計算思維導向的C++程序設計課程教改研究

許可 閆朝坤 鞏妍茹

摘 要： 從操作系統，軟件研究和計算機教學辦法等多個方面，以多視角審視了當今C++程序設計教程課程教學中的熱點問題。根據程序設計類課程與計算思維之間的內在聯系，指出了該課程教學中的幾點不足，提出了一套教改思路和實施方案。

關鍵詞： C++語言程序設計； C++教學改革； 實施方案； 程序設計類課程； 計算思維

中圖分類號：TP3-05 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）12-98-04

Research on the computational thinking oriented teaching reform of C++ programming course

Xu Ke1， Yan Chaokun1， Gong Yanru2

（1. School of Computer and Information Engineering Henan University， Kaifeng， Henan 475000， China；

2. Northwestern Polytechnical University Mingde College）

Abstract： From the operating system， software research and computer teaching methods and other aspects， the hot issues in the teaching of C++ programming course are viewed in a multi angles. According to the inherent connection between the course and the computational thinking， some problems in the course teaching are put forward， and a set of reform ideas and the implementation plan is put forward as well.

Key words： C++ language programming； C++ teaching reform； implementation plan； programming course； computational thinking

0 引言

隨著通訊技術、計算機網絡技術和大規模存儲技術的發展和日趨成熟，與計算機有關的信息工程技術得到了廣泛關注，與計算機有關的相關技術在商業運作和工業生產中開始扮演重要的角色。C++程序設計教程是學生在大學里接觸到的第一門計算機專業編程基礎課，對于培養學生良好的編程習慣和編程技巧，激發學生的編程熱情和對基礎知識方面的掌握起到了重要的作用。如何順應計算思維導向的C++程序設計課程教學改革，改進教學效果，增進學生利用計算機解決學習生活問題的能力，一直是教師和社會各界人士關注的焦點問題。

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》雜志上提出并定義了計算思維（Computational Thinking）。在周教授看來，計算思維的定義是：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。計算思維一經提出，就引起了很大關注和廣泛討論，激發了國內外眾多學者、教育家思考。

周教授認為，計算思維吸取了問題解決所采用的一般數學思維方法，現實世界中巨大復雜系統的設計與評估的一般工程思維方法，以及復雜性、智能、心理、人類行為的理解等的一般科學思維方法。在培養學生解析能力時，需要讓孩子們擁有閱讀，寫作以及計算的能力，還要讓他們學會計算思維，讓計算思維成為學生的一項能力。

計算思維是人類改造世界的最基本的思維模式。基于計算思維導向的C++程序設計課程教學改革，可以讓學生擁有這項能力，掌握一種干凈、現代、優雅的編程語言，可以幫助學生學習C++語言的編程思路和基本方法，使學生可以對問題進行符合邏輯的科學分析，進行針對現實問題的科學分析、編程以及調試運行。通過更好地學習C++語言，進行算法編程，可以讓學生掌握一種技能，更好地適應當今激烈的市場競爭環境。

1 C++程序設計課程的教學意義

C++程序設計課程是計算機程序設計的重要基礎，它不僅成為計算機學科的核心課程，而且已經成為其他專業理工學生積極學習的一門課程。根據教學大綱要求以及具體實踐要求可知，C++程序設計課程的學習過程也是復雜程序設計的訓練過程，要求學生根據C++的編寫程序要求使得結構清楚和正確易讀，符合正確編碼的規范。

C++語言通過對高級抽象的支持，極大地簡化了語言的復雜性，使之變得高效實用。而且C++語言從C語言進化而來，是C語言的超集，整體代碼使用函數驅動機制來實現，整體代碼呈現簡潔明了的特點。C++語言也實現了許多特有的功能，比如引用就是C++語言特有的，C++面向對象的程序能夠被人閱讀與理解，它不僅包含了程序設計對語言要求的基本知識，體現了解決問題的方法，而且還展現了其與計算思維的關系。

