面向計算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計課程教學(xué)設(shè)計研究

摘 要：計算思維的培養(yǎng)是當(dāng)前國際計算機教育界廣為關(guān)注的一個重要議題，本文闡述了程序設(shè)計課程中計算思維能力的培養(yǎng)方法；并從教學(xué)目標(biāo)，學(xué)習(xí)者特征分析，教學(xué)策略選擇，教學(xué)環(huán)境設(shè)計和結(jié)果評價等幾個方面對面向計算思維培養(yǎng)的計算機程序設(shè)計課程的教學(xué)模式進(jìn)行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：計算思維 程序設(shè)計 教學(xué)設(shè)計

計算思維這一概念最早是由周教以真授于2006年在ACM上提出的[1]。在國外，“計算思維”得到了包括美國、英國在內(nèi)的許多教育專家以及眾多團(tuán)體及組織的認(rèn)可，其中包括卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)、美國計算機協(xié)會、美國數(shù)學(xué)研究所等。在國內(nèi)，進(jìn)行計算思維方面相關(guān)研究的代表人物有董榮勝教授[2]、自動化所的王飛躍教授[3]、何欽銘[4]等。綜上所述，計算思維已經(jīng)受到了世界范圍內(nèi)計算機科學(xué)家和教育界人士的廣泛關(guān)注，對計算思維的研究正逐步展開。而如何培養(yǎng)學(xué)生像計算機科學(xué)家一樣運用計算思維去思考問題、解決問題，要求教育者在思想和方法上就必須擺脫傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)模式。

本文通過教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)者特征分析、教學(xué)模式與策略的選擇與設(shè)計、教學(xué)環(huán)境設(shè)計和教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的評價五個部分展開了基于計算思維的程序設(shè)計課程的教學(xué)設(shè)計，該研究將建立以培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力為核心的計算機程序設(shè)計課程教學(xué)體系，創(chuàng)新教學(xué)模式，為計算機程序設(shè)計課程的課堂教學(xué)提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

一、計算思維的內(nèi)涵

目前國際上廣泛認(rèn)同的計算思維定義來自周以真教授：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。當(dāng)計算思維不僅僅局限于某種學(xué)科范疇之內(nèi)，融入我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫砸环N哲學(xué)的形式，潛移默化的改變我們看待世界的方式，這時計算思維更像是一種方法論，一種文化，改變著我們的生活方式，影響我們的人生觀、價值觀。

本文認(rèn)為計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。計算思維的抽象性體現(xiàn)在：算法的抽象性上。算法從廣義上來講：包括生活算法，數(shù)學(xué)算法和計算機算法。培養(yǎng)計算思維的這種逐層抽象能力，要具備以下幾個步驟：1.將實際問題先轉(zhuǎn)化為用生活中自然語言描述的能力；2.再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語言建模和描述；3.最后再轉(zhuǎn)化為計算機能夠理解的計算機程序設(shè)計語言進(jìn)行描述。計算思維的自動化過程體現(xiàn)在計算機按照給定的指令序列，按部就班的自動化依次執(zhí)行完成任務(wù)給出最終結(jié)果的過程。本文就抓住計算思維的以上兩個基本特點來設(shè)計和創(chuàng)新計算機程序設(shè)計語言的教學(xué)模式。

二、基于計算思維的程序設(shè)計課程教學(xué)設(shè)計

教學(xué)設(shè)計是指在確定一個科學(xué)合理的教學(xué)目標(biāo)的前提下，通過采取各種教學(xué)形式，使教師有效地教、學(xué)生有效地學(xué)，最終實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

