計算思維能力培養(yǎng)在程序設(shè)計課程中的落地實施

車敏+安利+張紅梅

（空軍工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710051）

摘 要：首先說明培養(yǎng)計算思維能力的重要性，然后針對軍隊院校課時少和信息資源相對不流通的特點，提出以培養(yǎng)學(xué)員計算思維能力為目標(biāo)的資源優(yōu)化重組，搭建在線網(wǎng)絡(luò)課程資源，過程為主和結(jié)果為輔的評價機(jī)制，以參加競賽促教促學(xué)的系列改革措施。

關(guān)鍵詞：計算思維；資源優(yōu)化重組；在線網(wǎng)絡(luò)課程資源；程序設(shè)計大賽

1 計算機(jī)程序設(shè)計課程對培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要性

隨著國家信息化進(jìn)程的加快，信息技術(shù)的發(fā)展正在改變?nèi)藗兊纳睢⒐ぷ鳌W(xué)習(xí)、思維方式和價值觀。2010年《九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中，強(qiáng)調(diào)把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，加強(qiáng)以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容研究[1-2]。孫家廣院士在《計算機(jī)科學(xué)的變革》一文中明確指出（計算機(jī)科學(xué)界）最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是計算思維。中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認(rèn)為計算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像識字、做算術(shù)一樣；在2050年以前，地球上每一個公民都應(yīng)具備計算思維的能力。例如，計算機(jī)科學(xué)對生物學(xué)的貢獻(xiàn)絕不限于其能夠在海量序列數(shù)據(jù)中搜索尋找模式規(guī)律的本領(lǐng)，而最終的希望是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法（自身的計算抽象和方法）能夠以其體現(xiàn)自身功能的方式表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)不僅要加強(qiáng)學(xué)生對計算環(huán)境的認(rèn)識，還應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生在計算環(huán)境下掌握問題求解方法，這是高校學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)解決專業(yè)問題的重要基礎(chǔ)。另外，計算思維能力的培養(yǎng)還展現(xiàn)了計算機(jī)學(xué)科獨特的思維方式，為將來創(chuàng)新性地解決專業(yè)問題奠定了基礎(chǔ)[3-4]。

對于軍隊院校來說，程序設(shè)計基礎(chǔ)課程學(xué)時偏少和信息資源相對不流通是共性問題；同時授課對象也都是大學(xué)一年級的非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生，其計算機(jī)基礎(chǔ)知識相對不足，理解計算思維也存在問題。如何在有限的學(xué)時中貫穿計算思維的思想，使學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中對計算思維有更深刻的理解和體會，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，是值得探討的問題。

2 基于計算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式

從面臨的實際問題出發(fā)，無論是從教師“教”的方面，如課堂教學(xué)設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容及對象重組、案例精心選擇、實踐環(huán)節(jié)巧妙設(shè)計、在線網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)置、考核方式多樣化等，還是學(xué)員“學(xué)”的方面，如課前預(yù)習(xí)、課堂討論、章節(jié)練習(xí)、實踐演練、算法訓(xùn)練、綜合應(yīng)用、參加競賽等環(huán)節(jié)，都應(yīng)開啟基于計算思維能力的培養(yǎng)模式。

（1）針對學(xué)員信息化水平良莠不齊和學(xué)時少的情況，為達(dá)到好的教學(xué)效果，在教學(xué)對象和教學(xué)內(nèi)容上都進(jìn)行優(yōu)化重組。

教員可通過摸底考試檢測，把學(xué)員分為兩種級別并采用分級教學(xué)，對于程度好的學(xué)員，減少基礎(chǔ)知識講解，注重解決實際問題訓(xùn)練，課堂更多采用討論和研討的模式，更傾向于發(fā)揮學(xué)員的主動性和創(chuàng)造性，讓學(xué)員以組為單位，更多地進(jìn)行綜合問題的演練；對于程度相對差的學(xué)員，由于課時少的原因，在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行優(yōu)化重組。例如，對于難點內(nèi)容指針，首先提出問題——為什么要采用指針，指針變量的實質(zhì)是什么，這部分內(nèi)容設(shè)置在變量介紹部分；再到剖析問題——采用指針有什么優(yōu)點（數(shù)組采用指針引用，效率高），這部分內(nèi)容就設(shè)置在數(shù)組部分；最后實際解決問題——怎么正確使用指針（不同指針指向不同） 部分。通過如此循序漸進(jìn)的模式，學(xué)員可以深刻體會到指針部分內(nèi)容如此設(shè)置的理由。

