以計算思維為導向的大學生程序設計能力培養研究

肖卓宇　黎妍　葉嘉笑

摘要：針對傳統教學方式下學生實踐能力較弱的問題，以計算思維為導向，研究分析了現階段大學生程序設計能力培養存在的主要問題，提出了基于計算思維的教學方式、教學內容、教學課程及考核方式的改革。事實證明，改革有助于學生創新意識及實踐能力的培養，教學效果顯著提高。

關鍵詞：計算思維；計算思維能力；教學改革；創新意識；實施方案

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：1006-8228（2017）01-79-03

0.引言

獨立學院是由普通本科高校（母體單位）與社會力量（投資集團）合作辦的主要進行本科層次教育的高等教育機構，是近年來隨著我國高等教育規模擴展和教育體制改革出現的新事物。獨立學院應具有獨立法人資格和獨立的校園校舍，獨立進行教學和財產管理、招生和頒發畢業證書。現有獨立學院的招生規模都較大，像中南林業科技大學涉外學院這樣人數過萬的獨立學院已不勝枚舉。但如何提升獨立學院IT類相關專業學生程序設計能力，同時突出獨立學院的應用型人才培養的創新優勢和競爭能力，是整個教育學界，更是獨立學院本身要考慮的重要問題。

美國卡內基·梅隆大學周以真教授提出，計算思維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，計算思維吸取了問題解決所采用的一般數學思維方法。計算思維集科學思維、實驗思維及理論思維為一體常用于對計算機科學的基礎概念進行問題求解。獨立學院IT類相關專業學生程序設計能力應涉及計算思維能力、算法設計及分析能力、程序設計與實現能力和系統分析開發能力。因此，從抽象理論與實際應用層面處理好計算思維能力與實踐能力的關系，有助于培養獨立學院大學生計算思維能力，同時也加強學生的動手實踐能力。因此以計算思維為導向的大學生程序設計能力培養方式改革是有意義的。

1.現狀及存在問題

1.1學生學習現狀

筆者通過調研發現本院近5年來計算機相關專業學生高考，入學成績普遍低于一本150分左右，并且數學與英語成績同時達到90分的學生比率低于35%，說明學生基礎知識薄弱。同時獨立學院學生作為不夠成熟的群體，自主能動性不強，導致極易受到外界環境的影響。此外學生對未來的憧憬比較模糊，隨意性比較大，做事情常常缺乏持之以恒的決心。

1.2教學方式單一化問題

傳統教學方式中任課老師側重“教”，而學生只管“學”，這樣單一的“灌輸式”教學不利于引導學生進行積極創新，學生也很難由被動學習轉換為主動學習。如數據結構這門課程，一部分學生考試分數較高，而實際上機實踐操作效果欠佳。如兩個字符串合并操作的編程實現問題，超過七成的學生只考慮到了一種情形，即字符串2將連接在字符串1的后面，而“截斷”可能導致的另外兩種情形皆被忽略。事實上更多學生處于一種知其然而不知其所以然的尷尬境地。

1.3較難從計算思維的角度看待課程的連續性

獨立學院學生較難以聯系的觀點看待專業課程學習，部分學生有較強的學習渴望，尤其對于一些能夠“立竿見影”的課程，如c語言程序設計、JAvA語言程序設計等，但對其后置課程如數據結構、算法分析與設計等明顯感覺無法駕馭，究其原因發現大部分獨立學院學生單純關注程序語法及規范，而不能以計算思維為導向用聯系觀點看待復雜問題的求解，故很難綜合應用如分治法、回溯法、貪婪算法、動態規劃算法等技巧對復雜問題逐步求解，逐步求精。

2.以計算思維為導向的教學改革

本研究先前工作已針對獨立學院數據結構課程進行了初步的改革，取得了一定的成果，但由于缺乏對學生計算思維的引導，仍然存在較多不足之處。此后課題組嘗試通過對參與軟件設計大賽的學生引入計算思維，通過對近幾屆學生實施的情況來看，取得了較好的效果。學院學生近些年獲得全國大賽一等獎1次，二等級1次，湖南省軟件設計大賽一等獎1次，三等獎多次。于是課題組嘗試把以計算思維為導向的大學生程序能力培養方式擴大到整個學院的IT類相關專業。

