基于計算思維為導向的程序設計基礎實踐教學改革分析

蘭州交通大學　王紅鷹

我國信息科學的不斷發展，計算機應用到社會和生活的各個方面，提升了社會發展的速度，成為人們通過網絡進行溝通和交流的有效手段，同時掌握一定的計算機知識和技能已經成為當時人們找工作和勝任工作的必備條件，因此，計算機課程在我國各大高校中也占據了非常重要的地位，程序設計作為計算機基礎教學的必要內容，能夠對學生的實踐能力和創造性思維能力進行培養，并且通過計算思維能力的學習能夠為學生其他學科的學習奠定良好的基礎。但是在當前的計算機程序設計基礎教學中存在一些問題，包括教學方式單一，教學內容老舊，使學生的學習能力和解決問題的能力并沒有得到提高。因此，對當前的程序設計課程進行改革是非常必要的。

1.程序設計中計算機思維的培養方向

現代社會需要高素質人才，需要他們具有強烈的創新意識和極強的動手實踐能力，學生們在大學校園中主要學習理論基礎知識和一些指導實踐的技能，在目前這個創新型社會背景下，我們更需要關心實際生產生活中需要什么樣的技能型人才，需要何種創新型人才，根據社會的需要培養優秀人才，這就需要我們培養學生的得學習態度和學習方法，從以前的教學生學什么到培養學生如何去學，主動去學。進而培訓學生發掘問題，思考問題，處理問題的能力。基于計算思維為導向的程序設計課程不僅要掌握相關理論知識，更要有很強的實踐能力。類似課程的學習與教授需要理論與實踐的結合。用理論指導實踐，再實踐中完善理論。可以實現解決問題的全過程訓練及培養。此程序在培養專業人才知識結構體系方面起著至關重要的決定性地位。對于課程的指導從課程授予方式來講，只要學生能夠掌握基本的代碼編寫，及相關語法結構以及一些簡單的程序設計即可；從人才培養角度來講，不僅要求學生學會掌握編寫程序，還要能夠使用程序、分析程序、評價程序、掌握保障程序運行的基本結果和流程，進而能夠優化程序，提高程序運行的能力；從程序設計角度來看，要求學生們能夠根據所學的知識，對遇到的實際問題對問題進行算法描述和具體分析，進而結合問題分析流程，對程序進行系統的分析和優化；從計算思維培養角度來看，程序設計是解決問題的利器，而計算思維是發現問題表述問題解決問題的基本。再進行程序設計之初，首先要選好相應工具，也就是說選取哪門程序語言來處理此問題，例如C語言和JAVA語言，當然也可以選擇其他相應的程序語言為工具。在一般的程序設計教學過程中，首先根據培養目標，設定一個完整的知識體系，然后根據相應體系確立重點教學內容和教學點，之后再根據教學體系中的重點和教學方法確立驗收標準及考核辦法。當然需要授課老師編排明確的授課計劃，授課內容，授課方式。將程序計算的重點分解到每一個課時，最終培養學生獨立學習、獨立思考、獨立處理問題的能力。

2.程序設計計算思維的培養方法

程序設計基礎教學中對學生計算思維的培養是非常重要的，在計算機程序教學中應將計算思維貫穿到整個教學實踐過程中，并將這種思維方式作為計算機人才培養的重點。在計算機專業課程教學中，一些程序設計課程是必修科目，在這些程序設計過程中就體現了計算思維，例如對問題的分析和數據變量以及算法機構和程序代碼的編寫等。因此，在實際教學過程中應制定出能夠培養學生計算思維能力的教學體系，并依照制定的教學體系對程序設計知識進行系統的塑造，并根據實際案例的分析，讓學生逐步的掌握解決問題的方法，形成計算思維能力。

例如，首先在向學生講解具體的算法過程中。程序設計基礎實踐教學中對算法的講解首先應該結合實際生活中的例子，針對解決實際問題為主，將生活中存在的問題進行列舉，并通過科學合理的計算和比較，從而選擇合適的解決方式，這就需要引入算法的概念和特征。例如我們需要到一個地方去旅游，那么針對生活中的這一問題，需要考慮的首先是從出發地到目的地的線路問題，其次，要考慮到天氣情況，最后選擇合適的交通工具，在這三方面因素進行考慮過程中，可以發現其具有一定的制約因素，因素分析的過程能夠體現出計算思維的思想。

