基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)新模式

文章編號(hào)：1672-5913（2015）07-0001-03

中圖分類號(hào)：G642

摘要：介紹在大學(xué)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中引入項(xiàng)目化教學(xué)模式的方法，將常用的計(jì)算思維方法貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，為計(jì)算思維能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維；項(xiàng)目化教學(xué)模式

1 背景

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程作為大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決生活中各類問題的能力具有極其重要的意義。然而，目前大部分高校在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中多以知識(shí)點(diǎn)層級(jí)為體系，學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用缺乏整體感，不利于拓展思路并進(jìn)行思維能力訓(xùn)練。在大學(xué)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維（computational thinking）能力已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育重點(diǎn)研究的一項(xiàng)重要課題。

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真（Jeannette M Wing）教授給出了計(jì)算思維的定義。2010年11月，陳國(guó)良院士第一次正式提出了將“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議。2010年7月，全國(guó)9所“985工程”建設(shè)高等學(xué)校發(fā)表了聯(lián)合聲明，聲明的核心是必須正確認(rèn)識(shí)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要地位，把培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。2012年7月，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)與文科計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在《關(guān)于申報(bào)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目的通知》中指出，大學(xué)計(jì)算機(jī)的教學(xué)總體目標(biāo)是“普及計(jì)算機(jī)文化，培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力，訓(xùn)練計(jì)算思維能力”。課程明確把計(jì)算思維和計(jì)算工具并列起來，“訓(xùn)練計(jì)算思維能力”被看成是大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)目標(biāo)要求的第3個(gè)層次；強(qiáng)調(diào)“以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為主線”進(jìn)行教學(xué)改革，解決計(jì)算思維714d3664f5d4d7ff93f1714c827b8192從學(xué)術(shù)研究“落地”到教學(xué)過程中出現(xiàn)的一系列關(guān)鍵問題。

由此可見，在高校計(jì)算機(jī)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力仍然處在一個(gè)摸索階段。筆者嘗試將項(xiàng)目化教學(xué)模式引入程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程，師生共同完成一個(gè)完整的項(xiàng)目，學(xué)生不但能夠?qū)W到課程的主要知識(shí)，也完成了一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)到知識(shí)的同時(shí)掌握用計(jì)算機(jī)分析問題、解決問題的實(shí)踐能力，從而訓(xùn)練思維技巧，為計(jì)算思維能力的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式中，教師按照教材把程序設(shè)計(jì)語言的代碼基礎(chǔ)、程序基本結(jié)構(gòu)、數(shù)組、過程、常用控件、文件讀寫、數(shù)據(jù)庫(kù)等需要掌握的知識(shí)點(diǎn)按部就班地灌輸給學(xué)生，然后帶領(lǐng)學(xué)生上機(jī)鞏固所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。這種模式貌似很符合人的認(rèn)知規(guī)律，但是在實(shí)際的教學(xué)過程中收到的效果很不理想：學(xué)生在學(xué)的過程中叫苦不迭，甚至一些學(xué)生在付出了大量時(shí)間和精力之后依然不得要領(lǐng)。通過與學(xué)生及老師的交流，我們認(rèn)為傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要存在以下缺陷。

（1）知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系不夠緊密，對(duì)知識(shí)應(yīng)用缺乏整體感，不利于學(xué)生拓展思路。教材中的例子往往是為了說明某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而例子與例子之間沒有聯(lián)系，如果教師只是照本宣科，布置給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)個(gè)孤立的程序段，那么可以想象學(xué)生很難將所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來并解決實(shí)際問題。

（2）教學(xué)過程沒有激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，被動(dòng)學(xué)習(xí)有礙計(jì)算思維能力培養(yǎng)。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程要求學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)功底和較強(qiáng)的邏輯思維能力，而我們授課的對(duì)象是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，他們中的大多數(shù)欠缺的恰恰就是這些；傳統(tǒng)的教學(xué)過程中卻不可避免地出現(xiàn)了很多數(shù)學(xué)問題求解，使得學(xué)生理解起來困難重重，這對(duì)于編程信心不足的學(xué)生來說無異于雪上加霜。

（3）缺乏實(shí)際應(yīng)用體驗(yàn)，學(xué)生無法充分認(rèn)識(shí)和體會(huì)計(jì)算思維方式的優(yōu)勢(shì)。程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)如果只是停留在知識(shí)點(diǎn)掌握以及例題練習(xí)的層面上，沒有與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，學(xué)習(xí)者無法感受到所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工作中的作用和地位，將會(huì)抑制學(xué)生的積極性，影響學(xué)習(xí)效果。

