基于計算思維的C語言程序設計教學方法研究

摘 要 大學非計算機專業C語言程序設計課程的教學改革非常迫切，亟需要一種新的思維模式來指導學生進行程序設計，這種新的思維就是計算思維。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之廣度的一系列思維活動；將計算思維融入到C語言程序設計的課程中，可以從更高的層面上理解編程，從而激發學生的學習興趣和編程欲望，達到教學改革的目的。

關鍵詞 思維模式 計算思維 程序設計 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

隨著計算機在各個行業的廣泛應用，計算機基礎教育成為每個入學大學生的必修課，而C語言程序設計又是計算機基礎教育里面的一門非常重要的課程。需要學習C語言程序設計的原因有：（1）C語言語法結構很簡潔精妙，可以寫出高效程序，大多數程序員愿意使用C語言去描述算法本身；（2）C語言深入到系統底層；（3）很多新型的語言都是衍生自C語言，掌握了C語言，再經過簡單的學習，就可以掌握和使用新型語言去開發了，例如Java。第三個原因也從另一個側面證明C語言是程序設計的重要基礎。

C語言作為入門來講是比較合適的語言，用處廣泛，可以學會優秀的程序風格。想學會C語言，有初中數學和英語的基礎就夠了，但是如果想深入學好C語言程序設計，必須要有好的抽象的思維能力，這種抽象的能力就是計算思維。眾所周知，計算機是一個應用工具，如何將這個工具應用好，是學生在學習時代乃至進入到社會必須熟練掌握的。要靈活使用計算機進行程序設計，基于計算思維的C語言程序設計教學方法發揮著重要作用。

1 計算思維概念

2006年3月，卡內基·梅隆大學周以真教授闡述了計算思維：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之廣度的一系列思維活動。對于計算機專業的學生來說，理解這一概念并非易事，而對于非計算機專業的學生來說，很難讓他們理解計算思維。因此，僅僅知道計算思維這個概念是遠遠不夠的，關鍵在于，將一些日常生活中常見的實例，用C語言程序來實現，而在這個實現過程中，就用到了計算思維理念。要想初步認識計算思維理論，就要借助于現實生活的例子，通過這些簡單的例子，更深入地理解計算思維這一思維模式，在實踐中，用計算思維來指導學生編程，這樣一來，學生編程的出發點更高，考慮問題更全局化，編出來的程序更健壯、更通用、更科學。

要理解計算思維，首先要從科學思維來入手。科學是指反映現實世界各種現象的本質與規律的分科的知識體系。科學思維（簡稱思維）一般指的是理性認識及其過程，也即經過感性階段獲得的大量材料，通過整理和改造，形成概念、判斷和推理，以反映事物的本質和規律。科學思維主要分為理論思維、實驗思維和計算思維三大類。

理論思維經常碰到，例如公理。實驗思維的先驅應當首推意大利著名的物理學家、天文學家和數學家伽利略，他開創了以實驗為基礎具有嚴密邏輯理論體系的近代科學。計算思維則是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣思考。計算思維的本質是抽象和自動化。如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。

計算思維概括起來有以下三個特點：（1）計算思維吸取了問題求解所用的一般數學思維方式，顛覆了現實世界中巨大復雜系統設計與評估的一般工程思維方法和理解心理及人類行為的一般科學思維方法。（2）計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人和機器執行；計算方法和模型可以處理那些原本無法由個人獨立完成的問題和系統設計。（3）計算思維最根本的內容是抽象；計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，以致完全用符號來表示；與數學的與物理的抽象相比，計算思維的抽象更為豐富，也更為復雜。

2 基于計算思維的課程教學方法

正是由于計算思維的抽象能力有助于復雜系統的問題求解，所以應該結合計算思維在C語言程序設計中的應用，為學生開設一門“怎么像計算機科學家們一樣去思維”的課程，讓學生們一開始就喜歡上編程，因為計算思維不僅僅屬于計算機科學家，而是屬于每個學生的基本技能。