2.1以計算思維為導向的教學方式與教學內容改革

單純以老師“教”與學生“學”的傳統方式的弊端顯而易見，為了培養符合社會、企業要求的應用型本科畢業生，以計算思維為導向的教學方式改革已刻不容緩。以課程軟件工程為例，該課程涉及軟件項目的管理與技術。筆者調查以往三屆學生對軟件工程這門課程的學習情況，得到統計結果如表1，三屆學生中的大部分對軟件工程課程的認識持負面態度。

以計算思維為導向的軟件工程教學改革以任務為驅動，通過一個具體的例子貫穿整個課程。表2將項目分為分析、設計、程序三個階段，并依次描述了整個項目計算思維能力與軟件工程課程知識點的對應關系。由此可見，以計算思維為導向的課程學習方式能讓學生以聯系的觀點看待所學課程，并激發學習興趣，從而達到培養合格人才的目的。

2.2以計算思維為導向教學課程的改革

傳統教學方式重理論課，而實踐課程學習較少，此外，一些教學大綱中陳舊或與市場需求嚴重脫節的課程將予以調整，為此系部以計算思維為導向對TT類相關專業課程進行了調整，目前已經修訂了教學大綱六稿，而主要課程類別所占課時比率見表3。與以往相比，此次課程改革以學生計算思維培養為導向、調整優化了實踐課程、豐富了選修課程、教學上融入了翻轉課堂與慕課等方式。此外，積極引導學生參與計算機相關的考證，并鼓勵學生積極參與湖南省大學生研究性學習與創新型實踐項目，參與指導老師縱向與橫向課題的研發。

2.3以計算思維為導向的考核方式改革

傳統考核主要是期末考試筆試成績+平時成績，這樣的方式將導致一些應用性較強的課程教學效果不佳，很多學生可能直接復制他人成果。目前學院一個教學班級的學生人數超過百人，教師在上課、作業檢查及上機考核等方面都感覺力不從心。為此課程考核改革采用多元化方式，主要方式包括：（1）筆試；（2）上機測試；（3）論文；（4）項目成果。表4中課程類型包括選修課、必修課及慕課，每門課程的方式各不相同，如慕課中設計模式這門課程的考核包括上機測試、論文、項目成果三部分。在學生通過慕課學習設計模式課程后，指導老師再對學生提出的問題進行解答，此外教師對學生項目成果進行評定，并以計算思維為導向對部分能力較強的學生給予進一步引導，課程改革取得了較好的成效，目前相關成果被EI期刊錄用2篇，已發表的成果見文獻。

為保證項目成果的原創性，項目成果考核的方式需要在多媒體教室展示，而評分方式涉及自評、各項目組互評、指導老師評分，回答問題評分，依次所占比率為20%、20%、30%、30%。在項目成果展示結束后，指導老師與不同項目組成員將對每個完成的項目成果提出3個問題，每個問題各占10%，這樣的多元化考核方式激發了學生的學習動力，不再局限于為了完成作業而被動的學習，從而提高了學習的效率。

3.結束語

本研究對學院現階段計算機相關專業大學生實踐動手能力弱的原因進行了分析，側重關注教學方式、教學內容、教學課程及考核方式等方面存在的問題。通過以計算機思維為導向的大學生程序設計能力改革，使得學生學習積極性更高，學習方式更主動，改革取得了較好的成效。但也要清楚認識到，目前取得的成績只是一個好的開始，后續課題組將對以計算思維為導向的大學生程序設計能力培養問題進行不斷的研究探索與改革實踐，力爭讓大學生計算思維能力與程序設計知識的融合達到一個新的高度，并將學院的改革經驗推廣到兄弟院校，從而為培養符合市場需求的計算機應用型人才奠定堅實的基礎。