關于程序設計課程思維能力培養的實踐及思考

陳建文

（哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001）

0 引言

前耶魯大學校長理查德·萊文在談到大學教育的本質時曾指出：“大學教育的目的不是傳授知識和技能，卻能夠讓人勝任任何學科和職業。”在萊文看來，大學教育的核心在通識。目前，程序設計課程已經成為當代大學生最重要的通識類課程之一。這就提出了一個問題：程序設計課程的教學目的是什么？是傳授知識，還是傳授技能？筆者認為，這兩者都不是程序設計課程的目的所在。正如喬布斯所說，學習編程教會一個人如何思考，每個人都應該學習一門編程語言。筆者認為，程序設計課程教學目的之核心在于教會大學生如何思考，就像學習《幾何原本》一樣，學習程序設計的目的是提升思維能力。

1 課程內容的邏輯組織

精心設計好課程的邏輯組織，使學生在學習的過程中真正體會到C語言的邏輯之美，是提升學生思維能力的必要前提。

《幾何原本》對包括牛頓、愛因斯坦等一大批的科學家產生了深遠的影響，主要是源于其邏輯體系的構建。目前，學生在進入大學之前雖然學習了幾何學的內容，但很少有學生能夠領略《幾何原本》中邏輯體系的思想，其主要原因是中學時期學生的邏輯思維能力還不夠成熟。大學一年級恰恰是訓練大學生思維能力的最佳時期。程序設計課程在提升大學生的思維能力方面發揮著重要的作用。

文獻[1]中所確立的授課內容的邏輯組織仍然是程序設計課程中內容邏輯組織的最佳范本。筆者在此基礎上稍加修改，使之更適合初學者，修改后的教學內容如下：

第一部分：初識C語言；

第二部分：數據類型、運算符和表達式；

第三部分：控制流語句；

第四部分：函數與程序結構；

第五部分：數組；

第六部分：指針；

第七部分：結構體；

第八部分：文件輸入輸出。

《幾何原本》在5條公理的基礎上推導出整個歐式幾何學所有的定理，這種邏輯體系的思想在C語言中也得到很好的展現。通過課程內容的邏輯組織，學生認識到C語言在很少語法規則的基礎上卻能夠描述豐富的程序邏輯，是提升學生思維能力的關鍵所在。學習知識并不是程序設計課程的關鍵，學會利用有限的知識解決復雜的問題才是程序設計課程的關鍵所在，也是提升大學生思維能力的關鍵所在。例如，關于函數的參數傳遞，不同的教科書中有按值傳遞、數組作為函數參數、按地址傳遞等不同的說法。然而，用C語言原作者的話說，C語言只支持按值傳遞一種參數傳遞方式。在這個問題上，在課程的內容組織上讓學生理解C語言只支持按值傳遞，只通過按值傳遞一種參數傳遞方式就能夠實現豐富多樣的參數傳遞功能，才能準確地把握C語言參數傳遞的本質。在這個過程中，邏輯發揮著至關重要的作用。再比如，指針是C程序設計語言的難點，在指針這一部分，讓學生首先把握指針變量是用來存放變量地址的變量這個基本概念，然后把握如何訪問一個變量的地址、如何通過指針變量訪問它所指向的變量這些有限的語法規則，就可以表達豐富的程序邏輯，并在此基礎上理清指針與數組、指針與字符串的關系。理清各個語法規則的邏輯關系，是把握指針這一部分的關鍵所在，也是提升學生思維能力的關鍵所在。

C語言的成功與其清晰的邏輯表達是分不開的。理清程序設計課程各個部分的邏輯關系，是利用有限的學時使學生把握程序設計的本質、提升思維能力的關鍵所在。

(4)創客敢于實踐。實踐是檢驗真理的唯一標準，只有將自身想法付諸于行動，并用實踐行動來檢驗自身的想法是否正確，這樣的一類人才能成為創客。

2 代碼實例教學

選取好的代碼實例，使學生在閱讀規范的C語言代碼過程中真正領略到C語言代碼的邏輯之美，可以使學生的思維能力在理解代碼的過程中得到最有效的訓練。

南宋理學家朱熹曾說：“模擬者，古人用功之法。讀得韓文熟，便做韓文的文法；讀得蘇文熟，便做蘇文的文法。”可見，模仿是學習的重要手段。許多學生大學學習了C語言程序設計之后，仍然不會寫程序，最主要的原因是缺少模仿規范的C語言代碼的環節。我們在講解具體的語法規則時，用了一些小的示例代碼。例如，在講解循環結構時，用了銀行等額本息和等額本金的利息計算示例。我們發現，借助于這些小的示例代碼把握C語言的語法規則之后，在課堂上與學生共同閱讀一個完整、規范的C語言程序，是教會學生寫程序的最關鍵的一個環節。我們選取了文獻[2]中簡單線性回歸的源代碼與學生一起在課堂上閱讀。通過閱讀代碼，學生對于如何利用C語言的語法規則構建一個完整的應用程序有了很好的把握。我們還推薦學生課后自己閱讀文獻[2]中方程求根、函數求極值、排序等方面的源代碼。在閱讀這些代碼的過程中，學生對如何將正在學習的線性代數、微積分等課程的理論轉變成解決現實問題的程序有了深刻的理解。

模仿規范的代碼之后，我們指導學生用C語言實現了穩定婚姻匹配問題[3]。在利用C語言實現穩定婚姻匹配算法的過程中，用到數組、指針甚至鏈表等知識點，使學生在模仿他人代碼的基礎上體會到自己編寫程序解決問題的樂趣，在不知不覺中提升思維能力。此外，我們還講解了PageRank算法[4]的原理，與學生一起對如何用C語言表達PageRank算法的邏輯進行探討和程序示范，使得學生對如何利用C語言表達搜索引擎的程序邏輯有了深刻的理解，也讓學生理解了Google、百度等搜索引擎的本質。

