程序設計課程的思維策略訓練研究與探索

余 穎，李曉昀，歐陽純萍

（南華大學 計算機學院，湖南 衡陽 421001）

0 引 言

隨著社會信息化的進程，計算機技術已經滲透到各行各業，具備一定的計算機編程能力是當今大學生必備的技能之一，因此程序設計課程是全國各個高校理工科專業大一新生必修的一門課程，然而，從實際教學效果來看，并非盡如人意。課程本身有一定難度，雖然任課教師課程導入很好，很多學生剛開始接觸程序設計時興趣盎然，但是隨著許多難以記憶和理解的概念、術語、語法的出現，尤其是對程序設計基本結構的引入，學生開始感覺到課程乏味、枯燥，甚至思維混亂，經常是課堂上好像聽明白了，上機實驗時卻無從下手，寫不出程序，最后導致學習興趣逐漸降低。追根溯源，其實學生雖然學了課程，但是并沒有真正具備編程思維，而是僅僅知道了一個程序設計語言以及相關語法，與程序設計課程的真正教學目的相去甚遠。

很多教育者嘗試通過改革實踐教學來解決這一問題[1-5]，主要著力于研究以實踐教學為重點、以網絡平臺為依托、以實踐能力提升為目的的教學改革方案。不可否認，合理設置更多的實踐環節對學生熟練掌握程序設計技巧確實大有裨益，但是筆者認為將思維方式融入教學中更為重要，只有讓學生掌握思維方式，才能不局限于某一種具體的編程語言，而真正了解程序設計的內涵。不少教育者早已關注于計算思維能力的培養[6-9]，作為計算機科學的基石，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授在計算機權威期刊Communications of the ACM上將計算思維定義為“運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、人類行為理解等的一系列思維活動”[10]，其本質就是抽象和自動化。

1 策略性知識與思維策略的訓練

認知心理學將知識分為三大類：陳述性知識、程序性知識和策略性知識。陳述性知識告訴我們“是什么”，程序性知識告訴我們“怎么做”，策略性知識則是關于如何學習、如何思考的方法性知識，其實質是一套如何學習、記憶、思維的規則和程序，它控制著人的學習、記憶和思維活動[11]。策略性知識也是一種程序性知識，但不同于一般意義上的程序性知識，策略性知識針對個人自身的認知活動。在教學中，通常比較重視陳述性和一般程序性知識的教學，卻忽視策略性知識的養成。

策略是一種知識，而且是一種重要的知識，它跟其他知識一樣能夠表達和傳遞。 若這些知識能夠被學生真正理解、熟練掌握、自覺運用、廣泛遷移， 就會轉化為學生的學習和思維能力。已有實驗證明，通過思維策略的訓練有利于在學習新知識時進行深水平的加工，有利于養成理解記憶的良好習慣。

2 程序設計中的思維策略

進行程序設計的思維策略訓練，首先要了解程序設計過程中解決問題的思維策略是什么。任何學科領域中，解決問題的思維過程都可以大致分為3個階段：分析問題、解決問題和思路總結。有學者通過對“專家”與“新手”解決學科問題的思維過程進行對比分析[12]， 總結出了解決問題的7條通用思維策略（見表1）。這7條策略中，策略1—3 是分析問題（表征問題）階段上的思維策略，策略4—6 是解決問題（思維推理）階段上的思維策略， 策略7 是解題后回顧總結（思路概括）階段上的思維策略。

程序設計也是一個解決問題的過程，它建立在計算過程的具體實現和約束之上，通過程序控制機器的全部操作，從而獲得問題的解。將通用策略映射到程序設計過程中，能夠得到程序設計的思維策略（見表1）。在程序設計過程中，前3個策略是決定成敗的關鍵，策略4—6與編碼實現相關，策略7則通過回顧總結幫助學生更好地掌握編程思維。

