基于計算思維能力與信息應用能力的程序設計課程教學改革

鄧紅衛　王櫻　魏書堤　蔣瀚洋

摘要：針對在計算思維影響下應用型本科院校程序設計課程教學改革面臨的問題，提出基于計算思維能力與信息應用能力的課程教學改革想法，樹立以培養信息應用能力為核心的教學理念，并就理論教學、實踐教學和課程設計等環節的改革和實踐進行探討。

關鍵詞：計算思維能力；信息應用能力；程序設計課程；教學改革

0 引言

計算思維概念一經提出，就引起了國內外學者和高校教師的高度關注，成為教學改革研究的熱點。2010年7月，九校聯盟（C9）在西安交通大學召開計算機基礎課程研討會，會后發表的《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》明確提出：高等院校計算機基礎教學的核心任務就是培養計算思維能力。各高校積極推進基于計算思維的大學計算機教育改革，但經過多年的教學改革實踐表明，引入計算思維的大學計算機教育改革在實踐過程中面臨著種種問題，教學效果并不怎么理想，人們開始反思計算思維，甚至懷疑計算思維。究其根源在于人們對計算思維的研究尚處在初級階段，并不成熟，特別在教學層面上沒有形成一個完整的、清晰的、為人所接受的表達體系，離真正起到指導計算機教育改革的作用還有一定的距離。各高校在對計算思維理解不夠透徹的情況下，囫圇吞棗急于推進，結果可想而知。2012年8月，以“新時期下計算機教育的改革與發展”為主題的第八屆全國高等學校計算機教育改革與發展高峰論壇在云南昆明召開，論壇重點對非計算機專業大學計算機課程改革開展了研討，與會的專家學者和一線教師通過研討達成4點共識，其中最重要的一點共識是大學計算機教育教學改革需要分類分層次設計，我國高校教育有著明顯的層次關系，各級院校的人才培養目標是不同的，基于計算思維的大學計算機教育改革必須分類型分層次進行，不能搞一刀切。昆明論壇更多地傾聽來自應用型院校和高職院校一線教師的聲音，明確分類分層次推進基于計算思維計算機教育改革的指導思想，為新時期下各類高等院校計算機教育的改革指明了方向。

C語言程序設計是非計算機專業學生入校第二學期所學的程序設計課程。c語言具有簡潔而高效的語句表達和清晰的程序結構等特性，比較好地體現語言級問題的求解方法，是一門比較適合計算思維能力培養的課程。應用型院校的人才培養目標是培養適應當前社會經濟發展的高級應用型人才，與研究型大學截然不同。對應用型院校而言，如何根據自身的特點，正確處理好計算思維能力與信息應用能力的關系，推進程序設計課程教學改革，實現培養出高級應用型人才的目標，是值得深入探討和研究的問題。

1 理清計算思維能力與信息應用能力的關系

人類有兩大基本能力：思維能力和行動能力。從社會發展的角度來看，人不僅是思維的存在者，更應該是行動的存在者。恰當的行動要比正確的思維或聰明的推理更有價值，這是所有人的共識。21世紀人類的行動能力可定義為：面對社會生活和職業活動，借助科學思維和現代技術的幫助，遵循科學行動規律，發揮創新精神組織項目、分析解決問題和完成任務的能力。行動能力可分為領域行動能力和科學行動能力兩種。領域行動能力具有很強的專業特色，通?？梢岳斫鉃閷I綜合應用能力?？茖W行動能力則具有普適性，通常可以理解為決策思考能力或設計構建能力。

應用型院校非計算機專業計算機教育的本質就是計算機應用的教育，培養計算思維不是目的，是有別于研究型大學和高職院校的。在計算思維影響下，身處中間層的應用型院校應該清晰地認識到：對于應用型人才，適時有效的應用要比單純思考和坐而論道更有價值，不能認為計算思維永遠高于應用，計算思維應該更有效地服務于應用才有意義。以信息應用能力培養為核心的非計算機專業應用型人才能力培養體系如圖1所示，在該體系中，專業課程和計算機基礎課程的學習是培養和提升計算思維能力的基礎，計算思維能力需要多門相關課程的長時間學習訓練和有效溝通方可形成。在計算思維能力形成的基礎上，進一步培養學生利用計算機技術解決實際問題的信息應用能力，及時總結提升普適性科學行動能力。以專業領域行動能力和科學行動能力共同構成核心行動能力。

應用型院校應積極研究計算思維的內涵及其在應用型人才培養中的作用，從理論和實踐層面處理好計算思維能力與信息應用能力的關系，在努力培養學生計算思維能力的同時，提升學生的信息應用能力，力求使計算機基礎教育與非計算機專業教育的培養目標達成一致。應用型院校非計算機專業計算機教育應樹立“以計算思維為主線，以信息應用能力為核心，以信息應用為目標”的教學理念，讓學生具備適應社會各個領域發展要求的計算機應用能力。