另外，在控制結構的講解中，程序設計中控制結構可以分為順序結構和選擇結構以及循環結構，在講解順序結構時可以通過輸入輸出和賦值語句來進行講解，并通過輸入輸出一些有意思的字符信息來提高學習趣味性，而在講解選擇結構時，可以引入一些具體的案例，比如以邏輯思維中的探案推導為例，通過案例的吸引力來引導學生掌握基本方法，避免枯燥的語法學習，而且可以進一步將生活中的實際問題延展進入循環結構，即能加強學習的連續性，還能環環相扣提高學生的思維能力。

當然計算思維能力的培養是一個潛移默化的過程，需要在長期、系統地學習中積累而成。

3.基于計算思維的程序教學改革

3.1　教學設計

學生課前階段的知識點和技能點上具有一致性，并在對學生學習能力提升上就要一定的延伸和拓展作用，學生是課堂教學實踐的主體，教師需要訓練其能夠自主進行程序設計和拓展的能力。程序設計基礎課程在教師的課堂教學中，其基本的教學辦法有以下兩種：一是通過全面的講解，以輸入/出語句、常量、變量、運算符、順序/選擇/循環結構、賦值語句、函數等為主線進而周祥的論述程序設計的基本方法和作用；二是項目化教學法，首先將各種理論概念以及軟件的使用應用到現實項目中去，根據實戰去構建計算思維能力，進而對程序設計有更深入的理解并最終指導實踐應用到實踐中去。再不斷的授課實踐中，通過不斷總結，發現項目化教學能更好的更快的使學生產生學習興趣，更好的理解相關理論，更容易在實踐中舉一反三。根據學生的自身特點，結合現階段的實際授課情況，將相應程序計算法進行整理，使其標準化、序列化、最大限度實現理論、技術、能力和計算思維相融合，最終目的是解決現實工作中遇到的實際問題。項目授課方式一般分為以下幾個步驟：任務申領——相關理論——實施任務。但在具體教學中，理論知識的學習占用了絕大部分時間，而實踐內容相對較少，這就導致了學生的討論機會比較少，更不能很好的進行獨立分析，更多的是按照既定模式、或者教師的思維去執行、設計。通過綜合考慮之后，提出了翻轉課堂與項目教學模式相結合的方式，以Robert Talbert模型為基礎，建立起翻轉課堂的教學模式。此種教學方式需要通過課前階段和課中階段兩個階段對程序設計所涉及的知識進行鞏固和學習。實際教學中以一個完整的教學項目為單位來講述程序設計課程，涵蓋教學從提出到具體實施的整個過程，包括教學環節的設置。在實際教學過程中，首先課前教師需要為學生提供自主預習的時間，學生通過觀看相關視頻和進行有針對性的課前練習來完成課前階段的學習任務；繼而在課堂上教師需要根據學生的實際學習情況，設計出新的教學項目，新教學項目的設計需要能起到一定的監督和指導作用，可以給予學生更多的動手實踐和思考的空間。教師在課堂上重點扮演是教練的角色，一是對學生進行自主練習過程中遇到的問題進行及時的解決，并給學生提供正確的思考方向，引導學生進行討論和思考，二是對課堂教學的內容進行總結和梳理，讓學生對程序設計所涉及的內容和知識進行有效的貫穿，做到詳略得當。

總體來說，首先教師要引導培養學生自主學習能力，只有具備了自主學習能力，才能學習和掌握到更豐富、充實的知識，從而構建完整的知識體系。在完整的計算機科學知識體系基礎上，從全局高度理解計算機科學的精髓，更有利于計算思維能力的形成。其次在教學過程中要將基本技能的掌握和計算思維能力的培養有機地結合起來，有意識地將計算思維融入基本技能的訓練中，突出計算機科學基本概念、方法及思想的理解，將一般規則傳授給學生，啟發學生思考，引導學生探索，逐步培養計算思維能力，讓學生能更容易地去解決實際應用中的復雜問題。