例如，素數判定問題的程序設計求解如下：（1）首先是理解問題，確定什么是素數，是否能在有限時間內作出判定。

（2）接下來考慮問題的輸入為從鍵盤任意輸入一個整數，輸出為“Yes”或“No”的判定結果。

（3）考慮判定的算法。素數判定的算法有很多，簡單的枚舉嘗試、篩數法、同余法等，核心都是判斷能否整除。以枚舉為例，逐一枚舉因子，判斷是否能夠整除輸入的整數，若直至所有小于該數的因子都被嘗試，仍未發現可整除的因子，則判定為“Yes”，否則，判定為“No”。

至此，問題的分析已完成，解決的思路已確定，接下來進一步剖析解決步驟。

（4）需要設置兩個整型變量完成判定：從鍵盤輸入的整數n，枚舉因子的循環變量i。由于需要逐一進行枚舉，因此須采用循環結構。按照素數的數學定義確定循環控制范圍為[2,n-1]。

（5）結合編程語言選擇實現循環結構的語句，如在C語言中for、while、do-while均可實現循環結構。

（6）考慮非正常輸入的處理，如負數、浮點數、字符、其他字符等，需要在程序中對輸入的有效性進行驗證。

到這里問題已基本解決，結合一門具體的編程語言即可實現素數判定問題的求解。

（7）當成功實現素數判定后，梳理求解問題的思路并進行總結與應用推廣，如在求解超級素數、統計給定區間的素數時，可將其聲明為自定義函數進行調用。另外，可考慮已實現代碼的改進，如循環范圍還可依據相關數學證明來縮小（如枚舉至）。

表1 通用策略與程序設計思維策略

從分析問題到解決問題，再到思路總結，每個具體問題的程序設計過程都有對應的思維策略，但都歸集于7條抽象思維策略的范疇。若能讓學生掌握這樣的思維過程，也就達到了教學的真正目標。

3 程序設計思維策略的元認知訓練實驗

我們嘗試通過元認知訓練，讓學生真正掌握程序設計的思維策略，并在實踐中得以體現。1976年，Flavell提出了元認知的概念[13]，他認為“元認知是一個人所具有的關于自己思維活動和學習活動的認知與監控”，它體現了人在認知活動中的意識性、反省性和自主性。通過元認知訓練可以讓學生對自己的認知加工過程進行自我覺察、自我評價和自我調節，其實質就是設法讓學生學會學習。我們以C語言程序設計課程為實驗對象，開展了一個學期的元認知訓練，將思維策略融入課堂教學，引導學生主動運用思維策略解決問題。我們設計了一個自我提問單，見表2。

在課堂上講解程序設計案例時，教師可以通過自我提問的方式向學生逐一拋出問題，啟發其思考，讓學生在潛移默化中進行元認知訓練，從而養成良好的程序設計思維習慣，在獨立解決問題時能夠正確地應用思維策略求解問題。在2016—2017學年第一學期中，我們選擇2016級信計專業學生實驗性地開展思維策略訓練，通過在線評測系統上的實驗完成情況來看（如圖1所示），經過思維策略的元認知訓練，信計專業學生的解題平均數量明顯高于其他專業學生，并且最初在剛接觸程序設計語言，進行分支結構實驗時，各個理工科專業學生的解題平均數量相差無幾，但在后期實驗中，參與元認知訓練的信計專業學生逐漸在解題能力上優于其他幾個專業的學生。

實驗班與其他班的上機情況對比結果表明，實驗班的上機任務完成情況明顯優于其他班級。學期末，從每個專業挑選10名學生進行一次限時的綜合實驗，實驗班的學生平均解題數比其他班級學生多出0.8題。可見，基于元認知的思維策略訓練行之有效。

表2 元認知訓練自我提問單

圖1 實驗班與其他班實驗完成情況的比較

4 結 語

在數字化時代背景下，以計算思維主導的思維能力培養十分重要，而程序設計所包含的編程思維恰恰能夠很好地詮釋計算思維的內涵。很多國家已經開始在中小學生中普及計算機程序設計課程，從小開始培養學生的計算思維。一種思維能力的培養，其終極目標是“授人以漁”，因此在高校的程序設計課程教學中，摒棄以往“授人以魚”的方式，將思維策略訓練引入課堂，將得到事半功倍的效果。