以前，非計算機專業學生在學習C語言程序設計的教學過程中，教會學生C語言語法，告訴學生怎么編程，這種教學方法和模式對學生深刻學習C語言程序設計是很片面的。根據我們的教學實踐，我們發現，需要一種思維模式來指導大學生學習C語言程序設計，不是為了編程而編程，而應該把編程當作是一種有趣學習，這種思維模式就是計算思維，它對學生們理解C語言乃至動手熟練編程起著非常重要的作用。因此，在教學的過程中，首先需要給學生們講解計算和計算思維。當然，首先要從經常會碰到的生活中的簡單的例子開始的，例如“求1+2+3+……+100”，讓學生對計算思維概念有一個初步認識與理解，這樣才容易讓學生們擁有計算思維的思想，學生們也可以從一個更高的角度來全面理解和應用C語言編程，這對于非計算機專業的學生學習C語言程序設計無疑是一個好思路。

將計算思維融入到C語言程序設計，需要將C語言程序設計課程進行相應的整合，如何將計算思維巧妙地應用到C語言程序設計課程中，提高學生應用計算機知識抽象和分解問題的能力，對于非計算機專業的學生學習C語言程序設計和老師講解此課程都是一個不小的挑戰。在講授此課程的過程中，我們對學生計算思維能力的培養做了系列的嘗試和探索，面向非計算機專業的C語言程序設計，其計算思維的思想主要體現在如下幾個方面，如圖1所示。

（1）實例教學法。在C語言程序設計的教學過程中，需要講授C語言的順序、選擇及循環三種基本結構，因為這三種結構貫穿著整個編程過程。對于數組、函數和指針等幾部分內容，為了在教學過程中加強學生的計算思維能力培養，教學過程中選取幾個例子進行深度剖析，這些例子不僅要有代表性，并且要以學生容易理解為前提，更貼近學生的現實生活。

（2）交互式教學法。講練互動的交互式教學方法始終貫穿講課過程中，“先講后練”、“先練后講”、“邊講邊練”，老師在整個講授的過程中，不再是演獨角戲，而是邊講邊同學生進行問題探討的探索者，引導學生更深刻地理解問題，直至用多種方法靈活地解決問題，當學生的學習思路打開了，很難的問題也就不是問題了。

（3）課程設計方法。課程設計本來是為計算機專業的學生開設的課程，目的是讓學生有更好更多的鍛煉機會，加深對課程的理解。而作為公共課的C語言程序設計，一直以來，沒有開設課程設計，事實上，公共課的C語言程序設計課程設計其實是非常有必要設置的。

計算思維在課程中的體現不是憑空存在的，而是要自己去體會和思考的。我們可以在課程設計中，給學生很貼近生活的例子，例如開發圖書管理系統和學籍管理系統，在整個課程設計的過程中，將學習內容分解到各個階段的設計，從而掌握計算思維能力在解決實際問題的具體應用。課程設計中的系統演示、項目答辯和系統說明書，這三者之間是有密切關系的，首先分團隊合作設計系統，系統中的子函數分到每個成員解決，將主函數調用子函數，實現系統的總體功能；然后，在每個小組中選擇代表答辯，在答辯的過程中，我們可以相互提出問題，探討解決方案；最后書寫詳細的系統說明書，這三個階段必不可少，成為一個設計整體，讓學生們充分體會和享受整個編程過程，從而對C語言程序設計更加有興趣和信心。

3 結論

需要將計算思維理念融入到課堂教學中，因此基于計算思維的C語言程序設計課程在整個課程設置過程中得到了反復強化，最終目標是將計算思維能力轉化成學生的思想，使他們具有獨立學習和研究的能力，這對大學生們在大學階段后續的學習是大有裨益的，這也是一種值得推廣的C語言程序設計教學方法。計算思維是能夠在抽象的多個層次上的思維，而不僅僅是計算機編程。編程實現的是計算思維中的一個內容，但它還包含有抽象與建模、算法選擇、資源選擇與調度、優化與評估、模擬與仿真等諸多的內容。計算思維的引入有效地幫助學生進行研究性學習和自主學習，可以得到比以前單純的講授為主的教學模式更好的教學效果。與此同時，學生可以將計算思維能力應用到其他課程中，逐步提高各方面的能力，這對培養學生發現問題、解決問題及進行獨立思考都有很重要的作用。計算思維能力的培養要面對所有的人，它的應用也是無處不在的。

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參考文獻

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