2.1 基于計算思維的程序設(shè)計課程教學(xué)目標(biāo)分析

本文通過知識與技能、過程與方法以及情感、態(tài)度與價值觀三個方面來闡述教學(xué)目標(biāo)。⑴知識與技能 ：熟練運用程序設(shè)計語言描述和解決生活中的應(yīng)用問題，掌握程序代碼編寫、調(diào)試與執(zhí)行。⑵過程與方法：采用案例驅(qū)動教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生，首先把生活中具體的應(yīng)用問題抽象成數(shù)學(xué)語言模型，再把這種抽象的數(shù)學(xué)描述，轉(zhuǎn)化為計算機能夠識別的計算機程序設(shè)計語言描述，然后，運行程序，讓計算機按照編寫的指令序列，按部就班的自動化依次執(zhí)行，學(xué)生進(jìn)行觀察調(diào)試，最終完成任務(wù)給出結(jié)果。這一過程也是計算思維培養(yǎng)過程中，不斷逐層抽象和自動化的體現(xiàn)。⑶情感、態(tài)度與價值觀：要培養(yǎng)學(xué)生具備信息素養(yǎng)大視野，具備信息倫理、信息安全意識，保護(hù)自己的隱私不受威脅，遵守信息法規(guī)，養(yǎng)成健康使用信息技術(shù)的習(xí)慣。

2.2 學(xué)習(xí)者特征分析

本文所探討的程序設(shè)計課程針對的是大學(xué)生群體，這階段的學(xué)生具有高中階段的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，具備將實際生活問題抽象成數(shù)學(xué)語言的公式和方法來解決的能力，缺乏的是將數(shù)學(xué)語言公式描述轉(zhuǎn)化為計算機程序設(shè)計語言的能力。因此，學(xué)習(xí)者的特征和前期認(rèn)知基礎(chǔ)表明，本階段的教學(xué)重點在于學(xué)生的程序設(shè)計語言描述的培養(yǎng)。

2.3 基于計算思維的程序設(shè)計課程教學(xué)策略的選擇

本課程建議采用“啟發(fā)探究與合作探究相結(jié)合”教學(xué)方式，遵循“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為中心”的教學(xué)原則。由教師提出問題，學(xué)生分析問題，共同探討解決問題，最后由教師做出點評總結(jié)。整個教學(xué)過程分為兩部分：⑴基本概念和必要語法知識講授部分主要遵循傳統(tǒng)的教學(xué)模式，首先交代必要的理論知識，然后設(shè)計教學(xué)案例，在案例驅(qū)動下，將相關(guān)理論知識融入到實踐中，同時培養(yǎng)學(xué)生計算思維的能力。⑵對概念的深入理解及拓展訓(xùn)練，主要由學(xué)生合作探究為主要方式完成，目的是，在小組合作討論過程中，培養(yǎng)和提高學(xué)生信息素養(yǎng)。

2.4 教學(xué)環(huán)境設(shè)計

主要基于多媒體環(huán)境下結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)師生交互。教學(xué)媒體主要是幫助學(xué)習(xí)者將抽象的內(nèi)容具體化，形象化。例如：清晰的給出思路描述和每一步的形象化表示，從而幫助學(xué)生對抽象問題的形象化理解。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的應(yīng)用，利于異地異步師生之間形成虛擬的討論小組，實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源利用的最優(yōu)化。

2.5 基于計算思維的程序設(shè)計課程的教學(xué)效果評價

基于計算思維的程序設(shè)計課程的教學(xué)效果的評價過程主要分為學(xué)生自評，學(xué)生互評和師生互評三個評價部分。首先，學(xué)習(xí)小組對同一問題的討論，參照組內(nèi)其他同學(xué)的想法，進(jìn)行學(xué)生的自我反思和自我評價同時完成學(xué)生互評的過程；然后，由教師對不同小組的程序設(shè)計最終結(jié)果給出點評和建議，實現(xiàn)師生互評。通過以上三輪的評價過程，實現(xiàn)小組學(xué)習(xí)的取長補短，加深對所學(xué)知識的認(rèn)識與理解。

三、總結(jié)

本文主要面向計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)程序設(shè)計課程的教學(xué)過程的設(shè)計，分別從教學(xué)目標(biāo)，學(xué)習(xí)者特征分析以及教學(xué)策略和教學(xué)模式選擇，以及教學(xué)環(huán)境設(shè)計和教學(xué)效果評價幾個部分展開討論，對于計算思維培養(yǎng)目標(biāo)下如何開展計算機程序設(shè)計課程的教學(xué)給予理論和實踐指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of ACM，2006， 49（3）：33-35.

[2] 董榮勝， 古天龍.計算思維與計算機方法論[J].計算機科學(xué)，2009（1）：1-4；42.

[3]王飛躍.從計算思維到計算文化[J].中國計算機學(xué)會通訊. 2007， 3（ 11）

[4]何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計算思維能力的培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）.