3 培養(yǎng)計(jì)算思維能力的教學(xué)新模式

3.1 計(jì)算思維能力培養(yǎng)

計(jì)算思維是一種思維方式，也是一種解決問題的思考過程。從現(xiàn)實(shí)角度來說，計(jì)算思維就是問題抽象、模型建立、算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及問題引申的過程，也就是將未知問題歸納成若干已知問題從而求解的過程。現(xiàn)如今計(jì)算思維已不僅僅運(yùn)用在計(jì)算機(jī)學(xué)科上，也廣泛應(yīng)用在其他自然學(xué)科甚至是人文學(xué)科中，它不是一個(gè)單獨(dú)的、與其他思維方法毫無關(guān)聯(lián)的孤立方法。計(jì)算思維產(chǎn)生于計(jì)算機(jī)科學(xué)，而與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)系最緊密的思維方法是數(shù)學(xué)思維、邏輯思維和工程思維，我們可以將計(jì)算思維看做是計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)思維、邏輯思維和工程思維的交集，而它們也代表了計(jì)算思維的不同層次要求。計(jì)算思維有以下幾個(gè)主要特征。

（1）計(jì)算思維采用抽象和分解來執(zhí)行龐雜的任務(wù)或者設(shè)計(jì)巨大復(fù)雜的系統(tǒng)。

（2）計(jì)算思維利用啟發(fā)式推理來尋求解答，在不確定的情況下規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度。

（3）計(jì)算思維是數(shù)學(xué)思維和工程思維的互補(bǔ)和融合。

（4）計(jì)算思維是概念化，不是程序化，不只是為計(jì)算機(jī)編程，還要求在抽象的多個(gè)層次上思維。

過去我們常說，學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)課程、物理課程并不是要他們成為數(shù)學(xué)家或者物理學(xué)家，而是通過這些課程的訓(xùn)練養(yǎng)成科學(xué)思維的素質(zhì)和能力，現(xiàn)在這種認(rèn)識(shí)也同樣適用于計(jì)算機(jī)課程。對(duì)大多數(shù)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的目的不是成為程序員，而是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)分析和解決問題的過程和思路，也就是培養(yǎng)計(jì)算思維能力。計(jì)算思維能力在海量信息處理分析、復(fù)雜裝置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大型工程組織、自然現(xiàn)象與人類社會(huì)行為模擬等方面具有重要的意義和作用。

3.2 項(xiàng)目化教學(xué)模式

項(xiàng)目化教學(xué)模式是師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，它是“行為導(dǎo)向”教學(xué)法的一種。項(xiàng)目是計(jì)劃好的，有固定的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的工作，原則上項(xiàng)目結(jié)束后應(yīng)有一件較完整的作品。為改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，我們?cè)噲D在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中采用項(xiàng)目化教學(xué)模式。項(xiàng)目化教學(xué)模式的特點(diǎn)如下。

（1）實(shí)踐性：項(xiàng)目的主題與真實(shí)世界密切聯(lián)系，學(xué)生的學(xué)習(xí)更加具有針對(duì)性和實(shí)用性。

（2）自主性：提供學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇內(nèi)容和展示形式的機(jī)會(huì)，學(xué)生能夠自主、自由地學(xué)習(xí)，從而有效地促進(jìn)創(chuàng)造能力的發(fā)展。

（3）發(fā)展性：長(zhǎng)期項(xiàng)目與階段項(xiàng)目相結(jié)合，構(gòu)成實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)的認(rèn)知過程。

（4）綜合性：具有學(xué)科交叉性，能夠綜合運(yùn)用。

（5）開放性：學(xué)生圍繞主題所展開的方式、方法和展示、評(píng)價(jià)具有多樣性和選擇性。

項(xiàng)目化教學(xué)模式能夠很好地將程序設(shè)計(jì)課程的教、學(xué)、做有機(jī)結(jié)合起來，從而成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的有效途徑。著名物理學(xué)家勞厄曾說過：“重要的不是獲得知識(shí)，而是發(fā)展思維能力。”因此，思維需要接受訓(xùn)練。教師在項(xiàng)目化教學(xué)模式中以合理的項(xiàng)目為依托進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生不但能夠?qū)W到課程的主要知識(shí)，同時(shí)也完成了一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)到知識(shí)的同時(shí)掌握用計(jì)算機(jī)分析問題、解決問題的實(shí)踐能力，從而訓(xùn)練自己的思維技巧，為學(xué)生創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的項(xiàng)目化教學(xué)模式的組織與實(shí)施

