面向計算思維的Java程序設計課程教學探討

強小利　藍雯飛

摘 要： Java程序設計是計算機相關專業程序設計的重要課程。針對其教學現狀，以計算思維為切入點，給出了Java程序設計教學改革思路，在教學體系的構建、教學方法的運用、教學實例的選用等方面，做了詳細的討論，并提出了解決方案。

關鍵詞： 計算思維； Java程序設計； 教學改革； 教學方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）11-87-03

Abstract： Java programming is an important course in computer related specialties，aiming at the present situation of the teaching， taking the computational thinking as the breakthrough point， the Java programming teaching reform idea is given in this paper. The construction of the teaching system， the application of the teaching method， the selection of teaching examples， etc.， are discussed in detail， and the solutions are proposed.

Key words： computational thinking； Java programming； teaching reform； teaching method

0 引言

在Java面世短短的十來年間，Java以其簡單易學、安全可靠、面向對象、多線程及平臺獨立性等許多特點[1-2]，被越來越多地推廣和使用，它已成為Internet上最受歡迎的開發語言之一[3]。

目前，許多高校將Java程序設計列為程序設計的核心課程之一，肯定了它在培養計算機開發類人才中的地位和作用[4]。

然而，傳統的教學模式以層次遞進式講授理論知識、語法細節，然后通過課后習題和驗證型的實驗進行鞏固。實踐證明，這樣的教學效果大多不理想，很多學生在學完該課后，僅停留在通過期末考試對理論知識的掌握上，普遍缺乏對知識的運用能力；再則，對程序設計有著濃厚興趣的學生而言，不利于激發他們的學習熱情，不能做到因材施教，不利于培養創新型計算機人才[5-6]。改革傳統教學模式迫在眉捷。

計算思維是指運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，并用最有效的辦法實現問題求解[7]。學會計算思維，是在信息社會中創新的需要。要培養出創造性人才，教育在思想和方法上必須擺脫傳統教學的偏見，培養學生的知識運用能力，讓學生學會用高效的思維去思考。計算思維能力的培養是提高學生知識應用能力和創新能力的重要內容。

本文針對Java程序設計課程，探討實施計算思維的教學過程和改革教學內容，以期與同仁形成交流。

1 教學實施的過程和內容

1.1 分析社會需求，明確課程定位，提出課程改革的目標

在很長一段時期內，Java程序設計課程教學普遍注重理論知識的傳授和編程技能的培養，學生學到的是有關計算機的一些概念及通用計算手段的應用。但是當今社會處于急需各種創新人才的高科技時代，學生僅僅具備這些能力是不夠的。高速發展的信息社會要求計算機專業學生未來應具備的計算能力是掌握支持各學科研究創新的新型計算手段并應用計算手段進行各學科的研究與創新，因此，大學Java程序設計課程應定位于以計算思維為核心，以編程知識為背景，使學生理解典型的計算思維，掌握基于計算技術/計算機的問題求解思路與方法，提高學生的計算機應用能力，培養學生應用計算思維和計算工具分析和處理專業領域實際問題的能力，為今后的創新活動奠定堅實基礎。

1.2 構建將計算思維靈活地融入Java程序設計系列課程的新知識體系

以計算思維能力培養為核心的Java程序設計系列課程教學改革并不意味著一定要將現有的課程教學內容“推倒重來”，而是在原有教學內容的基礎上，以計算思維為主線，重新組織教學內容，適當增加新的能體現計算思維的知識點，刪除一些陳舊的知識或技術細節，大幅度調整課程內容的結構，最終構建一個與計算思維相融合的新的課程知識體系。

⑴ 分析研究計算思維的內涵和特征

在明確課程定位后，我們應首先仔細分析計算思維的內涵，研究計算思維的基本組成部分，這些基本組成部分的特征和表現是什么，確定在課程知識體系中涉及計算思維的哪些概念；然后將知識體系分解為知識單元和知識點，研究這些知識點如何與計算思維的典型特征有機融合。