（2）引入競賽案例，旨在拓展思維。

在數(shù)組部分，常規(guī)的教學(xué)案例無外乎排序和查找算法的應(yīng)用，大部分學(xué)生對于這部分內(nèi)容不能更好地拓展。我們在實際教學(xué)中，引入大學(xué)生ACM競賽中很常見的大數(shù)計算實例，讓學(xué)生知道對于超過計算機(jī)數(shù)據(jù)類型無法表示的數(shù)據(jù)，計算機(jī)又是如何進(jìn)行存儲和運(yùn)算的；通過大數(shù)加減乘除的典型運(yùn)算，幫助學(xué)生深刻地體會字符數(shù)組使用特點，同時對于常見迭代算法又是一次很好的應(yīng)用體現(xiàn)，讓學(xué)生感到計算思維是通過抽象和分解來處理龐雜的任務(wù)特性，最終真正明白“計算機(jī)不是什么神奇的魔法，教師才是真正的魔術(shù)師！”——英特爾公司董事會主席貝瑞特博士。實踐證明將競賽案例引入課堂，能很好地訓(xùn)練學(xué)生的計算思維能力。

（3）設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，注重綜合應(yīng)用。

實踐環(huán)節(jié)應(yīng)突現(xiàn)趣味性和綜合性，如在分支結(jié)構(gòu)中安排計算快遞費(fèi)用的程序進(jìn)行計算思維訓(xùn)練。教學(xué)方法通常是陷阱教學(xué)法，通過故意把典型的、容易出錯的代碼寫錯來設(shè)陷阱；另一種就是在算法優(yōu)化問題上設(shè)陷阱。教員通過設(shè)置這些陷阱吸引學(xué)生的注意力，然后引導(dǎo)學(xué)生思考，使其看到問題之外的問題、方法之外的方法以及沒有聯(lián)系的聯(lián)系。這一系列問題的設(shè)置旨在培養(yǎng)學(xué)生理解計算過程的嚴(yán)謹(jǐn)性、編寫程序的準(zhǔn)確性和算法的高效性。這樣的環(huán)節(jié)設(shè)置更有助于他們理解計算機(jī)這個工具的特點以及計算思維的內(nèi)涵。

（4）針對信息資源相對不流通情況，搭建在線網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺。

搭建在線網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺對學(xué)員與教員溝通交流以及學(xué)員課后自主學(xué)習(xí)獲取課程信息是非常必要的。在線網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容共分為網(wǎng)絡(luò)教材、內(nèi)容講授、講授課件、上機(jī)實踐、編程訓(xùn)練、綜合應(yīng)用、學(xué)習(xí)園地和程序人生八大模塊，主要功能如圖1所示。

這8個模塊的內(nèi)容中，前4個模塊是必學(xué)模塊，要參與課程的過程評價；后4個模塊是選學(xué)模塊，為拓展和深化知識應(yīng)用而設(shè)置。

