效方法和途徑。具備計(jì)算思維的人，能夠運(yùn)用邏輯推理、歸納總結(jié)等方法分析論證；能夠運(yùn)用系統(tǒng)方法分析問題和解決問題；能夠采用分而治之的方法將復(fù)雜問題模塊化和簡單化；具有創(chuàng)新意識(shí)，善于將自己的創(chuàng)意想法或待解決的問題轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的形式，讓計(jì)算機(jī)去做那些復(fù)雜繁瑣的任務(wù)。

　　3以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

　　教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)4方面的能力培養(yǎng)目標(biāo)：對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力、應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力、基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和依托信息技術(shù)的共處能力[9]。這４個(gè)能力目標(biāo)中“應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力”恰好反映了計(jì)算思維的核心要素——問題求解。課程目標(biāo)集中體現(xiàn)課程的整體價(jià)值，是一門課程的核心所在。基于“應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力”的目標(biāo)，借鑒基礎(chǔ)教育課程改革的三維目標(biāo)，教師可將C程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)分為知識(shí)與技能、過程與思維、綜合應(yīng)用與創(chuàng)新3個(gè)維度，具體內(nèi)容見表1。知識(shí)與技能、過程與思維、綜合計(jì)算思維雖然以抽象和自動(dòng)化為本質(zhì)內(nèi)容，但計(jì)算思維絕不是計(jì)算機(jī)的思維，而是人的思維、人的思想，它在解決問題方面具有非常重要的作用。2.3計(jì)算思維能力培養(yǎng)的意義自古至今，所有的教育都是為了人的發(fā)展。人之發(fā)展，首在思維，因此培養(yǎng)人的科學(xué)的思維能力必然是教育的核心內(nèi)容[8]。著名科學(xué)家錢學(xué)森說過，教育工作的最終機(jī)理在于人腦的思維過應(yīng)用與創(chuàng)新三維課程目標(biāo)是面向不同層級(jí)的能力要求，是逐漸上升發(fā)展的。

　　4以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

　　課程內(nèi)容體系是課程的集中反映，也是課程的載體和基礎(chǔ)。依據(jù)上述提出的不同層級(jí)的三維目標(biāo)，教師可將課程內(nèi)容分為3個(gè)不同模塊，具體見表2。課程內(nèi)容模塊化和結(jié)構(gòu)化一方面便于學(xué)生對(duì)內(nèi)容理解得更深入、更透徹，為系統(tǒng)學(xué)習(xí)搭好框架；另一方面與三維目標(biāo)相吻合，便于課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　　5以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)

　　計(jì)課程教學(xué)方法選擇教學(xué)方法是否豐富多樣，是一門課程能否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。融入計(jì)算思維，主要就是教學(xué)方法改革[11]。C程序設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，教學(xué)方法的選擇要以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為核心目標(biāo)，以教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，以“雙主教學(xué)”理念為指導(dǎo)，以信息技術(shù)的利用為手段和方式。文獻(xiàn)[11]中指出“計(jì)算思維不是內(nèi)容的改變，不是工具的改變，而只是教學(xué)方法、方式的改變。啟發(fā)式教學(xué)最能體現(xiàn)這種改變：引導(dǎo)學(xué)生思考，使之看到問題之外的問題、方法之外的方法、沒有聯(lián)系的聯(lián)系，這就是計(jì)算思維”。王榮良教授在《計(jì)算思維教育》中提到，在計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域，滲透計(jì)算思維的教學(xué)方法有探究式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)法[6]102-129。除此之外，案例教學(xué)法和項(xiàng)目教學(xué)法也是程序設(shè)計(jì)課程中經(jīng)常采用的教學(xué)方法。新型的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式在程序設(shè)計(jì)課程中也有其用武之地，因?yàn)樗�能為學(xué)生提供充足的課堂操練時(shí)間，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)實(shí)踐操作且學(xué)時(shí)不充分的C程序設(shè)計(jì)課程來說無疑是雪中送炭。無論采用哪種教學(xué)方法，只要在教學(xué)過程中注重計(jì)算思維方法的滲透和引導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)問題求解的思路，就是培養(yǎng)計(jì)算思維能力。

　　6以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)