C++語言教學，體現著創新性思維的教學培養過程，涉及提出問題，分析問題，抽象表達，解決問題等多項技能，有利于學生得學習能力，思考問題能力，邏輯思維能力，綜合創造能力的培養。鄧小平指出“科學技術是第一生產力”，二十一世紀的競爭就是對人才的競爭，對科技的競爭，現在計算機領域的發展對大學生的實踐和動手操作能力提出了新的要求。在這種要求的推動下，C++課程的教學定位應該變成以計算思維為導向，深刻探討培養學生能力的一門學科。

2 國內外C++語言課程的教學現狀

2008年，ACM明確提出將計算思維作為計算機科學教學的重要組成部分。2010年7月，在西安交通大學召開的《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》會議中提出計算機基礎教學的重要任務是對于學生的計算思維能力的培養。國內教育界對于C++語言的教學十分重視，國內知名的專家學者除了編寫和翻譯大量C++語言學習資料外，還努力將許多優秀的學習方法和教學方法展現給學生。筆者總結多年教學經驗并引進國外的學習理論，對C++語言教學進行了很多有益的改進和教學改革嘗試。例如我校采用了由錢能先生編寫，清華大學出版社出版的《C++語言程序設計教程（修訂版）——設計思想與實現》一書，這也是現今國內大多數大學在計算機培養方面對于學生C++語言學習領域采用最為廣泛的一本中文教材。通過對于C++語言學生學習的廣泛調研，我們總結出了一些教學方面的不足，現簡單歸納如下：

⑴ 上課師生互動提問環節應該增多；

⑵ 應該更加重視學生實踐能力，增多上機實驗機會；

⑶ 學生對算法的理解和對具體問題的抽象能力有待提高；

⑷ 注重培養學生良好的編程習慣，重視編碼的簡潔性，可讀性和運行速度問題。

⑸ 需要改善傳統考核方式，使動手能力得到足夠的重視；

⑹ 課堂增加對程序的演示和運行環節，以提高學生學習興趣和引起學生對程序操作的重視。

3 C++程序設計課程教學改革研究

針對以上問題，我們需要對C++語言的教學進行改革，以計算思維為導向的C++語言程序設計課程的教學改革可以完美地解決上述問題。

⑴ 增多師生互動

傳統教學大多是“老師講，學生聽”的模式，這種古老的師生間耳提面命的教學方式已經不適應于當前科技日新月異的時代，傳統的墨守成規的教學方式使老師不會及時了解學生對當前知識的理解掌握程度，一味得向前推進課程，長此以往，會影響學生學習熱情和對知識的掌握程度，不會做到融會貫通，當然也會影響老師對于知識點教學程度的判斷，使師生的學習進度受到影響。以計算思維為導向的C++語言程序設計課程的教學改革，要求講師避免傳統“填鴨式”教學方式，在課堂上與學生多溝通，及時了解學生掌握情況，注重通過學習知識點進行學生思維方式的培養。計算思維是人的思維，不是計算機的思維，這就要求我們注重課堂師生互動，講師通過讓學生理解所講內容，形成學生的相應思維邏輯，也可以體現計算思維是人類解決問題的一種方式，并不是需要人類像計算機一樣思考，不要機械刻板，不知變通。比如在講到一個關鍵的知識點的時候，講師應該對該知識點進行強調，講解完后可以通過向學生提問來了解學生的理解掌握程度，如果學生的反應迷茫不知所措，就再講一遍，或者通過講解例題，穿插知識點的講解，使學生由不會到會，再到充分掌握，可以進行創造性思維，提出創造性成果的過程。

⑵ 增多學生上機實戰環節

計算機專業是一個偏向應用的理工類專業，這就要求學生具有高超的操作動手能力，如果只強調要求學生對書本概念知識點重要掌握，就會導致學生動手能力嚴重欠缺，養成“只說不做”的習慣和“紙上談兵”的缺點，違背了C++語言的教學初衷。現代社會的求職就業要求國內大學培養出具有實戰能力的人才。C++語言程序設計課程的教學中，讓學生通過自己編寫小軟件，小程序，來增強自我認同感和編程的興趣，同時使之成為一種技能，一種可以在現代社會生活中發揮作用的技能。比如通過讓學生在上機實踐環節里獨立制作一段小程序，使用到很多概念知識點，如指針，鏈表，引用，類，繼承與虛函數等，并在實戰中靈活掌握它們。同時讓學生應用到多種優秀的編譯開發環境，使學生明白它們各自的優點/特色，從而從根本上掌握它們。

