以“計算思維”驅動的《程序設計基礎》實踐教學模式研究

摘 要：《程序設計基礎》是面向計算機專業一年級新生的重要專業基礎課程。本文結合計算思維的思想，分析了計算思維與程序設計課程實踐教學的關系，對實驗教學模式、問題解的構建、學生的認知能力以及實驗內容的設置等進行了詳細的闡述，提出了在教學實踐中行之有效的方法。

關鍵詞：計算思維 程序設計基礎 認知能力 教學改革

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0172-01

程序設計基礎是計算機專業的第一門專業基礎課。課程以程序設計語言為依托，介紹程序設計的基本方法，使學生全面了解結構化程序設計的基本思想，掌握用計算機解題的總體思路。由于課程的理論性與實踐性兼備，如何培養學生正確的程序設計思維習慣、提高學生用程序解決問題的能力，探索有效的實踐教學模式，一直是從事該課程教學的老師有待解決的問題。

1 教學現狀分析

目前，《程序設計基礎》的教學中存在如下主要問題：⑴新生對計算機理論知識儲備不夠，專業知識結構不成體系。因此，學生對計算機的“思維方式”與傳統解題方式的差異難以理解，入門較慢。⑵新生對高校的教學模式不適應，主動學習、研究、創新、溝通等能力等不足。由于尚未形成符合自身特點的學習方法，遇到困難缺乏信心從而出現畏懼和逃避心理。⑶在實踐中出現“重結果、輕過程”，“重編碼，輕算法”的現象。學生將學習重心放到對基礎語法的學習上，以看到程序“運行結果”為目標，不注重從宏觀的角度總結問題求解的構建過程，忽略了思維方式的鍛煉。因此，在程序設計教學實踐過程中，必須使學生理解計算機解題的工作實質、逐漸培養其具有符合計算機工作的思維模式，以提高其解決問題的能力。

2 計算思維

2.1 計算思維的定義

國際上廣泛認同的計算思維定義來自美國卡內基·梅隆大學的周以真（J.M. Wing）教授。該定義指出：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

計算思維是人類求解問題的一條途徑。計算機科學不只是為人類社會呈現軟硬件，更重要的是計算的概念。計算的思想無處不在，它被人們用來求解問題、管理日常生活以及進行交流和互動等活動。計算思維通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個知道怎樣解決的問題。計算思維與人們通常所說的邏輯思維和形象思維有區別，它是將問題轉化為符合計算機求解規律的一種思維方式。

2.2 計算思維與實踐教學互為驅動

（1）直觀地讓學生感知眾多的自然現象及其內在的規律，使學生對某一領域的認知從感性上升至理性，驗證或再發現某些已知的理論知識，從而鞏固已學的理論知識，進一步培養創造性思維方式及能力；

（2）使學生了解在認識和研究自然科學領域中所遇到問題的一般性或特殊性實驗方法，熟練掌握這些實驗中常規及特殊的實驗技能，提高學生的實踐能力。

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學的一系列思維活動，它不僅意味著能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上分析和思考問題。

3 以“計算思維”驅動的實踐教學模式

在我校的《程序設計基礎》實踐環節，逐步運用了以“計算思維”驅動的實踐教學模式，主要包括如下幾方面的內容。

3.1 以任務驅動展開學習

實驗內容通過“任務”的形式提出，學生獨立完成問題的分析、算法設計和編程工作。在完成任務的過程中，鼓勵學生組成小的學習團隊，在問題的需求分析，概要設計，詳細設計，編碼，測試等若干階段，學生所提出的解決方案，教師應只進行指導性的干預。可通過“求解過程重構”來對解決方案進行分析和比較。

以任務驅動教學突出了學生的主體地位，能夠有效地引導學生從埋頭編碼，轉為抬頭思考問題。這是學生的專業素養從程序員向系統分析員的提升。

3.2 重構求解過程

計算思維是面向典型計算環境的問題求解方法的能力，試驗中提倡對同一計算任務反復多次進行求解，對問題的求解的各個環節進行重構，包括問題分析、算法設計、編碼以及調試等各個環節。重構過程中引導學生總結同一類別問題的共性和個性，啟發學生尋找自身對問題理解的薄弱環節。

3.3 倡導問題解的多樣性

實踐中不僅要培養學生的操作技能，還提倡問題解的多樣性，鼓勵學生運用多種解題思想、多種技術手段對同一計算任務進行反復求解，激發計算思維的活躍度。鼓勵閱讀、改寫別人的程序，發展計算思維方式的多樣性。應鼓勵創新意識的形成和發展，對帶有創新型的思想和方法，教師應組織學生展開分析和討論。

3.4 尊重不同的認知方式

學生的認知過程、認知能力不完全相同，是導致算法多樣化的原因之一。對于初學者而言如何理解計算機的“思維方式”，是其面臨最大問題。應該尊重這樣的差異，也鼓勵從多種角度思考問題。因此，實驗中強調實驗目標一致性的前提下，應該鼓勵個性化的實驗形式。

3.5 設置多樣化的實驗內容

在程序設計入門的階段，要求設置富有趣味性、綜合性的練習，交替改變實驗內容的難易程度是非常有必要的。例如，在學習二維數組時，必然要提到數學中矩陣的概念。可以提出這樣的問題“使用黑色墨水在白紙上簽名并不是什么特別的東西，就是一些黑點（像素）所構成的矩陣，而且是稀疏矩陣”，實驗中，可以要求學生對這樣的“矩陣”進行轉置。類似的問題較好地將實驗與日常生活相結合，能很好地提高思維的活躍度。

3.6 計算思維的培養是漫長的過程

計算思維的形成是一個長期的過程。在實驗過程中，學生解題的思路或思維的角度常常可能與教學目標相偏離，教師應耐心指導并擔負起應有的引導作用。同時，僅通過一門課程的學習就構建起成熟的計算思維方式不可能的，一定的知識與素養是理解并建立起“思維”的必要條件[1]。知識主要是與思維相關的知識，素養主要是信息與信息處理方面的素養。

4 結語

上述關于以計算思維驅動的實踐教學模式，是結合《程序設計基礎》課程的教學實踐提出的。在我校《程序設計基礎》課程的教學中逐步運用，對教學效果以及學生的綜合素質，都起到了很好的促進作用，實踐教學環節所起的作用是不容忽視的。

參考文獻

[1] 戰德臣，聶蘭順，徐曉飛.“大學計算機”——所有大學生都應學習的一門計算思維基礎教育課程[J].中國大學教學.2011（4）：15-20.

[2] 楊衛光，孫健，陸斐璋.改革實驗教學，適應創新人才的培養需要[J].實驗技術與管理.1999（4）16：10-12.