計算思維的培養在C++教學中的應用與實踐

摘 要 本文通過理工科C++教學的實際情況，探索如何在教學中培養學生的計算思維能力及根據C++面向對象的特點，運用求同存異與對比的方法，培養學生的創造性思維和開放性思維。并采用小組團隊形式，通過項目實踐達到課程的培養目標。

關鍵詞 計算思維 C++教學 問題求解

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

“C++程序設計”是一門非常重要的計算機基礎課程，學生安排在大一第二學期學習，雖然本校學生理工科基礎好，求知欲強，學習認真，但大部分班級不少學生反映聽不懂，為什么初學者總感到這是一門很難學的課程，關鍵所在需要實現思維方式的轉換。程序設計程的重要性不是體現在一般意義上的語言或語法學習，更要體現在引導學生進行問題求解思維方式的轉換——即計算思維能力的培養。只有突破了這個難點，學生才有可能真正理解編程思維方式。計算機解題的核心是算法設計，而算法設計需要具備良好的數學素養。數學具有運用抽象思維去把握實際的能力，應用數學知識去解決實際問題時的建模過程是一個突出主要因素的科學抽象過程。進行抽象和形式化就需要學習和掌握常用的計算思維方式。如何在C++教學中，培養學生的計算思維能力，使課程變得學生易學，教師易教，我們在三年的C++程序設計的課程教學中做了一些有益的探索與實踐，取得了很好的效果。

1 計算思維的重要性

計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養，這點是勿需質疑的，什么是計算思維？通俗地理解就是構造和模擬，強調能行，并采用使自動方式。如上所述的計算思維其實一直隱藏在我們的教學之中，計算學科的教學其實也就是關于計算思維的教學，但是我們在以往的教學沒有將這種思維的特征明顯地表示出來，學生并沒有真正理解其思維方式，學完課程后所掌握的只是一些語法和基本的算法。

因此，C++教學中我們力求改變這種狀態，我們認為要培養學生的計算思維能力，首先要讓學生知道什么是計算思維以及計算思維的重要性。二十一世紀科學上最重要的、經濟上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練掌握先進的計算技術和運用計算科學而得到解決，從而強調了計算科學的重要性。我們在講授C++程序課程的第一堂課，就提出計算思維的概念，并用學生身邊的實例來描述計算思維運用的廣泛性，并強調學習程序設計課程是培養計算思維的重要內容。通過第一堂課的學習，同學們對計算思維的產生了極大的興趣，不少同學原先對程序設計課程抱有消極的學習態度，認為不做程序員學不學關系不大，現在認識到計算思維不單單涉及到計算機學科，計算思維對其他學科同樣有著深遠的影響。比如計算生物學改變著生物學家的思考方式：納米計算改變著化學家的思考方式，量子計算改變著物理學家的思考方式，計算駁議理論改變著經濟學家的思考方式等等。同學們課后通過上網查資料，分析歸納完成了計算思維在本學科的應用小文章。

2 程序設計中計算思維的培養

對于非計算機專業的學生，學習程序設計的目的是學習計算機分析和解決問題的基本過程和思路，程序設計課程的內容能夠體現語言級的問題求解方法。

以前我們在程序課程中采用傳統的教學方法，特別容易陷入語言的語法學習中，常常花大量的課堂時間去講解語法的格式與功能，沒有從解決問題的思路入手，因此學生把語句格式與功能記下來后，對編程仍然無從下手，學生體會不到編程的意義與樂趣。因此要改變這種狀況，必須走出這個誤區。C++程序課程雖然是語言課，但不是為了學習語言，而是要培養學生編程解決實際問題的能力，并通過語句的學習來掌握這種能力。

在C++教學的組織中，我們將計算思維貫穿在整個學習的內容中，以提出問題入手，引導同學思考處理問題的思維方法，然后應用C++語言編寫程序以解決問題，替代傳統的先講語法、命令格式最后為了掌握語法來講解程序的教學方式。

（1）計算思維的本質是抽象與自動化，計算思維的抽象體現在完全使用符號系統，一個程序通常由標識符、常量、變量、語句、函數等構成。例如我們在講解C++數據類型時，提出問題：現實生活中有哪些信息可以用計算機來管理？而所有的這些信息，在計算機里是以什么樣的數據形式來表達？人類世界是一個有類型的世界，而在計算機世界里顯然不能全盤照搬過來，那么解決的方案就是“抽象”；C++的基本數據類型抽象成兩類：數值類型和字符類型。程序是如何執行的？這就涉及到自動化的問題，計算思維的自動化是存儲程序的工作原理，即計算機按照程序編寫的步驟自動執行。

（2）計算思維是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個困難的問題演化成如何求解它的思維方法。為了解決一個大的問題，可以把它分成兩個或多個更小的問題； 分別解決每個小問題； 然后把各小問題的解答組合起來，即可得到原問題的解答。小問題通常與原問題相似，可以遞歸地使用分而治之策略來解決。這就是分治的基本思想。

