促進計算思維的程序設計實驗教學研究

蔡潔　楊勝　劉智明

摘要：以程序設計課程的實驗教學為平臺，從實驗內容設置和實驗教學方式兩方面闡述如何將程序設計實驗教學與計算思維培養有效結合，使學生在提高程序設計能力的同時，具備以計算思維進行分析與解決問題的能力。

關鍵詞：程序設計；計算思維；實驗教學

0 引言

程序設計基礎課程是計算機基礎教學的核心課程，是非計算機專業學生開設的必修課。課程主要講授程序設計的基礎知識和方法，使學生能夠使用c語言編寫和調試程序，掌握程序設計的基本思想，為今后利用計算機解決自身專業領域的問題打下基礎，培養學生將計算機當做一種工具，甚而當做一種思維方式去分析和解決問題，最終形成計算思維。

程序設計基礎課程作為程序設計第一門課，對大部分學生而言有一定難度，學生們對知識似懂非懂，尤其很難理解程序設計的思維方式，而要掌握良好的程序設計方法則更加困難。該課程是實踐性很強的課程，包括理論教學和上機實驗兩部分，其中實驗環節占有非常重要的地位，沒有實驗教學的質量，也就無法保證教學質量。因此，加強實驗環節在教學中的作用和地位，構建促進計算思維培養的實驗體系，引導學生通過實驗訓練提高應用能力和拓展計算思維，是當前的重要任務。

如何組織程序設計基礎課程的實驗教學，從而通過切實可行的實驗訓練來提高學生的程序設計和計算思維能力；如何建設實驗資源的平臺，從而使其有利于學生的自主學習及優質資源的共享，實現將培養計算思維真正貫穿于學生的學習之中？針對這些亟待解決的任務，所采取的改革措施和成果可作進一步的推廣，使得所有程序設計系列課程的實驗教學都能有較大的提升。

1 國內外研究現狀分析

2006年，美國卡內基·梅隆大學周以真教授首次提出計算思維的概念并給出定義：計算思維是運用計算機科學的基礎概念來求解問題、設計系統以及理解人類行為的一系列思維活動…。2008年10月發布的《中國高校計算機基礎教育課程體系2008》，要求當代大學生應當具備的計算機應用能力包括：操作使用、應用開發以及研究創新。培養學生的計算思維成為當前計算機教育重點研究的一項課題。目前大部分高校中，計算機操作使用能力主要體現在基礎課程上，而后兩種能力主要體現在程序設計課程上。特別是對程序設計課程，其學習目標確定為：首先，掌握一定算法，學習分析和求解問題的思路及方法；其次，理解算法的實現過程，學習如何有效利用計算機編寫程序。該課程的重點是掌握問題求解的思路即算法，培養學生的計算思維能力，而不只是簡單的編寫程序。

2010年陳國良院士在“第六屆大學計算機課程報告論壇”中指出：人類科學發展的三大支柱：理論科學、實驗科學和計算科學，分別對應理論思維、實驗思維和計算思維三種思維方式。陳國良院士同時強調，開設計算機基礎課程的重要目標是培養計算思維能力。2011年舉辦的第七屆全國高校計算機教育改革與發展論壇中，與會專家一致認為，計算機專業課程應盡快引入計算思維。近年來，國內外不少專家學者在這一方面做出了積極探索，美國卡內基·梅隆大學、斯坦福大學、麻省理工大學、普渡大學等眾多名校紛紛開設面向全校的以“計算思維”為指導的計算機通識課程，并取得顯著成果。上海交通大學姚天昉提出把“計算思維”引入程序設計課程，對課程講授和實驗環節進行全方面的改革。四川大學陳杰華等嘗試利用計算思維對程序設計的實驗教學進行改革。于曉強等人從教學方法和教學手段兩方面人手，探討了怎樣在程序設計課中培養學生的計算思維能力。這些研究和探索是對計算思維的具體化，豐富了計算思維的內容。但是，這些探索并沒有對非計算機專業的程序設計給予足夠的關注，如何在實驗中引入計算思維，目前還沒有比較好的具體操作方法和實驗體系。我們提出的課題“促進計算思維的程序設計實驗教學研究”，主要圍繞實驗教學、實驗資源建設、拓展思維和技能訓練等方面展開工作，積極支撐學校非計算機專業學生程序設計能力的培養和提高。