　　計(jì)課程教學(xué)資源選擇教學(xué)資源是課程內(nèi)容的載體，也是教學(xué)內(nèi)容廣度和深度的體現(xiàn)，包括教材與教輔資源兩種類型。

　　6.1教材的選擇

　　教材是課程內(nèi)容體系的集中體現(xiàn)。對(duì)于高等教育而言，教材并不是教學(xué)內(nèi)容的全部和唯一，它僅僅是課程學(xué)習(xí)的一個(gè)主要參考資料。教師應(yīng)該在多種教材中選擇自己所需的內(nèi)容框架，并在此基礎(chǔ)上形成自己的內(nèi)容體系。雖然目前還沒有關(guān)于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)教材，但是關(guān)于思維教學(xué)和計(jì)算思維的著作相繼問世，如斯滕伯格的《思維教學(xué)——培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者》、陳國良院士的《計(jì)算思維導(dǎo)論》、王榮良教授的《計(jì)算思維教育》、陸朝俊教授的《程序設(shè)計(jì)思想與方法：問題求解中的計(jì)算思維》、夏耘等編著的《計(jì)算思維基礎(chǔ)》，這些為一線教師實(shí)踐計(jì)算思維方法指引方向，提供思路。教師可以上述的三大內(nèi)容框架為依據(jù)，以C程序設(shè)計(jì)教材為基礎(chǔ)，以計(jì)算思維和思維教育為核心，設(shè)計(jì)一套自成體系的特色鮮明的參考教材。

　　6.2教輔資源的設(shè)計(jì)與開發(fā)

　　教輔資源既是教材的補(bǔ)充，又是鞏固和提升學(xué)生能力的一種教學(xué)資源。教輔資源類型豐富多樣，可以是紙質(zhì)版或電子版的學(xué)習(xí)資料、練習(xí)冊(cè)、課件、微課程、模擬系統(tǒng)、在線課程甚至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)等。在培養(yǎng)計(jì)算思維能力的C程序設(shè)計(jì)課程中，教輔資源的選擇、設(shè)計(jì)、開發(fā)除了與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法相關(guān)，還要突出問題求解的方法與思路。

　　7以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)

　　計(jì)課程教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)教學(xué)評(píng)價(jià)是衡量一門課程是否達(dá)標(biāo)的一種手段，是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生能力的過程。教學(xué)評(píng)價(jià)若按評(píng)價(jià)功能劃分，可分為診斷性評(píng)價(jià)、過程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)；若按評(píng)價(jià)性質(zhì)劃分，則分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)。C程序設(shè)計(jì)課程常采用期末閉卷考核方式，這種考核方式只能考查學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的掌握情況，無法考核學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力，往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生高分低能。在注重實(shí)踐和計(jì)算思維能力培養(yǎng)的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，教師應(yīng)采用多元化的評(píng)價(jià)機(jī)制，將定性與定量結(jié)合，使過程與結(jié)果并重，既注重學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)如努力程度、積極狀態(tài)等，又考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)成果如項(xiàng)目完成情況、創(chuàng)新程度等。依據(jù)前面提到的三維目標(biāo)和三大內(nèi)容模塊，教師可開展分階段、分層次的三級(jí)考核，即基礎(chǔ)考核―算法考核―綜合考核。

　　8結(jié)語

　　思維是人類區(qū)別于動(dòng)物的特有屬性，通過思維獲取的知識(shí)才是真正的知識(shí)。思維訓(xùn)練學(xué)習(xí)的并不是思維，而是如何思維得好，讓這種思維能力運(yùn)用得當(dāng)[12]。以問題求解為核心的計(jì)算思維是每一個(gè)現(xiàn)代人必備的基本素質(zhì)，也是創(chuàng)新人才選拔的一項(xiàng)重要指標(biāo)。開展計(jì)算思維教育的宗旨是提升學(xué)生求解問題的能力和創(chuàng)新能力，使之更好地學(xué)習(xí)、工作與生活。計(jì)算思維能力培養(yǎng)是教育領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，這條路難走但也要堅(jiān)持走下去，相信在眾多專家和一線教師的努力下會(huì)結(jié)出豐碩的果實(shí)。

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