在基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的項(xiàng)目化教學(xué)模式中，教師與學(xué)生圍繞項(xiàng)目這根主線進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)，而與程序設(shè)計(jì)語言相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)則可通過在線學(xué)習(xí)的方式引導(dǎo)學(xué)生自主完成。教學(xué)者在設(shè)計(jì)項(xiàng)目、呈現(xiàn)項(xiàng)目、指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施、檢查評(píng)估的過程中運(yùn)用計(jì)算思維方法展開教學(xué)；學(xué)習(xí)者在明確項(xiàng)目任務(wù)、制定項(xiàng)目計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃、歸檔或應(yīng)用的過程中運(yùn)用計(jì)算思維的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)者利用高效率的計(jì)算思維去弄清項(xiàng)目任務(wù)、明確目標(biāo)，通過實(shí)施項(xiàng)目探索新知識(shí)，掌握計(jì)算思維的方法和技巧。我們將這種基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的項(xiàng)目化教學(xué)模式歸納為圖1的過程。

在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)模式所應(yīng)用的計(jì)算思維方法可概況為“觀察一聯(lián)想一變換一啟發(fā)”。“觀察”方法是人類認(rèn)識(shí)客觀事物的基本途徑，通過“觀察”樹立正確的整體與部分思想，將一個(gè)具體的項(xiàng)目抽象為一系列明確的子任務(wù)，從而使學(xué)生體會(huì)抽象、分解、學(xué)習(xí)等計(jì)算思維特征。“聯(lián)想”是由某種對(duì)象引出其他相關(guān)對(duì)象的思維形式，通過聯(lián)想，運(yùn)用構(gòu)造性思維、逆向思維等方法建立起多個(gè)能夠簡(jiǎn)潔表達(dá)子任務(wù)本質(zhì)的模型，并規(guī)劃子任務(wù)實(shí)施計(jì)劃；同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生理解規(guī)約、并行、規(guī)劃等計(jì)算思維特征。“變換”是算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本手段，可以運(yùn)用目標(biāo)轉(zhuǎn)化思想、分類與分治思想等，有目的地對(duì)問題實(shí)施“變換”，把原問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)或幾個(gè)易于解決的新問題，這是項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵，也是促使學(xué)生領(lǐng)悟轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、調(diào)度、折中、優(yōu)化等計(jì)算思維特征的關(guān)鍵階段。“啟發(fā)”是通過對(duì)已有的資料和信息進(jìn)行分析、綜合、概括和比較，進(jìn)而做出判斷、推理、論證來指導(dǎo)決策的思維形式。在項(xiàng)目實(shí)施的最后階段，通過教師對(duì)項(xiàng)目執(zhí)行情況的檢查評(píng)估，學(xué)生將整個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行過程所產(chǎn)生的程序和文檔進(jìn)行歸檔整理，可以有效地“啟發(fā)”學(xué)生將問題引申，同時(shí)使學(xué)生對(duì)于容錯(cuò)、糾錯(cuò)、系統(tǒng)恢復(fù)等計(jì)算思維特征有更為深入的認(rèn)識(shí)。

綜上所述，將項(xiàng)目化教學(xué)模式引入程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，把傳統(tǒng)的程序語法教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膯栴}抽象到模型建立再到算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最后總結(jié)引申的思維訓(xùn)練過程，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生“觀察一聯(lián)想一變換一啟發(fā)”的計(jì)算思維能力。

4 結(jié)語

培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是潛移默化地使他們養(yǎng)成新的思維方式，即運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念對(duì)問題進(jìn)行求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行為理解，建立計(jì)算思維。采用項(xiàng)目化教學(xué)模式，在教學(xué)過程中始終貫徹“問題引導(dǎo)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、講練結(jié)合”的原則，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程始終圍繞完成一個(gè)完整的、實(shí)際的、具體的、有形的項(xiàng)目，這樣就把知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用有機(jī)結(jié)合在一起，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們既學(xué)到了知識(shí)，又提高了用計(jì)算機(jī)分析問題、解決問題的能力，從而達(dá)到“建立利用計(jì)算機(jī)求解問題的基本思路”這一計(jì)算思維能力的基本要求。