3.2　教學效果

現以FORTRAN程序設計教學為例，對實際課堂教學效果進行評價。主要對以下兩方面進行評價，一是FORTRAN程序設計的實際學習效率和學習的效果，二是學習完成后，對學生編程能力和分析解決問題能力是否具有一定的推動作用。教學評價可以分為兩個階段，第一階段，在程序設計基礎模塊教學完成之后，通過布置的學生作業和考核，來考察學生基礎知識掌握情況。另外，通過布置課程設計作業，要求學生可以根據自身的興趣和愛好來自由的選擇題目，應用FORTRAN語言編寫算法程序，通過學生的實際解答情況對編程能力進行考察，第二階段，程序課程設計結束之后，教師可以自制問卷調查，通過學生的主觀意識來考察整個的學習過程對學生計算思維能力培養所產生的實際效果。根據當前計算機應用程序設計實踐教學課程的改革，對本校開設FORTRAN程序設計課程的學生進行考核和作業情況的調查，大體上可以分為兩種類型，基本技能型和能力拓展型，基本技能型的程序設計中包括了對三種基本結構的應用的計算程序，例如窮舉法應用的計算程序，個人所得稅計算程序，排序的程序等；能力拓展型主要包括常用的工程數值計算程序，學生成績信息管理系統等，能力拓展型的程序設計綜合性都較強。從學生完成的總體情況上來看，具有較高的完成效率，并且質量較好，這可以說明通過計算思維的引導，對程序設計基礎實踐教學課程的改革具有一定的效果，使學生的計算思維能力得到了很大的提高，在未來程序設計課程教學實踐中應不斷的將教學的方式和思維方式進行創新，這樣才能使計算機教學方式和教學理念與時俱進的發展。

4.基于計算思維的程序教學案例分析

程序設計基礎實踐教學與計算思維進行有效的結合，能夠促進學生程序設計能力的提升，同時在實際教學中應改變傳統的教學方式，將整個教學過程始終貫穿抽象和自動化兩種核心思想，另外，還要在實際授課中將程序設計的具體知識引入計算思維方式。傳統教學方式主要是通過對程序中涉及的語法結構進行講解，然后講解實際例子，最后教師做總結并布置作業，從計算思維培養的角度出發，教學內容應從問題導入和語法引用以及面向實踐等方式，突出知識點和程序中涉及技術點的關聯性，并注重課堂教學內容的層次性。程序設計中以循環結構為例，教學可以分為以下步驟：首先，結合學生的日常生活，為學生展示當前程序設計的學習已經深入到我們實際生活中，并對未來的就業具有重要的影響，這樣會讓學生對課程的學習給與足夠的重視。第二步，利用抽象方法，對循環結構中的基本結構先進行提煉，比如引導學生利用等比數列，把等比數列的前n項進行求和的算術問題轉化成相應的循環結構，這樣就在無形中將數學思想灌輸到學生的知識學習中，第三步，給學生提供實踐的機會，例如可以讓學生由簡入難，逐層探求解決實際案例，鼓勵學生進行積極的思考和討論，從計算角度分析，引入計算思維的簡約和嵌入以及轉化等方法，將復雜的程序問題進行轉化和分解，提出有效的解決方式。第四步，進一步拓展，需要引入多層循環嵌套結構，并對基本結構和多層循環結構的差異性和適用的范圍進行分析和研究。

5.結束語

基于計算思維為導向的程序設計課程是當前教學改革關注的熱點，在非計算機專業課程中僅僅通過單一課程的學習來提高計算思維是不符合學生學習和教學實際的，高校在培養學生時應將計算思維貫穿到人才培養的始終，培養出復合型的創新人才，并讓學生在學習和工作中都具有運用計算機科學概念對實際生活中的問題進行解答的能力；對計算機系統進行設計和問題解答，使學生樹立計算思維方式，通過計算機程序設計實踐教學改革能夠提高學生對程序設計學習的興趣，同時能夠提高學生利用計算機分析和解決實際問題的能力。

[1]張敏.以計算思維為導向的C語言程序設計課程案例教學法研究[J].微型電腦應用,2015,31(9):63-65.

[2]呂紅,呂海燕,周立軍,等.基于MOOC的以計算思維為導向的大學計算機實驗教學改革研究[J].自動化技術與應用 2016,35(12):37-42.

[3]張陽,李雄偉,盧宏鋒,等.基于計算思維的計算機基礎教學改革與實踐[J]. 北京郵電大學學報(社會科學版),2015,17(2):113-118.

[4]劉道文.高校非計算機專業計算思維能力培養策略研究與實踐[J].計算機教育,2013,13(1):39-43.

[5]郭福亮,崔良中,李永杰,等.基于計算思維能力培養的計算機基礎教學改革探索[J].計算機工程與科學,2014,36(s2):162-164.

[6]于寧,崔武子,蔡春,等.突出計算思維訓練的VB程序設計實驗教學[J].實驗技術與管理,2016,33(9):182-185.

[7]何明,陳衛衛,陳希亮,等.基于計算思維的大學計算機基礎課程改革方法探析[J].計算機工程與科學,2014,36(a01):96-99.