3 MOOC教學與SPOC教學

MOOC教學與SPOC教學是課堂教學的有力補充。MOOC指的是MassiveOpenOnline Course，對全社會開放；SPOC指的是Small PrivateOnlineCourse，僅對本校學生開放。理清課堂教學和MOOC教學與SPOC教學的關系，充分發揮各自的優勢，是利用好MOOC教學與SPOC教學的關鍵。課堂教學的優勢在于便于與學生交流互動，MOOC教學的優勢在于學生可以根據自身的學習情況適時安排和控制學習，SPOC教學的優勢在于學生在看視頻短片時可以自主選擇停下來思考，沒看懂的可以倒退反復觀看；同時，MOOC教學與SPOC教學的課程內容可以永久存檔，方便隨時復習。

MOOC教學的邏輯組織與課堂教學的邏輯組織是相對獨立的。課堂教學自成體系，MOOC教學也是自成體系，兩者可以分開來學，又可以相互補充。對于課堂上需要擴展的知識點，則是通過視頻短片的形式放在SPOC中供大家課后進一步學習。

4 翻轉課程教學

翻轉課堂教學是提高學生學習積極性的重要手段。每名學生在課程的最后都需要用C語言做一個項目，撰寫實驗報告，并且在課堂上與大家分享自己所做的項目及心得體會。對于所做的項目內容沒有任何限制，每名學生都可以自由選取。事實證明，對項目的內容不加限制是正確的，這給了學生最大的發揮空間。

有名學生給筆者發郵件說：“老師您好，我的實驗大作業是一個幫助媽媽理賬的小程序，希望能夠有機會參加翻轉課堂，和大家分享我的程序。”有的學生做的是關于航道規劃的程序。學生在利用C語言解決一個實際問題的過程中，會積極與老師和同學交流以解決所遇到的困難，并精心準備在同學面前的展示。每名學生的思維都在這個從開始著手解決問題到最后在同學面前展示自己成果的過程中得到了升華。

著名作家、思想家列夫·尼古拉耶維奇·托爾斯泰曾說：“知識，只有當它靠積極的思維得來，而不是憑記憶得來的時候，才是真正的知識。”C語言程序設計本身的特殊性能夠為學生思維的訓練提供有利的前提和基礎。學生在利用C語言解決自己感興趣的實際問題的過程中，可以真正理解C語言的全貌，體會C語言的魅力，提高自主探究的思維。翻轉課堂可以全面提升課堂上老師與學生之間、學生與學生之間的交流互動。每名學生都可以站在講臺上分享自己的程序，在從自己會到給其他同學講明白的過程中，其分析、綜合、論證的邏輯思維和表達能力得到很大的提高；作為聽眾的其他同學則通過翻轉課堂看到主講人身上的優點。孔子云：“三人行，必有我師焉。”傳統教學中是講臺上的一位老師，而翻轉課堂則讓每名學生都可以貢獻智慧并成為別人的老師。

程序設計課程的教學目的不僅僅是讓學生掌握一門程序設計語言的語法規則，而是培養學生利用程序設計語言解決問題的能力，教會學生如何思考。最后，每名學生能夠利用C語言解決一個實際的問題，并在課堂上與大家分享，又能夠聆聽其他同學的經驗，取長補短。因此，翻轉課堂是實現教學目標的核心環節。在實現這個環節的過程中，也有學生提出問題。例如，針對每名學生自己選擇的項目，具體的評分細則是怎樣的？許多學生已經適應了傳統的考核方法——預先設計好項目由學生實現，實現項目相應的功能就給相應的分數。筆者認為，由學生按照自己的興趣選擇項目，能夠更好地發揮其想象力，選題的過程本身也是一個思考的過程。

翻轉課堂的結果表明，不同的學生選擇不同的項目，會更大地激發學習熱情。與由老師指定固定的項目相比，學生可以真正體會到利用C語言簡單的語法規則解決多種多樣問題的奧妙，這才是程序設計課程給予的真正的啟示。關于評分，考試占50%，平時的程序作業占25%，最后的項目和課堂翻轉占25%，其中項目的代碼部分由老師給出評價，占15%，課堂翻轉的成績由學生投票決定，占10%。關于如何合理設計最后的項目和課堂翻轉部分的分數比例及其評分細則，仍然是一個值得思考和探討的問題。

5 結語

《幾何原本》在一系列公理的基礎之上建立了整個歐式幾何的邏輯體系，給予我們每個人嚴密的邏輯思維；程序設計課程在一系列基本語法規則的基礎上表達豐富的程序邏輯，同樣可以培養當代大學生嚴密的邏輯思維能力。讓當代大學生通過程序設計課程的學習提升自己的思維能力，是我們每名講授程序設計課程的教師共同努力的目標。

[1] Kernighan B W, Ritchie D M. The C programming language[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

[2] GNU. GSL-GNU scientific library[EB/OL]. [2017-08-04]. http://www.gnu.org/software/gsl/.

[3] Gale D, Shapley L S. College admissions and the stability of marriage[J]. The American Mathematical Monthly, 1962, 69(1): 9-15.

[4] Brin S, Page L. The anatomy of a large–scale hypertextual web search engine[C]//Proc. of the 7th International World Wide Web Conference. New York: ACM, 1999: 107-117.