對計算思維內涵的解讀有很多。2010年，Peter J. Denning在ACM關于“什么是計算”的研討會上指出：計算思維是一種解決問題的思維方法，這種方法將問題表示為關于某個計算模型（該模型必須被發明或發現）的信息處理過程，并尋求一種算法上的解決方案。2012年，李廉教授指出：“計算思維是人類科學思維中，以抽象化和自動化，或者說以形式化、程序化和機械化為特征的思維形式。計算思維的標志是有限性、確定性和機械性。計算思維的結論應該是構造性的、可操作的、能行的”。

戰德臣教授提出的“計算之樹”很好地描繪出融入計算思維后的計算機所面對的知識空間，即“核心”的計算思維，主要有“計算之樹”的樹根—計算技術與計算系統的奠基性思維：0和1、程序、遞歸；“計算之樹”的樹干—通用計算環境的進化思維：馮· 諾依曼機、個人計算機、并行與分布計算環境、云計算環境；“計算之樹”的樹枝—計算與（社會/ 自然）環境的融合思維；“計算之樹”的雙色枝杈—交替促進與共同進化的問題求解思維：算法與系統。

計算思維是一種形式規整的、問題求解的和人機共存的思維。典型的計算思維包括一系列廣泛的計算機科學的思維方法：遞歸、抽象和分解、保護、冗余、容錯、糾錯和恢復等，是利用啟發式推理來尋求解答，即在不確定情況下的規劃、學習和調度。

⑵ 選取典型的計算思維，構建新的課程內容體系

選取學生需要掌握的典型計算思維，對現有的教學內容進行重新審視和定位，適當裁剪和增刪；圍繞問題的分析解決思路組織相關知識，設計課程教學內容，最終構建一個與計算思維有機融合的新的課程知識體系。

我們在2013年和2014年，對Java程序設計進行了教學改革，初步構建了課程知識體系，在實施過程取得了一些教學效果。接下來，我們還將要對C++面向對象程序設計、C#程序設計實施教學改革。

以“計算思維”為主線，我們將Java程序設計課程分為11個教學單元：計算思維概述、函數思維和抽象思維—方法和類、計算機系統思維—程序結構、分解思維—復雜對象及對象之間的聯系、抽象思維—對類的進一步討論、復用思維—繼承、執行思維—多態、抽象思維—泛型、重用思維—異常和類庫、并發思維—線程、對象思維—高級知識。要求在每個教學單元的教學內容中，描述清楚理論知識背后蘊含的計算思維是什么。受限于篇幅，表1僅給出第8單元（抽象思維——泛型）的知識點及其蘊含的計算思維。

⑶ 改革教學方法，促進學生計算思維能力的養成

恰當的教學方法才能展現計算思維的魅力和基本思想方法。過去以講授知識點為主線的教學方法必須改變，轉為以講授認識和應用計算機的思維過程為主線，使知識隨著思維的展開而介紹，思維隨著知識的貫通而形成，能力隨著思維的理解而提高，這樣循序漸進地促進學生計算思維能力的養成。

一方面，在課堂教學中采取基于計算思維的探究教學模式。探究教學是將科學問題作為探究過程來講授，讓學生像科學家一樣在探究過程中發現科學概念和規律，掌握科學方法，培養學生的探究能力和科學精神。在課堂教學中，教師提出基于計算思維的探究性問題，引導學生運用計算思維的一系列方法探索和發現問題的本質，通過簡化、轉換、遞歸、抽象、分解、建模等計算思維的基本方法，將一個復雜問題轉換成許多簡單的子問題并構建求解模型，進而充分利用計算機的運算能力實現問題求解。當學生掌握這種思維方法以后，教師再啟發學生運用所學方法自主探究并解決更深層次的問題，從而達到知識鞏固、遷移和內化為能力的目的。

另一方面，在實驗教學中采取任務驅動的實驗教學模式。教師只給出實驗任務，要求學生自主完成一個系統或一個解決方案從設計到實現的全過程。學生主動思考，自主梳理知識，構建學習模式，規劃解決方案，運用計算思維的方法自主設計和獨立完成實驗任務。基于計算思維的任務驅動實驗教學模式將有利于培養學生自我建構知識、計算思維和創新的能力。