2 研究目標和研究內容

程序設計基礎課程的實踐性很強，讓學生循規蹈矩地上機調試程序，不是實驗教學的最終目標。實驗教學的目標是要培養學生分析問題和求解能力，培養其計算思維和創新思維能力，而不只是簡單地讓他們去驗證程序的實現。這包括掌握c語言及其運行環境；具備一定編程和調試程序的能力；掌握一定算法，不僅會用現有的算法，還能自行設計相應算法。

因此，改革程序設計基礎課程的實驗教學模式，讓學生能在實驗環節中更好地鞏固知識、拓展計算思維；同時利用學校課程中心提供實驗電子資源和交互平臺，為學生自主學習、交流提供資源和幫助。

2.1 完善實驗教學內容

實驗內容的設置要能培養學生的計算思維能力。教師應當不斷創新學習，設置適合學生興趣特點和知識架構的實驗內容，而完善的實驗內容能為他們提供更多的思考空間，利于計算思維、創新思維的培養。

以前的實驗內容往往缺乏趣味性和應用性，導致學生興趣不濃，所以，要增強實驗內容的趣味性、綜合性和應用性。從趣味性來講，可以選擇如萬年歷的計算、排序、“兔子生兔子”、密碼3次有效輸入等實驗進行計算思維訓練。通過這些充滿樂趣的問題，促使學生積極主動地思考、輕松愉快地學習。從綜合性來講，可以將某個綜合題目作為長期任務，按其功能模塊分成一個個短期任務。每章學過之后要求完成一項或幾項對應的短期任務。例如，介紹選擇語句后，讓學生完成“怎樣實現圖書管理系統的密碼驗證”；介紹循環語句后，讓學生完成“怎樣實現系統的菜單”；介紹文件后，讓學生完成“怎樣訪問書本信息”。這些任務是相互關聯的，從而使學生的任務形成一定的連貫性，在整個實驗中始終都有一個總任務驅動。通過每個小實驗最終完成綜合任務的方式，更能激發學生的學習興趣，使學生了解在實際系統中怎樣應用知識點，加深知識點的理解，提高分析與解決問題的能力。從應用性來講，可以選擇一些和學生專業相關的問題，例如，所得稅計算適合會計等文科專業的學生，而不定方程求解更適合數學等理科專業學生。當指定一個應用環境后，學生會明白這種程序是有實際用途的，提高了學習興趣，更樂于思考，有利于計算思維的培養。endprint

2.2 通過算法多樣化訓練計算思維

程序設計實驗教學不單是提高學生的操作能力，更要利用算法的多樣性來訓練計算思維能力。由于學生知識結構和認知方式有所不同，思考問題的角度也不同，勢必會導致算法的多樣性。而教師應尊重個體之間的差異，鼓勵學生以不同角度來思考問題，以不同算法來求解問題，培養學生的計算思維、創新意識。譬如，對于排序問題，可以采用多種算法實現，如冒泡、選擇、快速等，鼓勵學生編寫各種程序來實現，或者改寫別人編寫的算法，對多種排序方式進行比較分析，激發學生的思維活動，培養學生計算思維的多樣性。當然，教師不能只提倡算法的多樣性，更應積極引導學生對多種算法進行比較和研究，達到簡化及優化算法的目的。

在實驗教學中，積極鼓勵學生展示和講解自己的程序。為了清楚地闡述自己的算法，講解的學生需要思維清晰有條理，表達能力較強。而其他學生對他的算法積極思考及提問，如果認為自己的算法優于前者，也可主動闡述自己的算法。這種方式可推動整個班級的學習積極性和主動性，積極思維，大膽創新。教師也能從中更加了解每個學生，營造融洽的教與學的氛圍。

在實驗過程中，要求學生從需求分析開始，然后設計和優化算法，最后上機編程實現。當出現錯誤時不要輕易舍棄，分析是算法還是語法的問題，找出問題所在，努力解決。學生們一定會因為改進算法和解決錯誤感到滿足，這樣才能訓練計算思維，促使學生積極思維，大膽創新。實驗教學的設計過程如圖1所示。

2.3 實驗教學資源的建立

利用課程中心網絡平臺，根據教學進度建立實驗內容的相關資源。實驗之前，先建立實驗內容，明確實驗要求以及問題關鍵所在，通過網絡平臺，使學生對每次實驗能提前了解、思考和分析。在完成每次實驗后，教師將實驗實現的多種算法和學生實現的較好的算法實現共享，進一步給學生提供參考，拓展學生的計算思維。同時，借助于課程中心平臺的論壇和答疑等功能，隨時提問，互相討論，暢所欲言，大家之間的交流不受時空限制。