比如在講解乘方運算中，首先請同學思考其解決問題的思路，同學們很容易想到乘方運算就是對一個數取若干次方的運算，也就是自己乘以自己若干次。因此問題求，我們可以定義為進行次乘法。顯然算法的效率不高。接著我們引導學生應用計算思維的分治策略，根據的奇偶性，將次方的乘方運算變為兩個/2次方的乘方運算和一次普通的乘法運算（或兩個/2次方的乘方運算和二次普通的乘法運算）。進一步發現分解出的兩個/2（或/2）次方的乘方運算實際上是同一個乘方運算。這種解決問題的思維方法顯然很大程度地提高了程序的運行速度。通過這個實例，同學們很好地理解了其思維要點。

（3）計算思維是利用海量數據來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。利用計算機的速度，可以用“窮舉”算法進行重復操作以得到問題的解決方法。比如水仙花問題、白雞問題、求素數等都很好地利用這種思維方式。

其實計算思維存在于我們很多解決問題的思維方式中，程序課程中加強這種思維方式的訓練，會對學生的思維方式與創新能力是十分必要的。

3 培養團隊協作能力及程序設計的應用能力

C++程序設計是一門應用性計算機課程，它為后續計算機教育及其它相關課程的學習奠定基礎，為了讓學生有一個良好的開端，提高他們學習的興趣，提出課內實踐與課外反思的創新型教學模式，在課外教學中引入項目教學法，學生以小組為單位，通過這些項目能夠對課內所學的知識融會貫通，并在教師的引導下運用所學知識和技能解決新情境下的問題，培養學生的創新精神及團隊合作意識。有效的學習活動不能單純依賴模仿、記憶與驗證。動手實踐、自主探究、合作交流是學生學習計算機課程的重要方式。

要使學生通過實踐確實感受和領悟計算機問題求解的基本方法和思維模式。每學期我們安排學生完成C++項目設計，為了有更好的實施效果，并最大發揮學生的潛能，題目根據學生興趣自由指定，學生提出了很好的設計方案，都非常有實際意義，比如XX樓教室管理系統、圖書管理系統、公交車查詢系統、東園餐廳點菜系統等等，按軟件設計的需求給出項目說明及原代碼，通過項目的訓練，學生對程序設計的思維有了更好的理解，正如一個項目小組總結表達的“這是一段關于實踐、學習、堅持、創造、團隊和友誼的故事。我們都在這次項目的設計和編寫過程中學到了很多。處理和解決問題，創造和思維，獨立和合作，堅持和再堅持，跳出書本，原來我們會學到更多。”

4 實驗課的重要性

要提高程序設計的能力，實驗課是非常重要的環節，在實驗課中學生不僅能學會編程的基本方法，還能加強程序調試的能力，因此我們十分重視實驗課的教學，為了更好地保證實驗課的效果，我們主要采取了以下措施：

（1）實驗內容的確定，根據課程教學的要求，我們將實驗分成幾大模塊，每個模塊圍繞一個中心問題展開，并給出相應的問題，引導學生進行思考，特別強化計算思維在算法上實現的技巧。

（2）實驗課前要求學生寫出預習報告，通過幾年的實踐，這個措施對提高學生的編程能力非常有用。預習報告并不要求學生給出完整的代碼，但必須給出相應的算法偽碼或框圖，并對同一個問題，給出不同的解題思路，以提高學生的算法設計的能力。

（3）實驗課每個模塊，均給出問題的拓展，并根據不同學生的能力需求，將問題的難度分成幾個層次，使每個學生都能從問題的解決中獲得最大的收獲。

（4）充分發揮同學的想象力與創造性，我們在實驗課中鼓勵學生自己提出問題，給出解決的思路，比如每個學期最后一個實驗都要求學生根據自己的興趣或專業需求，完成一個有實際意義的小程序，通過這種培養思路，學生對程序設計的興趣更大了。

5 結論

通過我校在非IT類開程設程序課中加強計算思維培養的實踐，我們感到學生對課程的興趣與收獲大大高于原來的教學模式，同學們從開始不知道什么是計算思維，到現在能夠理解計算思維的含義以及在課程學習自覺加強這種思維的培養，并能將這種思維的訓練擴展到其它課程的學習中，同學們對計算思維的一些基本的思維方法都能夠很好應用到解題的算法中，但是計算思維在計算機課程中的運用還有很長的路要走，目前還存在許多待解決的問題，例如沒有特別優秀的體現計算思維的程序設計教材，部分教師對計算思維的理解還存在模糊的認識，相應的體現計算思維實例還不夠充分等等，這些都需要我們進一步的完善與努力。

參考文獻

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[2] 陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育.中國大學教學，2011（1）.