⑶ 增強學生對具體問題的抽象問題

學習程序設計，不僅要求開發工具實用，而且要在運用程序設計的思想上獲得一個大的突破。學習計算機語言的目的是解決現實世界里的問題。計算思維的本質就是抽象化和自動化，其中抽象化包含遞歸，轉換，嵌入等方法，可以把一個復雜問題轉換成簡單子問題進行求解的過程，可以在計算機里解決現實世界的具體問題，這就要求講師在教學過程中融入對計算思維能力的培養，在實驗項目中滲入重要算法的使用，著重強調算法分析和使用能力，通過設計綜合性實驗項目讓學生完成對實際問題的思考，解決，深入體會算法的美妙，在發現問題、分析問題、解決問題中提高學生的計算思維能力和將問題抽象化的能力。現今科技發展日新月異，唯有利用計算思維為導向著的C++語言程序設計課程的教學改革，才會令學生掌握必要的解決實際問題和抽象化問題的能力。比如在實際教學實踐中穿插一些重要基本的算法，講師還需要準備具有啟發性和實際意義的案例，并且要求學生利用講過的算法實際編碼來解決這些問題，進而掌握問題求解的基本方法和基本思維。

⑷ 注重培養學生良好的編程習慣

計算思維與數學思維具有交叉性和互補性，計算思維的形式化表達是在數學思維的基礎之上構建起來的。利用計算機來展現人的數學思維，這就要求使用適合的語言來表示，比如要求學生在可以解決問題的前提下，在代碼里適當選擇循環方式，遞歸方式，嵌套來實現他們的思想，使用不同的編碼方式，會影響程序運行時間和代碼的時間復雜度，這在C++代碼里是極為重要的。比如組織學生參加的全國ACM大賽，對于同一個問題，在可以得出問題答案的前提下，還要求限制代碼的運行時長，所以講師也應該強調學生的編碼規范性問題。以計算思維為導向的C++語言程序設計課程中，計算思維不是把人的思維固定化到機械的計算機模式里，而是盡力構造求解實際問題的一種恰當方法，人借助計算機來解決實際問題。這就要求代碼有可讀性，讓自己和讀者理解具體思維過程，在大型實驗項目里，保證代碼的可讀性，有利于軟件文檔的編寫和后續工作的開展，可以讓其他人員理解代碼的含義，并且有利于糾正代碼里的小錯誤。

⑸ 改善傳統考核方式

傳統考試主要是對知識點和具體概念的考察，對于像C++語言這樣的強調具體實用性的課程而言有很大的局限性。在C++語言的考核里加入對于實際應用程序的考核，不僅遵循了學生的認知規律，不用強迫學生去死記硬背一些概念，而且可促使學生在理解知識的同時，訓練基于C++語言進行分析問題和解決問題的能力，讓考核與實際教學相結合，使學生的計算思維能力在學習中自然形成。C++語言的程序設計課程要求教會學生編寫程序，評價程序，優化程序，教師在教學過程里把計算思維分解為了一系列屬于計算思維的內容和技巧，通過每一節課的講授，讓學生理解掌握并且內化為自己的思維方式。所以我們在考核過程里提出加入相應的程序分析編寫類的題目，并且把上機環節的考試權重加大，從根本上增大學生的重視，除了可以檢查平時學生上機實驗并打分外，還可以讓學生向老師提出編程和分析問題小技巧，對此應該酌情考慮加分，以鼓勵學生對編程的熱情與思考。

3 結束語

以計算思維為導向的C++語言程序設計課程教學改革是必要而且必須的，也是勢在必行的。實現以“計算思維”為導向的課程改革，首先應該從計算思維能力培養的角度出發，深入貫徹落實C++語言程序設計課程的教學改革，重新審視教學實踐的各個方面，對課程教案分析和講課節奏進行重新設置，以計算思維為導向，重新設計C++語言程序設計課程的教學計劃，在教學中著重培養學生利用計算思維來分析解決問題的能力，這些需要廣大同仁的長期探索與實踐。

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