⑷ 設計能夠體現計算思維顯著特征的教學案例

教學案例是教學內容的重要載體，如果采用抽象枯燥的理論講解方式，學生將難以理解計算思維的抽象概念，更談不上通過學習培養計算思維能力，因此我們需要設計能夠體現計算思維顯著特征的教學案例。

比如，在講授多態概念及其應用時，為了簡單、生動的說明執行期間綁定的思維，設計一個既容易理解又能刻畫計算思維的例子。讓我們來看一個具體例子，門Door和計算機Computer都有打開和關閉的操作，但這兩個對象沒有相似之點，這時我們可以使用接口Action抽象出它們的公共操作，以便程序能夠在執行期間顯現動態多態的行為，代碼如下：

當需要為一組不相關的類建立公共類型時，我們選用接口Action作為這一組類（Computer和Door）的父接口。在程序執行期間，根據引用r指向的對象，系統動態選擇對象的close（）方法，從而實現了執行期間的多態。我們在設計以上代碼時，告訴學生應用了抽象思維和執行思維，并闡述清楚何時需要用這兩個思維，不難發現，這兩個思維是并存的思維，兩者在應用上缺一不可。

⑸ 打破課程間的邊界，突出“計算思維”主線

通過分析和研究不難發現，不同的“面向對象編程語言”有著一些相同的特征和機制。“面向對象編程語言”基本的核心內容也就是面向對象的三個特征：封裝、繼承和多態，這三個教學內容分別對應著抽象思維、重用思維和執行思維，因此在教學設計上可以適當復用教學內容和教學用例。

比如我們講述繼承用例，選用了由三個類（形狀類Shape、圓類Circle和矩形類Rectangle）構成的繼承結構，如圖1所示。

不難發現，不論講授什么語言，都可以復用上面給出的既簡單又能說明如何應用抽象思維、重用思維的例子。我們需要告訴學生，選擇什么語言并不重要，重要的是如何應用計算思維。在使用繼承的時候，同樣可以找出這樣的規律，抽象思維、重用思維也是共并存的思維，兩者在應用上缺一不可。原因很簡單，繼承是以抽象為基礎的設計思維。在應用繼承的時候，能進一步找出這樣的規律，一般地，抽象思維（封裝）、重用思維（繼承）和執行思維（多態）是同時使用的。

2 結束語

程序設計課程中的計算思維訓練對于計算機學科培養高素質技術人才是十分重要的，因為計算思維可以幫助學生理解計算的實現機制，還有利于他們進行實踐和創新。計算思維的本質就是信息思維，也就是用計算機的方式思考問題和表達行為，這也是計算機人才必備的能力。我們不僅要在程序設計課程中強化計算思維，還要努力把它推廣到更多的課程中去，真正把強化計算思維做到實處。

教學改革是一個長期的過程，我們期望通過廣大計算機教育工作者的研究、探索和改革實踐，訓練學生計算思維的養成，培養學生運用計算思維方法解決專業領域問題的能力，提高學生創新能力，從而為國家培養大量創新型人才。

本文比較詳細地討論了我們近幾年在Java程序設計課程中實施計算思維教學改革的一些做法和經驗，在一定程度上提高了教學質量，對推動Java程序設計課程教學改革具有一定的借鑒意義，希望能與同仁分享與交流。接下來我們將會把計算思維引入到后續課程（數據結構、數據庫原理等）的改革中去。

參考文獻（References）：

[1] 秦學禮，汪迎，鄭淑紅.Java程序設計實用教程[M].清華大學

出版社，2012.

[2] 藍雯飛，李子茂.“Java程序設計”課程教學思考[J].計算機時

代，2013.1：37-39

[3] 印旻.Java語言與面向對象程序設計（第2版）[M].清華大學出

版社，2007.

[4] 藍雯飛，鄭波盡.高級語言程序設計課程建設思路[J].計算機

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[5] 吳文虎.我怎么講好“程序設計基礎”這門課[J].中國大學教

學，2011.12：10-12

[6] 李英梅，夏偉寧，丁金鳳.Java程序設計語言課程群建設[J].計

算機教育，2012.7：86-89

[7] 劉曉路.基于計算思維的程序設計教學改革[J].廣東技術師

范學院學報（自然科學），2013.3：108-110