在實驗中對于學生在編譯、運行過程中經常出現的錯誤及問題，指導學生認真分析系統提示信息，判斷錯誤所在位置和原因。并及時收集這些錯誤及問題所在，建立程序錯誤檔案庫，放在網絡平臺上，供學生參考，提高他們上機調試和解決錯誤的能力，同時也提高實驗課的效率。

2.4 開設小班討論課

開設小班討論課是程序設計基礎課程實驗改革的重要舉措之一。與普通的實驗課不同，討論課為學生提供了一個激發自我、展現自我的主動學習環境。要培養計算思維能力，學生不僅需要獨立思考的能力，同時也需要和老師同學問的相互交流。

2012年上半年，程序設計基礎課程實行小班討論課。為使小班討論課達到提高計算思維能力和營造積極研討氛圍的目標，我們采取分組討論的方式，將每班分為6個小組，每組約5人。討論課之前，教師分別給每組學生布置討論題目，每組在積極準備本組題目的同時，也要思考其他組的題目。討論課中，每組輪流選一個代表發言，闡述對本組問題的看法。一組闡述完后，其他學生積極發言提出自己的看法。討論過程中，教師除了傾聽他們的發言，還要充當裁判員的角色，當因同一問題持不同觀點而爭論不休時，分析判定學生觀點的正誤。討論課的形式激發了學生的潛能，誰有不同的觀點都可以講，很多學生真正將講臺當做鍛煉自身能力的平臺。通過討論課的方式擴展學生的計算思維能力和形成研討問題的習慣，因而，討論課中各抒己見，一題多解是很常見的。但在教學實踐中也發現，學生間水平差距較大，有的學生反應快思維活躍，能從多個角度思考和分析問題，而有的學生難以跟上大家的節奏，結果造成兩極分化，強者更強，弱者更弱。因此，如何將小班討論課的每位學生都充分調動起來，是值得進一步思考探究的問題。

2.5 設置綜合實訓課

對于程序設計課程而言，學生要掌握的程序設計能力是編程知識和計算思維的有效綜合。每次的實驗課雖然能加深學生對所學理論知識的理解及消化，但缺乏知識的連貫性與整體性，而綜合實訓課是針對所學知識的綜合運用和融會貫通，因而設置綜合實訓課是非常必要的。

在綜合實訓課的內容設置上要求綜合性較強，層次可以多樣化。題目難度不等，方向多樣，既要照顧大多數的學生，題目要緊扣教材且難度不宜太大，同時，對于興趣濃厚的學生，可以出一些難度較大，趣味性、實用性更大的題目，大力提高學生問題求解的能力。例如，圖書管理系統，通訊錄，航空訂票系統，貪吃蛇游戲，計算器等等。由學生自行選題，可以一人一題，也可以兩三人一組共同完成一題，還可以由學生自己通過對某方面的興趣，提出適合自己的題目。

由于學生課程安排緊湊，綜合實訓課的課時設置應靈活處理。在學期中后期由教師發布綜合實訓的題目，學生自主選題，利用課余時間進行思考研究，然后在學期末以小班形式集中開設8課時的實訓上機課，教師與學生直接交流。教學效果表明，通過平時與教師的交流互動，以及獨立查閱相關資料解決問題，約有四分之一的學生能利用課余時間出色的完成綜合實訓題，大部分學生能在實訓課中通過老師的指導解決存留問題，較好地完成實訓題，而少數不感興趣且動手能力一般的學生最后能基本完成自己的任務。綜合實訓課的內容由于涉及課程的全部知識點，借此不僅可以促進學生的自學，提高其分析解決問題的能力，還能讓學生掌握一定的系統開發技術。

3 結語

在促進計算思維培養的程序設計實驗教學研究中，教師們首先認清課程的教學目的，從實驗內容設置、實驗教學手段等多個環節人手，結合湖南大學特點和優勢，在程序設計基礎課的實驗教學中進行實踐，效果顯著。程序設計實驗教學是一個不斷發展的過程，要從學生和教師等多方面收集反饋意見，及時對實驗教學方法進行調整和改進，這樣才會取得更好的教學效果。

（編輯：趙廓）endprint