（5）采取多樣化考核方式，以過程評價為主，以結(jié)果評價為輔。

對于程序設(shè)計基礎(chǔ)課程的評價，我們綜合運(yùn)用多種手段，形成多元化的評價機(jī)制，主要考核原則是加強(qiáng)過程評價，弱化結(jié)果評價。課前預(yù)習(xí)在網(wǎng)絡(luò)課程中有問題設(shè)置，學(xué)員必須回答基本問題；課堂上有問題討論得分環(huán)節(jié)，以激發(fā)學(xué)員主動性；課后無論是在線下還是在線上均有作業(yè)設(shè)置，章節(jié)考核有題庫支持。在實踐環(huán)節(jié)設(shè)置不同難度的問題，加強(qiáng)學(xué)員操作和調(diào)試能力；在綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)員以小組為單位完成一個綜合項目，意在培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新和團(tuán)隊精神。這些環(huán)節(jié)的問題都是學(xué)員必須完成的任務(wù)，它們是過程評價的指標(biāo)。期末采用無紙化考試形式，在自編的考試系統(tǒng)上，學(xué)員隨機(jī)抽取試卷，閱卷有對應(yīng)的閱卷系統(tǒng)，編寫程序的題目必須全部運(yùn)行結(jié)果正確才得分。過程評價占70%，結(jié)果評價占30%。考核方式多樣化，意在敦促學(xué)員注重平時知識的積累及綜合實踐，對于實踐性極強(qiáng)的程序設(shè)計基礎(chǔ)課程，只有多次練習(xí)和實踐，才能更好地體會算法的精髓及思維能力的訓(xùn)練。

3 以參加國內(nèi)外程序設(shè)計競賽為契機(jī)， 開啟“選拔—培養(yǎng)—競賽—反哺”人才培養(yǎng)模式

從新生入學(xué)后，教師就可以進(jìn)行程序設(shè)計大賽知識的宣傳，以俱樂部形式組織有潛力的學(xué)員進(jìn)行人才的選拔；選拔后，成員利用課余時間在俱樂部內(nèi)，由富有競賽經(jīng)驗的指導(dǎo)老師舉辦專題講座和進(jìn)行競賽輔導(dǎo)，以完成人才的培養(yǎng)；在學(xué)校范圍內(nèi)積極開展計算機(jī)程序設(shè)計競賽、多媒體設(shè)計大賽等計算機(jī)學(xué)科競賽，同時引導(dǎo)學(xué)員積極參加“藍(lán)橋杯”計算機(jī)程序設(shè)計競賽、ACM程序設(shè)計競賽、中國大學(xué)生計算機(jī)設(shè)計大賽等國內(nèi)外知名的競賽；參賽后積極開展經(jīng)驗交流會，以反哺形式反饋到日常的教學(xué)改革中。通過此方式的人才培養(yǎng)，實現(xiàn)長期備賽、人才選拔、短期集訓(xùn)、賽前輔導(dǎo)、賽后反哺等環(huán)節(jié)的全流程和可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語

基于計算思維能力的教學(xué)模式改革，是空軍工程大學(xué)實際教學(xué)改革中所采用的實際措施。從近兩年改革實踐后的效果看，學(xué)員學(xué)習(xí)興趣和動手實踐能力顯著提高，在各類競賽中獲獎的人數(shù)越來越多；教員的執(zhí)教能力和水平也大幅提高，做到“教學(xué)相長”。目前，我國大部分高校已正式開始實踐探索基于計算思維的計算機(jī)課程改革，如上海交通大學(xué)、南方科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、深圳大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等[5]。以計算思維為核心的計算機(jī)課程教學(xué)改革是一項復(fù)雜的系統(tǒng)過程，絕非一件一蹴而就、一勞永逸的事情，需要我們不斷學(xué)習(xí)、研究、實踐、總結(jié)和優(yōu)化。

第一作者簡介：車敏，女，講師，研究方向為信息處理，cheminw@163.com。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮博琴. 對于計算思維能力培養(yǎng)“落地”問題的探討[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2012（9）： 6-9.

[2] 譚浩強(qiáng). 研究計算思維， 堅持面向應(yīng)用[J]. 計算機(jī)教育， 2012（21）： 45-49.

[3] 孫麗君. 圍繞計算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計課程改革[J]. 計算機(jī)教育， 2013（5）： 29-31.

[4] 洪雄. 從程序設(shè)計大賽看計算機(jī)公共課程建設(shè)改革[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)）， 2013， 27（11）： 137-140.

[5] 陳國梁. 計算思維： 大學(xué)教育的振興， 科學(xué)工程研究的創(chuàng)新[R]. 深圳： 第八屆CCF中國計算機(jī)大會， 2011.

（編輯：宋文婷）