2 基于計算思維能力與信息應用能力培養的教學改革實踐

在圖1所示的應用型人才能力培養體系中，計算機基礎課程的學習是培養計算思維能力的基礎。c語言程序設計作為大學計算機基礎課程的重要組成部分，課程中的許多知識都為計算思維的培養提供了生動的案例，特別是對問題進行符合邏輯的科學分析、抽象成數學模型、進行算法設計、編程與調試、生成可應用于實際的程序，這是對計算思維很好的詮釋，因此，c語言程序設計是培養學生計算思維能力的理想課程。在新時期大學計算機教育改革形勢下，我們依據應用型人才的培養目標，重新規劃該課程的課程目標，使之能夠滿足專業培養目標的要求；轉變“重理論、輕實踐”的教學理念，及時調整課程教學計劃，理論課和實踐課的課時比例調整為1：1，增加實踐教學的比重；在理論教學和實踐教學環節，把計算思維融入教學的主要內容中去，改進教學方法；在課程設計環節，通過綜合實例提升學生的計算思維能力的同時，更多地培養和提升學生綜合利用專業知識和信息技術解決實際問題的信息應用能力。通過各教學環節的改革和實踐，取得了比較好的教學效果。

2.1 理論教學

在理論教學上，我們著力進行兩個方面的改革：

（1）通過案例重新梳理教學內容。深入分析學生的認知規律和專業背景，遵循“理論夠用，突出實踐”的教學原則，按照課程知識的內在體系結構，通過教學案例設計重新梳理教學內容。在教學過程中，淡化語法規則，追求簡單和實用，只講最簡潔、常用的語法格式，將其運用到實例中去，實現由單純的語法教學向實用型教學轉變。適當打破常規教學順序，通過案例及早引入和使用函數、指針的概念，這樣有利于分散教學難點，同時也符合學生的認知規律。通過大量的案例講授和訓練for、while和do…while3種循環結構的程序設計，采用單步調試執行循環體的方式，將循環體執行3-5次，利用watch窗口觀察每行語句執行時循環體變量和中間變量的值變化情況，讓學生能清晰地體會循環體的執行過程，然后通過調試體會含多重循環體的程序執行過程及功能，為后續的函數、數組、指針及結構體等復雜內容的教學打下良好的基礎。endprint

（2）從計算思維的角度出發，通過案例的實現體驗問題求解過程。在講解案例時，面對案例中提出的具體問題，引導學生體會分析、解決問題的基本思路：求解問題的已知信息有哪些，求解問題的中間結果和最終結果將會是什么，這些已知信息、中間結果和最后結果怎樣轉化為計算機可以理解的形式，完成對問題抽象化的描述，建立數學模型；然后逐步明確解決問題的步驟，即解決問題的算法，算法可以用自然語言、偽代碼或者流程圖等描述；最后引入C語言編寫編譯代碼、調試和執行程序，以實現解決問題的算法。在問題的求解過程中，將問題求解提升到計算思維的高度，讓學生更深刻地理解計算思維的本質。

2.2 實踐教學

實踐教學是鞏固理論教學知識、積累實踐操作經驗、培養計算思維能力的重要環節，也是訓練學生運用計算思維方法探索解決實際問題的重要過程。實踐教學內容設計遵循“由淺入深、循序漸進”的原則，分設驗證型、探索型和綜合應用型3種類型的實驗，驗證型和探索型實驗在平時上機實驗課中完成，綜合應用型實驗以課程設計形式完成。在驗證型和探索型實驗教學環節，我們著力做好以下幾個方面的工作：

（1）規范上機實驗流程。對于每次實驗課，要求學生按照“課前思考→分析問題→擬定算法→編寫程序→上機調試”的順序依次進行。在每次理論課結束前的最后5-8分鐘，教師給學生布置下次實驗課的上機內容，提醒學生注意在實驗過程中可能會遇到的問題，要求學生利用課余時間運用計算思維方法對問題進行分析，擬定好算法并畫出流程圖，編寫出大致的程序代碼。這些工作必須在上機課之前完成，并把它們寫在程序編寫本上，上機課時教師適時抽查學生這部分工作的完成情況。上機課中學生主要完成程序調試工作，在調試過程中，讓計算機驗證學生解決問題的想法，教師及時回答他們課前可能存在的疑問。上機實驗流程的規范化，會讓學生養成一個良好的學習、訓練和思維習慣，提高學生在面對問題時獨立分析問題和解決問題的能力。

（2）加強上機答疑引導。程序調試主要完成排除錯誤（語法錯誤或邏輯錯誤）和驗證算法的正確性兩項工作。對于錯誤的排除，在前兩周的上機課中，教師通過集中講解的方式，幫助學生排除一段程序中的語法或邏輯錯誤，并講解規避錯誤的基本方法。在后續的上機過程中，程序編譯鏈接時出現語法錯誤或邏輯錯誤，要求學生將錯誤信息記錄下來，分析是什么原因引起的，并獨立改正錯誤，避免下次犯同樣的錯誤。對算法的驗證，學生上機有疑問時，不直接為學生指出程序存在的問題，而是以提問的方式指出程序中可能存在的問題及其引發的結果，引導學生自己找到問題所在。這樣有利于培養學生獨立分析、判斷問題的能力。

（3）反思上機實驗過程。每次上機課結束后，要求學生課后對本實驗及時歸納和總結，對問題分析、算法設計、程序編寫、程序調試與執行過程進行全程反思。對于學生在上機過程中共同存在的問題，教師利用下次的理論課時間，集中講解答疑，幫助學生反思。及時有效的反思過程，可以有效地優化思維品質、拓展學生計算思維能力。

2.3 課程設計

課程設計是一種面對工程項目實際問題，將數組、指針、結構體、鏈表及文件操作等知識有機地結合起來，按照軟件工程的思想和步驟完成的一個綜合應用型實驗。在課程設計環節，我們注重做好以下幾個方面的工作：

（1）盡早布置課程設計任務。在課程學習中期就著手布置課程設計任務，讓課程設計時間延長為2個月。提前布置任務會使學生對該課程的學習目標更加明確，還會讓學生對后續學習的結構體、鏈表及文件操作等教學內容更加期待，激發學生對后面章節內容的學習興趣。有目的性的學習會加快教學進度，縮短教學時問，彌補教學時間不足。

（2）精選課程設計題目。課程設計題目通常分為通用型和專業型兩種類型。學生成績管理程序、同學通訊錄、圖書管理系統等為通用型課程設計題目。對于通用型題目，往往存在多屆學生重復做相同題目的現象，抄襲現象很難避免，課隉設計就失去意義，應改編課程設計指導書，及時更新課程設計題目。在系部教學網站上發布往屆學生優秀的課程設計案例及源程序，讓學生用來模仿練手或對別人的程序進行改進。我們重點關注專業型課程設計題目的選取，充分考慮學生的專業背景和后續專業課程的學習要求，擬一些與專業密切相關的題目供學生選擇，鼓勵學生選專業型題目，訓練學生分析和解決專業實際問題的能力。

（3）加強課程設計過程指導。為保證教師對學生的課程設計進行有效指導，首先應拓寬師生的溝通渠道，可以通過E-mail、QQ和教學網站的留言板等渠道來溝通。教師最好加入學生班級QQ群，方便師生及時交流，同時開放一個公用機房供學生上機調試程序，教師不定時到機房進行答疑或程序指導。在具體的指導過程中，教師在給予幫助的同時要做好問題的引導，不是靠單純地給出答案，而是要通過“授人以漁”的方式指導學生獨立完成。教師要了解和關心學生，為學生提供課程設計所必需的信息和材料，不限定工程項目實施的方法以及完成的形式，尊重學生的想法和設計，為學生發揮自主創新留出充足的余地。

（4）注重課程設計項目評價。課程設計的評價注重學生在整個實施過程中的能力體現，評價內容包括學生課程設計各環節中的態度、表現及成果質量，評價方法可采用小組評價和教師綜合測評等方法。為保證評價的公平公正，增設答辯環節，既檢測學生完成項目的真實性，又可以培養學生語言表達能力、反應能力和競爭意識。在答辯過程中要求每個學生都要針對自己的設計進行系統功能演示，陳述算法設計構想和后期努力的方向，之后回答教師的提問。教師的提問側重算法設計和代碼實現部分，教師根據學生的回答情況來給出每個學生的成績。

2.4 課程考核

對學生的課程考核分期末考試和課程設計成績評定。期末考試在機器上完成，考試內容為基本概念、程序調試和小程序的編寫，主要針對學生對基本知識的掌握情況和問題求解能力的考核。期末總成績由平時成績（30%）和期末機試成績（70%）組成，課程設計成績由教師對學生項目評定給出。這樣使學生的成績能更客觀地反映學生的學習過程和學習效果。

3 結語

在新一輪基于計算思維的計算機基礎課程教學改革形勢下，培養信息應用能力是應用型院校非計算機專業計算機教育的核心。實踐證明，我們主動地、有意識地將計算思維培養融入理論教學和實踐教學各個環節的同時，在課程設計環節，以工程項目形式把學生融入有意義的任務完成過程中，不僅有利于學生理解計算機解決現實問題的實現機制，更有利于學生用計算機學科的思維方式來求解問題，培養了學生的信息素養、創造性地解決問題的能力和合作意識。

（見習編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）endprint